bbk 000000

УДК 628.162/.163

Павлов А. А., Дзиминскас Ч. А., Костюченко С. В., Зайцева С.Г.

Современные технологии подготовки питьевой воды на Слудинской водопроводной станции Нижнего Новгорода

Аннотация

Рассказано о внедрении на Слудинской водопровод¬ной станции Нижнего Новгорода впервые в России современных технологий подготовки питьевой воды: хлораммонизации, озонирования, оптимальной сис¬темы коагуляции, обеззараживания ультрафиолетом, что позволило оптимизировать эксплуатационные затраты, минимизировать негативные побочные эффекты и обеспечить высокое качество питьевой воды.

Ключевые слова:

питьевая вода , водопровод , хлорирование , озонирование , флокулянты , обеззараживание , ультрафиолет , хлорамины

Скачать статью в журнальной верстке pdf

Слудинская водопроводная станция снабжает питьевой водой часть Нижнего Новгорода по правому берегу р. Оки, которая является источником водоснабжения города. Как и большинство водопроводных станций крупных городов России Слудинская станция была построена и введена в эксплуатацию в послевоенные годы – в 1951 г. Первоначально подготовка воды на станции осуществлялась на осветлителях с взвешенным осадком и песчаных фильтрах, обеззараживание проводилось традиционным двухступенчатым хлорированием.

В последующие годы станция поэтапно развивалась в соответствии с потребностями города. Были построены новые резервуары чистой воды, реконструированы блок осветлителей, смесители, фильтры, возведены вторая насосная станция первого подъема и два блока очистки производительностью по 50 тыс. м³/сут, добавлены секции горизонтальных отстойников, модернизированы реагентное хозяйство и хлораторная. С ростом численности населения и развитием промышленности наращивалась производительность водопроводных сооружений от 20 тыс. м³/сут в 1954 г. до 120 тыс. м³/сут к 1979 г.

С 1980-х годов главным направлением стала модернизация сооружений с целью повышения качества и безопасности питьевой воды. В этот период подходы к решению этой проб­лемы претерпели принципи­альные изменения во всем мире. Участившиеся техногенные аварии и возросшее загрязнение водоисточников от промышленных предприятий заставили принимать во внимание широкий перечень показателей токсичности загрязняющих веществ антропогенного происхождения. После аварии в Чернобыле на большинстве крупных станций был введен радиационный контроль воды. Было установлено, что хлорирование воды приводит к образованию вредных для здоровья человека побочных продуктов – тригалометанов. Введено ограничение на содержание в питьевой воде остаточного алюминия, поступающего в нее при коагуляционной очистке. Ужесточились требования к обеззараживанию воды: вмес­то единственного индикатора эпидемиологической безопасности – колииндекса – оценка стала производиться по шести показателям, относящимся к различным группам микроорганизмов.

Таким образом, с одной стороны, требовалось повысить эффективность очистки и обеззараживания воды, а с другой, – создать условия, при которых собственно процесс очистки не добавлял бы в воду нежелательных побочных продуктов. Все это привело к необходимости пересмотра традиционных схем водоподготовки и дополнения их новыми элементами.

В процессе решения новых задач были разработаны или адаптированы из других областей многие технологии и технические решения, но, к сожалению, они не являются универсальными и не лишены некоторых недостатков [1]. Поэтому современная концепция водоподготовки подразумевает рациональное использование одновременно нескольких методов для создания многобарьерной защиты и получения наилучшего качества питьевой воды. Этот подход в настоящее время в полной мере реализован на Слудинской водопровод­ной станции в Нижнем Новгороде, первой в России станции, на которой помимо оптимизации традиционного процесса очистки воды совместно используются такие современные технологии, как озонирование и ультрафиолетовое обеззараживание.

