CC BY
219
-------------------------------------------- © Г.А Ивлева, Н.Н. Гусев,
2011
УДК 622.5
Г.А. Ивлева, Н.Н. Гусев
АНАЛИЗ МИРОВОГО ОПЫТА И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОПРЕСНЕННЫХ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОД ДЛЯ ПИТЬЕВЫХ ЦЕЛЕЙ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ШАХТНЫМ ВОДАМ ВОСТО ЧНОГО ДОНБА ССА)
Проведен анализ мирового опыта и научно-технических разработок в области кондиционирования опресненных высокоминерализованных вод для питьевых целей (применительно к шахтным водам Восточного Донбасса).
Ключевые слова: угольная шахта, водоток, вымораживание, деминерализационная установка, фильтрация.
Угледобывающие предприятия оказывают существенное негативное воздействие на водные объекты [1]. Его последствием становится постоянное сокращение запасов и ухудшение качества водных ресурсов в результате откачки и сброса неочищенных шахтных и карьерных вод. Только за 2007 год угольными шахтами и разрезами в поверхностные водоемы и водотоки было сброшено 507,2 млн.м3 сточных вод [2], 86,2 % из которых отнесены к категории загрязненных. Наибольшее негативное воздействие на водные объекты оказывают сбрасываемые в огромном количестве (около 20 % от общего объема) недостаточно очищенные минерализованные шахтные воды. Обозначившийся с 1999 г. стабильный рост добычи угля в целом по стране (по прогнозным оценкам его удельный вес в топливно-энергетическом балансе страны при умеренном варианте развития угледобычи увеличится до 425 млн т. к 2030 году [3]) в условиях продолжающейся ликвидации убыточных и неперспективных угольных шахт и разрезов, доля которых в
шахтном фонде страны на момент старта программы реструктуризации (1994 г.) составляла почти половину, привел к резкому увеличению уровня техногенной нагрузки на водные объекты, чем усугубил и без того напряженную социально-экологическую обстановку в угледобывающих регионах. Обострение дефицита питьевых и технических вод на фоне растущего техногенного загрязнения природной среды в ряде шахтерских городов и поселков поставило под сомнение возможность дальнейшей реализации перспективных планов развития угольной отрасли без обеспечения требований экологической безопасности в части, касающейся охраны и рационального использования водных ресурсов.
Обозначенная проблема крайне актуальна для условий Восточного Донбасса, потребности которого в качественной питьевой воде не обеспечиваются местными источниками водоснабжения, а степень деградации водных ресурсов из-за чрезмерного загрязнения высокоминерализованными (до 20 г/дм3) кислыми (рН 5-6) шахтными водами с вы-
соким содержанием сульфатов (до 5000 мг/дм3) и железа (до 1500 мг/дм3) значительно превосходит аналогичные показатели в других регионах [4,5,6]. В сложившейся ситуации обоснованным является поиск эффективных решений вовлечения шахтных вод в хозяйственный оборот, в том числе на питьевые нужды
[7].
Анализ проблемы по условиям Восточного Донбасса показал, что эффективное вовлечение высокоминерализованных шахтных вод в оборот хозяйственно-питьевого водоснабжения требует комплексного решения следующих технологических задач:
• разработки технологии деминерализации шахтных вод;
• решения проблемы утилизации образующихся в процессе обессоливания концентрированных рассолов;
• разработки технологии кондиционирования опресненных шахтных вод для питьевых целей.
Проводя исследования в указанном направлении, следует учитывать, что в настоящее время в мире выполнено значительное количество научнотехнических разработок и накоплен определенный опыт по опреснению морской воды с целью получения воды питьевого качества [8]. Непосредственно перенести имеющиеся разработки и опыт на шахтные воды невозможно по целому ряду причин. Однако глубокое изучение и использование накопленного опыта в исследованиях крайне необходимо и важно.
С этой целью проведен анализ литературной и патентной информации по методам опреснения и способам получения питьевой воды из опресненной.
