CC BY
5Проблемы экологии нефтегазовых регионов
УДК 66.06:66.087
ЗДОРОВЬЕСБЕРЕГАЮЩАЯ ЭЛЕКТРООБРАБОТКА В ПИТЬЕВОМ ВОДООБЕСПЕЧЕНИИ
SANITATION ELECTROTREATMENT IN DRINKING WATER SUPPLY
О. В. Смирнов, В. А. Лебедев, В. О. Смирнова
O. V. Smirnov, V. A. Lebedev, V. O. Smirnova
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
ООО «Водолей-Сервис», г. Санкт-Петербург
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург
Ключевые слова: оздоровление; вода; электрообработка; биотестирование Key words: sanitation; water; electrotreatment; biotesting
Электрообработка получает широкое распространение [1, 2] и как составляющая, и как основной прием в технологиях разрушения устойчивости дисперсий, включая недостаточно изученные во вновь осваиваемых регионах Сибири и Крайнего Севера питьевые и технологические воды. Воздействие электрического поля на воду — многофакторный процесс, эффекты которого не всегда предсказуемы. При использовании электрообработки применяется система контроля качества воды, основанная на дифференцированном определении концентраций нормируемых компонентов и сопоставлении их с предельно допустимыми значениями. Однако при подготовке воды для использования живыми организмами и в конечном счете человеком предъявляются особые требования к ее качеству. В таком случае на первый план выходит необходимость контроля по биологически значимым показателям, важнейшим из которых является токсичность — интегральный параметр, адекватно оценивающий степень пригодности воды для живого. Он определяется только средствами биологического тестирования по реакции специальных тест-организмов.
Решение проблемы качества воды осложняется тем, что вода — это дисперсная система с неограниченной переменной совокупностью свойств; с неопределенностью состава из-за большого числа многокомпонентных ингредиентов. Последние способны изменять свои свойства под влиянием внешних факторов и взаимодействовать друг с другом, создавая токсичные химические соединения. Во многих случаях технологические процессы направлены на очистку лишь от ряда известных, предусмотренных гигиеническими требованиями нормативных документов загрязнителей. Однако не принимается во внимание влияние новых неидентифицируемых химических соединений, а также одновременное воздействие на живой организм нескольких компонентов — нетоксических или умеренно токсических, в совокупности являющихся весьма опасными.
В Тюменском университете профессор В. С. Соловьев отмечает, что для коренных жителей биогеохимия воды является компонентом биостереотипа, пришлому же населению приходится перестраивать функции организма для компенсации снижения адаптационного потенциала, экономии жизненных усилий и энергии путем использования чистой питьевой воды.
Гигиенисты показали, что длительное употребление маломинерализованной воды приводит к ряду патологических состояний человеческого организма. В воде желательно присутствие солей (минимальная минерализация питьевой воды должна быть не ниже 100, но и не более 1 000-1 500 мг/л). Баланс микроэлементов в организме поддерживается слизистой кишечника [1, 3]. Длительное потребление, например, повышенной дозы железа до 300 мг в день приводит к появлению легкого гастроэнтерита, а
ненормативное потребление алюминия — энцефалопатии (органическое поражение головного мозга) и остеомаляции (изменение объема костного вещества).
Общая минерализация может в разных регионах существенно различаться. Но поскольку для жителей той или иной местности вода привычна на протяжении их жизни, концентрация жизненноважных ингредиентов не сказывается на здоровье аборигенов.
Питьевая вода должна быть эпидемиологически безопасной. Исторический опыт и данные по микробиологии и гигиене воды делают это требование важнейшим. Питьевая вода должна быть биологически полноценной. Это требование предполагает, что вода должна содержать все необходимые для человека катионы и анионы, то есть калий, натрий, кальций, магний, хлориды, сульфаты, карбонаты и гидрокарбонаты. Питьевая вода может содержать широкий спектр микроэлементов в очень малых концентрациях. Часть их может обладать биологической ценностью и активностью (медь, железо, селен, цинк и т. д.) или может быть индифферентной.
Питьевая вода может содержать газы и органические кислоты, которые даже в малых концентрациях придают определенный привкус воде. Количество объективных и субъективных критериев чистой питьевой воды не ограничено. Как в Санкт-Петербурге, так и в Тюмени в сеть поставляется доброкачественная питьевая вода. Но из-за протяженности и загрязненности сетей доставки конечному потребителю в целях санитарно-гигенической безопасности целесообразно использовать только дочищенную и кипяченую воду. Эта проблема в той или иной мере характерна для всего мира.
