2 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ИХ СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ
2.1 Обзор состояния источников водоснабжения
Генеральная Ассамблея ООН провозгласила период с 2005 по 2015 год Международным десятилетием действий «Вода ради жизни» и постановила, что необходимо акцентировать внимание на осуществление программ и проектов, касающихся водных ресурсов.
Российская Федерация является одной из немногих развитых стран, чьи ресурсы пресной воды являются достаточными, ведь ей принадлежит одна пятая часть общемировых ресурсов питьевой воды. Но при этом необходимо отметить, что отдельные регионы страны вододефицитны. В случаях экстремально неблагоприятной природно – климатической ситуации засуха может поразить десятки регионов.
В Ленинградской области Российской Федерации проблема нехватки питьевой воды стоит не так остро, как во многих других регионах, но при этом возникают сложности с выбором источника водоснабжения и обеспечением питьевой водой необходимого качества. На данный момент на территории области проживает 1745803 человека (без учета МО «Сосновоборский городской округ»), в т.ч. 656730 в сельской местности (37,6% населения области). Из них обеспечены централизованным водоснабжением 1541876 (88,3% населения области) и 203927 человек (11,7%) – нецентрализованным водоснабжением. По данным Роспотребнадзора, на территории Ленобласти 1435 источников, пригодных для питьевого водоснабжения, из которых 71 (4,94%) – поверхностные источники, а 1364 (95,06%) – подземные. Питьевой водой из поверхностных источников обеспечиваются 63% населения области, остальные 37% – из подземных. При этом, вода из большинства поверхностных водных источников требуют дополнительной очистки воды перед ее использованием в питьевых целях, т.к. она не соответствует санитарным нормам.
Таблица 2.1 – Обеспеченность населения Ленинградской области доброкачественной питьевой водой (в процентах)
| Наименование | 2016 г. | 2017 г. | 2018 г. | Динамика к 2017 г. |
| Доля населения, обеспеченного доброкачественной водой, в т.ч. | 50,6 | 52,0 | 53,6 | ↑ |
| в городских поселениях | 56,7 | 58,1 | 60,1 | ↑ |
| в сельских поселениях | 39,7 | 41,3 | 42,8 | ↑ |
| Доля населения, обеспеченного доброкачественной и условно доброкачественной водой, в том числе: | 78,7 | 81,7 | 83,2 | ↑ |
| в городских поселениях | 88,8 | 92,8 | 95,3 | ↑ |
| в сельских поселениях | 60,8 | 62,3 | 63,2 | ↑ |
Выбор источника водоснабжения должен осуществляется в соответствии с ГОСТ 2761–84 «Источники централизованного хозяйственно – питьевого водоснабжения. Гигиенические и технические требования и правила выбора». Данный документ определяет санитарную принадлежность источника водоснабжения по такому критерию, как защищенность от загрязнений.
Таблица 2.2 – Доли источников централизованного водоснабжения Ленинградской области, не отвечающих санитарно – эпидемиологическим требованиям, (%)
| Наименование | 2017 г. | 2018г | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| Источники централизованного водоснабжения | 5,4 | 4,75 | 4,59 | ↓ |
| из них из–за отсутствия зоны санитарной охраны от количества несоответствующих(%) | 72,7 | 82,4 | 81,8 | ↓ |
| в т.ч. поверхностные источники | 9,8 | 7,04 | 5,63 | ↓ |
| – подземные источники | 5,16 | 4,63 | 4,54 | ↓ |
Согласно этому критерию, в первую очередь используются межпластовые напорные (артезианские) воды. Если такие воды отсутствуют или их запасов недостаточно, только в этом случае переходят к другим источникам водоснабжения в порядке снижения их санитарной надежности: межпластовые безнапорные воды, грунтовые воды, поверхностные водоемы (реки, водохранилища, озера, каналы).
В Ленинградской области забор воды, в основном, осуществляется из защищенных водоносных комплексов, за исключением территорий, где водоупорный горизонт не имеет сплошного распространения. К ним относятся территории Ижорского плато (Волосовского, Гатчинского, южная часть Ломоносовского, восточная Кингисеппского, северо – западная Сланцевского района) и значительной части Карбонового плато (Бокситогорский район). На указанных территориях стоит проблема использования и качества подземных вод при слабой защищенности водоносного горизонта. Существующие источники органического, неорганического и микробиологического характера снижают качество подземных вод. Доля подземных источников водоснабжения, не отвечающих санитарным нормам и правилам, составляет 4,6% (табл. 2.3)
Таблица 2.3 – Состояние подземных источников централизованного питьевого водоснабжения Ленинградской области
| Наименование | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| Количество источников | 1357 | 1359 | 1364 | ↑ |
| из них не отвечает санитарным правилам и нормативам(%) | 5,4 | 4,75 | 4,6 | ↓ |
| в т.ч. из – за отсутствия зоны санитарной охраны от количества несоответствующих(%) | 77,1 | 85,7 | 85,5 | ↓ |
| Количество исследованных проб по санитарно — химическим показателям | 1631 | 1526 | 1284 | ↓ |
| из них не соответствует гигиеническим нормативам(%) | 30,9 | 31,4 | 43,2 | ↑ |
| Количество исследованных проб по микробиологическим показателям | 2915 | 1875 | 1503 | ↓ |
| из них не соответствует гигиеническим нормативам(%) | 4,4 | 5,81 | 6,6 | ↑ |
Поверхностные водные источники имеют более низкий уровень минерализации, большее количество взвешенных веществ, высокую цветность и высокий уровень микробного загрязнения, в отличие от подземных источников. Но запасов подземных вод бывает недостаточно, поэтому в практике водоснабжения часто используют поверхностные водоисточники. К сожалению, поверхностные водоисточники подвергаются загрязнению за счет спуска хозяйственных, фекальных и промышленных сточных вод и т.д. Доля неудовлетворительных проб воды поверхностных водных источников Ленинградской области, несоответствующих нормативам по санитарно – химическим показателям и микробиологическим показателям приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 – Состояние поверхностных источников централизованного питьевого водоснабжения Ленинградской области
| Наименование | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| Количество источников | 71 | 71 | 71 | — |
| из них не отвечает санитарным правилам и нормативам(%) | 9,9 | 7,04 | 5,63 | ↓ |
| в т.ч. из–за отсутствия зоны санитарной охраны от количества несоответствующих (%) | 28,6 | 40,0 | 25,0 | ↓ |
| Количество исследованных проб по санитарно-химическим показателям | 490 | 404 | 404 | — |
| из них не соответствует гигиеническим нормативам(%) | 64,3 | 55,9 | 48,5 | ↓ |
| Количество исследованных проб по микробиологическим показателям | 650 | 613 | 566 | ↓ |
| в т. ч. выделенными возбудителями инфекционных заболеваний(%) | 0 | 0 | 0 | — |
| Число исследованных проб по паразитологическим показателям | 177 | 224 | 175 | ↓ |
| из них не соответствует гигиеническим нормативам(%) | 0 | 0 | 0 | — |
Большая часть водных объектов Ленинградской области относится по уровню антропотехногенной нагрузки к источникам III степени санитарной опасности. Это связано с высокой техногенной нагрузкой на окружающую среду, в частности, со сбросом загрязненных или недостаточно очищенных сточных вод в поверхностные воды региона. Особую опасность представляют недостаточно очищенные сточные воды, сбрасываемые в реки Неву, Лугу, Вуоксу, Плюссу, Свирь и Волхов, являющиеся источниками хозяйственно – питьевого водоснабжения. Санитарное состояние водоемов, используемых для питьевого водоснабжения (I категория), и водоемов, используемых для рекреационных целей (II категория), остается неудовлетворительным. Но, в 2019 г. доля проб воды водоемов I и II категорий, не отвечающих нормативам по санитарно – химическим, микробиологическим показателям, в сравнении с 2018 г., уменьшилась (результаты приведены в таблице 2.5).
