ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Донецький національний університет
НасонкІна Надія Геннадіївна
УДК 574, 628.1.
Підвищення екологічної безпеки систем питного водопостачання
21.06.01 – екологічна безпека
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Донецьк – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури.
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік ІАУ
КулІков Микола Іванович
Донбаська національна академія будівництва і архітектури, професор кафедри водопостачання, водовідведення та охорони водних ресурсів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Душкін Станіслав Станіславович
Харківська національна академія міського господарства,
завідувач кафедри водопостачання, водовідведення та очищення вод;
доктор технічних наук, професор
Висоцький Сергій Павлович
Донецький національний технічний університет, Автомобільно – дорожній інститут,
завідувач кафедри екології і безпеки життєдіяльності;
доктор технічних наук, професор
Пашковський Петро Семенович
Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи і пожежної безпеки,
перший заступник директора по науковій роботі.
Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Київ.
Захист відбудеться "25" травня 2006р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРД 11.051.09 при Донецькому національному університеті за адресою: 83050, м. Донецьк, пр. Театральний, 13.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького національного університету за адресою, 83055, м. Донецьк, вул. Університетська, 24.
Автореферат розіслано "21" квітня 2006р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
д.т.н., професор В.В. Білоусов
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Здоров'я людей є головним чинником національної безпеки України. Особливе місце в цьому аспекті належить безпеці питного водопостачання.
У 260 населених пунктах України питна води за окремими фізико-хімічними показниками (загальний солевміст, жорсткість, концентрація заліза, нітратів, аміаку, перманганатна окисність та ін.) не відповідає вимогам ДержСанПіН "Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання". Особливо несприятлива ситуація з якістю води склалася у Донецькій, Луганській, Хмельницькій, Запорізькій, Херсонській областях, де близько 14% від загальної добової подачі води не відповідає вимогам стандарту. Така ситуація призвела до того, що в Україні лише за 2005 рік було зареєстровано 8 спалахів інфекційних хвороб, які пов'язані із якістю питної води.
Деградація водних джерел, поява нових забруднюючих речовин, моральний і фізичний знос устаткування і мереж, вторинне забруднення води при її знезараженні і транспортуванні знижують екологічну безпеку систем водопостачання. Наприклад, за минулий рік у водні об'єкти лише Донецької області зі стічними водами підприємств надійшло 18,8 тис. т зважених речовин, 15,6 тис. т нітратів, 6,4 тис. т органічних речовин, 1,6 тис. т амонійного азоту та інших забруднювачів, видалення яких не є можливим на існуючих фільтрувальних станціях. Така тенденція є характерною не лише для Донбасу, але і для багатьох регіонів України та світу. Це обумовлює необхідність впровадження інноваційних технологій очищення води і способів управління системою водопостачання. Сучасні технології очищення води (мембранні, сорбційні, каталітичні та ін.) дозволяють очистити воду від будь-яких забруднень. Проте при застосуванні цих методів зростає вартість очищеної води і не завжди однозначні наслідки від її вживання. Додаткових досліджень вимагає оцінка якості води на виході з очисних споруд на основі врахування зміни складу води при її транспортуванні. Необхідна розробка оптимальної екологічно безпечної схеми питного водопостачання із урахуванням її екологічної безпеки. Це дозволить разом із дотриманням нормативних значень якості води прогнозувати ризик у системі водопостачання, щоб завчасно йому запобігати.
Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації, відповідаючи актуальним напрямам науково-технічної політики України у галузі водопостачання, розроблялася відповідно до загальнодержавної програми "Питна вода України" (постанова Кабінету Міністрів України № 2455-IV від 03.03.2005 р.). Основні дослідження теоретичного і прикладного характеру виконано в межах загальнодержавних програм: "Реформування і розвиток житлово-комунального господарства на 2004-2010 роки" (постанова Кабінету Міністрів України № 1869-IV від 24.06.2004р.) і "Реформування та розвиток водопровідно-каналізаційного господарства Донецької області на 2005-2009 роки і період до 2015 року" (постанова Кабінету Міністрів України № 1731 від 23.12.2004р.). Частину дисертаційних досліджень виконано в рамках держбюджетної теми " Створення теоретичних та технологічних засад розробки систем автономного теплопостачання та заходів поліпшення якості води у споживачів " (0304U001447), а також при виконанні госптеми " Поліпшення забезпечення якісною питною водою населення в умовах міста Макіївки" (0102U002837), "Програми реформування і поліпшення водопостачання та водовідведення населених пунктів Донецької області на період 2003-2005 років з перспективою розвитку до 2010 р." (рішення сесії Донецької обласної ради від 04.03.2003р. № 4/7-173) і госпдоговірних робіт (ТЕРЗ 2004-1/1, ТЕРЗ 2005-1/1, ТЕРЗ 2005-1/4) у Донбаській національній академії будівництва і архітектури.
Метою дослідження є наукове визначення та обґрунтування комплексних оцінок екологічної безпеки, прогнозування впливу техногенних забруднень на людину і розробка устаткування, технологічних схем та раціональних засобів підвищення екологічної безпеки систем питного водопостачання, спрямованих на рішення важливої народногосподарської проблеми - підвищення якості питної води.
