Методы обеззараживания воды

Главной обязанностью работников медицинской службы в области полевого водоснабжения войск было обеззараживание воды. Наибольшее значение имело надежное освобождение питьевой воды от возбудителей брюшного тифа, паратифов, бациллярной дизентерии и туляремии. Остальные инфекции, которые могут передаваться через воду (лептоспирозы, амебная дизентерия, полиомиэлиты и др.), существенного значения в ходе войны не имели.

Средства для очистки и обеззараживания воды, применявшиеся в полевых условиях, должны были действовать и на яйца глистов (аскариды, печеночная двуустка, карликовый цепень и др.).

Кроме надежности и своеобразной «поливалентности» действия, средства для обеззараживания воды, применяемые в полевых условиях, должны быть совершенно безвредными для человека, а также простыми и доступными. Средства для обеззараживания воды не должны оказывать существенного влияния на ее природные вкусовые свойства. Это требование заслуживает особого внимания со стороны гигиенистов.

Органолептические свойства воды имеют настолько существенное значение, что их особенно следует учитывать при ее обеззараживании химическими средствами. Потребитель отдаст явное предпочтение воде, сомнительной в санитарном отношении, если только она по вкусовым достоинствам превосходит обеззараженную воду. Вот почему при обеззараживании воды необходимо одновременно стремиться к улучшению ее органолептических свойств (прозрачность, цвет, запах, вкус). С этой точки зрения предварительная фильтрация и коагуляция воды приобретают громадное значение. Если к тому же учесть повышение эффективности хлорирования воды после ее предварительной очистки, а следовательно, и возможность уменьшить дозу активного хлора, станет очевидно все значение этого мероприятия.

А. А. Чаруковский еще в 1836 г. писал: «Недостаток воды в военное время и вредное ее качество убийственнее действуют на войско, чем самые решительные битвы, и томящийся жаждою солдат всегда близок к отчаянию. Хотя совершенно чистая вода, в строгом химическом смысле, не находится в природе, однако, употребляемая солдатом для утоления жажды, физически должна быть как можно чище, не иметь никакого ни вкуса, ни запаха и содержать сколько можно менее земель и солей. Вода, искусственно очищенная, хотя менее натуральной содержит посторонних частей, неприятна, однако, для питья; напротив того, непосредственно почерпаемая из натуральных ключей и рек, содержащая в себе атмосферный воздух и углекислоту, есть самая здоровая; но и вода, содержащая в себе незначительную примесь земли и солей, почитается также здоровою, только на вкус кажется несколько жесткою, а вовсе не содержащая их, либо очень мало, имеет мягкий вкус».

Из этого определения видно, что старые гигиенисты придавали первостепенное значение физическим показателям воды и ее органолептическим свойствам. Уже 115 лет назад военные гигиенисты отдавали предпочтение натуральной воде и отчетливо представляли себе все недостатки, связанные с химическим обеззараживанием воды. Требование, чтобы вода прежде всего была приятной на вкус, нельзя не признать обоснованным. Об этом требовании современные гигиенисты, к сожалению, нередко забывают. Между тем солдат предпочитает воду хотя бы и сомнительную по качеству, но вкусную воде обеззараженной и безопасной для здоровья, но неприятной на вкус.

Принятые в настоящее время методы обработки воды (хлорирование и дехлорирование, коагуляция и подщелачивание, аммонизация и пр.) нередко превращают воду в лекарство. Неудивительно поэтому отрицательное отношение большинства солдат и офицеров к хлорированной воде с ее аптечным запахом.

Следовательно, не нужно увлекаться обеззараживанием воды во что бы то ни стало. Во всех случаях, когда это можно, следует стремиться к поискам доброкачественной натуральной воды. По этим же соображениям не следует увлекаться передозировкой активного хлора для обеззараживания воды и во всяком случае нельзя допускать чрезмерного содержания остаточного хлора в обеззараженной воде.