Оптимизация технологичес­ких процессов и работы сооружений.Запроектированные и построенные в 1950–1980-х годах очистные сооружения обладают достаточно большим потенциалом, особенно в условиях снижения гидравлической нагрузки. Поэтому первоочередным мероприятием, направленным на повышение качества питьевой воды, является оптимизация технологических процессов и работы сооружений. На Слудинской водопроводной станции для достижения этой цели, прежде чем инвестировать средства в новые технологии, были использованы все имеющиеся ресурсы. В частности, в период с 1995 по 2004 г. проводилась реконструкция осветлителей и скорых фильтров. В осветлителях были установлены рециркуляторы осадка, а в фильтрах предусмотрен колпачковый дренаж. Эти мероприятия поз­волили значительно улучшить работу первой и второй ступеней очистки и повысить качество питьевой воды. В 1996 г. на станции стали использовать флокулянты «Феннопол» и «Праестол» и перешли на автоматическое растворение и дозирование этих реагентов.

С 1991 г. на Слудинской станции используется преаммонизация с целью снижения образования хлорорганических соединений в питьевой воде. Известно, что основная масса побочных продуктов хлорирования формируется при взаимодействии активного хлора с неочищенной водой, т. е. на этапе первичного хлорирования [1; 2]. Образующийся в присутствии аммиака связанный хлор (хлорамины) гораздо менее активен, дольше сохраняется в воде и в значительно меньшей степени, чем свободный хлор, способствует образованию побочных продуктов. Введение аммиака во всасывающие водоводы насосных станций первого подъема позволило:

сократить концентрацию хлорорганических соединений в питьевой воде на 60–80% – содержание хлороформа не превышает 0,01 мг/л при ПДК 0,2 мг/л;

уменьшить расход хлора на 40–50%;

значительно снизить образование хлорфенольных запахов при поступлении в водоисточник фенолов или нефтепродуктов;

улучшить санитарное состояние технологических сооружений и распределительной сети – количество нестандартных проб по микробиологическим показателям снизилось до 1,5–
2% по сравнению с установленным СанПиН 2.1.4.1074-01 значением – 5%.

Следующим шагом по совершенствованию станции стал переход на обеззараживание воды с использованием гипохлорита натрия (NaClO), содержащего не менее 190 г/л активного хлора (рис. 1). Гипохлорит натрия обеспечивает эффективное обеззараживание и защиту от большинства известных патогенных бактерий, грибковых инфекций, прос­тейших. По данным [3], в ряду наиболее эффективных дезинфицирующих веществ стоит озон и после него гипохлорит натрия. Неэффективность действия гипохлорита натрия против вирусов компенсируется следующей ступенью очистки (барьером) – установкой УФ-обеззараживания.

Рис. 1. Станция обеззараживания воды с использованием гипохлорита натрия

Переход на обеззараживание питьевой воды гипохлоритом натрия ликвидирует потенциальную опасность, связанную с хранением и применением жидкого хлора, для жизни и здоровья людей. Затраты же на ликвидацию последствий разгерметизации емкости с многотонным запасом жидкого хлора, хранящегося на площадке очистного сооружения вблизи жилой застройки, вообще предсказать невозможно.

Озонирование является одним из современных методов обработки воды с достаточно широкой областью применения и возможностью решения различных задач. Действие озона может быть направлено как на интенсификацию различных процессов, так и на разложение определенных веществ и обеззараживание. Являясь мощным окислителем, озон изменяет поверхностный заряд частиц, что в дальнейшем способствует интенсификации процесса коагуляции-осветления, может разлагать за счет окисления многие вещества антропогенного происхождения и обладает выраженным обеззараживающим действием [4–6]. Все эти три направления актуальны для водоподготовки в Нижнем Новгороде.

Оба источника водоснабжения города – реки Ока и Волга – подвержены действию ант­ропогенных загрязнений, поступающих из расположенных выше по течению промышленных регионов. Переход с первичного хлорирования воды на использование хлораминов позволил снизить концентрацию хлор­органических соединений. Но хлорамины относятся к слабым окислителям и дезинфектантам, поэтому не способствуют улучшению процесса коагуляции и повышению надежности обеззараживания. По рекомендациям Нижегородского государственного архитек­турно-строительного университета, было принято решение о техническом перевооружении водоочистных станций с использованием первичного озонирования. Реализация проекта проходила в рамках городской программы по повышению качества питьевой воды до уровня требований стандартов европейских стран [7].