Завдання дослідження:
ь аналіз чинників, які негативно впливають на систему питного водопостачання, проведення їх комплексної екологічної оцінки і теоретичне обґрунтування шляхів зниження ризику в системі водопостачання;
ь обґрунтування і розробка засобів управління екологічною безпекою системи питного водопостачання та раціональних засобів інтенсифікації підтримки необхідної якості води у споживачів, розробка і реалізація методики управління якістю води та підвищення екологічної безпеки систем водопостачання;
ь експериментальне дослідження стану джерел водопостачання, тенденцій зміни їх якісних і кількісних характеристик, розробка методики комплексної оцінки джерел питного водопостачання;
ь оцінка екологічного ризику і безпеки роботи водопровідних очисних споруд, визначення ефективності затримання органічних речовин при застосуванні біологічних методів, підвищення екологічної безпеки за рахунок використання блоку попереднього очищення;
ь експериментальні дослідження існуючого стану систем подачі і розподілу води, встановлення чинників, що знижують надійність роботи водопровідних мереж, і закономірностей зміни якості води в процесі її транспортування;
ь експериментально-теоретичні дослідження по видаленню нітратів, заліза і солей із підземних вод, характеристик процесів очищення і виконання оцінки якості опрісненої води;
ь розробка конструкцій пристроїв і технологічних схем очищення води та її розподілу, встановлення в процесі натурних випробувань технологічних параметрів процесів очищення води у біореакторах, блоках попереднього очищення, напірному фільтрі для трубопроводів, мембранних установках, вузлі знезараження та у мінералізаторі;
ь техніко-економічне обґрунтування і розробка рекомендацій при впровадженні результатів досліджень у виробництво.
Об'єкт досліджень: екологічна безпека систем питного водопостачання міст.
Предмет досліджень: закономірності екологічної безпеки і технологічних процесів очищення води, системи подачі і розподілу води.
Методи досліджень. Дослідження виконано за допомогою математичного програмування, математичної статистики, методів кореляційного і регресивного аналізу, включаючи нелінійне багатофакторне моделювання.
У натурних дослідженнях використано мікропроцесорні пристрої збору, накопичення і передачі інформації, ультразвукові накладні витратоміри, хроматографи, фотоелектроколориметри, іономір, аналізатор нафтопродуктів, аквадистилятор, термостат та інші прилади й устаткування. Контроль за складом води здійснювався за допомогою стандартних методик.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
ь запропоновано науково - обґрунтовану модель оцінки екологічної безпеки систем питного водопостачання, яка включає чотири взаємозв'язані підсистеми "джерело", "очисні споруди", "водопровідну мережу" і "вузол розбору води", а також методи підвищення безпеки. Розроблений алгоритм оцінки стану системи водопостачання дозволяє виявити лімітуючий показник шкідливості і визначити основний напрям для його поліпшення;
ь проведено експериментальні дослідження і теоретичну оцінку існуючого стану водних джерел, водопровідних очисних споруд, систем подачі і розподілу води із урахуванням реальних чинників експлуатації, зовнішніх навантажень і впливів, розроблено модель комплексної оцінки стану системи водопостачання і запропоновано заходи щодо її інтенсифікації;
ь доповнено теоретичні положення біологічного очищення природних вод від органічних сполук, що дозволило значно уточнити методи розрахунку та оптимізації конструктивних і технологічних параметрів споруд;
ь розроблено методику вибору комплексу очисних споруд із урахуванням можливості вторинного забруднення у системі подачі і розподілу води;
ь одержано експериментальні дані і розроблено методику розрахунку двоконтурної системи водопостачання із урахуванням екологічної безпеки системи;
ь запропоновано аналітичні рівняння зміни якості питної води із урахуванням тривалості її транспортування і матеріалу труб;
ь встановлено закономірності видалення нітратів за допомогою біологічних способів із урахуванням впливу загального солевмісту, терміну очищення та осадів, що утворюються під час обробки води;
ь встановлено закономірності процесів осадкоутворення при зворотньоосмотичній обробці природних вод, а також умови процесів мінералізації опрісненої води;
ь визначено закономірності зміни якості води при її транспортуванні (каламутність, концентрація заліза, тригалометанів) та обґрунтовано засоби підтримки якості води, згідно із ГОСТом у системі в цілому.
Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці нових і реконструкції існуючих систем питного водопостачання, які забезпечують екологічну безпеку, при мінімальних втратах продукту і витратах електроенергії. Результати досліджень включені до загальнодержавних програм "Реформування і розвиток житлово-комунального господарства", "Реформування та розвиток водопровідно-каналізаційного господарства Донецької області". Технічні рішення захищені авторськими свідоцтвами №№: 55924 А, 33909 А, 55923 А, 67933 А.
Реалізація результатів роботи:
1. Результати досліджень враховані при розробці державної програми "Вода Донбасу".
2. Розроблені методики, технології і конструкції впроваджені в КП "Макіївський міськводоканал", Донецький облводоканал, Укрпромводчормет (Україна), "Ростовагропромпроект", Сочинський водоканал (Росія).
Впровадження результатів роботи на різних етапах її виконання здійснене в ЦКДПІВЛ УкрПромводчормета, у містах Новоазовську, Шахтарську, Авдіївці, Макіївці, Урзуфі, с. Корсунь, с. Сєдове (Україна), м. Усть-Лабінське, м. Синявську (Росія).
Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі Донбаської національної академії будівництва і архітектури при підготовці фахівців за спеціальністю 7.092103 "Водопостачання, водовідведення і охорона водних ресурсів".
