CC BY
61
А. Ю. Дмитриева, А. С. Сироткин
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ НОРМАТИВОВ ЖЕСТКОСТИ И САНИТАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВОДЫ АРТЕЗИАНСКИХ СКВАЖИН
Ключевые слова: жесткость, умягчение, лабораторная установка.
В статье обоснована необходимость умягчения воды для питьевых нужд. Также рассматривается лабораторная установка для очистки и умягчения воды и приводится описание процесса ее работы. Приведены результаты испытаний и проведен сравнительный анализ выходных параметров воды предлагаемой и типовых установок.
Keywords: rigidity, softening, laboratory facility.
Supply of ecological standards of rigidity and sanitary safety of water of artesian wells.
In the article the necessity of water softening for drinking needs is proved.
Test data are completed and comparative analysis of target parameters of water offered and typical faciliuties are resulted. Also laboratory facility for water purification and softening is considered and the description of the process of its work is given.
Подземные воды как источник питьевого водоснабжения обладают несомненными преимуществами перед поверхностными, прежде всего, существенно более высокой, хотя и далеко не абсолютной, защищенностью от загрязнения [1]. В Республике Татарстан в системе хозяйственно-питьевого водоснабжения населения доля подземных вод составляет около 43% и постоянно растет. На исследуемой территории Юго-Востока Татарстана она достигает 60%. (табл. 1, рис. 1).
Таблица 1 - Динамика водоснабжения г. Бугульма поверхностными и подземными водами за период 2000-2009 гг.
^5
ч
О
И
80
70
60
50
40
с
£ 30 20 10 0
Годы
□ поверхностные воды □ подземные воды
Рис. 1 - Динамика водоснабжения г. Бугульма поверхностными и подземными водами
Общим недостатком подземных вод является повышенная минерализация и, в частности жесткость, характеризующая содержание в воде солей кальция и магния. Конечно, необходимое количество данных солей, содержащиеся в пресной воде важны для роста и развития живых организмов и растений, но могут стать причиной серьезных заболеваний, живущим в районах, где повышена жесткость воды, одним из которых является г. Бугульма. (табл.2 и рис.2).
Таблица 2 - Максимальные значение жесткости воды за период 2007-2009 гг
Значение жесткости, мг-экв/дм3 2007 год 2008 год 2009 год
1 квартал 10,5 8,8 8,2
2 квартал 9,8 8,9 8,4
3 квартал 9,2 8,6 7,8
4 квартал 8,6 8,4 7,5
Рис. 2 - Максимальные значения жесткости воды
В настоящее время в исследуемом районе применяется пассивный метод снижения содержания солей жесткости - это предложенный экологической службой ООО «Бугуль-ма-Водоканал» вариант смешения поверхностных (родниковых) и подземных (артезианских скважин) вод для обеспечения минимально возможного значения жесткости воды на головных сооружениях.
Для умягчения воды экологически выгодными являются методы, основанные на физических явлениях, в частности применение электромагнитных преобразователей [2]. Под действием магнитного поля изменяются физические свойства воды, то есть содержащиеся в ней магниевые и кальциевые соли, теряют способность формироваться в виде накипи и выделяются в виде легкоудаляемого шлама. Кроме того, обработанная таким образом вода удаляет со стенок уже отложившуюся накипь и препятствует в дальнейшем ее образованию. Электронные преобразователи изменяют формы кристаллов карбоната кальция и магния под действием электромагнитных волн. Они передаются в жесткую воду через провода, наматываемые вокруг водопроводной трубы. Обработка воды волнами определенной частоты и последовательности абсолютно безвредными для человека, приводит к изменениям кристаллической структуры солей жесткости, образующих накипь. Без воздействия электромагнитных колебаний, чистый кальцит принимает форму ромбических кристаллов, которые чрезвычайно прочны. Преобразованная в хрупкие кристаллы накипь легко смывается с поверхности и выносится потоком.
