Вопросы использования современных органических реагентов в практике питьевого водоснабжения (обзор литературы)

Статья содержит обзор литературы, посвящённой безопасному использованию современных органических реагентов в практике питьевого водоснабжения. При проведении поиска литературы использовали следующие базы данных: Pubmed, Scopus, Web of Science, MedLine, Global Health, РИНЦ, а также метод поиска на основе ключевых слов и цитирования.

Цель обзора определялась актуальностью задачи удаления антропогенных и вызванных антропогенной нагрузкой загрязняющих веществ при очистке природных вод. Несмотря на большое число разработанных технологий и различных реагентов, эта задача не до конца решена. Технологии очистки воды совершенствуются, их эффективность в немалой степени зависит от интенсификации реагентной обработки. Помимо общепринятых лабораторных исследований реагентов, используемых при водоочистке, необходимо проведение производственных испытаний для уточнения параметров риска для здоровья и токсичности образующихся в процессе водоподготовки продуктов трансформации, а также для изучения эффективности и безопасности суммы реагентов, совместно поступающих в технологический процесс водоподготовки. Гигиеническая оценка реагентов должна учитывать реальные условия их использования в практике питьевого водоснабжения, включая дальнейшие стадии водоподготовки. Это касается оценки возможной деструкции полимеров при получении композитных реагентов, оценки модифицирующих добавок, входящих в их состав, трансформации полимеров в воде в процессе хлорирования, хлораминирования, озонирования, под влиянием ультрафиолетового облучения и корректировки набора обязательных контролируемых показателей. Для проведения этих исследований лаборатории должны обладать общедоступными методами анализа, позволяющими точно определить наличие мономеров, полимеров, а также различных добавок и продуктов трансформации в концентрациях, реально присутствующих в питьевой воде.

Участие авторов:
Алексеева А.В. — концепция и дизайн исследования, написание текста, сбор материала и обработка данных, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи;
Савостикова О.Н. — концепция и дизайн исследования, написание текста, сбор материала и обработка данных, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследования проводились в рамках государственного задания по теме «Мониторинг» в ФГБУ «ЦСП» ФМБА России.

Поступила: 28.08.2023 / Принята к печати: 26.09.2023 / Опубликована: 20.11.2023

1. Ouyang W., Chen T., Shi Y., Tong L., Chen Y., Wang W., et al. Physico-chemical processes. Water Environ. Res. 2019; 91(10): 1350–77. https://doi.org/10.1002/wer.1231

2. Xue J., Guo B., Gong Z. Physico-chemical processes. Water Environ. Res. 2018; 90(10): 1392–438. https://doi.org/10.2175/106143018X15289915807263

3. Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат; 1984.

4. Запольский А.К., Баран А.А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды: Свойства. Получение. Применение. М.: Химия; 1987.

5. Yu X., Tang Y., Pan J., Shen L., Begum A., Gong Z., et al. Physico-chemical processes. Water Environ. Res. 2020; 92(10): 1751–69. https://doi.org/10.1002/wer.1430

6. Mishra S., Mukul A., Sen G., Jha U. Microwave assisted synthesis of polyacrylamide grafted starch (St-g-PAM) and its applicability as flocculant for water treatment. Int. J. Biol. Macromol. 2011; 48(1): 106–11. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2010.10.004

7. Chen J., Eraghi Kazzaz A., AlipoorMazandarani N., Hosseinpour Feizi Z., Fatehi P. Production of flocculants, adsorbents, and dispersants from lignin. Molecules. 2018; 23(4): 868. https://doi.org/10.3390/molecules23040868

8. Rajala K., Grönfors O., Hesampour M., Mikola A. Removal of microplastics from secondary wastewater treatment plant effluent by coagulation/flocculation with iron, aluminum and polyamine-based chemicals. Water Res. 2020; 183: 116045. https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116045

9. Zheng C., Zheng H., Wang Y., Sun Y., An Y., Liu H., et al. Modified magnetic chitosan microparticles as novel superior adsorbents with huge “force field” for capturing food dyes. J. Hazard. Mater. 2019; 367: 492–503. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2018.12.120

