Науково-технічні засади поліпшення стану питного водопостачання регіонів України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Хмельницький національний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

21.06.01 - екологічна безпека

Науково-технічні засади поліпшення стану питного водопостачання регіонів України

Виконала Грабовська Лариса Леонідівна

Хмельницький - 2009

Анотація

Грабовська Л.Л. Науково-технічні засади поліпшення стану питного водопостачання регіонів України - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 21.06.01. - Екологічна безпекаю - Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, 2009.

Дисертаційна робота присвячена створенню та обгрунтуванню наукових засад пполіпшення стану питного водопостачання в Україні. В проблемі якості питної води можна виділити декілька складових: нормування якості питної води, якість води джерел водопостачання, необхідність вдосконалення систем водопостачання, вторинне забруднення очищеної води, докальна доочистка на ріні споживача.

Ідеальні вимоги до якості питної води мають базуватися на принципі «нешкідливо, корисно, смачно», тому математична модель, що описує вимоги до якості питної води, включає залежності «домішки води - структура води - смак води».

Хоча стратегія орієнтована на вирішення загальнодержавної проблеми, реалізація її здійснюється саме на рівні окремого споживача чи невеликої групи споживачів. Тому споживачу при виборі водоочищувача необхідно спочатку надати допомогу в оцінці якості саме тієї води, яку він використовує для питних потреб, далі, спираючись на одержані дані, обрати засіб побутового водоочищення, який задовольнив би комплексу вимог "ефективність - легкість експлуатації - вартість", та інформувати споживача про зміни умов експлуатації обраного засобу (підвищення чи, навпаки, зниження вмісту забруднюючих речовин у воді).

Саме тому і повинна бути створена мережа регіональних (місцевих) консультаційно-методичних центрів (КМЦ), що допоможуть споживачу зробити правильний вибір, тобто будуть виконувати усі окреслені вище функції.

Для забезпеченя практичного впровадження локальної доочистки розроблені відповідні програми тестування зразків води та створена інформаційна база засобів локальної доочистки.

Ключьові слова: екологічна безпека, локальна доочистка, якість питної води, водопостачання, метод управління екологічною безпекою

екологічний безпека водопостачання доочистка



1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Забезпечення населення якісною питною водою є одним з головних і найбільш важливих завдань екологічної безпеки. Значна частина населення України споживає питну воду, якість якої не відповідає вимогам стандартів. Кризовими за цим показником можна вважати Донецьку, Луганську, Херсонську, Миколаївську Запорізьку та Одеську області. По Україні 1161 населений пункт споживає привізну питну воду.

Якість питної води стає важливим фактором ризику для людського здоров'я. Тому створення теоретичних основ і обгрунтування оцінки екологічного ризику в галузі питного водопостачання - один із приоритетних напрямків підвищення екологічної безпеки взагалі.

Пошук та створення оптимальних форм управління екобезпекою, вивчення та обґрунтування ступеню відповідності наявних та прогнозованих екологічних умов завданням забезпечення здоров'я людини, особливо в галузі забезпечення населення якісною питною водою, - важливий напрямок досліджень. Якість питної води - проблема не лише екологічна або технічна, вона стає проблемою соціальною, навіть економічною. ЇЇ вирішення - підвалина забезпечення сталого соціально-економічного розвитку та потенціалу держави.

Оптимальним з точки зору швидкого вирішення проблеми якості води є доочистка водопровідної води в місцях її споживання за допомогою приладів індивідуального водокористування (використання побутових фільтрів). Такі методи є актуальними за сучасних умов. В Загальнодержавній програмі «Питна вода України» на 2006-2020 роки зазначено, що одним із заходів покращення стану питної води є широке використання засобів побутового доочищення води. У 2006-2010 роках передбачається розширення використання індивідуальних та колективних установок (пристроїв) доочищення води для питних потреб у місцях її безпосереднього споживання.

Впровадження оптимальної системи локальної доочистки питної води слід розглядати як одне із питань екологічної безпеки України. А розробка наукових засад впровадження локальних систем доочищення питної води та нормування якості питної води є важливим аспектом управління екологічною безпекою на сучасному етапі розвитку держави.

Це зумовило вибір теми дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами (планами, темами). Наукові положення, розроблені в дисертації, реалізовані у науково - дослідній роботі «Забезпечення продовольством структурних органів Державної прикордонної служби України шляхом залучення структур малого та середнього бізнесу» (щифр «Продовольство» № 207 - 0003 А).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка наукових засад підвищення екологічної безпеки питного водопостачання України шляхом впровадження локальних систем доочищення питної води.