Особистий внесок автора. Усі основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. Автором особисто розроблено і виконано:
ь методику та алгоритм оцінки екологічної безпеки систем водопостачання і заходів щодо зниження рівня ризику при очищенні води із евтрофованих джерел (блок біологічного попереднього очищення, гідравлічний змішувач) та із підземних джерел (біореактори, блок механічного очищення, блок RO - системи, блок консервації води, мінералізатор);
ь конструкції установок (блок попереднього очищення, гідравлічний змішувач, фільтр для трубопроводів), технологічні схеми для очищення води із евтрофованих джерел, підземних джерел із високим солевмістом, концентрацією заліза, нітратів, а також установок для очищення води в реrіонах із підвищеною кількістю атмосферних опадів, двоконтурних систем водопостачання, в яких використовуються елементи децентралізації систем;
ь експериментальні установки для очищення природних вод в різних умовах;
ь експериментальні дані моніторингу систем водопостачання із виявленням чинників, що знижують екологічну безпеку системи (фізичних, хімічних, гідравлічних та експлуатаційних);
ь аналіз результатів, отриманих при біологічному очищенні води, із урахуванням біорезистентних органічних речовин, лімітуючого субстрату і терміну обробки;
ь аналіз даних про технічний стан трубопроводів, параметри їх експлуатації, зокрема вторинного забруднення води, одержано залежності щодо зміни якості води при її транспортуванні по зношених і нових трубопроводах;
ь отримання фільтрувального матеріалу для блоку попереднього очищення, для фільтра, який встановлено у трубопроводі, і мінералізатора;
ь конструктивні рішення при проведенні робіт, спрямованих на оптимізацію існуючих систем водопостачання із урахуванням їх екологічної безпеки.
Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва і архітектури (м. Харків, 1999 р., 2002-2003 рр.); реrіональній науково-практичній конференції "Стратегія управління соціально-економічним розвитком реrіону на період до 2010 року" (м. Донецьк, 1999 р.); конференції "Екологічна освіта і виховання: досвід і перспектива" (м. Київ, 2000 р.); щорічних науково-виробничих конференціях, присвячених дню водних ресурсів (м. Донецьк, 2000-2005 рр.); науковій конференції "Розвиток держави: духовність, екологія, економіка" (м. Київ, 2001 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Вода, екологія, суспільство" (м. Харків, 2002 р.), міжнародному симпозіумі "Экономические, правовые аспекты и новые технические решения в области очистки воды и обработки осадков" (м. Сочі, 2003 р.), конференції співробітників і викладачів Луганського національного аграрного університету (м. Луганськ, 2004 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Наука і освіта '2004" (м. Дніпропетровськ, 2004 р.), XXXII науково-технічній конференції Харківської національної академії міського господарства (м. Харків, 2004 р.), науково-практичній конференції "Безтраншейні технології прокладки трубопроводів" (м. Одеса, 2004 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Технологии очистки воды - ТЕХНОВОД – 2004" (м. Новочеркаськ, 2004 р.), 22 -ій міжнародній конференції NO DIG (м. Гамбург, 2004 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Водопостачання, водовідведення і охорона водних ресурсів" (м. Макіївка, 2005 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Вода-2005. Сучасні проблеми водопостачання і водовідведення" (м. Одеса, 2005 р.).
Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 45 робіт, зокрема монографія і 23 статті у виданнях, включених до переліку ВАК України, 4 навчальні посібники; 3 авторські свідоцтва Росії на винахід; 7 патентів України на винаходи, 12 статей – без співавторів.
Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 9 розділів, висновків, списку літератури з 411 найменувань і 11 додатків. Робота викладена на 276 сторінках основного тексту, включаючи 114 малюнків і 66 таблиць, всього 427 сторінок.
Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми, її наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, показано зв'язок із науковими програмами і планами. Наведено мету, завдання, характеристику об'єкта і предмета досліджень, сформульовано наукову і практичну цінність результатів роботи, надано інформацію про впровадження і апробацію результатів досліджень, особистий внесок автора, характеристику публікацій за темою дисертації, структуру та обсяг дисертації.
У першому розділі дисертації аналізується стан екологічної безпеки систем водопостачання.
Загальне забруднення водоймищ і наявність у них різноманітних хімічних сполук викликає зниження ефективності бар'єрної функції водоочисних систем. Найчастіше бар'єрна функція водоочисних споруд порушується у паводковий період, коли на них зростає навантаження.
Органічний склад природних вод формується за участю ґрунтового і торф'яного гумусу, планктону, вищої водної рослинності, тваринних організмів, а також органічних речовин, які вносяться у водоймища внаслідок технічної діяльності людини. При розкладанні вищої водної рослинності у воду потрапляють вуглеводи, органічні кислоти, дубильні речовини, лігнін, геміцелюлоза, смоли. В процесі життєдіяльності водоростей у воді з'являються ефірні масла, вуглеводи, амінокислоти, граничні жирні кислоти, ліпоїди, щавлева, лимонна, винна та бурштинова кислоти, альдегіди. Планктон, який розкладається, збагачує воду мінеральними сполуками, розчинними формами білка, дісахаридами, органічними кислотами, пектиновими речовинами. Присутність у воді цих сполук погіршує її органічні властивості – запах, присмак, кольоровість. До цього часу не знайдено досить ефективного та економічного засобу боротьби із евтрофуванням водоймищ. Найпоширенішим методом є їх захист від забруднення стічними водами і введення екологічних нормативів для джерел.
