Актуализация вопроса обескремнивания подземных водоисточников для г. Кирова и перспективные направления его решения

УДК 628.161.2

Ф. М. Гимранов, А. Н. Беляев, И. В. Флегентов, О. М. Вахрушева, Д. С. Лысов АКТУАЛИЗАЦИЯ ВОПРОСА ОБЕСКРЕМНИВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ

ДЛЯ Г. КИРОВА И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕГО РЕШЕНИЯ

Ключевые слова: питьевая вода, подземные источники, обескремнивание, магнезиальный метод, гидродинамическая кавитация, интенсификация, эффективность технологии, технологическая схема.

Приведены сведения о состоянии качества подземных вод г.Кирова, показана актуальность проблемы снижения содержания кремниевых соединений при использовании ее в питьевом водоснабжении. Дано обоснование необходимости интенсификации промышленного магнезиального метода обескремнивания воды. Показаны результаты использования для этой цели гидродинамической кавитации, рассмотрены и обоснованы ее технологические и экономические преимущества.

Keywords: drinking water, groundwater sources desiliconization, magnesia method, hydrodynamic cavitation, intensification,

efficiency technology, technological scheme.

The information about the state of groundwater quality, Kirov, shows the relevance of the problem of reducing the content of silicon compounds when used in drinking water supply. The substantiation of the necessity of intensification of industrial water magnesia method desilication. The results of the use for this purpose, hydrodynamic cavitation, considered and justified its technological and economic advantages.

Проблема истощения запасов пресных вод, пригодных для хозяйственно-питьевого

водоснабжения, является весьма актуальной в настоящее время. Кировская область является относительно благополучным регионом по обеспеченности водными ресурсами. Тем не менее, воздействие промышленных предприятий, населения и сельского хозяйства приводит к загрязнению поверхностных водных объектов. В результате действия антропогенных факторов источники питьевого водоснабжения загрязняются соединениями азота, фтора, йода, кальция, алюминия и др. [1, 2]. Дефицит качественной питьевой воды составляет 20%, ежегодно не отвечает гигиеническим требованиям 5^10% проб воды, из них санитарно-гигиеническим - 5%, микробиологическим - 1^2% [2, 3].

В качестве альтернативного ресурса хозяйственно-питьевого водоснабжения выступают подземные источники. Главным потребителем пресных вод в Кировской области является г. Киров. Интенсивность разгрузки его подземных вод доходит до 400 дм3/с, этого достаточно, чтобы удовлетворить потребности населения отдельных районов в питьевой воде [4]. Рациональное использование подземных источников может восполнить стратегическую необходимость в чистой воде.

Химический состав подземных вод города и области неоднороден. Он формируется под влиянием многих природных факторов и в различных географических зонах имеет свои региональные особенности. Микроэлементный состав вод редко сбалансирован в благоприятном для организма человека соотношении и обычно характеризуется избыточным или недостаточным содержанием тех или иных макро- или микроэлементов. Микроэлементы обладают высокой биологической активностью и поэтому, несмотря на их малое содержание, существенно влияют на качество подземных вод [5].

На территории г. Кирова основными водоносными гидрогеологическими

подразделениями являются: среднечетвертично-современный аллювиальный горизонт (арП-1У), юрпаловский терригенный комплекс (Р2_щг), слободской терригенный комплекс (Р2б1), верхнеуржумский карбонатно-терригенный

комплекс (Р2иг2). В представленных подразделениях встречаются следующие водозамещающие породы: пески (от тонкомелкозернистых до крупно- и грубозернистых с примесью гравия и гальки), песчаники, алевролиты, известняки. Так как водозамещающие породы в своем составе содержат кварц, то для грунтовых вод г. Кирова характерны повышенные концентрации кремния. Данный микроэлемент участвует во многих жизненно-важных процессах и необходим для нормального функционирования

соединительной ткани, лёгких, желез внутренней секреции (надпочечник, щитовидная и поджелудочная железа, тимус, лимфатические узлы), входит в состав антиоксидантных ферментов глутатионпероксидазы [6]. Однако избыток этого микроэлемента в организме человека может привести к образованию камней в почках [7], развитию фиброза легких или органов брюшной полости, развитию атеросклероза [8], инфаркта миокарда [9], отмечается увеличение вероятности онкологических заболеваний, а при одновременном сочетании с высокой жесткостью отмечены случаи возникновения ишемической болезни сердца [10].

Основным критерием пригодности питьевой воды является величина предельно допустимой концентрации (ПДК). В соответствие с СанПиН 2.1.4.1074-01 кремний относится ко второму классу опасности по санитарно-токсикологическому признаку вредности с предельным его содержанием в питьевой воде 10 мг/л.

