Гигиенические аспекты использования опресненной морской воды в питьевых и хозяйственно-бытовых целях. Обзор литературы

Введение. История опреснения морской воды методом нагрева и сбора пара-конденсата берет начало с Аристотеля (384–322 гг. до н.э.) [1]. Использование опресненной воды в питьевых и хозяйственно-бытовых целях не запрещено ни санитарно-эпидемиологическим, ни водным законодательством^{1 2 3 4}. Более того, такой метод водоподготовки рекомендован Всемирной организацией здравоохранения и широко используется в мире [2–4].

В Российской Федерации активное внедрение методов опреснения морской и солоноватых подземных вод проводилось в 70-е и 80-е годы прошлого века, когда и были разработаны методические документы санитарного законодательства в данном вопросе. Высокоминерализованные подземные воды и морская вода активно используются для приготовления воды питьевого качества и во многих странах, расположенных на морском побережье: Ближний Восток, север Африки, средиземноморский бассейн [5][6].

Обращение в настоящее время к морской воде как источнику питьевого водоснабжения в России, обладающей в целом достаточными запасами пресной воды, обусловлено неравномерностью их распределения по территории и наличием регионов с выраженным дефицитом пресной воды. В первую очередь это касается засушливых территорий, а также полуострова Крым [7][8].

В настоящее время применяются 5 методов опреснения морской воды [7]: дистилляция, или термическое опреснение; вымораживание; ионный обмен; электродиализ; обратный осмос.

Опреснение высокоминерализованных вод осуществляется разными способами, сопровождаемыми разными гигиеническими последствиями для водопользователей. Во-первых, это разная степень удаления минеральных и органических веществ и поэтому разные требования к исходной опресняемой воде. Во-вторых, это разное технологическое оснащение применяемого оборудования и возможность миграции загрязняющих веществ из его материалов и применяемых реагентов в опресненную воду. В-третьих, разная степень защищенности опресненной воды от микроорганизмов: как исходной воды, так и в результате вторичного загрязнения [8]. Одинаковая проблема для всех методов опреснения – это необходимость после опреснения добавлять кальций и фтор для обеспечения физиологической полноценности воды и придания необходимых органолептических (вкусовых) свойств^{5 6} [9], а также обезвреживание образующихся рассолов [10].

Цель. Обобщить и систематизировать результаты научных исследований о характеристике различных способов опреснения морской воды для использования в питьевых и хозяйственно-бытовых целях.

Материалы и методы. Систематический обзор научных исследований осуществлен на русском и английском языках в базах данных PubMed и Web of Science. Авторы отобрали 40 исследований, содержащих эмпирическую оценку эффективности опреснения морской воды и приготовления воды питьевого качества, нормативно-методические документы отечественного санитарного законодательства. Результаты исследований систематизированы по основным методам опреснения.

Результаты. В условиях неравномерности распределения по территории страны источников пресной воды, особенностей климатогеографических и гидрологических условий, роста хозяйственного освоения поверхностных вод суши, сопровождаемого их загрязнением и невозможностью использования для питьевого водоснабжения [11], использование морской воды для приготовления питьевой воды и в хозяйственно-бытовых целях в мире находит все большее распространение. Территория Российской Федерации омывается водами морей Северного ледовитого океана, Тихого океана, Черного, Азовского и Каспийского морей.

Опреснение вод осуществляется в соответствии с требованиями используемой технологии опреснения к источнику водоснабжения, включающими величину дебита (для подземных), уровень минерализации и состав исходной воды по химическим, радиологическим, микробиологическим и паразитологическим показателям.

В основу опреснения вод заложены три основных принципа:

1) испарение и конденсация паров воды при действии температуры;

2) сепарация молекул воды через полупроницаемую мембрану под влиянием давления, электрического поля;

3) ионный обмен на катионитах и анионитах.

Все способы имеют те или иные ограничения на использование. Это – ограничение состава морской воды по взвешенным веществам, загрязняющим веществам, микроорганизмам и радионуклидам. Механические частицы могут закупоривать отверстия и препятствовать фильтрации и проницаемости мембран. Для преодоления этих ограничений используют предочистные мероприятия (фильтрация, осаждение). Существенное влияние на эффективность опреснения оказывает исходный состав морской воды: ее соленость, соотношение ионов, влияющих на возможности способа отделять воду от солей [12–14].

Обратный осмос. Опреснение воды методом обратного осмоса при одноступенчатой технологии обратного осмоса позволяет опреснять воду с содержанием минеральных солей 6–7 г/л⁷. Метод обладает ограниченной способностью извлекать из морской воды бор и бром (соответственно 30–40 % и 80–90 %). Увеличение числа ступеней позволяет опреснять воду с солесодержанием до 20 и 35–40 г/л. Полупроницаемые мембраны установок обратного осмоса способны задерживать не только крупные органические молекулы – нефтепродуктов (на 90–95 %), ПАВ (на 80–98 %), ПАУ (на 90–96 %), но и гидратированные молекулы свинца, железа и других неорганических веществ [15–17].