В 2000 г. на Слудинской водопроводной станции была принята в эксплуатацию озонаторная установка производительностью 40 кг/ч. К этому времени у Водоканала уже имелся более чем трехлетний опыт применения озона на станции «Малиновая гряда». Озон вырабатывается непосредственно на месте из кислорода воздуха и используется для первичной обработки речной воды. Остаточный озон нейтрализуется сернистым ангидридом. Первичное озонирование позволило улучшить качество питьевой воды по всем показателям, особенно ощутимый эффект был получен в области снижения образования побочных продуктов: остаточного алюминия и хлороформа, содержание которых снизилось на 90 и 45% соответственно. Расход хлора сократился в среднем на 17%, а расход коагулянта более чем в 10 раз. Несмотря на увеличение потребления электроэнергии на производство озона, общие расходы на реагенты и электроэнергию сократились на 40%.

Как изменилась работа станции после применения технологии первичного озонирования, видно из таблиц 1 и 2 (за 100% приняты показатели до применения озонирования).

Ультрафиолетовое обеззараживаниенаходит все более широкое применение в технологических схемах подготовки питьевой воды. Основным аргументом в пользу ультрафиолетового облучения является необходимость обеспечения обеззараживания в отношении устойчивых к хлору микроорганизмов: вирусов и цист простейших [8]. Эффективность обеззараживания УФ-облучением в отношении этих микроорганизмов доказана исследованиями ведущих российских институтов и практикой эксплуатации действующих сооружений [9].

Учитывая жесткие ограничения по широкому спектру побочных продуктов, достижение такой степени защиты каким-либо одним методом невозможно, поэтому модернизация водопроводных сооружений, как правило, происходит по пути наращивания ступеней очистки и совместного использования различных методов обеззараживания. Благодаря высокой эффективности в отношении всех видов микроорганизмов и отсутствию образования побочных продуктов УФ-облучение хорошо вписывается в концепцию множественных барьеров. Даже в многоступенчатых схемах очистки, включающих сорбцию и (или) мембранную фильтрацию и обратный осмос, УФ-облучение применяется в качестве конечного гаранта безопасности воды [10; 11].

Рис. 2. Станция ультрафиолетового обеззараживания воды

До внедрения УФ-техноло­гии на Слудинской водопроводной станции уже имелось несколько элементов, обеспечивающих барьер от микробиологических загрязнений: хлораммонизация, озонирование, коагуляция-осветление, хлорирование. Однако необходимо понимать, что даже использование такого сильного окислителя, как озон на этапе предварительной обработки не может гарантировать полную инактивацию микроорганизмов, и основной функцией предварительного озонирования является окисление, а не обеззараживание. Уязвимость водоисточника и эпидемиологическая ситуация в городе свидетельствовали о необходимости усиления эффективности обеззараживания воды.

Для повышения барьерной роли сооружений в дополнение к основной схеме обработки в 2009 г. на Слудинской станции было внедрено обеззараживание ультрафиолетом (рис. 2). Блок УФ-обеззараживания располагается на этапе заключительной обработки воды перед подачей в сеть (рис. 3). Цех оснащен современным отечественным оборудованием, для облучения воды используются амальгамные лампы повышенной мощности с длительным сроком службы. Три УФ-установки вертикального типа позволяют обрабатывать до 7 350 м³/ч воды при энергозатратах на УФ-обеззараживание порядка 26 Вт/м³.

Рис. 3. Блок УФ-обеззараживания на Слудинской водопроводной станции

Преимущества совместного использования озона, ультрафиолета, хлораминов.В настоящее время схема водоподготовки на Слудинской станции включает в себя предварительную аммонизацию перед насосом первого подъема, первичное озонирование в контактной камере, первичное хлорирование, подачу коагулянта (сернокислого алюминия) в смеситель (а также, при необходимости, перед осветлителями), использование флокулянта, осветление в горизонтальных отстойниках или осветлителях с взвешенным осадком, фильт­рацию на скорых фильтрах, вторичное хлорирование, УФ-обеззараживание (рис. 4).

Наличие в схеме водоподготовки нескольких технологий, направленных на обеспечение эпидемиологической безопасности воды, не только делает эту схему обеззараживания исключительно надежной и универсальной, но и позволяет минимизировать недостатки, свойственные каждому из методов, и добиться максимальной эффективности от их использования.

Нет оснований для сомнения в том, что хлорирование еще долгие годы будет оставаться неотъемлемой составляющей процесса подготовки питьевой воды. Ни один из промышленных дезинфектантов не обладает, в отличие от соединений хлора, пролонгированным действием, а транспортировка питьевой воды по распределительной сети требует поддержания ее качества на уровне норматива. Это наиболее ценное свойство хлора максимально выражено у хлор­аминов.

Достоинства хлораммонизации – стабильность соединения и в результате длительное (до нескольких суток) присутствие в воде, т. е. поддержание санитарного состояния сетей и качества воды. Есть данные о том, что хлорамины более эффективны, чем свободный хлор, для предотвращения биологического обрастания внутри сети, способствуют улучшению санитарного состояния трубопроводов и повышению качества питьевой воды по микробиологическим показателям [12]. Известный недостаток хлорирования – образование хлорорганических соединений – в случае с хлораминами проявляется очень слабо. Это связано со стабильностью соединений хлора и аммиака. Еще одним фактором контроля образования хлорорганических соединений является использование озона на этапе предварительной обработки.

Использование хлораминов и свободного хлора, а также дополнительное озонирование исходной воды на Слудинской станции позволили свести к минимуму образование хлор­органических соединений в питьевой воде. По СанПиН 2.1.4.1074-01, ПДК хлороформа составляет 0,2 мг/л, а в питьевой воде, подаваемой Слудинской станцией в город, концентрация хлороформа ниже на два порядка – 0,002 мг/л. Основным недостатком хлор­аммонизации является низкая эффективность обеззараживания, которая компенсируется применением озона и ультрафиолета.

К достоинствам озонирования относятся высокая эффективность очистки воды, возможность окисления ряда органических соединений, т. е. создается барьер от антропогенных загрязнений и запахов, предотвращение формирования хлорорганических соединений. К недостаткам озонирования традиционно относят высокий расход электроэнергии. Опыт работы Слудинской станции свидетельствует о том, что при рациональном использовании всех реагентов и адаптации регламента реагентной обработки к новым технологическим элементам расход электроэнергии на озонирование может быть компенсирован экономией других реагентов (коагулянтов и хлора).

Еще одним потенциальным недостатком озонирования яв­ляется возможность образования побочных продуктов – броматов, но аммиак, присутствующий в воде, поступающей на озонирование, препятствует этому процессу [12]. Второе нежелательное свойство озонирования – увеличение содержания ассимилируемого органического углерода, который играет важную роль в развитии биопленки в сетях, однако, как уже указывалось выше, хлор­амины являются эффективным средством для контроля этого процесса. Таким образом, использование предварительной аммонизации совместно с озонированием исключает возможные негативные последствия.

Несмотря на то что озон является сильным окислителем, его применение не может гарантировать надежное обеззараживание на этапе предварительной обработки, поскольку мутность, характерная для исходной воды, всегда будет негативным фактором для любого метода обеззараживания. Кроме того, с понижением температуры воды требуется более продолжительное время контакта и более высокие дозы озона, поскольку эффективность озона зависит не от рН, а от температуры. Этот недостаток озона компенсируется УФ-облучением, которое на последнем этапе обеззараживания гарантирует инактивацию любых видов микроорганизмов [4].

