Альтернативные источники питьевой воды

Альтернативные источники питьевой воды подземные воды закрытых шахт
Полтавец В.И., к.т.н., директор,
Кабаков А.С., зам. директора,
(ПАО «Луганскгипрошахт»)
Основным источником водоснабжения Луганской области являются подземные воды,
которые подаются по 539 водопроводам. Из поверхностных водоисточников забирают воду
только 4 водопровода: Западная фильтровальная станция (ЗФС) и Светличанский речной водозабор - из р. Северский Донец, Яновская фильтровальная станция и Елизаветинский водопровод - из одноименных водохранилищ.
Вместе с тем, высокая концентрация промышленности и большая плотность населения
в зоне подземных водозаборов вызывает их интенсивное загрязнение. В результате чего наблюдается постоянное ухудшение качества воды подземных источников, повышение минерализации и жесткости и, как следствие, снижение запасов воды, пригодной для хозпитьевого
водоснабжения. В свое время, доведение качества подземных вод до требований Госстандарта
по уровню минерализации предусматривалось за счет разбавления их водой ЗФС. Однако сегодня эти проектные решения уже не выполнимы, т. к. речная вода в створе водозабора ЗФС
уже не отвечает нормам по минерализации и жесткости и превышает их в 1,2 и 1,7 раза, соответственно.
Учитывая, что в области отсутствуют источники с кондиционной водой, Минздравом
Украины в течение ряда лет выдаются временные разрешения на использование для питьевых
нужд источников водоснабжения с высокой жесткостью (до 20 мг-экв/л) и минерализацией (до
2000 мг/л) при условии выполнения мероприятий по улучшению качества воды. Однако, как
показывает практика, эти условия из года в год не выполняются.
По-прежнему, одной из основных проблем является подача воды по графикам или полное прекращение ее подачи в течении суток и более. Это имеет место в таких городах как
Свердловск, Ровеньки, Антрацит, Красный Луч и др., которые удалены от основных источников водоснабжения на десятки километров, а расстояние подачи воды достигает 240 км. В некоторых населенных пунктах области задача обеспечения водой частично решается только за
счет привозной воды.
В результате отсутствуют условия для соблюдения санитарно-противоэпидемического
режима на объектах повышенного эпидемического риска: детских и подростковых учреждениях, пищевых объектах, ЛПУ, снизился уровень личной гигиены населения и санитарнобытового режима в жилых домах, особенно в домах повышенной этажности. Из-за отсутствия
централизованного водоснабжения население вынуждено использовать другие случайные источники, вода которых не отвечает санитарным нормам. В связи с недостаточным количеством воды нарушается технологический процесс работы канализационных систем и очистных
сооружений, что приводит к аварийным ситуациям.
Крайне неблагоприятное положение в области с системами распределения воды. Физическое и моральное старение водопроводных сетей значительно опережает темпы их замены и
санации, что может привести к серьезным последствиям. Кроме этого, проблемными являются частые перебои подачи воды в связи с внезапными отключениями электроэнергии. Это
приводит к образованию порывов на водопроводных сетях, выходу из строя насосов артезианских скважин.
Подача воды по графикам, длительное отсутствие ее в водопроводных сетях, порывы
являются основными причинами ухудшения качества воды, создают угрозу бактериального и
вирусного загрязнения.
2
Таким образом, в области наблюдается не только постоянный дефицит воды, но и та
вода, которая подается потребителям, не соответствует стандартам качества.
В тоже время, из большинства ликвидированных шахт осуществляется постоянная откачка воды в целях обеспечения безопасного ведения горных работ на прилегающих предприятиях и недопущения подтопления поверхности. Объемы откачиваемой воды и ее качественный состав показывают, что при применении соответствующих технологий очистки подземных вод бывших шахт их можно рассматривать как альтернативные источники хозяйственнопитьевого водоснабжения. При этом появляется возможность исключения из схем водоснабжения городов магистральных водоводов большой протяженности.