Для досягення поставленої мети було розв'язано такі наукові задачі:

1) розроблено стратегію підвищення екологічного стану питного водопостачання шляхом впровадження засобів локальної доочистки питної води та тактики її реалізації;

2) запропоновано оптимальних форм управління екологічною безпекою в галузі питного водопостачання, для чого було створено оптимальні вимоги до якості питної води;

3) розроблено оптимальний засіб доочистки питної води, що враховує регіональні особливості та гнучкий підхід до забезпечення відповідної якості питної води.

Об'єкт дослідження - екологічна безпека в галузі питного водопостачання.

Предмет дослідження - шляхи підвищення екологічної безпечності питного водопостачання України.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань використовувалися такі методи дослідження:

- теоретичні: аналіз наукової літератури; порівняння, аналіз, синтез і систематизація; узагальнення науково-теоретичних і дослідних даних;

- емпіричні: фізико-хімічні методи аналізу об'єктів природного середовища.

Інформаційною базою дисертаційного дослідження є законодавчі та нормативні акти Верховної Ради, Президента і Кабінету Міністрів України, матеріали Державного комітету статистики України, а також матеріали Департаменту екологічної безпеки Міністерства охорони навколишнього середовища України, матеріали досліджень міжнародних організацій з екологічних проблем водокористування.

Методологічною основою дисертаційної роботи є діалектичний метод наукового пізнання. Методичною основою послужили праці вітчизняних і зарубіжних вчених-економістів, екологів, технологів з дослідження проблем охорони навколишнього середовища, теоретичні та методологічні розробки наукових установ НАН України, праці вітчизняних і зарубіжних вчених з питань питної водопідготовки, а також з проблем збереження і відтворення природних ресурсів та забезпечення сталого розвитку.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті проведених дослідженьрозв'язано важливу науково-прикладну задачу покращення екологічного стану питного водопостачання регіонів України.

1. Вперше вивчена можливість використання методів побутової доочистки води для негайного вирішення проблеми якості питної води на рівні споживача.

2. Вперше розроблені програми тестування зразків питної води для обгрунтування вибору засобу побутового доочищення.

3. Вперше розглянута якість води як інтегральна оцінка фізичних, хімічних, біологічних властивостей води, її структури, та кореляція між цими показниками. Розроблені теоретичні та практичні основи впровадження локальних систем доочищення питної води, як одного із заходів управління екологічною безпекою на регіональному та місцевому рівнях.

4. Вперше розроблена науково обгрунтована стратегія покращення якості питної води, яка передбачає впровадження методів локальної доочистки води, розробку оптимальних вимог до якості води та відповідних нормативів, створена математична модель таких вимог.

5. Вперше запропонована тактика її доцільної реалізації, як важливого кроку для досягнення екологічної безпеки, адже споживання питної води прийнятної якості необхідне для покращення умов життєдіяльності населення. Важливим елементом тактики є створення мережі консультаційно - методичних центрів для споживачів. Завданням центрів є надання допомоги у виборі оптимального засобу доочистки питної води в залежності від регіональних та місцевих особливостей та прогнозованих умов експлуатації засобів.

Першим кроком реалізації запропонованих стратегії та тактики стало створення консультаційно-методичних центрів для населення в електронному середовищі - у вигляді сайту.

Практичне значення одержаних результатів. Значення дисертаціного дослідження підтверджується використанням його результатів, про що є відповідні акти впровадження.

Результати дисертаційного дослідження знайшли застосування в діяльності Незалежного центру дабораторних досліджень «Еталон». Програми тестування зразків питної води були випробувані в діяльності МКП «Хмельницькводоканал».

Математичні моделі, програми тестування зразків питної води, класифікація засобів побутової доочистки, банки інформації засобів доочистки питної води, карти стану питної води та джерел водопостачання використовуються при викладанні дисциплін «Методи очистки та контролю якості води» і «Організація контролю якості води, грунтів, повітря» для спеціальності 7.070801 - «Екологія та охорона навколишнього середовища» напряму 0708 «Екологія» на кафедрі екології Хмельницького національного університету.Висновки і рекомендації стануть основою розробки і впровадження конкретних заходів щодо забезпечення населення питною водою належної якості.