Слід зазначити, що традиційні технології водопідготовки не здатні забезпечити глибоке очищення води від органічних речовин. Близько 30% загального органічного вуглецю залишається після такої обробки у воді. Навіть за оптимальних умов проведення коагуляційних процесів із води вдається видалити не більш 40% біорозкладених органічних речовин.
Зниження екологічної безпеки спостерігається і при знезараженні води. Складність складу, наявність у воді органічних речовин, які реагують із хлором, є причиною утворення галогенованих побічних продуктів дезинфекції. При обробці питної води озоном утворюються негалогеновані побічні продукти, за винятком дибромацетонітрилу при підвищеному рівні брому у воді.
У воді після всіх стадій очищення може зберігатися високий вміст простих, діатомових і зелених водоростей. Підвищений вміст найпростіших, пов'язаний із вторинною контамінацією води джгутиковими та амебами. Результатами досліджень Alitchkow D., Bourbigot M., Clark T. та інших вчених зафіксовано хлоррезистентні форми бактерій, які знаходяться у воді і водорозподільних системах. Типовими представниками таких мікроорганізмів є псевдомонади, зокрема, умовно-патогенна синьогнійна паличка. Наявність у воді палички спричиняє в ослаблених осіб важкі і гнійні інфекції, що важко піддаються антибіотикотерапії, і зовнішні запальні процеси (отити, кон'юнктивіти).
Потрапляння мікроорганізмів у водопровідні мережі призводить до утворення біологічних обростань. Зважені у воді речовини, які потрапляють до водопровідних мереж разом із мікроорганізмами, осідають у трубопроводах унаслідок здатності біологічних обростань склеюватися. При цьому поступово утворюються змішані відкладення органічного і неорганічного походження, в яких оселяються мікроорганізми, що вільно живуть. Присутність біоплівок призводить до збільшення корозії і гідравлічного опору металевих трубопроводів. Біоплівки є однією з основних причин погіршення смаку, каламутності, кольоровості, запаху води, а також появи у питній воді патогенних мікроорганізмів. Слід зазначити, що існуючі методики розрахунку показників якості води у споживачів не враховують можливість зміни її при транспортуванні.
Вода підземних джерел є високоякісною в санітарно-бактеріологічному відношенні. Однак вона містить певну кількість непатогенних мікроорганізмів. Разом із бактеріологічною стабільністю спостерігається у підземних водах підвищений вміст загальної мінералізації, нітратів, заліза та інших речовин. Нітрати, які містяться у воді, впливають на організм людини специфічно, наприклад, при вмісті у воді 21 мгN/дм3 нітратів спостерігається онкологічне і серцево-судинне захворювання людей. Висока мінералізація води (понад 1г/дм3) призводить до нирковокам'яних хвороб. Наявність у підземних водах таких біогенних елементів, як вуглець, кисень, азот, сірка, фосфор, залізо, великого спектру мікроелементів, відсутність антагоністів, створює сприятливі умови для зростання і розмноження мікроорганізмів. Дані організми не є небезпечними для людини, проте вони виконують активну роль у погіршенні якості води за органолептичними показниками, прискорюють процеси корозії, утворюють обростання в трубах та устаткуванні.
Останнім часом в нашій країні і за кордоном здійснюються роботи, спрямовані на підвищення надійності та ефективності функціонування систем водопостачання. Цьому передували дослідження вітчизняних та зарубіжних дослідників і вчених: М.М. Абрамова, С.П. Висоцького, П.І. Гвоздяка, Л.І. Глоби, В.В. Гончарука, О.М. Грабовського, С.С. Душкіна, О.Г. Євдокимова, Л.А. Кульського, І.В. Кожинова, А.М. Курганова, Л.Ф. Мошніна, Г.І. Ніколадзе, В.О. Орлова, А.М. Тугая, В.А. Петросова, Б.Н. Фрога, П.Д. Хоружего, А.В. Яцика, В. Лоррі, Сусумой Кавамурой, Р. Ханом, Робертом Дж. Хебергом та ін.
Деякі вчені (А.В. Яцик, Сусума Кавамура, Henriet С. та інші) ставлять на порядок денний питання суворого контролю екологічного стану прісних водоймищ. Розв'язання цього питання ускладнюється тим, що якщо кількісний й якісний характер стаціонарних змін якості води у водоймищах в цілому вивчений і передбачений, то при випадкових викидах забруднень ситуація на водотоках може змінитися дуже різко і непередбачено. Поліпшити екологічну безпеку можна за рахунок розробки моделі прогнозування якості води, введення екологічних нормативів і заходів щодо зниження ризику.
Сучасна тенденція вдосконалення систем і споруд водопостачання обмежується адаптацією класичних схем обробки води без збитку для показників якості за рахунок введення нових споруд або реагентів (В.В. Гончарук, О.М. Грабовський, С.С. Душкін, Л.А. Кульський, В.О. Орлов, Б.Н. Фрог та інші). Ускладнення технології фізико-хімічної обробки води за рахунок збільшення доз використовуваних реагентів, застосування окислювачів, методів сорбційного очищення не завжди приводять до очікуваного ефекту. Використання підвищених доз реагентів і сорбентів збільшує кількість утворюваних осадів, підвищує солевміст очищеної води, створюючи при цьому проблему вторинного витягування цих солей. Крім того, в очищеній воді можуть залишатися практично всі низькомолекулярні сполуки.
