Перспективы и проблемы подготовки питьевой воды в Западной Сибири

УДК 628.112.23

ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

В ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

А.И. Грицык, Н.С. Нацук, В.В. Токарев ТОО ПТК "Актив", Омский государственный аграрный университет, НПО "Кристалл"

Дана оценка качества воды природных водоисточников и состояния коммунального водоснабжения. Отмечены низкое качество питьевой воды и недостатки существующих способов очистки. Приведены рекомендации по корректировке существующих технологических схем подготовки питьевой воды, а также новые технологические схемы, учитывающие особенности местных водоисточников.

Интерес к качеству питьевой воды не случаен. Вода - не только пищевой продукт, она выполняет важнейшую физиологическую роль в организме людей и животных. Пищеварение, синтез живого вещества, химические и биохимические реакции происходят в водной среде, и качество воды влияет на их конечные результаты. Не последнюю роль играет водный фактор в распространении инфекционных заболеваний. Мировая статистика показывает, что вспышки холеры, брюшного тифа, дизентерии, гепатита чаще возникают там, где плохо организовано питьевое водоснабжение и люди употребляют воду, не соответствующую санитарным нормам.

Лучшим источником для коммунального водоснабжения всегда являлись подземные воды. Они надежно защищены от загрязнений, их добывание и подача потребителям требуют меньших капитальных затрат. Однако они не везде имеются.

Природной особенностью Центральной и Южной части Западной Сибири является то, что южнее линии Тюмень-Ишим-Тара-Новосибирск подземных вод, пригодных для централизованного водоснабжения, нет. Встречающиеся здесь водоносные горизонты имеют локальное распространение, малопродуктивны, содержат минерализованную воду, не пригодную для питья.

Для водоснабжения крупных городов и поселков здесь используются преимущественно крупные реки: Тобол, Ишим, Иртыш, Обь. Они же обеспечивают водой значительную часть сельских поселков. Отсутствие местных водоисточников потребовало строительства сельских групповых водопроводов, подающих речную воду на десятки и сотни километров. Групповые водопроводы получили широкое распространение в Северном Казахстане, Омской, Курганской и Тюменской областях.

Жизнь подтвердила, что это единственный способ обеспечить доброкачественной водой наиболее развитые сельскохозяйственные районы.

По степени загрязнения крупные реки Западной Сибири можно условно отнести к разряду "благополучных", так как по большинству физико-химических показателей качество воды соответствует требованиям, предъявляемым к источникам хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Очистка воды осуществляется по общепринятой двухступенчатой схеме. После предварительного хлорирования в воду добавляют коагулянты, флокулянты, известь для подщелачивания и направляют ее в контактную камеру, где происходят физико-химические процессы, облегчающие дальнейшую очистку воды. Предварительное осветление осуществляется в отстойниках или осветлителях, затем вода поступает на скорые фильтры и подвергается окончательной очистке. За счет химических реагентов, отстаивания и фильтрации без особых осложнений удается довести до нормативных требований содержание в воде взвешенных веществ, цветность, привкусы и запахи.

Сложнее удалить из воды химические компоненты, находящиеся в растворенном виде, особенно ионы тяжелых металлов. Частично они адсорбируются в процессе коагулирования, однако достаточной степени очистки эта технологическая схема не гарантирует. В перспективе, очевидно, потребуется вводить дополнительно в состав очистных сооружений третью степень - сорбционные фильтры. Это дорого и сложно, но в ряде случаев будет необходимо. В какой-то мере проблему может решить замена кварцевого песка в скорых фильтрах местными сорбционными материалами, характеристика которых приведена ниже. Проведенные нами исследования подтвердили хорошие фильтрационные качества этих материалов, большую обменную способность 7-10 мг/дм.3 Однако механическая прочность их ниже, чем у кварцевых песков, что по нашим расчетам потребует еж'егодной догрузки фильтров в пределах 20-25%. Емкость поглощения свежей загрузки составит 2500-3000 г на 1 м2 площади фильтра. Этот резерв может оказаться достаточным для устранения из воды микрокомпонентов без промежуточной регенерации сорбента.

