В.А. Тумлерт, Ю.Я. Гранкин, Ж.М. Мусекенова

Казахский научно-исследовательский институт водного хозяйства

г. Тараз, Республика Казахстан

методы подготовки питьевой воды на системах сельскохозяйственного водоснабжения

К числу важнейших элементов охраны здоровья населения относится обеспечение его качественной питьевой водой. Качество же подаваемой потребителям воды зависит от многих факторов: стабильности работы водозаборных сооружений, технического состояния системы подачи и распределения воды, правильного выбора технологической схемы водоочистки, соблюдения режимов эксплуатации очистных сооружений и других составляющих системы водоснабжения.

Анализ патентного и литературного обзоров, проведенный за последние 5 лет, показывает, что основными методами улучшения качества воды для хозяйственно-питьевых целей являются: осветление, обесцвечивание, умягчение, фторирование, обесфторивание, опреснение, и обеззараживание. В таблице 1 приведена краткая характеристика основных методов улучшения качества воды, рекомендуемых для применения в технологических схемах водоснабжения сельских населенных пунктов с суточным водопотреблением до 1000 м³ и виды сооружений, на которых можно осуществить водоочистку данным методом. В регионах Казахстана водоснабжение более 90% сельских населенных пунктов (СНП) осуществляется из подземных источников (скважины, шахтные колодцы, каптаж родников) и лишь около 10% приходится на поверхностные воды.

Условия водоснабжения сельских поселков с малым суточным водопотреблением (до 1000 м³), отсутствие квалифицированных кадров, неравномерность подачи электроэнергии делает необходимым применение малогабаритных, малоэнергоемких и безреагентных технических средств подготовки воды.

Осветление и обесцвечивание. Технологический процесс осветления и обесцвечивания воды применяется в основном для поверхностных источников водоснабжения и заключается в удалении из исходной воды механических взвесей и коллоидных частиц. В зависимости от содержания взвешенных веществ и коллоидных примесей очистка воды может осуществляться как в две ступени (отстаивание и фильтрование), так и в одну (фильтрование). В некоторых случаях для интенсификации процесса возможно применение коагулянтов (сернокислый алюминий, хлорное железо). В результате коагулирования происходит хлопьеобразование, т.е. находящиеся в воде мелкие частицы объединяются в более крупные, способные выпадать в осадок. В условиях малого водопотребления для осветления и обесцвечивания целесообразно применять медленные фильтры, которые в полной мере отвечают всем требованиям, предъявляемым к технологическим схемам данной категории водопотребителей. В качестве загрузки для фильтров можно использовать местные фильтрующие материалы (коксующие шунгиты, цеолиты и т.д.), месторождения которых находятся на территории Казахстана. Фильтрующие материалы выпускаются ТОО «Шунгит» (месторождение Коксу).

Таблица 1 - Основные методы улучшения качества воды

Показатели качества воды	Методы физико-химической обработки	Виды сооружений и оборудования
Мутность	Коагулирование, обработка флокулянтами, отстаивание, фильтрование	Медленные фильтры, осветители, отстойники.
Привкусы, запахи.	Углевание, предварительное хлорирование с предаммонизацией, обработка перманганатом калия, озонирование.	Контактные резервуары, скорые фильтры, осветлители.
Бактериальное загрязнение.	Хлорирование, озонирование, УФ-обработка.	Непосредственно в РЧВ, в сеть через УФ-установки
Недостаток фтора (менее 0,5 мг/л)	Фторирование.	Перед РЧВ на фтотаторных установках.
Избыток фтора (более 1,5 мг/л).	Обесфторивание.	Перед РЧВ на фтотаторных установках.
Избыток железа.	Аэрация, хлорирование, подщелачивание, коагуляция, обработка перманганатом калия, катионирование.	Подача воздуха или коагулянта в фильтры.
Избыток солей жесткости.	Декарбонизация, известково-содовое умягчение, ионный обмен.	Дозаторы, H-Na катионитовые установки.
Общее солесодержание выше нормы.	Ионный обмен, электродиализ, дистилляция, гиперфильтрация и др.	Дозаторы, электродиализные установки.

В странах ближнего и дальнего зарубежья вопросам улучшения качества питьевой воды уделяется пристальное внимание. В частности учеными НИИ ВОДГЕО проведены обширные исследования эффективности использования новых сорбентов типа АГ-3, АГ-5, а также апробированы новые специфические материалы марок Norit, F, СККД. Перспективным и новым является технология биосорбционной доочистки поверхностных вод.

На водоочистных установках населенных пунктов со средним и малым водопотреблением успешно применяется водоочистная установка "Струя", предназначена для обработки воды из поверхностных источников с целью получения воды питьевого качества. Технологической схемой предусматривается коагулирование, осветление, фильтрование и обеззараживание воды. Установки выпускаются производительностью 100,200,400,800 м3/сутки. Требования к исходной воде: взвешенные вещества – 1000...2500 мг/л; цветность - неограниченная; фтор - до 5 мг/л; железо до 50 мг/л; жесткость до 15-20 мг-экв/л.