Дотепер у зарубіжній і вітчизняній практиці знаходять застосування біологічні методи очищення (П.І. Гвоздяк, Л.І. Глоба, М.І. Куліков, П.Д. Хоружий, О.П. Оксиюк, Ф.П. Стольберг та інші). Застосування цих методів для очищення стічних вод є добре відомим і достатньою мірою розробленим. Для природних вод, з урахуванням їх особливостей (низькі концентрації органічних речовин, біогенних елементів та ін.), відсутня загальноприйнята технологія.
Для видалення різних інгредієнтів (солей, органічних речовин, важких металів та ін.) все частіше використовується нанофільтрація, ультрафільтрація і мембранні технології (С.П. Висоцький, І.Е. Апельцин, Ю.І. Дитнерський, U. Merten, К. Spigler, L.Dresner та інші). Це здорожує очищення, оскільки пов'язане із значними капіталовкладеннями на реконструкцію існуючих споруд або будівництво нових.
Для забезпечення населення доброякісною питною водою потрібний принципово новий підхід до вибору технологій і споруд на станціях водопідготовки із урахуванням їх екологічної безпеки.
Сучасні нормативи проектування і функціонування централізованого водопостачання мають охоплювати не лише технічні, екологічні та економічні чинники, але і включати оцінку ризику систем. Необхідно оцінювати ступінь ризику в системі водопостачання на кожному етапі. Знаючи ймовірність тієї або іншої події і доповнюючи її оцінкою потенційного збитку від виникнення цієї події, можна визначити ризик на кожній стадії (у джерелі, при водопідготовці і в системі подачі та розподілу води), розробити систему управління і заходи щодо зниження повного ризику в системі.
У другому розділі розглянуто теоретичні положення щодо розробки системної логіко-математичної моделі оцінки екологічної безпеки системи питного водопостачання і способів її підвищення.
Координуючим вектором системної моделі (рис. 1) є використання інтегральних показників стану елементів системи (водного джерела, водопровідних очисних споруд, систем подачі, розподілу води, локальних установок, встановлюваних безпосередньо у споживача). Ієрархічна структура класифікації моделі забезпечує оцінку загального стану системи і дозволяє зробити висновки про те, як зміна окремих показників підсистем впливає на стан всієї системи. Для проведення екологічної оцінки всі показники підрозділяються на групи з однаковими лімітуючими ознаками шкідливості.
Рис. 1. Структурна схема системної логіко-математичної моделі
Аналіз роботи систем водопостачання свідчить про те, що для поверхневих джерел лімітуючою є "токсикологічна" ознака шкідливості (перманганатна окисність, тригалометани, N-NO3), для підземних – "органолептична" (мінералізація, жорсткість, сульфати, хлориди, Fe). Показники, що входять в "токсикологічну" ознаку шкідливості, знаходяться в тісному взаємозв'язку між собою. Зниження в очищеній воді загального органічного вуглецю і перманганатної окисності дозволяє зменшити концентрацію тригалометанів у воді та одержати біостабільну воду. Отже, для зниження "токсикологічних" ознак шкідливості необхідно розглянути можливість попереднього очищення води від органічних речовин. 60-90% природних органічних речовин поверхневих і підземних вод не підлягають деструкції, решта – це біорозкладені органічні речовини. Проте, слід відзначити, що немає органічних сполук, які б не могли бути зруйновані мікроорганізмами. Тому більш коректно говорити про речовини, які важко піддаються біодеструкції. Крім того, можна припустити, що водні гумусні сполуки не можуть бути повністю стійкими до біорозкладання, оскільки вони синтезуються унаслідок біохімічних реакцій. Таким чином, найповільніший кругообіг органічних речовин відбувається за участю гумусу та інших, стійких до розкладання речовин.
Збільшення ефективності самоочищення можна досягти підвищенням концентрації біомаси в одиниці об'єму водотоку та іммобілізацією природних співтовариств гідробіонтів на носіях. Взаємодія розчинених органічних речовин з неорганічними частинками приводить не лише до адсорбції, але і до полімеризації органічних речовин. Відомо, що поверхні глинистих мінералів і силікату є ефективними агентами полімеризації для органічних мономерів, і, крім того, - каталізаторами. У зв'язку з цим вважається, що біохімічні сполуки конденсуються, а також хімічно змінюються унаслідок взаємодій органічних речовин на поверхні частинок. Ці хімічні зміни можуть бути сприятливими для перетворення біохімічно стійких субстратів в сполуки, які можуть засвоюватися водними мікроорганізмами.
Для видалення органічних речовин можна використовувати і мембранні технології. Застосування зворотньоосмотичних установок дозволяє знизити солевміст на 95%, а концентрацію органічних речовин на 68%.
Ефективність очищення залежить від проникності іонів через мембрани. Іони в залежності від порядку збільшення коефіцієнтів їх проникності можна розташувати в такий ряд: А13+<Zn2+<Cd2+<Mg2+<Са2+<Ва2+<S0<Na+<F-<К+<Cl-<Br- <J-<NO<H+, який майже повністю співпадає із рядом значень енергії гідратації цих же іонів. Виходячи з низької селективності мембран до групи азотів і заліза, перед подачею води на установку необхідно видалити заздалегідь ці іони біологічними методами.