На настоящий момент основными методами опреснения являются [9]:
• дистилляция — перевод воды в пар (испарением, выпариванием) с после-
дующей конденсацией пара на охлаждаемой поверхности;
• химическое удаление из воды катионов и анионов с помощью ионообменных смол;
• вымораживание — превращение морской воды в лёд, механическое отделение пресной воды от рассола с последующим расплавлением льда;
• мембранный — обратный осмос (удаление из воды ионов солей фильтрацией через специальные мембраны) и электродиализ (удаление из воды ионов солей через анионо- и катионообменные мембраны под воздействием электрического тока).
Каждый метод имеет свою рациональную область применения, которая зависит от многих факторов и прежде всего от расхода и качества минерализованной воды, условий ее забора и транспортирования. Уровень современного развития опреснительной техники не позволяет назвать наиболее экономичный метод опреснения. По предварительным оценкам наилучшие перспективы имеются у обратного осмоса и дистилляционного метода — многоступенчатого выпаривания в вертикальнотрубных и горизонтально-трубных плёночных аппаратах, в том числе с использованием термической (пароструйной) и механической компрессии пара. При условии получения успешных результатов в работах, выполняемых научно-исследовательскими и опытноконструкторскими организациями, возможные перспективы отмечаются для способа вымораживания.
Практически в каждом конкретном случае, особенно при создании крупных опреснительных комплексов, требуется сопоставление различных методов для выбора и обоснования наиболее целесообразного. Опыт экс-плуатации демине-рализационных установок в России и за
рубежом показывает [8], что метод термической дистилляции целесообразно использовать на крупномасштабных объектах для вод с минерализацией более 15 г/дм3. Данный метод обладает высокой барьерной способностью, благодаря чему содержащиеся в опресняемой воде макро- и микрокомпоненты концентрируются главным образом в рассоле, а термически опресненная вода
— достаточно чистая и может быть использована для приготовления питьевой воды. Эффективность метода практически не зависит от качества исходной воды, что позволяет значительно упростить и удешевить ее предподготовку, ограничившись в основном осветлением и подавлением процесса накипеобразо-вания. Методом электродиализа экономически целесообразно опреснять воду с минерализацией 2—15 г/дм3. Существенным осложнением в применении электродиализных и обратноосмотических установок (ЭДУ и ООУ) является необходимость предварительной глубокой очистки минерализованных вод от взвешенных и органических веществ. Кроме того при обессоливании воды на ЭДУ и ООУ эффект удаления из нее микрокомпонентов неоднозначен,
вследствие чего содержание в фильтрате, например, биологически активного компонента бора оказывается недопустимо высоким и возникает необходимость его дополнительной коррекционной обработки. Химические методы опреснения могут быть использованы при обработке воды с солесодержанием до 2—3 г/дм3.
Исходя из принципов дифференцированного подхода к оценке качества опресненной воды, предназначенной для питьевого, хозяйственно-бытового и технического водоснабжения, установлены гигиенические требования к выбору методов опреснения. Предпочтение
отдается методам в следующей последовательности: обратный осмос, вымораживание, дистилляция, электродиализ, ионный обмен [1].
В настоящее время в мировой практике получили широкое распространение опреснительные установки различных типов. В общем количестве используемых способов опреснения составляют [10]:
• MSF (Multi Stage Flash — многоступенчатое мгновенное вскипание) — 55 % мирового рынка;
• RO (Reverse Osmosis — обратный осмос) -33 %;
• MED (Multi Effect Distillation — многоступенчатая пленочная дистилляция) — 9 %;
• остальные — 3 %.
Ожидается, что доля RO и MED-опреснения на мировом рынке будет увеличиваться как результат самой низкой стоимости конечного продукта по сравнению с MSF-опреснением.
