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 основная функция — устранение патогенов , а также часто и взвешенных твердых частиц и некоторых неприятных или токсичных соединений .
Эти устройства обеспечивают автономное снабжение питьевой водой людей, не имеющих доступа к услугам по снабжению чистой водой , включая жителей развивающихся стран и зон стихийных бедствий, военнослужащих, туристов , туристов , рабочих в дикой природе и выживальщиков . Их также называют системами очистки воды в точке использования и методами дезинфекции полевой воды .
Методы включают нагревание (включая кипячение), фильтрацию, адсорбцию активированным углем, химическую дезинфекцию (например, хлорирование , йодирование, озонирование и т. д.), ультрафиолетовую очистку (включая солнечную ), дистилляцию (включая солнечную дистилляцию) и флокуляцию . Часто они используются в сочетании.
Неочищенная вода может содержать потенциально патогенные агенты, включая простейших , бактерии, вирусы и некоторые личинки паразитов высшего порядка, таких как печеночные сосальщики и круглые черви. Могут присутствовать химические загрязнители, такие как пестициды , тяжелые металлы и синтетическая органика. Другие компоненты могут влиять на вкус, запах и общие эстетические качества, включая мутность от почвы или глины, цвет от гуминовой кислоты или микроскопических водорослей, запахи от определенных типов бактерий, в частности актиномицетов , которые производят геосмин , [1] и соленость от солоноватой или морской воды.
Распространенные металлические загрязнители, такие как медь и свинец, можно устранить путем повышения pH с помощью кальцинированной соды или извести, которые осаждают такие металлы. Тщательное декантирование чистой воды после отстаивания или использование фильтрации обеспечивает приемлемо низкие уровни металлов. Воду, загрязненную алюминием или цинком, нельзя очистить таким образом с помощью сильной щелочи, поскольку более высокие значения pH повторно растворяют соли металлов. Соль трудно удалить, за исключением обратного осмоса или дистилляции .
Большинство портативных процессов обработки направлены на смягчение человеческих патогенов для безопасности и удаления твердых частиц, привкусов и запахов. Значительные патогены, обычно присутствующие в развитых странах, включают Giardia , Cryptosporidium , Shigella , вирус гепатита А , Escherichia coli и энтеровирус . [2] В менее развитых странах могут быть риски от холеры и дизентерии , а также ряда тропических энтеропаразитов.
Giardia lamblia и Cryptosporidium spp. , оба из которых вызывают диарею (см. лямблиоз и криптоспоридиоз ), являются распространенными патогенами. В отдаленных районах Соединенных Штатов и Канады они иногда присутствуют в достаточном количестве, что оправдывает очистку воды для туристов с рюкзаками, [3] хотя это вызвало некоторые споры. [4] (См . приобретенная в дикой природе диарея .) На Гавайях и в других тропических районах Leptospira spp. являются еще одной возможной проблемой. [5]
Реже в развитых странах встречаются такие организмы, как Vibrio cholerae , вызывающий холеру , и различные штаммы Salmonella , вызывающие брюшной тиф и паратифозные заболевания. Патогенные вирусы также могут быть обнаружены в воде. Личинки сосальщиков особенно опасны в районах, посещаемых овцами , оленями или крупным рогатым скотом . Если такие микроскопические личинки попадают в организм, они могут образовывать потенциально опасные для жизни цисты в мозге или печени . Этот риск распространяется на растения, выращиваемые в воде или около нее, включая обычно употребляемый в пищу кресс-салат .
В целом, чем больше человеческая деятельность выше по течению (т. е. чем больше поток/река), тем больше потенциал для загрязнения канализационными стоками , поверхностным стоком или промышленными загрязнителями . Загрязнение грунтовых вод может быть результатом деятельности человека (например, локальные системы канализации или добыча полезных ископаемых) или может быть естественным (например, мышьяк в некоторых регионах Индии и Бангладеш). Вода, собранная как можно выше по течению, выше всех известных или предполагаемых рисков загрязнения, представляет собой 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 смягчат все опасности. Хотя флокуляция с последующей фильтрацией была предложена как лучшая практика [6], это редко осуществимо без возможности тщательно контролировать pH и условия осаждения. Неразумное использование квасцов в качестве флокулянта может привести к неприемлемым уровням алюминия в обработанной таким образом воде. [7] Если воду нужно хранить, галогены обеспечивают расширенную защиту.