В таблице 1 представлены сведения, взятые по данным лабораторного центра ФБУЗ «Ценр гигиены и эпидемиологии «Кировской области» и

характеризующие подземные источники г. Кирова по содержанию кремния в разные годы. Их анализ показывает, что в 40% исследуемых подземных источников наблюдается превышение ПДК по кремнию в 1,12-1,37 раза. Так в родниках вблизи комбината «Метако», ул. Заводской (средняя часть), п. Ганино, п. Порошино содержание кремния достигает 13,7 мг/л. В водах ул. Заводской (нижняя часть) и района «трамплина», отмечали концентрацию 11,2 мг/л. В районе сл. Филейки и мкр. Коминтерновском значение кремния в подземных водах близко к предельному содержанию (10 мг/л) - 9,2-9,9 мг/л.

Таблица 1 - Характеристика подземных источников г.Кирова по содержанию кремния в разные годы

Наименование участка Год отбора проб Содержание кремния, мг/л

Комбинат «Метако» 1997 13,70*

ул. Заводская (ср. часть) 1997 13,40

ул. Заводская (нижн. часть) 1997 11,20

сл. Большое Скопино 1997 6,10

Район «трамплина» 1997 11,80

ул. Северная Набережная 1997 8,20

сл. Филейка 1997 9,90

п. Ганино, сл. Санниковы 2009 13,00

сл. Макарье 20102013 3,02

д. Гнусино 2010 4,21

2011 7,40

2012 6,10

2013 6,60

п. Порошино 2010 12,80

2011 13,20

20122013 12,60

д. Б.Субботиха 2010 3,10

20112013 2,90

п. Сидоровка 20102011 4,33

20122013 5,80

мкр. Коминтерновский 2010 6,43

2011 9,20

20122013 7,90

Октябрьский район г.Кирова, с. Бахта, с. Русское, п. Сосновый, д. Мараки 2011 3,64

2012 6,00

2013 4,35

* - курсивом выделены значения содержания кремния в водных объектах выше ПДК

Следует отметить, что содержания кремния меняется как в зависимости от года, так и от климатических факторов. Кроме того, качество воды подземных источников напрямую зависит от области питания, площади водосбора, и величины техногенной нагрузки. Вследствие того, что основная часть скважин г. Кирова сооружена в

период 1960-80 гг. и исчерпала срок амортизации, техническое состояние колонн могло нарушиться, в результате чего существует опасность загрязнения водоносных горизонтов через затрубное пространство. А так как горизонт арП-1У и комплекс Р2_|шг не являются защищенными, они гидравлически связаны с поверхностными водами, которые питают их в половодье, опасность загрязнения повышается многократно. Поэтому необходим постоянный анализ и наблюдение за качеством родников, расположенных в городской черте и наиболее используемых населением в хозяйственно-питьевых целях.

На рис. 1 приведена карта-схема расположения скважин родников, из которых осуществляется забор подземных вод для населения г. Кирова.

Рис. 1 - Карта-схема расположения подземных источников с концентрацией кремния: • - более 12 мг/л; • - от 8 до 12 мг/л; • - менее 8 мг/л

Анализ представленных сведений позволяет предположить, что питьевую воду с повышенным содержанием кремния употребляет до 12% населения областного центра. В связи с этим, приобретает актуальность вопрос очистки подземных вод от данного компонента.

В технологии очистки воды от кремния выделяют, прежде всего, реагентные методы, в которых используют известь, гидроксиды и оксиды железа, алюминия, магния, которые вводят в очищаемую воду и поддерживают во взвешенном седиментирующем состоянии. В процессе очистки соединения кремния сорбируются данными веществами и оседают. Это самый простой и отработанный метод, однако он требует тонкой регулировки параметров технологического процесса и подогрева воды. Для эффективной обработки ее значение должно поддерживаться не менее 40°С, что достаточно проблематично при больших расходах.

Электрохимический метод отличается образованием тех же соединений, но под действием электрического тока. Образующиеся соединения имеют более высокую сорбционную способность, однако метод рекомендуют использовать при неглубоком обескремнивании воды, а для глубокого обескремнивания - только при небольших расходах обрабатываемой воды ввиду существенного повышения расхода металла анода и

электроэнергии. Другими недостатками метода являются малая производительность по обрабатываемой воде и образование большого объема вторичных отходов.