В целях более глубокой очистки воды, в том числе от органических веществ, целесообразно использование метода флотации с применением полиоксихлорида алюминия (ПОХА) в качестве коагулянта. Это приводит к увеличению производительности очистных сооружений почти на 30% и сокращению дозы коагулянта в 2-3 раза по сравнению с сульфатом алюминия. В среднем показатели качества очищенной воды улучшаются примерно на 40% по сравнению с методом отстаивания.

В настоящее время в Ростове (Россия) закончились работы по совместному применению ВПК-402 и минеральных железо- и алюминийсодержащих коагулянтов, проведенные Ростовским НИИ АКХ им. Памфилова . Впервые на «Азовводоканале» для очистки питьевой воды стал использоваться коагулянт оксихлорид алюминия, производимый в г. Азове. Это позволило улучшить качество подаваемой потребителю воды и значительно облегчило эксплуатацию сооружений, дозирование и введение коагулянта. Полиоксихлорид алюминия «АКВА-АУРАТ^ТМ30» в ходе экспериментальных исследований на водоочистных сооружениях глиноземного комбината г. Ачинска показал высокие коагулирующие свойства, сейчас он успешно применяется на практике (гг. Каменск, Шахты, Новочеркасск, Ачинск и другие). Кроме вышеназванных в процессе интенсификации водоочистки апробируются коагулянты СА, КФ, AVR, PAX ALG, флокулянты Praestol (фирмы «Шкокхаузен», Сайтек»).

Умягчение. Технологии очистки подземных вод отличаются от технологий очистки поверхностных вод большим разнообразием реализуемых в них физико-химических и биологических процессов. В последние годы дальнейшее развитие получило направление обезжелезивания и демарганации подземных вод методами фильтрования с предварительной аэрацией. Жесткость исходной воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Общая жесткость в воде хозяйственно-питьевого назначения должна быть не более 7,0 мг-экв/л. Существует достаточно много способов снижения жесткости, но в наших условиях предпочтительней следующие:

· для устранения карбонатной жесткости-декарбонизация известкованием;

· для устранения карбонатной и некарбонатной жесткости – известково-содовое умягчение, натрий-катионитовое умягчение.

Глубина умягчения известкованием определяется растворимостью карбоната кальция и гидроокиси магния. Практически вода, умягченная известковым или известково-содовым способом, имеет остаточную жесткость не менее 0,5-1,0 мг-экв/л. В результате обработки воды известью или известью с содой также происходит некоторое снижение солесодержания исходной воды.

Обессоливание. В процессе обессоливания из воды удаляются все растворимые в ней соли до солесодержания в зависимости от требований потребителей. Обессоливание воды может быть достигнуто несколькими методами: дистилляцией в испарителях - термический метод; ионным обменом – ионитовый метод, электродиализом – мембранный метод.

В течение ряда лет в КазНИИВХ проводились исследования по опреснению природных вод на электродиализных аппаратах, выпускавшихся промышленностью бывшего СССР и на передвижной опреснительной установке ПЭДУ-100 с электродиализными аппаратами Э.400.01. Электродиализный аппарат Э.400.01 оснащался мембранами нескольких модификаций и подвергался испытаниям на исходной соленой воде в различных регионах РК. Сейчас вопросами опреснения, умягчения и обеззараживания воды в Казахстане успешно занимается отечественная фирма «Эйкос», ТОО «Мембранные технологии АС», г. Алматы. А в России (г. Москва) учеными научно - исследовательских подразделений НИИ ВОДГЕО интенсивно развиваются методы кондиционирования воды, основанные на обратном осмосе, ультра- и нанофильтрации. Созданы и внедряются промышленные установки производительностью до 10-25 м³/ч).

Обезжелезивание и перманганация воды. Обезжелезивание воды производится при содержании в ней железа более 0,3 мг/л. Обезжелезивание подземных вод производят фильтрованием в сочетании с одним из способов предварительной обработки воды: упрощенной аэрацией с использованием специальных устройств и введением окислителей.

Процесс удаления марганца включает в себя перевод в труднорастворимые соединения специальными реагентами, отстаивание, фильтрование через песчаные фильтры. Толщина песка в этом случае должна быть не менее 1500 мм.

В настоящее время дальнейшее развитие получило направление обезжелезивания и перманганации подземных вод методами фильтрования с предварительной аэрацией. Существует унифицированная технология фирмы «Эйкос», которая в некоторых случаях позволяет в одном технологическом процессе избавляться от обоих загрязнителей.

К новым изучаемым методам очистки подземных вод, содержащих железо в трудноокисляемых формах с присутствием антропогенных примесей, относятся методы, основанные на комплексном использовании окислителей H₂O₂, KMnO₄, O₃ обезжелезивания воды в водоносном пласте, биологические методы с использованием биоценоза и новых конструкций биореакторов-фильтров с волокнисто-гранулированной загрузкой.