Учитывая сложную ситуацию с обеспечением ряда населенных пунктов Луганской области качественной питьевой водой, распоряжением Председателя Луганской облгосадминистрации от 09.03.05, была создана рабочая группа по подготовке предложений улучшения качества питьевой воды Луганской области и доведения его до требований ГОСТа «Вода питьевая» и СанПиНа.
В процессе работы группы были рассмотрены различные варианты технологических
схем очистки поверхностных и подземных вод альтернативных источников водоснабжения, а
технико-экономическое обоснование, выполненное институтом «Луганскгипрошахт» показало, что применение современных технологий предварительной подготовки и обеззараживания
воды в сочетании с обратноосмотическими установками для управляемого обессоливания, позволяют решить задачу санитарно-эпидемиологической защищенности произведенной воды
без организации в полном объеме зон санитарной охраны на водозаборах.
При этом была разработана принципиальная технологическая схема, содержащая все
необходимые узлы для многостадийной очистки и обеззараживания воды бывших шахт до
уровня требований ДержСанПШ № 383 «Вода питна. Ппешчш вимоги до якосп води
централ1зованого господарсько-питного водопостачання».
Следует отметить, что указанная схема, примененная при разработке проектов очистки
подземных вод закрытых шахт, например, имени П.Л. Войкова (г. Свердловск), «Брянковская» (г. Брянка), «Ворошиловская» (г. Ровеньки) и др., одобрена ведущими специалистами
фирмы «GE-OSMONICS» и консорциума «W& Т Group BV».
В принципе, все технологические операции по очистке воды сводятся к физическому
или химическому воздействию на различные механические, биологические и химические
примеси, содержащиеся в воде, с конечной целью - отделить их от воды.
В этой связи следует особо остановиться на гранулометрическом составе, как исходной
воды, так и тех веществ, которые в ней содержатся в виде взвешенных частиц, коллоидов или
растворов.
Все применяемые в технологии очистки воды устройства - механические гравитационные, сетчатые, картриджные, мешочные и тонкопленочные мембранные (баромембранные)
фильтры - это по сути сита с различными отверстиями в рабочей поверхности для пропуска
одних веществ и задержания других. Как известно, в воде в растворенном или взвешенном
виде находятся различные вещества, классификация которых по геометрическим размерам
дана на диаграмме «The Filtration Spectrum» фирмы OSMONICS, приведенной на Рис. 1. Там
же представлены диапазоны эффективной фильтрации различных частиц и веществ. Из этих
данных можно сделать вывод о том, что через отверстия в рабочей поверхности обратноосмотической мембраны размером от 1 до 15 А (Г 10" ... Г10" м) проходят только молекулы воды
и незначительная часть, не более 1,5...0,5 %, растворенных солей. Эффективность улавливания различных веществ баромембранами представлена в таблице на Рис. 2. Внешний вид обратноосмотических машин производства фирмы GE-OSMONICS показан на Рис. 3.
Таким образом, используя баромембранные технологии можно получить, практически,
обессоленную и обеззараженную воду.
Вместе с тем, согласно требованиям ДержСанПШ № 383 «Вода питна...», в питьевой
воде должны присутствовать различные соли для обеспечения человека жизненно важными
минеральными компонентами. Это, прежде всего, такие элементы, как кальций, магний, фтор
3
и т.д. Отсюда вытекает целесообразность не полного, а только частичного, управляемого
обессоливания исходной воды с обязательным удалением бактерий и вирусов, что достигается
путем отвода по байпасной линии в накопительный резервуар готового продукта части обеззараженной, но не обессоленной воды.
