Портативные устройства для очистки воды — это автономные, легко транспортируемые устройства, используемые для очистки воды из неочищенных источников (таких как реки, озера и колодцы ) для питьевых целей. Их основной функцией является уничтожение болезнетворных микроорганизмов , а также часто взвешенных веществ и некоторых неприятных или токсичных соединений .
Эти установки обеспечивают автономное снабжение питьевой водой людей, не имеющих доступа к услугам водоснабжения , в том числе жителей развивающихся стран и зон стихийных бедствий, военнослужащих, отдыхающих , туристов и работников в дикой природе , а также специалистов по выживанию . Их также называют системами очистки воды на месте использования и методами дезинфекции воды в полевых условиях .
Методы включают нагрев (включая кипячение), фильтрацию, адсорбцию активированным углем, химическую дезинфекцию (например, хлорирование , йод, озонирование и т. д.), очистку ультрафиолетом (включая натрий ), дистилляцию (включая солнечную дистилляцию) и флокуляцию . Часто они используются в комбинации.
Неочищенная вода может содержать потенциально патогенные агенты, в том числе простейших , бактерии, вирусы и некоторые личинки паразитов более высокого порядка, таких как печеночные сосальщики и круглые черви. Могут присутствовать химические загрязнители, такие как пестициды , тяжелые металлы и синтетические органические вещества. Другие компоненты могут влиять на вкус, запах и общие эстетические качества, включая мутность почвы или глины, цвет гуминовой кислоты или микроскопических водорослей, запахи определенных типов бактерий, особенно актиномицетов , которые производят геосмин , [1] и соленость солоноватой или морской воды. .
Распространенные металлические загрязнения, такие как медь и свинец, можно удалить, увеличив уровень pH с помощью кальцинированной соды или извести, которые осаждают такие металлы. Тщательное декантирование чистой воды после отстаивания или использование фильтрации обеспечивает приемлемо низкий уровень содержания металлов. Воду, загрязненную алюминием или цинком , нельзя обрабатывать таким образом с использованием сильной щелочи, поскольку более высокие значения pH повторно растворяют соли металлов. Соль трудно удалить, кроме как с помощью обратного осмоса или дистилляции .
Большинство портативных процессов обработки направлены на снижение воздействия патогенов на человека в целях безопасности и удаление твердых частиц, привкусов и запахов. К значимым патогенам, обычно присутствующим в развитых странах, относятся Giardia , Cryptosporidium , Shigella , вирус гепатита А , Escherichia coli и энтеровирус . [2] В менее развитых странах может существовать риск заражения холерой и дизентерией , а также рядом тропических энтеропаразитов.
Giardia Lamblia и Cryptosporidium spp. , оба из которых вызывают диарею (см. лямблиоз и криптоспоридиоз ), являются распространенными возбудителями. В отдаленных районах США и Канады они иногда присутствуют в достаточном количестве, поэтому очистка воды оправдана для туристов, [3] хотя это и вызвало некоторые споры. [4] (См. Диарея, приобретенная в дикой природе .) На Гавайях и в других тропических регионах виды Leptospira spp. это еще одна возможная проблема. [5]
Реже в развитых странах встречаются такие организмы, как холерный вибрион , вызывающий холеру , и различные штаммы сальмонеллы , вызывающие брюшной тиф и паратифозные заболевания. Патогенные вирусы также могут быть обнаружены в воде. Личинки сосальщиков особенно опасны в местах обитания овец , оленей и крупного рогатого скота . Если такие микроскопические личинки проглотить, они могут образовать потенциально опасные для жизни кисты в мозге или печени . Этот риск распространяется на растения, выращиваемые в воде или рядом с ней, включая часто употребляемый в пищу кресс-салат .
В целом, чем больше человеческая деятельность вверх по течению (т.е. чем крупнее ручей/река), тем больше вероятность загрязнения канализационными сточными водами , поверхностными стоками или промышленными загрязнителями . Загрязнение подземных вод может происходить в результате деятельности человека (например, внутриплощадочные системы канализации или горнодобывающая промышленность) или может иметь естественное происхождение (например, из-за мышьяка в некоторых регионах Индии и Бангладеш). Вода, собранная как можно выше по течению, несмотря на все известные или ожидаемые риски загрязнения, представляет наименьший риск загрязнения и лучше всего подходит для портативных методов очистки.