При оцінці якості води на виході із очисних споруд має бути врахованою можливість вторинного забруднення води при її транспортуванні і розборі. Залежно від одержаної оцінки приймається рішення: збільшити міру очищення води на фільтрувальній станції або застосовувати децентралізовані системи водопостачання.
Для повної оцінки екологічної безпеки обраного способу пропонується враховувати можливість вторинного забруднення води в мережі та екологічний індекс забрудненості очищеної питної води Эk (2):
, (2)
де Ri – кратність перевищення ГДК, (); Сi, CГДК – концентрація i-го інгредієнта в очищеній воді; Ui – кратність повторюваності, ; NГДКi, Ni – кількість випадків перевищення і загальне число аналізів, відповідно.
У третьому розділі наведено характеристики об'єктів та обґрунтовані методи досліджень.
Дослідження кінетики та ефективності роботи об'єктів систем водопостачання здійснювалося у лабораторних, напівпромислових і промислових умовах. Протягом досліджень вивчалися системи питного водопостачання при заборі води із поверхневих і підземних джерел.
Продуктивність лабораторних установок складала - 510-3 м3/добу, напівпромислових – 48 м3/добу, промислових від 3 до 567000 м3/добу.
Лабораторні експерименти проводилися із модельними водами. Пілотні дослідження виконувалися на природній воді річок Сіверський Донець та Кубань, каптажів с. Корсунь, міст Новоазовська, Макіївки, Червоного Лиману, Сургута і с. Сєдове.
Контроль за складом води здійснювався за допомогою стандартних методик.
Результати екологічних досліджень джерел водопостачання розглянуто у четвертому розділі.
75% населення України використовує воду із поверхневих джерел. Як приклад розглядається р. Сіверський Донець, що є одним із найскладніших об'єктів. Вихідним матеріалом для аналізу стану води слугували дані багаторічних спостережень за якістю річкової води. Шляхом багатофакторного статистичного аналізу встановлено, що в системі порушений біотичний баланс (рис. 2).
Рис. 2. Зміна екологічного стану
Як випливає із рисунка 2, спостерігається поступове евтрофірування джерела. Евтрофірування призводить, у свою чергу, до "цвітіння" водотоків. Інтенсивне цвітіння синьо-зелених водоростей в річці і водоймищах супроводжується паралельними (частіше негативними) процесами. При цьому знижується киснева продуктивність клітин, посилюються процеси розкладу із участю кисню, у воді накопичуються органічні речовини і продукти їх розпаду. Синьо-зелені водорості продукують речовини, що інгібірують зростання інших представників альгофлори. Водорості також підлуговують воду, що створює сприятливі умови для розвитку патогенної мікрофлори.
Для поліпшення стану природних джерел необхідно вводити для стічних вод, що скидаються, екологічно допустимі концентрації (далі ЕДК). У таблиці 1 наведені ЕДК забруднюючих речовин для р. Сіверський Донець.
Таблиця 1.
ЕДК забруднюючих речовин
Дані, наведені в таблиці 1, показують, що необхідно посилити контроль над вмістом азоту і фосфору в очищених стічних водах, які надходять до поверхневого джерела, і створити модель прогнозу зміни якості води для підвищення безпеки роботи очисних споруд.
Високі значення каламутності і кількості фітопланктону мають малу повторюваність порівнянно із значеннями вірогідності (рис. 3).
Рис. 3. Гістограма розподілу (Р):
а) середньодобових значень каламутності (М), б) середньодобової чисельності фітопланктону (Сфіт)
Проте ними не можна нехтувати, оскільки вони відображають зростання показників при паводках. Слід зазначити, що в умовах "зарегулювання" стоку масштаби продукування синьо-зелених водоростей зростають.
За густиною розподілу показників якості води складається прогноз появи несприятливих подій і проводиться оцінка нормативу якості води в джерелі.
Альтернативним джерелом водопостачання є підземні води. Вони характеризуються більшою захищеністю від антропогенного впливу, але мають підвищену мінералізацію, високу жорсткість, підвищені концентрації заліза, нітратів і нітриту. У малих містах і селищах загальний дефіцит якісної питної води складає приблизно 66 % від потреби. Ситуація, яка склалася, вимагає розробки технологій і систем водопостачання для очищення вод від нітратів, заліза і солей.
У п'ятому розділі розглянуто основні результати експериментальних досліджень очищення природних вод від органічних сполук, групи нітратів і солей.
Дослідження із видалення органічних сполук і групи азотів здійснюються у лабораторному і промисловому біореакторах. Як завантаження прийнятий модифікований волоконний наповнювач.
Встановлено, що для очищення води від амонію, нітриту і нітратів до рівня гранично допустимих концентрацій (далі ГДК) необхідно забезпечити перебування води в біореакторі на рівні 4 годин. Залишкові концентрації по перманганатній окисності дорівнюють 5 мгО2/дм3. Що дозволяє припустити, що у складі очищеної води певна частина субстратів не розкладається або ж розкладання складного субстрату відбувається лише до певного ступеня. Тоді очевидно, що концентрація нерозкладаних речовин (в середньому складає 33%) буде пропорційною початковій концентрації L0.
Зміну БПК води в біореакторі наведено на рис. 4.
