CC BY
85
вестник 3/2012
УДК 628.16
Л.С. Алексеев, Г.А. Ивлева*, З. Аль-Амри**
ФГБОУВПО «МГАКХИС», *ОАО НИИВОДГЕО, **ФГБОУ ВПО «ВГАСУ»3
ТЕХНИКО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФТОРИРОВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
Рассмотрены способы фторирования питьевой воды. При росте содержания естественного фтора в воде повышается вероятность заболеваний флюорозом и понижается — кариесом. Фтор участвует в образовании костной ткани и формировании эмали и дентина зубной ткани. Фтор также имеет очень сильно выраженный противокариесный эффект.
Ключевые слова: хозяйственно-питьевой водопровод, водоподготовка, качество воды, очистка воды от бора.
Современные теоретические и практические представления гигиенистов и медицины мирового уровня о питьевой воде как о продукте питания человека выдвигают проблему ее микроэлементного состава, в частности обеспечения оптимальной концентрации фторид-иона (далее фтора) в соответствии с природно-климатическими и сезонными условиями, с учетом развития производства в регионе (химической промышленности, цветной металлургии и т.д.) [1].
Круговорот фтора в природе охватывает литосферу, гидросферу, атмосферу и биосферу. Фтор обнаруживается в поверхностных, грунтовых, морских и даже метеорных водах. Фтор достаточно широко распространен в литосфере; часто встречается в виде плавикового шпата, фторапатита и криолита и занимает 13-е место по распространенности на земном шаре. Фтор присутствует в морской воде в концентрации 1,2...1,4 мг/дм3, в грунтовых водах — до 67 мг/ дм3 и в поверхностных водах — 0,1 мг/дм3. В то время как большинство пищевых продуктов содержит следы фтора, вода и немолочные напитки являются основными источниками поглощаемого фтора, обеспечивая от 66 до 80 % его поступления у взрослых жителей США в зависимости от содержания фтора в питьевой воде.
Дополнительными источниками фтора являются зубная паста (особенно это касается маленьких детей, которые заглатывают большую часть пасты), чай — в тех регионах, где чаепитие является устоявшейся традицией, уголь (при вдыхании) в некоторых регионах Китая, где дома топят углем с очень высоким содержанием фтора. Абсорбция заглатываемого фтора происходит в желудке и тонком кишечнике.
По большей части фтор, изначально содержащийся в воде или добавленный, содержится там в виде свободного фторид-иона. Жесткость воды до 10 мг-экв/дм3 влияет на ионную диссоциацию, что в свою очередь незначительно изменяет биодоступность фтора. Абсорбция обычной дозы фтора меняется от 100 % (на пустой желудок) до 60 % (завтрак, богатый кальцием). В организме фтор участвует во многих важных биохимических реакциях: активирует аденилатциклазу, ингибирует липазы, эстеразу, лактатдегидрогеназы и т.д. Фтор участвует в образовании костной ткани и формировании эмали и дентина зубной ткани. Фтор также имеет очень сильно выраженный противокариесный эффект, который объясняется замещением гидрок-сильной группы (ОН-) гидроксиапатита эмали на фтор. Исследования показали, что при росте содержания естественного фтора в воде повышалась вероятность заболеваний флюорозом и понижалась — кариесом. Оптимальным для здоровья показателям содержания фтора является 1.1,5 мг/дм3. Этиология заболеваний полости рта включает взаимодействие бактерий и простых сахаров (например, сахароза) на
154
© Алексеев Л.С., Ивлева Г А., Аль-Амри З., 2012
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
вестник
МГСУ
поверхности зуба. В отсутствие таких сахаров в продуктах питания и напитках кариес перестанет быть значимой проблемой. Также фторирование способствует предупреждению развития остеопороза (например, у пожилых женщин при сочетании с применением витамина D и препаратами кальция). При лечении кариеса используют фтористый лак для зубов, фторсодержащие зубные пасты, таблетки с фтористым натрием.
Приблизительно 355 млн чел. во всем мире пьют искусственно фторированную воду. Дополнительно около 50 млн чел. употребляют воду, содержащую натуральный фтор в концентрации около 1 мг/дм3. В некоторых странах, в частности в отдельных районах Индии, Африки и Китая, вода может содержать естественный фтор в довольно высоких концентрациях, выше 1,5 мг/ дм3 [2].
