CC BY
12УДК 628.166.094.3 (477.75)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ГИПОХЛОРИТОМ НАТРИЯ (НА ПРИМЕРЕ РЕКИ АЛЬМА РЕСПУБЛИКИ КРЫМ)
Скрябин А.Ю.1, Иванкова Т.В.2
',2 ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» 346428, Ростовская обл., г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, E-mail: 1vicsakhranov@ya.ru, 2academy-design@mail.ru
Аннотация. Основные трудности с водоснабжением современного Крыма обусловлены дефицитом питьевой воды, низкой санитарной надежностью систем водоподготовки, отсутствием достаточного количества обеззараживающих установок в сельской местности, неудовлетворительным состоянием водопроводных сетей. В создавшихся условиях весьма актуальной задачей стало обеспечение благоприятных условий жизнедеятельности населения путем сохранения экологической безопасности функционирования инженерно-технических систем Крыма, в том числе сооружений, станций и установок по очистке и обеззараживанию природных и сточных вод. В статье рассмотрены вопросы и пути решения проблем утилизации и повторного использования отходов от электролизного гипохлорита натрия, производимого на водоочистных сооружениях для обеззараживания питьевой воды. Рекомендованы новые технологические решения по обеспечению экологической безопасности и безотходностью работы электролизных установок получения гипохлорита натрия из водных растворов поваренной пищевой соли.
Предмет исследования: Обоснование применения гипохлорита натрия для обеззараживания питьевой воды на Партизанских водопроводных очистных сооружениях взамен привозного жидкого хлора с целью обеспечения экологической безопасности и благоприятных условий жизнедеятельности населения близлежащих территорий. Материалы и методы: Гидрохимические показатели качества воды Партизанского водохранилища, суточная производительность водопроводных очистных сооружений, электрохимический метод производства гипохлорита натрия путем электролиза раствора поваренной соли.
Результаты: Представлена новая технологическая схема очистки и повторного использования промывной воды солерастворителя в установках «ХЛОРЭФС».
Выводы: Решены задачи экологической и промышленной безопасности в результате использования раствора гипохлорита натрия для обеззараживания питьевой воды на Партизанских водопроводных очистных сооружениях (Республики Крым) взамен привозного жидкого хлора на установках «ХЛОРЭФС» с использованием или оборотом всех применяемых в технологиях реагентов (воды, поваренной соли, кислоты).
Ключевые слова: дефицит воды, бактериальное и вирусное загрязнение воды, обеззараживание воды, гипохлорит натрия, электролизная установка, декарбонизация, солерастворитель, безотходная технология.
ВВЕДЕНИЕ
Экологически грамотное водопользование возможно лишь на территориях, где проведено планирование и разработан комплексный план охраны природы, опирающиеся на научно-обоснованную систему управления. При решении проблемы водоснабжения и водоотведения Крыма с населением около 2,5 млн. чел. следует учитывать, что полуостров в силу географического положения и природно-климатических особенностей занимает одно из ведущих мест в ряду самых малообеспеченных водными ресурсами регионов России[1], меньше, чем в среднем по России, в 64 раза. Реки Крыма имеют важное экономическое значение, поскольку используются для поставки питьевой воды, промышленного водоснабжения и орошения. Для Южного берега Крыма, Бахчисарайского и Белогорского районов, районов Севастополя и Симферополя, реки являются практически единственным источником водных ресурсов. Неустойчивый (сезонный) сток рек, который нельзя использовать без его регулирования, вызвал необходимость
строительства водохранилищ сезонного типа, направленных на аккумулирование многоводных зимне-весенних периодов для использования в маловодные летние и осенние сезоны.