Рис. 4. Зміна концентрації БПК при обробці води у біореакторі
(де q – швидкість споживання субстрату одиницею біомаси, - константа для біоплівки, L0 – початкова концентрація забруднень, Le – кінцева концентрація забруднень, max – максимальна питома швидкість вилучення забруднень, - питома швидкість обростання, - критерій ступеня очищення, KL – константа напівнасичення, - відносне відхилення)
Враховуючи наявність у воді речовин, які важко розкладаються, і необхідність зниження дози первинного хлору, блок біореактора доповнений біоадсорбером. Для фільтруючого завантаження біоадсорберу прийняті каталізатор марки АК-72, цеоліт, шунгіт та інші мінерали. Криві знезараження для води із різним солевмістом надано на рисунку 5.
Рис. 5. Залежність знезаражувальної активності адсорбентів – каталізаторів (по колі-індексу) від швидкості фільтрації
(при солевмісті до 300мг/дм3 - );
(при солевмісті понад 600мг/дм3 - ).
Для попереднього очищення природних вод необхідний пристрій у водотоці блока попереднього очищення. До складу блока входять секція біореактора із аеробною і мікроаеробною зонами і біоадсорбер.
Стійкий ефект очищення води відмічено за всіма фізико-хімічними показниками через 2 тижні після початку роботи двоступінчастої установки.
Найефективніше звільнення води від бактерій відбувається в біореакторі із обростанням, що розвивається. Максимальний ефект спостерігається при терміні перебування води - 5 годин (рис. 6). Подальше збільшення тривалості очищення не надає істотного підвищення ефективності очищення.
Рис. 6. Залежність залишкових концентрацій БПК (L) від терміну перебування води у біореакторі (t)
Після блока біологічної обробки води подальше очищення її можливе за традиційною схемою (фізико-хімічне очищення). Результати щодо попереднього очищення в блоці біореакторів наведено в таблиці 2.
Таблиця 2.
Показники якості води, яка пройшла очищення у біореакторі
Розвиток технологій застосування хімічних реагентів для очищення води обумовлює нові вимоги і до змішувачів. Одним із способів інтенсифікації і поліпшення процесу коагуляції в гідравлічних змішувачах може бути застосування завіхрювача потоку. Змішувач має неметалічний корпус, усередині якого знаходиться турбулізуюча вставка.
Випробування щодо очищення підземних вод від нітратів здійснювалися у лабораторному і пілотному біореакторі. Максимальний ефект очищення досягається при терміні перебування – 3 години. Подальше збільшення тривалості очищення приводить до зростання нітриту, який є токсичним для людини.
Встановлено, що швидкість видалення нітрату у одиниці об'єму залежно від його концентрації на даній ділянці визначається рівнянням:, де - швидкість видалення нітрату у одиниці об'єму, - питома об'ємна константа швидкості реакції з порядком Ѕ для нітрату, - концентрація нітратного азоту.
Кінетика швидкості видалення нітратів у пілотному біореакторі наведена на рисунку 7.
Рис.7. Залежність швидкості видалення нітрату (rV) від його концентрації на заданій ділянці (S)
Одержані дані свідчать про необхідність введення стадії преденітрифікації.
У розділі розглянуто також можливості зниження концентрації солей за допомогою зворотньоосмотичних установок. Вітчизняний і зарубіжний досвід показав, що на тривалість і надійність роботи мембран великий вплив має процес осадкоутворення. Забруднення мембрани зворотньоосмотичних модулів обумовлене підвищенням рН у контурі розсолу внаслідок перенесення через мембрани вугільної кислоти СО2 і зрушення карбонат кальцієвої рівноваги в системі Са(НСО3)2-СО2 + Н2О + СаСОз направо. Це супроводжується сорбцією карбонату кальцію на мембранах. Перехід у перміат вугільної кислоти підвищує значення рН у контурі розсолу, що призводить до випадання із розчину на поверхні мембран гідроокисних сполук металів Fe(ОН)3, А1(ОН)3, Мn(ОН)2 та ін. Аналіз відкладень показав, що, не дивлячись на різний склад вихідної води, характер утворюваних відкладень практично той самий: через 200 годин роботи мембран відкладення мають дрібнозернисту текстуру із діаметром пір 0,08—0,16 мкм, а також окремі крупні пори (“кратери”) — діаметром 0,32—0,36 мкм. З часом “кратери” заростають, і через місяць роботи на поверхні мембран утворюється дрібнозерниста маса, пронизана порами діаметром 0,08— 0,12 мкм. Описаний процес заростання пір добре пояснює поступовий характер зміни водопроникності і селективності мембран.
При концентрації заліза 3—5 мг/дм3 осад на мембрані утворюється достатньо швидко, що призводить до збільшення солевмісту у фільтраті і зменшенню продуктивності мембран. Встановлено, що при збільшенні концентрації заліза від 5 до 80 мг/дм3 інтенсивність утворення осаду практично залишається постійною.
Зниження надійності мембран спостерігається внаслідок осадкоутворення, розвиненняя мікроорганізмів і за рахунок низького вмісту солей в перміаті. Для зниження ризику запропоновано конструкції блоків попереднього очищення вихідної води і мінералізаторів, чи застосування ньютролайзерів.
Для оцінки необхідного ступеня очищення води необхідно проаналізувати можливість вторинного забруднення води в системах подачі і розподілу води.
У шостому розділі розглянуто методологію моніторингу систем подачі і розподілу води та оцінено зниження екологічної безпеки системи питного водопостачання.
Дані за попередні 5 років свідчать про зміну якості води при транспортуванні через низькі швидкості руху її і попадання продуктів корозії до питної води (рис. 8).
