Экология
/2 – Экологические и метеорологические проблемы
К.т.н. Игнатьев В.М., Игнатьев
М.В.
Южно-Российский
государственный политехнический университет, Россия
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ
ВОДЫ
Большинство систем водоснабжения
используют крайне опасный жидкий хлор, сотнями тонн хранящийся на складах. Проблема
безопасности функционирования систем водоснабжения населенных пунктов является
актуальной [1]. Выход из строя систем водоснабжения, усиливает последствия
происшедших чрезвычайных ситуаций. Рассмотрим повышение эффективности и
экологической безопасности технологий подготовки воды, использующих
хлорсодержащие окислители и ультрафиолетовые лучи (УФ), путем сочетания с
бактерицидными препаратами различной природы, что обеспечивает улучшения
показателей в условиях чрезвычайных ситуаций, водоснабжения пострадавшего
населения и на территориях со сложной экологической обстановкой. Для достижения
этого вопроса необходимо решать следующие задачи [2]:
-
оценить
целесообразность применения технологий, содержащих хлор при получении воды,
предназначенной для населения, проживающего в районах со сложной экологической
обстановкой;
-
исследовать
комбинированное воздействие УФ-облучение и ионы некоторых металлов на кинетику
отмирания санитарно-показательных микроорганизмов Е.coli;
-
исходя из
требований охраны среды обитания, ресурсо- и энергоснабжения, разработать
технологию химико-биоцидной обработки воды, сочетающую хлорсодержащие
окислители дезинфектанты с УФ-облучением и ионами меди с концентрацией ниже предельно-допустимой
коцентрации (ПДК);
-
с позиций
повышения экологической безопасности и ресурсосбережения усовершенствовать
технологии химико-биоцидной обработки воды, применяемые в условиях полевого
водоснабжения;
-
разработать
технологические рекомендации и обосновать экологически приемлемое направление
использования войсковых фильтрационных станций для водоснабжения малых населенных
пунктов.
Необходимо констатировать что:
-
подтверждается
возможность минимизации количества хлорсодержащих препаратов в качестве
финишных дезинфектантов путем сочетания их с ионами меди и цинка, взятыми в ПДК;
-
обоснование
перспективности сочетания УФ-облучения и водорастворимых солей меди, что
позволяет повысить эффективность биоцидной обработки природной воды и уменьшить
дозу УФ;
-
предложение
использовать катализаторы химической природы для улучшения
санитарно-гигиенических свойств комбинации ультрафиолета и пероксида водорода;
-
обоснование
с эколого-экономических позиций направления модернизации установок
водоснабжения, позволяющего более эффективно использовать последние для
водообеспечения населения.
Эколого-экономическая
оценка технологий обеззараживания природной воды, использующих хлорсодержащие
препараты и УФ-излучение, позволяет сделать следующие выводы:
1.
Высокие
бактерицидные свойства хлора и его соединений лидируют в системах
обеззараживания.
2.
Перспективны
сочетания дезинфектантов физической и химической природы.
3.
Исследованы
препараты ионной природы (Ag+, Cu2+, Zn2+) в сочетании с УФ-облучением. Как
следует из анализа экспериментальных данных процесса обеззараживания воды, ионы
цинка и особенно ионы меди проявляют заметную индивидуальную бактерицидную
активность: уже через 40 мин. экспозиции происходит снижение первоначального
числа бактерий на порядок. При этом в расчете на единицу массы дезинфектанта
медь превосходит цинк от 2,5 до 5 раз в зависимости от продолжительности
экспозиции. Изучение бактериостатических свойств ионов меди и цинка проводилось
при концентрациях 10-1¸1 ПДК, температурах 5 и 20 °С и N0= 104 кл. / см3.
Ионы меди и цинка в концентрациях ниже ПДК, в течение длительного времени (4 - 6 суток) препятствуют внешнему бактериальному загрязнению воды. По
бактериостатическому эффекту ионы меди и цинка превосходят хлор и особенно при
повышенных температурах. Ионы меди и цинка обладают преимуществом по
бактериостатическим свойствам перед ионами серебра при повышенных концентрациях
в воде хлорид-ионов.
