Подобное смягчение требований к питьевой воде представляется довольно странным, так как обычно нормативное регулирование склонно к ужесточению и расширению списка требований. Так, например, в советском ГОСТ 2874–82 (табл. 2 и 3) нормировалось всего 20 химических показателей. В [3] в список наиболее часто встречающихся в природных водах РФ и поступающих в процессе водоподготовки веществ включено 43 физико-химических показателя (табл. 1–3) — это без обширнейшего дополнительного перечня неорганических и органических веществ. В последней же редакции [1] обобщённые показатели качества и предельно допустимые концентрации занимают около 1360 наименований. Примечательно, что большинство из них не претерпело изменений с 1982 года: железо, марганец, медь, сульфаты и др. По некоторым элементам требования ужесточились: например, предельное содержание алюминия, согласно [3], ограничивалось 0,5 мг/л, сейчас — уже 0,2 мг/л; молибдена — 0,25 и 0,07 мг/л, соответственно. Введено ограничение по магнию (не более 50 мг/л), чего ранее вообще не было. Но вот по кремнию отчего-то требование смягчено.

Надо сказать, что само по себе назначение предельного содержания того или иного химического вещества в воде для хозяйственно-питьевого водоснабжения не вполне прозрачно и объяснимо. Кто и когда проводил соответствующие исследования, кто делал из них выводы — чаще всего неизвестно даже узкому кругу специалистов. Но применительно к допустимому содержанию кремния есть мнение, что смягчение требований связано не с медицинскими и санитарными соображениями, а является своеобразной уступкой технологам водоподготовки, так как удаление кремния и его производных из природной воды — непростая задача.

В литературе по водоподготовке относительно присутствия кремния говорится, что воду, содержащую кремний (кремниевую кислоту, nSiO2·mH2O) нельзя использовать для питания котлов высокого и сверхвысокого давления, в химико-фармацевтической промышленности, при производстве различных видов продукции, при переработке цветных металлов.

Кремниевая кислота является основным компонентом сложных силикатных накипей, способных откладываться на стенках котлов и теплообменных аппаратов, снижая их теплотехнические показатели. При этом отмечается сложность удаления соединений кремния, в частности потому, что кремниевая кислота не извлекается из воды в результате обменной адсорбции на слабоосновных анионитах, а среднеи сильноосновными анионитами сорбируется при отсутствии в воде сильных и слабых кислот (особенно угольной). Сложность удаления соединений кремния обусловлена также разнообразием их дисперсного состава — от тонкодисперсной взвеси и коллоидов до истинно растворённой ионной формы. Это обстоятельство хорошо иллюстрируется диаграммой Пурбе для Si (рис. 1).

Из диаграммы Пурбе следует, что при величинах рН до 9,9 кремний представлен диоксидом SiO2, растворимость которого ничтожна, при бóльших рН он переходит в ионную форму H3SiO4- и H2SiO42-. При этом следует понимать, что диаграмма Пурбе показывает термодинамически устойчивые формы существования элементов при данных рН и Eh, а не исключает совместного существования этих форм в водном растворе (соотношение различных форм существования элементов определяется фундаментальным уравнением Нернста).

Таким образом, соединения кремния в воде находятся одновременно в ионной, коллоидной и тонкодисперсной формах. При этом, с одной стороны, коллоиды и малоконцентрированные взвеси плохо поддаются коагуляции и фильтрованию, а с другой — наличие коллоидов и взвесей затрудняет использование ионообменных и мембранных методов очистки. Введение в обрабатываемую воду окислителей, судя по диаграмме Пурбе, эффекта дать не может.

В литературе по водоподготовке в качестве методов обескремнивания обычно указаны следующие [4–7]:

  • осаждение известью;
  • коагулирование с последующим многоступенчатым фильтрованием;
  • сорбция гидроксидами железа, алюминия, оксидом и гидроксидом магния;
  • фильтрование через магнезиальный сорбент (то есть содержащий MgO);
  • ионный обмен;
  • электрокоагулирование.

Указанные методы различаются по своей распространённости (например, электрокоагуляция является скорее технологической экзотикой), но сложны с точки зрения технического воплощения, что особенно чувствительно для станций водоподготовки небольшой производительности. Для удаления кремния необходимо применение реагентов, относительно сложное оборудование для водоподготовки, более точная настройка этого оборудования, более квалифицированная его эксплуатация.