Рис. 8. Залежність концентрації заліза (СFe) від відстані між очисними спорудами і споживачем (L)
На підставі обробки натурних даних встановлено, що швидкість зміни складу води в мережі визначається рівнянням (3):
, (3)
де ? - швидкість зміни концентрації речовини в основному потоці, мг/(дм3годину); С – концентрація речовини в основному потоці, мг/дм3; RH – гідравлічний радіус труби, м; CW – концентрація речовини біля стінки, мг/дм3.
Зміна концентрації заліза в сталевих і чавунних трубах викликає підвищення каламутності, солевмісту і кольоровості. Водночас спостерігається зниження концентрації розчиненого кисню і вуглекислоти. Аналогічна ситуація спостерігається і при подачі води із підземних джерел.
У послідовних витках мережі густина фіксованих на стінках бактерій зростає вельми трохи, а на останніх (навіть у деяких випадках) зменшується. Очевидно, зниження ступеня зростання бактерій є результатом обмеженої кількості живильних речовин.
Підтримка в мережі необхідного санітарного стану забезпечується за рахунок концентрації залишкового хлору. Проте присутність залишкового хлору може призводити до додаткового утворення побічних хлорорганічних продуктів, основну частину яких складають тригалометани (далі ТГМ). Процес утворення ТГМ протікає в середньому від 5 до 32 годин (залежно від довжини міста). Одержані дані наведено на рисунку 9.
Рис. 9. Залежність змісту тригалометанів (СТГМ) від тривалості контакту води з хлором (t) при транспортуванні
Слід зазначити, що у системах подачі і розподілу води спостерігаються коливання концентрацій ТГМ протягом року. При температурі води нижче 6С зміст тригалометанів не перевищує в більшості випадків нормативів. Отже, простежується пряма залежність утворення канцерогенів від температури (рис.10).
Рис. 10. Залежність змісту тригалометанів від
1 – кольоровості (), 2 – температури (), 3 – перманганатної окисності ()
Використовуючи критерій вірогідності відмови для точок відбору проб, можна прогнозувати найвужчі місця у роботі водопровідної мережі.
Ускладнює експлуатацію і стан трубопроводів. Зношеність комунікацій у багатьох містах України призводить до їх підвищеної аварійності і великих втрат води, забруднення трубопроводів мікроорганізмами, шкідливими речовинами і загрозою зупинки тих або інших підприємств.
Оцінка за критерієм вірогідності виникнення відмови для трубопроводів здійснюється як парціальна (за кожним із аналізованих показників якості), так і інтегральна (за всім комплексом показників якості води).
Ситуація, що склалася у системах зі зношеними трубопроводами, зводить нанівець всі зусилля, витрачені в попередніх ланках. Спостерігаються зміни якості води і при транспортуванні по нових трубопроводах. Все це визначає розробку алгоритму підбору головних елементів системи водопостачання, із урахуванням можливості екологічного ризику.
У сьомому розділі розглянутий алгоритм підбору екологічно безпечної системи водопостачання і технічні рішення щодо інтенсифікації її роботи.
Комплекс програми "Система питного водопостачання" призначений для ухвалення рішень щодо поліпшення екологічного стану систем питного водопостачання (рис. 11). Загалом вся система блоків програми дозволяє визначити комплекс основних заходів щодо підвищення екологічної безпеки системи питного водопостачання.
Рис. 11. Схема підбору системи водопостачання із урахуванням екологічної безпеки
Блоки згруповані за призначенням (рис. 11): оцінка стану джерела і вибір споруд попереднього очищення природної води; підбір основних споруд водопровідної станції, виходячи із забезпечення якості води відповідно до ГОСТ 2874-82; аналіз зміни якості води при її транспортуванні і перерахунок критеріїв показників на виході з очисних споруд, з урахуванням забезпечення необхідної якості води у споживача; економічна та екологічна оцінка остаточного вибору споруд і системи питного водопостачання (централізована, децентралізована, з елементами децентралізації, з пристроєм очисних установок на мережі або у споживача).
Реалізацію комплексу програми здійснено для операційної системи MS DOS для ПЕВМ. Відображення результатів моделювання дозволяє здійснити аналіз та ухвалити рішення щодо інтенсифікації системи екологічної безпеки.
Для підвищення екологічної безпеки роботи фільтрувальних станцій пропонується використовувати комбіновані технології очищення води, які включають блок попереднього біологічного очищення і блок основних споруд. Принципову схему наведено на рисунку 12.
Рис. 12. Комбінована схема очищення поверхневої води з евтрофованого джерела
1 – подача вихідної води, 2 – приймальна камера, 3 – блок біологічного очищення, 4 – фільтр адсорбер, 5 – змішувачі (гідравлічний, вертикальний), 6 – повітродувка, 7 – подача реагентів (коагулянту, флокулянту, хлору), 8 – швидкий фільтр, 9 –фільтр із каталітичним завантаженням, 10 – подача хлорреагенту, 11 – резервуар чистої води, 12 – подача води на промивання фільтрів, 13 – промивний насос, 14 – насосна станція другого підйому, 15 – подача очищеної води споживачу
Блок біологічного очищення та адсорбер можуть виконуватися у вигляді споруди, що стоїть окремо або розташовується безпосередньо у водоймищі (рисунок 13).
Рис.13. Конструкція блоку попереднього очищення
1 - корпус; 2 - верхній відсік; 3 - відсік біологічного очищення, 4 - насадка у вигляді