OSMONICS
•i, &T Мкгаючи-
The Filtration Spectrum
4 liuirilnj Elacmm Шсгонорг
Чиж PLaitfa
MILHJ PJHILII I
HalecikUr Range
4 Opclcjl М\сгтллра
Macro HaHculir Kmi<i|i
Milrt> Pdf [pi>* (Lu-i|ji
■4
*'
Unlti ' IS
,л
DM
ulirWc
Relative
Size of
Common
Material*
Process For
Separation
Чн I 4<пя- (I ■ ID- Икги - 4. ID- 1гчт, |П«№ Ы-*| i
I
Viiibk :.J Hjkiil Eyi
■■
Aifi
I Ccfqrftr 1<П МЧ И11 I4U l« L>n
iixn
Uu
- i:Mrtj
ii 1П'
К|л
>1т
ын,"
'«
I tr
I
If
I
I
■
■ I
Mil'.'
,1!
I
1
I
Mi
i ]
Corporate Headquarters
1П1 CIrvwuirlhlH.lllniMEMU.rtN 11141-1*11 USA
ntm, r»iini«MI«. -л-»™(*■»i
Aiii'Pjcific Headquarter! РщШЛНиЦр *
№ *ll4U<fhll1H
httpili 1 V V V - D i r n D k l E I .CDm
Рис. 1
Fui н.'Africa Hradquarterx
IFiriil, '■ BU
Technote I 04
NOMINAL REJECTION
О S M О NIС S
CHARACTERISTICS OF REVERSE
OSMOSIS THIN FILM COMPOSITE
MEMBRANES
Component
Sodium
Symbol
% Rejectio
+
99.0 - 99.4
+2
99.8
Na
Calcium
Ca
Magnesium
Potassium
Iron
Manganese
Mg
K+
+2
Fe
+2
Mn
Aluminum
Ai
Ammonium*
Cu ^
Copper
Nickei
Ni*
Zinc
Strontium
Cadmium
Zn
+2
Sr
+2
Cd
Silver
Ag
Mercury
Barium
Chromium
Lead
Chloride
Bicarbonate*
99.8
99.0 - 994
99.0 - 99.4
99.0 - 99.4
+3
99.5 - 99.8
+
85.0 - 99.0
99.0 - 99.4
99.5 - 99.8
2
+2
99.5 - 99.8
99.5 - 99.8
99.5 - 99.8
+
99.0 - 99.4
+7
*z +2
99.0 - 99.4
99.5 - 99.8
99.0 - 99.4
99.5 - 99.8
aHccy
99.0 - 99.4
98.0 - 99.8
Ba
+6
Cr
+2
Pb
1
Nitrate*
N03"
95.0 - 98.0
Fluoride
Silicate*
Phosphate
F"
2
S\0{
3
P04"
98.0 - 99.0
98.0 - 99.0
99.5 - 99,8
Chromate*
Sulfite
CrO/
2
SO3-
2
99.0 - 99.4
99.0 - 99.4
Thiosulfate
Ferrocyanide
s2o3-2
Fe(CN)6'
+
3
99.0 - 99.4
99.0 - 99.4
Bromide
Sulfate
Br
2
SO"
99.0-99.4
99.8
Arsenic
AS
99.0 - 99.4
Selenium
Bacteria and virus
Pyrogen
Se-
2
Рис.2
99.0 - 99.4
99.9
99.9
Рис. 3. Общий вид обратноосмотических машин
фирмы GE-OSMONICS, завод «Аквасервис»
Учитывая требования минимизации капитальных и эксплуатационных затрат, а в итоге, - снижения себестоимости очистки воды, для достижения этой цели применима технологическая схема с такими основными процессами как:
^ предварительное обеззараживание всего потока исходной воды с помощью различных
соединений хлора, озоном или ультрафиолетовым излучением; ^ удаление взвешенных
частиц, железа и марганца на механических гравитационных, дисковых или сетчатых фильтрах
с максимальным размером пропускаемых частиц от 100... 3 мкм; > разделение и подача
потока предварительно профильтрованной воды по основной линии на обессоливание и
одновременное обеззараживание на баромем-бранную машину; ^ подача расчетной части
потока воды по вспомогательной линии (байпасу) в миксер для смешения с обессоленной
водой после выхода из баромембранной машины в целях корректировки нормируемых
показателей качества воды. Причем, при прохождении воды по байпасу, целесообразно
применение обеззараживающих агентов, таких как озон или ультрафиолетовое излучение; ^
подача в миксер необходимых корректирующих добавок, обеззараживающего
хлорсодержащего реагента в количестве, гарантирующем санитарноэпидемиологическую защиту резервуара-накопителя кондиционной воды и водопроводных
сетей на пути к самым отдаленным потребителям. Применение указанной технологической
схемы обеспечивает не только получение кондиционной питьевой воды из исходной воды,
практически произвольного качества, но и,
7
как минимум, трехступенчатую санитарно-эпидемиологическую защиту, как обрабатываемой
воды, так и оборудования станций очистки.