Первое в Крыму водохранилище, наполняемое стоком реки Альма, с которой соединялось каналом длиной 5 км, было построено в начале 30-х годов. Для водоснабжения г. Симферополь было сооружено в три очереди Аянское водохранилище и когда этой воды оказалось недостаточно, в 1955 г. было построено Симферопольское водохранилище емкостью 36 млн.м3. С последующим развитием города население Симферополя стало испытывать дефицит воды и в 1966 г. на реке Альма были построены сначала русловое Партизанское водохранилище объемом 34,4 млн. м3, а затем и наливное Альминское водохранилище [2]. Из Партизанского водохранилища, наполняемого водой реки Альма, на нужды потребителей питьевой воды г. Симферополь на водопроводные очистные сооружения «Партизанский гидроузел» ежесуточно забирается до 80 тыс.м3/сут. Река Альма практически на всем своем протяжении протекает через неканализованные села и
сельскохозяйственные территории, с которых принимает значительный объем загрязненных хозяйственно-бытовых вод с частных домовладений и сельскохозяйственных полей, а также сточные воды с городских очистных сооружений водопровода и канализации. Нехватка водных ресурсов в реке Альма привела к ухудшению экологического состояния воды в реке в связи с
увеличением водоотбора из русла. Качество воды в реке Альма вниз по течению меняется от первого (чистая) до шестого (очень грязная) классов, что связано со сбросом сточных вод более 50 водопотребителей, отсутствием систем очистки воды у сельского населения, несанкционированным изъятием воды для хозяйственно-бытовых нужд и
др. [3].
Антропотехногенное воздействие с различной степенью интенсивности на состояние природно-технической системы бассейна реки Альма из-за сброса неочищенных, недостаточно очищенных и необеззараженных сточных вод с коммунальных, промышленных, сельскохозяйственных объектов, а также сброса дождевых, талых, шахтных и др. вод напрямую связано с высоким бактериальным и вирусным загрязнением источника водоснабжения, что усугубляется неудовлетворительным состоянием разводящей водопроводной сети. Сооружения водоподготовки не способны обеспечить необходимую степень очистки воды для питьевых нужд. Это относится и к обеззараживанию воды - главному барьеру на пути передачи водных инфекций. Такая ситуация требует обеспечения эпидемиологической и экологической
безопасности, что побуждает создание новых методов и технологий ее дезинфекции и внедрения в практику.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ, МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДОВ
Традиционно проблема санитарно-эпидемиологической безопасности питьевой воды решается хлорированием, которое продолжает оставаться самым распространенным в мире способом обеззараживания воды в силу своей санитарно-гигиенической надежности,
пролонгированности бактерицидного действия, относительной простоты и экономичности. Практика обеззараживания питьевой воды хлорированием, получившая в России становление в Кронштадте (1910 г.) и последующее развитие в Петербурге (1912 г. на Центральной водопроводной станции), практически позволила эффективно обеспечить санитарную безопасность населенных мест. За исключением диоксида хлора, дезинфицирующее действие всех хлорных реагентов (газообразного хлора, хлорной извести, гипохлоритов, хлораминов и др.) основано на том, что при введении их в воду они образуют хлорноватистую кислоту, которая оказывает непосредственное окисляющее и антимикробное действие. Однако, в свете современных требований обеззараживание воды газообразным хлором, завозимым на водоочистные станции в сжиженном виде, имеет ряд недостатков, среди которых самым существенным является способность хлора в случае его утечки поражать не только обслуживающий персонал, но и население прилегающей к водоочистной станции территории.