Больше того, опыт Великой Отечественной войны поставил перед медицинскими работниками вопрос об изыскании средств улучшения вкуса природной и особенно обеззараженной хлорированием и кипячением воды. Попытки в этом направлении делались показались успешными. Речь идет о различных смесях, содержащих виннокаменную, лимонную кислоту и др. ингредиенты с добавлением ароматизирующих веществ.

Методы обеззараживания воды, применявшиеся во время Великой Отечественной войны, можно разделить на две группы: физические и химические. К первым относятся кипячение и фильтрация воды с помощью табельных или подручных средств. Фильтрацию воды через песок, уголь и другие материалы нельзя рассматривать как средство ее обеззараживания за исключением фильтрации через асбесто-целлюлозные пластины, относительно редко применявшиеся на фронте.

Кипячение воды, широко распространенное в строевых частях и учреждениях Советской Армии, было наиболее надежным методом обеззараживания воды во всех случаях фронтовой обстановки. Этот метод обработки воды, наиболее эффективный и простой в смысле контроля за полнотой обеззараживания, был и останется на долгое время самым распространенным в войсках. Воду кипятили в специальных приборах, походных кухнях, варочных котлах, баках из-под горючего и в индивидуальных котелках. В условиях Великой Отечественной войны не было необходимости длительно кипятить воду для уничтожения спороносных форм бактерий. Время кипячения воды практически не было регламентировано.

Вторая группа — химические средства обеззараживания воды — представлена в настоящее время большим количеством кислот, окислителей и металлов. Из органических кислот для обеззараживания воды в свое время были предложены уксусная, виннокаменная и лимонная. В настоящее время они применяются главным образом для исправления вкуса питьевой воды в смеси с другими ингредиентами. Так, в 1943 г. Союзвитаминиромом по заданию ГВСУ Красной Армии выпускались для танкистов порошки, содержащие лимонную кислоту, витамины С и В₁. Военторгом в 1944 г. были изготовлены и выпущены в продажу шипучие порошки, содержащие виннокаменную кислоту с содой и вкусовые приправы.

Из неорганических кислот в качестве средства для обеззараживания воды используется только серная кислота в виде таблеток бисульфата натрия. Но и эти таблетки во время Великой Отечественной войны применялись как редкое исключение.

Наибольшее распространение получили различные окислители. К числу окислителей, действующих кислородом, относятся: перманганат калия, перекись водорода и ее соединения, соли надсерной кислоты и некоторые другие вещества. В войсках окислители этой группы широко не применялись, главным образом из-за их слабых бактерицидных свойств.

Ко второй группе относятся окислители, содержащие галогены, т. е. вещества, обладающие непосредственным бактерицидным действием,— соединения хлора, йода и брома. Металлы (главным образом серебро), обладающие олигодинамическим действием, в практике полевого обеззараживания воды почти никакого применения не нашли.

Бактерицидное действие хлора

Из всех названных средств в Советской Армии для обеззараживания воды пользовались главным образом хлором (в виде газообразного хлора, хлорной извести, гипохлорита кальция или органического хлорамина — таблетки пантоцида).

Как известно, активный хлор реагирует с водой по схеме:

CI₂ +H₂O = HCI + HCIO

с образованием соляной и хлорноватистой кислот. Реакция идет слева направо весьма быстро и потому молекулярный хлор (СI₂) в хлорируемой воде никогда не обнаруживается.

Образовавшаяся хлорноватистая кислота НСIO диссоциируется но схеме:

HCIO = H + CIO

Степень диссоциации хлорноватистой кислоты находится в обратной зависимости от концентрации водородных ионов: чем выше последняя, тем меньше диссоциация и наоборот. Эта зависимость между степенью диссоциации НСЮ и pH воды представлена в табл. 17.

Как видно из табл. 17, процентное соотношение между НCIO и гипохлорит-ионом (CIO) зависит от pH воды. По данным Е. Л. Шилова, гипохлорит-ион (CIO) менее активен, чем хлорноватистая кислота (НCIO).