Для проверки на практике этой технологической схемы, ЗАО «Аквасервис» была изготовлена и в 2005 - 2006 годах прошла испытания пилотная мобильная установка очистки
шахтных вод производительностью 3,0 м3/ч воды питьевого качества. Местом проведения испытаний была выбрана закрытая шахта «Брянковская», расположенная непосредственно в городе Брянка, Луганской области с наихудшим качеством откачиваемой воды из всех шахт области.
Данные анализов качества шахтной воды до очистки и воды после обработки на пилотной установке, выполненные в центральной химбаклаборатории ОКП «Компания «Лугансквода» (см. таблицу 1), показали, что полученная вода полностью соответствует требованиям
стандарта, что говорит о возможности использования шахтных вод закрытых шахт для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
По проектам, выполненным институтом «Луганскгипрошахт» ведется строительство
станции очистки шахтной воды на закрытой шахте им. П.Л. Войкова в г. Свердловске, производительностью 480 м3/ч питьевой воды (см. Рис. 4). На стадии пуско-наладочных работ находится строительство «Завода по производству питьевой воды» ЗАО «Аквасервис» в г. Алчевске производительностью 500 м3/ч питьевой воды (см. Рис. 5).
Расчетная цена реализуемой очищенной воды не превышает сложившегося тарифа на
питьевую воду в регионе, а срок окупаемости проекта 4... 10 лет.
Таким образом, появляется возможность обеспечить качественной питьевой водой целый регион, традиционно испытывающий трудности из-за дефицита воды.
Вместе с тем, при проектировании, прохождении комплексной экспертизы проектов и,
непосредственно в процессе строительства возникают объективные и субъективные труднопреодолимые проблемы.
Например, как быть проектировщику при решении конкретной задачи - получения
питьевой воды из источника, который не соответствует ни ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения», ни СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение.
Наружные сети и сооружения»? На одной чаше весов - проектные решения, новые технологии, проверенные на опытной установке и подтвержденные лабораторными анализами, позволяющие производить воду высокого качества из нетрадиционного источника, на другой - регламентирующие документы из прошлого столетия, совершенно не учитывающие нынешние
достижения науки и практики, а так же инертность со стороны компетентных органов. И все
это на фоне того, что на сегодня практически уже нет используемых источников воды, которые отвечали бы в полной мере требованиям нормативных документов - как по качеству воды
источника, так и по обеспечению зон санитарной охраны.
Пункт 2.4 ГОСТ 2761-84 дает надежду на положительный результат, так как гласит:
«При несоответствии качества воды источника требованиям...он может быть использован по
согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы при наличии методов обработки, надежность которых подтверждена специальными технологическими и гигиеническими исследованиями».
Разумеется, для этого требуются, как минимум, - время, деньги и энтузиасты. Как видно из сказанного выше, эти вопросы решаются. Вместе с тем, для проведения таких исследований и, что особенно важно, официального признания их результатов и последующего широкого применения, представляется целесообразным принятие на государственном уровне соответствующей программы по использованию шахтных вод, как альтернативных источников
хозяйственно-питьевого водоснабжения, с привлечением ведущих научно-исследовательских
и проектных институтов Украины, частного капитала.