Транспортирование емкостей с хлором по
селитебным зонам и хранение его многотоннажных запасов на водоочистных станциях, многие из которых уже стали опасно соседствовать с расширяющейся городской жилой застройкой, представляет реальную опасность для городов и населенных пунктов. Это обстоятельство стало решающим при отказе от опасного сжиженного хлора, и применению иных средств, сочетающих положительные качества хлорирования и отсутствие его недостатков. С точки зрения обеспечения эпидемиологической безопасности централизованного водоснабжения все
хлорсодержащие реагенты одинаково надежны и эффективны, во всяком случае, на сегодняшний день нет опубликованных достоверных данных о массовом микробном отравлении потребителей питьевой водой, содержащей одновременно и патогенную микрофлору и активный (свободный или связанный) хлор. Как следствие, при выборе хлорсодержащего продукта (газообразный хлор, диоксид хлора, хлорамин, хлорная известь, высоко-или низкоконцентрированный гипохлорит натрия, «влажная газообразная смесь оксидантов» и т.д.) его преимущества следует искать не в каком-то супербактерицидном эффекте, а в безопасности его доставки и хранения; технологичности применения; образовании, количестве и составе побочных отходов при производстве продукта на месте его применения (гипохлоритов, диоксида хлора, мембранный хлоркаустиковый электролиз); сроках и условиях сохранения рабочих характеристик продукта; стоимости поставляемого готового хлорсодержащего дезинфектанта или аппаратов, производящих его непосредственно на площадке водоочистных сооружений.
Мировой опыт научного поиска альтернативных жидкому хлору дезинфектантов обосновал, а в дальнейшем и подтвердил на практике перспективность и преимущества применения для обеззараживания воды низкоконцентрированного (7-8 г/л по эквиваленту хлора) электролитического гипохлорита натрия (ГХН), производимого на месте потребления в требуемом количестве путем безмембранного электролиза раствора поваренной соли.
При сравнительной схожести в мировой практике технологий электролитического получения ГХН конкурентоспособность электролизных установок определяется в основном: возможностью применения соли любого качества; энергозатратами; расходами на подготовку воды, используемой для растворения соли; безотходностью технологического цикла, исключающего сбросы образующихся при электролизе отходов в производственную канализацию; экологической безопасностью и надежностью производства ГХН. Следуя этим положениям при согласовании проектной документации с Заказчиком (как правило, с «Водоканалом») и такими ведомствами, как: Управление государственной вневедомственной экспертизы, федеральная служба по экологическому
надзору, Росприроднадзор и др. они справедливо требуют включения в общую технологию получения ГХН и узлов очистки с повторным использованием производственных отходов и сточных вод (с выводом из материального баланса, обезвоживанием и утилизацией нерастворимой фазы), образующихся при: кондиционировании воды (умягчения или декарбонизации), используемой для солерастворения; промывке сатураторов (солерастворителей); кислотной промывке электролизеров от катодных отложений; промывке фильтров тонкой очистки насыщенного солевого раствора и отстоянной возвратной воды от промывки сатураторов с сооружений повторного использования.
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В рамках реализации инвестиционной программы Государственного унитарного предприятия «Вода Крыма» по развитию систем водоснабжения и водоотведения Республики Крым на 2020-2024 годы, в том числе решения задачи раздела «Водоснабжение» по переходу на безопасные методы обеззараживания воды и мероприятий, направленных на повышение экологической эффективности объектов централизованных систем водоснабжения, было поручено ООО НПП «ЭКОФЕС» (г. Новочеркасск Ростовской области) запроектировать и внедрить безотходную технологию обеззараживания питьевой воды г. Симферополя с электролизными установками «Хлорэфс», разработанных и производимых этим предприятием.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ
Подача сырой воды на очистные сооружения (ВОС) г. Севастополь осуществляется из Партизанского водохранилища, наполняемого водой реки Альма. Проектная производительность ВОС составляет Q=100 тыс.м3/сут, хлорирование воды осуществлялось газообразным хлором суммарной дозой Д=3,5 г/м3 с суточным потреблением Gсут=Q•Д/1000 = 100 000-3,5/1000 = 350 кг/сут. Дополнительно в городскую водопроводную сеть подается 30 тыс.м3/сут воды из Аянского водохранилища, которая считается наиболее качественной среди водохранилищ города и подается в центральный водопровод без очистки с применением только хлорирования при дозе хлора 3,0 г/м3 с его суточным потреблением 75 кг/сут. Дезинфекцию Аянской воды производили привозным концентрированным ГХН. Поскольку при использовании этого регента существует ряд особенностей (зарастание трубопроводов, отложение нерастворимых осадков в дозирующих насосах и точках ввода и др.), которые не были учтены на площадке, то оборудование и дозирующие насосы вышли из строя. Некоторое время на Аянском водозаборе эксплуатировалась электролизная установка производительностью 10 кг/сут. по эквиваленту хлора (производства «Промтехвод», Украина), которая была выведена из эксплуатации в силу ряда технических недоработок и не покрывала потребностей площадки в обеззараживающем реагенте. В итоге на Аянском водозаборе стали применять газообразный хлор с использованием хлораторов вакуумного типа.