Из сказанного следует, что при одинаковых концентрациях активного хлора в воде его обеззараживающее действие сильнее проявляется при кислой реакции среды, чем при щелочной. Следовательно, для военного врача, дающего указания по хлорированию воды, важно знать ее pH.

В том же направлении действует и реакция хлорсодержащего препарата. Так как хлорная известь — препарат щелочной, то ее применение сдвигает pH воды в щелочную сторону. Газообразный хлор — препарат слабокислый, поэтому реакция действует в сторону понижения pH воды. Следовательно, при прочих равных условиях бактерицидный эффект газообразного хлора выше, чем хлорной извести.

Другой фактор, влияющий на бактерицидность, это температура воды: чем она выше, тем эффективнее действие хлора. Отсюда следует, что хлорирование воды летом эффективнее, чем зимой. Чем выше температура воды, тем сильнее бактерицидное действие хлора, и наоборот. Поэтому поверхностные воды летом лучше обеззараживаются, чем глубоко залегающие грунтовые воды.

Существенное значение имеет содержание в воде аммиака и тех органических азотистых соединений, с которыми хлор образует хлорамины. Последние также обладают бактерицидным действием. В этом нельзя не видеть преимущества хлора перед окислителями типа перманганата калия, соединений перекиси водорода и др., бактерицидное действие которых основано на окислительных свойствах кислорода. В случае применения окислителей этой группы кислород расходуется лишь на окисление азотистых соединений, не оказывая бактерицидного действия. Отсюда становится понятным и обеззараживающее действие малых концентраций хлора.

Хлорирование воды по опыту Великой Отечественной войны

Обеззараживание воды хлором производилось в войсках, как правило, хлорной известью. Газообразный хлор применялся очень редко. Хлорирование воды обычно производилось по одному из двух вариантов:

1) так называемыми нормальными дозами хлора в соответствии с хлор- поглощаемостью воды

2) методом суперхлорирования, т. е. заведомо повышенными дозами, значительно превышающими хлорпоглощаемость водой.

В первом случае предварительно определялась потребная доза активного хлора. Хлорпотребность воды, как известно, складывается из количества активного хлора, поглощаемого водой, и остаточного хлора. Последний служит показателем полноты обеззараживания воды. В практике полевого водоснабжения войск величина остаточного хлора в обеззараженной воде принималось в количестве 0,2 — 0,4 мг/л.

Хлорпотребность воды определялась путем пробного хлорирования 3 порций воды различными дозами раствора хлорной извести (обычно в отношении 1 : 2 : 4).

Потребная доза активного хлора для обеззараживания воды в полевой практике устанавливалась путем определения остаточного хлора в воде после 30-минутного контакта ее с хлором. Следует, однако, иметь в виду, что на величину остаточного хлора в воде могут влиять:

1) наиболее активные хлорноватистая кислота и гипохлорит-ион;

2) менее активный хлорамин;

3) совершенно неактивные «симулирующие» соединения.

К последним относятся нитриты, окисные соединения железа и марганца, вытесняющие йод из йодистого калия и симулирующие присутствие остаточного хлора (при определении хлора йодкрахмальным способом). Поэтому в целях устранения влияния симулирующих соединений целесообразно при определении остаточного хлора йодкрахмальным методом подкислять воду серной кислотой.

Задолго до начала Великой Отечественной войны был сконструирован полевой набор по определению доз хлора и коагулянта. Этот набор предназначался для обеспечения процесса хлорирования и коагулирования воды в отдельных войсковых частях действующей армии. Набор входил в комплекты всех водоочистных установок в качестве средства контроля за хлорированием и коагулированием воды в полевых условиях.