_Service_Support_Group_31,_prepares_a_chlorine_solution_for_water.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Не все методы сами по себе уменьшают все опасности. Хотя флокуляция с последующей фильтрацией была предложена в качестве наилучшей практики [6], она редко осуществима без возможности тщательного контроля pH и условий осаждения. Необдуманное использование квасцов в качестве флокулянта может привести к неприемлемому уровню содержания алюминия в обработанной таким образом воде. [7] Если необходимо хранить воду, галогены обеспечивают расширенную защиту.
Тепло убивает болезнетворные микроорганизмы, при этом для некоторых патогенов требуются более высокие температуры и/или продолжительность воздействия. Стерилизация воды (уничтожение всех живых загрязнителей) не является обязательной для того, чтобы сделать воду безопасной для питья; нужно лишь обезвредить кишечные (кишечные) возбудители. Кипячение не удаляет большинство загрязняющих веществ и не оставляет остаточной защиты.
ВОЗ заявляет, что доведение воды до кипения и затем естественное охлаждение достаточно для инактивации патогенных бактерий, вирусов и простейших . [8]
CDC рекомендует кипятить в течение 1 минуты. Однако на больших высотах температура кипения воды падает. На высоте более 6562 футов (2000 метров) кипение должно продолжаться 3 минуты. [9]
Все бактериальные патогены быстро погибают при температуре выше 60 °C (140 °F), поэтому, хотя кипятить воду не обязательно, чтобы сделать воду безопасной для питья, времени, затраченного на нагрев воды до кипения, обычно достаточно, чтобы снизить концентрацию бактерий до безопасного уровня. . [10] Инцистированные простейшие патогены могут потребовать более высоких температур для устранения любого риска. [11]
Кипячение не всегда необходимо, а иногда и достаточно. Пастеризация , при которой погибает достаточное количество патогенов, обычно происходит при температуре 63 °C в течение 30 минут или при 72 °C в течение 15 секунд. Некоторые патогены необходимо нагревать выше кипения (например, ботулизм – Clostridium botulinum требует 118 °C (244 °F), большинству эндоспор требуется 120 °C (248 °F), [12] а прионам даже выше). Более высоких температур можно достичь с помощью скороварки . Тепло в сочетании с ультрафиолетовым светом (УФ), например, методом натрия , снижает необходимую температуру и продолжительность.
В продаже имеются портативные насосные фильтры с керамическими фильтрами, которые фильтруют от 5 000 до 50 000 литров на картридж, удаляя патогены размером до 0,2–0,3 микрометра (мкм). Некоторые также используют фильтрацию с активированным углем. Большинство фильтров такого типа удаляют большинство бактерий и простейших, таких как криптоспоридии и лямблии лямблий, но не вирусы, за исключением самых крупных из них диаметром 0,3 мкм и более, поэтому после фильтрации по-прежнему требуется дезинфекция химическими веществами или ультрафиолетовым светом . Стоит отметить, что не все бактерии удаляются насосными фильтрами с размером пор 0,2 мкм; например, нити нитевидных Leptospira spp. (которые могут вызвать лептоспироз) достаточно тонкие, чтобы пройти через фильтр 0,2 мкм. Эффективные химические добавки для устранения недостатков насосных фильтров включают хлор, диоксид хлора, йод и гипохлорит натрия (отбеливатель). На рынке появились полимерные и керамические фильтры, фильтрующие элементы которых включали последующую обработку йодом для уничтожения вирусов и более мелких бактерий, которые невозможно отфильтровать, но большинство из них исчезло из-за неприятного вкуса, придаваемого воде, а также возможные неблагоприятные последствия для здоровья при длительном приеме йода.
Хотя фильтрующие элементы могут отлично справляться с удалением большинства бактерий и грибков из питьевой воды, когда они новые, сами элементы могут стать местами колонизации. В последние годы некоторые фильтры были усовершенствованы за счет связывания наночастиц металлического серебра с керамическим элементом и/или активированным углем для подавления роста патогенов.
Небольшие фильтры обратного осмоса с ручной накачкой были первоначально разработаны для военных в конце 1980-х годов для использования в качестве спасательного оборудования, например, для комплектации надувных плотов на самолетах. Доступны гражданские версии. Вместо использования статического давления линии подачи воды для прокачки воды через фильтр давление создается с помощью ручного насоса. Эти устройства могут генерировать питьевую воду из морской воды.
Портативная аква-установка для спасения жизни (сокращенно PAUL) — это портативный мембранный фильтр для воды на основе ультрафильтрации для гуманитарной помощи. Это позволяет децентрализованно обеспечивать чистой водой в чрезвычайных и стихийных ситуациях около 400 человек на единицу в сутки. Фильтр предназначен для работы без использования химикатов, энергии и обученного персонала.
При фильтрации с использованием гранулированного активированного угля используется форма активированного угля с большой площадью поверхности, которая адсорбирует многие соединения, в том числе многие токсичные соединения. Вода, проходящая через активированный уголь, обычно используется вместе с фильтрами с ручной накачкой для устранения органических загрязнений , привкуса или неприятных запахов. Фильтры с активированным углем обычно не используются в качестве основного метода очистки портативных устройств для очистки воды, а скорее как вторичное средство, дополняющее другой метод очистки. Чаще всего его применяют для предварительной или постфильтрации, на отдельном этапе, чем керамическая фильтрация, и в любом случае его применяют до добавления химических дезинфицирующих средств, используемых для борьбы с бактериями или вирусами, которые фильтры не могут удалить. Активированный уголь может удалить хлор из очищенной воды, удаляя любую остаточную защиту, оставшуюся в воде, защищающую от патогенов, и, как правило, его не следует использовать без тщательного обдумывания после химической дезинфекции при очистке портативной воды. Фильтры с керамическим/углеродным сердечником и размером пор 0,5 мкм или меньше отлично подходят для удаления бактерий и цист, а также для удаления химикатов.
Химическая дезинфекция галогенами , главным образом хлором и йодом , происходит в результате окисления основных клеточных структур и ферментов . Основными факторами, определяющими скорость и долю уничтоженных микроорганизмов , являются остаточная или доступная концентрация галогенов и время воздействия. [13] Вторичными факторами являются виды патогенов, температура воды, pH и органические загрязнители. При обеззараживании полевой воды обычно эффективно использование концентраций 1–16 мг/л в течение 10–60 мин. Следует отметить, что ооцисты Cryptosporidium, вероятно, виды Cyclospora и яйца Ascaris чрезвычайно устойчивы к галогенам, и инактивация в полевых условиях может оказаться непрактичной с помощью отбеливателя и йода.
Йод, используемый для очистки воды, обычно добавляют в воду в виде раствора, в кристаллической форме или в таблетках, содержащих гидропериодид тетраглицина, которые выделяют 8 мг йода на таблетку. Йод убивает многие, но не все, наиболее распространенные болезнетворные микроорганизмы, присутствующие в природных источниках пресной воды. Носить с собой йод для очистки воды – несовершенное, но легкое решение для нуждающихся в выездной очистке питьевой воды. В походных магазинах можно приобрести наборы, в которые входят таблетка йода и вторая таблетка (витамина С или аскорбиновой кислоты ), которая удалит привкус йода из воды после ее дезинфекции . Добавление витамина С в форме таблеток или порошкообразных ароматизированных напитков приводит к выпадению большей части йода из раствора, поэтому его не следует добавлять до тех пор, пока йод не подействует. Это время составляет 30 минут в относительно чистой теплой воде, но значительно дольше, если вода мутная или холодная. Если йод выпал в осадок из раствора, то в питьевой воде доступного йода в растворе будет меньше. Тетраглицин гидропериодид сохраняет свою эффективность в течение неопределенного времени до открытия контейнера; хотя некоторые производители рекомендуют не использовать таблетки более трех месяцев после первого открытия упаковки, срок годности на самом деле очень длительный при условии, что контейнер закрывается сразу же после каждого открытия. [14]
Как и в случае с йодидом калия (KI), достаточное потребление таблеток гидропериодида тетраглицина может защитить щитовидную железу от поглощения радиоактивного йода. Исследование 1995 года показало, что ежедневное употребление воды, обработанной 4 таблетками, содержащими гидропериодид тетраглицина, снижает поглощение радиоактивного йода у людей в среднем на 1,1 процента по сравнению с исходным средним показателем в 16 процентов после недели лечения. Через 90 дней ежедневного лечения поглощение еще больше снизилось до в среднем 0,5 процента. [15] Однако, в отличие от KI, тетраглицин гидропериодид не рекомендуется ВОЗ для этой цели. [16]
Йоду следует дать по крайней мере 30 минут, чтобы убить лямблию. [17]
Потенциально более дешевой альтернативой использованию таблеток для очистки воды на основе йода является использование кристаллов йода, хотя существует серьезный риск острой токсичности йода, если приготовление и разведение не измерены с определенной точностью. [18] [19] Этот метод может оказаться недостаточным для уничтожения цист лямблий в холодной воде. [20] Преимущество использования кристаллов йода заключается в том, что при каждом использовании из кристаллов йода растворяется лишь небольшое количество йода, что дает этому методу очистки воды возможность обрабатывать очень большие объемы воды. В отличие от таблеток гидропериодида тетраглицина, кристаллы йода имеют неограниченный срок хранения при условии, что они не подвергаются воздействию воздуха в течение длительного времени или не находятся под водой. Кристаллы йода сублимируются при длительном контакте с воздухом. Большое количество воды, которое можно очистить с помощью кристаллов йода при низких затратах, делает этот метод особенно экономически эффективным для методов очистки воды на месте использования или для экстренной очистки, предназначенных для использования дольше, чем срок хранения гидропериодида тетраглицина.
Таблетки галазона на основе хлора раньше широко использовались для очистки питьевой воды. Хлор в воде более чем в три раза более эффективен в качестве дезинфицирующего средства против кишечной палочки , чем йод. [21] Таким образом, таблетки халазона широко использовались во время Второй мировой войны американскими солдатами для портативной очистки воды, а до 1945 года их даже включали в комплекты аксессуаров для C-рационов .
Дихлоризоцианурат натрия (NaDCC) в значительной степени вытеснил таблетки галазона из немногих оставшихся таблеток для очистки воды на основе хлора, доступных сегодня.
Обычный отбеливатель , включающий гипохлорит кальция (Ca[OCl] 2 ) и гипохлорит натрия (NaOCl), являются распространенными, хорошо изученными и недорогими окислителями.
Таблетки хлорного отбеливателя обеспечивают более стабильную основу для дезинфекции воды, чем жидкий отбеливатель, поскольку жидкий вариант имеет тенденцию разлагаться с возрастом и давать нерегулируемые результаты, если не проводятся анализы, которые могут быть непрактичными в полевых условиях. Тем не менее, жидкий отбеливатель можно безопасно использовать для кратковременной экстренной дезинфекции воды.
Агентство по охране окружающей среды рекомендует смешать две капли 8,25% раствора гипохлорита натрия (обычный хлорный отбеливатель без запаха) на один литр воды и оставить накрытым на 30–60 минут. Также достаточно двух капель 5% раствора. Удвойте количество отбеливателя, если вода мутная, окрашенная или очень холодная. После этого вода должна иметь легкий запах хлора. Если нет, повторите дозировку и дайте постоять еще 15 минут перед использованием. После такой обработки воду можно оставить открытой, чтобы уменьшить запах и привкус хлора. [22] [6]
Центры по контролю и профилактике заболеваний (CDC) и Population Services International (PSI) продвигают аналогичный продукт (0,5–1,5% раствор гипохлорита натрия) в рамках своей стратегии безопасной системы водоснабжения (SWS). Продукт продается в развивающихся странах под местными торговыми марками специально для дезинфекции питьевой воды. [9]
Ни хлор (например, отбеливатель), ни йод по отдельности не считаются полностью эффективными против Cryptosporidium , хотя они частично эффективны против Giardia . Хлор считается немного лучше против последнего. Более комплексное решение на местах, включающее химические дезинфицирующие средства, состоит в том, чтобы сначала фильтровать воду с помощью керамического картриджного фильтра с диаметром пор 0,2 мкм, а затем обрабатывать ее йодом или хлором, тем самым отфильтровывая криптоспоридии, лямблии и большинство бактерий, а также более крупные вирусы. а также использование химических дезинфицирующих средств для борьбы с более мелкими вирусами и бактериями, которые фильтр не может удалить. Эта комбинация также потенциально более эффективна в некоторых случаях, чем даже использование портативной электронной дезинфекции на основе УФ- обработки.
Диоксид хлора может быть получен из таблеток или получен путем смешивания двух химических веществ. Он более эффективен, чем йод или хлор, против лямблий, и хотя он имеет лишь низкую или умеренную эффективность против криптоспоридий, йод и хлор неэффективны против этого простейшего. [9] Стоимость обработки диоксидом хлора выше, чем стоимость обработки йодом. [ нужна цитата ]
Простой рассол {соль + вода} в электролитической реакции дает мощный смешанный окислительный дезинфицирующий раствор (в основном хлор в форме хлорноватистой кислоты (HOCl) и некоторое количество пероксида, озона и диоксида хлора). [23]
Дихлоризоцианурат натрия или троклозен натрия, чаще сокращенно NaDCC, представляет собой форму хлора, используемую для дезинфекции. Он используется крупными неправительственными организациями, такими как ЮНИСЕФ [24] для очистки воды в чрезвычайных ситуациях.
Таблетки дихлоризоцианурата натрия доступны в различных концентрациях для обработки различных объемов воды [25] для получения рекомендованных Всемирной организацией здравоохранения 5 частей на миллион [26] доступного хлора. Это шипучие таблетки, позволяющие растворить таблетку за считанные минуты.
Альтернативой препаратам на основе йода в некоторых сценариях использования являются таблетки или капли на основе ионов серебра / диоксида хлора . Эти растворы могут дезинфицировать воду более эффективно, чем методы на основе йода, при этом в некоторых сценариях использования практически не оставляя заметного привкуса воды. [ нужна цитация ] Дезинфицирующие средства на основе ионов серебра и диоксида хлора убивают Cryptosporidium и Giardia , если их правильно использовать. Основным недостатком методов на основе ионов серебра/диоксида хлора является длительное время очистки (обычно от 30 минут до 4 часов, в зависимости от используемого состава). Еще одной проблемой является возможное отложение и накопление соединений серебра в различных тканях организма, что приводит к редкому состоянию, называемому аргирией , которое приводит к постоянной уродующей голубовато-серой пигментации кожи, глаз и слизистых оболочек.
Одно недавнее исследование показало, что дикую сальмонеллу, которая быстро размножается при последующем хранении в темноте воды, продезинфицированной солнцем, можно контролировать, добавив всего 10 частей на миллион перекиси водорода. [27]
Ультрафиолетовый (УФ) свет вызывает образование ковалентных связей на ДНК и тем самым предотвращает размножение микробов. Без размножения микробы становятся гораздо менее опасными. Бактерицидный УФ-С свет в коротковолновом диапазоне 100–280 нм действует на тимин , один из четырех основных нуклеотидов ДНК. Когда бактерицидный УФ- фотон поглощается молекулой тимина, которая находится рядом с другим тимином в цепи ДНК, между молекулами создается ковалентная связь или димер . Этот димер тимина не позволяет ферментам «читать» ДНК и копировать ее, тем самым стерилизуя микроб. Длительное воздействие ионизирующего излучения может вызвать одно- и двухцепочечные разрывы ДНК, окисление мембранных липидов и денатурацию белков, которые токсичны для клеток. Тем не менее, у этой технологии есть ограничения. Чтобы УФ-очистка работала эффективно, мутность воды (т. е. количество взвешенных и коллоидных твердых веществ, содержащихся в воде, подлежащей очистке) должна быть низкой, чтобы вода была прозрачной, поэтому может потребоваться этап предварительной фильтрации.
