Побочные продукты дезинфекции воды в бассейне.

Термин побочные продукты дезинфекции (англ. — Disinfection By-Products, DBP) воды определяется как «химические соединения, образующиеся при реакции дезинфицирующего средства с прекурсорами (предшествующими примесями) в водоснабжении».

Это достаточно общее и неконкретное определение. Обеспокоенность в связи с побочными продуктами дезинфекции заключается в том, что некоторые вещества влияют на токсичность водной среды и некоторые из них могут представлять опасность для здоровья человека.

Наиболее опасными являются побочные продукты дезинфекции, образованные галогенами, как правило, хлором и/или бромом, используемых в качестве биоцидов или дезинфицирующих средств, при реакции с органическими веществами в обеззараживаемой воде.

Относительно рисков, касающихся здоровья человека, если галоген реагирует с органическим веществом природного происхождения, таким как гуминовая и/или фульвовая кислота, которые попадают в питьевую воду из открытых источников (река, озеро или водохранилище), образуются Галогенорганические соединения (HOCs), часть которых могут быть опасными, а некоторые являются канцерогенами.

Другим источником побочных продуктов дезинфекции промышленность. Например, охлаждающая вода, которая была обработана галогенами, а затем сброшена непосредственно в естественные водотоки.

Гуминовые и фульвовые кислоты могут быть частью органических веществ естественных водотоков. Как правило, они имеют более высокое содержание ароматических углеродных цепочек, чем другие природные органические вещества в поверхностных водах. Эти кислоты вызывают образование большего количества и большей концентрации побочных продуктов дезинфекции.

Побочные продукты дезинфекции можно разделить на группы по типу соединения, которое привело к их образованию, на Тригалометаны (THM) и Галогензамещённые уксусные кислоты (HAA):

Тригалометаны:

  • Хлороформ CCl3
  • Бромоформ CBr3
  • Бромодихлорметан (BDCM) CHCl2Br
  • Дибромохлорметан (DBCM) CHClBr2

Галогензамещённые уксусные кислоты:

  • Монохлоруксусная кислота (MCA) ClCH2COOH
  • Дихлоруксусная кислота (DCA) Cl2CHCOOH
  • Трихлоруксусная кислота (TCA) Cl3CCOOH
  • Монобромуксусная кислота (MBA) BrCH2COOH
  • Дибромуксусная кислота (DBA) Br2CHCOOH

Кроме того, в хлорированной воде может быть образован Мутаген Икс (MX) —
C5H3Cl3O3
3-хлор-4-(дихлорметил)-5-гидрокси-5H-фуран-2-один

Химическая формула Мутаген Икс и 3D-модель:
Химическая формула Мутаген Икс Мутаген Икс 3D-модель
 

Хотя йод и не часто используется в качестве биоцида, он является ещё одним галогеном, который может быть использован в качестве дезинфицирующего средства. В этом случае тригалометаны и галоуксусные кислоты образуются в качестве побочных продуктов органических соединений йода:

  • Йодоформ CI3
  • Монойодуксусная кислота (MIA) ICH2COOH
  • Дийодуксусная кислота (DIA) I2CHCOOH
  • Трийодуксусная кислота (TIA) I3CCOOH

Наличие в воде тригалометанов, галооуксусных кислот, Мутагена Х связывают с раком, выкидышами, мертворождениям и наличием врожденных дефектов. Мутаген Х в 170 раз увеличивает вероятность возникновения рака, чем хлороформ [1].

При использовании хлорамина в качестве биоцида или дезинфицирующего средства, побочным продуктом дезинфекции является:

  • N-нитрозодиметиламин (NDMA) (CH3)2N2O

Есть также некоторые «новых» побочных продуктов дезинфекции, вызывающие озабоченность. Это:

  • Галонитрометаны (Halonitromethanes)
  • Галоамиды (Haloamides)
  • Галофураноны (Halofuranones)
  • Halobenzoquinones
  • Нитрозамины (Nitrosamines)
  • Галоацетамиды (Haloacetamides)
  • Галоацетонитрилы (Haloacetonitriles)

В бассейнах, как правило, присутствуют тригалометаны, в основном хлороформ, как в воде, так и в воздухе над поверхностью воды. Трихлорамин (NCl3) может образовываться при реакции хлора с мочевиной и мочевой кислоты из урины и пота, что придаёт крытым плавательным бассейнам их характерный запах. Бассейны с морской водой, имеют, как правило, более высокий уровень тригалометанов, в основном бромоформ, чем бассейны с пресной водой.

Озон, используемый в качестве биоцида или дезинфицирующего средства, также может образовывать побочные продукты дезинфекции, такие как кетоны, карбоновые кислоты и альдегиды, включая формальдегид (НСООН). А бром (Br—) в исходной воде в результате реакции с озоном может превращаться в канцероген Бромат (BrO3—).

На основании изложенного, более точным определением побочных продуктов дезинфекции будет «химические соединения, образующиеся при обеззараживания воды при реакции окисляющего средства и органического прекурсора».

Однако другие биоциды и дезинфицирующие средства образуют побочные продукты, не только вследствие химической реакции, а путём разложения и деградации. Или, просто в результате присутствия растворённого биоцида или дезинфектанта. В очищенной воде, или в сточных водах.

Ниже приведены несколько примеров.