Тепло убивает болезнетворные микроорганизмы, для некоторых патогенов требуются более высокие температуры и/или длительность. Стерилизация воды (убийство всех живых загрязняющих веществ) не является необходимой для того, чтобы сделать воду безопасной для питья; достаточно лишь обезвредить энтеральные (кишечные) патогены. Кипячение не удаляет большинство загрязняющих веществ и не оставляет никакой остаточной защиты.
ВОЗ утверждает, что доведение воды до кипения, а затем ее естественное охлаждение достаточно для инактивации патогенных бактерий, вирусов и простейших. [8]
CDC рекомендует кипячение в течение 1 минуты. Однако на больших высотах температура кипения воды падает. На высотах более 6562 футов (2000 метров) кипение должно продолжаться в течение 3 минут. [ 9]
Все бактериальные патогены быстро погибают при температуре выше 60 °C (140 °F), поэтому, хотя кипячение не является необходимым условием для того, чтобы вода стала безопасной для питья, времени, необходимого для нагревания воды до кипения, обычно достаточно для снижения концентрации бактерий до безопасного уровня. [10] Инкапсулированные простейшие патогены могут потребовать более высоких температур для устранения любого риска. [11]
Кипячение не всегда необходимо, а иногда и недостаточно. Пастеризация , при которой погибает достаточное количество патогенов, обычно происходит при температуре 63 °C в течение 30 минут или 72 °C в течение 15 секунд. Некоторые патогены необходимо нагревать выше точки кипения (например, ботулизм — Clostridium botulinum требует 118 °C (244 °F), большинство эндоспор требуют 120 °C (248 °F), [12] а прионы — еще выше). Более высокие температуры можно получить с помощью скороварки . Тепло в сочетании с ультрафиолетовым светом (УФ), например, метод sodis , снижает необходимую температуру и продолжительность.
Портативные фильтры для насосов коммерчески доступны с керамическими фильтрами, которые фильтруют от 5000 до 50000 литров на картридж, удаляя патогены вплоть до диапазона 0,2–0,3 микрометра (мкм). Некоторые также используют фильтрацию активированным углем. Большинство фильтров такого типа удаляют большинство бактерий и простейших, таких как Cryptosporidium и Giardia lamblia, но не вирусы, за исключением самых крупных диаметром 0,3 мкм и больше, поэтому дезинфекция химикатами или ультрафиолетовым светом после фильтрации все равно требуется. Стоит отметить, что не все бактерии удаляются фильтрами для насосов 0,2 мкм; например, нити нитевидных Leptospira spp. (которые могут вызывать лептоспироз) достаточно тонкие, чтобы пройти через фильтр 0,2 мкм. Эффективные химические добавки для устранения недостатков фильтров для насосов включают хлор, диоксид хлора, йод и гипохлорит натрия (отбеливатель). На рынке появились полимерные и керамические фильтры, в фильтрующих элементах которых применялась последующая обработка йодом для уничтожения вирусов и более мелких бактерий, которые невозможно отфильтровать, однако большинство из них исчезло из-за неприятного привкуса, придаваемого воде, а также возможных неблагоприятных последствий для здоровья при длительном употреблении йода.
Хотя фильтрующие элементы могут отлично справляться с удалением большинства бактерий и грибковых загрязнителей из питьевой воды, когда они новые, сами элементы могут стать местами колонизации. В последние годы некоторые фильтры были усовершенствованы путем связывания наночастиц металлического серебра с керамическим элементом и/или с активированным углем для подавления роста патогенов.
Небольшие фильтры обратного осмоса с ручным насосом изначально были разработаны для военных в конце 1980-х годов для использования в качестве спасательного оборудования, например, для включения в надувные плоты на самолетах. Доступны гражданские версии. Вместо использования статического давления водопроводной линии для прокачки воды через фильтр, давление обеспечивается ручным насосом. Эти устройства могут производить питьевую воду из морской воды.
Portable Aqua Unit for Lifesaving (сокращенно PAUL) — это портативный ультрафильтрационный мембранный фильтр для воды для гуманитарной помощи. Он обеспечивает децентрализованную подачу чистой воды в чрезвычайных ситуациях и катастрофах для примерно 400 человек на единицу в день. Фильтр не требует использования химикатов, энергии или обученного персонала.