10. Can İ.B., Bıçak Ö., Özçelik S., Can M., Ekmekçi Z. Sulphate removal from flotation process water using ion-exchange resin column system. Minerals. 2020; 10(8): 655. https://doi.org/10.3390/min10080655

11. Wang Q., Cao Y., Zeng H., Liang Y., Ma J., Lu X. Ultrasound-enhanced zero-valent copper activation of persulfate for the degradation of bisphenol AF. Chem. Eng. J. 2019; 378: 122143. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122143

12. Lin Z., Wang Y., Huang W., Wang J., Chen L., Zhou J., et al. Single-stage denitrifying phosphorus removal biofilter utilizing intracellular carbon source for advanced nutrient removal and phosphorus recovery. Bioresour. Technol. 2019; 277: 27–36. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.01.025

13. Fu W., Zhang W. Microwave-enhanced membrane filtration for water treatment. J. Memb. Sci. 2018; 568: 97–104. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.09.064

14. Salehizadeh H., Yan N., Farnood R. Recent advances in polysaccharide bio-based flocculants. Biotech. Adv. 2018; 36(1): 92–119. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2017.10.002

15. Самбурский Г.А., Устинова О.В., Леонтьева С.В. Особенности стандартизации химических реагентов для подготовки питьевой воды (на примере коагулянта полиоксихлорида алюминия). Водоснабжение и санитарная техника. 2020; (1): 15–21. https://doi.org/10.35776/MNP.2020.01.02 https://elibrary.ru/kophvn

16. Koshani R., Tavakolian M., van de Ven T.G.M. Cellulose-based dispersants and flocculants. J. Mater. Chem. B. 2020; 8(46): 10502–26. https://doi.org/10.1039/d0tb02021d

17. Xu M., Wang X., Zhou B., Zhou L. Pre-coagulation with cationic flocculant-composited titanium xerogel coagulant for alleviating subsequent ultrafiltration membrane fouling by algae-related pollutants. J. Hazard. Mater. 2021; 407: 124838. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124838

18. Zhang P., Zhu S., Xiong C., Yan B., Wang Z., Li K., et al. Flocculation of Chlorella vulgaris-induced algal blooms: critical conditions and mechanisms. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2022; 29(52): 78809–20. https://doi.org/10.1007/s11356-022-21383-8

19. Wang Y., Gao B., Yue Q., Zhan X., Si X., Li C. Flocculation performance of epichlorohydrin-dimethylamine polyamine in treating dyeing wastewater. J. Environ. Manage. 2009; 91(2): 423–31. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2009.09.012

20. Zhu G., Liu J., Bian Y. Evaluation of cationic polyacrylamide-based hybrid coagulation for the removal of dissolved organic nitrogen. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2018; 25(15): 14447–59. https://doi.org/10.1007/s11356-018-1630-1

21. Liao Y., Zheng H., Dai L., Li F., Zhu G., Qingqing G., et al. Hydrophobically modified polyacrylamide synthesis and application in water treatment. Asian J. Chem. 2014; 26(18): 5923–7. https://doi.org/10.14233/ajchem.2014.16860

22. Chen X., Si C., Fatehi P. Cationic xylan-(2-methacryloyloxyethyl trimethyl ammonium chloride) polymer as a flocculant for pulping wastewater. Carbohydr. Polym. 2018; 186: 358–66. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2018.01.068

23. Lu L., Pan Z., Hao N., Peng W. A novel acrylamide-free flocculant and its application for sludge dewatering. Water Res. 2014; 57: 304–12. https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.03.047

24. Жолдакова З.И., Синицына О.О., Тульская Е.А. Оценка санитарно-эпидемиологической безопасности флокулянтов, используемых для очистки питьевой воды. Гигиена и санитария. 2006; 85(5): 42–4. https://elibrary.ru/kuzlbr

25. Алексеева А.В., Савостикова О.Н., Мамонов Р.А. Сравнительный анализ методов оценки возможности применения полимерных материалов в питьевом водоснабжении, закрепленных в законодательствах России и Германии. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019; (10–2): 263–7. https://elibrary.ru/uyvsgo