Реалізація стратегії покращеня якості питної води шляхом впровадження методів локального доочищення води та відповідна тактика забезпечать надійність і ефективність функціонуваня системи управління екологічною безпекою в галузі водозабезпечення населення України.

Дисертаційні розробки актуальні для усіх регіонів України, тому що враховують саме регіональні особливості.

Запропоновані програми тестування зразків питної води дають можливість оптимізувати проведення аналізів регіональними та місцевими лабораторіями, врахувати сезонні зміни якості питної води. Також споживач має можливість обрати засіб доочистки, орієнтуючись на зміст програми, якщо проведення аналізу води неможливе.

Створені банки інформації дають споживачу можливість обрати засіб доочистки, оптимальний не лише за експлуатаційними характеристиками, але й за вартістю. Банки інформації по засобах локальної доочистки, програми тестування питної води дають змогу лабораторіям надавати нову послугу населенню - підбір оптимального засобу доочистки питної води.

Створений за матеріалами дисертаційного дослідження сайт - віртуальний консультаційно-методичний центр - не лише привертає увагу до впровадження локальних водоочисних засобів, як шляху підвищення якості питної води та екологічної безпеки взагалі, він надає можливість використовувати інформацію програм та банків як водоспоживачам, так і лабораторіям, для яких доступний ресурс Інтернет.

Запропоновані математичні моделі є основою для розробки оптимальних вимог до якості питної води та оптимального водоочисного засобу, що забезпечить гнучкий підхід до очистки питної води.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки та рекомендації дисертації обгрунтовані коректним використанням математичного апарату, успішною реалізацією розроблених програм тестування питної води та банків інформації засобів доочистки питної води, фільтру сегментної кострукції, стратегії підвищення екологічного стану питного водопостачання та тактики її реалізації, ефективним практичним впровадженням результатів дисертаційного дослідження в діяльність лабораторій, яке продемонструвало збігання теоретичних досліджень з практичними результатами.

Обрані методи та послідовність їх використання дозволили вирішити задачі дослідження в повному обсязі.

Основні положення, висновки та рекомендації, подані у дисертації, в достатній мірі науково обґрунтовані, переконливо та чітко сформульовані. Вірогідність результатів проведених досліджень, як науково обґрунтованих, підтверджується їх визнанням на наукових семінарах.

Особистий внесок автора у роботу. Усі основні результати дисертаційного дослідження, представлені до захисту, одержані автором особисто. У друкованих працях, написаних у співавторстві, автору належать:новий підхід до оптимізації складу домішок питної води на основі подібності до внутрішньоклітинної води та програма оптимізації складу домішок мінеральних вод, обгрунтовання необхідності створення мережі косультаційно - методичних центрів для підбору оптимального засобу локальної доочистки для водоспоживачів, програми тестування зразків питної води, новий підхід до оцінки якості питної води, який враховує не лише домішки води, але і її структуру, карти стану питної води та води джерел водопостачання, стартегія вирішення проблеми якості питної води шляяхом використаня засобів локальної доочистки та тактика її реалізації, фільтр сегментної конструкції та математична модель для нього.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення, висновки і рекомендації, що сформульовані в дисертації та виносяться на захист, доповідались і обговорювались на науково-практичних конференціях та семінарах, а саме:

- на 5 міжнародних конференціях: V Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство» (м. Київ, 2002), "Аква- Україна 2006" (Київ, 2006), "Біосферно-ноосферні ідеї Вернадського та еколого - економічні проблеми розвитку регіонів" (Кременчук, 2006), "Аква - форум України 2006" (Київ, 2006), ІІІ Міжнародній конференції молодих вчених «Розмаїття живого. Екологія. Еволюція. Адаптація», (м. Одеса, 2007), Міжнародному Водному Форумі «АКВА Украина» (м. Донецьк, 2007),

- на 4 всеукраїнських: Студентській науковій конференції ДАЛПУ (м. Київ, 1999), "Екологічна безпека України"" (Кременчук, 2006), VIII-й науково-практичній конференції «Вода: проблемы и решения» (м. Дніпропетровськ, 2007), Науково-практичній конференції «Збережемо здоров'я нації в сучасних екологічних умовах» (м. Хмельницький, 2007);

- на університетських: студентській конференції гуманітарно-педагогічного факультету за підсумками науково-дослідної роботи у 1998 р., ХТУП (м. Хмельницький, 1998), студентській науковій конференції за підсумками науково-дослідної роботи у 1999 - 2000 роках, ХТУП, (м. Хмельницький, 2000).