В монографии [3]
доказана технико-экономическая и эколого-гигиеническая целесообразность
сочетания УФ-облучения и ионов серебра, взятых в концентрациях ниже
установленной для серебра ПДК. Учитывая дороговизну и дефицитность серебра необходимо
найти альтернативный бактерицид длительного действия. Комбинирование УФ-облучения
инфицированной (104 кл/л) воды с ионами меди или цинка, взятыми при
концентрациях 0,1 ПДК, увеличивает антибактериальную устойчивость обработанной.
В целях изучения совместного действия УФ-излучения и ионов меди была поставлена
серия опытов. Результаты исследований представлены в [7].
Анализ
результатов показывает, что при последовательной обработке воды УФ-лучами и
ионами меди достигается более глубокое обеззараживание, нежели при
индивидуальном их воздействии при меньших энергозатратах (на 10-15 %).
Аналогичный эффект обнаружен и при сочетании ультрафиолетового облучения с
ионами цинка. В результате экспериментов
установлено, что предварительное введение ионов в инфицированную воду позволяет
уменьшить дозы последующего УФ-облучения на 10-20 %. Последовательное
сочетание химического (Cu2+) и физического (УФ-лучи) обеззараживания может оказаться
целесообразным при большой протяженности водоводов. Полученные результаты (N0=108
кл/см3, t = 20 0С, СCu2+= 0,5мг/л), показывают, что введение ионов меди в воду, подвергаемую в
дальнейшем обработке УФ-лучами и пероксидом водорода (1 г/л),
сопровождается значительным повышением конечного уровня обеззараживания.
С целью объективного суждения о характере влияния физических и химических факторов на обеззараживание были
построены регрессионные зависимостей для процесса обеззараживания питьевой воды
[5]. Моделирование процесса обеззараживания
воды комбинированным воздействием ультрафиолета, пероксида водорода и ионов
меди или серебра позволило найти условия достижения заданной глубины
обеззараживания при концентрациях указанных ионов, не выходящих за пределы
установленных для них ПДК. К особенностям водоснабжения в районах возникновения
ЧС относятся следующие: необходимость организации работ в полевых условиях;
круглосуточная работа; полная автономность; отсутствие или разрушение централизованного
электроснабжения; необходимость получения воды питьевого качества из природной
воды. Разработаны рекомендации по усовершенствованию узла обеззараживания
станции СКО-1,5/08-1К посредством введения в воду ионов меди, цинка или серебра.
Станцию комплексной очистки со встроенным генератором бактерицидных ионов можно
использовать для водоснабжения населения. Выполнены расчеты электролизера и
показателей его работы, а также установки дозирования соответствующих солей.
При этом показано, что с позиций минимизации энергетических затрат
предпочтительной является использование схемы с дозированием бактерицидных
препаратов.
Рекомендованное усовершенствование станций комплексной очистки воды
серии СКО позволяет снизить (на 10 ÷ 20 %) энергозатраты на генерацию
ультрафиолета, повысить уровень обеззараживания воды, придать ей способность
длительно противостоять внешнему бактериальному загрязнению, исключить
необходимость применения хлора на заключительной стадии водоподготовки. Целесообразно
использования хранящихся на консервации мобильные фильтровальные станций
ВФС-2,5 (производительность – 2,5 м3/ч) после частичной их
модернизации для питьевого водоснабжения сельских населенных пунктов (особенно
фермерских хозяйств), в частности, отдаленных или труднодоступных, а также
населения территорий, подвергшихся воздействию ЧС.
Для станции ВФС-2,5
предлагается вводить бактерицидные ионы (меди или серебра) в воду, поступающую
на УФ-обработку, а также (или) в воду, отправляемую либо в резервуар для очищенной
воды, либо непосредственно в автоцистерны. Предлагаемое нами усовершенствование
ВФС-2,5 позволит: 1) увеличить глубину обеззараживания и обеспечить
обработанной воде длительную сохранность; 2) повысить ресурс работы станции в
автономном режиме.
Рассмотрена
целесообразность замены второй стадии хлорирования воды в централизованных
системах хозяйственно-питьевого водоснабжения на фотонно-ионное (УФ + Cu2+)
обеззараживание. В качестве альтернативного варианта предложена комбинация УФ +
ионы меди. При этом оценены 2 различные технологии получения указанных ионов:
1) растворением в воде медного купороса; 2) электролизом металлической меди.
Сравнение эффективности базового и альтернативного вариантов проведено по
приведенным затратам, включающим как текущие, так и инвестиционные затраты на
их реализацию.