Особого внимания требует очистка воды от таких биологически активных компонентов, как бор, бром, йод, кремний. Известны следующие методы удаления из природных вод этих ингредиентов: соосаждение труднорастворимых, сорбция ионитами, селективными по отношению к извлекаемым соединениям, и неорганическим сорбентам, мембранные технологии. Но в связи с высокой стоимостью оборудования, трудоемкостью, а также сложностью в эксплуатации, использование их в технологических схемах при малом водопотреблении и отсутствии надлежащих финансовых средств внедрение их в сельских населенных пунктах весьма проблематично. В настоящее время специалистами НИИ ВОДГЕО разработана и внедряется в различных регионах комплексная технология очистки воды от присутствия в ней одновременно железа, марганца, брома, бора и нитратов , основанная на применении первой ступени биореакторов и гидроавтоматических фильтров с неоднородной загрузкой АФПЗ-4 (АФПЗ-1) и последующим фильтрованием через борселективные смолы S-108 и АВ-17-В и сорбционный материал в виде активированного угля АГ-3. В последние годы проведены комплексные исследования по разработке сорбционных методов извлечения из воды йода и брома. Предложен ряд модифицированных сорбентов: силикагель КСМ, оксид алюминия, тефлон, аниониты АВ-17 и АМП, волокнистые сорбенты ПАН-АВ-17. Однако пока данные методы находятся на стадии экспериментальных исследований и не могут быть применены при практической водоочистке. В качестве сорбентов все большую значимость приобретают гидроксиды металлов, среди который можно особо отметить гидроксид алюминия, получаемый в растворе при гидролизе сернокислого алюминия – коагулянта, широко применяемого в практике водоочистки. Окислительно-сорбционный метод, где окислителем является электролитический гипохлорит натрия, а сорбентом - гидроксид алюминия, позволяет достичь 100% степени удаления йода при одноступенчатой обработке воды, при трехступенчатой обработке воды концентрация брома снижается на 93-98%. В процессе очистки образуется осадок, содержащий извлеченные соединения брома и йода, который может быть утилизирован на предприятиях йодобромной промышленности.

Фторирование и обесфторивание воды. Фторирование воды, используемой для хозяйственно-питьевых нужд, необходимо производить в тех случаях, когда содержание фтора в воде источника водоснабжения составляет менее 0,5 мг/л. Ввод фторсодержащих реагентов надлежит осуществлять перед фильтрами и контактными осветлителями или после очистных сооружений перед обеззараживанием воды. Установка для фторирования обычно включает сооружения для приготовления раствора реагента, его дозирования и смешения с обрабатываемой водой. Для обесфторивания применяют несколько методов: метод ионного обмена с использованием анионитов, селективных фтору (активированная окись алюминия или гидроксилапатит); метод сорбции с использованием свежевыделенных осадков (гидроокись алюминия или магния). Обесфторивание воды осуществляется на напорных или открытых ионообменных фильтрах. Интенсификация методов обесфторивания воды осуществляется путем испытаний и внедрения процесса фильтрования через модифицированную растворами коагулянта инертную загрузку и загрузку из гранул оксида алюминия (Al₂O₃).

Обеззараживание. Обеззараживанию, как правило подвергается вода, уже прошедшая остальные стадии очистки. В некоторых случаях дезинфекция применяется как единственная самостоятельная мера очистки воды (при использовании подземных вод). Обеззараживание воды может быть осуществлено с помощью хлорирования, озонирования и бактерицидного облучения.

В технологических схемах для малого водопотребления используют хлорную известь в качестве дезинфицирующего средства. Мировая практика обеззараживания свидетельствует, что при хлорировании происходит негативное воздействие активного хлора на биоценоз водоема при поверхностном источнике водоснабжения и образование в процессе хлорирования токсичных хлорорганических соединений и хлораминов. В ряде случаев для достижения нормативных значений по микробиологическим показателям требуется поддержание повышенных остаточных концентраций хлора на уровне 2-3 мг/л, а в исключительных случаях и до 7 мг/л.

Реальной альтернативой хлорированию является применение ультрафиолетового излучения (УФ). УФ-метод удовлетворяет всей совокупности современных требований, обеспечивая эффективное обеззараживание, в том числе в отношении устойчивых к хлорированию микроорганизмов, при отсутствии образования побочных продуктов, негативно действующих на живые организмы. Обеззараживание с помощью бактерицидного облучения применяют для подземных вод при условии постоянного соблюдения требований стандарта на питьевую воду по физико-химическим показателям. При этом коли-индекс обрабатываемой воды не должен быть более 1000 ед/л, содержание железа не более 0,3 мг/л.

В РК на практике успешно применяются ультрафиолетовые установки для обеззараживания воды УУФОВ фирмы «Эйкос», «Мембранные технологии АС» (г. Алматы).

Озонирование с целью обеззараживания воды применяют при специальном обосновании и при отсутствии опасности ухудшения качества воды в сети. Необходимая доза озона для вод подземных источников - 0,75-1 мг/л, фильтрованной воды - 1-3 мг. Озонаторы, выпускаемые фирмой «Мембранные технологии АС», не требуют дорогостоящих систем подготовки воздуха и отличаются от зарубежных аналогов меньшей стоимостью, простотой в обслуживании и низкими энергозатратами: удельные энергозатраты на очистку воды озоном составляют 0,010-0,020 кВтч/м³.