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано її мету та наведені основні результати досліджень.

У першому розділі подано огляд літератури за темою дисертації. Значну увагу приділено публікаціям та документам, в яких характеризуються та аналізуються методи водоочистки та їх комбінація, саме поняття «якість води» в ракурсі екологічної безпеки та відповідні нормативні вимоги.

Концептуальні питання екологічної безпеки розглядалися на основі праць таких ведучих спеціалістів, як Реймерс М.Ф., Білявський Г.А., Ізраель Ю.А., Крайнов І. П.

Методи та технології очистки води розглядалися, спираючись на праці Запольського А.Г., Кульського Л.А., Клячко В.А., Апельцина І.Е., Конінова В.Ф.

Математичні моделі створювалися на основі вивчення праць Кафарова В.В., Вінарова А.Ю., Гордєєва Л.С., Ризниченка Г.Ю.

Розглянуто якість питної води, а відповідно і використання методів побутової доочистки питної води, як фактор екологічної безпеки (рис.1).

Рис.1. Якість питної води як фактор екологічної безпеки

Якість води безпосередньо впливає на здоров'я населення. Значна частина захворювань пов'язана із споживанням неякісної води (поширення інфекцій внаслідок мікробіологічного забруднення води, захворювання, що викликані кумулятивною дією домішок води при тривалому споживанні води низької якості) (зв'язки 10 - 4, 4 - 2 на рис. 1).

Загальний рівень екологічного благополуччя (зв'язок 3 - 6) впливає на якість води джерел водопостачання та на якість питної води (зв'язок 6 - 10). Тобто чим вище антропогенний (техногенний) вплив на навколишнє середовище, тим більший ризик забрудненості питної води (зв'язок 3 - 6 - 10). При цьому нижча якість вихідної води вимагає ускладнення схем водопідготовки, що в свою чергу збільшує вплив станцій водопідготовки на навколишнє середовища, тобто техногенне навантаження.

Контроль якості питної води можна розглядати як метод управління екологічною безпекою в галузі питного водопостачання (зв'язок 5 - 8 - 10 та 8 - 5). Впровадження засобів локальної доочистки питної води здатно вирішити проблеми якості питної води, отже також є методом управління екологічною безпекою в галузі питного водопостачання (зв'язок 5 - 9 - 10 та 9 - 5).

Людина є суб'єктом відносин «людина - техногенний вплив на навколишнє середовище) (зв'язок 2 - 3) та «людина - управління екологічною безпекою» (зв'язок 2 - 5). При цьому техногенний вплив людської діяльності на навколишнє середовище - один із головних факторів, що розглядає екологічна безпека (зв'язок 3 - 1).

Зменшення негативного впливу на здров'є людини, техногенного впливу на навколишнє середовище слід розглядати як пріоритетні напрямки екологічної безпеки. Це досягається засобами управління екоогічною безпекою, серед яких слід виділити впровадження сучасних засобів локальної доочистки питної води.

Висновок: впровадження оптимальної системи локальної доочистки питної води слід розглядати як одне із питань екологічної безпеки України. А розробка наукових засад впровадження локальних систем доочищення питної води та нормування якості питної води є важливим аспектом управління екологічною безпекою на сучасному етапі розвитку держави.

В другому розділі обгрунтовано вибір об'єктів, методів та методик дослідження.

В третьому розділі проведено аналітичний огляд моніторингових даних щодо стану поверхневих та підземних джерел питного водопостачання України та питної води, створені відповідні карти (рис. 2 - 5).

Найнеблагополучнішими регіонами є: Києвська, Черкаська, Полтавська, Кіровоградська, Дніпропетровська, Донецька, Запорізька, Херсонська, Миколаївська, Одеська області.

В четвертому розділі розроблено стратегію впровадження локальної доочистки питної води та тактику її оптимальної реалізації.

Головним компонентом стратегії покращення якості питної води є впровадження системи локальної доочистки води та обґрунтоване використання бутильованих вод (зокрема в тих регіонах де споживають привізну воду). Такий підхід дає споживачу можливість дочекатися реалізації глобальних заходів державного рівня у комфортних умовах.

Тактика реалізації цієї стратегії включає заходи, актуальні й для глобального варіанту - розробку нових нормативів якості води (водопоровідної, бутильованої). Але головним компонентом є створення системи консультаційно - методичних центрів (КМЦ).