Гораздо сложнее довести до питьевого стандарта воду из мелких рек, имеющих болотное питание (Омь, Тара, Тавда, Тартас и др.). В воде очень много органических веществ, солей железа, марганца, аммонийного азота, цветность достигает 300 -350 градусов платиново-кобальтовой шкалы.

Чтобы разрушить органику воды, приходится обрабатывать воду повышенными дозами хлора

(порядка 9-10 мг/л). Нужного эффекта это не дает, после очистки вода имеет цветность 70-80 градусов, что в 2,5 раза превышает норму. Предварительное окисление органики большой дозой хлора сопровождается появлением токсичных соединений (диоксины), которые оказывают негативное влияние на организмы людей и животных. Применение хлоросодержащих реагентов для таких водоисточников необходимо запретить. Предварительное окисление органики следует осуществлять озоно-воздушной смесью, технологическую схему очистки обязательно дополнить сорбционными фильтрами.

Севернее широты Тюмень-Ишим-Тара-Новосибирск на обширном регионе основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения являются подземные воды. Наиболее продуктивные водоносные горизонты - Туртасский, Новомихайловский и Атлымский, залегающие в интервалах соответственно 60-80,120-160 и 180-300 м. Водоносные пласты имеют хорошие фильтрационные свойства, производительность скважин колеблется от 100 до 3000 м3 в сутки.

Прогнозные расчеты подтверждают,что

более сложная технология, включающая искусственное окисление, коагулирование, лодщелачивание, отстаивание и фильтрацию. Системы очистки будут материапоемкими, дорогими и сложными в эксплуатации.

С 1994 года проблемой очистки подземных вод в рассматриваемом регионе занимается НПО "Кристалл", объединяющее кафедры водоснабжения Омского аграрного и Новосибирского архитектурно-строительного университетов, а также ряд проектных организаций.

В связи с тем что в ближайшие годы нужно построить сотни очистных станций, усилия направлялись на разработку простых, дешевых и удобных в эксплуатации очистных систем. В основу работы объединения легли следующие положения:

исключить химические реагенты, предварительное окисление осуществлять озоно-воздушной смесью;

создать оптимальные условия для коагулирования мелкой взвеси формирующимися в

Таблица 1

Показатели качества воды, мг/дм

Показатели Мутность Цветность, градусы Железо Марганец Аммиак Сухой остаток

фактические 6^0 10-80 0.1-18.0 0.1-0.6 0.1-15.0 1000

ПДК 1.5 20 0.3 0.1 2.0 200-500

эксплуатационные запасы подземных вод огромны и могут полностью удовлетворить нужды хозяйственно-питьевого водоснабжения. Что же касается гидрогеохимической обстановки, то она оценивается как сложная и в целом неблагоприятная для организации питьевого водоснабжения. Своеобразные условия формирования и питания водоносных горизонтов оказали отрицательное влияние на качество воды. В воде очень много взвешенных примесей, солей железа и марганца, аммонийного азота, большая цветность и окисляемость.

Осредненные показатели качества воды, концентрация которых превышает ПДК, приведены в табл. 1.

Необычным является наличие в воде большого количества илистых и глинистых частиц, концентрация которых достигает 40 мг/дм3. Очень много в воде железа, преимущественно двухвалентного, находящегося в форме устойчивых соединений. Проблема очистки осложняется низкой температурой воды и невысокой щелочностью. В этих условиях традиционные способы очистки подземных вод, основанные на интенсивной аэрации, оказались малоэффективными, что подтверждается результатами эксплуатации действующих очистных станций.

Для получения воды питьевого качества нужна

процессе окисления частицами гидрата окиси железа;

задержать основную массу взвешенных частиц на первой ступени песчаного фильтра;

удаление марганца и аммонийного азота осуществить на второй ступени очистки с помощью ионито-сорбентных материалов.

При низких значениях РН удалить из воды марганец и аммонийный азот путем механической фильтрации невозможно, повысить РН до 8.5-9.0 сложно и дорого. Значительно проще и выгоднее использовать для этого сорбент.

В связи с тем что основная масса загрязнений задерживается на первой ступени, нагрузка на вторую ступень незначительная, это может обеспечить большую продолжительность фильтроцикла. В качестве сорбента использовался туффит Мысовского месторождения Тюменской области.

Технологические исследования туффитов выполнены Тюменским геологоразведочным институтом. Подтверждены их хорошие фильтрационные и сорбционные способности, отмечена большая емкость поглощения по отношению к железу, марганцу, аммиаку, ионам тяжелых металлов. Оформлен сертификат качества.

Экспериментальные исследования предложенного

способа очистки подземных вод выполнены в лаборатории водоснабжения Омского аграрного университета. Производственные испытания проведены на очистной станции водозабора "Южный" г.Ханты-Мансийска. Водозабор включает4 скважины общей производительностью 1200 м3 в сутки. Вода содержит повышенное количество взвешенных веществ, солей железа, марганца, аммонийного азота, то есть имеет все признаки, характерные для рассматриваемой зоны. Очистка воды осуществлялась по трехступенчатой схеме. После обработки озоно-воздушной смесью вода последовательно проходила через три ступени напорных фильтров, загруженных сорбентом различной крупности. Сорбент был изготовлен по специальной технологии Омским конструкторско-технологическим институтом технического углерода. Недостатком этой схемы является то, что сорбционные свойства загрузки нерационально использовались для задержания взвешенных веществ и основной массы солей железа, что сокращало фильтроцикл и требовало частых регенераций фильтров. В связи с тем что технология и

техника регенерации фильтров окончательно не разработаны, возникла необходимость реконструкции очистной станции и внедрения новой технологии очистки воды. Для уточнения основных параметров новой технологии была изготовлена опытная установка, включающая две фильтрационные колонны, способные работать в напорном режиме. Первая колонна загружалась кварцевым песком крупностью 0.5-1.1 м, толщина загрузки 0.7 м, вторая колонна - туффитом крупностью 0.7-1.2 мм такой же мощности. Установка имела дополнительные приспособления для подачи воды, обратной промывки, водомерное устройство.

Через 20 см по высоте колонны располагались штуцеры для пьезометров, позволявшие определить гидравлические потери напора в отдельных слоях фильтрационной загрузки. Вода на установку подавалась из общей смесительной колонны после обработки озоно-воздушной смесью и последовательно проходила через оба фильтра. Скорость фильтрации в процессе эксперимента изменялась от 2 до 5 мг/ч и заметного влияния на степень очистки не оказывала. Показатели качества воды до и после очистки приведены в табл. 2.

После экспериментальной установки получена вода, качество которой соответствует питьевому стандарту,

что дало основание рекомендовать технологию очистки, блок-схема которой представлена на рис. 1.

Анализ результатов эксперимента позволяет сделать следующие выводы. Марганец и аммиак при РН < 7 механической фильтрацией из воды не устраняются несмотря на предварительное озонирование. Взвешенные вещества почти полностью (90%) задерживаются на песчаном фильтре. Значительный "проскок" железа (до 30%) вызван недостаточным временем контакта обрабатываемой воды с озоно-воздушной смесью. Время контакта рекомендовано увеличить до 10-12 минут.

Длительность фильтроцикла для песчаного фильтра составила 52 часа. Промывка проведена обратным током воды в течение 7 минут с интенсивностью 20 л/см2. Фильтрационные свойства загрузки восстановлены полностью. Емкость поглощения сорбента не была полностью использована, его регенерация не проводилась. Вода из скважин подается в верхнюю часть двух смесительных колонн (6). В нижнюю часть колонн

Таблица2

подводится озоно-воздушная смесь дозой 2.5 мг/дм3 чистого озона и с помощью диспергатора равномерно распределяется по площади камер. Встречное движение потоков способствует усилению контакта и полноте реакции окисления. По имеющимся рекомендациям время контакта должно быть не меньше 4-6 минут. Однако, учитывая низкую температуру воды и низкую ее щелочность, рекомендуется увеличить время контакта до 10-12 минут. Это также будет способствовать формированию в нижней части смесительных камер хлопьев гидрата оксида железа и адсорбции мелкой взвеси. Основная масса взвешенных примесей должна задерживаться песчаным фильтром (7).. Этим определяется эффективность работы всей установки. Сорбционный фильтр (8) должен выполнять буферные функции, то есть задерживать остатки марганца, аммиака, ионы тяжелых металлов. После сорбционного фильтра вода поступает в смесительную колонну (9). Сюда же для обеззараживания воды поступает озоно-воздушная смесь дозой 1 мг/дм3 чистого озона. Отработавшая озоно-воздушная смесь по трубопроводу (3) направляется в компрессор и используется повторно.

Новая технология значительно проще, дешевле и надежнее ранее применявшейся. Кроме того, переход

з

Качество воды до и после прохождения через экспериментальную установку, мг/дм

Показатели Взвешенные вещества Железо Марганец Аммиак

Исходная вода 36^0 6-7 0.2-0.13 3.9-3.7

Колонна 1 2.7-4.6 1.7-2.2 0.2-0.13 3.5-3.3

Колонна 2 1.0-1.5 0-0.25 0.1-0.05 0.8-1.2

Рис.1. Блок-схема очистной станции водозабора "Южный" г.Ханты-Мансийска: 1- подача воды из скважин; 2 - подача озоно-воздушной смеси; 3 - удаление отработавшей озоно-воздушной смеси; 4- компрессор; 5 - озонатор; 6 - смесительная колонна № 1; 7 - песчаный фильтр; 8 - сорбционный фильтр; 9-смесительная колонна №2; 10-резервуар очищенной воды; 11-насос подкачки; 12 - воздухозаборная шахта

на двухступенчатую очистку позволяет в 1.5 раза увеличить производительность очистной станции практически без дополнительных капвложений. Однако эту технологию нельзя принимать как универсальную.

При разработке технологии очистки воды для поселка Кирпичный ХМАО пришлось внести существенные изменения в состав очистных сооружений. Здесь в исходной воде концентрация взвешенных веществ достигает 60 мг/дм3 и железа - 18 мг/дм3 С такой нагрузкой песчаный фильтр справиться не способен. В состав очистной станции пришлось включить установку заводскогоизготовления "Струя", а основную массу загрязнений (взвеси, железо) задерживать в тонкостенном трубчатом отстойнике. Это создало оптимальные условия для работы песчаного и сорбционного фильтров.

Для решения проблемы питьевого водоснабжения на современном научно-техническом уровне необходимо в каждом отдельном случае тщательно анализировать качество исходной воды, проводить экспериментальные исследования и на этой основе корректировать основные параметры технологического процесса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ресурсы пресных и маломинерализованных вод южной части Западно-Сибирского артезианского

бассейна/ И.М.Земскова , Ю.К.Смоленцев и др. - М.: Недра,-1991,-С.257.

2.3олотова Е.Ф., Асс Г.Ю. Очистка воды от железа, фтора, марганца и сероводорода. - М.: Стройиздат, 1975.-С.176.

3.Нацук Н С. Перспективы и проблемы питьевого водоснабжения в Омской области // Водохозяйственные проблемы освоения Сибири.-Омск, 1976.-С.22-24.

15 января 1998 г.

Грицык Алексей Игоревич - генеральный директор промышленно-торговой компании "Актив", президент Союза предпринимателей Омской области;

Нацук Николай Степанович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой водоснабжения Омского государственного аграрного университета; Токарев Владимир Васильевич - кандидат технических наук, генеральный директор научно-производственного объединения "Кристалл".

УДК 656:502

ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТА: ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РАКУРС

Б.Н. Епифанцев, Е.М. Михайлов Омский государственный технический университет

Освещены проблемы развития городского транспорта с экологической точки зрения. Описывается компьютерная программа для определения влияния автотранспорта на экологическую обстановку в городе. Представлена оценочная картина загрязнения воздуха города Омска окисью углерода от автотранспорта на 2000 год, полученная с помощью этой программы. Намечается путь дальнейшего развития программы.

Автомобильный транспорт значительно ухудшает экологическую ситуацию во многих странах мира. Так, если в начале 70-х годов доля загрязнения, вносимого

автотранспортом в атмосферный воздух, составляла 13%, то в настоящее время она достигла 50% (в промышленных городах - 60%) и продолжает расти.