Итогом этой работы должен стать Государственный стандарт «Источники альтернативного хозяйственно-питьевого водоснабжения».
Данные анализов качества воды
до и после очистки на пилотной обратноосмотической установке вьшолненные ЦХБЛ ОКП «Компания «Лугансквода»
Наименование ингридиентов, определяемых в
питьевой воде
ГОСТ
2874-82
«Вода
питьевая»
средние за 2005 сод
Август
Исход- Пермеат Исходная вода (очиная вода
щенная
вода)
Пермеат Исход(очиная вода
щенная
вода)
Пермеат Исходная Пермеат
(очи(очивода
щенная
щенная
вода)
вода)
Запах при 20/60 С°
Вкус и привкусбалл
Водородный пок.рН
Цветность, град. С°
Мутность, мг/дм3
Азот аммон., мг/дм3
Нитриты, мг/дм3
Нитраты, мг/дм3
Железо.общ., мг/дм3
Хлорид-ион, мг/дм3
Сульфат-ион, мг/дм3
Кальций-ион, мг/дм3
Магний-ион, мг/дм3
Бикарбонаты,мг/дм3
Сухой остаток,
мг/дм3
16 Жесткость общ.
мг экв./л
17 Щелочность,
мг экв./л
2
2
6,0-9,0
20,0
1,5
2
-
-
7,38
64
21,8
3,5
0,03
<0,1
9,8
214
1052
301
207
769
1974
5,71
<0,03
<0,05
<0,05
<0,003
<0,1
<0,05
2
4
8
5
31
13
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
18 Перманган.окисл. мг
О-л
19 Алюминий, мг/дм3
20 Цинк, мг/дм3
21 Свинец, мг/дм3
22 Медь, мг/дм3
23 Марганец, мг/дм3
24 Фтор, мг/дм3
25 Кремнекислота
мг/дм3
26 Полифосфаты, мг/дм3
27 СПАВ, мг/дм3
28 Нефтепродукты, мг/дм3
29 Сумма бета-акт
Бк/дм3
30 Кол-во бак. 1смэ, не
более
31 Коли- индекс, не
более
Сентябрь
2
1000
7,37
41
42,5
3,2
0,02
<0,1
1,75
234
1024
321
170
787
3785
0
0
5,5
<0,03
<0,05
<0,05
<0,003
<0,1
<0,05
12
6
4
10
43
46
7,67
ПО
70
1,95
0,03
<0,1
7,79
220
1480
309
177
175
3750
0
0
6,89
<0,03
<0,05
<0,05
<0,003
<0,1
<0,05
34
35
8
5
49
78
7
30,0
1,0
30,0
0,8
32
12,9
0,7
12,7
0,8
3,2
2Д
4,2
<0,05
<0,005
<0,0005
0,3
0,05
0,45
12,1
<0,05
<0,005
о.......... 5
<0,02
<0,01
0,15
3,9
0,01
0,17
<0,01
<!,85
сплош.
рост
>1100
45,0
0,3
350
500
0,5
5
0,03
1,0
0,1
1,2
3,5
<1,85
100
3
-
-
Ноябрь
Октябрь
Декабрь
средние за 2006 год
Январь
Исход- Пермеат Исходная Пермеат
(очищенная вода (очивода
щенная
ная вода)
вода)
Март
Февраль
Исходная Пермеат
(очивода
щенная
вода)
Исходная Пермеат
(очищенная
вода
вода)
1/2мет.
о/о
1/2мет.
о/о
1/2мет.
о/о
3/4мет.
1/2хлор
4/5 мет.