Превышение среднеобластного показателя доли неудовлетворительных проб воды водоемов II категории по санитарно – химическим показателям отмечается в 9 из 17 районов Ленинградской области: Волховском, Всеволожском, Гатчинском, Киришском, Кировском, Ломоносовском, Приозерском, Тихвинском, Тосненский районах (таблица 2.6 – 2.7).
Таблица 2.5 – Доля проб воды водоемов I и II категорий по санитарному состоянию, не отвечающих гигиеническим нормативам
| Категория водоемов | по санитарно- химическим показателям | по микробиологическим показателям % | по паразитологическим показателям % | ||||||
| 2016 г. | 2017 г. | 2018 г. | 2016 г. | 2017 г. | 2018 г. | 2016 г. | 2017 г. | 2018 г. | |
| I | 64,3 | 55,9 | 48,5 | 49,0 | 48,8 | 39,6 | 0 | 0 | 0 |
| II | 33,6 | 31,5 | 29,85 | 41,7 | 39,1 | 38,3 | 0,2 | 0,17 | 0 |
Таблица 2.6 – Доли неудовлетворительных проб воды водоемов I категории по санитарно – химическим показателям
| Район | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| Бокситогорский | 100 | — | — | — |
| Волосовский | — | — | — | — |
| Волховский | 74,2 | 67,8 | 100,0 | ↑ |
| Всеволожский | 5,0 | 5,0 | 1,9 | ↓ |
| Выборгский | 80,0 | 68,2 | 71,4 | ↑ |
| Гатчинский | 0 | 0 | 0,0 | — |
| Кингисеппский | 92,8 | 100 | 57,1 | ↓ |
| Киришский | 87,5 | 100 | 90,0 | ↓ |
| Кировский | 72,0 | 66,6 | 24,5 | ↓ |
| Лодейнопольский | 16,7 | 66,6 | 66,7 | ↑ |
| Ломоносовский | 50,0 | 41,6 | 0,0 | ↓ |
| Лужский | — | — | — | — |
| Подпорожский | — | — | — | — |
| Приозерский | 80.0 | 64,3 | 95,8 | ↑ |
| Сланцевский | 100.0 | 91,6 | 66,7 | ↓ |
| Тихвинский | 100.0 | 100 | 100,0 | — |
| Тосненский | — | — | — | — |
Таблица 2.7 – Доли неудовлетворительных проб воды водоемов II категории по санитарно-химическим показателям
| Район | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Бокситогорский | 4,0 | 2,1 | 1,1 | ↓ |
| Волосовский | 0 | — | 16,7 | — |
| Волховский | 100,0 | 100 | 87,5 | ↓ |
| Всеволожский | 53,4 | 58,7 | 57,5 | ↓ |
| Выборгский | 0 | 1,3 | 0,0 | ↓ |
| Гатчинский | 86,1 | 79,1 | 70,0 | ↓ |
| Кингисеппский | 0 | 9,3 | 0,0 | ↓ |
| Киришский | 41,7 | 62,5 | 41,7 | ↓ |
| Кировский | 68,6 | 34,7 | 64,3 | ↑ |
| Лодейнопольский | 30,0 | 37,5 | 20,0 | ↓ |
| Ломоносовский | 53,3 | 44,4 | 50,0 | ↑ |
| Лужский | 21,4 | 39,5 | 7,3 | ↓ |
Продолжение таблицы 2.7
| Район | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Подпорожский | 62,5 | 75,0 | 25,0 | ↓ |
| Приозерский | 56,1 | 41,4 | 53,1 | ↑ |
| Сланцевский | 0 | 50,0 | 0,0 | ↓ |
| Тихвинский | 98,0 | 96,3 | 63,6 | ↑ |
| Тосненский | 29,0 | 40,9 | 90,7 | ↑ |
В 2018 году превышение среднеобластного показателя доли неудовлетворительных проб воды водоемов I категории по микробиологическим показателям отмечается в Волховском, Киришском, Кировском, Ломоносовском, Лодейнопольском, Тихвинском районах (таблица 1.8). В семи районах Ленинградской области (Волховском, Гатчинском, Киришском, Кировском, Лодейнопольском, Подпорожском, Тосненском районах) доля проб воды водоемов II категории, не отвечающих гигиеническим нормативам по микробиологическим показателям, превышает среднеобластной показатель (таблица 2.9).
Таблица 2.8 – Доли неудовлетворительных проб воды водоемов I категории по микробиологическим показателям
| Район | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| Бокситогорский | 0 | — | — | — |
| Волосовский | — | — | — | — |
| Волховский | 39,1 | 68,2 | 70,9 | ↑ |
| Всеволожский | 20,8 | 41,5 | 27,2 | ↓ |
| Выборгский | 65,1 | 57,8 | 25,4 | ↓ |
| Гатчинский | 16,7 | 0 | 5,0 | ↑ |
| Кингисеппский | 42,9 | 30,8 | 38,5 | ↑ |
| Киришский | 100,0 | 100 | 100,0 | — |
| Кировский | 64,4 | 49,2 | 68,5 | ↑ |
| Лодейнопольский | 83,3 | 85,7 | 76,9 | ↓ |
| Ломоносовский | 50,0 | 58,3 | 58,3 | — |
| Лужский | — | — | — | — |
| Подпорожский | — | — | — | — |
| Приозерский | 0 | 0 | — | — |
| Сланцевский | 8,3 | — | — | — |
| Тихвинский | 41,7 | 58,3 | 58,3 | — |
| Тосненский | — | — | — | — |
Из полученных данных можно сделать вывод, что из объема поверхностных водоисточников подаваемой воды населению только 1% питьевой воды соответствует необходимому качеству, получаемое при существующих технологиях (в соответствии с лимитами СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»).
Таблица 2.9 – Доли неудовлетворительных проб воды водоемов II категории по микробиологическим показателям
| Район | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| Бокситогорский | 0 | 4,34 | 0 | ↓ |
| Волосовский | 0 | 0 | 0 | — |
| Волховский | 45,0 | 43,75 | 71,4 | ↑ |
| Всеволожский | 25,1 | 42,6 | 34,6 | ↓ |
| Выборгский | 57,8 | 51,9 | 29,8 | ↓ |
| Гатчинский | 52,2 | 50,4 | 89,4 | ↑ |
| Кингисеппский | 0 | 0 | 0,0 | — |
| Киришский | 70,7 | 57,9 | 63,1 | ↑ |
| Кировский | 57,1 | 69,2 | 80,0 | ↑ |
| Лодейнопольский | 58,8 | 33,3 | 91,7 | ↑ |
| Ломоносовский | 32,0 | 44,4 | 14,3 | ↓ |
| Лужский | 51,6 | 31,4 | 28,3 | ↓ |
| Подпорожский | 89,5 | 85,7 | 66,7 | ↓ |
| Приозерский | 0,8 | 6,6 | 3,5 | ↓ |
| Сланцевский | 0 | 6,6 | 0,0 | ↓ |
| Тихвинский | 22,0 | 22,2 | 23,4 | ↑ |
| Тосненский | 71,0 | 55,2 | 59,2 | ↑ |
Сброс в водоемы без очистки и обеззараживания неочищенных или недостаточно очищенных хозяйственно–бытовых и промышленных сточных вод является основной причиной большой доли проб воды водоемов, не соответствующих санитарно – гигиеническим нормативам, по химическим и микробиологическим показателям. В некоторых районах Ленинградской области (в Приозерском – 95,8%, Киришском – 90,0%, Выборгском – 71,4%, Лодейнопольском – 66,7%, Сланцевском – 66,7%, Кингисеппском – 57,1% районах) отмечен рост количества створов с высочайшим и экстремально высочайшим – (Волховском, Тихвинском районах – 100% ПДК) уровнем загрязнения акваторий.