Независимо от применяемого метода, процесс опреснения воды в любом случае происходит параллельно с образованием концентрированных рассолов, потенциально опасных для окружающей среды [11]. При опреснении морской воды разрешение проблемы утилизации концентрированных рассолов достигается за счет их сброса в море, что применительно к шахтным водам является физически не возможным. Указанное предопределяет необходимость экологизации технологических решений в области опреснения шахтных вод. Это достижимо только при реализации комплексного подхода к переработке шахтных вод, при котором возможно получение номенклатуры полезных для жизнедеятельности людей продуктов: пресной воды, веществ и материалов с потребительскими свойствами (пищевая соль, кальцинированная сода, соли
и оксиды магния и железа и др.) [12]. В условиях рыночной экономики и усугубляющегося дефицита питьевых вод минерализованные шахтные воды следует рассматривать как потенциально ценный источник минерального сырья. В случае рациональных решений возможна частичная окупаемость проекта деминерализации вод.
Опыт эксплуатации первых промышленных опреснительных установок показал, что искусственное приготовление питьевой воды связано не только с опреснением морской воды, но и с кондиционированием питьевых качеств, т.е. приданием опресненной воде свойств, отвечающих гигиеническим требованиям на питьевую воду. Согласно общепринятым стандартам качества физиологически полноценная питьевая вода должна отвечать трем основным критериям [13]:
• обладать хорошими органолептическими свойствами;
• иметь безвредный для здоровья людей химический состав;
• быть безопасной в эпидемическом отношении.
Учитывая то, что термически опресненная морская вода не соответствует ГОСТам и санитарно-гигиени-ческим требованиям к воде питьевого качества по стабильности, общей минерализации, органолептическим показателям, содержанию кальция, магния, фтора, рН, основными задачами ее коррекционной обработки являются повышение общего солесодержания, обогащение воды гидрокарбонатом кальция (магния) и регулирование концентрации фтора [14]. Кроме того, требования эпидемической безопасности, предъявляемые к питьевой воде, ставят задачу ее бактерицидной обработки.
Учитывая вышеизложенное, кондиционирование качества опреснен-ной
морской воды должно включать стадии коррекции солевого состава, адсорбционной очистки, стабилизации и обеззараживания [15].
В настоящее время разработаны и широко используются в мировой практике различные способы коррекции солевого состава дистиллята. Существующие способы условно можно группировать по трем основным направлениям:
• с добавлением высокоминерализованных природных вод;
• с растворением смесей минеральных солей;
• фильтрация подкисленной опресненной воды через минерализующие материалы (мраморная крошка, доломит, ракушечник, гипсо-магнезиальная композиция и др.).
Одним из наиболее дешевых способов реминерализации опресненной воды является добавка предварительно очищенной исходной минерализованной воды [16]. При этом предварительную очистку добавляемых вод осуществляют по различным схемам в зависимости от природы загрязняющего лимитирующего компонента. Классическая схема обработки морской воды в качестве солевой добавки включает процессы обеззараживания (хлорированием), фильтрования, сорбции в слое активированного угля (АУ) и постобеззараживания. Однако реминерализация опресненной морской воды дозированием осветленной, глубоко очищенной и обеззараженной исходной морской воды или рассола опреснительной установки приводит к получению воды хлоридно-сульфатного класса, нестабильной с повышенной коррозионной активностью, что требует ее дальнейшего кондиционирования с увеличением жесткости и щелочности, а также корректировки рН.
В практике приготовления питьевой опресненной воды также применяют
способ растворения набора солей (СаСЬ, КаНСО3, МgSО4 и др.) [17]. Первоначальный путь реминерализации предполагал изготовление солевых таблеток или комплексов таблеток, загружаемых в фильтр в расчете на определенный объем пропускаемой воды. Неэффективность рассмотренного способа минерализации определяется невозможностью обеспечения постоянного химического состава и постоянной буферно-сти полученной воды вследствие зависимости процесса растворения солей от скорости фильтрования. Дело в том, что входящие в состав минерализующих таблеток соли характеризуются различными растворимостями и пропускаемый через фильтр дистиллят насыщается в первую очередь теми солями, значение растворимости которых наивысшее.