В технологии финишной обработки воды наиболее распространенные методы (мембранные, электрообработка, фильтрование, сорбция) реализуют в тех или иных сочетаниях (в патентной литературе они называются способами). Дополнительно зачастую применяют озонирование и ультрафиолетовое облучение.
При фильтровании в качестве задерживающей и накапливающей примеси загрузки могут быть использованы тканные и нетканные материалы, металлические, керамические и металлокерамические пористые, биологические полимерные с регулируемым размером пор, гранулированные материалы (песок, угли, шунгит, вермикулит, ионообменные смолы, цеолиты и пр.). Главным недостатком применения фильтров является постепенное накопление загрязняющих веществ и развитие на их основе собственной патогенной микрофлоры. В зависимости от состояния поступающей воды наступает момент, когда фильтр становится источником сконцентрированных ранее загрязнений. Безопасное использование многих фильтров составляет, как правило, 20-30 дней, после чего требуется их замена. Определение момента замены и количество замен без аналитического контроля затруднено и связано с качеством исходной воды и режимом очистки.
Из методов электрообработки в качестве финишных устройств для очистки питьевой воды наиболее эффективны электрокоагуляция, электрохимическая коагуляция и электрический разряд малой мощности, реализация которого для локального использования началась в Перми и Санкт-Петербурге.
Принципиальным достоинством электрообработки является сброс шлама (загрязнений) в канализацию при каждом водоочистном цикле.
Типовая технологическая схема обработки воды построена следующим образом: обрабатываемая вода, прошедшая биотестовый контроль, направляется в электродный блок, содержащий нерастворимые катоды, изготовленные из нержавеющей стали, и растворимые аноды из сплавов пищевого алюминия. Под действием электрического поля происходит поляризационная коагуляция и выделение многозарядных ионов в обрабатываемую воду. Гидроокись алюминия является коагулянтом. Хлопья коагулянта сорбируют на себе вредные примеси из воды и в виде шлама флотируются к поверхности в реакторе. Шлам из реактора удаляется, а очищенная вода пропускается через фильтр, освобождаясь от мельчайших высокодисперсных частиц шлама, оставшихся в массе воды. Из воды выводятся почти все вредные для здоровья человека химические вещества, удаляются органические соединения. Полезные для жизнедеятельности человека вещества, такие как хлориды, ионы калия, кальция, натрия, магния, сульфаты, гидрокарбонаты и карбонаты в концентрациях, не выше допустимых, в очищенной воде остаются. Электрообработка обладает сильным антибактериальным и антивирусным воздействием.
Существует достаточно много разработок электроводоочистителей частных компаний, в том числе отечественных, при оснащении которыми возможно не только до-очищать водопроводную воду, но и очищать природную воду до соответствия ее нормативным требованиям при превышении предельно допустимых концентрации (ПДК) более чем в 5 раз, а также очищать сточные воды. Такие устройства существенно улучшают потребительские свойства воды: прозрачность, цветность, вкус, запах. Удаляют из воды соли тяжелых металлов, органические примеси (нефтепродукты, ПАВ, хлорорганические соединения), радионуклиды. При доочистке нормализуется водородный показатель, существенно улучшаются вкусовые свойства питьевой воды, повышающие вкусовые качества приготовленной на ее основе пищи.
В отличие от установок сорбционных технологий электроводоочистители не накапливают в себе загрязнения, сохраняют в основном солевой состав воды, удаляя только вредные примеси. Процесс обработки воды автоматизирован и носит циклический характер: забор воды — биотестовый контроль — введение параметров алгоритма — очистка с отделением примесей — накопление — разбор воды потребителем.
Исследования и использование электрообработки воды в Военно-медицинской Академии в лечебном процессе показали, что вода, получаемая в результате воздействия на нее внешним однородным электрическим полем, обладает следующими свойствами:
• уникальна и сбалансирована по минеральному составу;
• соответствует нормативным требованиям Госстандарта России;
• вкусна;
• обладает оптимальными показателями кислотно-щелочного баланса и окислительно-восстановительного потенциала, на порядок превосходящими (в плане поддержания здоровья человека) все известные напитки, даже такие, как свежеприготовленный морковный сок и сок проросшей пшеницы;
• способствует процессам самовосстановления организма:
- межклеточному обмену;
- выведению из организма вредных веществ;
- обновлению состава крови, происходящего у человека каждые полгода;
- поддержанию тонуса кожи и другим процессам, направленным на поддержание четкой работы органов и систем жизнеобеспечения человека (в том числе ки-шечно-желудочного тракта и сердечно-сосудистой системы).
Электрообработанная вода соответствует требованиям стандартов и требованиям, сформулированным старшим научным сотрудником к. т. н. В. И. Барабановым [1] во время его сотрудничества с Военно-медицинской академией.