Качество используемых для водоснабжения подземных вод не всегда удовлетворяет нормативным требованиям, их загрязнение постоянно растет. Вследствие около 90% поверхностных и 30% подземных вод, использующихся для нужд водоснабжения, подвергается обработке. Т.к. водоисточники подвергаются техногенным загрязнениям (нефтепродукты, соли тяжелых металлов, пестициды, нитраты, и др.), технологии очистки, используемые для подготовки питьевой воды, в большинстве случаев неэффективны. Это ведет к употреблению населением воды не питьевого качества.
2.2 Состояние качества питьевого водоснабжения
В настоящее время в Ленинградской области наблюдается дефицит качественной питьевой воды, т.к. в некоторых районах запасы водных ресурсов ограничены антропогенным загрязнением поверхностных и подземных вод. Также нельзя исключать факторы природного характера, отсутствие или ненадлежащее состоянием зон санитарной охраны водоисточников. Недостаток финансирования сокращает масштабы и темпы строительства и реконструкции объектов водоснабжения, не позволяет ввести новые технологии водоочистки, не дает привести существующие водопроводные сети и сооружения к надлежащему санитарно-техническому состоянию. Во многих районы Ленинградской области используют привозную воду в качестве питьевой.
По данным Роспотребнадзора, в 2019 г. на контроле по Ленобласти состояло 790 водопроводов, из них – 105 (13,3%) – из поверхностных водоисточников, 685 (86,7%) из подземных источников водоснабжения. Удельный вес водопроводов, не отвечающих санитарно-нормативным требованиям, составил 10,8%. Однако реализация мероприятий в рамках утвержденных региональных и муниципальных целевых программ, направленных на улучшение водоснабжения, а также путем принятия адекватных мер административного воздействия, рационального планирования и проведения плановых и внеплановых мероприятий по контролю, доля водопроводов, не отвечающих требованиям санитарных правил и норм, снизилась. Отсутствие необходимого комплекса водоочистных сооружений и обеззараживающих установок стали основной причиной неудовлетворительного состояния водопроводов является (табл. 2.10).
Таблица 2.10 – Доля водопроводов, не отвечающих санитарно – эпидемиологическим требованиям, (%)
| Причина несоответствия | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | Динамика к 2018 г. |
| из–за отсутствия зон санитарной охраны | 0 | 0 | 0 | — |
| из–за отсутствия необходимого комплекса водоочистных сооружений | 29,8 | 31,4 | 27,0 | ↓ |
| из–за отсутствия обеззараживающих установок | 14,4 | 5,61 | 5,9 | ↑ |
На ухудшение качества питьевой воды также влияет вторичное загрязнение при ее прохождении по водопроводным сетям неудовлетворительного санитарно – технического состояния, степень изношенности которых колеблется от 40 до 80%, а в некоторых сельских населенных пунктах достигает 100%. Из-за недостатка финансирования работ по замене изношенных водопроводных сетей в необходимом объеме также происходит нерациональное использование природных ресурсов, проявляющееся высокими потерями воды при транспортировке.
Существующее в настоящее время тарифообразование в водопроводно – канализационном хозяйстве за счет экономического обоснования затрат не привлекает инвесторов. Стоимость услуг должна быть доступна для потребителя, что осложняет реализацию значительных инвестиционных проектов. Погашение таких инвестиций возможно лишь при росте тарифов, причем рост тарифов обусловлен в первую очередь ростом операционных расходов. В конечном итоге это ведет к увеличению платежей населения за услуги водоснабжения и водоотведения при одновременном снижении качества предоставляемых услуг.
Низкое качество питьевой воды в ряде случаев по микробиологическим параметрам ведет к гепатиту, к вспышкам острых кишечных инфекций и болезней желудочно – кишечного тракта, не исключается возникновение патологий и усиление воздействия на организм человека мутагенных и канцерогенных факторов.
По данным Управления Роспотребнадзора по Ленинградской области и комитета по здравоохранению Ленинградской области, в 2019 году на территории Ленинградской области зарегистрировано больных вирусными гепатитами — 86 человек (5,50 чел. на 100 тыс. населения), больных онкологическими заболеваниями — 4559 человек (291,80 чел. на 100 тыс. населения), больных брюшным тифом и паратифами A, B, C, острыми кишечными инфекциями, сальмонеллезными инфекциями 7542 человека (481,90 чел. на 100 тыс. населения), больных с болезнями органов желудочно-кишечного тракта — 32434 человека (2075,96 чел. на 100 тыс. населения), из них 11934 ребенка (6181,05 чел. на 100 тыс. населения).
Скудность микроэлементного состава воды поверхностных источников воды Ленинградской области способствует возникновению заболеваний неинфекционной природы. Например, при длительном использовании воды с низким содержанием солей жесткости возможно развитие сердечно-сосудистой патологии, происходит отрицательное воздействие на органы мочевыделения, костную ткань и желудочно-кишечный тракт. При употреблении воды с повышенным содержанием жесткости растет риска развития мочекаменной болезни. Питьевая вода из водопроводных сетей Ленинградской области характеризуется повышенным содержанием алюминия, железа, хлорорганических соединений (тригалометанов, в частности хлороформа).
Алюминий используют в качестве коагулянта на водоочистных сооружениях. Его высокие концентрации в питьевой воде при длительном ее поступлении в организм могут негативно сказаться на центральной нервной системе.
Железо – очень важный элемент для организма, т.к. он участвует во всех системах организма. Его нехватка может вызвать анемию, поражение всего эпителия организма, снижение иммунитета, развитие патологии у плода беременных женщин, и т.д. Но еще опаснее переизбыток железа в организме, который может привести к сердечно-сосудистым, онкологическим заболеваниям, и даже к летальному исходу.
Хлорирование поверхностных вод водоисточников с большим содержанием органических веществ способствует образованию мутагенных и канцерогенных соединений. Хлороформ при хроническом поступлении негативно влияет на печень, центральную нервную систему, выделительную систему, эндокринную систему и кровь.
По данным комитета по здравоохранению Ленинградской области, в 2019 году на территории Ленинградской области было зарегистрировано 12,08 тыс. человек с болезнями эндокринной системы, расстройства питания и нарушения обмена веществ.
Актуальна проблема отсутствия станций обезжелезивания для большинства водопроводов из подземных источников. Кроме того, общепринятая технология обработки воды, включающая коагуляцию, фильтрацию, осветление и хлорирование, не позволяет получать питьевую воду надлежащего качества. Многие существующие водоочистные сооружения на территории Выборгского района, Всеволожского, Приозерского, Кировского муниципальных районов перегружены, изношены, что отражается на качестве подаваемой потребителям воды.
Подводя итоги можно сказать, что приобретение и подача населению качественной питьевой воды зависит от множества факторов: состояния источников водоснабжения, санитарных зон, соответствия технологии водоподготовки качеству исходной воды, санитарно – технического состояния водопроводных сетей и др. Рассмотренные проблемы обеспечения населения Ленинградской области качественной питьевой водой с каждым годом все более усугубляются, а в ряде районов приобрели кризисный характер. И сегодня они становятся одной из главных социально – экономических проблем в осуществлении государственной стратегии устойчивого развития общества.