26. Liu Y., Zheng H., Sun Y., Ren J., Zheng X., Sun Q., et al. Synthesis of novel chitosan-based flocculants with amphiphilic structure and its application in sludge dewatering: role of hydrophobic groups. J. Clean. Prod. 2020; 249: 119350. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.119350

27. Jiang X., Li Y., Tang X., Jiang J., He Q., Xiong Z., et al. Biopolymer-based flocculants: a review of recent technologies. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2021; 28(34): 46934–63. https://doi.org/10.1007/s11356-021-15299-y

28. Bhalkaran S., Wilson L.D. Investigation of self-assembly processes for chitosan-based coagulant-flocculant systems: a mini-review. Int. J. Mol. Sci. 2016; 17(10): 1662. https://doi.org/10.3390/ijms17101662

29. Tang X., Jiang X., Zhang S., Zheng H., Tan X. Recent progress on graft polymerization of natural polymer flocculants: synthesis method, mechanism and characteristic. Mini Rev. Org. Chem. 2018; 15(3): 227–35. https://doi.org/10.2174/1570193X15666171213155054

30. Zheng C., Zheng H., Wang Y., Wang Y., Qu W., An Q., et al. Synthesis of novel modified magnetic chitosan particles and their adsorption performance toward Cr(VI). Bioresour. Technol. 2018; 267: 1–8. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.06.113

31. Sanchez-Salvador J.L., Balea A., Monte M.C., Negro C., Blanco A. Chitosan grafted/cross-linked with biodegradable polymers: a review. Int. J. Biol. Macromol. 2021; 178: 325–43. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.02.200

32. Duan C., Meng X., Meng J., Khan M.I.H., Dai L., Khan A., et al. Chitosan as a preservative for fruits and vegetables: a review on chemistry and antimicrobial properties. J. Biores. Bioproducts. 2019; 4(1): 11–21. https://doi.org/10.21967/jbb.v4i1.189

33. Sanchez-Salvador J.L., Balea A., Monte M.C., Negro C., Blanco A. Chitosan grafted/cross-linked with biodegradable polymers: a review. Int. J. Biol. Macromolec. 2021; 178: 325–43. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.02.200

34. Lapointe M., Barbeau B. Substituting polyacrylamide with an activated starch polymer during ballasted flocculation. J. Water Process Eng. 2019; 28: 129–34. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2019.01.011

35. Wei H., Ren J., Li A., Yang H. Sludge dewaterability of a starch-based flocculant and its combined usage with ferric chloride. Chem. Engineer. J. 2018; 349: 737–47. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.05.151

36. El Halal S.L.M., Kringel D.H., Zavareze E.R., Dias A.R.G. Methods for extracting cereal starches from different sources: a review. Stärke. 2019; 71(11–12): 1900128. https://doi.org/10.1002/star.201900128

37. Roy D., Semsarilar M., Guthrie J.T., Perrier S. Cellulose modification by polymer grafting: a review. Chem. Soc. Rev. 2009; 38(7): 2046–64. https://doi.org/10.1039/b808639g

38. Morantes D., Munoz E., Kam D., Shoseyov O. Highly charged cellulose nanocrystals applied as a water treatment flocculant. Nanomaterials (Basel). 2019; 9(2): 272. https://doi.org/10.3390/nano9020272.

39. Negro C., Martín A.B., Sanchez-Salvador J.L., Campano C., Fuente E., Monte M.C., et al. Nanocellulose and its potential use for sustainable industrial applications. Lat. Am. Appl. Res. Int. J. 2020; 50(2): 59–64. https://doi.org/10.52292/j.laar.2020.471

40. Campano C., Lopez-Exposito P., Blanco A., Negro C., van de Ven T.G.M. Hairy cationic nanocrystalline cellulose as a novel flocculant of clay. J. Colloid Interface Sci. 2019; 545: 153–61. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.02.097