Рис. 1. Электролизная станция на Александровских ОСВ с семью установками «ХЛОРЭФС» производительностью 7 т/сут по эквиваленту хлора для обеззараживания питьевой воды г. Ростова-на-Дону
Fig. 1. Electrolysis station at the Aleksandrovsky water treatment plants with seven CHLOREFS plants with 7 tons/day capacity of chlorine equivalent for drinking water disinfection, Rostov-on-Don
Рис. 2. Электролизная станция производительностью 750 кг/сут по эквиваленту хлора на водоочистных сооружениях «Партизанский гидроузел», г. Симферополь
Fig. 2.Electrolysis plant with 750 kg/day capacity of chlorine equivalent at the Partizansky Hydroelectric Plant water treatment plant, Simferopol
Вопросы экологической безопасности производства ГХН впервые были полностью решены ООО НПП «ЭКОФЕС» на самой мощной в России (и второй в мире после электролизной на ВОС в г. Лас-Вегасе производительностью 8 т активного хлора в сутки) электролизной станции (7 т/сут по активному хлору, рис. 1) на Александровских ВОС г. Ростова-на-Дону, пущенной в работу в августе 2015 г. [4] и были применены на электролизных станциях ВОС «Партизанский гидроузел» (3 установки по 250 кг/сут, в том числе 1 резервная, пущена в 2020 г., рис. 2) и «Аянский гидроузел» (3 установки по 50 кг/сут с 1 резервной, сдана в эксплуатацию в 2018 г.). Во-первых, для исключения образования стоков от №-катионитового умягчения воды взамен его была принята полностью безотходная и экологически чистая декарбонизация 3%-ного солевого раствора путем его подкисления соляной кислотой до рН = 4,0-4,2 (при этом осадкообразующие на катоде осадок СаСО3 бикарбонат- и карбонат-ионы полностью переходят в СО2) и последующей отдувкой углекислого газа в пленочном (с насадкой из колец Паля/или Рашига) или барботажном дегазаторе (остаточное СО2 не более 3-5 мг/л).
Во-вторых, проблема использования низкосортной соли (в зарубежных аналогах только дорогостоящая таблетированная соль или не ниже марки «Экстра») решена применением сатуратора,
оборудованного системой водо-воздушной промывки (по типу скорых водопроводных фильтров) и в котором приготовление насыщенного раствора соли производится фильтрованием водопроводной воды через неподвижный слой поваренной соли, загружаемой периодически в сатуратор на гравийную подложку (поддерживающий слой), внутри которой расположена трубчатая дренажная
распределительная система. Насыщение воды солью происходит в режиме медленной фильтрации (0,1-0,5 м/ч), частицы глины, песка и другие нерастворимые примеси, поступающие с досыпаемой в сатуратор солью, постепенно накапливаются в фильтрующем слое и должны из него периодически удаляться путем промывки обратным током воды.
Сооружения повторного использования промывных вод сатуратора разработаны в виде последовательно расположенных вертикальной песколовки и отстойника промывных вод периодического действия. Удаление песка из приямка песколовки производится по мере его заполнения песковым насосом с подачей пульпы на пескоотмывочную машину со шнековой выгрузкой отмытого песка в сменный контейнер. Технологическая схема очистки и повторного использования промывной воды представлена на рис. 3.
Рис. 3. Технологическая схема очистки и повторного использования промывной воды солерастворителя в установках «ХЛОРЭФС»:1 - механический фильтр; 2 - отстойник; 3 - пескомоечный аппарат; 4 - песковая пульпа; 5 - песколовка; 6 - солерастворитель Fig. 3. Process flow diagram for purification and reuse of salt dissolver wash water in CHLOREFS units: 1 - mechanical filter; 2 - settler; 3 - sand washer; 4 - sand pulp; 5 - sand trap; 6 - salt dissolver
Отстойник промывных вод конструктивно представляет собой горизонтально расположенную цилиндрическую емкость с уклоном днища к грязевому приямку. Отбор осадка из приямка осуществляется периодически по мере накопления путем взмучивания его системой гидросмыва и перекачкой погружным насосом в производственную канализацию водоочистных сооружений (в систему сброса промывных вод скорых фильтров). Отбор отстоянной воды производится с верхнего уровня при помощи гибкого рукава, закрепленного на поплавке. Вода из отстойника через напорный песчаный фильтр возвращается в сатуратор. Разработанная технология позволяет возвратить в схему солерастворения практически всю воду, используемую для промывки сатуратора.
Наконец, имеется еще один вид стоков, подлежащих переводу их в состояние, отвечающее требованиям, предъявляемым к приему в промканализацию ВОС, либо возврату в схему электролиза. Это стоки от промывки электролизеров раствором соляной кислоты. В зарубежных, а по их типу и отечественных технологиях по мере образования на катодных пластинах карбоната кальция проводится периодическая промывка электролизеров в закрытом контуре 4%-ным раствором соляной кислоты. Промывка осуществляется вручную оператором подключением к очередному электролизеру передвижной мобильной установки с размещенной на ней емкостью с кислотой и циркуляционным насосом. В литературе нет информации о месте выпуска отработанной кислоты, так же, как и отработанных солевых растворов от Na-катионирования. Скорее всего, они подлежат сбросу в канализацию ВОС, что в принципе недопустимо.
В технологиях ООО НПП «ЭКОФЕС» предусмотрено стационарно установленное кислотное хозяйство с подачей через заданный временной интервал (100-200 ч) в автоматическом режиме 5-7% раствора HCl отдельно на каждый установленный электролизер, что исключает «человеческий» фактор при принятии оператором решения о необходимости промывки. Соляная кислота многократно используется до полной её нейтрализации, и уже нейтральный раствор небольшим расходом возвращается в сатуратор.
Таким образом, технологии приготовления солевых растворов, подготовки воды для электролиза с целью минимизации катодных отложений, кислотной промывки катодов являются экологически чистыми и безотходными со 100% использованием или оборотом всех применяемых в технологии электролиза реагентов (воды, поваренной соли, соляной кислоты).
ВЫВОДЫ
В связи со сложившейся критической экологической ситуацией в бассейне реки Альма, являющейся источником питьевой воды г. Симферополь, необходим комплекс
природоохранных мероприятий по минимизации сбросов неочищенных сточных вод, в том числе и образующихся на водоочистных станциях путем внедрения безотходных технологических циклов на этапах кондиционирования и обеззараживания воды.
Тенденция дальнейшего развития
электролизных станций в направлении увеличения их производительности по вырабатываемому активному хлору требует включения в общую технологическую схему производства гипохлорита натрия узлов очистки и повторного использования стоков, образующихся при кондиционировании воды, солерастворении и кислотной промывке электролизеров.
При подготовке воды для солерастворения более предпочтительна кислотная декарбонизация, при которой не образуются вторичные сточные воды, и может быть использована соль любой сортности.
Применение низкосортной соли технологически реализуемо при условии ее растворения в сатураторах, оборудованных системами подачи и отвода промывной воды.
Сооружения очистки и повторного использования промывных вод, включающие песколовку, отстойник, пескоотмывочную машину и фильтры, позволяют возвратить в схему солерастворения практически всю воду от промывки сатуратора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Николенко И.В. Основные направления разработки комплекса мер по решению проблем дефицита воды в Крыму / И.В. Николенко, А.М. Копачевский//Строительство и техногенная безопасность - 2021. -№21(73)-С.147-160.
2. Иванкова Т.В. Современное состояние водообеспеченности Республики Крым и возможные дополнительные источники воды / Т.В. Иванкова // Водоснабжение и санитарная техника. -2019. - № 3. - С. 4-11.
3. Иванкова, Т. В. Оценка степени антропогенной нагрузки в бассейне малой реки Альмы / Т.В. Иванкова // Водоснабжение и санитарная техника. - 2019. - № 12. - С. 4-12.
4. Фесенко Л.Н. Пути решения экологичности и безотходности производства электролитического гипохлорита натрия для обеззараживания питьевых вод / Л.Н. Фесенко, С.И.Игнатенко, А.Ю.Скрябин, И.В. Пчельников // Водоочистка. -2014. - № 3. - С. 9-16.
REFERENCES
1. Nikolenko I.V., A.M. Kopachevsky The main directions for the development of a set of measures to solve the problems of water shortage in the Crimea Construction and man-made safety. 2021. No. 21 (73)pp.147-160.
2. Ivankova T.V. The current state of water supply of the Republic of Crimea and possible additional water sources Water supply and sanitary equipment. 2019. No 3.pp. 4-11.
3. Ivankova T.V. Assessment of the degree of anthropogenic load in the basin of the small Alma River Water supply and sanitary equipment. 2019. No 12.pp. 4-12.
4. Lesenko L.N., Ignatenko S.I., Scriabin A.Yu., Pchelnikov I.V. Ways to solve the environmental friendliness and waste-free production of electrolytic sodium hypochlorite for disinfection of drinking water Water treatment. 2014. No3.pp. 9-16.
ENVIRONMENTAL SAFETY OF DRINKING WATER BY DISINFECTION WITH SODIUM HYPOCHLORITE (BASED ON THE EXAMPLE OF THE ALMA RIVER OF THE REPUBLIC OF
CRIMEA)
Skryabin A.Yu. 1, Ivankova T.V. 2
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov" 346428, Rostov region, Novocherkassk, 132 Prosvescheniya St. E-mail: 1vicsakhranov@ya.ru, 2academy-design@mail.ru
Abstract. The main difficulties with water supply in modern Crimea are due to the shortage of drinking water, low sanitary reliability of water treatment systems, lack number of sufficient disinfection plants in rural areas and unsatisfactory condition of water supply networks. Incurrent conditions, it has become a very pressing task to establish favorable conditions for vital activities of the population by maintaining environmental safety of functioning of engineering and technical systems of the Crimea, including constructions, stations and installations for purification and disinfection of natural and waste waters. The article reviews challenges and solutionsof disposal and reuse of waste from electrolytic sodium hypochlorite produced at water treatment plants for drinking water disinfection. New technological solutions are recommended to ensure environmental safety and waste-free operation of electrolysis plants for sodium hypochlorite production from aqueous solutions of common salt.
Subject of research: Substantiation of sodium hypochlorite usage for drinking water disinfection at water treatment facilities of the Partizanskoe reservoir instead of imported liquid chlorine in order to ensure environmental safety and favorable living conditions for population of the nearby territories.
Materials and methods: Hydrochemical indicators of water quality of the Partizanskoe reservoir, daily productivity of water treatment facilities, electrochemical method for production of sodium hypochlorite by electrolysis of sodium chloride solution. Results: A novel flowsheet for purification and reuse of saline wash water in "CHLOREFS" units is presented. Conclusions: The issues of environmental and industrial safety have been solved as a result of the use of a sodium hypochlorite solution for drinking water disinfection at water treatment facilities of the Partizanskoe reservoir (the Republic of Crimea) instead of imported liquid chlorine at the "CHLOREFS" plants using or recycling all the reagents used in the technologies (water, common salt, acids).
Key words: water shortage, bacterial and viral water pollution, water disinfection, sodium hypochlorite, electrolysis plant, decarbonization, salt solvent, waste-free technology.