Объектами для исследования послужили пробы воды из источников водоснабжения: Вязовка, Казанка, Баряшево, Батыр, пробы питьевой воды после подготовки на районных водоочистных станциях (ВОС) и после очистки на разработанной автором системе подготовки воды. Пробы отбирались в соответствии со всеми предъявляемыми требованиями. Химический анализ взятых проб проводился сотрудниками центральной испытательной лаборатории (ЦИЛ) ООО «Бугульма-Водоканал, аккредитованной на техническую
компетентность в Системе аккредитации аналитических лабораторий (центров), соответствующей требованиям ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025 и выполнялся по специально разработанной «Программе производственного контроля», разработанного в соответствии с требованиями Санитарных правил СП 1.1.1058-01 «Организация и проведения производственного контроля за соблюдением санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий» , составной часть которой являются планы и графики, согласованные со Специализированной инспекцией аналитического контроля Министерства экологии и природных ресурсов Республики Татарстан, Территориальным Управлением Роспотребнадзора в Бу-гульминском районе и г. Бугульма.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного, простого и дешевого в изготовлении и обслуживании устройства.
Техническая задача решается установкой для очистки и умягчения воды, содержащей блок электромагнитной обработки воды, блок предварительной фильтрации и блок реагентной обработки.
Новым является то, что:
1) на выходе размещен блок тонкой фильтрации, а все блоки выполнены в виде отдельных устройств, последовательно соединенных проточными патрубками длиной не более 0,25 м, причем в качестве блока электромагнитной обработки используется радиочастотная установка, блока реагентной обработки - фильтр с наполнителем в виде полифосфата натрия (пищевого), блока предварительной фильтрации - фильтр с фильтрующими элементами, пропускающими до 1 мкм, а блока тонкой фильтрации - фильтр с фильтрующими элементами, пропускающими до 0,1 мкм;
2) для пищевых целей в блоке реагентной обработки применен фильтр с наполнителем в виде полифосфата натрия (пищевого) в смеси с гранулированным углем импрегни-рованным серебром в соотношении 1 : 4;
3) в качестве блоков для предварительной и тонкой фильтрации применены фильтры с проточной очисткой фильтрующих элементов.
На рис. 3 изображена схема установки.
Установка для очистки и умягчения воды содержит блок электромагнитной обработки воды 1, блок предварительной фильтрации 2 и блок реагентной обработки 3. На выходе размещен блок тонкой фильтрации 4. Все блоки выполнены в виде отдельных устройств 1, 2 , 3 и 4 последовательно соединенных проточными патрубками 5 длиной не более 0,25 м. В качестве блока электромагнитной обработки 1 используется радиочастотная установка (например, прибор «Термит» модели Т-60, ТЛ-60 или Т-М-120), блока реагент-ной обработки 3 - фильтр с наполнителем в виде полифосфата натрия (пищевого) - класса (NaPOsb, блока предварительной фильтрации 2 - фильтр с фильтрующими элементами, пропускающими до 1 мкм, а блока тонкой фильтрации - фильтр с фильтрующими элементами, пропускающими до 0,1 мкм. Для пищевых целей в блоке реагентной обработки 3 используется фильтр с наполнителем в виде полифосфата натрия (пищевого) в смеси с гранулированным углем импрегнированным серебром в соотношении 1 : 4 (согласно требования JS09002) для дополнительных очистки, обеззараживания и дезинфекции воды. Для упрощения обслуживания в качестве блоков предварительной 2 и тонкой 4 фильтрации используют фильтры с проточной очисткой фильтрующих элементов (например, Aquaphor АКВАБОСС-1-01 и UF NFY-4021S соответственно).
Рис. 3 - Установка для очистки и умягчения воды: 1 - блок электромагнитной обработки; 2 - блок предварительной фильтрации (до 1 мкм); 3 - блок реагентной обработки; 4 - блок тонкой фильтрации (до 0,1мкм); 5 - проточные патрубки; 6 - входной патрубок; 7 - счетчик объема используемой воды; 8 - кран; 9 - выходной патрубок; 10,11 - сливные вентили; 12 - водоводы
Установка работает следующим образом.