Что касается распространённости кремния в исходной природной воде (как правило, из подземных источников), то здесь данные неполные. Дело в том, что стандартный набор анализов воды (20–25 показателей) часто не включает кремний; содержание кремния определяют обычно при расширенном наборе показателей (50–60), а такой набор показателей заказывают нечасто по соображениям экономии. Относительно такого вопроса, как полнота гидрогеологической информации о подземных водах, — здесь сведения тоже весьма отрывочные. Например, имеются данные о содержании кремния в пределах 10,5–12 мг/л в подземных водоносных горизонтах Московской области — турабьевском, касимовском, подольско-мячковском. В [8] приведены данные о повышенном содержании кремния в подземных водах Приморского, Хабаровского краёв, Западной Сибири, Ульяновской области, Чувашии. Таким образом, можно уверенно сказать, что распространённость повышенного содержания кремния в природных водах, используемых для водоснабжения, выше, чем представляется.

Несколько особняком стоит вопрос обескремнивания воды для нужд энергетики. Так, например, согласно [9], питательная вода паровых котлов и бойлеров с естественной и принудительной циркуляцией должна содержать не более 0,02 мг/л кремниевой кислоты; котельная вода для аналогичных котлов — от 0,25 до 12 мг/л.

При сильном нагревании воды могут образовываться накипи: силикатно-магниевые MgO·2SiO2 (серпентин) и железосиликатные Na2O·Fe2O3·SiO2. Для удаления кремния здесь могут применяться ионный обмен и дистилляция в испарителях — вследствие наличия большого количества избыточного тепла.

Вообще, в энергетике к обескремниванию подходят куда более тщательно, чем в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Это обусловлено, во-первых, тем, что наличие кремния в технологических контурах энергетических установок куда более критично для их работы, чем для трубопроводных систем горячего или холодного водопровода. Во-вторых, значительно лучшими финансированием и кадровым обеспечением энергетических объектов по сравнению с водопроводно-канализационным хозяйством.

Вообще, содержание кремния обычно выше в подземных водах по сравнению с поверхностными. При этом для водоснабжения, особенно на небольших водозаборных узлах (ВЗУ), предпочитают использовать именно подземные воды, как более высококачественные (особенно по микробиологическим показателям) и относительно легко добываемые. В подземных водах частое явление — превышение общего железа и связанные с железом повышенные мутность и цветность воды. Доведения таких вод до требований [1] по содержанию железа может достигаться безреагентным методом — принудительной аэрацией кислородом воздуха с последующим фильтрованием на скорых напорных фильтрах — простой и доступной технологией. Но если в подобной воде концентрация соединений кремния будет хоть немного выше 10 мг/л (согласно старым требованиям), то для водоканала очистка такой воды станет куда более сложной задачей.

Нужно учесть, что кремний в обыденном сознании не воспринимается как ядовитое, токсичное вещество. В земной коре кремний занимает второе место после кислорода. А раз так, чего бояться? Отсюда можно сделать вполне обоснованный вывод, что смягчение нормативных требований по кремнию имеет не санитарно-медицинское, а «политическое» и экономическое обоснование.

Но, несомненно, следует обратить внимание и на то, что говорит медицинская наука. Авторы [8] полагают, что к настоящему времени нет однозначных доказательств пользы или вреда для организма человека от содержания кремния в питьевой воде, а соответственно, нет обоснования величины допустимой концентрации данного элемента для воды хозяйственно-питьевого назначения. Отрицательное влияние кремния ставится под сомнение, в том числе потому, что в исследуемой воде присутствовали соединения стронция, свинца, хрома, либо наблюдался дисбаланс других элементов — магния, марганца, железа, йода, фтора.

Однако вывод авторов [8] нельзя считать правомерным только на основании медицинской статистики, так как негативное влияние кремния в питьевой воде на здоровье населения скорее всего скрыто на фоне общей заболеваемости. Поэтому важно отследить с помощью гистологии наличие макро- и микроморфологических изменений вследствие поступления в организм повышенных концентраций кремния с питьевой водой. Так как подобное исследование на людях невозможно, то его следует проводить на лабораторных животных — мышах, крысах, кроликах. Такая работа была выполнена в 2013–2021 годах в Чувашском государственном университете и подробно изложена в [10]. Базовым материалом для неё явилась защищённая в 2014 году диссертационная работа В. С. Гордовой [11].

Экспериментальная часть работы проводилась на белых нелинейных лабораторных крысах и состояла из трёх серий. В серии опытов «А» подопытным крысам в течение месяца вводили перорально через зонд раствор метасиликата натрия Na2SiO3: первой группе — 0,7 мг/кг (в расчёте 1 мг кремния на единицу массы тела), второй группе — 3,5 мг/кг, контрольной группе — чистую водопроводную воду в количестве 3,0 мл. Доза кремния 0,7 мг/кг являлась эквивалентной количеству кремния, получаемого с питьевой водой жителями из зоны риска (20–30 мг/сутки). В серии опытов «Б» (длительность полтора месяца) использовалась поликомпонентная искусственная вода, приготовленная путём добавления в дистиллированную воду различных водорастворимых солей. В серии опытов «В» (длительность семь месяцев) применялась вода местных источников со следующими показателями качества: жёсткость — 8,0–13,8 ммоль/л, Feобщ — 0,045–0,05 мг/л, Mn — 0,17 мг/л, Cl- — 36,7–88,0 мг/л; содержание Si было: 15,7–16,0 мг/л для основных групп и 3,65 мг/л для контрольной группы.

На основании результатов исследования влияния кремния на организм животных основное внимание в данном исследовании было уделено морфологическим адаптационным реакциям лимфоидных органов (тимус, селезёнка, подслизистые агрегированные узелки тонкой кишки) и органам эндокринной системы (щитовидная железа, надпочечники, поджелудочная железа).

Влияние кремния, поступающего с питьевой водой, на функцию поджелудочной железы оценивалось в ходе опытов серии «А». Отмечен рост содержания глюкозы и иммунореактивного инсулина в крови крыс натощак с 5,0 в контрольной группе до 5,56 и 5,70 ммоль/л, соответственно, в первой и второй группах. В то же время снизилось содержание холестерина до 0,95 и 0,88 ммоль/л в первой и второй группах по сравнению с 1,16 ммоль/л в контрольной группе.

Можно предположить, что одним из механизмов, приводящих к изменениям концентраций глюкозы и инсулина в сыворотке крови является воздействие гепарина на углеводный обмен или процесс усиления активности макрофагов. Таким образом, результаты этой серии опытов показывают заметное влияние различных концентраций кремния, поступающего в организм, на функциональную активность поджелудочной железы.

Влияние растворённого в воде кремния на щитовидную железу оценивалось (опыты серии «Б») по форме и размеру фолликулярных клеток (фолликулярно-эпителиальному индексу), который составил 3,71 для контрольной группы и 4,34 для группы крыс, получавших воду с содержанием кремния 10 мг/л. Это свидетельствует о повышении функциональной активности щитовидной железы.

Воздействие повышенного содержания кремния в питьевой воде на состояние тимуса (вилочковой железы, ответственной за образование Т-клеток иммунной системы) выразилось в росте соотношения площади коркового вещества к площади мозгового вещества в 1,28 раза по сравнению с контрольной группой, что несомненно свидетельствует об изменении морфологии тимусных долек, происходящем при употреблении насыщенной кремнием питьевой воды.

В селезёнке животных, подвергшихся воздействию повышенных концентраций кремния в питьевой воде, оценивалось изменение корреляционных связей между площадями морфофункциональных зон: площадью герминативного центра и площадью мантийной зоны (Г-Мт), связь между площадью герминативного центра и общей площадью лимфоидного узелка (Г-У). В лифмоидных узелках селезёнки показатели Г-Мт, Г-Мр и Г-У для крыс контрольной группы равны 0,17; 0,21 и 0,46, опытной — 0,51; 0,53 и 0,78. То есть у крыс, получавших с питьевой водой кремний, наблюдается увеличение силы корреляционных связей, если речь идёт о герминативной зоне.

Воздействие повышенных доз кремния в питьевой воде на макропрепараты подслизистых агрегированных лимфоидных узелков тонкой кишки проявлялось в увеличении их размеров, изменении формы (становились похожими на тутовые ягоды), в них были хорошо различимы отдельные лимфоидные узелки. Окраска гематоксилином и эозином выявляла в лимфоидных узелках герминативные центры, которые выглядели крупнее у крыс, получавших кремний с питьевой водой.

Относительно адаптации микрофлоры кишечника подопытных животных при воздействии повышенных концентраций кремния отмечено наличие золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) в тонкой кишке (0,33 lgКОЕ/г) либо в нисходящей ободочной кишке (0,25 lgКОЕ/г). Концентрация растворённого кремния воздействовала и на выживаемость колоний кишечной палочки на среде Эндо: при исходном содержании кишечной палочки 106 КОЕ/мл 0,5%-й раствор метасиликата натрия полностью подавлял жизнеспособность кишечной палочки; для концентрации раствора 0,3% жизнеспособность кишечной палочки полностью исчезла после двух суток воздействия.

Воздействию растворённого кремния подвергаются и так называемые «тучные» клетки, присутствующие в большинстве тканей организма и участвующие в развитии воспаления, аллергических и анафилактических реакций. В частности, наблюдалось выраженное увеличение количества тучных клеток в междольковых перегородках тимуса, а также рост размеров тучных клеток. При этом увеличивается доля малых клеток при снижении количества клеток среднего размера.

Опыты на крысах показали воздействие растворённого кремния на макрофаги — особые клетки в организме, способные к активному захвату и перевариванию бактерий, остатков погибших клеток и иных чужеродных или токсичных для организма частиц. В тимусе крыс, получавших повышенные дозы кремния, наблюдалось выраженное увеличение количества макрофагов в корковом и мозговом веществе долек тимуса, что свидетельствует о стимуляции макрофагов и лимфоидных структур иммунных органов с истощением антиоксидантной активности макрофагов.

При этом площадь макрофагов возрастала у получавших с питьевой водой кремний крыс: в корковом веществе долей тимуса 87,17±2,87 мк м² (81,51±2,53 мк м² у контрольной группы), на кортико-медуллярной границе 88,12±9,38 мк м² (80,47±5,56 мк м² у контрольной группы), в мозговом веществе долек тимуса 74,88±5,56 мк м² (68,18±4,20 мк м² у контрольной группы).

Помимо изученных органов лимфоидной системы имеются достоверные данные о патоморфологических изменениях в печени, лёгких и почках лабораторных крыс и мышей. Хотя опыты проводились на подопытных животных, результаты экспериментов могут быть экстраполированы и на человеческий организм.

Приведённые данные медицинских исследований показывают, что проблема наличия кремния в питьевой воде не может игнорироваться. Директивное повышение допустимого содержания кремния с 10 до 20 мг/л [1, 2], очевидно, было продиктовано не санитарно-гигиеническими соображениями, а скорее было уступкой водоканалам, эксплуатирующим станции водоподготовки. Уступкой, заметим, сомнительной.

Из подобного положения видятся следующие пути выхода.

Во-первых, необходимо выявить медицински обоснованное предельное содержание кремния в питьевой воде, но при этом не слишком обременительное с точки зрения устройства и эксплуатации сооружений водоподготовки.

Во-вторых, продолжать совершенствование способов обескремнивания воды, особенно применительно к небольшим станциям водоподготовки. Перспективными видятся установки обратного осмоса и ионообменные (анионообменные) установки.

Обратный осмос нашёл широкое применение на станциях водоподготовки, так как, несмотря на свою энергоёмкость, установки обратного осмоса обладают компактностью, относительно просто автоматизируются, требуют незначительное количество расходных материалов. Особенно эффективно использование обратного осмоса при необходимости одновременного удаления веществ в истинно-растворённой ионной форме (для умягчения, опреснения, удаления фтора и т. п.).

Сильноосновные анионообменные смолы способны удалять из воды ионы слабых кислот, в том числе кремниевой кислоты.

Регенерация таких смол возможна раствором хлорида натрия, что значительно упрощает и удешевляет эксплуатацию ионообменных установок по сравнению с регенерацией раствором едкого натра.

С учётом возможного наличия соединений Si в виде коллоидов и тонких взвесей в качестве предочистки рекомендуется использование устройств микрофильтрации, а также коррекция рН (подщелачивание воды) для перевода основной части кремния в ионную форму.

Выводы

1. Директивное повышение допустимой концентрации кремния в питьевой воде с 10 мг/л в [2] до 20 мг/л в [1] не обосновано с санитарно-гигиенической точки зрения, а является скорее «политическим» решением в интересах организаций, эксплуатирующих станции водоподготовки.

2. Опыты над лабораторными животными, потреблявшими питьевую воду с повышенным содержанием кремния, показали заметные морфологические изменения в лимфоидных и иных органах. Результаты этих опытов могут быть экстраполированы на человеческий организм.

3. Решением проблемы кремния в питьевой воде должно быть, во-первых, принятие медицински обоснованных допустимых концентраций кремния в питьевой воде, во-вторых, совершенствование способов обескремнивания воды, что особенно актуально для небольших станций водоподготовки.

4. Перспективными технологиями для этого следует считать обратный осмос и ионный обмен в сочетании с микрофильтрацией и коррекцией pH.