1/2хлор
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
19
3,5
6,5
<0,03
<0,05
<О,05
<0,003
<0,1
<О,05
7,49
2305
8
5
4
2
37
50
7,16
72
12,5
5,3
0,05
<0,1
9,0
228
1090
301
214
750
3987
34
378
64
49
244
726
7,08
24
26,4
4,3
0,17
«0,1
7,5
224
1191
301
207
744
4024
0,8
32,8
0,4
32,6
2,4
33,2
7,2
32,0
12,6
0,5
12,9
0,6
12,3
1,2
12,3
1,2
0,6
2,2
3,3
1,5
0,5
8,0
1,9
4,9
<0,05
<0,005
<0,000
0,3
0,05
0,45
12,1
<0,05
<0,005
о..........5
<0,02
<0,01
0,15
3,9
<0,05
<0,005
<0,0005
0,08
0,03
1,38
17,5
<0,05
<0,005
о.......... 5
0,08
0,01
0,49
2,3
<0,05
0,03
<0,0005
0,18
0,06
1,2
<0,05
<0,005
о........... 5
<0,02
<0,01
0,33
4.0
<0,05
0,03
<0,0005
0,24
0,04
1,1
11,6
<0,05
<0,005
о.......... 5
<0,02
<0,01
0,51
7,0
11,5
<0,01
<0,005
<0,01
<1,85
0,01
0,21
<0,01
<1,85
<0,01
<0.005
<0,01
<1,85
<0,01
0,35
<0,01
<1,85
<0,01
<0,005
<0,01
<1,85
<0,01
0,96
<0,01
<1,85
<0,01
<0,005
<0,01
<1,85
<0,01
0,72
<0,01
<1,85
сплош.
рост
1700
1080
800
96
1010
89
>1100
>1 100
>1100
>1100
15
>1100
12
<0,003
ОД
9,4
204
1013
325
202
787
611
7,74
<0,03
<0,05
<0,05
<0,003
<0,1
0,13
18
90
20
17
73
211
7,05
136
11,8
7,6
<0,003
<0,1
11,3
212
1162
320
209
824
2675
6,86
<0,03
<0.05
<0,05
<0,003
<0,1
<0,05
6,96
6
<0,05
<0,05
<0,003
<0,1
<0,05
46
306
56
44
159
480
7,1
86
11,8
8
0,03
<0,1
7,8
196
6.91
7
<0,05
<0,05
0,01
<0,1
<0,05
3970
42
304
56
41
165
654
6,4
32,6
6,2
12,2
2,6
12,6
2,7
2,0
3,1
1,4
6,0
2,3
<0,05
0,03
0,0005
0,93
0,01
1,2
10,5
<0,05
<0.005
<0,0005
0,06
0,01
0,44
<0,05
<0,005
<0,0005
0,05
0,01
<0,05
0,02
<0,0005
0,09
0,07
0,75
11,0
<0,05
<0,005
0,0005
0,05
0,01
3,6
<0,05
0,02
<0,0005
0,09
0,06
0,75
11,0
<0,01
0,21
<0,01
<1,85
<0,01
0,94
<0,01
1,85
<0,01
0,47
<0,01
<1,85
<0,01
0,72
<0,01
<1,85
<0,01
<0,01
<1,85
-0,01
0,70
<0,01
<1,85
<0,01
0,18
<0,01
<1,85
1080
63
83
19
36
8
22
10
>1 100
<3
200
<3
6
<3
11
<3
033
6,9
021
1116
329
197
769
033
6,0
Примечание: в 2005 году готовый продукт - вода после RO-машины не соответствовала ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» по причине допущенных ошибок при монтаже установки. После устранения нарушений готовый продукт
соответствовал ГОСТ 2874-82.
Рис.4. Строительство станции очистки шахтных вод, шахта им. Войкова, г. Свердловск
Рис. 5. Строительство завода по производству питьевой воды из поверхностных вод
Исаковского водохранилища, пополняющегося шахтными водами, г. Алчевск.