Хоча стратегія орієнтована на вирішення загальнодержавної проблеми, реалізація її здійснюється саме на рівні окремого споживача чи невеликої групи споживачів. Тому споживачу при виборі водоочищувача необхідно спочатку надати допомогу в оцінці якості саме тієї води, яку він використовує для питних потреб, далі, спираючись на одержані дані, обрати засіб побутового водоочищення, який задовольнив би комплексу вимог "ефективність - легкість експлуатації - вартість", та інформувати споживача про зміни умов експлуатації обраного засобу (підвищення чи, навпаки, зниження вмісту забруднюючих речовин у воді).

Саме тому і повинна бути створена мережа регіональних (місцевих) консультаційно - методичних центрів (КМЦ), що допоможуть споживачу зробити правильний вибір, тобто будуть виконувати усі окреслені вище функції.

Впровадження запропонованої стратегії призведе до покращення якості питної води, а тактика дасть змогу зробити це оптимальним для споживачів чином.

Для забезпеченя практичного впровадження локальної доочистки розроблені програми тестування зразків води та створена інформаційна база засобів локальної доочистки. Програми двох видів - для джерел централізованого та децентралізованого водопостачання - створені для усіх областей України та для АР Крим. Інформація програм та баз використана в діяльності віртуального консультаційно - методичного центру - сайту.

Рожевим кольором виділені ті речовини, на присутність яких необхідно звернути особливу увагу, синім - ті, що присутні у воді постійно, зеленим - присутні під час сезонних сплесків забрудненості води.

Кожна сторінка, що містить інформацію із схемами тестування питної води, також містить перелік засобів локальної (індивідуальної) доочистки, що опимальні для води у цьому регіоні.

Крім того, представлена таблиця, яка дає уявлення, які домішки потрапляють у воду внаслідок недостатнього очищення та низької якості води джерела, а які - вторинні забруднення при транспортуванні.

Для реалізації другого блоку стратегії, а відповідно й тактики, запропонована математична модель вимог до якості питної води, що грунтуються на принципі «нешкідливо, корисно, смачно».

Принцип «нешкідливо» математично інтерпретовано як нерівність:

або ,

де X - шукане значення (проміжок значень) для параметру; N^norm - нормативний вміст, нормативна величина впливу (гранична величина, яку не потрібно перевищувати; N¹_, N² - межі, в яких повинне знаходитися нормоване значення (для гігієнічної регламентації домішок, наприклад).

Принцип «корисно» також може мати вигляд нерівності, адже для більшості речовин справедливим є умовивід: «надмірна кількість речовини перетворює її на отруту з кумулятивною дією, недостатня - робить лімітуючим фактором для організму людини, адже певну кількість речовин людина може отримувати саме з водою»:

,

де N^min, N^max - граничні умови: якщо, ми будемо розглядати вміст речовини у воді як лімітуючий фактор, то це - межі зони оптимуму.

Як складову принципу «корисно» розглянуто таку характеристику, як структура води. Виходячи з того, що структура здатна впливати певним чмном на ряд фізико - хімічних характеристик, які можна виміряти, то ми теж пронормуємло її як функцію від цих характеристик:

,

де Х^I - вміст (параметр), що відповідає оптимальній структурі, f(S) - функція, що залежить від способу визначення структури води.

Наступний принцип - «смачно» - можна вивести, користуючись досвідом, адже вода із вмістом певних речовин у визначених межах здається людині смачнішою, ніж інша.

Можна сказати, що це - «функція від органолептично визначеного смаку»:

,

де - «смачний» вміст речовини (значення параметру);

- функція - залежність від смакових якостей води.

Таким чином, вміст кожної речовини або певний фізичний параметр може описуватись системою рівнянь та нерівностей. Вирішення її і буде шуканим оптимальним вмістом, що задовільнить принципу «нешкідливо, корисно, смачно».

Система має вигляд:

Тоді вимоги до якості води можна розглядати, як сукупність таких систем, тобто «систему систем». Цей масив і стане новими вимогами до якості води, що задовільняють принципу «нешкідливо, корисно, смачно», математичною моделлю вимог нового покоління.

В п'ятому розділі розроблена система оцінки засобів локальної доочистки питної води.

