CC BY
80
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ
УДК 628.16
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОИ ВОДЫ И РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ КАК ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОСЕЛЕНИЙ
© 2012 г Е.С. Кулакова*, Л.Н. Фесенко**, Т.И. Дрововозова*, А.Ю. Скрябин, Э.В. Борисова*, В.В. Денисов**
*Новочеркасская государственная *Novocherkassk State
мелиоративная академия Meliorative Academy
"Южно-Российский государственный **South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Разработана технология биоцидной обработки питьевой воды, предназначенной для сельских поселений, предусматривающая замену традиционного окислителя-дезинфектанта хлора на экологически менее опасные дезинфектанты: ультрафиолет, ионы меди и пероксид водорода (Н2О2). Комбинирование предлагаемых окислителей-дезинфектантов физической и химической природы позволяет добиться требуемой глубины обеззараживания при меньших экологических издержках, в частности обусловленных снижением доз и энергозатрат, и обеспечить длительную сохранность воды, причем при относительно высоких температурах.
Ключевые слова: технологии водоподготовки; биоцидная обработка; окислители-дезинфектанты; ресурсо- и энергосбережение; питьевое водоснабжение.
Technology for biocide treatment of drinking water for rural settlements foreseeing the replacement of conventional oxidant-disinfectant chlorine by ecologically less harmful disinfectants: ultraviolet, ions of copper and hydrogen peroxide is developed. Combination of proposed oxidants-disinfectants of physical and chemical nature makes it possible to achieve staffified depth of disinfection under less environmental side effects stipulated by decrease in doze and energy expenditures, as well as to provide long-term water preservation under relatively high temperatures.
Keywords: technology of water preparation; biocide treatment; oxidizers-disinfectants; recourse and energy conservation; drinking water supply.
Обеспечение населения России качественной питьевой водой является одной из актуальных задач, которая подтверждается соответствующими положениями государственной программы «Чистая вода». Это вызвано не только дефицитом качественной питьевой воды, но и практически повсеместным ухудшением общей экологической обстановки и чрезмерным химическим и микробиологическим загрязнением поверхностных водных объектов, зачастую являющихся источниками питьевого водоснабжения. Кроме того, особо остро стоит вопрос об очистке воды, а также о применении на станциях водоподготовки более эффективных и в то же время экологически безопасных методов ее обеззараживания.
Особое внимание в настоящее время уделяется проблеме питьевого водоснабжения в сельских поселениях, малых населенных пунктах, расположенных в труднодоступных местах, а также котеджных поселках. К основным проблемам обеспечения качественной питьевой водой жителей сельских поселений, помимо ранее указанных, также относятся: нехватка на очистных станциях высококвалифицированного обслуживающего персонала, неудовлетворительное
санитарно-техническое состояние распределительных сетей, недостаточное финансирование на восстановление и ремонт изношенного оборудования.
Проблемой сельскохозяйственного водообеспече-ния также является и то, что высокая степень загрязненности поверхностных вод и невозможность их использования для хозяйственно-питьевых целей без предварительной очистки делают подземные воды основным источником водоснабжения. Это обусловлено минимальными затратами на строительство очистных сооружений и использование химических реагентов.
Стоит отметить, что главной особенностью водо-обеспечения жителей сельских поселений является нерациональное использование воды питьевого качества на вспомогательные нужды, т.е. содержание животных и птиц, полив приусадебных участков в летнее время, суточная и сезонная неравномерность водопо-требления.
В связи с вышеизложенным определяется необходимость проведения исследований, направленных на улучшение качества питьевой воды малых населенных пунктов, повышение уровня экологической и санитар-
но-гигиенической безопасности систем сельского питьевого водоснабжения, а также сокращения нерациональных потерь воды питьевого качества.