Особенности выбранных солей, наличие большого количества кристаллической воды в одних, высокая гигроскопичность других мешали получать сложные таблетированные препараты, что заставило обратиться к приготовлению питьевой воды с применением обычных растворенных солей. Этот путь оказался наиболее удачным, особенно при предварительном получении определенных концентрированных растворов и последующим их смешением с опресненной водой.
Общим недостатком технологий приготовления питьевой опресненной воды способами растворения солей является то, что данные технологии характеризуются высокими эксплуатационными расходами (расход солей) и пригодны главным образом для объектов с ограниченным водопотреблением. Кроме того питьевая вода, получаемая в ряде стран (Польша, Германия и др.) дозированием набора солей, как показал анализ, относится к хлоридно-сульфатному классу натриевой группы
с недостатком биологически необходимых ионов Са2+ и Мg2+.
Наиболее широкое распространение в мировой практике получил способ коррекции солевого состава опресненной воды, основанный на фильтрации дистиллята, предварительно насыщенного диоксидом углерода (или предварительно подкисленного перемеата), через кальцийкарбонатсодержащие материалы с последующей коррекцией солевого состава дозировкой минерализованной воды [18]. В качестве загрузочных материалов фильтров для этих целей используют природные, модифицированные (активированные) природные, искусственные и комбинированные минерализующие материалы (рисунок). Широкий перечень таких материалов, разнообразие их состава и свойств позволяют производить коррекцию солевого состава опресненной воды индивидуально для каждого конкретного региона, исходя из качества исходной воды и в соответствии с существующими региональными требованиями к питьевой воде. Выбор определенного минерализующего материала целесообразно производить с учетом необходимости максимизации использования местных природных ресурсов, что в свою очередь обеспечит снижение эксплуатационных издержек на водоподготовку.
К природным материалам, потенциально пригодным для целей кондиционирования опресненной воды, следует отнести известняк (ракушечник, оолиты, пизолиты, травертины, туфы), доломит, магнезит, бентонитовые глины, различные цеолиты, антрациты, взятую вблизи источника минерализованной воды почву, кварц,
Материалы потенциально пригодные для коррекции солевого состава опресненной шахтной воды
шунгит (шунгизит), кремень, кораллы, серпентинит, турмалин, цитрин и др. С целью повышения эксплуатационных свойств и эффективности применения природные материалы могут подвергаться модификации и активации, а также гранулированию для возможности их использования в качестве фильтрующих сред.
Модифицированные природные материалы представлены кальцинированным доломитом, магномассой, прокаленным гумусом, гранулированным активированным углем, на поверхности пор которого находятся неорганические малорастворимые соединения, содержащие в своем составе выделяемые в воду ионы и др. К искусственным минерализующим материалам относятся преимущественно иониты, импрегниро-ванные ионами эссенциальных элементов и неорганическими малорастворимыми соединениями (НМС). При этом в качестве НМС используются неорганические соли, оксиды, гидроксиды, кислоты, имеющие в составе необходимые для жизнедеятельности человека элементы, такие как Са2+, Мg2+’ F-, Se4+, Zn2+, Си (суммарно), Fе2+, Мп2+, Сг (суммарно) и др. Комбинированные материалы представляют собой композицию из двух или более наименований минерализующих материалов, укомплектованных в определенной пропорции. Например, к комбинированным материалам можно отнести смесь, состоящую из извести и неорганического магнитного материала, подвергнутую термической обработке до спекания, смесь цеолита, шунгита и кварца, а также композицию из дробленого кварца и кальцинированного доломита, полученного прокаливанием природного доломита при t = 850°С. Другим примером является загрузка, состоящая из углеродного сорбента (1-70 %), обладающего порис-
той структурой органического ионита (30-99 %), и неорганических малорастворимых соединений (НМС).