Так, в соответствии с Концепцией долгосрочного социально – экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17 ноября 2008 года № 1662 – р, а также Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27 августа 2009 года № 1235 – р, совершенствование технологии подготовки питьевой воды и очистки сточных вод, реконструкция, модернизация и строительство водопроводных и канализационных сооружений, внедрение новых технологий водоочистки, модернизация промышленных предприятий и внедрение в технологические схемы производственных объектов оборотного водоснабжения, развитие жилищно-коммунального комплекса, ориентированное на обеспечение гарантированного доступа населения России к качественной питьевой воде, являются приоритетными направлениями развития водохозяйственного комплекса.
Сводный перечень целей и задач Правительства Ленинградской области по социально – экономическому развитию Ленинградской области на период до 2013 года и стратегическую перспективу до 2025 года, утвержденным постановлением Правительства Ленинградской области от 19 августа 2010 года № 219, определил основными целями развития жилищно – коммунального хозяйства и инфраструктуры обеспечение эффективности и надежности функционирования жилищно – коммунального комплекса, а также достижение современного уровня комфортности и безопасности коммунальных услуг, обеспечение высокой надежности и безопасности функционирования инженерно – технической инфраструктуры по экономически обоснованным и социально оправданным тарифам.
Согласно долгосрочной целевой программой «Чистая вода Ленинградской области» определены основные задачи развития жилищно – коммунального хозяйства и инфраструктуры:
- обеспечение населения Ленинградской области питьевой водой, соответствующей требованиям безопасности и безвредности, установленным санитарно – эпидемиологическими правилами;
- обеспечение нормативной непрерывности предоставления услуг хозяйственно-питьевого водоснабжения;
- повышение качества услуг по водоснабжению;
- обеспечение перспективы развития коммунальных сетей хозяйственно – питьевого водоснабжения;
- рациональное использование водных объектов;
- охрана окружающей среды и обеспечение очистки сточных вод до нормативных требований экологической безопасности.
Целевые показатели, которые планируется достичь в ходе выполнения долгосрочной целевой программы «Чистая вода Ленинградской области» представлены в таблице 2.11.
Таблица 2.11 – Перечень целевых показателей и индикаторов долгосрочной целевой программы «Чистая вода Ленинградской области»
| № п/п | Наименование показателя | Значение целевого показателя, % | ||||
| 2016 г. | 2017 г. | 2018 г. | 2019 г. | 2020 г. | ||
| 1. Повышение качества водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод в результате проведения мероприятий по совершенствованию системы управления сектором водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод, повышению рациональности использования водных ресурсов, строительству и реконструкции систем водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод | ||||||
| 1.1 | Доля уличной канализационной сети, нуждающейся в замене | 30,0 | 27,8 | 25,3 | 22,7 | 19,4 |
| 1.2 | Число аварий в системах водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод | 245 | 218 | 194 | 172 | 153 |
| 1.3 | Объем сточных вод, пропущенных через очистные сооружения, в общем объеме сточных вод | 93,2 | 93,6 | 94,0 | 94,5 | 95,0 |
| 1.4 | Доля сточных вод, очищенных до нормативных значений, в общем объеме сточных вод, пропущенных через очистные сооружения | 60,0 | 64,0 | 69,0 | 73,0 | 77,0 |
| 2. Привлечение частных инвестиций в сектор водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод | ||||||
| 2.1 | Доля воды, поставляемой организациями коммунального комплекса, работающими на основании концессионных соглашений | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 2.2 | Доля воды, поставляемой организациями коммунального комплекса, по тарифам, установленным на долгосрочный период регулирования | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
В абсолютно всех районах Ленинградской области замечены случаи нарушения требований по микробиологическим и физико – химическим показателям. Особенно остро стоит обеспечение качественной питьевой водой в Киришском, Выборгском, Лодейнопольском, Сланцевском, Кингисеппском и других районах области.
Эксплуатирующиеся водоочистные сооружения существовали для кондиционирования природных вод с незначительной антропогенной нагрузкой. Они были построены 30-50 лет назад и эти технологии очистки устарели. К тому же, на сегодняшний день водоочистные сооружения не способны гарантировать бесперебойное снабжение высококачественной водой, они не могут обеспечить достаточную очистку от различного рода загрязнений. В дополнение к техногенным нагрузкам на поверхностные источники питьевого водоснабжения аккумулируются антропогенные загрязнения от коммунальных служб.
Существующие технологические процессы водоочистки не отвечают современному уровню загрязнения водных источников, и для повышения качества воды требуется отказаться от ее предварительного хлорирования, применения сильных окислителей, новых коагулянтов и флокулянтов.
Согласно Постановлению Правительства РФ от 15 июля 2013 года №598 о федеральной целевой программе «Устойчивое развитие сельских территорий на 2014-2017 годы и на период до 2020 года» (с изменениями на 2 августа 2017 года) и федеральной целевой программе «Комплексное развитие сельских территорий», утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 31 мая 2019 года № 696 большое внимание будет уделяться строительству и реконструкции трубопроводов водоснабжения, а также увеличению уровня обеспеченности сельского населения питьевой водой до 61,9 процентов.
2.3. Обзор современных технологий очистки питьевой воды
Водоснабжение п.Глажево осуществляется из подземного источника. Воды подземных источников, особенно глубоко залегающие артезианские воды, характеризуются большой прозрачностью, отсутствием цветности, значительным содержанием различных минеральных солей, наличием железа. Санитарное состояние подземных вод, если они защищены водонепроницаемым слоем от проникания стоков с поверхности земли, бывает хорошим.
Источник водоснабжения объекта исследования – скважина.
Краткое содержание физико – химических показателей воды источника:
- Гидрокарбонатно – хлоридно – натриевая;
- Пресная (уровень минерализации до 600,0 – 734,0 мг/дм3);
- Умеренно жесткая (общая жесткость в пределах 5,0 – 6,0 мг-экв/дм3);
- Нейтральная среда (pH 7,1 – 7,99);
- Железо общее (до 3,0 мг/дм3);
- Мутность (до 5 ЕМФ);
- Микробиологические и бактериологические показатели в норме.
Проанализировав физико–химические показатели воды данного населенного пункта, замечена такая проблема у источника питьевого водоснабжения как повышенное содержание железа.
Проблема обезжелезивания природных вод сегодня как никогда актуальна и стоит акцентировать внимание на ней. Решение этого вопроса требует оптимизации нынешних процессов и технологий водоподготовки и водоподготовки, а также в разработке современных решений и совершенствовании нынешних. Значимый вклад в изучении данной проблемы внесли отечественные ученые: Апельцин Н.Э., Артеменок Н.Д., Кастальский А.А., Кульский Л.А., Клячко В.А., Николадзе Г.И., Сколубович Ю.Л.
Согласно СанПиН 2.1.4.1074 – 01, содержание железа в питьевой воде не должно превышать 0,3 мг/л. Этот элемент является токсичным тяжелым металлом. Высокое содержание железа придает воде неприятный металлический привкус и окрашивает ее в бурый цвет, а также вызывает зарастание водопроводных сетей и водоразборной арматуры, негативно сказывается на здоровье человека. Требования многих производств относительно содержания железа значительно жестче требований к воде для питьевых нужд. Поэтому обезжелезивание воды распространенная и важная операция водоочистки и водоподготовки.
Рисунок 2.1 – Место расположения населенного пункта Глажево
Длительное потребление большого количества железа приводит к увеличению свёртываемости крови, что в свою очередь ведет к тромбозам. Также возможно возникновение таких заболеваний как гемохроматоз (бронзовый диабет, когда в результате накопления железа развивается поражение тканей), цирроз печени, артрит. Опасность для здоровья человека, по данным S. K. Sharma, не возникает при потреблении в среднем 0,4÷1,0 мг железа на килограмм массы тела в день.