Хорошей альтернативой первым двум методам выступает фильтрационный. Этот метод может с успехом использоваться в сочетании с ними. В нем используют вариации все тех же веществ, но в виде зернистых загрузок фильтра. Данный метод позволяет проводить непрерывную очистку воды до полного насыщения фильтрационной емкости загрузки, после чего ее необходимо заменять.

Применение ионообменных смол позволяет достичь наиболее глубокого снижения концентрации кремниевых соединений в воде, однако метод не применим для питьевого водоснабжения по причине его многоступенчатости, высокой стоимости, большого количества образующихся отходов водоочистки, и, наконец, из соображений санитарно-гигиенической надежности ионообменных смол и необходимости сопутствующего глубокого обессоливания питьевой воды. В промышленности встречается также использование высокоэффективного мембранного метода очистки, однако, в виду сильного обессоливания питьевой воды при его использовании, а также высокой стоимости, метод имеет ограниченное применение [11].

С развитием современных технологий значимость традиционных методов снижается. Это связано с большим расходом реагентов, предполагающего наличия больших площадей, и высоким уровнем энергопотребления, связанным с необходимостью подогрева очищаемой воды. В связи с этим, использование гидродинамических кавитационных (ГДК) процессов для очистки воды представляется весьма перспективным

направлением (конструкция проточного кавитационного реактора может соответствовать техническому решению, изложенному в Пат. РФ 2445272 (2010)). Это связано с присущими кавитационному взрыву экстремальными условиями: температурой 1000^2000°С и давлении 100^1500МПа [12]. Кавитация сопровождается процессом гидравлического коллапсирования, в результате которого происходит разрыв и образование новых химических связей в молекулах воды, а также в присутствующих в ней примесях, что обеспечивает увеличение рН воды от 7 до величин порядка 9 без применения химических реагентов и образование поличастиц сложного состава [13, 14].

На базе МУП «Водоканал г. Глазова» (г.Киров и г.Глазов относятся к одной Волго-Камской гидрогеологической области) была создана опытная линия обескремнивания воды магнезиальным сорбентом производительностью 15м3/ч, в технологической схеме которой присутствует устройство генерирующее кавитационные колебания в гидродинамическом потоке. Целесообразность выбора для обескремнивания воды именно магнезиального сорбента была обоснована ранее в статье [15], а сама

технологическая линия представлена в работе [16]. Рассматриваемая технология предусматривает проведение полного цикла очистки воды, включающего коагуляционное осаждение кремнекислых соединений, активизированного ГДК, и тонкую очистку фильтрованием. Образующийся в процессе очистки магнийсодержащий осадок не востребованный в рециркуляции может быть утилизирован либо реализован как сырье для приготовления магнийсодержащих удобрений, огнеупорных материалов, магнезиального цемента, а также как лигатура для получения сплавов в металлургии.

Внедрение ГДК в процесс магнезиального обескремнивания при водоподготовке позволяет добиться его интенсификации, что наряду с доведением показателя кремнесодержания до уровня нормативных значений обеспечивает значительный технико-экономический выигрыш, уменьшаются капитальные и эксплуатационных расходы. Это обусловлено следующим:

- во-первых, использование ГДК позволяет заменить энергоемкий подогрев воды, необходимый для создания оптимальных условий для удаления кремнекислых соединений, на локальный, не требующий каких-либо энергозатрат. Замена водоподогревателя кавитационным реактором позволяет уменьшить удельные энергозатраты процесса с 42 кВт-ч/м (нагрев с 4 до 40 С°, необходимый по условию технологического процесса) до 0,7 кВт-ч (расход на работу повышающего насоса, установленного перед устройством ГДК) на 1 м3 воды;

- во-вторых, использование ГДК позволяет осуществлять процесс обескремнивания в отсутствии извести и коагулянтов также характерных для традиционной технологии. Это становится возможным благодаря созданию при ГДК специфических физико-химических условий.

Выводы

В г. Кирове существует проблема обеспечения населения водой из подземных водоисточников, соответствующей санитарно-гигиеническим

требованиям. Данная проблема обусловлена как естественными (природными), так и антропогенными факторами, к которым относятся: использование несовершенных технологий

водоподготовки воды из поверхностных источников водоснабжения, высокая изношенность разводящих сетей, несоблюдение правил эксплуатации зон санитарной охраны водоисточников.

К естественным загрязнениям относятся и кремниевые соединения. Снижения их содержания для подземных вод г. Кирова является достаточно актуальным. В силу имеющихся недостатков традиционные методы для решения данной проблемы не имеют широкого промышленного использования.

Авторами предлагается интенсификация традиционной технологии магнезиального обескремнивания гидродинамической кавитацией. Предложенные решения являются экономически и

технологически обоснованным вариантом. Экспериментальные исследования снижения содержания кремния в природной воде данным методом показывают возможность проводить процесс обработки без необходимости повышения температуры среды и корректировки ее рН. При этом отмечается значительное снижение общих энергозатрат при неизменной эффективности водоподготовки.

Литература

1. В.И. Стурман, В.П. Сидоров, В.М. Габдуллин Проблемы природопользования и перспективы устойчивого развития в волго-вятском районе и поволжье, Вестник удмурского университета. Науки о Земле. 11, 17-36

2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации 2014», https://www.mnr.gov.ru/regulatory/list.php?part=1756

3. А.И. Мошонкин, А.Л. Бурков, К.К. Кабиров Обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения г. Кирова в 2001 году, Вятский медицинский вестник, 3, 1-6

4. Схема водоснабжения и водоотведения г. Кирова [Электронный ресурс] // Сайт администрации г.Кирова http://www.admkirov.ru. Размещено 11.08.2015. Проверено 18.02.2016.

5. Н.И. Плотников, Подземные воды - наше богатство. М.: Недра, 1990. 205 с.

6. M. Kielczykowska, I. Musik, Relationships between silicon content and glutathione peroxidase activity in tissues of rats receiving lithium in drinking water, 21, 1, 53-59

7. В.Л. Сусликов К гигиенической оценке роли кремния в питьевой воде, Гигиена и санитария, 7, 6-12

8. А.В. Горбунов, С.М. Ляпунов, О.И. Окина, И.Ф. Серегина, Роль питьевой воды в обеспечении организма человека микроэлементами, Экология человека, 2, 3-8

9. Р.В. Степанов. Материалы к изучению причинно-следственных связей инфаркта миокарда с водным фактором: Автореф. дисс канд. мед. наук. - Чебоксары, 1992.

10. И.В. Пригун, М.С. Краснов, Технологии очистки воды от кремния. Проблемы и особенности, Материалы III науч.-практ. конф., Экспоцентр. Ч. 1. Москва, 2009. С. 70 - 81.

11. Р.В. Федотов, Технология обескремнивания природных вод фильтрованием через модифицированную загрузку: Дис. канд. техн. наук. Новочеркасск, 2013.

12. А.С. Мачинский, Н.А. Яхова, Н.Н. Марутовская, Кавитационные аппараты для очистки сточных вод. Тематический обзор, М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1991. 41 с.

13. Пат. РФ 2104964

14. Пат. 2305073 РФ

15. Ф.М. Гимранов, А.Н. Беляев, И.В. Флегентов, Е.В. Куц, Использование кавитационной обработки при снижении содержания кремния в питьевой воде, Вестник Казанского технологического университета, 19, 17, 210-215

16. А.Н. Беляев, И.В. Флегентов Гидродинамическая кавитационная обработка как инструмент интенсификации реагентных процессов в промышленных технологиях, Журнал прикладной химии, 8, 87, 1092-1100

© Ф. М. Гимранов - д.т.н, проф., зав. каф. пром. безопасности КНИТУ, expert-92@mail.ru; А. Н. Беляев - исполняющий обязанности зав. каф. промышленной экологии и безопасности, Вятский государственный университет, belyaev71@list.ru; И. В. Флегентов - д.т.н, проф. каф. промышленной экологии и безопасности, Вятский государственный университет, flegentov@vyatsu.ru; О. М. Вахрушева - к.б.н., доц. каф. промышленной экологии и безопасности, Вятский государственный университет, vahrusheva@vyatsu.ru; Д. С. Лысов - аспирант каф. промышленной экологии и безопасности, Вятский государственный университет, htpe@rambler.ru.

© F. M. Gimranov - doctor of technical sciences, head. of the department of industrial safety, KNRTU, expert-92@mail.ru; A. N. Belyaev - Ph.D., Associate Professor, Acting Head of the Department of Industrial Ecology and Safety of Federal state budgetary educational institution of higher education "Vyatka State University", belyaev71@list.ru; I. V. Flegentov - Doctor of Technical Sciences, Professor of federal state budgetary educational institution of higher education "Vyatka State University", Department of Industrial Ecology and Safety, flegentov@vyatsu.ru; O. M. Vakhrusheva - Ph.D., Associate Professor, Department of Industrial Ecology and Safety of the Federal State Budget Institution of Higher Professional Education "Vyatka State University», Department of Industrial Ecology and Safety, vahrusheva@vyatsu.ru; D. S. Lysov - Graduate Student, Department of Industrial Ecology and Safety of the Federal State Budget Institution of Higher Professional Education "Vyatka State University», htpe@rambler.ru.