Данные показывают,
что по приведенным затратам преимущество имеет вариант, включающий хлорирование
(1 стадия) и УФ-обработку в сочетании с введением ионов меди. Для большей
объективности выводов оценена величина экологического ущерба, наносимого
природной среде вторичным хлорированием и введением ионов меди. Экологический
ущерб от поступления хлора в природную среду составляет 23,051 млн руб. / год,
ионов меди (альтернативный бактерицид) – 0,241 млн руб. /г. [6]. Следовательно,
предотвращенный экологический ущерб может быть оценен суммой
22,81 млн руб. По настоящему исследованию можно сделать следующие выводы
1.
Проблема
обеспечения водой надлежащего качества жителей, будет способствовать дальнейшее
улучшение технико-экономических показателей существующих установок водоочистки.
2.
По
результатам сравнительного анализа установлено, что в отличие от
хлорсодержащих, бактериостатики ионной природы более эффективны при повышенных
температурах при концентрациях ниже ПДК. Наиболее выраженными бактериостатическими
свойствами в расчете обладают ионы серебра. Однако ионы меди и цинка обладают
преимуществом при обеззараживании природных вод с повышенным содержанием
хлорид- и сульфат-ионов. Определены границы применимости бактериостатиков
ионной природы для очистки природной воды различного химического состава.
3.
Установлено,
что одновременное воздействие на инфицированную воду УФ-лучей и ионов меди или
цинка, увеличивает глубину отмирания тест-микроорганизмов, антибактериальную
устойчивость воды и снижает энергозатраты. Аналогичный эффект достигается использовании
ионов меди с УФ-лучами.
4.
Введение
ионов меди или цинка в воду, подвергаемую в дальнейшем обработке УФ и пероксидом
водорода, способствует существенному углублению инактивации воды, что указывает
на катализирующее действие указанных ионов, проявляющееся при концентрациях
ниже ПДК.
5.
В
результате исследования установлено явление бактерицидного синергетического
эффекта, имеющего место при сочетании физического и химического воздействия,
позволяющего существенно (на 15-16 %) снижать дозу УФ-облучения для
достижения одной и той же глубины обеззараживания воды.
6.
Моделирование
процесса обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением, пероксидом водорода
и ионами меди позволило найти условия достижения максимальной глубины инактивации
воды при концентрациях ионов ниже ПДК. Установлена целесообразность замены
второй стадии обеззараживания воды хлором в системах централизованного
питьевого водоснабжения.
7.
Разработаны
рекомендации по модернизации станций комплексной очистки воды серии СКО,
основанных на применении на заключительной стадии фотонно-ионного обеззараживания
природной воды [7].
Литература:
1.
Игнатьев М.
В., Игнатьев В.М. Определение ущерба здоровью населения в результате террористического акта // Матер. конф.
«Севергеоэкотех-2013». – Ухта: УГТУ, 2013. – № 3. – C.145-147.
2.
Игнатьев М.В., Игнатьев В.М. Совершенствование
обеззараживания питьевой воды в сельской местности // Зб. праць «Автоматизацiя технологiчних об’eктiв та процесiв». – Донецьк: ДонНТУ, 2007. – С.253-255.
3.
Денисова И.А.,
Скрябин А.Ю., Фисенко Л.Н. и др. Активировнные технологии обеззараживании
питьевой воды. – Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2014. – 192 с.
4.
Дрововозова
Т.И. Игнатьев М.В., Гутенев В.В.,
Денисов В.В. Основы энергосберегающей технологии фотохимического
обеззараживания воды и напитков на ее основе. Монография. – Новочеркасск: НГМА, 2006. – 196 с.
5.
Игнатьев М.В.,
Игнатьев В.М. Регрессионные модели процессов обеззараживания питьевой воды /
Материалы конф. «Компьютерные и информационные технологии в науке,
инженерии и управлении» // Известия
ЮФУ. Технические науки. – Таганрог, 2010. – С.61-64.
6.
Игнатьев М.В. Применение катализаторов в ультрафиолетовой технологии
обеззараживания питьевой воды // Сб. статей «Гидротехническое строительство». –
Новочеркасск: НГМА, 2003. – Вып.1. – С.110-114.
7.
Игнатьев М.В. Выбор технологии водоподготовки в питьевом водоснабжении //
Сб. статей «Экономика и управление. Экономика России в переходный период:
проблемы и пути их решения». –
Новочеркасск: НГМА, 2003. – Вып. 1. – С.56-58.