Система оцінки спирається на розподіл засобів по типам. При цьому враховується ресурс, вартість експлуатації, конструктивні особливості (необхідність підключення до електромережі та створення додаткового тиску), в комплексі з процесами, що застосовуються (сорбція, мембранні процеси, електрохімічна очистка, ультрафіолетове опромінення, озонування, механчна очистка). Кожна ячейка таблиці (атрибут) відповідає засобу даного типу, дія якого базується на даному процесі. Назва процсу вказана в заголовку поля (стовпця), конструтивні особливості - в записі (рядку). Співвідношення «процес - конструктивна особливість» характеризується кольором: червоним, жовтим, зеленим (рис.9).

Червоним кольором виділені варіанти при яких дія засобу базується на певному процесі і його експлуатація обумовлює певні конструктівні особливості. Наприклад, засіб, що підключається до мережі, і дія якого базується на сорбції. Для його експлуатації необхідне така конструктивна особливість, що зумовлює створення додаткового тиску

Жовтий колір ячейки свідчить, що для даного варіанту засобу дія якого базується на даному процесі певне конструтивне рішення непотрібне. Наприклад, для колективних фільтрів, дія яких базується на сорбції, підключення до електромережі непотрібне.

Зелений колір ячейки свідчить, що даний тип засобу не може бути реалізований із застосуванням даного процесу та означених конструктивних особливостей. Наприклад, «глечик» не може базуватися на мембранних процесах; додатковий тиск чи наявність електроенергії для нього не важливі.

Застосування такої системи оцінки до певного засобу, дає можливість отримати його «паспорт» - сукупність характеристик, на основі яких можна давати конкретні рекомендації по оптимальній експлуатації засобу.

На основі аналізу інформації про існуючі побутові доочищувачі створена концепція оптимального фільтру.

Більшість засобів побутового доочищення має загальний та суттєвий недолік - вони дозволяють очищувати воду від переліку домішок, що «запрограмован» фірмою -виробником. Сама структура фільтрів ускладнює підбір методів регенерації наповнювачів (картриджів) та саму регенерацію.Тому необхідно створити побутовий фільтр, який би дозволив проводити гнучку доочистку. Тобто враховувати конкретні місцеві умови - склад та кількісну характеристику домішок у воді, що піддається доочистці. Таким фільтром може стати сегментний фільтр

Головною його особливістю є сегментна конструкція. Кожен наповнювач знаходиться в окремому сегменті. За такої умови можна підбирати такі сегменти з наповнювачами, які дозволили би очищувати воду саме від сукупності тих домішок, що притаманні саме їй. Крім того, підібрати метод регенерації для окремого наповнювача значно легше. Якщо ресурс окремого наповнювача вичерпаний, то заміняти потрібно лише відповідний сегмент, а не весь картридж. Це здешевлює очистку, регенерацію та й сам фільтр в кінцевому рахунку.

Сегментна структура дає ще одну перевагу: можливість використовувати лише певні сегменти в певний момент часу, тобто проводити очистку такої глибини, яка необхідна споживачу (видалити лише механічні домішки (іржу), знезаразити, знизити вміст остаточного хлору і т. д.). Наприклад для гігієнічних пооцедур чи миття посуду тонка очистка води не потрібна, частину сегментів можна просто не використовувати. В цьому також є гнучкість доочистки води. Для фільтрів інших типів так розділення наповнювачів конструктивно неможливе, тому вичерпується ресурс усіх наповнювачів незалежно від необхідності у їх застосуванні.

Крім того сегментна конструкція фільтру дозволить реагувати на будь - які зміни в складі води, що очищується (сезонні коливання, аварійнй ситуації і т. д.). Сегменти виконуються із пластмаси, дно і верхня частина - із пористого матеріалу, що не затримує потік води. Першим сегментом є сегмент грубої очистки, що має з'єднуючий пристрій, який дозволяє приєднувати його безпосередньо до крану та використовувати окремо від фільтру (це дозволяє використовувати його для будь - якого крану в оселі, якщо в тонкій очистці немає потреби - миття посуду, гігієнічні процедури).

Сегментна стуктура дозволяє за потреби доповнювати фільтр сегментом - структуратором, що містить мінерали (кварц, кремінь, морська сіль і т. д.). В ньому вода обробляється з використанням гомеопатичного ефекту, структурується, змінюється її «пам'ять».

Розмір сегментів відповідає розмірам картриджу для фільтрів типу «глечик» американського, німецького, польського та російського виробництва, отже їх можна використовувати для усіх фільтрів такого типу.

Запропонований сегментний фільтр має значну лабільність, що підвищує його якість та економічну доцільність використання.

Спираючись на закономірності процесу адсорбції та масопередачі, запропонована математична модель сегментного фільтру. Вона являє собою сукупність характеристичних рівнянь окремих сегментів.

