Проблемные вопросы решения технологии подготовки питьевой воды на базе подземных водоисточников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблемные вопросы решения технологии подготовки питьевой воды на базе подземных водоисточников

Г.А. Ивлева - д-р техн. наук,

ОАО «НИИ ВОДГЕО», Москва, Россия

Л.С. Алексеев - д-р. техн. наук;

Е.В. Гладкова - канд. техн. наук

ФГОУ ВПО «РГАЗУ, г. Балашиха, 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.

НИИ 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-допусти-мое - 7 мг/л. Это межпластовые воды Московского артезианского бассейна, территории которого охватывают Московскую, Смоленскую, Тульскую, Калужскую, Калининскую, Ярославскую, Владимирскую, Рязанскую области, частично Мордовию. Повышенные концентрации стабильного стронция обнаружены в скважинах Архангельской, Воронежской областей, Нижнем Новгороде и др. Установлена закономерная тенденция увеличения содержания стронция с глубиной /Каспаров А.А. и др., 2003/.

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, Московской области) от стабильного стронция достигнут эффект 93…97%.

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 6…10 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 решается впервые 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, присутствующих одновременно 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 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 вод (2…5) мгСа²⁺/л и <<6 мгМg²⁺/л при низких температурах (1…5^оС) 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 (60… 200 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.

очистка подземный вода стронций

Размещено на Allbest.ru