Входной патрубок 6, оснащенный счетчиком объема используемой воды 7 и краном 8 подключается к системе водоснабжения, через выходной патрубок 9 соединяется с потребителем (с котельной, жилой квартирой, столовой и т.п.). Воду подают на установку через входной патрубок 6 при открытом кране 8 со скоростью от 0,1 до 10 м3/час, которая проходя через блок электромагнитной обработки 1, подвергается воздействию электромагнитных волн диапазоне звуковой частоты без непосредственного взаимодействия с электродами и излучателем, при этом растворенные соли, находящиеся в воде переходят в нерастворимые [3], например для кальция:
Са(НСОз)2 ~ СаСОз + Н2СО3.
бикарбонат карбонат угольная кислота
При этом высвобожденные таким образом положительные и отрицательные ионы Са и Мд, соединяются в результате взаимного притяжения и образуются арагонитовые кристаллы (высокодисперсная взвесь) габаритными размерами, равными 0,5 - 3,5 мкм.
При этом надо учитывать, что процесс перехода солей из растворимых в воде в нерастворимые обратим и наиболее эффективно проявляется по направлению потока воды на расстоянии 0,7 м после блока 1. Поэтому для наибольшей эффективности работы установки блоки 1, 2 и 3 должны размещаться в пределах этих параметров, исходя из этого для гарантированного соблюдения данного требования с учетом габаритов блоков 1, 2 и 3, длина патрубков 5 между ними не должна превосходить 0,25 м.
Далее арагонитовые кристаллы и прочие нерастворимые вещества, находящиеся в воде, величиной более 1 мкм отфильтровываются на блоке предварительной фильтрации 2.
После чего вода поступает на блок реагентной обработки 3, где вода очищается, дезинфицируется и растворяет полифосфат, который не имеет цвета, запаха, привкуса и создает подвижную пленку от 0,3 до 1,2 мкм, обладающую свойством изолировать ионы Са и
Мд в виде оставшихся арагонитовых кристаллов для исключения их осаждения и обратного перехода в растворимое в воде состояние.
Свойство обволакивать ионы Са и Мд и удерживать их в виде взвеси наиболее эффективно проявляется по направлению потока воды в 0,4 м после блока 3. Поэтому для наибольшей эффективности работы установки блоки 3 и 4 должны размещаться в пределах этих параметров, исходя из этого для гарантированного соблюдения данного требования с учетом габаритов блоков 3 и 4 для унификации деталей установки, длина патрубка 5 между блоками 3 и 4 не должна превосходить 0,25 м.
Далее арагонитовые кристаллы и прочие нерастворимые вещества, находящиеся в воде, величиной более 0,1 мкм отфильтровываются на блоке тонкой фильтрации 4, и очищенная вода, пригодная для питья, по выходному патрубку 9 подается потребителям.
При уменьшении пропускной способности блоков предварительной 2 и тонкой 4 фильтрации с проточной очисткой фильтрующих элементов открывают соответствующие сливные вентили 10 и/или 11, смываемые водой (достаточно 5 л) вещества, засоряющие фильтрующие элементы, по водоводам 12 сбрасываются в сливную систему (канализацию).
В ходе исследований предлагаемую установку испытывали в различных условиях и сравнивали с типовыми схемами. Для этого к входному 6 и выходному 9 патрубкам подсоединяли различные компоновки предлагаемой установки и типовые устройства фильтрации и умягчения воды, пропускали 100 л воды (контролировалось по счетчику 7) с одинаковыми свойствами.
Все выходные параметры очистки воды по требованиям ПДК были аналогичны типовым [4], но содержание растворимых и нерастворимых солей кальция и магния, определяющих жесткость воды в предлагаемой установке, было меньше до двух раз.
При испытании с увеличением длины патрубков 5 в установке на 0,05 и 0,1 м в воде соответственно увеличилось количество примесей на 10 и 20%, а содержание солей Са и Мд - в 1,5 и 2 раза. При исключении блока тонкой фильтрации 4 из установки в воде увеличилось количество примесей на 20%, а содержание солей Са и Мд - в 1,2 раза.
При этом установка для очистки и умягчения воды (при расходе 0,1 до 10 м3/час природной воды жесткостью 7,5 мг-экв/л и при максимальном превышении норм ПДК веществ до 5 раз) содержит блок электромагнитной обработки 1 воды (например, прибор «Термит» модели Т-60, ТЛ-60 или Т-М-120), не требующий обслуживания за весь срок службы, блок предварительной 2 и тонкой 4 фильтрации, которые при данной схеме требуют периодической очистки и замены раз в 1 - 3 года, и блок реагентной обработки 3, требующей замены в фильтре фильтрующих элементов (исходя из анализа загрязнения и выработки полифосфата натрия в фильтрующем элементе) раз в 4 - 5 лет. Все параметры превосходят аналогичные фильтры по периоду между обслуживаниями как минимум в 2 раза, а по расходным материалам - меньше в чем в 3 раза. При использовании в качестве блоков предварительной 2 и тонкой 4 фильтрации фильтров с проточной очисткой фильтрующих элементов затраты на обслуживания снижаются в 4 - 5 раз. Для сбора установки возможно использование блоков изготавливаемых серийно и соответствующих параметрам очистки блоков 1, 2, 3 и 4, что значительно снижает стоимость установки в целом.
В предлагаемой установке в качестве одной из стадий комплексной очистки воды для повышения санитарной безопасности целесообразно применение шунгитовых фильтров, которые успешно прошли испытания в специальных организациях в Москве на предмет способности поглощать диоксин из воды [5]. Кипячение хлорированной воды с шун-гитовой пылью не приводит к появлению диоксина из-за чрезвычайной устойчивости гра-фитизированного углерода и тем более фуллеренов. Для анализа его бактерицидных
свойств было проведено контактирование воды и шунгита, что привело к снижению численности групп общих колиформных бактерий и термотолерантных колиформных бактерий в 3 раза.
В ходе проведенных испытаний были получены следующие результаты, которые приведены в табл.3 и на рис. 4.
Таблица 3 - Значение жесткости воды до и после испытаний
Значение жесткости воды из водоисточников исследуемого района до испытаний, мг-экв/дм3 21,3 18,2 16,5 10,1 9,2 8,6 7,5 7,1
Значение жесткости воды из водоисточников исследуемого района после испытаний, мг-экв/дм3 19,2 15,5 13,4 8,6 7,4 6,4 5,3 4,9
Рис. 4 - Изменение жесткости воды после прохождения через установку
Предлагаемая установка для очистки и умягчения воды эффективна, проста и дешева в изготовлении и обслуживании.
Полученные результаты являются основанием для дальнейшего развития исследований в указанной области и предполагают проведение пилотных и промышленных испытаний и экономического обоснования предлагаемого решения.
Литература
1. Государственный доклад о состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2006 г. - Казань: изд-во «Заман», 2007. - 502 с.
2. Порошин, Д.Е. Жесткость воды, проблемы и пути их решения / Д.Е. Порошин, В.В.Савин // Питьевая вода. - 2006. - №3. - С.23-24.
3. Гончарук, В.В. Кристаллизация карбоната кальция в омагниченной воде в присутствии парамагнитных веществ / В.В. Гончарук, В.А. Багрий, Р.Д. Чеботарева // Химия и технология воды. -2009. - №3. - С.300-306.
4. Пат. 2373158 Российская Федерация, МПК7 С02F5/02. Способ умягчения подземных вод / Клявлин М.С., Талипов Р. А., Бобков О.В., Сапунов Г.С.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский го-судартсвенный нефтяной технический универститет». - №2003116545/15; заявл. 03.06.2003; опубл. 10.12.2004, Бюл.№15 (I ч.). - 3 с.
5. Сорбционные и антиоксидантные способности фуллеренов и их влияние на качество питьевой воды: тез.докл. 4 Международного Конгресса «Вода: экология и технология», май 2000г. - М.: Акватек, 2000. - 711с.
© А. Ю. Дмитриева - асп. каф. промышленной биотехнологии КГТУ, dmitrieva@bug.ieml.ru; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ, asirotkin@mail333.com.