Высока барьерная роль обратного осмоса в отношении микроорганизмов (от 80 до 95 %), что позволяет его использовать при количестве бактерий группы кишечной палочки от 1,5 × 10² до 4 × 10⁵ КОЕ. Однако следует иметь в виду, что присутствие в морской воде ПАВ до 2 раз снижает барьерную роль мембран в отношении микроорганизмов.

Как и любой метод опреснения, обратный осмос требует предварительной обработки морской воды перед обратноосмотической установкой по устранению механических примесей и создания условий, предотвращающих отложения малорастворимых соединений на поверхности мембран.

Опресненная обратным осмосом вода требует мероприятий по восстановлению макрои микроэлементного состава воды. И это служит одним из главных недостатков метода.

Со временем эксплуатации обратноосмотических установок из мембран в воду начинают вымываться незаполимезировавшиеся мономеры, а также образуются пустоты (каверны), заполняемые органическим веществом, которое служит питательной средой для микроорганизмов и «вторичного» обсеменения очищенной воды.

Дистилляция. Основанный на температурной возгонке с последующим конденсацией водяного пара, дистилляционный метод опреснения является одним из наиболее используемых методов приготовления питьевой воды из морской [18]. Главным недостатком дистилляционных методов опреснения является накипеобразование на поверхностях теплообмена, а также высокая энергопотребность.

Метод дистилляции наиболее эффективен при опреснении высокоминерализованных вод с солесодержанием более 13–15 г/л.

Обработка морской воды на исходной стадии предусматривает предочистку – фильтрацию, осаждение, умягчение, деаэрацию, реагентную обработку.

Вода, опресненная методом дистилляции, содержит очень мало минеральных веществ. Вместе с тем в дистилляте может присутствовать ряд химических веществ, поступающих в него при возгонке с водяными парами (бром), при выщелачивании из конструкционных материалов (медь, железо, никель, кадмий и др.). Важное место в загрязнении готового продукта испарительных установок (дистиллята) могут занимать реагенты и полимеры, используемые в технологических или конструкционных материалах (гидрофобные теплоносители, теплообменные трубы, антикоррозионные покрытия, антинакипины).

Дистилляция обладает высокой барьерной ролью в отношении загрязнения воды микроорганизмами и канцерогенными ПАУ. Однако на практике дистилляционное опреснение не является абсолютно надежным способом обеззараживания воды, поскольку возможны как подсос микробного загрязнения извне вследствие создания вакуума во внутреннем контуре опреснителей и в теплообменниках – конденсаторах, так и частичный занос микроорганизмов с водяным паром [19]. В результате, опресненная методом дистилляции вода должна обязательно обеззараживаться.

Особое место при коррекции солевого состава занимает обогащение дистиллята бикарбонатными солями кальция, что является важным фактором повышения вкусовых свойств воды, ее физиологической полноценности и стабильности.

Основное преимущество перед другими способами опреснения морской воды у дистилляции обусловлено ограниченным использованием полимеров и изменением изотопной структуры воды, исключающим накопление «тяжелой воды» в дистилляте.

Электродиализ. Данный способ опреснения воды обеспечивают катионитовые и анионитовые мембраны в электрическом поле⁸. Его экономически оправдано использовать при деминерализации вод с содержанием солей от 1,5 до 15 г/л. Легче подвергаются опреснению хлоридные воды, значительно труднее опресняются воды сульфатного типа.

Помимо обессоливания, электродиализ задерживает нефтепродукты (на 50 %), ПАУ (на 50 %), ПАВ (на 50–60 %), фенолы (на 35 %).

Требования к исходной морской воде для использования электродиализного опреснения включают: взвешенные вещества до 2 мг/л, цветность до 20° платинокобальтовой шкалы, железо (общее) и марганец до 0,05 мг/л, окисляемость до 5 мг О₂/л. Поэтому при несоответствии исходной воды данным требованиям предусматривают ее предподготовку на специальных сооружениях.

Использование органических мембран, как и в случае обратного осмоса, сопряжено с вымыванием продуктов деструкции органических мембран и опасностью вторичного микробного загрязнения опресненной воды [20].

Ионный обмен. В основу метода ионного обмена положено последовательное фильтрование высокоминерализованной воды через катионит в Н-форме и через анионит в ОН-форме для обмена катионов и анионов воды на Н+ и ОН+ ионы ионообменных смол и, таким образом, опреснения. Опреснение методом ионного обмена экономически целесообразно при весьма ограниченной по минерализации воды – до 3 г/л. Другие требования к исходной воде включают: содержание взвешенных веществ до 8 мг/л, цветность воды до 30° по платиново-кобальтовой шкале, перманганатная окисляемость до 7 мг О₂/л, ХПК до 15 мг О₂/л.

Важное преимущество метода ионного обмена перед другими способами опреснения воды заключается в опреснении практически всей исходной воды, в то время как при других методах доля опресненной воды обычно не превышает 50 % от исходной. Метод ионного обмена является самым экономичным и единственным, позволяющим получать воду любой степени минерализации⁹.