В результате изучения особенностей и проблем водоснабжения сельских поселений определены критерии выбора технологии водоподготовки: 1) технологические'. конструктивная простота и компактность, простота обслуживания установки, оснащенность автономным электрогенератором; 2) экономические: относительно низкий уровень энергозатрат при водозаборе и в режиме очистки воды, применение технологий, способствующих энерго- и ресурсосбережению, что важно, учитывая динамику роста стоимости электроэнергии; 3) экологические: предпочтение без-реагентных методов обеззараживания воды, исключение выбросов (сбросов) вредных веществ. В этом случае отпадает необходимость в строительстве специальных складских помещений для хранения химических реагентов, опасных для здоровья и жизни обслуживающего персонала и населения, проживающего вблизи очистных сооружений; 4) эпидемиологические: возможность получения питьевой воды, отвечающей требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 и обладающей бактериостатической устойчивостью. Это позволит создавать запасы питьевой воды для первоочередного жизнеобеспечения пострадавшего населения (в случае возникновения ЧС); 5) санитарно-гигиенические: отсутствие негативного воздействия реагентов, используемых при обработке воды, на здоровье человека, жизнедеятельность гидробионтов и окружающую природную среду в целом.
Проведена критическая оценка методов биоцид-ной обработки питьевой воды, позволившая выявить ряд недостатков: 1) при хлорировании воды (прежде всего газообразным хлором) в питьевой воде образуются опасные для здоровья человека хлорпроизвод-ные; 2) высокий уровень загрязнения природных вод приводит к необходимости осуществлять гиперхлорирование питьевой воды, что снижает ее экологическую безопасность; 3) ультрафиолетовая обработка, озонирование, обработка пероксидом водорода или их сочетаниями (О3 + УФ, УФ + Н2О2) не обеспечивает бактерицидного последействия, в результате чего обработанная вода вновь может быть подвергнута микробному заражению [1].
Одним из направлений повышения эффективности процесса обеззараживания воды, на наш взгляд, является комбинирование безреагентных и реагент-ных способов обработки, один из которых должен обеспечивать проявление окислительных свойств, а другой - бактериостатических. При таком сочетании, при современном уровне антропогенного загрязнения природных вод, можно достичь надлежащего качества питьевой воды.
Важным обстоятельством в реализации комбинированных методов является модернизация локальных очистных установок, которые наиболее адаптированы к условиям сельской местности. Большинство из существующих локальных систем в качестве дезинфек-таната используют хлор или его сочетание с УФ-
облучением. Замена хлора на бактерицид-ионы (с концентрацией ниже ПДК) позволит, по нашему мнению, не усложняя технологической схемы, получать питьевую воду, отвечающую требованиям экологической и эпидемиологической безопасности.
Таким образом, основой проводимых исследований является повышение эффективности комбинированного обеззараживания воды посредством усиления активности УФ-излучения и/или пероксида водорода за счет введения бактерицид-ионов в концентрациях ниже ПДК, которые самостоятельно пролонгируют антибактериальную устойчивость воды и обеспечивают надлежащий уровень эпидемиологической безопасности процесса, тем самым обеспечивая ресурсосберегающий эффект от применения «бесхлорных» технологий водоподготовки.
С этой целью был проведен анализ бактериальной устойчивости воды, обработанной ионами меди, УФ-лучами и пероксидом водорода по отдельности и одновременно. Объектом исследования являлась вода реки Аксай, предварительно стерилизованная, а затем инфицированная тест-организмами E.coli (из расчета 108 кл/см3). Воду обрабатывали 0,01 %-м раствором пероксида водорода в количестве 0,1 г/л в пересчете на Н2О2; после чего суспензию облучали ультрафиолетом дозами 9 и 12 мДж/см2. Следующая серия экспериментов проводилась аналогично, но перед обработкой Н2О2 в суспензию вводился водный раствор С^04-5Н20 (из расчета /4 ПДК для ионов меди -0,5 мг Си2+/л). Результаты опытов, заключающихся в повышении бактерицидной эффективности сочетания дезинфектантов различной природы (Н2О2+Си2++УФ), приведены на рис. 1.
(№/N0) 0 0,5 1 1,5 2 4
Рис. 1. Сочетанная бактерицидная активность: 1 - Н2О2 + УФ (9 мДж/см2); 2 - Н2О2 + УФ (12 мДж/см2); 3 - Н2О2+Си2+ +УФ (9 мДж/см2); 4 - Н2О2+Си2+ +УФ (12 мДж/см2)
Как следует из анализа полученных данных, совместное действие Н2О2 + УФ в изученных дозах облучения не позволяет достичь заданной глубины обеззараживания воды. Основной недостаток, присущий каждому из указанных бактерицидов (отсутствие бактерицидного последействия, из-за чего после прекращения действия УФ-облучения и разложения перок-сида водорода (1 - 3 ч) обработанная ими вода снова
интенсивно заражается), рекомендуется устранить за счет введения в воду бактерицид-ионов.
Добавление ионов Си2+ к бактерицидной «смеси» (Н2О2 + УФ) усиливает обеззараживающий эффект, что видно из данных рис. 1 (кривые 3 и 4). С другой стороны, введение Н2О2 в бактерицидную смесь (Си2++УФ) позволяет добиться требуемой глубины обеззараживания уже при дозе УФ 12 мДж/см2 [2, 3].
Таким образом, при последовательной обработке воды пероксидом водорода, УФ-лучами и ионами меди достигается более глубокое обеззараживание, нежели при воздействии только Н2О2 и УФ-лучами, что указывает на катализирующее действие указанных ионов, проявляющееся при концентрациях ниже ПДК.
Полученные в результате исследований данные позволяют рекомендовать комбинированную обработку, включающую дозирование пероксида водорода, ионов-бактериостатиков и УФ-облучения, для обеззараживания питьевой воды в технологии водо-подготовки в условиях сельской местности, где в качестве водоисточника используются именно подземные воды.
Любое усовершенствование существующей технологии должно иметь целью ресурсо- и энергосбережение, а также экологически безопасное функцио-
нирование. В развитие данного положения предлагается схема водоочистки для сельских поселений и последующего ее распределения по категориям пользователей (рис. 2). В этом случае объем водопот-ребления на питьевые цели может быть доведен до 30 л/сут на одного человека [4]. Вода из водоисточника с помощью насоса поступает в питьевой и технический трубопроводы. Затем она проходит очистку от механических примесей на медленных фильтрах 1. После этого вода может быть использована на технические нужды. В поток воды, отведенный на питьевые цели, предусмотрено введение Н2О2 в качестве дополнительного дезинфектанта при значительном количестве в ней микроорганизмов или в качестве окислителя компонентов-загрязнителей 2. В случае нормативного содержания в воде химических компонентов дозирующее устройство из технологии исключается. Далее вода проходит через бактерицидный фотон-ионный реактор 3. Вода, прошедшая сочетанную обработку УФ-лучами и ионами Си2+ и обладающая устойчивостью ко вторичному бактериальному загрязнению, может быть использована на питьевые цели населения и сельскохозяйственных животных, а также для создания запасов на случай ЧС.
Рис. 2. Схема разветвленной бесхлорной системы водоподготовки для сельских населенных мест: 1 - медленные фильтры; 2 - дозатор пероксида водорода; 3 - фотон-ионный реактор; 4 - дозатор для введения микроэлементов-эндемиков; 5, 6 - резервуар чистой воды; 7 - емкость с запасом технической воды
11
Рис. 3. Конструкция бактерицидного фотон-ионного реактора: 1 - узел подачи воды (входной патрубок); 2 - трубопровод; 3 - фланцы; 4 - сужающее устройство; 5, 8 - краны соединительные; 6 - резервуар концентрата ионов меди; 7 - крышка; 9 - кран для дренажа и отбора проб; 10 - соединительный патрубок; 11 - корпус установки; 12 - УФ-излучатель; 13 - узел отвода воды (патрубок выхода); 14 - электроподводящий узел
На завершающем этапе в выделенный на питьевые нужды населению поток воды встроено устройство обогащения микроэлементами-эндемиками для рассматриваемой местности 4 [2, 3, 5]. Для реализации данной технологии рекомендуется использовать фотон-ионный реактор 3, конструкция которого отличается от существующих установок обеззараживания воды возможностью одновременно обрабатывать воду УФ-облучением и бактерицидными ионами (рис. 3) [2].
Вода, поступающая в бактерицидный реактор через входной патрубок 1, первоначально обогащается бактерицид-ионами. Механизм введения раствора в установку основан на том, что при движении магистрального потока через трубопровод 2 с сужающим устройством 4 между двумя сечениями канала возникает перепад давления, под действием которого раствор из резервуара 6 поступает в поток воды через соединительный кран 8. В результате расход жидкого реагента прямо пропорционален расходу среды в магистральном потоке. Через соединительный патрубок 10 вода, содержащая бактерицид-ионы, поступает в камеру обеззараживания 11, где попадает в поле действия УФ-лампы 12. Обеззараженная вода через патрубок 13 поступает в распределительную сеть и направляется к потребителям.
