CC BY
419
ОЧИСТКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
ОТ БОРА
PURIFICATION OF UNDERGROUND POTABLE WATERS FROM
BORON
Л.С. Алексеев, Г.А. Ивлева, 3. Аль-Амри
L.S. Alexeev, G.A. Ivleva, Z. Al-Amri
ГОУ ВПО МГАКХИС
Показано, что применение для очистки подземных вод комплексообразующих ио-нитов с высокой избирательной способностью к боркислородным соединениям в настоящее время является наиболее приемлемым.
In the present article it has been shown that the application of complex forming ionites with high selectivity to boron-oxygen compounds for purifying underground waters is the most appropriate technique.
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, в частности бора, удаление которых не решает базовая схема водоподготовки и ее варианты, предусматривающие в основном очистку от железа и марганца.
Бор является биологически активным элементом и в соответствии с принятой классификацией его можно отнести к весьма токсичным веществам. Так, длительное потребление питьевой воды с повышенным содержанием бора вызывает повышенное содержание общего сахара в крови, усиление тормозных процессов в коре головного мозга, снижение кислотности желудочного сока, нарушение минерального обмена в организме и др.
Несмотря на давно установленный факт отрицательного влияния повышенных концентраций бора в питьевой воде на организм человека, только в начале 90-х годов, на основании экспериментальных данных и результатов натурных наблюдений принято считать гигиеническим нормативом по бору в питьевой воде концентрацию <0.5 мг/л по санитарно-токсикологическому признаку вредности второго класса опасности. Учитывая токсичность соединений бора, в странах Европейского сообщества принята ПДК бора в питьевой воде до 0.3 мг/л.
В ряде регионов России (Южный Урал, Западная Сибирь, Центральный район и др.) подземные воды содержат бор в концентрациях, превышающих предельно-допустимую в 6-10 раз.
Для очистки воды от соединений бора предложены следующие методы: соосаж-дение и осаждение, сорбция, ионный обмен, мембранные, в том числе электродиализ и обратный осмос [1].
Удаление бора соосаждением с гидроксидами магния, алюминия, лантана, кремния, титана и железа (III) малоэффективно при их низкой сорбционной емкости по
бору, сложности повторного использования гидроксидов металлов и трудоемкости осуществления процессов очистки.
Методы соосаждения и осаждения рассчитаны на очистку водных растворов со значительными концентрациями бора (>1 г/л).
Получение по золь-гель технологии более эффективного оксогидратного циркониевого сорбента вследствие амфотерности циркония требует создания оптимальных условий для протекания основной структурообразующей стадии синтеза сорбента, а именно его избирательности к соединениям бора, что весьма трудоемко. Полученный сорбент механически не прочен, достаточно дорог.
Мембранными методами - электродиализом и обратным осмосом одновременно с ионами солей задерживается до 40% бора. С учетом гигиенического норматива по бору в питьевой воде 0.5 мг/л концентрация бора в исходной воде не должна превышать 0.8 мг/л, что в 3.5 раза ниже его фактического содержания в подземных водах, например Воронежской обл.
Селективность мембран возможно повысить предварительным подщелачиванием подземной воды до pH = 10-11, а затем произвести нейтрализацию щелочи соответственно подкислением очищенной воды. Следует отметить, что при подщелачивании воды повышается эффект поляризации мембран и снижение их проницательности, а, следовательно, уменьшение производительности установки. При мембранных способах очистки подземной воды от бора происходит ее обессоливание, что требует кондиционирования физико-химического состава питьевой воды в соответствии со Сан-ПиН 2.1.4.1074-01. При этом смешение ее с исходной очищенной водой с критерием процесса 0.5 мг/л и содержанием бора в исходной воде до 3 мг/л будет осуществляться в пропорции: пермеат к исходной воде как 9:1.
Указанное смешение не обеспечит получение питьевой воды, соответствующей СанПиН, тем более физиологически полноценной с содержанием основных макросо-левых компонентов (Са2+, минерализации и др.) на оптимальном уровне. Кроме того, в зависимости от температуры воды, типа мембран и коэффициента конверсии расход исходной воды на мембранную установку может повышаться до 200%, что увеличивает объем сбросных рассолов, ухудшает экологию и в целом неэкономично.
Применение для очистки подземных вод комплексообразующих ионитов с высокой избирательной способностью к боркислородным соединениям в настоящее время является наиболее приемлемым.
Предлагаемый способ очистки воды от анионов солей бора основан на ионном обмене с применением высокоселективных анионообменных смол. Существующие смолы S-108 фирмы «Purolite», IRA-743 - Rohm and Haas и др. имеют высокую механическую прочность, химическую стойкость, динамическую обменную емкость по бору, не токсичны, эффективно регенерируются.
Для оценки степени сорбции анионов борселективной смолой можно записать их в следующий ряд активности:
С1"< SO42" < НСОз" < B(OHV.
Поэтому в целом химический состав очищаемой воды практически не изменяется (незначительное по времени изменение в начале процесса фильтрования воды через загрузку анионита) Вся подаваемая вода на установку после очистки направляется потребителю.
Смолы эффективно работают в широком диапазоне pH и концентрации оксобора-тов. Обменная емкость по бору 350 мг-экв/л. Начало проскока борат-ионов наступает при 650-700 относительных объемах, что определяется исходной концентрацией соединений бора.
Как показали наши испытания, загрузка смолы S-108 в постоянном режиме ионный обмен (по В) - регенерация, работает в течение 6 лет (при догрузке 3% в год по объему). Многократные циклы в режиме «заработка-регенерация» показали высокую эффективность десорбции бора и в достаточной степени воспроизводимую емкость селективной смолы.
Однако, следует отметить высокую стоимость зарубежных селективных смол. В настоящее время разрабатывается новый отечественный сорбент для селективного извлечения бора из природных вод с целью повышения эффективности и снижения расходов на процесс обезборивания. Разработка технологии очистки подземной воды от бора предполагает использование различных селективных сорбентов зарубежных (Purolite S-108, Rohm and Haas IRA-743, ГРАНИОН, D430) и отечественных, позволяющих удалять биологически активные компоненты без изменения макрокомпонент-ного состава природной воды, который должен отвечать нормативным требованиям, предъявляемым к качественному и количественному составу питьевой воды [2].
Рассмотрим конкретный пример. Источником водоснабжения объекта, расположенного в Воронежской обл., является подземная вода артскважины.
Как следует из результатов анализа физико-химического состава, подземная вода относится к мягким водам гидрокарбонатного класса натриевой группы с низкими жесткостью (1.1 мг-экв/л) и содержанием кальция (14 мг/л), щелочность составляет 5.2 мг-экв/л, концентрация натрия (+калий) - 214.1 мг/л, что находится на уровне предельно допустимой для питьевой воды (200 мг/л по Na). Основными солевыми компонентами подземной воды являются гидрокарбонат натрия и хлорид натрия. Общая минерализация подземной воды - 767 мг/л, сухой остаток - 592 мг/л, что ниже нормативного уровня (<1000 мг/л) по СанПиН 2.1.4.1074-01. Перманганатная окисляемость -0.39 мг02/л указывает на отсутствие легко- и среднеокисляемых органических загрязнений. По органолептическим показателям подземная вода характеризуется низкой цветностью (10 град), запах и привкус составляют 1 балл, что ниже требований СанПиН.
Водородный показатель pH = 8.2 (при 8°С), содержание железа общего равно 0.62 мг/л, фторидов 1.59 мг/л, содержит агрессивный диоксид углерода (1.7 мг/л), стабилизационные и коррозионные показатели следующие: индекс Ланжелье IL = -0.18 (<+0.3), показатель стабильности Пс = 0.99, потенциал осаждения карбоната кальция равен Ц-сасоз = -3.9 (<<4-10 мг/л), коррозионные показатели - индекс Ризнера IR = 8.56 (>6). В подземной воде обнаружена повышенная концентрация бора - 3,1 мг/л, что составляет 6,2 ПДК (<0.5 мг/л), содержание тяжелых металлов (Ni, Cd, Cu, Zn,Cr, Pb, Al) ниже предельно допустимых концентраций.
Таким образом, на основании обобщения результатов физико-химических анализов подземной воды и оценки их по критериям качества питьевой воды лимитирующими показателями являются: железо, бор, кальций, стабилизационные и коррозионные показатели. Концентрация ионов (Na+ + К+) и F- находятся на уровне, близком к ПДК. Для приготовления питьевой воды в соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 подземная вода требует очистки и кондиционирования с применением следующих этапов обработки: обезжелезивание ^ очистка от бора ^ кальцинирование ^ стабилизация ^ обеззараживание. Кальцинирование воды проводится для обеспечения в питьевой
воде санитарно-гигиенического уровня по кальцию - не ниже 30 мг/л с дозированием диоксида углерода (из баллонов).
Подземная вода из скважины поступает на напорные фильтры обезжелезивания, где предусматривается предварительное эжектирование воздуха в подающий трубопровод для насыщения воды кислородом воздуха, После фильтров обезжелезивания очищенная вода поступает на анионитовые фильтры очистки от бора, а далее после дозирования известкового раствора направляется в реактор для обогащения гидрокарбонатом кальция, затем подвергается стабилизационной обработке и направляется в резервуар чистой воды, откуда насосами подается потребителю.
Очистка воды от бора осуществляется на анионитовых фильтрах, загруженных селективной по бору смолой S108 в ОН- - форме английской фирмы Purolite. Смола S108 имеет санитарно-гигиенический сертификат в России для применения в питьевом водоснабжении. Ее высокая селективность позволяет обеспечить обменную емкость по бору 3.8 г/л (0.35 г-экв/л) при сохранении исходного состава воды по основным анионам (Cl-, НС03", S042"). Функциональной группой являются комплексные амины, рабочий диапазон значений рН = l +13.
В насосной станции на напорном водоводе устанавливается бактерицидная лампа УФ-облучения для обеззараживания. Для подготовки загрузки фильтров и дезинфекции оборудования в соответствии с регламентом на водоочистных сооружениях необходимо предусмотреть наличие гипохлорита натрия или кальция.
Краткий вывод
Выбор оптимальной технологии очистки подземной воды от бора позволяет конкретизировать решение по водоподготовке хоз-питьевой воды в соответствии с Сан-ПиН 2.1.4.1074-01 для реального объекта с учётом специфических особенностей источника водоснабжения и качества исходной воды, а также создать типовой ряд водоочистных установок по производительности.
Литература
1. Л.С. Алексеев. Контроль качества воды. - М., Изд-во Инфра-М, 2010.
2. М.А. Сомов., М.Г. Журба, Водоснабжение. том 1 М.: Издательство АСВ, 2010.
Literature
1. L.S. Alexeev. Water quality assurance. - M, Publishing house of Infra Th, 2010.
2. M.A.Somov., M.G.Zhurba, Water supply. Volume 1 M: Publishing house ASV, 2010.
Ключевые слова: хозяйственно-питьевой водопровод, водоподготовка, качество воды, очистка воды от бора
Key words: domestic-potable water supply, water treatment, water quality, water treatment from boron
109807, Москва, ул. Ср. Калитниковская, 30. (495) 678-34-73 E-mail автора: [email protected].
Рецензент: Орлов В.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Водоснабжение» ФГБОУ ВПО МГСУ