Обессоливание морской воды для питьевых нужд удаляет фактически весь фтор из нее, поэтому если опресненную воду (дистиллят и пермиат) не подвергнуть реминерализации, она будет содержать явно недостаточное количество фтора и других минералов.
Фторирование не рекомендуется:
при содержании фтора в воде источника питьевого водоснабжения свыше
0,5 мг/дм3;
содержании в суточном пищевом рационе фтора в количествах, превышающих 2 мг;
выявлении у коренного детского населения (10—17 лет) пятнистой эмали зубов (эндемического флюороза);
загрязнении окружающей среды (атмосферного воздуха, почвы, водоисточников) выше допустимых уровней промышленными отходами, содержащими соединения фтора.
Фтор не является элементом, связанным в костных тканях необратимо. В период роста скелета относительно большая часть фтора, поступающего в организм, накапливается в костной ткани. Баланс фтора в организме, т.е. разница между поступающим и выделяющимся количеством может быть положительным или отрицательным. При поступлении фтора из материнского и коровьего молока содержание его в биологических жидкостях очень низкое (0,005 мг/дм3), при этом наблюдается отрицательный баланс. Фтор попадает в организм грудных детей в очень малых количествах, поэтому из костной ткани он выделяется во внеклеточные жидкости и покидает организм с мочой, что приводит к отрицательному балансу.
Ситуация со взрослым населением противоположна — около 50 % фтора, поступающего в организм, депонируется в костной ткани, оставшееся количество покидает организм через систему выделения. Так, фтор может выделяться из костной ткани медленно, но на протяжении длительного периода. Такое соотношение возможно благодаря тому, что кость не является застывшей структурой, а формируется постоянно из питательных веществ, поступающих в организм.
В связи с тем, что фтор относится к числу микроэлементов, для которых характерен относительно резкий переход от физиологически полезных концентраций до концентраций, вызывающих токсикоз, а также учитывая зависимость водопотребле-ния населения от сезонных и климатических условий, в мировой практике принят региональный принцип нормирования фтора в питьевой воде — оптимальная его концентрация определяется максимальной дневной температурой воздуха, так как от этого зависит количество потребляемой человеком воды.
Необходимость фторирования воды на водопроводных станциях РФ в каждом конкретном случае устанавливается органами санитарно-эпидемиологической службы. Для фторирования воды применяют различные фторсодержащие соединения: кремнефторид натрия Nа2SiF6, кремнефторид аммония (NН4)2SiF6, фторид на-
ВЕСТНИК 3/2012
трия NaF, фторид аммония NH4F, бифторид аммония NH4FНF, фторсульфат алюминия (флюраль), АШ@О4), фтористоводородную кислоту ОТ и гексафторкремниевую (кремнефтористоводородную) кислоту Н2SiF6. Эти соединения диссоциируют в воде с образованием фторид-иона. Гидролиз происходит при рН 6,5.8,5.
Основными недостатками способов фторирования воды с применением крем-нефтористого натрия или аммония и фтористого натрия являются высокая токсичность реагентов, что усложняет их хранение и дозирование, сложность и длительность (не менее 7 ч) приготовления растворов, высокая стоимость реагентов, большие эксплуатационные затраты.
Узкий интервал оптимальных (лечебных) концентраций ионов фтора в питьевой воде резко усложняет их обеспечение в водопроводной питьевой воде, поскольку требует применения высокоточного дозировочного оборудования, специальных химических реактивов и надежных технологий. Кроме того, тотальное фторирование всей водопроводной воды, а не только той ее части, которая расходуется для питья, привело бы к резкому экологическому загрязнению водоемов анионами фтора с непрогнозируемыми последствиями для флоры и фауны. По изложенным выше причинам, фторирование питьевой воды в мировой практике получило ограниченное распространение.
Применяют различные способы дозирования фтора в питьевой воде: поддержание постоянной (принятой для данной местности) концентрации фтора в течение всего года; изменение оптимальной концентрации фтора по сезонам года. Метод посезонного дозирования фтора обладает гигиеническими преимуществами, поскольку достигается более высокий противокариозный эффект.