Преимуществами предложенного разделения сельского водоснабжения на питьевое (для населения и животных) и техническое являются следующие: во-первых, реализация такой схемы не требует реагентов и, следовательно, отсутствует необходимость в помещениях для их хранения; во-вторых, в предлагаемой системе водоподготовки отсутствует хлорирование, что повышает ее экологическую безопасность; в-третьих, в целом уменьшаются финансовые расходы на процесс водоподготовки. Действительно, доля воды, используемой на хозяйственно-питьевые цели человека, составляет примерно 30 %, а непосредственно на питьевые - примерно 4 % от расходуемых объемов, поэтому экономически целесообразно выделять из общего потока только эти 4 % (или несколько больше) и подвергать их дополнительной очистке (обеззараживанию), улучшая при этом их качество.
С целью обоснования возможности использования в условиях сельской местности фотон-ионной обработки воды оценены затраты на проведение процесса обеззараживания с помощью бактерицидного реактора. Ежегодные затраты на работу реактора производительностью 2 м3/ч складываются из затрат на: используемый препарат CuS04•5H20, необходимый для внесения ионов Си2+ в питьевую воду в концентрации 0,5 мг/л; комплектующие изделия (стоимость основных и запасной УФ-ламп и блока промывки); электроэнергию, - и составляют не более 15 тыс. руб.
В заключение необходимо отметить, что в рекомендуемой технологии предусмотрен дозатор для введения микроэлементов-эндемиков (I-, F-) в пределах физиологически допустимых норм, жители Ростовской области в которых испытывают острый недостаток. Для этого разработано дозирующее устройство, позволяю-
щее вносить микроэлементы-эндемики в выделенные объемы воды для питьевых нужд (рис. 4) [6].
Касаясь эколого-гигиенической целесообразности применения предлагаемых технологий, необходимо рассматривать их не только исходя из проявленного ими бактерицидного эффекта, но и в аспекте влияния используемых препаратов на организм человека.
В последние годы получены данные о биологической роли многих микронутриентов, которые ранее рассматривались с точки зрения их опасности для здоровья (например: медь, селен, фтор и т.д.). В настоящее время для многих из них, в частности меди, йода, фтора, доказано участие в целом ряде метаболических процессов, что обосновывает необходимость их присутствия в допустимых количествах в рационе питания. Дефицит этих веществ и биологически активных компонентов в рационе приводит к снижению резлетенитности организма к неблагоприятным факторам окружающей среды, формированию иммуноде-фицитных состояний, нарушению функций антиокси-дантной защиты.
1
РЧВ
6
V лт
Потребителю Обрабатываемая
питьевая вода
Рис. 4. Технологическая схема дозирования фтор- и йодсо-держащих препаратов в питьевую воду: 1 - бункер сухих препаратов; 2 - растворный бак; 3 - водопровод с питьевой водой; 4 - воздуходувка; 5 - насос-дозатор; 6 - резервуар смешения; 7 - резервуар чистой воды (РЧВ)
Рекомендации по увеличению потребления традиционных пищевых продуктов для увеличения поступления в организм этих веществ или соединений реализовать не всегда представляется возможным в существующих объемах потребляемых продуктов и уровне их цен, поэтому необходимы альтернативные источники таких веществ. На наш взгляд, таким источником может стать чистая, содержащая их, питьевая вода.
Таким образом, рекомендуемая технология подготовки воды из подземных водоисточников, заключающаяся в экологизации системы водоснабжения и разделении трубопровода на питьевой и технический, является экономически и экологически обоснованной, особенно для строящихся населенных пунктов и коттеджных поселков, так как позволяет не только достичь надлежащего качества питьевой воды и ее кондиционирование, но и уменьшить финансовые затраты на процесс ее подготовки.
Важно также подчеркнуть, что разработанная технология водоподготовки может быть использована и при поверхностных источниках водоснабжения. В данном случае, учитывая высокую степень загрязненности поверхностных водных объектов, в системе
5
водоподготовки на первом этапе рекомендуется использование химического обеззараживания воды хлором. Однако на водоочистных станциях сельских поселений, где транспортировка, хранение и подготовка токсичного газообразного хлора связаны с трудностями, целесообразно применение хлорсодер-жащего дезинфектанта - гипохлорита натрия (№СЮ). Выбор данного реагента связан с тем, что основным достоинством обеззараживания воды с помощью ги-похлорита натрия является безопасность его применения, так как он является малоопасным веществом (4 класс опасности), что по сравнению с хлором значительно повышает безопасность эксплуатации водоочистных установок, а также существенно снижает воздействие на окружающую среду [1].
Таким образом, комбинированная обработка воды при поверхностном источнике водоснабжения будет включать использование на первом этапе гипохлорита натрия в качестве окислителя-дезинфектанта с пролонгированными бактерицидными свойствами, а затем дозирование пероксида водорода и УФ-облучение в концентрациях ниже установленных нормативов. При этой комбинации может быть достигнуто высокое качество питьевой воды в условиях сельскохозяйственного водоснабжения, а также обеспечена ее длительная микробиологическая безопасность.
Поступила в редакцию
Литература
1. Гутенев В.В., Чумакова В.Н., Геркен Н.В., Кулакова Е.С. [и др.] Ионные дезинфектанты: технологические и сани-тарно-экологические аспекты применения в технологиях биоцидной обработки воды М., 2009. 207 с. Деп. в ВИНИТИ. № 768-В.
2. Кулакова Е.С. Технологические основы экологизации и рационализации систем водоснабжения малых сельских поселений : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Волгоград, 2010.
3. Дрововозова Т.И. Научные основы повышения качества воды и экологической безопасности систем водоснабжения сельских поселений : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. СПб., 2009.
4. Мелиорация и водное хозяйство: в 8 т. Т. 7: Сельскохозяйственное водоснабжение: справочник / Л.Е. Тажибаев, В.С. Усенко, Г.И. Николадзе [и др.]; под.ред. В.Н. Олей-ника. М, 1992. 287с.
5. Кулакова Е.С., Дрововозова Т.И. Экологизация систем водоснабжения малых сельских поселений // Вестн. ВолгГАСУ. Волгоград, 2010. Вып. 19(38). С. 133 - 135 (Серия: Строительство и архитектура).
6. Гутенев В.В., Денисов В.В., Дрововозова Т.И., Кулакова Е.С. Повышение качества питьевой воды на селе с учетом эколого-гигиенических и экономических факторов. М., 2010. 6 с. Деп. в ВИНИТИ. № 259.
21 мая 2012 г.
Кулакова Екатерина Сергеевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Химия и прикладная экология», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. E-mail: kes_9@mail.ru
Фесенко Лев Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Водное хозяйство предприятий и населенных мест», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-53-34.
Дрововозова Татьяна Ильинична - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Химия и прикладная экология», Новочеркасская государственная мелиоративная академия. Тел. (8635)23-22-13.
Скрябин Александр Юрьевич - канд. техн. наук, генеральный директор, ОАО «ПО Водоканал» Тел. (8635) 263-95-34.
Борисова Элина Владимировна - аспирант, Новочеркасская государственная мелиоративная академия.
Денисов Владимир Викторович - д-р техн. наук, профессор кафедра «Технология электрохимических производств, аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-36-16.
Kulakova Ekaterina Sergeevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Chemisyry and Applied Ecology», Novocherkassk State Meliorative Academy. E-mail: kes_9@mail.ru
Fesenko Lev Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department of water economy of organizations and populated areas, South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-53-34.
Drovovozova Tatiana Ilinichna - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Chemisyry and Applied Ecology», Novocherkassk State Meliorative Academy. Ph. (8635)23-22-13.
Skryabin Alexander Yurievich - Candidate of Technical Sciences, Director general, OAO PO Vodokanal. Ph. (8635) 263-95-34.
Borisova Elina Vladimirovna - post-graduate student, Novocherkassk State Meliorative Academy.
Denisov Vladimir Viktorovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Technology for Electrochemical Productions, Analytical Chemistry, Standardization and Certification». South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635) 25-36-16._