41. Brenelli L.B., Mandelli F., Mercadante A.Z., Rocha G.J.M., Rocco S.A., Craievich A.F., et al. Acidification treatment of lignin from sugarcane bagasse results in fractions of reduced polydispersity and high free-radical scavenging capacity. Ind. Crop. Prod. 2016; 83: 94–103. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.12.013

42. Guo K., Gao B., Yue Q., Xu X., Li R., Shen X. Characterization and performance of a novel lignin-based flocculant for the treatment of dye wastewater. Int. Biodeterior. Biodegrad. 2018; 133: 99–107. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2018.06.015

43. Jiang Z., Hu C. Selective extraction and conversion of lignin in actual biomass to monophenols: a review. J. Energy Chem. 2016; 25(6): 947–56. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.10.008

44. Xia Z., Li J., Zhang J., Zhang X., Zheng X., Zhang J. Processing and valorization of cellulose, lignin and lignocellulose using ionic liquids. J. Biores. Bioprod. 2020; 5(2): 79–95. https://doi.org/10.1016/j.jobab.2020.04.001

45. Jiang X., Li Y., Tang X., Jiang J., He Q., Xiong Z., et al. Biopolymer-based flocculants: a review of recent technologies. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2021; 28(34): 46934–63. https://doi.org/10.1007/s11356-021-15299-y

46. Реестр аккредитованных лиц. Available at: https://pub.fsa.gov.ru/ral

47. Кремко Л., Саракач О., Докутович А. Определение акриламида в питьевой воде методом газожидкостной хроматографии. Наука и инновации. 2014; (9): 67–9. https://elibrary.ru/tbbkpn

48. Лопушанская Е.М., Максакова И.Б., Крылов А.И. Определение акриламида в воде методом ВЭЖХ/МС для обеспечения контроля качества питьевой воды. Вода: химия и экология. 2017; (10): 62–7. https://elibrary.ru/yuujbg

49. Letterman R.D., Pero R.W. Contaminants in polyelectrolytes used in water treatment. J. Am. Water Works Ass. 1990; 82(11): 87–97.

50. Charrois J.W.A., Hrudey S.E. Breakpoint chlorination and free-chlorine contact time: Implications for drinking water N-nitrosodimethylamine concentrations. Water Res. 2007; 41(3): 674–82. https://doi.org/10.1016/j.watres.2006.07.031

51. Tan S., Jiang S., Lai Y., Yuan Q. Formation potential of nine nitrosamines from polyacrylamide during chloramination. Sci. Total. Environ. 2019; 670: 1103–10. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.03.281

52. Park S.H., Padhye L.P., Wang P., Cho M., Kim J.H., Huang C.H. N-nitrosodimethylamine (NDMA) formation potential of amine-based water treatment polymers: Effects of in situ chloramination, breakpoint chlorination, and pre-oxidation. J. Hazard. Mater. 2015; 282: 133–40. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.07.044

53. Tan S., Jiang S., Li X., Yuan Q. Factors affecting N-nitrosodimethylamine formation from poly(diallyldimethyl-ammonium chloride) degradation during chloramination. R. Soc. Open Sci. 2018; 5(8): 180025. https://doi.org/10.1098/rsos.180025

54. Deng L., Huang C.H., Wang Y.L. Effects of combined UV and chlorine treatment on the formation of trichloronitromethane from amine precursors. Environ. Sci. Technol. 2014; 48(5): 2697–705. https://doi.org/10.1021/es404116n

55. Zeng T., Li R.J., Mitch W.A. Structural modifications to quaternary ammonium polymer coagulants to inhibit n-nitrosamine formation. Environ. Sci. Technol. 2016; 50(9): 4778–87. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b00602

56. Тафеева Е.А., Снигирев С.В., Аксенов Н.Г. Реагенты, используемые в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения: проблемы безопасности. Вода: химия и экология. 2019; (7–9): 102–7. https://elibrary.ru/pdhvfo

57. Ma J., Wang R., Wang X., Zhang H., Zhu B., Lian L., et al. Drinking water treatment by stepwise flocculation using polysilicate aluminum magnesium and cationic polyacrylamide. J. Environ. Chem. Engineer. 2019; 7(3): 103049.