Фильтрация гранулированным активированным углем использует форму активированного угля с большой площадью поверхности и адсорбирует многие соединения, включая многие токсичные соединения. Вода, проходящая через активированный уголь, обычно используется совместно с ручными фильтрами для устранения органических загрязнений , привкуса или неприятных запахов. Фильтры с активированным углем обычно не используются в качестве основных методов очистки портативных устройств для очистки воды, а скорее как вторичные средства для дополнения другого метода очистки. Чаще всего он применяется для предварительной или последующей фильтрации, на отдельном этапе, чем керамическая фильтрация, в любом случае реализуется до добавления химических дезинфицирующих средств, используемых для борьбы с бактериями или вирусами, которые фильтры не могут удалить. Активированный уголь может удалять хлор из очищенной воды, удаляя любую остаточную защиту, оставшуюся в воде, защищающую от патогенов, и, как правило, не должен использоваться без тщательного обдумывания после химической дезинфекции при обработке портативной очистки воды. Фильтры с керамическим/углеродным сердечником с размером пор 0,5 мкм или меньше отлично подходят для удаления бактерий и цист, а также удаления химикатов.
Химическая дезинфекция галогенами , в основном 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 галогена и время воздействия. [13] Вторичными факторами являются виды патогенов, температура воды, pH и органические загрязнители. При дезинфекции полевой воды обычно эффективно использование концентраций 1–16 мг/л в течение 10–60 мин. Следует отметить, что ооцисты Cryptosporidium, вероятные виды Cyclospora, яйца Ascaris чрезвычайно устойчивы к галогенам, и полевая инактивация может быть непрактичной с отбеливателем и йодом.
Йод, используемый для очистки воды, обычно добавляется в воду в виде раствора, в кристаллизованной форме или в таблетках, содержащих гидропериодид тетраглицина, которые выделяют 8 мг йода на таблетку. Йод убивает многих, но не всех, наиболее распространенных патогенов, присутствующих в природных источниках пресной воды. Ношение йода для очистки воды является несовершенным, но легким решением для тех, кому нужна очистка питьевой воды в полевых условиях. В магазинах для кемпинга доступны наборы, которые включают таблетку йода и вторую таблетку (витамин С или аскорбиновая кислота ), которая удалит привкус йода из воды после ее дезинфекции . Добавление витамина С в форме таблетки или в виде ароматизированных порошков для напитков осаждает большую часть йода из раствора, поэтому его не следует добавлять, пока йод не подействует достаточно времени. Это время составляет 30 минут в относительно чистой теплой воде, но значительно больше, если вода мутная или холодная. Если йод выпал из раствора, то в питьевой воде содержится меньше доступного йода. Тетраглицин гидропериодид сохраняет свою эффективность неограниченно долго до открытия контейнера; хотя некоторые производители предлагают не использовать таблетки более трех месяцев после того, как контейнер был первоначально открыт, срок годности на самом деле очень долгий при условии, что контейнер будет запечатан сразу после каждого открытия. [14]
Подобно йодиду калия (KI), достаточное потребление таблеток тетраглицина гидропериодида может защитить щитовидную железу от поглощения радиоактивного йода. Исследование 1995 года показало, что ежедневное потребление воды, обработанной 4 таблетками, содержащими тетраглицина гидропериодид, снизило поглощение радиоактивного йода у людей до среднего значения 1,1 процента по сравнению с исходным средним значением 16 процентов после недели лечения. Через 90 дней ежедневного лечения поглощение еще больше снизилось до среднего значения 0,5 процента. [15] Однако, в отличие от KI, тетраглицина гидропериодид не рекомендуется ВОЗ для этой цели. [16]
Йоду необходимо дать по крайней мере 30 минут, чтобы убить лямблии . [17]
Потенциально более дешевой альтернативой использованию таблеток для очистки воды на основе йода является использование кристаллов йода, хотя существуют серьезные риски острой токсичности йода, если подготовка и разбавление не измеряются с некоторой точностью. [18] [19] Этот метод может быть недостаточным для уничтожения цист лямблий в холодной воде. [20] Преимущество использования кристаллов йода заключается в том, что только небольшое количество йода растворяется из кристаллов йода при каждом использовании, что дает этому методу очистки воды возможность обрабатывать очень большие объемы воды. В отличие от таблеток гидропериодида тетраглицина, кристаллы йода имеют неограниченный срок хранения, если они не подвергаются воздействию воздуха в течение длительного периода времени или хранятся под водой. Кристаллы йода будут сублимироваться при воздействии воздуха в течение длительного периода времени. Большой объем воды, который можно очистить с помощью кристаллов йода при низких затратах, делает этот метод особенно экономически эффективным для методов очистки воды на месте использования или аварийных методов очистки воды, предназначенных для использования дольше срока годности гидропериодида тетраглицина.