К числу недостатков опреснения методом ионного обмена относятся, как и у других методов, использующих фильтрацию через полимерные материалы, вымывание органических (исходных мономеров и полупродуктов синтеза, продуктов деструкции, таких как фенол, стирол, формальдегид и др.) и неорганических (ионы металлов и др. соединений) веществ, возможность вторичного загрязнения опресненной воды микроорганизмами, засорившими анионит.

Обсуждение результатов. В настоящее время научно разработана методология применения [21] и контроля опреснения вод10, нормирования биогенных элементов в воде [22–25]. Учитывая образования в результате опреснения минерализованных вод рассолов с высокой концентрацией минеральных веществ, необходимо предусматривать мероприятия по предотвращению их сброса в открытые водоемы и водоносные горизонты питьевого назначения [26][27].

Принимая во внимание недостатки и преимущества разных способов приготовления питьевой воды из морской, можно отметить, что, наряду с собственно опреснением, отделением солей от воды, эффективность приготовления питьевой воды и ее безопасность определяются рядом дополнительных условий, как предшествующих опреснению, так и следующих после него [28].

Среди вопросов, решение которых важно для обеспечения качества питьевой воды, – обеспечение качества исходной воды, основанное прежде всего на санитарной охране мест водопользования от загрязнения сточными водами и с учетом природной динамики состава морской воды под влиянием водных организмов. Например, соленость морской воды Черного, Азовского морей существенно различается, составляя соответственно 18 и 7 промилле [29].

Гигиеническое изучение условий санитарной охраны мест водозабора позволит не только предотвратить загрязнение воды в источнике водоснабжения, но и обосновать ограничения для использования технологии опреснения, требования к их эффективности.

Использование морской воды для питьевого водоснабжения Крыма является вполне реализуемой задачей. Проработки этого вопроса показывают [30][31], что такое решение в мире уже является обычной практикой [32][33]. К примеру, в Израиле в 1999 г. обратный осмос был принят как ведущий метод опреснения солоноватой и морской воды [34]. Разработана новая энергоэффективная электродиализная система для непрерывного опреснения солоноватой воды [35]. Достижения в области мембранных материалов и процессов опреснения солоноватой воды [36] позволяют значительно расширить применение обратноосмотических и диализных способов опреснения [37], использовать возможности комбинированного опреснения [38]. Все шире используются гибридные способы очистки воды [39][40].

Независимо от предложенного метода и способа опреснения морской воды Черного моря, отличающегося гидрологическими особенностями стратификации химического состава, до его внедрения необходимо прохождение санитарно-эпидемиологической экспертизы проекта строительства водоопреснительных сооружений при наличии результатов натурных исследования опресняемой воды (с привлечением специалистов по технологиям водоочистки). Введение в эксплуатацию построенных сооружений и принятие решения о допустимости водоснабжения населения такой водой в питьевых и хозяйственно-бытовых целях возможно только поле проведения лабораторных исследований опресняемой и опресненной воды в аккредитованной лаборатории по программе, которая может быть разработана во ФБУН «ФНЦГ им. Ф.Ф. Эрисмана» Роспотребнадзора.

Заключение. Использование методов опреснения морской воды для восполнения дефицита пресной воды в отдельных регионах Российской Федерации, прилегающих к морским водами, может стать эффективным средством обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения и послужить действенной мерой достижения целей устойчивого развития. Вместе с тем особенности природного состава морских вод, их подверженность антропогенному загрязнению определяют широкий круг актуальных вопросов обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения. К вопросам безопасного для здоровья населения использования опресненной морской воды в питьевых и хозяйственно-бытовых целях относятся: выбор источника, места водозабора, обеспеченного санитарной охраной от природного и техногенного загрязнения, обоснование адекватных составу морской воды и динамике ее состава способов и режимов предварительной подготовки исходной морской воды, основного опреснения и обеспечение безопасности продуктов деструкции и миграции токсичных веществ из используемых реагентов и материалов конструкции опреснительных установок, дополнительное кондиционирование необходимыми элементами и обеззараживание приготовленной воды, а также охрана окружающей среды от загрязнения отходами опреснения вод. Организация централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения с использованием в качестве источников водоснабжения морской воды в Российской Федерации имеет научно обоснованную методическую базу, основанную на глубоких экспериментальных и натурных исследованиях. Реализация централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения населения из морских источников водоснабжения должна послужить одним из элементов водной стратегии России. Обеспечение безопасности для здоровья населения при использовании опресненной морской воды в питьевых и хозяйственно-бытовых целях основано на научно обоснованном выборе: а) мест водозабора, имеющих защиту от природного и техногенного загрязнения; б) способов и режимов предварительной подготовки исходной морской воды; в) способа опреснения и используемых реагентов и материалов конструкции опреснительных установок, г) технологии дополнительного кондиционирования и обеззараживания приготовленной воды; д) способов охраны окружающей среды от загрязнения отходами опреснения вод.