Така модель може бути розв'язана звичайними математичними засобами, має графічну інтерпретацію (сукупність прямих), отже піддається оптимізації.

Модель може бути використана для створення відповідної програми розрахукнку параметрів сегментного фільтру з врахуванням конкрених місцевих умов чи інженерних рішень.

Кількість речовини, що поглинається в зоні масопередачі, позначена через Y. Так як величини швидкість процесу u та час проходженя фронту адсорбції по зоні масопередачі _m, що характеризують зону адсорбції, визначаються експериментально, то введено змінну х=u_m, що буде характеризувати зону адсорбції, k = 0,9sy₀ (де s - площа перерізу сегменту, y₀ - концентрація забуднюючої речовини у воді). Сукупне вирішення характеристичних рівнянь для сегментів, що передбачається експлуатувати разом, дає можливість визначити максимальний можливий час експлуатації фільтру при заданій ефективності (кількості забруднюючих речовин, що видпляється).

В якості прикладу розглянуто сегментний фільтр для води міста Хмельницького. Розглянуто чотири сегмента, що призначені для видалння остаточного хлору, важких металів, заліза та загального азоту.

Досліджені матеріали - можливі наповнювачі сегментного фільтру. Для дослідження були вибрані такі матеріали: активоване вугілля (як традиційний матеріал, що використовується в доочистці питної води), монтморіллоніт (глинистий матеріал, що використовується для дезактивації вод, видалення радіонуклідів, що актуально для України після аварії на ЧАЕС), доломіт (як природний іонообмінний матеріал), оброблений шлак (для оцінки можливості утилізації даного матеріалу, використовуючи його як наповнювач), активоване вугілля кісточкове (в якості альтернативи традиційному).

Досліджувалася водопровідна вода, відібрана в двох найпроблемніших районах міста Хмельницького. Концентрації забруднюючих речовин визначалися в початковій воді (до проходження крізь шар матеріалу) і після проходження крізь шар певної товщини: 10, 1 та 20 мм. Для визначаення використовувалися стандартні методики. Виходячи з отриманих даних розрахована ефективність очистки води матеріалами - наповнювачами.

Використовуючи розрахункові дані були побудовані графіки та діаграми, що описують розподіл ефективності очистки води від переліку домішок для кожної води при певній товщині шару матеріалів.

Так як найбільш вагомими забруднювачами питної води міста Хмельницького є нітрати та залізо, проведено порівняльний аналіз комбінацій наповнювачів для модельного розчину, що містить залізо та нітрати. Для виготовлення модельного розчину ми використали максимальні відомі нам відхилення по цим показникам відносно ГДК для питної води міста: нітрати - 7 ГДК; залізо - 5 ГДК. Товщина шару кожного матеріалу - 20 мм.

Найефективнішою для видалення забруднювачів є комбінація «активоване вугілля + доломіт». Тому її можна вважати оптимальною. В якості альтернативи (при врахуванні поширеності чи економічності) можна запропонувати комбінацію «кісточковий сорбент + доломіт».

Висновки

1. Розроблено стратегію впровадження системи локальної доочистки води. Вона спрямована на ефективне та відносно швидке вирішення загальнодержавної проблеми на місцевому рівні, способом найприйнятнішим для водоспоживачів. Розроблена тактика впровадження цієї стратегії. Головним елементом тактики є створення мережі консультаційно - методичних центрів.

2. Для забезпеченя практичного впровадження локальної доочистки розроблені відповідні програми тестування зразків води та створена інформаційна база засобів локальної доочистки. Для цього запропоновано розподіл забруднюючих речовин в залежності від джерела їх потрапляння до питної води. Створені програми тестування зразків води по кожній області.

3. Закладені концептуальні засади для створення нових вимог до якості питної води. Такі вимоги являють собою інтегральний показник, що враховує хімічні, фізичні властивості води, вплив, насамперед, структури води на її придатнісь для питного водоспоживання. Вони реалізують принцип «нешкідливо, корисно, смачно». Сформована математична модель вимог до якості води, що грунтується на принципі «нешкідливо, корисно, смачно».

4. Розглянута можливість створення ефективного (оптимального) засобу доочистки питної води на основі аналізу існуючих засобів. Для цього проаналізована інформація про існуючі локальні доочищувачі, методи та процеси, на яких базується їх дія. Запропонована класифікація засобів та відповідна структура системи засобів локальної доочистки. Запропонована схема оцінки засобів, що базується на розробленій класифікації та структурі системи.