Таблетки галазона на основе хлора ранее широко использовались для очистки портативной воды. Хлор в воде более чем в три раза эффективнее в качестве дезинфицирующего средства против Escherichia coli, чем йод. [21] Таблетки галазона, таким образом, широко использовались во время Второй мировой войны американскими солдатами для очистки портативной воды, и даже входили в комплекты принадлежностей для пайков до 1945 года.
Дихлоризоцианурат натрия (NaDCC) в значительной степени заменил таблетки галазона среди немногих оставшихся на сегодняшний день таблеток для очистки воды на основе хлора.
Обычные отбеливатели, включая гипохлорит кальция (Ca[OCl] 2 ) и гипохлорит натрия (NaOCl), являются распространенными, хорошо изученными и недорогими окислителями.
Таблетки хлорного отбеливателя обеспечивают более стабильную платформу для дезинфекции воды, чем жидкий отбеливатель, поскольку жидкий вариант имеет тенденцию к деградации со временем и дает неконтролируемые результаты, если не проводить анализы, что может быть непрактично в полевых условиях. Тем не менее, жидкий отбеливатель может быть безопасно использован для краткосрочной экстренной дезинфекции воды.
EPA рекомендует смешать две капли 8,25% раствора гипохлорита натрия (обычный хлорный отбеливатель без запаха) с одной квартой/литр воды и оставить накрытым на 30–60 минут. Двух капель 5% раствора также достаточно. Удвойте количество отбеливателя, если вода мутная, цветная или очень холодная. После этого вода должна иметь легкий запах хлора. Если нет, повторите дозировку и дайте постоять еще 15 минут перед использованием. После этой 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) как часть своей стратегии Safe Water System (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 лучшим против последнего. Более полное полевое решение, включающее химические дезинфицирующие средства, заключается в том, чтобы сначала отфильтровать воду с помощью керамического картриджного фильтра с фильтрующим элементом 0,2 мкм, а затем обработать ее йодом или хлором, тем самым отфильтровав Cryptosporidium, Giardia и большинство бактерий, а также более крупные вирусы, при этом также используя химические дезинфицирующие средства для устранения более мелких вирусов и бактерий, 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 путем смешивания двух химикатов. Он более эффективен, чем йод или хлор против лямблий, и хотя его эффективность против криптоспоридий находится на уровне от низкой до средней, йод и хлор неэффективны против этого простейшего. [9] Стоимость обработки диоксидом хлора выше, чем стоимость обработки йодом. [ требуется цитата ]
Простой солевой раствор {соль + вода} в электролитической реакции производит мощный смешанный окислительный дезинфицирующий агент (в основном хлор в форме хлорноватистой кислоты (HOCl) и некоторое количество перекиси, озона, диоксида хлора). [23]
Дихлоризоцианурат натрия или троклозен натрия, чаще сокращенно NaDCC, является формой хлора, используемой для дезинфекции. Он используется крупными неправительственными организациями, такими как ЮНИСЕФ [24], для обработки воды в чрезвычайных ситуациях.
Таблетки дихлоризоцианурата натрия доступны в различных концентрациях для обработки различных объемов воды [25] для получения рекомендуемого Всемирной организацией здравоохранения уровня доступного хлора в 5 ppm [26] . Это шипучие таблетки, которые растворяются 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 в воде. [ необходима цитата ] Дезинфицирующие средства на основе ионов серебра/диоксида хлора убивают Cryptosporidium и Giardia , если их использовать правильно. Основным недостатком методов на основе ионов серебра/диоксида хлора является длительное время очистки (обычно от 30 минут до 4 часов, в зависимости от используемой формулы). Еще одной проблемой является возможное отложение и накопление соединений серебра в различных тканях организма, что приводит к редкому состоянию, называемому аргирия , которое приводит к постоянной, обезображивающей, синевато-серой пигментации кожи, глаз и слизистых оболочек.