После воздействия внешним электрическим полем вода:
• эпидемиологически безопасна, так как вследствие влияния электрического поля, атомарного кислорода, образующегося на аноде, гипохлоритов, погибают бактерии;
• доброкачественна, так как все вредные примеси коагулируют и удаляются со шламом, биологически полноценна, так как не нарушается характерный для региона солевой состав воды [1];
• биологически активна, так как после воздействия электрическим полем она благотворно влияет на внутренние органы при заболеваниях желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистых и ряде других заболеваний.
Классификация методов электрообработки представлена в [2], а механизм электроводоочистки, реализующий взаимосвязанные методы, заключается в следующем. Вода направляется в электродный блок, содержащий нерастворимые катоды, изготовленные из нержавеющей стали, и растворимые аноды из сплавов пищевого алюминия. Под действием электрического поля происходит дальнодействующее диполь-дипольное взаимодействие дисперсных частиц с концентрационной коагуляцией у противоположно заряженного частицами электрода, анодные процессы, вследствие которых в межэлектродное пространство выделяются многозарядные ионы анода, которые обра-
зуют в данном случае гидроксид пищевого алюминия и через некоторое время (20-30 с) выпадают в виде хлопьев. Хлопья сорбируют на себе загрязнения в виде шлама, поднимаются к поверхности реактора в шламосборник. Этому способствуют пузыри водорода, который образуется на катодах. Шлам из шламосборника удаляют, а очищенную воду пропускают через фильтр, освобождая от мельчайших частичек шлама, оставшегося в массе воды. Профильтрованная вода соответствует всем необходимым требованиям.
В таблице представлен сравнительный анализ классических технологий очистки воды и технологий, применяемых в электроводоочистителях.
Сравнительный анализ стандартных технологий очистки воды и технологий, применяемых в электроводоочистителях
Стандартная технология Технология «Водолей»
Скорость фильтрации меняется в зависимости от потребления очищенной воды в пределах от 0 до 10-15 м/час и выше, что приводит к выносу накопленных загрязнений при гидравлических толчках и необходимости установки дополнительных фильтров Замкнутый циркуляционный режим позволяет удерживать постоянную скорость фильтрации от 6 до 8 м/час, что исключает выброс загрязнений. Подача воды на потребление производится не из фильтра, а из накопительной емкости
Отсутствие запаса очищенной воды для покрытия пиковых нагрузок (уборки, водных процедур) приводит к увеличению скоростей фильтрации Установки оснащены циркуляционно-накопительной емкостью с буферным запасом воды для компенсации пиковых расходов
Наличие застойных явлений, ведущих к образованию микроорганизмами из аммиака нитритов и нитратов, придающих воде затхлый запах. Повышается окисляемость воды, что снижает пригодность ее к длительному хранению. Очистка воды не зависит от водоразбора, что исключает возникновение застойных явлений в фильтрах. Газы воды замещаются кислородом и азотом воздуха, что препятствует накоплению иных газов, например метана
Для улучшения органолептических показателей (вкуса, запаха и т. д.) применяются сорбенты (активированный уголь), склонные к накоплению органических загрязнений с последующим выбросом их в сеть. Требуется регулярная замена сорбционного материала Органолептические показатели достигаются удалением из воды газов, придающих воде привкус и запах (аммиака, углекислоты, сероводорода — особенно в водах севера). Фильтрование ведется через кварцевый песок (срок службы до 5 лет) или легко восстанавливающиеся медико-биологические загрузки
Отсутствие водо-воздушной промывки фильтров ведет к чрезмерному уплотнению и спеканию фильтрующей загрузки, накоплению загрязнений в «мертвых зонах» фильтра Обратная промывка фильтров производится в автоматическом режиме водо-воздушной смесью с применением компрессора или вручную с отжа-тием пластичной намотки тороидов из медико-биологического материала
Показатели качества воды не всегда соответствуют нормативам, отмечается нестабильность результатов Показатели качества воды выше норматива и имеют стабильный характер
Процесс очистки ведется в объеме фильтрующей загрузки Выделенные примеси сбрасываются в канализацию. Дополнительная фильтрация целесообразна
Применение дорогостоящих загрузочных материалов (Бирм, Манганез, Юропил и прочее) Применение отечественных загрузок — кварцевый песок, тороиды с намоткой из биологической ткани
Целесообразно использование метода в гермоотсеках, космических орбитальных станциях, транспортных средствах, для водоснабжения небольшого количества людей в отдаленных районах, в нанотехнологиях.
Проведенные одним из авторов исследования биотестированием по контролю за эффективностью снижения токсичности воды при электрообработке на водных средах, содержащих основные типы загрязнителей, учитывают пролонгированность процессов в водной среде в течение и по окончании электрического воздействия [4]. Впервые было экспериментально подтверждено, что остаточная токсичность сохраняется разное время в зависимости от состава среды и параметров обработки. Поэтому для полного снятия токсичности необходима соответствующая корректировка режима электрово-
доочистки. Другие технологии водоочистки зачастую не способны к полному снятию токсичности.
Биотестирование как приборный принцип может быть использовано при реализации функций контроля и обратной связи в автоматических системах электрокондиционирования воды.
Проводился мониторинг патологий по десяти нозологическим единицам, который показал стойкую нормализацию состояния здоровья наблюдаемых лиц. Вода после электрообработки является лекарством, адаптогеном и оздоровительным средством.
В 2008 году на кафедре физиологии Национального государственного университета физической культуры им. Лесгафта П. Ф. было проведено исследование по оценке физиологических эффектов при потреблении спортсменами питьевой воды, очищенной с применением электрокоагуляционной технологии. Установлено, что спустя месяц от начала потребления спортсменами модифицированной воды после электрообработки зарегистрирована положительная динамика функций организма. Наиболее существенные результаты заключаются в ускорении процессов восстановления после физической нагрузки, росте максимальной анаэробной мощности, то есть активации энергетических процессов в организме, что обусловило возрастание на 8,3 % интегрального показателя работоспособности. Результаты исследования полезны для здоровья рабочих в экстремальных условиях при высоких физических нагрузках на вновь осваиваемых территориях Сибири и Крайнего Севера.
Совместно с Санкт-Петербургским институтом биорегуляции и геронтологии Северо-Западного отделения РАМН проводилась научно-исследовательская работа по изучению клинической эффективности и механизмов действия пептидных биорегуляторов при различных заболеваниях и патологических состояниях, в том числе ассоциированных с возрастом, в условиях долговременного использования питьевой воды, прошедшей электрообработку, с целью внедрения в практику современных геронтотехноло-гий, позволяющих увеличить продолжительность жизни пациентов на 5-10 лет.
Водоочистное оборудование на основе электротехнологий используется предприятиями на всей территории России, в первую очередь социально ответственными учреждениями, детскими садами, больницами, объектами санитарно-бытового назначения, в частности ГОУВПО им. И. И. Мечникова Росздрава, ОАО «ВНИИ гидротехники им. Веденеева», ВНИИЖиров и т. д., а также в п. Стрельна Ленинградской области, гостинице «Балтийская Звезда», инженерно-хозяйственном комплексе «Дворца Конгрессов» (Константиновский дворец), коттеджном городке ФГУ «Государственный комплекс «Дворец Конгрессов», десятками тысяч индивидуальных пользователей.
Список литературы
1. Воробьева С. В. Электроочистка питьевых и сточных вод. - Тюмень: изд-во «Поиск», 2004. - 144 с.
2. Смирнов О. В. Природоохранные технологии // Безопасность жизнедеятельности. - Москва. - 2013. - № 1 (145). - С. 24-30.
3. Захарченко М. П., Кошелев Н. Ф., Ромашов П. Г. Гигиеническая диагностика водной среды. - СПб.: Наука, 1996.-247 с.
4. Биотестовая система контроля качества воды при электрообработке: автореф. дис.... к-та техн. наук: 05.11.13 / В. О. Смирнова; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб, 2012. - 18 с.
Сведения об авторах
Смирнов Олег Владимирович, д. т. н, профессор кафедры «Электроэнергетика», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. + 79129275192, e-mail: oleg smirnov 1940@mail.ru
Лебедев Валерий Анатольевич, генеральный директор ООО «Водолей-Сервис», г. Санкт-Петербург, тел. +79219511860, e-mail: l-leb@mail.ru Смирнова Влада Олеговна, к т. н., доцент кафедры инноватики и интегрированных систем качества, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, тел. +79111533401, e-mail: vlada_sm@mail.ru
Information about the authors Smirnov O. V., Doctor of Engineering, professor of the chair «Electroenergetic», Industrial University of Tyumen, phone: +79129275192, e-mail: oleg smirnov 1940@mail.ru
Lebedev V. A., Director General of LLC «Vodo-ley-Service», Saint-Petersburg, phone:
+ 79219511860, e-mail: l-leb@mail.ru
Smirnova V. O., Candidate of Science in Engineering, associate professor of the chair «Innovation and quality integrated systems», Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, phone: + 79111533401, e-mail: vlada_sm@mail.ru