Набором можно было производить:

1) определение хлорпотребности воды (для установления количества хлорной извести или хлора, потребного для обеззараживания воды);

2) определение содержания остаточного хлора в воде (для суждения о полноте обеззараживания воды или установления количества потребного для дехлорирования воды гипосульфита натрия);

3) определение содержания активного хлора в хлорной извести и других хлорсодержащих препаратах;

4) определение дозы потребного для осветления воды коагулянта.

Комплект посуды и реактивов укладывался в деревянный ящик размером 30,5X15X22,5 см, помещавшийся в брезентовую сумку с лямкой для носки через плечо. Вес набора достигал 4 кг. В небольших пробирках и склянках содержались сухие и частично жидкие реактивы:

1) растворимый крахмал,

2) йодистый калий,

3) бисульфат натрия,

4) гипосульфит натрия в таблетках.

В запаянных стеклянных ампулах содержались навески гипосульфита натрия для приготовления точного раствора.

В особых склянках, размещенных в деревянных гнездах, хранилась посуда для жидких реактивов:

1) 1% раствора хлорной извести;

2) 0,68% раствора гипосульфита натрия;

3) 2% раствора крахмала;

4) 12% раствора бисульфата-натрия;

5) 1% раствора сернокислого глинозема;

6) 1% спиртового раствора метилрота.

В набор входили также 3 — 4 стакана с метками на 100 и 200 мл, измерительные пипетки, мерный цилиндр, стеклянные палочки, металлическая ложечка для отмеривания сухих реактивов и металлические чашечки для дозировки хлорной извести, коагулянта и соды.

Хрупкость и громоздкость этого оборудования и неудачный монтаж его в гнездах, а также неудобная форма набора затрудняли, а иногда и исключали возможность передвижения с ним верхом или на мотоцикле. Посуда часто разбивалась, водные реактивы зимой замерзали.

С. М. Драчев упростил методику дозировки хлорной извести. По его методу, хлорпотребностъ воды определяют пробным хлорированием ее в 3 ведрах. Достаточность взятой дозы хлорной извести устанавливают органолептически, по наличию слабого запаха хлора в ведре, через 30 минут контакта.

Определение вели следующим образом. Готовили раствор хлорной извести (3 чайные ложки извести на 1 л воды), которым и пользовались после его отстаивания и полного осветления.

Пробное хлорирование производили в соответствии с табл. 18.

Пригодной для питья считалась та проба воды, в которой через 30 минут после хлорирования обнаруживался запах хлора. При отсутствии запаха во всех трех ведрах процедура хлорирования повторялась с удвоенными дозами. При наличии резкого запаха хлора во всех трех ведрах дозу хлорной извести для повторной обработки воды уменьшали вдвое. Найденную таким путем дозу хлорной извести считали исходной величиной для хлорирования соответствующих объемов воды.

Хлорирование воды нормальными дозами хлора производилось во всех случаях, когда войска располагали достаточным временем и когда не было специальных показаний для применения повышенных доз активного хлора. Преимущество этого метода обработки воды заключается в отсутствии необходимости дехлорировать воду после ее обеззараживания. Существенное значение имеет и то, что хлорирование воды нормальными дозами относительно мало денатурирует воду.

Опыт Великой Отечественной войны показал, что классические методы хлорирования воды с лабораторным определением хлорпотребности и последующим анализом на содержание остаточного хлора в обеззараженной воде практически применимы только на водных пунктах большой производительности. Во всех остальных случаях войска предпочитали пользоваться упрощенными приемами обеззараживания воды по С. М. Драчеву или С. Н. Черкинскому (см. ниже), с теми или иными отступлениями и изменениями.

Суперхлорирование или обеззараживание воды высокими, в 5 — 10 раз превышающими нормальные, дозами хлора значительно сильнее изменяет вкусовые качества воды. Кроме того, при этом методе обеззараживания воды совершенно необходимо дехлорирование ее посредством нейтрализации избыточного хлора гипосульфитом натрия или фильтрации хлорированной воды через активированный уголь.

Для облегчения процесса хлорирования воды с применением повышенных доз активного хлора С. Н. Черкинский в 1942 г. разработал упрощенную методику дозировки хлорной извести и гипосульфита натрия (табл. 19).
Потребное количество хлорной извести, отмеренное чайной ложкой, тщательно размешивают в небольшом количестве воды и добавляют к воде. По истечении 10 — 15 минут органолептическим путем определяют наличие или отсутствие остаточного хлора. В случае отсутствия запаха и привкуса хлора к воде добавляют дополнительно хлорную известь в количестве 1/4 — 1/2 ранее взятой дозы.

Для устранения запаха хлора к обеззараженной воде добавляют гипосульфит черенком чайной ложки по 2 порции на каждую взятую чайную ложку хлорной извести. При наличии аптекарских весов на 1 г хлорной извести, взятой для обеззараживания воды, необходимо брать 0,5 г гипосульфита.

Обеззараживание воды высокими дозами активного хлора (5—15 мг/л и более) имеет следующие преимущества:

1) значительно сокращается время хлорирования воды;

2) упрощается техника хлорирования воды в связи с исключением необходимости определить рабочую дозу хлора;

3) можно обеззараживать мутную и окрашенную воду;

4) исключается появление в воде так называемого аптечного запаха в связи с образованием хлорфенолов (при использовании больших доз образуются полихлорфенолы, не придающие воде запаха и привкуса йодоформа;

5) высокое бактерицидное действие активного хлора, которому не мешают хлорамины, образующиеся при взаимодействии хлора с аммиаком (при хлорировании малыми дозами хлора образуются хлорамины, обладающие пониженным бактерицидным действием по сравнению с хлором; при суперхлорировании большие дозы хлора связывают аммиак, оставляя при этом избыток хлора, дающий высокий обеззараживающий эффект);

6) снижается цветность воды;

7) вода освобождается не только от вегетативных, но и от спороносных форм.

Перечисленные преимущества метода суперхлорирования, обеспечивающие надежность и быстроту обеззараживания воды, особенно ценны в полевых условиях при отсутствии водоочистных средств и невозможности всегда применять лабораторный контроль за всеми стадиями обработки воды. Следует подчеркнуть важное практическое значение того, что исключается один из этапов процесса обеззараживания воды — определение рабочей дозы хлора, которое требует до 2 часов времени.

В инструкции СЭЛ фронта суперхлорирование воды по упрощенному методу рекомендовалось производить при вынужденном пользовании водой из явно недоброкачественных водоисточников (небольшие пруды). Вода в этих случаях обеззараживалась хлорной известью из расчета 0,1—0,2 г/л.

Через 20 — 30 минут контакта воды с хлором рекомендовалось производить дехлорирование путем добавления раствора гипосульфита произвольной концентрации до исчезновения запаха и привкуса хлора.

Воду из болот и других водоемов лесисто-болотистых районов, содержащую значительное количество органических веществ, с резко выраженным запахом и неприятным вкусом подвергали обработке по методу суперхлорирования с одновременной коагуляцией сернокислым глиноземом. С этой целью после введения хлорной извести рекомендовалось ввести 0,3 — 0,4 г/л сернокислого глинозема, предварительно растворенного в небольшом количестве воды. Через 20 — 30 минут воду фильтровали через фильтр из подручного материала, после чего дехлорировали раствором гипосульфита до исчезновения запаха и привкуса хлора.

Наибольшие трудности с водообеспечением войск во время войны возникали при наличии болотистых вод, требующих, как правило, специальной обработки на водных пунктах. Так, на одном из участков фронта водные пункты пришлось развернуть на реке Черной (Эстонская ССР). Вода этой реки отличалась высокой цветностью (80 — 100°), неприятным вкусом и гнилостным запахом. Для улучшения ее органолептических свойств было решено подвергнуть воду суперхлорированию с преаммонизацией, коагулированию и дехлорированию.

Эффективность хлорирования воды зависит от времени года, дозы хлора, взятой для обеззараживания, и времени контакта его с водой. Так, в опытах Д. Космодамианской с волжской водой в зимнее время бактерицидный эффект достигался иногда через 15 минут при дозе хлора в 3 мг/л. Положительные результаты всегда отмечались при этой же дозе хлора, но через 30 минут. Снижение дозы хлора до 2 мг/л давало нужный эффект через 60 минут контакта. В остальное время года волжская вода требовала 4 мг/л хлора с 30-минутным контактом или 3 мг/л хлора при контакте в 60 минут.

В результате поисков наиболее простых методов обеззараживания воды в полевых условиях за годы войны было предложено много разных способов дозировки хлорной извести. Один из них казался особенно заманчивым по своей простоте и доступности; он получил название метода трех единиц. По этому способу для обеззараживания 1л воды берется 1 мл 1% раствора хлорной извести. Это значит, что на 1 л воды, независимо от ее хлоропоглощаемости, берется примерно 2 мг/л активного хлора (если исходить из 20% содержания активного хлора в хлорной извести). Такое упрощение методики обеззараживания воды хлором представляет собой возврат к далекому прошлому, когда о механизме бактерицидного действия хлора имелись только смутные представления. Так хлорировали воду в конце XIX столетия, когда немецкие авторы Траубе, Юнерман, Дейтер и др. пытались обосновать абсолютные нормативы для обеззараживания воды хлором. Между тем еще Лоде показал в 1895 г., что обеззараживание воды с высокой окисляемостью требует удвоенного количества активного хлора по сравнению с обычными водами.

В ходе Великой Отечественной войны было сделано много попыток упростить методику определения потребной дозы активного хлора для обеззараживания воды. П. Е. Калмыков разработал для этой цели небольшой карманный набор, состоящий из трех пробирок емкостью 23 — 25 мл каждая и соответствующих реактивов. Опытное хлорирование по предложению автора производится в пробирках, куда наливается по 20 мл испытуемой воды. Вместо 1% раствора хлорной извести берется 0,1% раствор; концентрация обычно применяемого 0,7% раствора гипосульфита также уменьшается в 10 раз, т. е. доводится до 0,07%. Техника пробного хлорирования и определения остаточного хлора остается без изменений.

Для определения свободного хлора в воде в полевых условиях применялся, как правило, йодометрический метод, не свободный от ряда недостатков. Как известно, значительные количества азотистой кислоты (свыше 0,25 мг/л) и закисных соединений железа в воде могут сами по себе вытеснять йод из йодистого калия и симулировать наличие свободного хлора в воде. Поэтому не прекращаются попытки заменить йодометрический метод индикации свободного хлора другим способом, более точным и надежным.

Такая попытка была сделана на Ленинградском фронте Т. И. Голубевым, предложившим весьма чувствительный и специфический метод определения свободного хлора в воде, пригодный для использовании в полевых условиях.

На основании лабораторных опытов было установлено, что гексаметил-пара-триаминотрифенилметанхлоргидрат даже при ничтожном содержании свободного хлора в воде дает интенсивное фиолетовое окрашивание. Степень интенсивности окраски прямо зависит от количества свободного хлора в воде. Реактив сравнительно легко может быть приготовлен из кетона Михлера, амилового спирта и диметаланилина, т. е. из малодефицитных материалов.

Гексаметил-пара-триаминотрифенилметанхлоргидрат применяется в виде 1% солянокислого раствора в количестве 2 капель на стакан воды. Этот раствор готовится следующим образом: 1 г вещества растворяют в 5 г концентрированной соляной кислоты, после чего туда прибавляют 5 мл дестиллированной воды, а затем — дестиллированной водой доводят объем до 100 мл.

В 1945 г. в некоторых соединениях Советской Армии применялся описанный выше метод определения свободного хлора в воде с весьма удовлетворительными результатами.