В одном из недавних исследований было обнаружено, что дикую сальмонеллу, которая быстро размножается при последующем темном хранении дезинфицированной солнцем воды, можно контролировать, добавляя всего 10 частей на миллион перекиси водорода. [27]
Ультрафиолетовый (УФ) свет вызывает образование ковалентных связей на ДНК и тем самым препятствует размножению 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 в ДНК. Когда бактерицидный УФ- фотон поглощается молекулой тимина, которая соседствует с другим тимином в цепи ДНК, между молекулами создается ковалентная связь или димер . Этот димер тимина не позволяет ферментам «считывать» ДНК и копировать ее, тем самым нейтрализуя микроб. Длительное воздействие ионизирующего излучения может вызвать одно- и двухцепочечные разрывы в ДНК, окисление мембранных липидов и денатурацию белков, все из которых токсичны для клеток. Тем не менее, существуют ограничения для этой технологии. Мутность воды (т. е. количество взвешенных и коллоидных твердых частиц, содержащихся в очищаемой воде) должна быть низкой, чтобы вода была прозрачной, для эффективной УФ-очистки — поэтому может потребоваться этап предварительной фильтрации.
Проблема с портативной УФ-очисткой воды заключается в том, что некоторые патогены в сотни раз менее чувствительны к УФ-излучению, чем другие. Когда-то считалось, что цисты простейших относятся к наименее чувствительным, однако недавние исследования доказали обратное, показав, что и Cryptosporidium, и Giardia дезактивируются дозой УФ-излучения всего 6 мДж/см2 [ 28] Однако правила Агентства по охране окружающей среды и другие исследования показывают, что именно вирусы являются ограничивающим фактором УФ-обработки, требуя в 10-30 раз большей дозы УФ-излучения, чем Giardia или Cryptosporidium . [29] [30] Исследования показали, что дозы УФ-излучения на уровнях, обеспечиваемых обычными портативными УФ-устройствами, эффективны для уничтожения Giardia [31] и что не было никаких доказательств восстановления и реактивации цист. [32]
Вода, обработанная УФ-излучением, по-прежнему содержит микробы, только их средства для размножения «выключены». В случае, если такая обработанная УФ-излучением вода, содержащая кастрированные микробы, подвергается воздействию видимого света (в частности, длины волн света свыше 330–500 нм) в течение значительного периода времени, может произойти процесс, известный как фотореактивация , при котором возникает возможность восстановления повреждений в ДНК размножения бактерий, что потенциально делает их снова способными к размножению и возникновению заболеваний. [33] Поэтому обработанная УФ-излучением вода не должна подвергаться воздействию видимого света в течение значительного периода времени после УФ-обработки, перед употреблением, чтобы избежать попадания в организм реактивированных и опасных микробов.
Последние разработки в области полупроводниковых технологий позволяют разрабатывать светодиоды УФ-С . Системы светодиодов УФ-С устраняют недостатки технологий на основе ртути, а именно: штрафы за цикличность включения-выключения, высокие требования к мощности, хрупкость, время разогрева и содержание ртути.
При солнечной дезинфекции воды (часто сокращенно «sodis») микробы уничтожаются температурой и UVA -излучением, исходящим от солнца . Вода помещается в прозрачную пластиковую бутылку из ПЭТ или пластиковый пакет, насыщается кислородом путем встряхивания частично заполненных бутылок с крышками перед их полным заполнением и оставляется на солнце на 6–24 часа на отражающей поверхности.
Солнечная дистилляция использует солнечный свет для нагрева и испарения очищаемой воды, которая затем конденсируется и стекает в контейнер. Теоретически, солнечная (конденсационная) система по-прежнему удаляет все патогены, 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, используя местные материалы, такие как песок и древесный уголь (например, из дров, сожженных особым образом). Иногда такие фильтры используют солдаты и любители активного отдыха. Благодаря низкой стоимости их может изготовить и использовать любой человек. Надежность таких систем сильно варьируется. Такие фильтры мало что могут сделать, если вообще что-то сделать, для устранения микробов и других вредных компонентов и могут дать ложное чувство уверенности в том, что полученная таким образом вода пригодна для питья. Вода, обработанная с помощью импровизированного фильтра, должна пройти вторичную обработку, например кипячение, чтобы сделать ее безопасной для употребления.
Заболевания, передающиеся через воду, обычно передаются от других людей, поэтому материалы, полученные от человека ( фекалии , медицинские отходы, вода для мытья, химикаты для газонов, бензиновые двигатели, мусор и т. д.), следует хранить вдали от источников воды. Например, человеческие экскременты следует закапывать на значительном 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 утилизации.
{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )