CC BY
103
УДК (470.23-25):613
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ОХРАНЫ ГИДРОСФЕРЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ (ПО ОПЫТУ НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНОГО ЦЕНТРА «ПОТЕНЦИАЛ-2»)
Часть 1: Водоснабжение
В.Н. Анопольский, Г.Н. Фельдштейн, Е.Г. Фельдштейн
Научно-инженерный центр «Потенциал-2», Санкт-Петербург, Россия
Эл почта: info@ptl2.ru Статья поступила в редакцию 01.04.2010, принята к печати 26.05.2010
В статье рассмотрены некоторые вопросы хозяйственно-питьевого водоснабжения и охраны гидросферы от загрязнения. В ее первой части приведен анализ особенностей формирования качества питьевой воды в процессе очистки и транспортирования. Представлены количественные зависимости изменения качества питьевой воды в результате коагуляции примесей и обеззараживания хлорированием и/или озонированием. Описаны разработанные авторами схемы снабжения населения доброкачественной питьевой водой, полученной на установках коллективного пользования. Ключевые слова: очистка воды, очистка природных вод, водоподготовка, очистка водопроводной воды.
ASPECTS OF WATER SUPPLY AND OF HYDROSPHERE PROTECTION FROM POLLUTION AS RELATED TO THE EXPERIENCE OF THE R&D CENTER "POTENTIAL-2"
Part 1: Water Supply
V.N. Anopolsky, G.N. Feldstein, and E.G. Feldstein
Potential-2 R&D Center, Saint-Petersburg, Russia E-mail: info@ptl2.ru
The first part of the paper discusses water quality assurance in the course of drinking and household water treatment and transportation. Qualitative estimates of changes in water quality produced by coagulation, chlorination, and ozonation are provided. Customized water treatment regiments developed by the authors are described. Keywords: water treatment, natural water treatment, tap water treatment.
Введение Авторы длительное время детально разрабатывают эти
Гидросфера как глобальная экосистема Земли играет две актуальные темы в рамках инновационной програм-
двоякую роль. Во-первых, она обеспечивает самые раз- мы, выполняемой научно-инженерным центром «По-
нообразные потребности человечества в воде, в том числе тенциал-2» (Санкт-Петербург). В частности, на базе
питьевые, а во-вторых, является основным приемником исследований по формированию качества питьевых вод
большей части жидких отходов, образующихся в процес- предложены эффективные децентрализованные систе-
се деятельности человека. Вследствие этого во многих ре- мы снабжения потребителей питьевой водой, соответс-
гионах мира, а также России, наблюдается постепенная твующей действующим санитарным нормам и правилам.
деградация источников водоснабжения, связанная с их Усовершенствование классификации процессов очистки
антропогенным и, в частности, техногенным загрязне- сточных вод позволило создать и масштабно применить
нием. Несмотря на то что вопросам рационального ис- на практике десятки водооборотных систем на базе блоч-
пользования и охраны водных ресурсов от негативного но-модульных комплексов очистки сбросных вод пред-
воздействия неприродных факторов посвящено множес- приятий промышленности, транспорта и сферы услуг.
тво научных публикаций, отдельные актуальные темы этих Для решения важных практических задач водоочист-
проблем освещены еще недостаточно полно. В частности, ки авторами на основе современных достижений химии
это относится к некоторым теоретическим и прикладным и технологии воды дополнена классическая концепция
аспектам, связанным с обеспечением населения доброка- группирования примесей по фазово-дисперсному со-
чественной питьевой водой и защитой водных ресурсов стоянию применительно к сточным водам промыш-
от загрязнения сточными водами предприятий. ленных предприятий. Установлены новые и уточнены
известные закономерности процессов окисления, восстановления, коагуляции и газообразования при химической и электрохимической обработке природных и сточных вод, а также при разделении фаз отстаиванием, флотацией и фильтрованием.
На базе собственных теоретических и экспериментальных исследований разработаны оригинальные технологии электрохимической, физико-химической, гидромеханической, флотационной и комбинированной очистки природных и сточных вод. Научно обоснованы условия создания систем комплексной очистки сточных вод промышленных предприятий и систем рационального использования очищенной воды в водном хозяйстве, в том числе локальных и централизованных водооборотных систем.
В результате выполненных исследований авторами разработаны эффективные технологические схемы очистки природных и сточных вод, позволяющие на современном уровне решить целый ряд проблем, существующих в области охраны гидросферы от загрязнения, в частности:
- очистка поверхностных природных вод для питьевого и технического водоснабжения;
- очистка подземных вод от железа, марганца, сероводорода, фтора;
- кондиционирование водопроводной воды для улучшения ее питьевого качества (потребительских свойств);
- предварительное умягчение воды перед ионным обменом или обратным осмосом;
- регенерация элюатов Ка-катионитовых фильтров;
- локальная, централизованная или комбинированная очистка хромсодержащих, кислотно-щелочных, ци-ансодержащих сточных вод гальванических и окрасочных производств, а также производств печатных плат;
- очистка отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей, моющих растворов, маслоэмульсионных стоков;
- очистка сточных вод окрасочных камер;
- очистка сточных вод от мойки автотранспорта и других транспортных средств;
- очистка дождевых и талых вод;
- очистка хозяйственно-бытовых стоков и смеси их с производственными сточными водами для объектов с малым водоотведением;
- очистка сточных вод предприятий пищевой промышленности;
- очистка сточных вод предприятий железнодорожного и автомобильного транспорта;
- предварительная и глубокая очистка сточных вод от взвешенных веществ, нефтепродуктов, масел, жиров, поверхностно-активных веществ, органических соединений, тяжелых металлов и других примесей;
- очистка, обезвреживание, утилизация или регенерация элюатов ионообменных фильтров, концентратов обратноосмотических установок, отработанных технологических растворов и электролитов.
Во всех технологических схемах применяется комбинированная физико-химическая очистка, включающая электрохимическую или химическую обработку, разделение фаз отстаиванием или флотацией и фильтрованием на завершающей стадии. При необходимости технологические схемы дополняются блоками, обеспечивающими
биологическое окисление или восстановление примесей, адсорбцию остаточных органических соединений, обес-соливание и обеззараживание очищенной воды.
Для практического применения разработанных технологических схем создано фирменное оборудование - блочно-модульные водоочистные комплексы (установки). В конструкциях комплексов применен принцип гидравлической увязки модулей, каждый из которых обеспечивает заданный индивидуальный процесс водоочистки. Совокупность всех процессов дает в результате очищенную воду требуемого качества.
В данной публикации отражены некоторые результаты работы авторов в НИЦ «Потенциал-2» и его украинском представительстве ООО «ФАГС» за последнее десятилетие.
Некоторые вопросы качественного водоснабжения 1.1. Формирование качества питьевых вод
Для обеспечения высокого уровня жизни населения России необходимо в кратчайшие сроки решить проблему качества питьевых вод. Дело в том, что большая часть
* и
населения для питьевых целей использует воду из централизованных систем водоснабжения или местных водоисточников. Качество этой воды, так же как и бути-лированной, перед употреблением не контролируется, и поэтому существует реальный риск того, что оно не всегда соответствует нормативным показателям. Задача состоит в том, чтобы у широких слоев населения появилась возможность доступа к альтернативным источникам питьевых вод, качество которых гарантировалось бы регулярным контролем.
Второй Всемирный форум по водным ресурсам в Гааге в 2000 г. среди других важнейших направлений решения водных проблем выделил и следующие (см. [3]):
- удовлетворение базовых потребностей людей в безопасных питьевых водах и в благоприятных санитарно-гигиенических условиях;
- защита от опасностей, связанных с питьевыми водами, путем управления рисками;
- управление водными ресурсами на основе определения ценности вод в экономическом, социальном, экологическом, культурном аспектах и установление такой цены на потребляемые воды, которая не ляжет тяжелым бременем на бедные и уязвимые слои населения.
Исходя из этих основополагающих принципов, рассмотрим современные подходы к решению проблемы качества питьевых вод с учетом отечественного и зарубежного опыта.
Прежде всего, отметим, что качество питьевых вод полностью зависит от концентрации и свойств находящихся в них примесей. В свою очередь, состав примесей питьевых вод формируется на всех промежуточных стадиях от источника водоснабжения до непосредственного места их потребления, т.е. определяется не только природной составляющей, но и применяемой технологией водоочистки и состоянием наружных и внутренних водопроводных сетей. Поэтому проблема качества питьевых вод является комплексной и требует анализа многих влияющих на это качество факторов.
Природный состав воды в источнике водоснабжения
* Например, по данным производителей бутилированной питьевой воды в 2002 г. потребление ее в России составило всего 10-11 л на человека в год при расчетной потребности в питьевой воде, равной 1000-1800 л.
постоянно находится в динамике [13]. Интенсивность изменения ее качества, в первую очередь в поверхностных водоемах, зависит от продуктивности различного рода естественных превращений в водоисточнике, погодных условий, антропогенной нагрузки на окружающую водную среду, эффективности и скорости процессов самоочищения и многих других трудно учитываемых факторов. Абстрагируясь от причин, оказывающих определяющее влияние на состав природных вод, отметим, что содержание большинства примесей в них не должно превышать нормируемой величины предельно допустимой концентрации (ПДК). При этом в соответствии с нормативными документами ПДК подавляющего числа веществ по величине равна или меньше допустимой концентрации их в питьевых водах. В табл. 1.1 приведены некоторые данные по ПДК в водоемах различного назначения и гигиенические требования к качеству питьевых вод централизованных и нецентрализованных систем водоснабжения, а также вод, расфасованных в емкости. Сравнивая нормативные показатели, можно констатировать, что в случае соответствия природных вод установленным требованиям по ПДК соблюдаются и гигиенические нормативы для питьевых вод по большинству ингредиентов. Однако на практике природные воды в редких случаях отвечают существующим нормам. В РФ только около 1% поверхностных источников водоснабжения соответствует 1 классу, когда качество природных вод по всем показателям (кроме мутности и цветности) отвечает качеству питьевых вод, а 17% водоисточников не соответствуют даже 3 классу (см. [12]). Это означает, что в 99% водоемов и водотоков существует превышение ПДК как минимум по одному показателю качества. Особенно загрязнены поверхностные природные воды вблизи городов. На таких участках превышение концентрации отдельных ингредиентов (фенолов, нефтепродуктов, тяжелых металлов и др.) составляет от десятков до тысяч ПДК (см. [11]).
Качество вод подземных источников определяется, главным образом, природными факторами. На значительной части разведанных месторождений** подземных вод выявлено естественное превышение допустимой концентрации железа, марганца, стабильного стронция и других элементов, а на 11% из общего числа этих месторождений установлено влияние техногенных факторов на качество воды [20]. Поэтому подземные воды так же, как и поверхностные, перед использованием для питьевых нужд требуют улучшения качества или, по крайней мере, обеззараживания.
Для улучшения качества природных вод применяются разнообразные технологические и технические приемы [5, 11]. Если в источниках водоснабжения происходят достаточно медленные процессы самоочищения, то на очистных сооружениях используются интенсивные процессы принудительного изъятия или превращения примесей. Современные приемы водоочистки позволяют получать питьевые воды по большинству показателей соответствующие действующим стандартам. Вместе с тем в процессе очистки может происходить связанное с его технологическими особенностями ухудшение качества вод по некоторым компонентам.
Общепринято считать, что любая технология очистки и кондиционирования природных вод оказывает менее существенное влияние на качество получаемых питьевых вод по сравнению с природно-техногенной составляющей. Однако и первый фактор формирования качества водопроводных вод не может быть игнорирован, так как на фоне низких остаточных концентраций примесей он приобретает весомое значение.
Выбор наиболее эффективной технологии водоочистки и оборудования для ее осуществления зависит от состава природных вод, свойств и концентрации примесей, а также расхода очищаемых вод. Значительную сложность при выборе оптимальной технологической схемы очистки представляет большое разнообразие примесей, которые могут содержаться в природных водах. Например, в действующих гигиенических нормативах [2] выделено свыше 1300 загрязняющих веществ, которые распределены по трем лимитирующим показателям вредности (ЛПВ): са-нитарно-токсикологическому, общесанитарному и ор-ганолептическому. Одновременно с этим все примеси отнесены к одному из четырех классов опасности: 1 класс -чрезвычайно опасные; 2 класс - высокоопасные; 3 класс -умеренно опасные; 4 класс - малоопасные.
Каждый из указанных классов характеризует степень опасности для человека химических соединений, содержащихся в водах, в зависимости от токсичности, кумуля-тивности, способности вызывать отдаленные эффекты и лимитирующего показателя вредности.
Распределение примесей природных вод по ЛПВ и классам опасности лишь косвенно влияет на выбор технологии очистки природных вод. Для определения наиболее эффективных технологических приемов водоочистки необходимо иметь представление, в первую очередь, о том, в каком виде находится тот или иной компонент в воде.
Поэтому в основу обобщенной характеристики загрязняющих веществ природных вод может быть положена классификация примесей по их фазово-дисперсному состоянию. Вначале было предложено (см. [22]) делить содержащиеся в природных водах ингредиенты на три группы в зависимости от их дисперсности (табл. 1.2).
В дальнейшем академик НАН Украины Л.А. Кульский [4] разработал более универсальную классификацию, в которой примеси, находящиеся в молекулярном и ионном состоянии, были выделены в отдельные группы (табл. 1.3).
Классификация примесей природных вод по их фа-зово-дисперсному состоянию позволяет при разработке технологических схем очистки вод абстрагироваться от конкретного вида загрязняющих веществ, относя их к одной из четырех групп и применяя те процессы водоочистки, которые наиболее эффективны для данной группы примесей.
Вместе с тем, следует отметить, что существуют такие примеси, которые способны находиться в природных водах одновременно в нескольких фазово-дис-персных состояниях. Характерными представителями такого рода примесей (см. [7]) являются тяжелые металлы, которые могут мигрировать в природных водах во взвешенной, коллоидной или растворенной форме (рис. 1.1).
** В Российской Федерации из более чем 3500 разведанных месторождений с эксплуатационными запасами подземных вод, предназначенных для хозяйственно-питьевого водоснабжения, эксплуатируются всего около 1750 месторождений. Водой из подземных источников пользуется 46% населения: 35-38% городского населения и около 85% сельского населения [20].
/' л
Таблица 1.1.
Гигиенические требования к качеству питьевых вод и предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в водоемах и водотоках (по: СанПиН [14-16] и Гигиеническому нормативу ГН 2.1.5.1315-03 [2])
Показатели Единицы измерения Гигиенические требования к качеству вод систем питьевого водоснабжения Предельно допустимые концентрации в воде
Централизованные системы Нецентрализованные системы Расфасовка в емкости5) Хозяйственно-питьевые водоемы Рыбохозяйс-твенные водоемы
Мутность ЕМФ!) мг/л 2,6 (3,5)2) 1,5 (2,0)2) 2,6-3,5 1,5-2,0 1,0 / 0,5 - -
Цветность градусы 20 (35)2) не более 30 5 / 5 - -
Водородный показатель единицы рН в пределах 6-9 в пределах 6-9 6,5-8,5 / 6,5-8,5 6,5-8,5 6,5-8,5
Общая минерализация мг/л 1000 (1500)2) в пределах 1000-1500 1000 / 200-500 1000
Жесткость общая мг-экв/л 7,0 (10,0)2) в пределах 7-10 7 / 1,5-7 - -
Окисляемость перманганат- ная мг/л 5,0 в пределах 5-7 3,0 / 2,0 - -
Нефтепродукты мг/л 0,1 4) 0,05 / 0,01 0,3 0,05
ПАВ, анионо-активные мг/л 0,5 - 0,05 / 0,05 - -
Алюминий мг/л 0,5 4) 0,2 / 0,1 0,2 (0,5)2) 0,086)
Аммиак (по азоту) мг/л 2,0 4) 0,1 / 0,05 1,5 0,05
Железо мг/л 0,3 (1,0)2) 4) 0,3 / 0,3 0,3 (1,0)2) 0,5
Кадмий мг/л 0,001 4) 0,001 / 0,001 0,001 0,005
Марганец мг/л 0,1 (0,5)2) 4) 0,05 / 0,05 0,1 0,01
Медь мг/л 1,0 4) 1,0 / 1,0 1,0 0,001
Никель мг/л 0,1 4) 0,02 / 0,02 0,02 0,01
Нитраты мг/л 45 не более 45 20 / 5 45 40
Нитриты 3,0 4) 0,5 / 0,005 3,3 0,08
Сульфаты мг/л 500 не более 500 250 / 150 500 100
Фториды мг/л 1,5 / 1,23) 4) 1,5 / 0,6-1,2 1,5 / 1,23) 0,056)
Хлориды мг/л 350 не более 350 250 / 150 350 300
Цинк мг/л 5,0 4) 5,0 / 3,0 1,0 0,01
Примечания:
') ЕМФ: единицы мутности по формазину.
2) Величина, указанная в скобках, может быть установлена по постановлению Главного государственного санитарного врача по соответствующей территории.
3) В числителе для климатических районов I и II, в знаменателе для III.
4) ПДК для неорганических и органических химических веществ.
5) В числителе для вод первой категории, в знаменателе для вод высшей категории.
6) В дополнение к естественному фоновому содержанию.
Таблица 1.2
Распределение веществ, содержащихся в природных водах, по степени дисперсности (по: [22])
Размеры частиц, мм
10-3 - 10-4 10-5 - 10-6 10-7 - 10-8
Грубодисперсные Коллоидно-дисперсные Молекулярно-дисперсные
Область обычной микроскопии Область ультрамикроскопии Область электронной микроскопии
Группа I Группа II Группа III
Плавающие в воде вещества, р <р0 Взвешенные в воде вещества, р=р0 Осаждающиеся в воде вещества, р >р0 Гумины Масла Жиры Металлы Гидроокиси, окиси Кремниевая кислота Сульфиды Органические соединения (например, клей, желатин, мыло, белки, спирты, бензин) Соли Кислоты Щелочи Сахара Газы
Таблица 1.3
Распределение примесей природных вод по фазово-дисперсному состоянию (по: [4])
Система
Гетерогенная Гомогенная
Взвеси (суспензии и эмульсии, обуславливающие мутность воды, а также микроорганизмы и планктон) Коллоидные растворы и высокомолекулярные соединения, обуславливающие окисляемость и цветность воды, а также вирусы Молекулярные растворы (газы, растворенные в воде, органические вещества, придающие ей запахи и привкусы) Ионные растворы (соли, кислоты, основания, придающие воде минерализацию, кислотность или щелочность)
Группа
I II III IV
10-2 -10-4 см 10-5 - 10-6 см 10-6 - 10-7 менее 10-7
Очевидно, что при выборе технологии очистки природных вод следует исходить, в первую очередь, из анализа фазово-дисперсного состояния загрязняющих веществ в этих водах. При этом вначале из них должны быть извлечены нерастворенные примеси, находящиеся в грубодисперсном и коллоидном состоянии, а затем растворенные загрязняющие вещества, присутствующие в молекулярной и ионной форме. Однако на практике это не всегда возможно в связи с низкой скоростью последовательных процессов удаления загрязняющих веществ. Поэтому очистка природных вод из поверхностных источников осуществляется, как правило, по последовательно-параллельной схеме. В общем виде такая схема предусматривает (рис. 1.2) предварительное обесцвечивание природных вод окислителем (хлором, перманганатом калия, озоном), обработку их порошковым сорбентом и коагулянтом с подщела-чиванием или без него, предварительное и финишное отделение коагулированных частиц и обеззараживание воды. Эта технологическая схема, в зависимости от исходных показателей природных вод, может быть усложнена путем введения дополнительных ступеней
предочистки и глубокой доочистки или, напротив, упрощена при низкой мутности и цветности природных вод и отсутствии в ней техногенных загрязняющих веществ. В процессе очистки по любой реагентной технологической схеме происходит не только извлечение, превращение или обезвреживание примесей, находящихся в разном фазово-дисперсном состоянии, но и ухудшение некоторых качественных показателей очищенных вод.
В частности, при обработке природных вод коагулянтами изменяется анионный состав воды, а при сопутствующем подщелачивании - и катионный состав. В табл. 1.4 приведены химические реакции, протекающие в процессе гидролиза различных коагулянтов, и формулы для расчета дозы щелочи, способствующей интенсификации этого процесса. Подщелачивание природной воды необходимо, если
Щ < Dk/ek + 1
(1.1)
где:
Щ - минимальная щелочность исходной природной воды (мг-экв/л; г-экв/м3);
Рис. 1.1. Формы миграции металлов в природных водах.
Вк - максимальная доза коагулянта по безводному веществу (мг/л; г/м3);
ек - эквивалентная масса коагулянта по безводному веществу (мг/мг-экв; г/г-экв)], (принимается для Д12(804)3 - 57, РеС13 - 54, Ре2(804)3 - 67, А12(Он)5С1 - 174).
Увеличение концентрация анионов (сульфатов и хлоридов) в результате применения реагентов для коагуляции примесей может быть оценено количественно по следующей зависимости
С. = Ьк. D
К1 К1 щ
(1.3)
С = Ь . D,
(1.2)
где:
С. - рост концентрации 1-го аниона в очищаемых водах (мг/л; г/м3);
Ьа. - удельное содержание анионов в коагулянте, мг/мг (г/г), принимается для А12(804)3 - 0,84, РеС13 - 0,66, Ре2(804)3 - 0,72, А12(ОН)5С1 - 0,20.
Доза коагулянта для очистки природных вод поверхностных источников определяется экспериментально пробным коагулированием. Ориентировочно она принимается в пределах 25-80 мг/л (г/м3) в зависимости от мутности и цветности очищаемой воды (см. [5, 11]).
Повышение концентрации катионов (кальция и натрия), происходящее при подщелачивании очищаемой воды, может быть рассчитано по формуле
где:
С. - рост концентрации г-го катиона в очищаемых водах (мг/л; г/м3);
Ь. - удельное содержание катионов в щелочи, мг/ мг (г/г), принимается для Са(Он)2 - 0,54, Ш2С03 - 0,43.
Кроме того, при подщелачивании известью повышается жесткость вод на 0,027Дщ (мг-экв/л; г-экв/м3), а при подщелачивании кальцинированной содой растет содержание бикарбонатов на 0,58,0щ (мг/л; г/м3).
Из табл. 1.4 и формул (1.2) и (1.3) следует, что наименьшее увеличение минерализации природных вод в процессе их коагуляционной обработки происходит в случае применения алюминия оксихлорида.
К отрицательным последствиям реагентной коагуляции относится также наличие в очищенных водах остаточных концентраций алюминия или железа, содержание которых ограничено действующими стандартами (табл. 1.1). Теоретически рассчитанная по произведению растворимости остаточная концентрация алюминия в водах без учета влияния посторонних ионов при 25 °С составляет 7,810-5 мг/л (г/м3), железа - 2,5-10-5 мг/л (г/м3), что существенно ниже допустимых значений. В действительности же остаточное содержание, например, алюминия часто значительно
Рис. 1.2. Принципиальная схема двухступенчатой очистки природных вод из поверхностных источников (О - суточная производительность водоочистной станции; М - мутность исходной воды; Ц - цветность исходной воды).
превышает установленные нормы (см. [18]). Это может быть обусловлено в первую очередь:
- низкой щелочностью природных вод и отсутствием подщелачивания;
- наличием в природных водах неорганических и органических веществ, образующих с алюминием или железом устойчивые комплексы;
- низкой температурой очищаемых вод;
- недостаточно эффективной работой водоочистного оборудования.
Независимо от причин, наличие в питьевых водах избытка алюминия или железа, в особенности первого, существенно снижает ее качество. Тем более что по рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) концентрация алюминия в питьевой воде не должна превышать 0,05 мг/л (г/м3) (см. [18]).
Для интенсификации работы сооружений очистки природных вод в дополнение к коагулянтам в некоторых случаях применяются флокулянты, являющиеся по природе органическими на основе полиакриамида (ПАА) или минеральными на основе активной кремнекислоты (АК). Поэтому в гигиенических требованиях к питьевой воде [14] регламентируется предельно допустимая концентрация ПАА (2,0 мг/л) и АК (10,0 мг/л - по 81). Поскольку доза органического флокулянта по ПАА не превышает 1,5 мг/л, а минерального по 8Ю2 - 5,0 мг/л, то при соблюдении оптимальных условий очистки остаточные концентрации этих веществ в питьевых водах будут заведомо ниже нормативных ограничений.
В технологии очистки природных вод из поверхностных источников широкое распространение получило хлорирование - как для обеззараживания питьевых вод после полной их очистки, так и для повышения эффективности коагуляции и обесцвечивания очищаемых вод, для чего применяется предварительное хлорирование. При обеззараживании очищенных вод обычными дозами активного хлора 2,0-3,0 мг/л только часть его расходуется на разрушение бактериальных клеток, а значительное количество активного хлора потребляется на реакции окисления, присоединения или замещения с остаточными неорганическими и органическими веществами, содержащимися в водах и взаимодействующими с хлорсодержащим реагентом. Поэтому даже в результате обеззараживания, не говоря уже о предварительном хлорировании дозами 4-14 мг/л, в водах могут образовываться летучие хлорорганические соединения (ЛХС), в основном относящиеся к группе тригалоген-метанов (ТГМ), в частности хлороформ [1, 17, 19]. Предельно допустимая концентрация хлороформа, образующегося в питьевой воде при ее хлорировании, (он относится ко 2 классу опасности по санитарно-токси-кологическому показателю вредности) составляет 0,2 мг/л [14]. Поскольку к этому же классу опасности и признаку вредности относятся и другие лимитируемые вещества, например, алюминий, ПАА, активированная кремнекислота, то концентрация хлороформа в питьевых водах должна быть существенно ниже ПДК. Эта концентрация может быть рассчитана по формуле
Уравнения химических реакций при обработке природных вод коагулянтами и формулы для расчета дозы щелочи
Таблица 1.4
Коагулянт Уравнение химической реакции Доза щелочи, мг/л (г/м3)
Алюминий сернокислый А12(804)3 + 3М(НС03)2 + 6Н20 ^ ^ 2А1(ОН)3| + 3М804 + 6Н2С03 А12(804)3 + 6LHCO3 + 6Н20 ^ ^ 2А1(ОН)3| + 3L2SO4 + 6Н2С03 -известь Са(ОН)2 Вщ = 37(В4/57 - Щ + 1) -кальцинированная сода Ка2С03 Вщ = 53(В/57 - Щ + 1)
Железо хлорное 2РеС13 + 3М(НС03)2 + 6Н20 ^ ^ 2Ре(ОН)3| + 3МС12 + 6Н2С03 РеС13 + 3LHCO3 + 3Н20 ^ ^ Ре(ОН)3| + 3LC1 + 3Н2С03 -известь Са(ОН)2 Вщ = 37(Вк/54 - Щ + 1) -кальцинированная сода Ка2С03 Вч = 53(Вк/54 - Щ + 1)
Железо сернокислое Ре2(804)3 + 3М(НС03)2 + 6Н20 ^ ^ 2Ре(ОН)3| + 3М804 + 6Н2С03 Ре2(804)3 + 6LHCO3 + 6Н20 ^ ^ 2Ре(ОН)3| + 3L2SO4 + 6Н2С03 -известь Са(ОН)2 Вщ = 37(Вк/67 - Щ + 1) -кальцинированная сода Ка2С03 Вщ = 53(Вк/67 - Щ + 1)
Алюминия оксихлорид 2А12(0Н)5С1+М(НС03)2+2Н20 ^ ^ 4А1(ОН)3| + МС12 + 2Н2С03 А12(ОН)5С1 + LHCO3 + Н20 ^ ^ 2А1(ОН)3| + LC1 + Н2С03 -известь Са(ОН)2 Вщ = 37(Вк/174 - Щ + 1) -кальцинированная сода Ка2С03 Вщ = 53(Вк/174 - Щ + 1)
Примечание: М - двухвалентные катионы (Са2+, М£2+); Ь - одновалентные катионы (Ыа+, К+).
С < пдк (1 - I С. / ПДК ) (1.4)
где:
Сх и ПДКх - расчетная допустимая концентрация и ПДК хлороформа в питьевых водах (мг/л; г/м3);
С. и ПДК. - остаточная концентрация и ПДК каждого содержащегося в питьевых водах вещества, относящегося к 1 и 2 классу опасности и нормируемого по санитарно-токсикологическому признаку вредности согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (мг/л; г/м3).
Например, при концентрации остаточного алюминия в питьевых водах 0,3 мг/л концентрация хлороформа в них не должна превышать 0,08 мг/л, а при концентрации 0,5 мг/л хлороформ должен полностью отсутствовать.
Кроме ТГМ, при хлорировании природных вод могут образовываться и другие хлорорганические соединения, а также хлорфенолы, которые даже при очень низких концентрациях (порядка 10-3 мг/л) придают питьевым водам интенсивный запах и делают их непригодными к употреблению. Вместе с тем, следует отметить, что активный хлор в основном (50-80% от его общей дозы) расходуется на полное окисление углеродсодержащих органических веществ до СО2 (см. [17]).
В большинстве случаев прогнозирование результатов хлорирования природных вод не представляется возможным из-за существенного влияния на процесс многочисленных естественных, техногенных, технологических и других значимых факторов. Поэтому
применению хлора должно предшествовать регулярное пробное хлорирование реальных природных вод, особенно высокоцветных, разными дозами хлора с определением образующихся продуктов хлорирования.
Существенное влияние на результаты хлорирования оказывают аммонийные соединения, часто содержащиеся в природных водах. В этом случае происходит связывание хлора в хлорамины, в первую очередь монохлорамин и дихлорамин, или окисление этих соединений до промежуточных азотсодержащих веществ, а при высоких дозах хлора (более 10 мг на 1 мг аммонийного азота) полное окисление их до элементарного азота [19]. Учитывая применяемые при водоочистке дозы активного хлора, полное окисление аммонийных соединений может происходить только при их сравнительно низкой концентрации. Поэтому очищенные воды, поступающие в водопроводную сеть, могут содержать как свободный, так и связанный остаточный хлор. Концентрация свободного хлора перед распределительной сетью должна находиться в пределах 0,3-0,5 мг/л, связанного - 0,8-1,2 мг/л, а при их одновременном присутствии она не должна быть более 1,2 мг/л [14].
Кроме продуктов хлорирования и остаточного хлора, водопроводные воды после обработки хлорсодержащи-ми реагентами обогащаются хлоридами и другими элементами, входящими в состав этих реагентов. Рассмотрим изменение состава питьевых вод в результате использования разных хлорсодержащих реагентов.
1. Жидкий хлор. Технология хлорирования предусматривает получение вначале так называемой хлорной воды, а затем смешение последней с обрабатываемыми водами. Поскольку концентрация хлора в хлорной воде составляет примерно 1,5 г/л, то расход ее на прехлорирование достигает 0,2-0,7% от расхода очищаемых вод, а на постхлорирование - 0,13-0,2%.
При получении хлорной воды происходит гидролиз хлора
Cl2 + 6H2O ^ HClO + HCl (1.5)
Так как буферности вод, используемых для приготовления хлорного раствора, для нейтрализации получаемой в результате гидролиза хлора кислоты недостаточно, то активная реакция этого раствора смещается в кислую сторону. После дозирования в очищаемые воды происходит нейтрализация хлорного раствора бикарбонат-ионами
HCO3- + H+ ^ H2O + CO2 (1.6)
При обычном для природных вод рН, равном 7-8, происходит частичная (в пределах 20-75%) диссоциация хлорноватистой кислоты: HClO ^ H+ + ClO-. В дальнейшем часть хлорноватистой кислоты и гипохло-рит-ионов расходуется на обеззараживание вод, а вторая часть участвует в химических реакциях с неорганическими и органическими веществами. В результате окислительных процессов, например, с содержащимися в природных водах двухвалентным железом, сульфидами, марганцем, также образуются хлориды. Однако точно рассчитать их количество достаточно сложно ввиду множества вариантов протекающих при хлорировании вод процессов. Значительно проще определить увеличение концентрации хлоридов в питьевой воде в результате гидролиза хлора по реакции (1.5):
CCl = 0,5 DCl О.7)
где:
Ccl - увеличение концентрации хлоридов в питьевых водах (мг/л; г/м3);
Dcl - общая доза жидкого хлора для прехлорирова-ния и постхлорирования вод (мг/л; г/м3).
В связи с относительно низкими дозами хлора концентрация хлоридов в питьевых водах за счет гидролиза хлора возрастает незначительно, на 5-6 мг/л, что не может оказать существенного влияния на их качество.
Кроме образования хлора при гидролизе и в результате окислительных процессов, весьма малое количество хлоридов в питьевых водах появляется при разложении на свету хлорноватистой кислоты, содержащейся в водопроводной воде в свободном или связанном состоянии:
HClO ^ HCl + O0 (1.8)
2. Хлорная известь. В отличие от жидкого хлора, хлорная известь при растворении образует щелочной раствор:
2CaOCl2 + 2H2O ^ Ca(OH)2 + CaCl2 +2HClO (1.9)
В результате последующего дозирования хлорного раствора в природные воды они обогащаются не только
хлоридами, но и кальцием, что увеличивает также жесткость питьевых вод. При этом связывается свободная углекислота или бикарбонат-ионы, содержащиеся в водах:
Са(ОН)2 + С02 ^ СаС03 + Н20 (1.10)
Са(0Н)2 + Са(НС03)2 ^ 2СаС03 + 2Н20 (1.11)
Если концентрация образующегося карбоната кальция превышает 13 мг/л, то избыток его переходит в нерастворимое состояние. Это может происходить при прехлорировании вод, когда доза хлорной извести достигает 25-30 мг/л.
Увеличение концентрации хлоридов в питьевых водах в результате гидролиза хлорной извести по реакции (9) составляет:
Сс = 0,28 ^.и. = 0,28 ^.х./к О.12)
где :
- доза хлорной извести на прехлорирование и постхлорирование воды (мг/л; (г/м3);
- доза по активному хлору (мг/л; г/м3);
k - содержание активного хлора в хлорной извести ^ = 0,20-0,35).
Максимально возможное повышение концентрации кальция в питьевых водах:
ССа = 0,31 0.и. = 0,31 О.13)
В реальных условиях увеличение концентрации кальция на максимальную величину и жесткости воды на 0,05ССа может не происходить, если достигается пересыщение воды карбонатом кальция.
Таким образом, качество питьевых вод по минеральному составу после обработки хлорной известью будет несколько отличаться от обработанных жидким хлором. Вместе с тем, эти отличия ввиду низких доз активного хлора не столь существенны. Степень же зависимости результатов хлорирования от применяемого хлорсодер-жащего реагента до настоящего времени в полной мере еще не исследована, но в то же время отмечается (см.: [17]) существующее различие в их бактерицидности.
3. Гипохлорит кальция. В отличие от хлорной извести, которая получается хлорированием порошкообразной гашеной извести (пушонки), гипохлорит кальция является продуктом хлорирования известкового молока:
2Са(0Н)2 + 2С12 ^ Са(С10)2 + СаС12 + 2Н20 (1.14)
Из полученной смеси выделяется и высушивается кристаллогидрат гипохлорита кальция с массовой долей активного хлора 52-60% (марка А). Гипохлорит кальция марки Б, содержащий 25% активного хлора, получают высушиванием остающегося маточного раствора.
При растворении гипохлорита кальция в воде получают хлорную воду (см. [6]):
Са(С10)2 + 6Н20 ^ (Са(Н20)6)2+ + 2С10- (1.15) С10- + Н20 ^ НС10 + 0Н- (1.16)
Последующая обработка питьевых вод хлорным раствором приводит к связыванию свободной углекислоты или бикарбонат-ионов:
Са(С10)2 + С02 + Н20 ^ СаС03 + 2НС10 (1.17) Са(С10)2 + Са(НС03)2 ^ 2СаС03 + 2НС10 (1.18)
Таким образом, в отличие от хлорной извести, ги-похлорит кальция марки А не приводит к непосредственному повышению концентрации хлоридов. Она может расти только в результате окисления примесей, содержащихся в очищаемых водах. Концентрация кальция и, соответственно, жесткость питьевых вод при хлорировании гипохлоритом возрастает в меньшей степени, чем при использовании хлорной извести:
ССа = 0,28 О к. = 0,28 О.19)
где:
Д.к и - дозы гипохлорита кальция, затраченного на прехлорирование и постхлорирование вод (мг/л; г/м3);
Оах - доза по активному хлору, мг/л (г/м3);
k - содержание активного хлора в хлорной извести ^ = 0,52-0,60).
Вместе с тем, использование гипохлорита кальция марки Б практически аналогично хлорной извести, так как в его составе присутствуют хлориды и кальций (см. формулу (1.14)).
4. Гипохлорит натрия. Для хлорирования питьевых вод используется либо гипохлорит натрия заводского изготовления (продукт обработки едкого натра хлором), либо гипохлорит натрия, получаемый электролизом на месте применения.
В первом случае производится раствор, содержащий не менее 190 г/л активного хлора и 10-20 г/л едкого натра:
2Ш0Н + С12 ^ ШСЮ + ШС1 + Н20 (1.20)
При разбавлении водой получается менее концентрированный хлорный раствор:
ШСЮ + 4Н20 ^ (Ш(Н20)4)+ + С10- (1.21)
С10- + Н20 ^ НС10 + 0Н- (1.22)
После дозирования раствора гипохлорита натрия в очищаемые воды, кроме основных процессов хлорирования, идут сопровождающие их химические взаимодействия:
2ШС10 + С02 + Н20 ^ Ш2С03 + 2НС10 (1.23)
2ШСЮ + Са(НС03)2 ^ СаС03 +Ш2С03 + 2НС10
(1.24)
Таким образом, в результате применения гипохло-рита натрия питьевые воды обогащается натрием и хлоридами, которые содержатся в товарном продукте (см. формулу (1.20)). Увеличение концентрации этих компонентов зависит от дозы активного хлора
СС1 = 0,5 О., (1.25)
СКа = 0,65 О„ (1.26)
где:
Сс и Сш - увеличение концентрации хлоридов и натрия в питьевых водах соответственно (мг/л; г/м3);
О - общая доза активного хлора для прехлорирова-ния и постхлорирования вод (мг/л; г/м3).
При высоких дозах гипохлорита натрия может несколько уменьшаться жесткость питьевой воды за счет образования карбоната кальция.
Гипохлорит натрия, получаемый электролизом из раствора хлорида натрия на месте применения, приобрел в последнее время широкое распространение. В отличие от гипохлорита натрия заводского изготовления, он содержит значительно меньше активного хлора, в пределах 6-14 г/л. При этом расход хлорида натрия на получение 1 кг активного хлора составляет 3,3-15 кг. С учетом этого увеличение концентрации хлоридов и натрия в питьевой воде при ее хлорировании электролизным гипохлоритом натрия составит
Са = (0,6 Ь - 1) Ох. (1.27)
СКа = 0,4 Ь Оа.х. О.28)
где:
Ь - удельный расход хлорида натрия на производство гипохлорита натрия, зависящий от технологии и оборудования для его получения (Ь = 3,3-15 кг/кг).
Таким образом, гипохлорит натрия, получаемый электролизом на месте применения, при сравнении с другими хлорсодержащими реагентами дает намного более значительное увеличение концентрации хлоридов и натрия в питьевых водах, особенно при прехлорировании очищаемых вод. Например, при дозе активного хлора 10 мг/л содержание хлоридов в питьевых водах возрастает на 10-80 мг/л, а натрия на 13-60 мг/л при ПДК, соответственно, 350 и 200 мг/л [14]. Поскольку натрий относится ко 2 классу опасности и нормируется по санитарно-токсикологическому признаку вредности, его допустимая концентрация в питьевых водах определяется с учетом содержания других аналогичных веществ и может быть существенно ниже ПДК (см. формулу (1.4)).
5. Хлора диоксид. Диоксид хлора получают на месте применения обработкой хлорита натрия раствором соляной кислоты или хлором, а также смешением его одновременно с кислотой и гипохлоритом натрия:
5ШСЮ2 + 4НС1 ^ 4С102 + 5ШС1 + 2Н20 (1.29) 2ШСЮ2 + С12 ^ 2С102 + 2ШС1 (1.30)
2ШСЮ2 + Ш0С1 + 2НС1 ^ 2С102 + 3ШС1 + Н20
(1.31)
Для получения 1 г диоксида хлора по реакции (1.29) расходуется 1,67 г хлорита натрия, а по реакциям (1.30, 1.31) - 1,34 г. Теоретически на 1 г диоксида хлора необходимо 0,54 г соляной кислоты или 0,53 г хлора. На практике расход соляной кислоты и хлора в 3-4 раза больше стехиометрического, что обеспечивает почти полное протекание реакций образования диоксида хлора [23]. Это необходимо в связи с тем, что ПДК хлоритов в питьевых водах составляет 0,2 мг/л, и они относятся к веществам 2 класса опасности и нормируются по санитарно-токсикологическому признаку вредности [14].
При смешении раствора диоксида хлора с обрабатываемыми водами на свету возможна реакция с образованием хлористой и хлорноватой кислоты (см. [6]):
2С102 + Н20 ^ НС102 + НС103
(1.32)
Применение диоксида хлора, как и других хлорсо-держащих реагентов, приводит к росту концентрации хлоридов в питьевых водах, а также натрия. Увеличение этих концентраций можно определить по формулам:
С, — I)
С1 С1 д.х
С, — к, D
Ыа Ыа д.х
(1.33)
(1.34)
где:
Сс1 и Сш - увеличение концентрации хлоридов и натрия в питьевых водах при их обработке диоксидом хлора (мг/л; г/м3);
Вдх - общая доза диоксида хлора для прехлориро-вания и постхлорирования вод (мг/л; г/м3);
кС1 и кш - удельное увеличение концентрации хлоридов и натрия на 1 мг (г) диоксида хлора, причем ка принимается за 0,66, 0,53 и 0,79 мг/мг (г/г) для реакций (1.29), (1.30) и (1.31), кМа принимается за 0,43, 0,34 и 0,51 мг/мг (г/г) для реакций (1.29), (1.30) и (1.31).
На практике концентрация хлоридов в питьевых водах возрастет в 3-4 раза по сравнению с рассчитанной по формуле (1.33) из-за необходимости большого избытка соляной кислоты или хлора при производстве диоксида хлора. Вследствие избытка этих реагентов произойдет также снижение щелочности вод (см. реакцию (1.6)), что необходимо учитывать в расчетах.
Следует отметить, что весомым преимуществом диоксида хлора является минимальное образование галоген-содержащих соединений при обеззараживании воды.
Альтернативой хлорированию питьевых вод является их озонирование. Озон подобно хлорсодержащим реагентам является не только дезинфектантом питьевых вод, но и окислителем неорганических и органических веществ, содержащихся в природных водах.
На практике применяются четыре варианта озонирования:
- предварительное озонирование для улучшения процессов очистки природных вод и озонирование очищенных вод с целью ее обеззараживания;
- прехлорирование и последующее постозонирование;
- преозонирование и постхлорирование;
- обеззараживание озоном без применения других окислителей для предочистки.
Доза озона для обеззараживания питьевых вод, полученных из подземных источников, составляет 0,751,00 мг/л, а очищенной из поверхностных водоемов - 1-3 мг/л. Преозонирование природных вод производится дозами 1-8 мг/л в зависимости от перманга-натной окисляемости воды. ПДК остаточного озона в питьевых водах на выходе из станции водоочистки составляет 0,3 мг/л [14].
При озонировании вод одновременно с улучшением их качества существует риск образования побочных продуктов, содержание которых в питьевых водах строго лимитирован. В частности, в обработанных озоном водах возможно появление альдегидов, кето-
нов, органических кислот и других новообразованных веществ [1, 8]. Для получения информации о побочных продуктах озонирования питьевые воды контролируются на содержание формальдегида как простейшего представителя альдегидов. ПДК формальдегида в питьевых водах после обработки ее озоном составляет 0,05 мг/л. Он относится к веществам 2 класса опасности и нормируется по санитарно-токсикологическому признаку вредности.
Негативно влияют на качество питьевых вод также свободные радикалы, образующиеся в результате окислительно-восстановительных реакций с участием озона [21]. Постоянное потребление вод, содержащих источники образования свободных радикалов, для питьевых целей может вызывать мутагенные эффекты и иметь другие отрицательные последствия для организма, связанные с разрушением биомембран, нарушением функций ДНК, блокированием активных центров ферментов. Вместе с тем содержание свободных радикалов в питьевых водах на сегодняшний день не лимитируется, в связи с чем не осуществляется контроль их концентрации после озонирования.
Окончательно формирование качества питьевых вод происходит в наружных и внутренних водопроводных сетях. Основными факторами, влияющими на изменение качественных показателей вод в распределительной системе водопровода, являются коррозия стальных трубопроводов и биологическое обрастание внутренних стенок водопроводных труб. Особую опасность представляют изношенные водопроводы, когда до устранения часто возникающих аварий существует большая вероятность попадания в водопроводную систему загрязненных грунтовых вод.
Факторы, способствующие внутренней коррозии металлических трубопроводов при контакте с питьевыми водами, изучены пока еще не в полной мере, но механизм и основные закономерности этого процесса достаточно ясны. Поскольку питьевые воды являются растворами сильных и слабых электролитов, хотя и мало концентрированными, то при их контакте с металлической поверхностью возникают предпосылки для стимулирования электрохимической коррозии. В результате ее происходит ионизация металла и восстановление содержащихся в водах веществ, в первую очередь кислорода. Для стальных трубопроводов эти процессы описываются следующим образом:
рео ^ ре2+ + 2е-
02 + Н20 + 4е-
40Н-
(1.35)
(1.36)
Образующиеся в результате электрохимической коррозии ионы реагируют между собой и содержащимися в водах веществами. В присутствии растворенного кислорода происходит частичное или полное окисление двухвалентного железа и образование малорастворимого гидроксида
4Бе2+ + 80Н- + 02 + 2Н20 ^ 4Бе(0Н)3|
(1.37)
Частицы гидроксида железа, имеющего растворимость близкую к 2,5-10-5 мг/л, преимущественно осаждаются на внутренних стенках трубопровода. В случае же неполного окисления двухвалентного железа, часть
его остается в питьевых водах в растворенном состоянии, поскольку растворимость гидроксида двухвалентного железа достаточно высока и в обычных условиях составляет около 0,9 мг/л. Коррозионное железо приводит к подаче потребителю питьевых вод с ухудшенными органолептическими показателями.
Коррозия ускоряется и, соответственно, растет концентрация остаточного железа в водах с увеличением их солесодержания, особенно концентрации хлоридов [21]. Коррозионные процессы интенсифицируются также в результате образования внутри трубопроводов отложений малорастворимых соединений железа, создающих дополнительный барьер для диффузии кислорода и способствующих, следовательно, возникновению дифференциальной аэрации [23].
Дифференциальная аэрация, которая вызывает локальную коррозию стальных трубопроводов, является также одним из следствий биологического обрастания внутренних стенок труб [9]. Кроме того, биологическое обрастание ведет к ухудшению органолептических показателей качества питьевых вод и увеличивает риски загрязнения их микроорганизмами и отмирающей биопленкой, развития в водопроводных сетях болезнетворных микробов с повышенной устойчивостью к остаточным дезинфектантам, образования токсичных соединений при взаимодействии с ними. Поэтому, в связи с особенностями формирования качества питьевых вод, всегда существует риск вторичного ее загрязнения в наружных и внутренних водопроводных сетях даже при соответствии ПДК в источнике водоснабжения по всем нормируемым показателям и непревышении их в процессе водоочистки.
Очевидно, что для гарантии соответствия качества питьевых вод действующим санитарным и гигиеническим нормам необходим постоянный контроль состояния источника водоснабжения, особенно поверхностного, а также нормируемых показателей водопроводных вод перед подачей в распределительную сеть и в местах их потребления. Однако практически невозможно организовать достаточный контроль качества питьевых вод непосредственно у каждого потребителя. В большинстве случаев потребитель судит о степени чистоты питьевых вод по органолептическим показателям: прозрачности, цветности, вкусу и запаху. Это в определенной степени снижает риск использования некачественной вод для питьевых целей. Вместе с тем, органолептичес-кие показатели не могут быть достоверным критерием микробиологической, химической и радиационной безопасности поступающих потребителю вод. Например, большинство химических соединений лимитированы по санитарно-токсикологическому показателю вредности и относятся к 1 и 2 классу опасности, вследствие чего их присутствие в питьевых водах ограничено микроколичествами, для определения которых необходимо применение специального аналитического оборудования.
Таким образом, у потребителя отсутствует возможность объективного контроля качества поступающих из водопроводной сети питьевых вод. Даже постоянный контроль их перед подачей в сеть не гарантиру-
ет соответствия качественных показателей, в первую очередь химических, действующим нормативам. Этот вывод следует из особенностей формирования качества питьевых вод и это обстоятельство должно учитываться потребителем.
Кроме вторичного загрязнения питьевой воды в существующих водопроводных сетях, имеются и другие факторы риска безопасного обеспечения населения питьевыми водами нормативного качества. К этим факторам необходимо прежде всего отнести следующие:
- аварии на водопроводных и канализационных сетях, когда возникает высокая вероятность попадания загрязненных стоками грунтовых вод в водопровод до ликвидации последствий аварии. Опасность одновременной аварии на водопроводной и канализационной сетях в последнее время существенно возросла из-за критической изношенности трубопроводов;
- техническая возможность несанкционированной временной или постоянной врезки в действую -щий водопровод с целью преднамеренного широкомасштабного химического, биологического или бактериологического загрязнения питьевых вод. Из-за сложности осуществления мер эффективной защиты водопровода невозможно полностью исключить вероятность такой террористической диверсии, а малая «буферность» водопроводной сети по сравнению со всей водопроводной системой способствует быстрому и неконтролируемому распространению загрязненных водопроводных вод среди ее потребителей.
Поэтому в настоящее время приобрела особую актуальность проблема обеспечения населения питьевыми водами гарантированного качества в соответствии с действующими гигиеническими требованиями. При этом доброкачественные питьевые воды должны быть доступны для широких масс населения.
1.2. Технологические и технические аспекты обеспечения потребителей доброкачественной питьевой водой
На сегодня проблема снабжения населения и других потребителей доброкачественной*** питьевой водой, если она в централизованной системе водоснабжения не отвечает гигиеническому стандарту, решается по-разному. Наиболее часто используются такие способы:
- доставка питьевой воды непосредственно потребителям в сменных баллонах;
- продажа бутилированной питьевой воды;
- применение бытовых фильтров или других индивидуальных устройств улучшения качества воды, отбираемой из внутреннего водопровода;
- строительство бюветов питьевой воды;
- доставка доброкачественной воды в специальных цистернах и реализация ее населению в личные емкости непосредственно из цистерн или через торговые пункты питьевой воды;
- применение устройств водоподготовки коллективного пользования;
- организация пунктов подготовки и реализации доброкачественной питьевой воды.
Как свидетельствует накопленный опыт, наибольшей популярностью у массового потребителя поль-
*** В соответствии с критериями оценки качества питьевой воды доброкачественная - это питьевая вода, соответствующая нормативным требованиям по всем четырем критериям ее оценки (эпидемическая и радиационная безопасность, безвредность химического состава, благоприятные органолептические свойства) (письмо Роспотребнадзора от 28.07.2008 № 01/8039-8-32).
Рис. 1.3. Принципиальная схема водоснабжения жилого дома с местными водонагревателями:
1 - трубопровод воды из наружного водопровода; 2 - узел подготовки холодной воды перед подачей в водонагреватели; 3 - накопительная емкость холодной воды; 4 - насос подачи холодной воды в нагреватели; 5 - распределительная сеть подачи воды в водонагреватели; 6 - узел подготовки воды для хозяйственных и бытовых нужд; 7 - распределительная сеть подачи холодной воды на хозяйственные и бытовые нужды; 8 - узел подготовки доброкачественной питьевой воды; 9 - накопительный бак питьевой воды; 10 - насос подачи питьевой воды потребителям; 11 - блок для УФ-обеззараживания питьевой воды; 12 - распределительная сеть подачи питьевой воды потребителям.
зуются те способы, которые гарантируют надежность получения доброкачественной питьевой воды и доступность по цене. Этим двум критериям в полной мере отвечают только последние два способа. Критерию низкой стоимости не отвечают первые два способа, а остальные не соответствуют критерию надежности получения доброкачественной питьевой воды, так как отсутствует постоянный контроль соответствия ее установленным стандартам качества.
Таким образом, обеспечить в короткие сроки широкие слои населения и других потребителей доброкачественной и доступной по цене питьевой водой возможно, развивая ускоренными темпами применение устройств водоподготовки коллективного пользования и способствуя организации самоокупаемых пунктов подготовки и реализации высококачественной питьевой воды.
Применение устройств водоподготовки коллективного пользования позволяет обеспечить качественной питьевой водой жителей многоквартирных домов и работников предприятий и организаций. Их применение эффективно также в школах, детсадах, больницах, гостиницах и т.д. При внедрении этих устройств могут создаваться дуплексные или локальные системы водоснабжения. Дуплексные системы, когда вода питьевого качества подается всем потребителям по отдельному водопроводу после водоподготовки на устройствах коллективного пользования, наиболее реально устраивать во вновь строящихся или реконструируемых зданиях. Локальные системы, предусматривающие организацию специально оборудованных мест для отбора воды в личные емкости после устройств водопод-готовки, могут устраиваться в жилых домах и зданиях, в которых невозможно осуществить прокладку дополнительной нитки водопровода. Для возмещения затрат на эксплуатацию устройств водоподготовки коллективного пользования возможно введение оплаты за
предоставленную услугу по специальному тарифу.
Как известно, населением водопроводная вода используется не только для питья, приготовления пищи и напитков, но также для хозяйственных и бытовых нужд. При этом согласно действующим нормам при наличии централизованной системы горячего водоснабжения 40% от среднесуточного водопотребления в расчете на 1 жителя приходится на горячую воду, качество которой достаточно сложно должным образом улучшить непосредственно на месте применения. В то же время, в системах водоснабжения с местными нагревателями коллективного или квартирного пользования холодная вода, подаваемая в них на подогрев, может предварительно пройти необходимую подготовку, что существенно продлевает нормальную работу водонагревателей и улучшает санитарное состояние сантехнических приборов и оборудования в квартире. В данном случае в жилых домах целесообразно устраивать триплексные системы водоснабжения, а именно, систему подачи воды после водоподготовки в водонагреватели, систему подачи холодной воды на хозяйственные и бытовые нужды и систему подачи доброкачественной питьевой воды. При этом вода для хозяйственных и бытовых нужд также может подвергаться предварительной подготовке (рис. 1.3).
Особенностью триплексной системы водоснабжения является наличие в ней регулирующих емкостей, обеспечивающих равномерную работу узлов водоподготовки и произвольный режим подачи воды насосами в нагреватели и на питьевые нужды. Вместе с тем устройство для подготовки воды для хозяйственных и бытовых нужд может рассчитываться на максимальный расход и функционировать неравномерно в течение суток.
Наиболее ответственным элементом любой системы водоснабжения жилого дома и других потребителей является устройство для подготовки доброкачественной питьевой воды. Такое устройство должно
при любых условиях обеспечивать ее гарантированное качество. Как показывает многолетний анализ проблемы, водоочистные устройства коллективного пользования, гарантирующие получение доброкачественной питьевой воды, не могут быть универсального применения, а должны разрабатываться индивидуально с учетом качества водопроводной воды. Дело в том, что практически в каждом населенном пункте с централизованной системой водоснабжения водопроводная вода характеризуется специфическим химическим составом. Этот состав, в свою очередь, формируется преимущественно в источниках водоснабжения, на которые первостепенное влияние оказывают природные и антропогенные факторы. Кроме того, химический состав питьевых вод претерпевает некоторые изменения в процессе очистки природных вод и при транспортировании их по водопроводным сетям (см. 1.1).
С точки зрения специфики состава, водопроводные воды можно разделить на следующие виды:
- мягкие, нормативной жесткости, повышенной жесткости;
- низкой минерализации, нормативной минерализации, повышенной минерализации;
- сбалансированного химического состава, несбалансированного химического состава.
Понятно, что питьевые воды повышенной жесткости и солесодержания требуют применения водоочистных устройств с блоками, обеспечивающими снижение этих показателей до нормативных значений. Для получения доброкачественной питьевой воды из мягкой водопроводной, а также из воды с низким солесо-держанием, необходимо в водоочистном комплексе иметь блок для повышения жесткости и минерализации до оптимальных величин. В случае несбалансированности химического состава водопроводной воды технология получения доброкачественной питьевой воды должна предусматривать возможность корректирования его в требуемых пределах.
Научно-инженерным центром «ПОТЕНЦИАЛ-2»
осуществлялся регулярный длительный монито-
ринг технологий и оборудования, предлагаемых для получения доброкачественной питьевой воды из водопроводной воды. В результате этого были выделены несколько вариантов применения устройств коллективного пользования.
Первый вариант. Этот вариант предусматривает, что водоочистное устройство обеспечит удаление из водопроводной воды всех компонентов, поступивших в нее в процессе транспортирования потребителю. К таким компонентам относятся железо, а также вещества, ухудшающие органолептические показатели качества питьевой воды (см. 1.1). Кроме того, в процессе подготовки доброкачественной питьевой воды должно происходить практически полное ее дехлорирование для предотвращения негативного влияния хлора на организм. При этом гарантией безопасности питьевой воды в эпидемическом отношении является применение УФ-облучения перед подачей ее потребителям. Извлечение из водопроводной воды других лимитируемых стандартом ингредиентов в данном варианте является второстепенной задачей и может происходить как сопутствующий процесс.
Второй вариант. Этот вариант более сложный и предусматривает доочистку водопроводной воды не только от продуктов вторичного загрязнения в сетях, но также от подавляющего большинства других компонентов, концентрация которых превышает нормативные показатели. Рассматриваемый случай возникает тогда, когда станция водоподготовки не обеспечивает должной очистки природных вод из-за устаревшей технологии или в связи со значительным ухудшением качества вод в источнике водоснабжения.
Третий вариант. В этом варианте устройство водо-подготовки дополнительно к первым двум функциям обеспечивает получение питьевой воды, соответствующей нормативам ее физиологической полноценности (табл. 1.5).
Для получения физиологически полноценной питьевой воды устройство оснащается блоками корректирования ее состава, т.е. умягчения или обогащения кальцием и магнием, обессоливания или дополнитель-
Таблица 1.5
Нормативы физиологической полноценности питьевой воды (по: [15])
Показатели Единицы измерения Значение показателя, (в пределах)
Общая минерализация (сухой остаток) мг/л 100-1000
Жесткость мг-экв/л 1,5-7
Щелочность мг-экв/л 0,5-6,5
Кальций (Са) мг/л 25-130*
Магний (Mg) мг/л 5-65*
Бикарбонаты (НС03) мг/л 30-400
Фторид-ион (Р-) мг/л 0,5-1,5
Иодид-ион (I-) мкг/л 10-125
Примечание: *Расчет на основе максимально допустимой жесткости 7 мг-экв/л и учета минимально необходимого содержания магния при вычислении максимально допустимого содержания кальция и наоборот.
17
3 8
4 9
5 10
6 11
7 12
13
14
ОН
16
15
Рис. 1.4. Пример схемы подготовки воды с различными потребительскими свойствами:
1 - водопроводная вода из наружного водопровода; 2 - блок подготовки доброкачественной питьевой воды; 3 - блок подготовки физиологически полноценной воды для питьевых нужд; 4 - блок подготовки воды для приготовления пищи и напитков; 5 - блок подготовки талой воды; 6 - блок подготовки воды, обогащенной серебром; 7 - блок подготовки воды, обогащенной кремнием; 8 - емкость физиологически полноценной воды; 9 - емкость воды для приготовления пищи и напитков; 10 - емкость талой воды; 11 - емкость воды, обогащенной серебром; 12 - емкость воды, обогащенной кремнием; 13 - модули автоматизации подачи воды; 14 - насос подачи воды; 15 - блок для обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением; 16 - подача воды в распределительную сеть дома; 17 - поквартирные пульты управления модулями автоматизации.
ной минерализации. Для сбалансированности химического состава питьевой воды в устройстве предусматриваются блоки для обогащения недостающими компонентами, например, фтор- и йодсодержащими соединениями, а также блоки для изъятия ингредиентов, находящихся в избыточном количестве.
Четвертый вариант. Этот вариант снабжения населения водой может оказаться в ближайшее время наиболее востребованным, особенно в домах-новостройках. Его суть состоит в том, что применяется устройство коллективного пользования, обеспечивающее подготовку воды с различными потребительскими свойствами. Обязательным условием при этом является получение как минимум двух категорий воды с разными качественными показателями. Одна из них предназначается только для питьевых нужд, вторая - для приготовления пищи и напитков. В последнем случае вода должна быть мягкой и, предпочтительно, иметь низкую минерализацию. В то же время вода, предназначенная для питья, обязана соответствовать нормативам физиологической полноценности. Кроме того, в устройстве могут быть предусмотрены блоки, позволяющие получать воду со специальными свойствами, например, талую, обогащенную серебром, кремнием, кислородом, углекислым газом, а также разными биодобавками и протекторами. Пример одного из возможных вариантов обеспечения потребителей водой разного качества приведен на рис. 1.4.
Принципиальной особенностью схемы, разработанной в НИЦ «Потенциал-2», является подача воды с разными потребительскими свойствами по единой распределительной сети. Для этого предложена система автоматизации, позволяющая управлять процессом подачи в каждую квартиру воды с выбранными качественными показателями, а также регулировать и конт-
ролировать количество подаваемой воды той или иной категории для последующей оплаты оказанных услуг.
Вполне понятно, что в рассматриваемом варианте схема подготовки воды с различными потребительскими свойствами, а также состав блоков устройства водоподготовки, будет всецело зависеть от качества водопроводной воды. Например, в регионах с мягкой водопроводной водой отсутствует необходимость умягчения воды, предназначенной для приготовления пищи и напитков, но в то же время требуется серьезная корректировка состава воды, употребляемой для питья, для обеспечения ее физиологической полно -ценности.
Следует отметить, что в настоящее время только первый, а для некоторых регионов второй вариант подготовки доброкачественной питьевой воды является наиболее реальным для практической реализации. При этом устройство водоподготовки коллективного пользования для данных вариантов должно работать длительное время без участия обслуживающего персонала и на всем протяжении рабочего цикла давать гарантированное качество питьевой воды.
В НИЦ «Потенциал-2» прошли испытания одной из конструкций устройства подготовки доброкачественной воды. В устройство, которое не потребляет никаких реагентов и в котором используются материалы, допущенные действующими нормами для водоподго-товки, подавалась вода из водопроводной сети Приморского района Санкт-Петербурга. Испытания проводились в течение 1,5 лет с периодическим отбором проб на анализ перед устройством водоподготовки и после него. Анализ выполнялся на содержание компонентов, которые предположительно могли поступать в воду в процессе ее очистки на станции водоподго-
Результаты испытаний устройства водоподготовки коллективного пользования
Таблица 1.6
№№ п.п. Наименование показателя Единица измерения Результаты анализа НД на методику анализа
вода перед устройством вода после устройства
1. Запах 20/60 °С баллы 0/1 0/1 ГОСТ 3351-74
2. Привкус баллы 1 1 ГОСТ 3351-74
3. Цветность градусы 18 менее 5 ГОСТ 3351-74
4. Мутность мг/дм3 1,45 0,73 ГОСТ 3351-74
5. Железо (суммарное) мг/дм3 0,43 0,06 ГОСТ 4011-72
6. Водородный показатель единицы рн 6,7 6,68 ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97
7. Окисляемость перманганатная мгО2/дм3 3,8 1,4 ПНДФ 14.2.4.154-99
8. Остаточный алюминий мг/дм3 0,14 0,05
9. Остаточный хлор мг/дм3 0,3 менее 0,3 ГОСТ 18190-72
товки (алюминий и хлор), а также при транспортировании по водопроводным сетям (органолептические показатели, железо, окисляемость). Результаты одного из этапов испытаний приведены в табл. 1.6.
Полученные результаты испытаний показывают, что после водоподготовки на экспериментальном устройстве качество полученной воды по всем контролируемым показателям отвечает действующим нормам на доброкачественную питьевую воду. Более того, по концентрации железа и алюминия, а также показателям цветности и окисляемости подготовленная вода соответствует качеству расфасованной воды высшей категории. Следует также учитывать, что в экспериментальном устройстве не происходило удаление компонентов, придающих физиологическую полно -ценность питьевой воде. Это является весомым преимуществом разработанной технологии подготовки доброкачественной питьевой воды.
При практическом применении расчет устройства водоподготовки коллективного пользования производится из средней нормы потребления питьевой воды (питье, приготовление пищи и напитков) на 1 человека 3-5 л в сутки, или 10-15 л на семью.
Второе направление в обеспечении населения доброкачественной питьевой водой - это организация пунктов ее подготовки и реализации. Такие пункты целесообразнее всего организовывать в отдельных микрорайонах городов, а также населенных пунктах с преимущественно малоэтажной застройкой. В этих пунктах на стационарных устройствах должно производиться удаление из водопроводной воды всех компонентов, делающих ее не вполне доброкачественной, а также реализация полученной питьевой воды населению. Все требования, предъявляемые к устройствам
водоподготовки коллективного пользования, а также варианты их применения, в полной мере относятся и к устройствам, размещаемым в пунктах обеспечения доброкачественной питьевой водой.
Таким образом, в настоящее время уже имеются как технологические, так и технические разработки для быстрого решения актуальной проблемы обеспечения широких слоев населения и других потребителей доступной по стоимости доброкачественной питьевой водой.
Благодарности
Авторы выражают глубокую признательность всем сотрудникам НИЦ «Потенциал-2» и его украинского представительства ООО «ФАГС». Особая благодарность нашим последовательным единомышленникам и соратникам В.Б. Соколову, М.М. Сарниц-кому, К.Л. Прокопьеву, И.А. Фурман, Т.В. Романен-ко, Б.Н. Шульман, С.В. Олиферуку, А. Матвеевой, А.П. Романенко, Б.А. Алексееву . Пользуясь случаем, авторы с глубочайшим почтением отдают должное своему научному наставнику проф. В.М. Рогову, работы которого позволили воплотить многие идеи в реальные результаты, а также благодарят за многолетнее плодотворное сотрудничество д-ра техн. наук В.Л. Филипчука. Для авторов самым веским аргументом при подготовке настоящей работы стало доброжелательное мнение о результатах деятельности НИЦ «Потенциал-2» авторитетного ученого, человека энциклопедических знаний и, одновременно, принципиального оппонента по различным актуальным проблемам, нашедшим освещение в настоящей публикации, проф. Э.И. Слепяна.
Литература
1. Бахир В.М. Дезинфекция питьевой воды: проблемы и решения // Вода и экология: проблемы и решения. - 2003. - № 1. - С. 3-11.
2. ГН 2.1.5.1315-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
3. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Потребление воды: экологические, экономические, социальные и политические аспекты. - М.: Наука, 2006. - 221 с.
4. Кульский Л.А. Теоретическое обоснование технологии очистки воды. - Киев: Наукова думка, 1968. - 250 с.
5. КульскийЛ.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. - Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1986. - 352 с.
6. Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Химические свойства неорганических веществ. - М.: Химия, 1997. - 480 с.
7. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 274 с.
8. Лукашевич О.Д. Вопросы экологической безопасности использования озона в водопод-готовке // Вода и экология: проблемы и решения. - 2003. - № 4. - С. 3-7.
9. Менча М.Н. Биообрастание: формирование, состав, свойства и роль в эксплуатации систем питьевого водоснабжения // Вода и экология: проблемы и решения. - 2006. - № 2. -С. 43-54.
10. Михеев Н.Н. Водные ресурсы как база питьевого водоснабжения // Водоснабжение и санитарная техника. - 1998. - № 4. - С. 10-12.
11. НиколадзеГ.И. Технология очистки природных вод. - М: Высшая школа, 1987. - 479 с.
12. Онищенко Г.Г. Санитарно-эпидемиологическая безопасность питьевого водоснабжения //Водоснабжение и санитарная техника. -1998. - № 4. - С. 14-15.
13. Остроумов С.А. Об экологическом механизме формирования качества воды в водных объектах. Элементы теории и ее приложения //
Вода и экология: проблемы и решения. - 2004. -№ 3. - С. 66-74.
14. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
15. СанПиН 2.1.4.1175-02. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников.
16. СанПиН 2.1.4.1116-02. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества.
17. Слипченко А.В., Кульский Л.А., Мац-кевич Е.С. Современное состояние методов окисления примесей воды и перспективы хлорирования // Химия и технология воды. - 1990. -Т. 12, № 4. - С. 326-349.
18. Соломенцева И.М., Величанская Л.А., Герасименко И.Г. Проблема остаточного алюминия в очищенной воде // Химия и технология воды. - 1991. - Т. 13, № 6. - С. 517-534.
19. Шевченко М.А., Таран П.Н. Возможности использования хлора для очистки природных и сточных вод // Химия и технология воды. -1984. - Т. 6, № 6. - С. 537-546.
20. Язвин Л. С., Боревский Б.В., Кочетков М.В. Обеспеченность населения России ресурсами подземных вод // Мелиорация и водное хозяйство. - 2000. - № 3. - С. 30-31.
21. Berné F., Cordonnier J. (Берне Ф., Кордо-ньеЖ.) Водоочистка. - М.: Химия, 1997. - 288 с.
22. Freier R. (Фрейер Р.) Приготовление воды для питания паровых котлов высокого и среднего давлений. - М.: Госэнергоиздат, 1960. -232 с.
23. Mémento technique de l'eau (Технические записки по проблемам воды). Том 1 / Ред. Т.А. Карюхина, И.И. Чурбанова. - М.: Стройиз-дат, 1983 (1978). - 607 с.
24. Mémento technique de l'eau (Технический справочник по обработке воды) / Науч. ред. М.И. Алексеев, В.Г. Иванов, А.М. Курганов и др. - СПб: Новый журнал, 2007 (2005). Том 1. - 816 с.
J
