Инженеры заводов по переработке сточных вод могут быть спокойны, зная, что их методы минимизации образования сильнодействующих канцерогенов нацелены на правильное химическое соединение.
Ассистент профессора Университета Южной Калифорнии в Витерби Дэниел Маккарри, студентка бакалавриата Мередит Хуанг и студентка магистратуры Шиянг Хуанг подтвердили наличие химического вещества, ответственного за образование канцерогена N-нитрозодиметилальмина, или NDMA, в переработанных сточных водах. Они начали свое исследование после того, как в сообществе исследователей окружающей среды появились противоречивые результаты, что вызвало сомнения в принятии методов вмешательства NDMA в очистных сооружениях. Их работа была опубликована в журнале «Environmental Science and Technology Letters» в качестве обложки мартовского исследования.
«Недавняя засуха в Калифорнии и последующая уязвимость воды повысили интерес к повторному использованию воды», - сказала Мередит Хуанг, первый автор исследования. «Однако побочные продукты дезинфекции, такие как NDMA, образующиеся в процессе очистки сточных вод, вредны для человека и создают некоторые проблемы, когда целью является повторное потребление».
В конце 90-х высокие концентрации NDMA были обнаружены в чрезвычайно чистых переработанных сточных водах, которые в большинстве штатов сбрасываются в реки, используемые в качестве источников питьевой воды. Это открытие положило начало многолетним исследованиям нескольких лабораторий, чтобы выяснить, как образуется вредное химическое соединение.
«Концентрация NDMA, о которой мы беспокоимся, очень и очень низка», - сказал МакКарри, работающий в Департаменте гражданского и экологического строительства Сонни Астани. «В отличие от многих органических загрязнителей в питьевой воде, где нормативный предел может находиться в диапазоне микрограммов на литр, для NDMA нормативные нормы во многих местах колеблются от 10 нанограммов на литр до 100 нанограммов на литр. Таким образом, три-четыре приказа на порядок ниже по концентрации, потому что это просто супермощный канцероген."
Большая часть переработанных сточных вод, которые будут использоваться в качестве питьевой воды в процессе, известном как повторное использование для питья, сначала попадает в землю, прежде чем она попадет на завод по производству питьевой воды. Почва действует как фильтр, удаляя химические вещества и разлагая вредные соединения, такие как NDMA. Но высокая стоимость закачки воды в землю и из земли привела к повышенному интересу к прямому повторному использованию для питья, когда переработанные сточные воды направляются непосредственно на завод по производству питьевой воды.
«NDMA является одним из основных препятствий для прямого повторного использования питьевой воды, потому что действительно трудно избавиться от тщательных традиционных процессов очистки», - сказал Маккарри. Вместо этого проще и доступнее снизить концентрацию NDMA, устранив молекулы, ответственные за его образование.
Первоначально исследователи обнаружили, что NDMA является результатом этапа хлорирования в процессе очистки переработанных сточных вод. В частности, дихлорамин, второстепенный компонент смеси хлора, вызывает образование NDMA. Эти результаты привели к тому, что на очистных сооружениях начали манипулировать химией хлора, чтобы снизить концентрацию дихлорамина и, в конечном итоге, уменьшить образование NDMA.
Однако исследователи все еще не знали, с чем дихлорамин реагирует с образованием NDMA, пока пять лет назад исследователи из Торонто не обнаружили, что некоторые фармацевтические препараты, такие как антацид Zantac, могут образовывать NDMA при хлорировании в условиях, подобных сточной воде. Впоследствии другие исследователи начали изучать механизм образования зантакоподобных химических веществ.
«Они решили, что виноват монохлорамин, в отличие от нескольких практических исследований, показывающих, что минимизация содержания дихлорамина в реальных переработанных сточных водах сводит к минимуму образование NDMA», - сказал Маккарри. «Они пришли к неправильному выводу, потому что монохлорамин и дихлорамин взаимопревращаемы. Поэтому экспериментально их довольно сложно разделить».
Имея это в виду, Маккарри и его команда тщательно разработали свой эксперимент, чтобы избежать конверсий между двумя молекулами, используя гораздо более низкие дозы. Затем, систематически применяя диапазон доз монохлорамина и дихлорамина к фармацевтическим прекурсорам, они смогли определить, какая молекула была основной причиной образования NDMA..
Результаты
Чтобы проверить свой подход, они сначала использовали молекулу-предшественник с хорошо известной реакцией, диметиламин, и сравнили свои экспериментальные результаты с результатами программы компьютерного моделирования, прежде чем тестировать четыре других прекурсора. Модель, которая не включает реакцию монохлорамина и диметиламина с образованием NDMA, совпала с их экспериментальными результатами и доказала, что образование NDMA из монохлорамина либо не существует, либо не имеет значения.
Наша статья показала, что дихлорамин отвечает за образование NDMA из этих прекурсоров фармацевтического происхождения. И мы смогли увидеть, что вы получаете все больше и больше NDMA по мере увеличения количества монохлорамина, но это только потому, что монохлорамин уходит в кровь. к дихлорамину», - сказал Маккарри. «Итак, наши результаты фундаментальной химии подтверждают практическое наблюдение, что минимизация дихлорамина минимизирует образование NDMA».
Хотя их исследование подтверждает идентичность соединения, ответственного за образование NDMA, и побуждает очистные сооружения продолжать внедрять методы вмешательства, их работа далека от завершения. Шиян Хуанг в настоящее время работает над моделью, которая подробно покажет полный механизм образования NDMA.
«Наши результаты основаны на экспериментах по выходу NDMA, которые учитывают только конечные продукты реакций. Точный путь от предшественников до NDMA еще не обнаружен», - сказал Шиянг Хуанг. «Понимание полного механизма даст нам больше информации, чтобы объяснить, какой фактор - pH, температура, другие химические вещества - может повлиять на образование NDMA на практике».