Необходимость фторирования воды устанавливается органами санитарноэпидемиологической службы, рекомендуется при концентрации фтора в исходной воде менее 0.5 мг/л и поражен-ности кариесом зубов свыше 25—30 % населения. Оптимальная доза фтора в питьевой воде зависит от сезонных и климатических условий, что обусловлено количеством потребляемой человеком воды.
Процесс фторирования опресненной питьевой воды в мировой практике используется ограниченно, что связано с проблемами экологии (нарушения равновесия и загрязнения природных водоисточников). Для фторирования воды применяют растворы фтористого натрия NaF с содержанием фтора 45.3 %, кремнефтористого натрия Na2SiF6 или аммония (NH4)2SiF6 с содержанием фтора 64 %. В США производят дозирование сухого порошка — флюраль А^04 с применением высокоточных дозаторов.
Выбор метода обеззараживания зависит [19] от расхода обрабатываемой воды, ее качества, эффективности предварительной очистки, бактерицидной эффективности метода обеззараживания и продолжительности бактерицидного эффекта, возможности образования токсичных побочных продуктов (галогенорга-нические соединения) в воде в процессе обеззараживания, требований безопасности, условий поставки, транспорта и хранения расходных материалов, возможности автоматизации процессов и механизации трудоемких работ.
Обеззараживание воды хлорсодержащими дезинфектантами (применяется в 99 % случаев) — наиболее дешевый способ в расчете на срок службы опреснительной установки. На настоящий
момент наиболее широко распространены следующие хлорсодержащие дезинфектанты: молекулярный хлор (С12), хлорамины (ЫН2С1, NHC12, NC13). диоксид хлора (С1О2), гипохлорит кальция (Са(С1О)2), хлорная известь (СаОС12), гипохлорит натрия (№С1О).
Стоимость применения гипохлорита натрия может быть снижена путем его электролитического генерирования (производства) непосредственно на месте использования. При практически равном обеззараживающем эффекте, применение электролизного гипохлорита натрия имеет преимущества перед традиционными методами хлорирования питьевой воды по ряду критериев (экономичность, надежность, безопасность применения, возможность образования побочных продуктов, влияние на карбонатно-кальциевое равновесие водносолевой системы).
Среди безреагентных методов обеззараживания воды наиболее широко известна обработка ее ультрафиолетом. Метод ультрафиолетового обеззараживания наиболее прост в реализации и не требует специальных мер безопасности при проведении работ.
Применение комбинированных методов обеззараживания (УФ-облу-чение + хлорирование, озонирование + хлорирование) позволяет обеспечить достаточный пролонгирующий эффект при минимальном образовании токсичных побочных продуктов.
1. Каплунов Ю.В., Климов С.Л., Красавин А.П. Экология угольной промышленности России на рубеже XXI века; Под общей редакцией С.Л. Климова. — М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. — 295 с.
2. Харионовский А.А., Толченкин Ю.А. Состояние и приоритетные направления охраны
Выводы
1. Следствием негативного воздействия предприятий угольной отрасли на водные объекты становится обострение дефицита питьевых и технических вод в ряде шахтерских городов и поселков. Обозначенная проблема крайне актуальна для условий Восточного Донбасса.
2. Сокращение дисбаланса по питьевой воде на территории Восточного Донбасса возможно за счет вовлечения в оборот хозяйственно-питьевого водоснабжения высокоминерализованных шахтных вод ликвидированных шахт.
3. Анализ современного мирового уровня научно-технических разработок в области водоснабжения позволяет обосновать эффективное решение задачи использования шахтных вод для питьевых нужд в полуаридных регионах страны.
4. Возможность использования высокоминерализованных шахтных вод Восточного Донбасса для хозяйственнопитьевого водоснабжения шахтерских городов и поселков обоснована комплексным решением, включающим технологию деминерализации шахтных вод с последующим концентрированием опресненной воды (дистиллята, дилюата, пермеата) до питьевого качества и переработкой концентрированных рассолов до товарных солепродуктов.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
окружающей среды в угольной отрасли / Уголь.