В Российской Федерации ПДК железа в водах хозяйственно-питьевого назначения составляет 0,3 мг/л, но «по постановлению Главного государственного санитарного врача по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения на основании оценки санитарно – эпидемиологической обстановки в населённом пункте и применяемой технологии водоподготовки» допустимо использовать воду с концентрацией железа не более 1 мг/л.
Cреди железосодержащих подземных вод зоны активного водообмена, используемых для питьевого водоснабжения, выделяют три основных геохимических типа: бескислородно – бессульфидные подземные воды, воды с высоким содержанием органических веществ, сульфидные железистые воды. В таблице 2.12 приведены основные формы железа в каждом из типов подземных вод и их распространение на территории бывшего СССР.
Таблица 2.12. Краткая характеристика железосодержащих типов подземных вод
| Геохимический тип подземных вод | Содержание железа, мг/л | Eh, mV | Основные формы железа | Распространение | |
| Бескислородно- бессульфидные | до 100 | 50-250 | Fe2+, Fe(OH)+, FeHCO3+, FeCO3, FeSO4 | Московский, Средне-Амурский, Усть- Селенгинский, Западно-Сибирский и др. дальневосточные артезианские бассейны, Уральский и Донецкий массивы | |
| С высоким содержанием органических веществ | n⋅10 | 100- 400 | 3-2n Fe(ФК)n | Гумидная зона РФ, наиболее распространены в Мещере, Полесье, Карелии, Архангельской и др. областях севера европейской части РФ | |
| Сульфидные железистые | 2-3 | <100 | Fe(HS)n2-n | Отдельные горизонты Предуральского и Предкавказского артезианских бассейнов | |
Для очистки подземных вод от железа необходимо использовать метод адекватно формам, количеству железа и буферным свойствам исходной воды. Всё многообразие методов, применяемых в технологии обезжелезивания воды, можно свести к следующим типам (рисунок 2.2): внутрипластовое обезжелезивание подземных вод или очистка на наземных станциях обезжелезивания, которые, в свою очередь, делятся на реагентные и безреагентные.
Рисунок 2.2 – Методы очистки подземных вод от железа
2.3.1 Очистка на наземных станциях обезжелезивания
2.3.1.1 Безреагентные методы очистки подземных вод
Безреагентные методы обезжелезивания могут быть применены преимущественно для бескислородно – бессульфидных подземных вод, при этом исходная вода должна характеризоваться:
- pH – не менее 6,7;
- щёлочностью – не менее 1 мг – экв/л;
- перманганатной окисляемостью – не более 7 мг O2/л;
- содержание Fe3+ не более 10% от общего.
При концентрации Fe2+ в бикарбонатной или карбонатной форме:
- до 3 мг/л – рекомендуется метод фильтрования на каркасных фильтрах без вспомогательных фильтрующих средств;
- до 5 мг/л – метод «сухой фильтрации»;
- от 5 до 10 мг/л – метод упрощённой аэрации с одноступенным фильтрованием;
- от 10 до 20 мг/л – аэрация и двухступенчатое фильтрование;
- от 10 до 30 мг/л – вакуумно – эжекционная аэрация с фильтрованием через загрузку большой грязеёмкости.
Для сульфидных железистых подземных вод при содержании сероводорода 1 – 5 мг/л, pH 6,4 и при концентрации углекислого или карбонатного Fe2+ более 20 мг/л рекомендуется метод вакуумно – эжекционной аэрации с последующим отстаиванием в тонком слое воды или обработкой в слое взвешенного осадка и фильтрованием.
Рассмотрим приведенные методы очистки воды поподробней (также смотреть приложение А).
Сущность метода «сухой» фильтрации (рисунок 2.3) заключается в следующем. Через «сухую» (незатопленную) фильтрующую зернистую происходит фильтрование воздушно – водяной эмульсии, образованной созданием в ней вакуума или нагнетания больших количеств воздуха с последующим отсосом из поддонного пространства. При этом в порах фильтрующей загрузки создается турбулентный режим движения смеси, что усиливает контакт воды с поверхностью зерен. Одновременно на зернах загрузки создается адсорбционно-каталитическая пленка из соединений железа (и марганца, если он присутствует в воде), растет эффективность процессов деманганации и обезжелезивания. В качестве загрузки могут быть песок, керамзит, антрацит, винипласт, пористирол, полиметилметакрилат и др.
Особенностью процесса является образование дегидратированной пленки из магнетита, сидерита, гетита и гематита на зернах загрузки. Эти соединения обладают объемом в 4 – 5 раз меньше, чем у гидроксида железа, и они имеют плотную структуру. Это объясняет малый тем прироста потерь напора в фильтрующей загрузке при напорном фильтровании. Данный технологический процесс характеризуется минимальным периодом «зарядки» фильтрующей загрузки (на поверхности зерен создается активная адсорбционная пленка за время от 20 минут до 2 часов), ростом уровня рН, снижением жесткости фильтрата, высокой грязеёмкостью загрузки, отсутствиме промывных вод (промывка загрузки от железа происходит 0,5 – 1% — ным раствором дитианита, или 5 – 10%-ным раствором ингибированной: соляной кислоты, либо загрузка заменяется на новую). В фильтрате обычно наблюдается железо (II) и следы железа (III).
Рисунок 2.3 – «Сухая» фильтрация: 1 – скорый фильтр; 2 – компрессор; 3 – ввод хлора; 4 – отвод воды к потребителю
Метод упрощенной аэрации с двухступенчатым фильтрованием (рисунок 2.4) предпочтительно применять в напорном варианте. Сущность процесса аналогична рассмотренной выше. Когда фильтрат проходит через свежую фильтрующую нагрузку, при этом на ее поверхности происходит адсорбция соединений железа, создается мономолекулярный слой железа на поверхности загрузки (например, песка), при этом адсорбция затем не прекращается, а усиливается. Это объясняется тем, что образовавшийся слой более химически активен в отличии от чистой поверхности загрузки. Получившаяся пленка по электронно-микроскопическим исследованиям состоит из молекул гидроксида железа и других соединений двухвалентного и трехвалентного железа. Количество связанной воды в пленке достигает 20%. Величина истинной поверхности пленки составляет не менее 200 м2/г. Создавшаяся пленка представляет собой очень сильный адсорбент губчатой структуры и катализатор окисления поступающего в загрузку железа (II). В связи с этим эффект очистки воды зернистым слоем несравненно выше, чем это могло быть в гомогенной среде.
Для катализатора такого типа некоторые вещества, находящиеся в воде (аммиак, сероводород, свободная углекислота, коллоидная кремнекислота), могут стать ингибиторами, понизить его активность, т.к. молекулы этих веществ имеют по паре свободных электронов, которые могут участвовать в образовании ковалентных связей с поверхностью катализатора.
Рисунок 2.4 – Упрощенная аэрация с двухступенчатым фильтрованием: 1 – подача исходной воды; 2 – бак-аэратор; 3 – насос; 4 – скорый фильтр; 5 – скорый фильтр II ступени; 6 – ввод хлора; 7 – водонапорная башня; 8 – отвод воды к потребителю.
Метод фильтрования на каркасных фильтрах (рисунок 2.5) обезжелезивания воды применяют на установках производительностью до 1000 м3/сут. При этом методе двухвалентное железо окисляется, становится трехвалентным и осаждается. Гидроксид железа, формирующийся в нижней части аппарата, намывается на патрон. В начале технологического процесса очень важно различие зарядов керамического патрона, хлопьев гидроксида железа и ионов железа (II). На патроне нарастает слой гидроксида железа, который служит контактным материалом для новых постоянно намываемых агрегатов. Патрон служит только опорным каскадом для фильтрующего слоя гидроксида железа.
Когда природные воды проходят очистку на патронных фильтрах, первым этапом данного процесса становится фильтрование с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки. Когда достигается определенное соотношение объема твердых частиц, задержанных в порах, к объему самих пор, начинается новая стадия — фильтрование с образованием первоначального слоя осадка. На этом заканчивается процесс зарядки фильтра и начинается фильтрование с целью обезжелезивания воды.
Рисунок 2.5 – Обезжелезивание на каркасных (патронных) фильтрах
При методе аэрации с использованием вакуумно – эжекционных аппаратов (рисунок 2.6) кислородом воздуха превращают двухвалентное железо в окисное с образованием коллоида гидроксида железа, его коагулировании при рH = 6,8…7 и выделении в осадок в виде бурых хлопьев.
Рисунок 2.6 – Вакуумно – эжекционная аэрация и фильтрование: 1 – подача воды; 2 – вакуумно – эжекционный аппарат; 3 – скорый каркасно – засыпной фильтр; 4 – отвод воды потребителю
Когда вода, содержащая железо(II), контактирует с воздухом, кислород растворяется в воде, окислительный потенциал системы повышается, и если при этом создать условия для удаления части растворенной углекислоты, то рН системы возрастет до значения, обеспечивающего при данном окислительном потенциале выпадение в осадок гидроксида железа (III).
2.3.1.2 Реагентные методы очистки подземных вод
Реагентные методы обезжелезивания подземной воды следует применять при низких значениях pH, высокой окисляемости, нестабильности воды. При этом при содержании сернокислого или карбонатного железа, либо комплексных железоорганических соединений:
- до 10 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O2/л рекомендуется применять фильтрование через модифицированную загрузку;
- до 15 мг/л и перманганатной окисляемости до 15 мг O2/л – метод упрощённой аэрации, обработку сильным окислителем и фильтрование через зернистую загрузку большой грязеёмкости;
- более 15 мг/л и перманганатной окисляемости более 15 мг O2/л – напорная флотация с предварительным известкованием и последующим фильтрованием или метод, предусматривающий аэрацию, известкование, отстаивание в тонком слое и фильтрование.
Обезжелезивание воды катионированием целесообразно лишь в случае, когда одновременно с обезжелезиванием требуется умягчение воды.
Рассмотрим некоторые из них.
Фильтрование через модифицированную загрузку. Сущность метода заключается в увеличении сил адгезии за счет воздействия на молекулярную структуру поверхности зерен фильтрующей загрузки, т.е. необходимо на ней создать пленку. Электростатические свойства этих соединений должны обеспечить изменение потенциала поверхности зерен в нужном направлении. При этом силы адгезии соприкасающихся тем больше, чем больше молекулярные массы.
Методика модификации загрузки предусматривает ее последовательную обработку 1,5% — ным раствором серно-кислого железа (II), а затем 0,5% — ным раствором перманганата калия. Суммарная продолжительность контакта 30 мин. Спустя 20 мин после начала работы фильтрат отвечает лимитам ГОСТ 2874—82. «Вода питьевая».
Химизм процесса представлен следующими химическими реакциями:
4F(HCO3)2 + 3MnO2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ↓ +MnO + Mn2O3 + 8CO2 ↑
3MnO + KMnO4 + H2O → 5MnO2+2KOH
3Mn2O3 + 2KMnO4 + H2O → 8MnO2 + 2KOH
Осажденные предварительно на поверхности зерен фильтрующей загрузки оксиды марганца выступают катализатором процесса окисления ионов двухвалентных железа и марганца кислородом воздуха. При прохождении фильтрата, содержащего марганец, через зернистую загрузку по прошествии некоторого времени на поверхности зерен образуется слой из отрицательно заряженного осадка гидроксида марганца Мn(ОН)4, который адсорбирует положительно заряженные ионы марганца (II). Гидролизуясь, эти ионы реагируют с осадком Мn(ОН)4, образуя хорошо окисляемый оксид Мn2О3, часто рассматриваемый как смешанный оксид МnО–МnО2 и являющийся катализатором окисления ионов железа, марганца и других тяжелых металлов:
Мn(ОН)4 + Мn(ОН)2 → Мn2О3 + 3Н2О.
Использование этого свойства оксидов марганца дало возможность применить в практике кондиционирования воды метод ее фильтрования через песок, зерна которого предварительно покрыты пленкой оксида марганца (так называемый «черный песок»). Использование «черного песка» дает возможность окислить марганец растворенным в воде кислородом воздуха при значениях рН ≤ 7,5. Но метод фильтрования воды через загрузку с применением в качестве реагента-восстановителя хлорида марганца имеет недостаток, заключающийся в постепенном измельчении частиц, образующих покрытие зерен загрузки, и проскоке их в фильтрат. Существенным недостатком деманганации фильтрованием через такой «черный песок» является большой расход перманганата калия.
В нашей стране и за рубежом широко применяются импортные фильтрующие материалы для удаления железа и марганца, известные под торговыми названиями Birm Fine, Manganese Greensand, МТМ. Все эти загрузки работают по принципу каталитического окисления на марганецсодержащих фильтрующих насадках. Они позволяют осуществлять их периодическую обратную промывку и, если требуется, последующую регенерацию раствором KMnO4 без проведения повторных модификаций, обеспечивая длительный срок непрерывной службы. Но данные материалы дорогостоящи. Каталитически активный гранулированный фильтрующий материал МЖФ (компания «Альянс-Нева», г. Санкт-Петербург) получается путем дробления и отжига доломита, с последующей его обработки раствором двухвалентного марганца. Материал обладает сорбционной способностью и очищает воду от железа и марганца. Но материал имеет низкую механическую прочность (истираемость более 0,5 %), что снижает его долговечность. Большие перспективы имеет фильтрующий материал «Сорбент АС» (российский аналог «Бирм»). Сорбент АС – каталитический алюмосиликатный полифункциональный сорбент нового поколения. Он предназначен преимущественно для удаления железа. Сорбент не обрабатывается дополнительно какими-либо химическими веществами для создания активной плёнки на поверхности зёрен песка на основе марганца или иного каталитически активного металла, что исключает вероятность отказа в работе материала при истощении или смыве данной пленки. Каталитически активные компоненты входят в структуру гранулы сорбента. Недостатком данного материала является его преимущественная очистка воды от железа. Эффективность очистки от марганца и других примесей до питьевых норм требует проведения дополнительных исследований.
Обезжелезиватели серии IFE (рисунок 2.7) предназначены для удаления железа и марганца, растворенных в воде. В качестве фильтрующей среды используются различные вещества, включающие в свой состав двуокись марганца (Greensand, Greensandplus и т.п.). MnO2 выступает катализатором в реакции окисления в воде, где железо и/или марганец выпадают в осадок. Некоторые наполнители также хорошо удаляют растворенный в воде сероводород. Некоторые из фильтрующих сред требуют регенерации перманганатом калия. При больших концентрациях железа и/или марганца приходится применять специальные методики, способствующие более интенсивному окислению этих элементов. Установка состоит из: корпуса, автоматического блока управления фирмы «Fleck» или «Clack Corporation», фильтрующей среды, поддерживающего слоя гравия, дренажно-распределительной системы и бака для приготовления регенерационного раствора. Восстановление окислительной способности происходит также при промывке наполнителя раствором перманганата калия или гипохлорита натрия.
Рисунок 2.7 – Обезжелезиватели серии IFE для использования модифицированной загрузки
Упрощенная аэрация с обработкой сильным окислителем и фильтрованием через зернистую загрузку (рисунок 2.8, 2.9). В этом методе сначала избавляются от углекислоты, насыщают при помощи аэрации фильтрат кислородом, а после используют сильный окислитель для повышения pH и окисления комплексных железоорганических соединений. Соединения закисного и окисного железа извлекаются из воды через зернистую загрузку. В качестве сильного окислителя можно использовать хлор, озон, перманганат калия и т.п.
При применении в качестве окислителя хлора или хлорной извести свободный хлор окисляет железо (II), затем протекает процесс гидролиза и образовании гидроокиси железа, которая выпадает в осадок.В большинстве случаев обрабатываемая вода должна подщелачиваться.
4Fe(HCO3)2 + 2 Cl2 + 4 H2O = 4Fe(OH)3↓ + 8 CO2↑ + 4HCl
На окисление 1 мг железа (II) расходуется 0,64 мг хлора, при этом щелочность воды снижается на 0,018 мг-экв/л. При обычных значениях pH воды реакция протекает в течении 4-10 мин. Однако в присутствии аммонийных солей, связывающих хлор в хлорамины, скорость окисления железа снижается. Водные растворы гипохлорита натрия не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, имеет сильный бактерицидный эффект. Кроме того, он обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом из-за более высокого содержания хлорноватистой кислоты (HClO):
2 Fe(HCO3)2 + NaClO + H2O = 2Fe(OH)3↓ + 4CO2↑ + NaCl
Быстро завершается процесс окисления железа (II) перманганатом калия, при этом образующийся хлопьевидный осадок гидроокиси марганца каталитически ускоряет окисление железа. Доза перманганата калия принимается равно содержанию железа (II) в воде, мг:
3Fe(HCO3)2+ KMnO4+2H2O=KHCO3+3Fe(OH)3↓+MnO2+5CO2↑
Одним из перспективных методов окисления железа является озонирование. Озон О3 обладает эффективным обеззараживающим действием. По сравнению с хлором применение озона оказывается более эффективным для окисления соединений железа, марганца, гербицидов, пестицидов, фенолов и других трудно окисляемых химических соединений. Озон обесцвечивает воду, а также ее улучшает органолептические свойства. Недостаток озонирования в высокой стоимости и сравнительно большем расходе электроэнергии.
Фильтр представляет собой напорный или безнапорный корпус с установленными внутри верхней и/или нижней распределительной системой. Корпус изготавливают из полиэтилена, армированного стекловолокном, нержавеющей стали или черной стали со специальным антикоррозионным покрытием. Нижняя распределительная система может быть выполнена в виде различных конструкций, собранных из щелевых отводов (лучей) или представлять собой «ложное дно» с установленными в нем щелевыми фильтрующими колпачками. Верхняя распределительная система представляет собой щелевую лучевую конструкцию, диффузор или воронку, направленную вертикально вверх. Внутри корпуса, поверх нижней распределительной системы, размещается дренажный слой гравия и собственно фильтрующий материал (среда). Регенерация зернистой загрузки фильтра производится эпизодически за счет подачи воздуха и воды (водовоздушная промывка) или только воды (водяная промывка). Подачу воды и воздуха осуществляет насос и воздуходувка соответственно.
Рисунок 2.8 – Схема упрощенной аэрации с обработкой сильным окислителем и фильтрованием через зернистую загрузку: 1 – подача исходной воды; 2 – бак – аэратор; 3 – реагентное хозяйство; 4 – отвод обработанной воды; 5 – насос – дозатор; 6 – насос; 7 – ресивер; 8 – скорый фильтр; 9 – ввод окислителя; 10 – бактерицидная установка.
В качестве фильтровального аппарата рекомендуются контактные фильтры КФ-5 с повышенной грязеемкостью. В контактном фильтре КФ-5 фильтрующая загрузка состоит из трех слоев толщиной по 0,6 м: верхний слой — керамзит или полимеры с крупностью зерен 2,3…3,3 мм, средний слой — антрацит или доменный шлак с крупностью зерен 1,25…2,3 мм, нижний слой — кварцевый песок или горелые породы с зернами крупностью 0,8…1,25 мм. Скорость фильтрования 7 м/ч, промывка водяная.
Рисунок 2.9 – Схема контактного фильтра КФ – 5: 1 – желоба для отвода промывочных вод; 2 – водоподводящая система; 3 – устройство для подачи промывочных вод; 4 – пористы дренаж; 5 – загрузка фильтра; 6 – трубопровод для подачи промывных вод; 7 – трубопровод отвода фильтрованной воды; 8 – трубопровод сброса промывочных вод; 9 – трубопровод подачи исходной воды.
Для систем локального и централизованного водоснабжения населенных пунктов, коттеджных поселков хорошо зарекомендовала себя и установка «Струя» (рисунок 2.10, 2.11). Технология очистки здесь следующая. Обрабатываемая вода подается (1) поступает в бак-воздухоотделитель (2), где происходит «разрыв струи». Вода в подающем трубопроводе смешивается с растворами коагулянта и флокулянта и далее насосами передается в тонкослойный отстойник. Через рециркулятор вода поступает в нижнюю часть (камера хлопьеобразования) тонкослойного отстойника. Если исходная вода имеет большое количество взвешенных веществ, воду можно подавать минуя рециркулятор в зону осаждения у тонкослойных элементов. Здесь взвеси выпадают в осадок, происходит накопления осадка и осветление воды. Вода «процеживается» через этот адгезионно-активный контактный осадок, что обеспечивает высокую степень очистки воды и удаление содержащихся в ней примесей. С отстойника вода передается на песчаный фильтр. Обеззараживание воды зависит от компановки установки, например, гипохлоритом натрия или ультрафиолетом. И затем вода передается в резервуар чистой воды или потребителю.
Размерные характеристики фильтра и отстойника рассчитаны так, что промывка фильтра и удаление осадка из отстойника происходит одновременно.
Промывка осуществляется очищенной водой из резервуара чистой воды. Сначала вода проходит через нижнюю часть фильтра, вымывая загрязнения из песчаной загрузки, а затем подается на отстойник, удаляя накопившийся осадок. После этого грязную воду сливают в канализацию.
Рисунок 2.10 – Схема установки «Струя» с использованием гипохлорита натрия: 1 – подача исходной воды; 2 – бак-воздухоотделитель; 3 – насос технологический; 4 – блок приготовления и дозирования коагулянта; 5 – блок приготовления и дозирования флокулянта; 6 – тонкослойный отстойник; 7 – скорый песчаный фильтр; 8 – блок обеззараживания воды гипохлоритом натрия; 9 – резервуар чистой воды; 10 – подача воды потребителям.
Преимущества установки состоят в автоматизации процессов, надежности, долговечности, простоте обслуживания, высокой эффективности очистки. Недостаток этой установки состоит в том, что необходимо большое количество запорно-регулирующей арматуры (фильтр и осветлитель оборудованы двадцатью задвижками), к тому же необходимо обеспечить хранение реагентов, использование которых тоже не очень экологично.
Рисунок 2.11 – Установка «Струя»
2.3.2 Внутрипластовое обезжелезивание
Данный метод обезжелезивания из подземных вод непосредственно в водоносном пласте известен под названием «Виредокс» или «Гидрооксиринг».
Сущность метода заключается в создании вокруг забойной части скважины окислительной зоны путем закачки воды, обогащенной кислородом воздуха. Вода может подаваться как непосредственно в водозаборную скважину, так и в специальные поглощающие скважины, располагаемые в близости от нее. Процесс эксплуатации скважины рассчитан на чередование циклов закачки в пласт питательной воды и отбора обезжелезенных подземных вод. Аэрированной воды, как правило, оказывается недостаточно. Поэтому сначала производится как бы подготовка водоносного пласта или так называемая «зарядка», включающая многократное повторение циклов закачки аэрированной воды, отбора ее и частично обезжелезенной воды из пласта. После этого начинается эксплуатация установки обезжелезивания подземных вод, которая также сводится к последовательному выполнению операций по закачке в пласт питательной воды и отбору обезжелезенных подземных вод.
Рисунок 2.12 – Схемы очистки подземных вод в пласте: а – система «Гидрооксиринг»; б – односкважинная установка; в – многоскважинная; 1 – вспомогательная скважина; 2 – трубопровод; 3 – устройство для аэрации воды; 4 – кольцевой инфильтрационный бассейн; 5 – эксплуатационная скважина; 6 – зона аэрации; 7 – отвод воды потребителю; 8 – насос; 9 – трубопровод подачи воды в сборную емкость; 10 – эжектор; 11 – трубопровод подачи воды из сборной емкости в скважину; 12 – сборная емкость
Очевидно, что рассматриваемый метод имеет большие достоинства с точки зрения снижения, как удельных капитальных вложений, так и эксплуатационные затрат. Схема представлена на рисунке 2.12. Однако эффективная его реализация непосредственно в водоносном пласте зависит от ряда факторов: глубины скважины, степени закольматированности фильтра, наличия запаса мощностей на водозаборе, величины дебита скважины, гидрогеологических условий, гидрохимических показателей воды, и др.
Указанные факторы значительно снижают возможность широкого применения метода. В последнее время он рассматривается как временная мера, предпринимаемая до ввода в устойчивую эксплуатацию наземной станции (установки) обезжелезивания.
2.4 Наполнители, предназначенные для сорбционной очистки
Одним из эффективных современных методов водоочистки является использование сорбентов. В качестве сорбентов могут использоваться полимерные материалы, активированные угли, минеральные адсорбенты, и т.д. Они подбираются в зависимости от технологии очистки, состава исходной воды, цели очистки.
Например, активированный уголь нашел широкое применение за рубежом и его используют в основном для удаления органических соединений, хорошо показал себя в очистке от ароматических соединений, пестицидов, гуминовых соединений, и т.д. При этом активированные угли неэффективно использовать против некоторых ПАВ, полиэтиленгликолевых эфиров жирных кислот, спиртов, алкилфенолов, что связано с размером микропор (г = 0,5÷10 нм) для таких молекул. Для удаления из воды таких молекул необходимы активированные угли, обладающие развитой переходной пористостью, но при их получении потери при обжиге составляют до 75% и больше. Еще один недостаток — низкая прочность на истирание.
Природные сорбенты (цеолиты, бентониты, палыгорскитовые глины, опал-кристобаллитовые породы и др.) также распространены в водоочистке и их использование сейчас активно изучается, появляется все больше сведений об использовании этих сорбентов для удаления из воды дисперсных примесей, нефти, и нефтепродуктов, красителей, радиоактивных загрязнений и др. Известны способы активации (увеличение сорбционных свойств) природных минеральных сорбентов (таблица 2.12)
Таблица 2.12 — Различные методы активации ПМС
| Индуцированные изменения | Метод активации природных сорбентов | ||||
| Термический | Кислотный | Щелочной | Солевой | Комбинированный | |
| Удаление сорбцион- ной воды | Декатиони- рование, деалюмини- рование | Разработка пористой структуры, частичное удаление SiO2 | Создание дополни- тельных центров сорбции | Целевое катионирование | |
| Действующий агент | Темпера тура 150÷400° | Серная, соляная кислоты | NаОН, КОН | Соли металлов | Кислота+ соли металлов |
Наиболее известные для удаления железа используются многими компаниями сорбенты Сорбенты АС и МС, Birm, Гринсанд+, Экоферокс, Мс ферокс, МЖФ, GreenSand и многих других. Дешевыми инертными загрузками являются Сорбент АС/МС и их аналоги (Filter AG, ОДМ-2Ф, Экоферокс, МС ферокс и др.). Они успешно справляются с удалением железа, несмотря на то, что не могут самостоятельно окислять железо в нерастворимую форму. Легкая загрузка Сорбент АС используется для обезжелезивания и осветления. Тяжелая инертная загрузка Сорбент МС предназначена для осветления, обезжелезивания и деманганации воды (производитель компания «Алсис», Россия). Эти сорбенты мы более подробно рассмотрим в следующей главе.
Более эффективными считаются каталитические загрузки, которые имеют тонкий слой специального материала, окисляющий железо. Железо при взаимодействии с этим слоем вещества обращается в хлопьевидный осадок и задерживается сорбентом, удаляясь таким образом из воды. Наиболее известными каталитическими сорбентами являются легкая загрузка Birm (производство Clack corp. США), тяжелая загрузка пиролюзит (например, Stirox – пиролюзит легкой фракции, натуральная и тяжелая загрузка с высоким содержанием диоксида марганца, страна Нидерланды). В целом, природные минеральные сорбенты снижают токсичность воды, способствуют глубокой очистке от химических загрязнений, являются перспективным современном методом, используемый в водоочистке, водоподготовке и очистке сточных вод. В таблице 2.13 описаны несколько загрузок.
Таблица 2.13 — Фильтрационная загрузка при обезжелезевании
| STIROX | Является аналогом Birm. Повышенное содержание в наполнителе двуокиси марганца стимулирует окисление марганца и железа в воде с образованием нерастворимого осадка, который задерживается в толще наполнителя. Обладает устойчивостью к истиранию, обеспечивает длительный срок эксплуатации, не требует химической регенерации. |
| Сорбент МСК
| Состоит из природного минерала пиролюзит. Загрузки на основе пиролюзита применяются в мировой практике более 75 лет. Используется в однослойных и многослойных фильтрах для удаления из воды растворённых железа, марганца и сероводорода. Повышается эффективность в совместном применении с наполнителями «Сорбент АС» и «Сорбент МС». Требует периодической регенерации с окислителем, особенно при условии низкого рН воды и высокого содержания удаляемых примесей . «Сорбент МСК» не обработан дополнительно химически активными покрытиями на основе марганца или иного каталитически активного металла, что исключает вероятность отказа в работе при истощении или смыве данных поверхностей. |
| Сорбент ОДМ | Природный сорбент, используется удаления из воды железа, марганца, стронция, хрома, алюминия, других металлов, нефтепродуктов, фенолов. Безопасн для человека, нерастворим в нейтральных и щелочных средах. В основном используется в качестве загрузки осветлительных, обезжелезивающих и каталитических фильтров. |
| Цеолит | Природный каталитический материал, часто используют совместно с загрузками «Сорбентом АС» и «Сорбентом МС» при обезжелезивании и деманганации воды. Также он удаляет радиоактивные элементы, тяжелые металы, нефтепродукты, пестициды, смягчает воду и обладает антисептическими свойствами против вирусов, бактерий и микроорганизмов, нашел применение в медицине, пищевой промышленности, водоочистке и очистке сточных вод, не наносит вред организму человека. |
| Ионнообменная смола | Преимущественно используют для умягчения воды, но удаляет и другие загрязнения. Обеспечивают максимальный уровень очистки. Проста в применении. Скорость фильтрации низкая, ибо смола медленно обменивается ионами. Необходима регенерация при помощи, например, поваренной соли или лимонной кислоты. Отработанная смола требует утилизации. Высокая стоимость. |
| ЭКВОСОРБ ВП | Материал на основе природного шунгитосодержащего минерала, активированного по инновационной технологии. предназначенный для удаления растворенных в воде ионнов железа и марганца, снижения мутности и цветности воды. Имеет множество разновидностей в зависимости от назначения. Функционирует одновременно как фильтрующий, сорбирующий и катионообменный фильтроматериал. |