5. Розроблено фільтр нового типу - сегментний фільтр. Він дозволяє проводити гнучку доочистку, тобто враховувати конкретні місцеві умови - склад та кількісну характеристику домішок у воді, що піддається доочистці, проводити очистку такої глибини, яка необхідна споживачу. Крім того сегментна структура фільтру дає можливість реагувати на будь - які зміни в складі води, що очищується (сезонні коливання, аварійні ситуації і т. д.). Створена математична модель сегментного фільтру. Модель може бути використана для створення відповідної програми розрахукнку параметрів сегментного фільтру з врахуванням конкрених місцевих умов чи інженерних рішень.

6. Досліджені матеріали - наповнювачі для фільтру сегментної конструкції. Серед розглянутих наповнювачів оптимальною за сукупністю вимог «ефективність - розповсюдженість - вартість» є комбінація «доломіт + активоване вугілля». Близькою до неї за характеристиками є «косточковий сорбент + доломіт».



Список опублікованих праць автора за темою дисертації

1. Г.А. Білецька, Л.Л. Новицька. Мінеральні води Хмельницької області. Оптимізація складу мінеральних вод.//Вісник Ужгородського національного університету. Серія «Хімія». - 2002.- Вип. 8. р. - С. 63 - 65.

2. Грабовська Л.Л., Крайнов І.П. Концепція покращення якості питної води в сучасних умовах.//Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету - Випуск 5/ 2006 - (40) № 5 частина І. - С. 109 - 112.

3. Грабовська Л.Л., Крайнов І.П. Шляхи покращення якості питної води м. Кременчук. //Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету - Випуск 6/ 2006 - (41) № 6 частина І. - С. 157 - 159.

4. Грабовська Л.Л., Єфремова О.О. Методологічні аспекти покращення якості питної води, що споживається// Збірник наукових праць Національної академії Державної прикордонної служби України імені Б. Хмельницького № 38. Частина ІІ. - 2007. - С. 51 - 53.

5. Грабовська Л. Л., Крайнов І. П. Сегментний фільтр - оптимальний засіб побутової доочистки питної води. - Питання біоіндикації та екології: Періодичне наукове видання. - 2008. - Вип. 13, № 1. - С. 61 - 68.

6. Т.Ф. Петренко, Н.В. Семенюк, Л.Л. Новицька. Біотесткартування водних розчинів екотоксикантів// Екологічна освіта на Хмельниччині. - Кам'янець - Подільський: «Абетка». - 2001 р. - С.142 - 147.

7. Грабовська Л.Л, Тульська О.Л. Оптимізація складу та структури питної води у водопідготовці // "Актуальні проблеми гуманітарних та природничих наук", збірник наукових праць гуманітарно - педагогічного інституту Хмельницького національного університету. - 2006.- №1. - C.203-204.

8. Грабовська Л.Л., Крайнов І.П., Єфремова О.О. Питна вода Хмельниччини: постійні та сезонні проблеми. Шляхи їх подолання // Бюлетень "ЕкоХмельницький. водні ресурси". - 2006. - №6. - C.23 - 30.

9. Грабовська Л. Л., Пигович Т. С. Стан джерел водопостачання на Україні // Актуальні проблеми гуманітарних та природничих наук. збірник наукових праць гуманітарно - педагогічного інституту Хмельницького національного університету. - 2006.- №3.- Том 1. - C.160-163.

10. Л.Л. Новицька, Г.А. Білецька. Біологічно активні компоненти та ефективність використання мінеральних вод Збручанського родовища // Збірка тез доповідей 5 Международной науково - практичной конференції «Екологія. Людина. Суспільство» - Київ «Політехніка», 2002. - С. 144 - 145.

11. Грабовська Л. Л., Крайнов І. П. Якість питної води: проблеми та можливі шляхи їх подолання // Матеріали Міжнародного Водного Форуму - Київ. - 2006 - №4.- C.251- 252.

12. Грабовська Л.Л., Крайнов І.П., Єфремова О.О. Potable water of Kremenchug: seasonal and constant problems and probable ways of their decision means additional cleanings // Матеріали ІІІ Міжнародної конференції молодих вчених «Розмаїття живого. Екологія. Еволюція. Адаптація» - м. Одеса - 15-18. 05. 2007 - С.

Размещено на Allbest.ru

...