Около 80 процентов систем водоснабжения по всей стране используют дезинфицирующие средства для питьевой воды, которые могут приводить к нежелательным побочным продуктам, включая хлороформ. Альтернатива есть, но многие города боятся ею пользоваться.
Это потому, что в 2000 году, когда Управление водоснабжения в Вашингтоне, округ Колумбия, перешло со свободного хлора на хлорамин, нация увидела, как уровень содержания свинца в питьевой воде сразу же подскочил. Они не спали четыре года, пока ученые определяли проблему и реализовывали решение.
В других городах, где использовался свободный хлор, опыт Вашингтона имел сдерживающий эффект; многие отложили замену дезинфицирующих средств, опасаясь собственного кризиса со свинцом.
Возможно, вскоре они смогут безопасно перейти на новую технологию благодаря исследованиям, проведенным Инженерной школой МакКелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе. Исследователи обнаружили, что добавление ортофосфата в воду перед переходом на хлорамин может предотвратить загрязнение свинцом в определенных ситуациях.
Результаты исследования опубликованы в журнале Environmental Science & Technology.
Из-за своей пластичности и долговечности свинец был предпочтительным материалом для инженерных коммуникаций, труб, по которым вода из водопровода доставляется в дома, в первой половине 20-го века. Поскольку трубы подвергаются коррозии в присутствии свободного хлора, на их внутренних поверхностях может накапливаться определенный тип свинца, PbO2.
Это накопление обычно не является проблемой. На самом деле, пока свободный хлор используется в качестве дезинфицирующего средства, PbO2 на самом деле является положительным, по словам Дэниела Джаммара, профессора инженерии окружающей среды Уолтера Э. Брауна в Вашингтонском университете. Эта форма свинца имеет низкую растворимость, поэтому он остается в твердой форме на трубах, а не в воде.
Однако PbO2 не всегда так безвреден. «Существует потенциальный риск, потому что растворимость будет низкой только в том случае, если вы продолжите использовать этот тип хлора», - сказал Джаммар.
Переключение на другое дезинфицирующее средство, такое как хлорамин - смесь хлора и аммиака, на которую Вашингтон перешел в конце 2000 года, - приводит к тому, что свинец становится водорастворимым. Затем PbO2 быстро растворяется и высвобождает свинец в водную систему.
В Вашингтоне исследователи определили, что добавление в систему определенного фосфата, называемого ортофосфатом, приводит к образованию фосфата свинца. Этот новый материал также имел низкую растворимость, поэтому снова свинец начал покрывать стенки труб вместо того, чтобы растворяться в питьевой воде.
«Но формирование нового покрытия с низкой растворимостью требует времени», - сказал Джаммар. В случае с Вашингтоном «на снижение концентрации свинца ушли месяцы».
Решение было найдено и реализовано, но жители продолжали бороться со свинцом в воде в течение нескольких месяцев. «Наш главный вопрос заключался в следующем: были бы у них проблемы, если бы они внедрили решение до того, как переключились на хлор? Что, если бы они добавили ортофосфат в качестве превентивной меры, а затем заменили дезинфицирующее средство? Были бы у них проблемы? проблема?""
Воссоздание воды Вашингтона
Чтобы выяснить это, исследователям пришлось воссоздать 2000 в своей лаборатории. «Нам пришлось воссоздать кризис, затем наблюдать, как кризис происходит, и параллельно наблюдать за предлагаемым нами решением», - сказал Джаммар. Они добыли свинцовые трубы, а затем воссоздали воду Вашингтона.
Первый автор Юнук Бэ, аспирант лаборатории Джаммара, пропускала воду через шеститрубную систему со свободным хлором в течение 66 недель, чтобы сформировать свинцовые отложения. Как только они приблизились к тем, что были найдены в Вашингтоне, трубки разделили на исследовательскую и контрольную группы.
Исследователи затем добавляли ортофосфат в воду в трех трубопроводных системах исследовательской группы в течение 14 недель.
Затем, как это сделало Управление водоснабжения штата Вашингтон, исследователи переключились со свободного хлора на хлорамин во всех шести системах, пропуская воду по трубам более 30 недель.
Свинец на трубах, которые не получали ортофосфат, стал растворимым, как это было в Вашингтоне, что привело к высокому уровню свинца в воде. В трубах, в которые был добавлен ортофосфат, «уровень изменился с очень низкого до все еще довольно низкого», - сказал Джаммар..
Экспериментальная установка была разработана таким образом, чтобы исследователи могли удалять небольшие участки трубы, не нарушая работу системы. Это позволило им увидеть, насколько быстро переход на хлорамин повлиял на систему.
Нормативное содержание свинца в питьевой воде, установленное EPA, составляет 15 микрограммов свинца на литр воды.
В течение пяти дней после перехода уровень свинца в контрольных трубах, не содержащих ортофосфат, вырос с пяти до более чем 100 микрограммов/литр. В течение последующих 30 недель уровень ни разу не опускался ниже 80 мкг/л.
В воде, обработанной ортофосфатом, уровни оставались ниже 10 мкг/л на протяжении всего эксперимента.
Команда Вашингтонского университета также узнала кое-что еще: из-за высокого уровня кальция в воде Вашингтона добавление ортофосфата привело не к чистому фосфату свинца, а к фосфату свинца кальция.
Этот сюрприз указывает на уникальность каждой ситуации. По словам Джаммара, те, кто наблюдает за системами водоснабжения и беспокоится о смене дезинфицирующих средств, могут извлечь пользу не только из этого исследования, но и из своих собственных исследований, адаптированных к их конкретным условиям воды и окружающей среды.
Тем не менее, это открытие может помочь в принятии решений примерно в 80 процентах американских систем водоснабжения, которые все еще используют свободный хлор, включая Чикаго и Нью-Йорк.
«Наш следующий большой шаг, - сказал Джаммар, - это убедиться, что места, которые думают о смене дезинфицирующего средства, знают, что есть возможность сделать это безопасно».