— 2008. — № 2. — С. 56—59.
3. Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.
4. Соколова О.В. Эколого-экономическое обоснование использования шахтных вод при ликвидации угледобывающих предприятий
Восточного Донбасса. — Автореф. диссертации канд. экон. наук. — М., 2008. — 25 с.
5. Информационный бюллетень о состоянии недр на территории Южного федерального округа в 2007 г. ФГУГП «Гидроспецгеология» «Южный региональный центр ГМСН».
6. Гусев Н.Н. Химический состав шахтных (карьерных) вод / В кн.: Агапов А.Е., Навитний А.М., Каплунов Ю.В., Харионовский А.А. Шахтные и карьерные воды предприятий угольной промышленности // Справочный обзор. М.: Центральный издательский дом. — 2007. — С. 70—116.
7. Гусев Н.Н. К вопросу использования шахтных вод в качестве источника водоснабжения в углепромышленных районах. 20 лет кафедре экономика природопользования. Юбилейный выпуск научных трудов, — МГГУ, 2007.
8. Щадов В.М., Агапов А.Е., Каплунов Ю.В., Навитний А.М. Научно-технические разработки по охране водных ресурсов и очистке сточных вод в угольной промышленности: Обзор
— М., 2003. — 116 с.
9. Degremont. Технический справочник по обработке воды. В 2 т. Т.2.: пер с фр. — СПб.: Новый журнал, 2007. — С 1092—1097.
10. Desalination markets 2005-2015, a global assessment & forecast, Global Water Intelligence, 2005.
11. Демкин В.И., Харионовский А.А., Гусев Н.Н., Счастливцев Е.Л., Каплунов В.Ю., Кирш Йорг. К проблеме комплексной переработки шахтных вод. Кузбасс-1: Сборник статей. Отдельный выпуск Горного информационноаналитического бюллетеня — 2009 — №ОВ7. — М.: Горная книга. — С. 209—219.
12. Доклад «Комплексная переработка шахтных вод с использованием мембранносорбционных методов»/Демкин В.И., Навитний А.М., Гусев Н.Н., Свитцов А.А., Каплунов Ю.В.//М. — МГГУ, 2008.
13. СанПиН 2.1.4.1074-01. «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения».
14. Сидоренко Г.И., Рахманин Ю.А., Стрижак Е.К. Гигиенические аспекты опресненной воды. // Всемирный форум здравоохранения. — ВОЗ. — Женева, 1982. — Т. 2. — №
3. — С. 95—102.
15. Вахнин И.Г., Рахманин Ю.А., Ивлева Г.А. и др.// Кондиционирование опресненной дистилляцией воды // Изд-во «Наукова думка», Киев. — 1990.
16. Рахманин Ю.А. Изучение возможностей получения опресненной питьевой воды смешением дистиллята и морской воды // Материалы II Всесоюз. совещания по гигиен. аспектам опреснения воды. Ч. 2.— М. : Ин-т общей и коммун. гигиены, 1981.— Ч. 2.— С. 35—36.
17. A. Withers, Options for recarbonation, remineralisation and disinfection for desalination plants, Desalination, 179 (2005) 11-24.
18. Егоров А.И., Ипатов П.Ф., Ивлева Г.А. Исследования, разработка и внедрение новой технологии приготовления питьевой воды // Тр. ВНИИ ВОДГЕО.— 1977.— № 67. — С. 74—82.
19. Менча М.Н. Дезинфекция в системах питьевого водоснабжения: проблемы и решения. Сборник докл. «ЭКВАТЭК»—2008. — М. nsrj=l
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------------------------------------------
Ивлева Г.А. — кандидат технических наук, руководитель лаборатории водного хозяйства, НИИ ВОДГЕО;
Гусев Н.Н. — аспирант, Московский государственный горный университет,
Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