Dibromonitrilopropionamide (DBNPA) со временем гидролизуется с образованием диоксида углерода (CO2):

Химическая формула Dibromonitrilopropionamide (DBNPA)

Глутаровый альдегид (Glutaraldehyde) разлагается на Глутаровую кислоту (Glutaric Acid), и, со временем, углекислый газ:

Глутаровый альдегид (Glutaraldehyde) разлагается на Глутаровую кислоту (Glutaric Acid)

Сульфат Tetrakishydroxymethylphosphonium (THPS) окисляется до оксида (THPO):

Сульфат Tetrakishydroxymethylphosphonium (THPS) окисляется до оксида (THPO)

 

Диоксид хлора — конечный продукт дезинфекции и/или разложения соединений хлоратов и хлоритов:

xClO2 → yClO3— + zClO2—

Зависимость соотношения произведённого хлората и хлорита от их концентрации в растворе диоксида хлора определяется концентрацией раствора диоксида хлора, фотолизом или воздействием солнечных лучей на воду, содержащую диоксид хлора.

В отличие от галогенов, таких как хлор и бром, диоксид хлора действует как высокоселективный оксидант, вследствие его уникального механизма переноса электронов. Диоксид хлора атакует богатые электронами центры органических молекул, где они распадаются на хлорит-ионы [2]. Такое воздействие на органические вещества не приводит к образованию тригалометанов или галооуксусных кислот. Этим объясняются многочисленные экологические и медицинские преимущества диоксида хлора перед традиционными галогенами.

Перекись водорода разлагается на кислород и воду: 2H2O2 → O2 + 2H2O
Озон разлагается на кислород: 2O3 → 3O2

В некоторых случаях, продукты распада попадают в ту же категорию, что и побочные продукты реакции галогенов с органическими веществами. Однако в этой реакции не принимало участия никаких внешних галогенов. Галогены находились в составе изначальных органических соединений. В других случаях, озон распадается на безобидный кислород, но в присутствии брома возможно образование канцерогенных броматов.

Что касается воздействия на окружающую среду и риск для здоровья человека, галогенсодержащие органические вещества являются серьезной проблемой. Не все галогенсодержащие соединения попадают в категорию тригалометанов или галооуксусных кислот. Галогенированные органические соединения могут образовываться в результате реакции между галогеном и органическим соединением, или в результате разложения, или вследствие присутствия галогена в составе органического соединения, содержащего галоген. Например, четыреххлористый углерод или Тетрахлорметан, СCl4, является тетрахлорметаном и, следовательно, не подпадают ни под одну из категорий тригалометанов и галооуксусных кислот. Хотя четыреххлористый углерод представляет собой значительную опасность для здоровья.

В совокупности, есть ряд галогенорганических соединений (HOC), которые могут быть определены аналитически и количественно. Органически связанным галогеном может быть хлор, бром или йод, но не фтор. Наличие галогена фиксируется согласно концентрации хлора, в таких единицах измерения как мкг/л Cl—, или мг/л Cl— для воды или жидкостей, или, мкг/мг Cl— или мг/г Cl— для твердых веществ и ила.

Адсорбируемые органические галогены (AOX) – это галогенорганические соединения (HOC), которые могут быть поглощены активированным углём.

Экстрагируемые органические галогены (EOX) – это галогенорганические соединения (HOC), которые могут быть извлечены в неполярном растворителе.

Продуваемые органические галогены (POX) – это галогенорганические соединения (HOC), содержащиеся в образце, который может быть очищен в газовой фазе при определенных условиях с помощью вспомогательного газа.

Наиболее часто отслеживаются и анализируются лишь АОХ.

В воде АОХ характеризуются суммарным параметром, соответствующим общей нагрузке органического галогена. Параметр охватывает большую группу веществ, начиная от простых нестабильных тригалометанов до сложных органических молекул, такие как диоксины и фураны, которые обладают различными токсическими свойствами.

Почти все стойкие органические загрязнители, такие как полихлорированные бифенилы (PCB), инсектицид дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) и диоксины являются галогенорганическими соединениями (HOC). Беспокойство вызывают соединения АОХ, потому что они имеют длительный период полураспада и устойчивы к разрушению, поэтому они очень стойкие в окружающей среде.

АОХ относятся к HOC не по структуре или составу, а по одному из их химических свойств. Они поглощаются на активированном угле при определенных условиях и могут быть обнаружены методом кулонометрического титрования, который впоследствии будет применяться для оценки всех органических галогенидов.

Одним из основных источников попадания АОХ в окружающую среду являются сбросы предприятий целлюлозно-бумажной промышленности, где хлор широко используется для отбеливания целлюлозы. Меньшее количество АОХ формируются штатном хлорировании питьевой воды, воды плавательных бассейнов, промышленной и коммерческой охлаждающей воды, промышленной оборотной воды и воды прачечных.

Другим источником АОХ являются стоки отраслей, которые используют галогенсодержащие органические вещества. В этот сектор входят предприятия химической промышленности, металлообработки, текстильное производство, переработка отходов, полиграфия и химчистки.

АОХ могут быть уменьшены или устранены с помощью применения альтернативных окислителей, такой как диоксид хлора, озон, перекись водорода или перуксусная кислота.

Ссылки:

  1. Harvard Medical Dental & Public Health School, 25 January 2002.
  2. Hoehn et al., 1996.

См также: