Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Использование инновационных технологий в области водоподготовки на комплексе водоочистных сооружений МУП «Водоканал» г. Череповца

Авторы:

С. Н. Ильин, директор муниципального унитарного предприятия «Водоканал» г. Череповца

 Л. А. Конкина, начальник центра исследования воды муниципального унитарного предприятия «Водоканал» г. Череповца

Н. М. Макарова, заместитель начальника технико-технологического отдела муниципального унитарного предприятия «Водоканал» г. Череповца

В настоящее время требования законодательства РФ (природоохранного, санитарного) диктуют все более жесткие требования по использованию объектов окружающей среды и потреблению водных ресурсов.

В первую очередь это обусловлено тем, что хозяйственная деятельность человека все более негативно сказывается на качестве воды поверхностных водоисточников в результате поступления в них неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод, поступающих из населенных пунктов, промыш­ленных предприятий, сельскохозяйственных угодий и ферм. Кроме того, снижение темпов судоходства приводит к сокращению работ, направленных на качественное содержание водоемов (чистка, дноуглубительные мероприятия) и т. д.  В результате такое явление как «цветение» водоемов год от года становится все более катастрофичным.

Водоочистная станция №3

Положение усугубляется также тем, что непрерывно вводятся новые, более жесткие стандарты качества питьевой воды. Так, например, с вступлением в действие новых гигиенических нормативов ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2280-07 значительно снижены нормативы ПДК по целому ряду показателей, включая остаточный алюминий и хлороформ.

В связи с этим проблема получения качественной питьевой воды, соответствующей современным требованиям санитарно-гигиенического законодательства, становится острее год от года.

Источником для обеспечения жителей города Череповца питьевой водой является река Шексна (Шекснинский русловой участок Рыбинского водохранилища). Вода водоисточника относится к маломутным, цветным водам, имеет невысокий щелочной резерв. Средние значения показателей цветности составляют 45–90 град. (макс. 130 град.) и обусловлена в первую очередь большим содержанием гуминовых соединений. Значения перманганатной окисляемости находятся в пределах от 9 до 17 мгО₂/дм³, мутность поднимается в паводковые периоды до 20 мг/дм³, составляя в остальные периоды года 1,5–7,9 мг/дм³, водородный показатель 7,6–7,95 ед. рН, общая минерализация не превышает 200 мг/дм³.

Характерной особенностью водоема является обильное цветение воды в период с мая по сентябрь, что влечет за собой повышенное содержание фито- и зоопланктона, в результате чего в ней появляется специфический неприятный запах. Из фитопланктона преобладают диатомовые, сине-зеленые и зеленые водоросли. Общее количество водорослей насчитывает от 25 кл/см³ до 10 000 кл/см³. По числу бактерий группы кишечной палочки водоем относится к 3-му классу по ГОСТ 2761-84 (коли-индекс до 50 000 ед/дм³). В воде р. Шексны фиксируется наличие колифагов, являющихся индикаторами вирусного загрязнения водоисточника. В паводковые периоды (весна-осень) максимальное их число достигает 250 БОЕ/100 см³.

Скорые фильтры

Основной объем питьевой воды для нужд населения и промышленных предприятий г. Череповца в настоящее время производится на водоочистной станции № 3 ВОС-3 МУП «Водоканал», производительностью 110 000 м³/сут, которая была введена в эксплуатацию в 2000–2001 гг. Проектом была предусмотрена работа станции по «неоклассической» двухступенчатой схеме, с использованием осветлителей-рециркуляторов в качестве сооружений 1-й ступени очистки и скорых фильтров — 2-й ступени.

Внедрение данной технологической схемы позволило реализовать следующие инновационные технические решения:

—  повторно использовать промывные воды скорых фильтров;

— отказаться от первичного обеззараживания воды хлорсодержащим реагентом и применять ультрафиолет для обеззараживания воды перед подачей ее на скорые фильтры;

— эффективно использовать при очистке воды порошкообразные сорбенты;

—  внедрять мероприятия, направленные на уменьшение коррозии магистральных и разводящих трубопроводов;

— использовать реагенты нового поколения на разных этапах водоподготовки.

Необходимость использования каждого из приведенных выше решений была продиктована изменяющимися условиями окружающей среды и возрастающими требованиями к качеству питьевой воды. При этом изначально достижение поставленных решений предполагалось осуществить за счет использования мировых и отечественных технологий.

Как уже отмечалось, в последние годы значительные сложности с

очисткой воды связаны с содержанием большого количества фитопланктона (водорослей) в период «цветения» водоема. Статистика наблюдений за содержанием водорослей в р. Шексне свидетельствует о значительном (в 3–4 раза) увеличении их количества за последние 5–6 лет. Присутствие водорослей негативно влияет как на ведение технологического процесса водоподготовки, так и на качество питьевой воды, так как они придают воде неприятный запах.

С целью задержания водорослей, присутствующих в исходной речной воде, до стадии реагентной обработки, исключения их негативного влияния на качество питьевой воды по органолептическим показателям в июне 2014 года на водоочистной станции № 3 была введена в эксплуатацию 1-я опытно-промышленная установка микрофильтрации (дисковый микрофильтр) Dyna Disc производства компании Nordic Water Products AB (Швеция). Фильтруясь через мембраны с диаметром пор 10 микрон, речная вода освобождается от большей части содержащихся в ней водорослей. За период эксплуатации дискового микрофильтра получены положительные результаты: эффективность задержания общего количества водорослей достигает 70–80%.

В силу физической формы и размеров клеток наибольший эффект очистки наблюдался по диатомовым водорослям: в среднем 71%, максимально 82%. Более низкий эффект очистки достигался по зеленым водорослям: в среднем 52%, максимально 81%. Эффект по удалению сине-зеленых водорослей: в среднем 46%, максимально 72%.

Известно, что водоросли оказывают большое влияние на качество природных вод, поскольку как в процессе жизнедеятельности, так и после отмирания их клеток в водную среду попадает большое количество веществ различной химической природы. Многие из этих соединений сами по себе проявляют высокую биологическую активность. Не меньшую роль эти вещества играют и в формировании качества питьевой воды при водоподготовке. Реагируя с традиционно применяемыми окислителями в процессах обеззараживания воды, многие из указанных веществ трансформируются в еще более токсичные соединения, в том числе характеризующиеся и канцерогенными свойствами.

Извлечение водорослей именно до стадии обеззараживания и осветления речной воды приводит в дальнейшем к снижению доз дезинфектантов, тем самым позволяя минимизировать вероятность образования побочных продуктов.

С 2010 года на ВОС № 3 успешно эксплуатируется система сорбционной обработки питьевой воды. В качестве сорбента применяется порошкообразный активный уголь (ПАУ), эффективно поглощающий гидрофобные вещества: карбонильные соединения и карболовые кислоты, алифатические спирты, углеводороды нефти и нефтепродуктов, а также органические соединения и металлы. Кроме того, данная технология дополнительно способствует удалению запахов и привкусов во время массового «цветения» воды поверхностных водоисточников.

Для углевания воды на ВОС № 3 используется сорбент марки СПДК-27Д в виде 1%-ной угольной пульпы. Дозы ПАУ зависят от уровня загрязненности воды токсикантами и находятся в диапазоне от 1 до 5 мг/дм³. Точка ввода — трубопровод подачи речной воды перед осветлителями-рециркуляторами.

В результате применения угольного сорбента с дозой 3 мг/дм³ в сочетании с непрерывной рециркуляцией осадка происходит дополнительное снижение мутности на 1-й ступени очистки на 20%, алюминия на 15%, перманганатной окисляемости на 30%, а в готовом фильтрате снижение остаточного алюминия — на 40–50%.

Следует также отметить, что отличительной особенностью природных вод поверхностных водоисточников Северо-Западного региона является высокое содержание органических соединений — гуминовых кислот, присутствие которых обуславливает высокую цветность воды, а также создает предпосылки к образованию высокотоксичных хлорорганических соединений при обеззараживании хлорсодержащими соединениями в процессе подготовки питьевой воды.

Блок сорбиционной очистки воды

Многочисленными исследованиями, проводимыми с середины 70-х гг., установле­но, что из более чем 200 хлорорганических соединений, образующихся при использовании хлора и хлорсодержащих реагентов на стадии обеззараживания питьевой воды, основными и наиболее опасными являются летучие хлорорганические соединения (ЛХС). В их числе тригалометаны (ТГМ) — соеди­нения, объединяемые общей формулой СНХз, где X — галоген (хлороформ, бромдихлорметан, дибромхлорметан и др.). Разнообразие образующихся соединений связано с различием физико-химических характеристик воды водоисточников и условий водоподготовки на водопроводных станциях. При этом, однако, неизменно концентрация образующегося хлороформа на 2–3 порядка превышает содержа­ние других ТГМ.

Канцерогенность хлороформа была подтверждена исследованиями отечественных ученых и специалистов зарубежных стран (США, Япония, Финляндия и др.). Согласно российским Гигиеническим нормативам, хлороформ и бромдихлорметан отнесены к группе канцерогенов с классом опасности — 1 (чрезвычайно опасные) по санитарно-токсикологическому признаку (ГН 2.1.5.2280-07).

Еще одним отрицательным фактором применения жидкого хлора для обеззараживания питьевой воды является необходимость  проведения комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на повышение промышленной безопасности, защиту населения и территорий от последствий возникновения возможных аварий, террористических актов и пр. Объекты водопроводно-канализационного хозяйства, на которых осуществляется использование, транспортировка и хранение хлора, относятся к опасным производственным объектам. На данные объекты требуется разработка декларации промышленной безопасности, они должны быть укомплектованы оборудованием, внесенным в специальный реестр, что влечет большие финансовые затраты.

Первым шагом на пути к снижению негативного воздействия на здоровье человека токсичных хлорорганических соединений, образующихся в процессе обеззараживания воды, был отказ от предварительного хлорирования воды и внедрение на ВОС № 3 технологии УФ-обеззараживания. В 2002–2003 гг. на станции было установлено 8 установок УФО после 1-й ступени водоочистки. В результате удалось добиться снижения содержания хлороформа в питьевой воде на 25%, снижения расхода жидкого хлора на 40%. Однако, поскольку УФ-облучение не обладает пролонгирующим действием, данная технология не позволяла полностью отказаться от использования хлора в процессе водоподготовки и исключить образование побочных продуктов хлорирования, в том числе хлороформа.

Альтернативой применению жидкого хлора для обеззараживания питьевой воды традиционно считалось использование производных хлора [гипохлорит натрия или диоксид хлора (готовые продукты или производимые на месте)], а также озонирование.

Применение гипохлорита натрия для обеззараживания воды полностью не исключает возможности образования хлорорганических соединений в процессе водоподготовки. Кроме того, данный реагент обладает высокой коррозионной активностью. Образующиеся в результате обеззараживания воды гипохлоритом натрия хлорамины также негативно влияют на здоровье человека. При этом гипохлорит натрия и хлорамины обладают значительно меньшим обеззараживающим действием по сравнению с другими хлорсодержащими реагентами.

Диоксид хлора обладает рядом преимуществ по сравнению с гипохлоритом: более высокое бактерицидное и дезодорирующее действие, отсутствие в продуктах обработки хлорорганических соединений, улучшение органолептических качеств воды. Однако в процессе обеззараживания воды диоксидом хлора также образуются побочные продукты: хлориты и хлораты — соединения, оказывающие негативное влияние на репродуктивную функцию, обладающие эмбриотоксическим действием, угнетающие образование гормонов щитовидной железы, повреждающие эритроциты и снижающие уровень гемоглобина.

В свою очередь, существенным недостатком метода обеззараживания воды озоном является образование так называемых побочных продуктов озонолиза, включающих: альдегиды, кетоны, органические кислоты, бромсодержащие тригалометаны (включая бромоформ), броматы (в присутствии бромидов), пероксиды, бромуксусную кислоту, которые являются высокотоксичными соединениями, канцерогенами. В связи с этим существует необходимость использования сорбционных угольных фильтров для удаления образующихся побочных продуктов — технология «озоносорбции». Кроме того, озонирование не обеспечивает остаточного дезинфицирующего действия.

Понимая негативные последствия вышеперечисленных методов обеззараживания воды, научное сообщество, включая санитарных врачей и химиков, активно проводило работы по поиску альтернативных реагентов, способных, с одной стороны, эффективно обеззараживать воду в процессе водоподготовки, а с другой — избежать образования высокотоксичных соединений, негативно влияющих на здоровье человека и окружающую среду. В результате группой отечественных разработчиков при активном участии специалистов НИИ им. А. Н. Сысина было предложено использование для обеззараживания питьевой воды дезинфицирующих средств нового поколения — «Дезавид-концентрата» и «Дефлока».  Основным компонентом данных дезинфицирующих средств является полигексаметиленгуанидин гидрохлорид (ПГМГ-ГХ) — синтетический бактерицидный полиэлектролит на основе гуанидиновых соединений. Указанные дезинфицирующие средства обладают бактерицидным и вирулицидным действием в отношении санитарно-показательных и условно-патогенных микроорганизмов, обеспечивая при этом пролонгирующий обеззараживающий эффект. Данные средства, по существу, следует рассматривать как   реагенты двойного действия, которые, с одной стороны, являются дезинфектантом, а с другой — катионным флокулянтом. Они относятся к 4-му классу малоопасных веществ по степени воздействия на организм, и при их применении не требуется разработка специальных мероприятий при хранении, приготовлении и дозировании рабочих растворов.

Оборудование блока сорбиционной обработки воды

Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор) данные средства были зарегистрированы в качестве дезинфицирующих средств для обеззараживания питьевой воды в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения. Свидетельства о государственной регистрации средств «Дезавид-концентрат» и «Дефлок» были подписаны руководителем Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации Г. Г. Онищенко.

В конце 2010 года в соответствии с разрешительной документацией Роспотребнадзора предприятие МУП «Водоканал» начало применять на водоочистной станции № 3 новую, бесхлорную технологию с применением средств «Дезавид-концентрат» или «ДеФлок».

Схема узла приготовления и дозирования рабочего раствора очень проста и малозатратна. Для этого применяются кубовые емкости из полиэтилена и насосы-дозаторы для каждой точки дозирования. Одним из условий эффективной работы средств «Дезавид-концентрат» и «ДеФлок» является соблюдение времени контакта с реагентами — не менее 3–5 часов, что позволяет обеспечить существующая двухступенчатая технологическая схема очистки воды с использованием осветлителей-рециркуляторов. Кроме того, необходимо выдерживание строгих норм по качеству после 1-й ступени очистки: цветность — не более 15 градусов, мутность — не более 1,5 мг/дм³. В процессе работы была определена оптимальная схема ввода реагента. При введении средства в трубопровод речной воды перед осветлителями-рециркуляторами оно выполняет свою основную функцию по обеззараживанию воды, а также улучшает процесс коагуляции, поскольку сочетает в себе свойства дезинфектатнта и флокулянта. Введение реагента перед скорыми фильтрами позволяет обеспечить требуемое санитарное состояние песчаной загрузки, что особенно актуально при повышении температуры воды и увеличении содержания фитопланктона. Ввод реагента перед подачей в разводящую сеть (в трубопровод подачи в РЧВ) позволяет гарантировать качество воды по микробиологическим показателям при транспортировке по городской трубопроводной системе протяженностью около 500 км. Количество точек ввода выбирается в зависимости от сезона года и бактериального состояния водоисточника. Диапазон рабочих доз варьирует в пределах 0,06–0,18 мг/дм³ (по ПГМГ-ГХ). При этом остаточное содержание дезинфектанта (ПГМГ-ГХ) в питьевой воде на выходе в разводящую сеть города не превышает установленного значения ПДК — 0,1 мг/дм³.

Внедрение бесхлорной технологии водоподготовки с использованием дезинфицирующих средств на основе ПГМГ-ГХ позволило значительно снизить содержание хлороформа в питьевой воде, подаваемой в разводящую сеть города. В 2014 году среднее значение концентрации хлороформа составило 0,009 мг/дм³ (9 мкг/дм³). Это в 7 раз ниже действующего в настоящее время ПДК по ГН 2.1.5.2280-07, в 12 раз ниже по сравнению с показателями в 2010 году и в 20 раз ниже по сравнению с 2004 годом.

При использовании данной технологии питьевая вода на выходе с водоочистной станции и по разводящей сети города по микробиологическим и паразитологическим показателям полностью удовлетворяет требованиям действующих нормативов.

Установка УФ-обеззараживания

По данным Роспотребнадзора по Вологодской области в 2013 году были зафиксированы случаи заболевания энтеровирусной инфекцией в г. Вологда, Междуреченском, Вологодском, Грязовецком, Сямженском и Великоустюгском районах. Для данного заболевания характерна летне-осенняя сезонность. Одним из путей передачи инфекции является использование некачественной питьевой воды (по информации с официального сайта Управления Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Вологодской области http://35.rospotrebnadzor.ru). В городе Череповце случаев заболевания за этот период не выявлено. Это также подтверждает эффективность работы современной технологии подготовки воды, а также высокое качество контроля питьевой воды по всем этапам приготовления и транспортировки.

В результате применения реагентов «Дезавид-концентрат» или «ДеФлок» было отмечено их положительное влияние на качество питьевой воды в самых удаленных (тупиковых) точках разводящей сети, особенно по таким показателям, как цветность, мутность, железо.

В г. Череповце наиболее проблемным с точки зрения коррозии трубопроводов является Зашекснинский район. Это связано с тем, что подача воды осуществляется по существующим водоводам диаметром 800–1000 мм протяженностью 7–8 км (при этом потребляемый объем не превышает 15 000 м³/сут), что приводит к застою воды в трубопроводах и ухудшению ее качества. С переходом на использование реагентов нового поколения в течение 2–3 лет нормализовалось содержание железа в питьевой воде данного района. В летний период его концентрация не превышает 0,15 мг/дм³, в зимний — 0,10 мг/дм³.

Следует отметить, что в процессе работы по новой технологии выявилось следующее: в летний период при ухудшении качества речной воды по микробиологическим показателям и многократном увеличении содержания в ней фитопланктона требуется введение повышенных доз «ДеФлока», которые не всегда обеспечивают требуемый эффект. В связи с этим в технологическую схему в качестве реагента для первичного обеззараживания вводится гипохлорит натрия с преаммонизацией, а для поддержания требуемого санитарного состояния водопровода и создания пролонгированного обеззараживающего действия перед подачей в разводящую сеть вводится «ДеФлок». Период такого комбинированного режима обеззараживания длится не более 3–4 месяцев в году, причем расход гипохлорита натрия в 2–2,5 раза ниже по сравнению с традиционной схемой, включающей первичное и вторичное хлорирование.

Опыт применения дезинфицирующих средств нового поколения («Дезавид-концентрат», «ДеФлок») на водоочистной станции МУП «Водоканал» с 2011 года в сочетании с использованием технологических инноваций, включающих УФ-обеззараживание, сорбционную обработку воды порошкообразными активированными углями и микрофильтрацию, доказал эффективность и безопасность новой технологии водоподготовки.

Данная технология позволяет получать на водоочистных станциях МУП «Водоканал» качественную и безопасную по микробиологическим показателям питьевую воду, в полном соответствии с нормативами СанПиН 2.1.4.1074-01 и ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2280-07.

Сравнительный анализ затрат на обработку воды по традиционной схеме с использованием хлора или хлорсодержащих реагентов (гипохлорит натрия) c инновационной схемой (с применением средства «Дезавид-концентрат» или «Дефлок») показывает, что снижение затрат от применения новых реагентов для очистки и обеззараживания воды составляет от 17 до 22% (экономия на 1 куб. метр обработанной воды). Экономический эффект складывается из сокращения затрат на приобретение реагентов, обслуживание дозирующего оборудования и содержание хлорного хозяйства.

В заключение следует отметить, что, как любая альтернативная технология, пришедшая на смену традиционным, новая имеет как своих сторонников, так и противников. Результаты 4-летней практики применения дезинфицирующих средств на основе полигексаметиленгуанидин-гидрохлорида (ПГМГ-ГХ) на водоочистной станции МУП «Водоканал» свидетельствуют о том, что данный способ водоподготовки имеет больше преимуществ по сравнению с хлорными технологиями как в плане качества получаемой в результате питьевой воды, снижения канцерогенных рисков и повышении эпидемиологической безопасности при употреблении питьевой воды из поверхностных водоисточников, так и в отношении промышленной безопасности  работников предприятия и населения города. При этом является менее затратным по сравнению с традиционной схемой, благодаря чему тариф на 1 м³ питьевой воды, соответствующей требованиям  СанПиН и ГН, в г. Череповце составляет 14,67 руб. (с НДС) и остается одним из самых низких среди регионов Российской Федерации (см. таблицу).

Составляющие тарифа на питьевую воду в г. Череповце Вологодской области

Литература

1. ГН 2.1.5.1315-03 «ПДК химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».
2. СанПиН 2.1.4.-1074 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».
3. ГОСТ 12.1.007-76 «Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности».
4. Волков С. В., Костюченко С. В., Зайцева С. Г., Гильбух А. Я., Гречухин А. И., Петрова Н. Р., Кудрявцев Н. Н., Смирнов А. Д., Стрелков А. К., Малаханова Т. Б., Царева С. Б., «Эффективный метод обеззараживания воды — ультрафиолетовое излучение» // Журнал «Инновации. Технологии. Решения».
5. Экспертное заключение по результатам дезинфектологической экспертизы дезинфицирующего средства «Дезавид-концентрат» производства ООО «Компания «НПХ» (Россия) по результатам технологии фирмы ООО «Адекватные технологии» (Россия). № 11-5/455 от 06.07.2010 г.
6. Тульская Е.А., Жолдакова З.И., Синицина О.О., Мамонов Р.А. «Токсичность и эффективность «Дезавида» и его аналогов по сравнению с другими методами обеззараживания воды» // Водоснабжение и канализация № 5–6. 2013 г.
7. Воинцева И.И. «Полигексаметиленгуанидин-гидрохлорид для очистки и обеззараживания воды как альтернатива агентам-окислителям» // Вода: химия и экология № 7. Июль 2011 г.

Скачать статью в pdf-формате: Использование инновационных технологий в области водоподготовки на комплексе водоочистных сооружений МУП «Водоканал» г. Череповца