Разработано несколько технических способов подачи фторсодержащих реагентов в водопроводную воду: дозирование растворов фторсодержащего реагента и сухое дозирование фторсодержащего реагента. В отечественной практике используется в основном способ дозирования растворов фторсодержащего реагента. Этот метод отличается надежностью и простотой в эксплуатации. Он основан на подаче определенного объема жидкости (рабочего раствора реагента) в единицу времени в виде насыщенных или неконцентрированных растворов. При содержании в воде, используемой для растворения фторсодержащих реагентов, высоких концентраций солей кальция (свыше 100 мг/дм3) образуются нерастворимые соединения (фтористый кальций и магний), выпадающие в осадок в трубопроводах и конструктивных элементах фтораторной установки. Для предупреждения этого явления жесткую воду рекомендуется умягчать.
Насыщенные растворы фторсодержащего реагента приготавливают на установках сатураторного типа. В основу работы установки этого типа положен принцип объемного вытеснения. Исходная водопроводная вода, поступающая в установку в определенном объеме, вытесняет такой же объем насыщенного раствора реагента. Этот процесс регулируется автоматически в зависимости от производительности водопроводной станции. Дозирование насыщенного раствора обеспечивается системой устройств, включающих эжектор, регулирующий вентиль, расходомер и клапан, поддерживающий постоянное давление.
При эксплуатации установок этого типа должно быть обеспечено: полное растворение фторсодержащего реагента, необходимое время для отстаивания рабочего раствора реагента, точное приготовление требуемой концентрации рабочего раствора. За расчетную концентрацию принимается 0,25.0,5%-й раствор фторсодержа-щего реагента. Продолжительность приготовления раствора реагента составляет 4 ч (из них 2 ч необходимы для растворения и 2 ч — для отстаивания). Для лучшего растворения реагента предусмотрено перемешивание раствора: механическое (мешалки) или воздушное (барботаж).
156
КБИ 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 3
Безопасность строительных систем. Экологические проблемы в строительстве. Геоэкология
вестник
МГСУ
Дозирование неконцентрированных растворов осуществляется насосами-дозаторами, шаровыми и игольчатыми дозаторами. Применяют жидкостные дозаторы двух типов: пропорциональные и непропорциональные. Предпочтение отдают пропорциональным дозаторам, поскольку они позволяют автоматически регулировать подачу рабочего раствора реагента в зависимости от колебаний производительности насосов или содержания фтора во фторируемой воде.
Так как фтор-ион образует комплексные соединения с используемыми в водопроводной практике реагентами (хлорное железо, сульфат алюминия), обладающими более низкими биологическими свойствами, рекомендуется вводить рабочие растворы фторсодержащих реагентов в воду после ее коагулирования, фильтрования через катионообменные смолы или активированный уголь, умягчения воды содово-известковым раствором и пр.
Растворы фторсодержащих веществ с малой растворимостью (кремнефторид натрия) приготавливают насыщенные или ненасыщенные. В первом случае используют сатураторы одинарного насыщения, во втором — растворные баки с механическим или воздушным перемешиванием. Концентрацию рабочих растворов принимают: для кремнефторида натрия до 0,25 % при 0 оС и до 0,5 % при 25 оС; для фторида натрия до 2,5 % и для кремнефторида аммония до 7 %. В последнем случае концентрация раствора может быть доведена до 15 %, однако это приводит к снижению точности дозирования. Если перемешивание в растворных баках осуществляется воздухом, интенсивность его подачи должна быть равной 8.. .10 л/(см2).
Объем сатуратора рассчитывают на время пребывания в нем раствора не менее
5 ч и скорость восходящего потока воды не более 0,1 мм/с.
В США предпочитают сухой (весовой) способ дозирования фторсодержащих реагентов: реагент флюраль А1FSО4•Н2О вводится в обрабатываемую воду в виде тонкоизмельченного порошка. Он не обладает коррозионной активностью и не токсичен.
В качестве фторсодержащего продукта используется кремнефтористый натрий, дозируемый в обрабатываемую воду в виде 0,45%-го раствора.
При использовании фторсиликата натрия применяют технологические схемы установок с приготовлением ненасыщенного раствора реагента в расходных баках, а насыщенного раствора реагента — в сатураторах одинарного насыщения. В случае фторида натрия и фторсиликата аммония следует применять технологические схемы установок с приготовлением ненасыщенного раствора в расходных баках.
Вывод. Необходимость фторирования воды на водопроводных станциях в каждом конкретном случае устанавливается органами санитарно-эпидемиологической службы и рекомендуется при концентрации фтора в исходной воде менее 0,5 мг/дм3 и пораженности кариесом зубов свыше 25.30 % населения. Оптимальная доза фтора в питьевой воде зависит от сезонных и климатических условий, что обусловлено количеством потребляемой человеком воды. Для фторирования воды рекомендовано применять растворы фтористого натрия с содержанием фтора 45,3 % и кремнефтористого натрия или аммония с содержанием фтора 64 %.
Библиографический список
1. Алексеев Л.С. Контроль качества воды. М. : Инфра-М, 2010.
2. СомовМ.А., ЖурбаМ.Г. Водоснабжение. Т. 1. М. : Изд-во АСВ, 2010.
Поступила в редакцию в феврале 2012 г.
06 авторах: Алексеев Леонид Сергеевич — доктор технических наук, профессор кафедры коммунального и промышленного водопользования, ФГБОУ ВПО «Московская государственная академия коммунального хозяйства и строительства» (МГАКХИС), 109807, Москва, ул. Ср. Калитниковская, 30, а[email protected];
вестник 3/2012
Ивлева Галина Алексеевна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией водного хозяйства института водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии, ОАО НИИ ВОДГЕО, 119048, Комсомольский проспект, дом 42, стр. 2, №57@уаМех.га;
Заед Садик Абрахем Аль-Амри — аспирант, кафедра гидравлики, водоснабжения и водо-отведения, ФГБОУ ВПО ВГАСУ, 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, zaidalamry@ mail.ru.
Для цитирования: АлексеевЛ.С., ИвлеваГ.А., Аль-Амри З. Технико-гигиенические аспекты фторирования питьевой воды // Вестник МГСУ 2012. № 3. С. 154—158.
L.S. Alekseev, G.A. Ivleva, Z. Al'-Amri
TECHNICAL AND HYGIENIC ASPECTS OF POTABLE WATER FLUORINATION
Water and milk-free products are the principal sources of fluorine; they account for the 80% of the total amount of fluorine consumed by adults, depending on the fluorine content in the potable water. The bigger the fluorine content in the water, the higher the number of fluorosis cases, while number of caries cases is reduced. Fluorine contributes to formation of the bone tissue, enamelogenesis and tooth dentine. Fluorine also has a strong cavity protection effect.
The optimal fluorine content varies between 1....1.5 mg/dm3. Its concentration range is determined by maximal day-time air temperatures, as the amount of potable water consumed during the day is dependent on temperature variations.
Desalination of sea water aimed at its conversion into potable water means removal of fluorine; therefore, any water desalinated by way of distillation and reverse osmos needs fluorination.
In the domestic practice, dosing of solutions of the fluorine-containing agent is applied. The recommendation is to use solutions of sodium fluoride with the fluorine content of 45.3 % and silicofluoric sodium or ammonium with the fluorine content of 64 %. In the USA, dry dosing of fluorine-containing agents is applied, as the fine-grained powder of agent A1FS04H20 is added to the water subjected to treatment. The agent is neither corrosive, nor toxic. Besides, fluorination prevents development of osteoporosis.
Approximately 355 million of people worldwide consume artificially fluorinated water. Other 50 million consume water that contains natural fluorine, the concentration of which is equal to 1 mg/dm3.
Key words: domestic potable water supply, water treatment, water quality, water defluorination.
References
1. L.S. Alekseev. Kontrol' kachestva vody [Water Quality Control]. Moscow, Infra-M, 2010.
2. M.A. Somov, M.G. Zhurba. Vodosnabzhenie [Water Supply]. Vol. 1, Moscow, ASV, 2010.
About the author: Alekseev Leonid Sergeevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Public and Industrial Water Consumption, Moscow State Academy of Municipal Engineering and Construction (MSAMEC), 30 Sr. Kalitnikovskaja St., Moscow, 109807, Russia; alexeevAA@ yandex.ru;
Ivleva Galina Alekseevna — Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Director of Laboratory of Water Industry of the Institute of Water Supply, Sewage, Hydraulic Works and Groundwater Hydrology, OAO NII VODGEO, Building 2, 42 Komsomol'skij prospect, Moscow, 119048; [email protected];
Zaed Sadik Abrahem Al'-Amri — postgraduate student, Department of Hydraulics, Water Supply and Water Discharge, Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering, 84 20-letija Oktjabrja St., Voronezh, 394006; [email protected].
For citation: Alekseev L.S., Ivleva G.A., Al'-Amri Z. Tekhniko-gigienicheskie aspekty ftorirovaniya pit'evoy vody [Technical and Hygienic Aspects of Potable Water Fluorination]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 154—158.
158
ISSN 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 3