Проблема с УФ-очисткой портативной воды заключается в том, что некоторые патогены в сотни раз менее чувствительны к УФ-излучению, чем другие. Когда-то считалось, что цисты простейших являются одними из наименее чувствительных, однако недавние исследования доказали обратное, показав, что и Cryptosporidium, и Giardia деактивируются при дозе УФ-излучения всего 6 мДж/см 2 [28] . Однако правила EPA и другие исследования показывают, что именно вирусы являются ограничивающим фактором лечения УФ-излучением, требуя в 10-30 раз большей дозы УФ-излучения, чем лямблии или криптоспоридии . [29] [30] Исследования показали, что дозы УФ-излучения на уровнях, обеспечиваемых обычными портативными УФ-установками, эффективны для уничтожения лямблий [31] и что не было никаких доказательств восстановления и реактивации кист. [32]
Вода, обработанная УФ-излучением, все еще содержит микробы, только если их средства размножения «выключены». В случае, если такая обработанная УФ-излучением вода, содержащая кастрированные микробы, подвергается воздействию видимого света (в частности, световых волн с длиной волны более 330-500 нм) в течение значительного периода времени, может произойти процесс, известный как фотореактивация , где существует возможность Возникает восстановление повреждений в репродуктивной ДНК бактерий, что потенциально делает их снова способными к размножению и возникновению заболеваний. [33] Поэтому вода, обработанная УФ-излучением, не должна подвергаться воздействию видимого света в течение значительного периода времени после УФ-обработки и перед употреблением, чтобы избежать попадания в организм реактивированных и опасных микробов.
Последние разработки в области полупроводниковых технологий позволяют разработать УФ-светоизлучающие диоды (светодиоды). Светодиодные системы UV-C устраняют недостатки ртутной технологии, а именно: штрафы за циклическое выключение питания, высокие потребности в электроэнергии, хрупкость, время прогрева и содержание ртути.
При солнечной дезинфекции воды (часто сокращенно «содис») микробы уничтожаются под действием температуры и солнечного излучения UVA . Воду помещают в прозрачную пластиковую ПЭТ- бутылку или полиэтиленовый пакет, насыщают кислородом путем встряхивания частично заполненных бутылок с крышками перед тем, как полностью заполнить бутылки, и оставляют на солнце на 6–24 часа на отражающей поверхности.
Солнечная дистилляция предполагает, что солнечный свет нагревает и испаряет очищаемую воду, которая затем конденсируется и стекает в контейнер. Теоретически солнечная установка (конденсация) по-прежнему удаляет все болезнетворные микроорганизмы, соли, металлы и большинство химикатов, но на практике отсутствие чистых компонентов, легкий контакт с грязью, импровизированная конструкция и помехи приводят к более чистой, но загрязненной воде.
Фильтры для воды можно изготовить на месте с использованием местных материалов, таких как песок и древесный уголь (например, из дров, сожженных особым образом). Эти фильтры иногда используются солдатами и любителями активного отдыха. Благодаря низкой стоимости их может изготовить и использовать любой желающий. Надежность таких систем сильно варьируется. Такие фильтры практически ничего не могут сделать для борьбы с микробами и другими вредными компонентами и могут дать ложное ощущение уверенности в том, что полученная таким образом вода пригодна для питья. Вода, проходящая через импровизированный фильтр, должна пройти вторичную обработку, например, кипячение, чтобы сделать ее безопасной для употребления.
Заболевания, передающиеся через воду, обычно передаются от других людей, поэтому материалы человеческого происхождения ( фекалии , медицинские отходы, промывочная вода, химикаты для газонов, бензиновые двигатели, мусор и т. д.) следует хранить вдали от источников воды. Например, человеческие экскременты следует хоронить на достаточном расстоянии (>60 метров/200 футов) от источников воды, чтобы уменьшить загрязнение. [9] В некоторых диких районах рекомендуется упаковывать все отходы и вывозить их в специально отведенное место для утилизации.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )