ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ РЕШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ НА БАЗЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ
НИИ ВОДГЕО, Москва, Россия
В связи с использованием подземных вод для питьевых целей, в том числе в регионах с повышенными антропогенными нагрузками на водоисточники, необходимо располагать новыми усовершенствованными технологиями, позволяющими снабжать население высококачественной, физиологически полноценной питьевой водой, соответствующей мировым стандартам. Весьма важно отметить, что в настоящее время население России в большинстве мегаполисов и районов потребляет питьевую воду, не отвечающую в полной мере основным требованиям нормативных документов РФ по макро - и микрокомпонентам, биологически активным элементам, биогенным веществам, органическим соединениям природного и искусственного происхождения. Взаимосвязь химического состава питьевой воды и состояния здоровья человека, проявляющаяся в увеличении заболеваемости, установлена медицинскими исследованиями как в России, так и за рубежом. На коррекцию качества питьевой воды указано во многих Постановлениях Главного Государственного врача РФ. Всемирная организация здравоохранения обеспечение населения качественной питьевой водой признает главным разделом программ охраны здоровья человека.
Для достижения цели и поставленных задач необходимо провести оценку качества подземных вод РФ, научное обоснование технологий коррекционной обработки их и разработку рекомендаций по проектированию водоподготовительных установок и станций. Целесообразно разработать базовую технологическую схему установки или станции, а затем дополнительные узлы коррекции качества воды по специфическим лимитирующим компонентам. В связи с вышеуказанным следует оценить барьерную роль существующих технологических схем очистки воды и современных методов мировой практики питьевого водоснабжения, особенно в условиях техногенных нагрузок на подземные водоисточники.
Институтом ВОДГЕО, на основании результатов ранее проведенных исследований и разработок других авторов, впервые сделана попытка создания классификации современных технологий, обеспечивающих очистку подземных вод, содержащих техногенные загрязнения.
Данная работа предполагает решение комплексных вопросов практической реализации математического моделирования и оптимизации технологических схем подготовки питьевой воды из подземных водоисточников, создание комплекса программно-математического и информационно-методического обеспечения экспертной системы, систем АСУТП и проектирования сооружений технологического процесса очистки подземных вод с различным качественным и количественным составом.
В настоящее время в связи с устойчивым ростом использования подземных источников – артезианских вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения актуальна проблема их очистки от отдельных лимитирующих компонентов загрязнений, например, бора, стабильного стронция, фторидов, удаление которых не решает традиционная схема и ее варианты, предусматривающие в основном удаление железа и марганца. В связи с этим санитарно-эпидемиологическая служба не согласовывает проекты строительства новых подземных водозаборов и расширения существующих для питьевых целей. Указанная ситуация усугубляется тем, что в настоящее время многие производства и население снабжаются питьевой водой с недопустимо высоким содержанием бора, фторидов и стабильного стронция.
Проблема очистки воды от стабильного стронция остро возникла в последнее десятилетие в связи с вовлечением в питьевое водоснабжение больших объемов артезианской воды водоносных горизонтов с содержанием стабильного стронция в 5-20 раз превышающим предельно-допустимое – 7 мг/л. Это межпластовые воды Московского артезианского бассейна, территории которого охватывают Московскую, Смоленскую, Тульскую, Калужскую, Калининскую, Ярославскую, Владимирскую, Рязанская обл." href="/text/category/ryazanskaya_obl_/" rel="bookmark">Рязанскую области, частично Мордовия" href="/text/category/mordoviya/" rel="bookmark">Мордовию. Повышенные концентрации стабильного стронция обнаружены в скважинах Архангельской, Воронежская обл." href="/text/category/voronezhskaya_obl_/" rel="bookmark">Воронежской областей, Нижнем Новгороде и др. Установлена закономерная тенденция увеличения содержания стронция с глубиной ( и др., 2003 г.).
Длительное употребление такой воды приводит к развитию заболеваемости среди детского и взрослого населения. Стронций на организм человека оказывает общетоксическое действие как нервный и мышечный яд. Гидроксид стронция вызывает ожоги слизистой оболочки и кожи. Попадание солей стронция пероральным путем приводит к кишечно-желудочным расстройствам и параличам. При избытке стронция в организме теплокровных поражается, прежде всего, костная ткань, печень и кровь. Наиболее характерный эффект токсического действия стронция – уровская болезнь, проявляющаяся в повышенной ломкости и уродстве костей.
Анализ отечественных и зарубежных публикаций, включая патенты, показал, что проблема очистки воды от стабильного стронция весьма актуальна. Из-за относительной новизны проблемы рубрика с наименованием «стронций» в классификаторе патентов по водоподготовке отсутствует. При решениях задачи умягчения воды, несмотря на обширную литературу, стронций практически не упоминается.
Из методов очистки от стабильного стронция возможно отметить фильтрационный с применением клиноптилолита в Nа+-ионной форме. Способ требует значительного количества химических реагентов (на регенерацию загрузки фильтров при производительности установки 10 м3/ч затрачивается 30-60 т/год кальцинированной соды). Способ пока не имеет промышленного внедрения. Для метода умягчения также характерен большой расход реагентов (коагулянта, флокулянта, извести и др.) – 150-300% по массе от содержания стронция и кальция, значительные количества образующегося шлама, что усложняет и удорожает процесс очистки. Способы обратного осмоса и электродиализа не селективны, образуются большие количества концентратов, содержащих стронций, которые необходимо очищать, например, методом дистилляции, что экономически не оправдано.
«НИИ ВОДГЕО» совместно с НИКИЭТ предварительно оценен способ очистки воды от стабильного стронция, основанный на электрохимическом воздействии на воду и осаждении стронция в виде карбоната. В диапазоне предварительно исследованных значений концентраций стронция (до 50 мг/л) этот способ позволяет снизить его содержание до 2 - 5 мг/л при предельно-допустимом значении – 7 мг/л.
Для решения проблемы очистки воды от стабильного стронция электрохимический метод является более перспективным: он – безреагентен, экономичен, технология электрохимической очистки может быть легко автоматизирована, количество образующегося шлама минимально.
Кроме того, практически вся обрабатываемая вода направляется потребителю. В результате проведенных испытаний ячейки по очистке реальной подземной воды (г. Егорьевск, Московская обл." href="/text/category/moskovskaya_obl_/" rel="bookmark">Московской области) от стабильного стронция достигнут эффект%.
В ряде регионов (Южный Урал, Западная Сибирь, Центральный район РФ – области Воронежская, Московская, Тульская и др.) подземные воды содержат бор в концентрациях, превышающих предельно-допустимую в раз.
Учитывая изложенное, поставленная задача по разработке и освоению надежного и эффективного метода глубокой очистки воды от бора имеет исключительно важное народно-хозяйственное и экологическое значение.
По существу поставленная задача впервые решается применительно к внедрению в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения.
В лаборатории водного хозяйства НИИ ВОДГЕО были осуществлены разработки по технологии очистки подземной воды от бора с использованием дорогостоящих селективных импортных анионитов, в частности S-108 фирмы «Рurolite», IRA-743 фирмы «Rohm and Нааs», Lewatit МК 51 фирмы «Ваyer» и Diaion СRВ 02 компании Resindion SRI. Однако данный способ очистки требует доработки, в частности, отыскания условий повторного использования регенерационных растворов и их финишной переработки с выделением ценных продуктов для обеспечения безотходности технологии. Получен патент РФ на разработку технологии очистки подземной воды от бора и брома, одновременно присутствующих в подземных водах.
Кроме того, в настоящее время разработан новый отечественный сорбент для селективного извлечения бора из природных вод с целью увеличения эффективности и снижения расходов на процесс обезборивания. Необходимо провести исследования для оптимизации технологии очистки воды от бора и создания отечественных высоконадежных установок и станций водоподготовки.
Фтор в подземных водах встречается повсеместно. Повышенные концентрации его оказывают отрицательное влияние на организм человека (заболевание печени, флюороз зубов). Рекомендуемая СНиП 2.04.02–84 технология обесфторивания с применением фильтрации через активированный оксид алюминия в нашей стране не получила практического осуществления из-за отсутствия качественного сорбента, отвечающего требованиям водоподготовки (гранулометрический состав, химическая стойкость, механическая прочность).
Выпускаемая для использования в химической промышленности активированная окись алюминия имеет ограниченную сорбционную емкость по фтору и требует значительного расхода реагентов на многостадийную регенерацию: щелочи или сульфата алюминия 30-40 г/г удаляемого фтора, промывной воды – 10% от объема воды, пропущенной за фильтроцикл.
К перспективным методам глубокого обесфторивания воды можно отнести технологию удаления фтора на гидроокиси алюминия, получаемой электрохимическим способом в электрокоагуляторе с растворяемыми алюминиевым или титановым электродами. Интерес в этом плане представляют электрокоагуляторы новой конструкции с низким расходом электроэнергии (0.3 кВт/м3). Образующиеся нерастворимые фторгидроксокомплексы отделяются на водоочистных сооружениях по двухступенчатой схеме (осветление – фильтрование).
Традиционные химические методы стабилизационной обработки подземной воды для питьевых целей основаны на использовании реагентов (СаО и Nа2СО3) или взаимодействии агрессивного диоксида углерода с карбонатом кальция с образованием растворенного гидрокарбоната кальция. Процесс требует значительного количества реагентов и не эффективен при низкой температуре подземных вод, особенно для северных районов РФ, где помимо стабилизации необходимо обогащение подземной воды кальций-ионом. Указанные вопросы кальцинирования и стабилизации воды возможно одновременно осуществлять с применением электролиза воды. Процесс электролиза может быть значительно интенсифицирован с применением современных нерастворяющихся электродов, конструктивно оформленных в виде модулей, используемых для производства химреагентов. Применение этих электролизеров для стабилизации воды решается впервые.
Изложенное свидетельствует об актуальности решения проблем очистки подземной воды, используемой в питьевых целях, от бора, стабильного стронция и фтора, а также ее стабилизации. Целью исследований по очистке подземных вод от указанных компонентов с применением безреагентных методов является теоретическое и экспериментальное обоснование, а также разработка технологических схем кондиционирования воды, определение основных параметров процессов. Выполнение исследований и разработок ставит также целью создать основу для серийного производства установок очистки подземной воды нового типа, отличающихся компактностью, безреагентностью, безотходностью технологии.
Для регионов Западной Сибири и Крайнего Севера актуально решение проблемы кальцинирования и магнизации мягких подземных водмгСа2+/л и << 6 мгМg2+/л) при низких температурах (1° - 5°С) и высоком содержании железа (до 25 мг/л) в отсутствии кислорода. Проблема мало изучена и является сложной вследствие замедленной кинетики процесса обогащения холодной воды гидрокарбонатом кальция и магния, а также необходимости одновременного осуществления обезжелезивания в условиях антропогенной нагрузки на водоисточник при значительной закарбонизованности подземной воды диоксидом углерода мг/л) и высоких концентраций газов – метана (до 50 мг/л) и сероводорода (>2 мг/л).
Проблема кондиционирования мягких природных и опресненных вод в постановке сочетания технических достижений и современных санитарно-гигиенических и экологических критериев является комплексной. Новизна предлагаемого исследования заключается не только в разработке новых эффективных технологий кондиционирования мягких природных и опресненных вод, но и в нетрадиционном принципиальном подходе – использовании внутренних резервов качества природных вод (например, уровня их закарбонизованности) и процессов термического и мембранного опреснения с целью обеспечения оптимального физико-химического состава и эффекта обеззараживания питьевой воды.
Для решения поставленных задач предполагаются теоретические и экспериментальные исследования с обоснованием технологических схем и основных расчетных параметров установок кондиционирования мягких природных и опресненных вод в питьевом водоснабжении.
Полученные результаты исследований и разработок новых безотходных технологий, обоснование технологических схем и основных расчетных параметров, проверка на моделях в опытно-промышленных условиях, технико-экономическая эффективность являются основой для проектирования и создания отечественной техники водоподготовки.