Еще одним преимуществом совместного использования УФ-облучения и озонирования является то, что озон повышает прозрачность воды для УФ-лучей и таким образом снижает затраты электроэнергии на УФ-обеззараживание. Этот эффект наиболее характерен для воды, содержащей большое количество органических веществ и имеющей исходный коэффициент УФ-пропускания ниже 90%. При проектировании крупнейшей в Канаде станции УФ-обеззараживания для регионального округа Большой Ванкувер было выявлено, что использование озона в дозе 2 мг/л для обработки воды до УФ-облучения обеспечивает увеличение коэффициента пропускания воды на 10 единиц [13]. Поскольку коэффициент УФ-пропускания оказывает значительное влияние на технико-экономические показатели процесса УФ-обеззараживания, совместное использование озона и УФ-технологии является в первую очередь экономически выгодным. Значимость такой выгоды легко оценить, если перенести этот опыт на ситуацию в Нижнем Новгороде: для обработки воды на Слудинской станции по существующей схеме с применением озона суммарно используется 432 лампы УФ-облучения, а без озона понадобилось бы 624 лампы. Таким образом, предварительное озонирование воды обеспечивает снижение капитальных и эксплуатационных затрат на УФ-обеззараживание на 33%.

Основное достоинство УФ-обеззараживания заключается в универсальности метода в отношении всех видов водных микроорганизмов и отсутствии образования каких-либо побочных продуктов. Единственным его недостатком применительно к водоснабжению является отсутствие последействия, но его в полной мере компенсирует применение хлораминов.

Совместное использование озона и ультрафиолета является определенным прогрессивным трендом в мировой практике водоподготовки. В 2007 г. даже состоялся объединенный конгресс международной ультрафиолетовой и озоновой ассоциаций, лейтмо­тивом которого были преимущества совместного применения этих технологий [8]. Озонирование, предшествующее УФ-обеззараживанию, уже много лет используется на двух крупных станциях (Pitkakoski и Vanhakaupunki) в Финляндии, снабжающих питьевой водой г. Хельсинки, на канадской станции Coquitlam, входящей в систему водоснабжения Ванкувера, на американской станции John J. Carroll, обеспечивающей питьевой водой 2 млн. человек в метрополии г. Бостона и др. [13–16]. Слудинская станция в Нижнем Новгороде стала первой в России, использующей такую технологию.

Выводы

На Слудинской водопроводной станции в Нижнем Новгороде впервые в России реализована технологическая схема водоподготовки, обеспечивающая многоступенчатую очистку и обеззараживание питьевой воды на основе совместного использования современных технологий озонирования и ульт­рафиолетового облучения.

Предварительная обработка воды хлораминами и применение гипохлорита натрия минимизирует образование хлор­органических соединений и поддерживает надлежащее санитарное состояние очистных сооружений.

Озонирование повышает эффективность последующей очистки воды, позволяет снизить расход коагулянта и хлора, создает первичный барьер от микробного загрязнения, дос­тигается высокая прозрачность воды для УФ-лучей, что делает ультрафиолетовое обеззараживание более экономичным. Обработка воды гипохлоритом натрия и ультрафиолетом на заключительном этапе очистки создает надежный барьер от любых инфекций и гарантирует эпидемиологическую безопасность питьевой воды.

Внедрение на Слудинской станции современных технологий хлораммонизации, озонирования, оптимальной системы коагуляции, обеззараживания ультрафиолетом позволили добиться их максимальной эффективности, оптимизировать эксплуатационные затраты, снизить влияние негативных побочных эффектов и обеспечить высокое качество питьевой воды.

Список литературы

1. Драгинский В. Л., Алексеева Л. П. Образование токсичных продуктов при использовании различных окислителей для очистки воды // Водоснабжение и сан. техника. 2002. № 2.
2. Калашникова Е. Г., Арутюнова И. Ю., Горина Е. Н. и др. Исследование различных технологических приемов, направленных на снижение содержания хлорорганических соединений в обрабатываемой воде / Сб. тезисов "Яковлевские чтения - I". - М., 2006.
3. Корттунен Э. Водоснабжение. - СПб, Новый журнал, 2005.
4. Kruithof J. C. State of the art of the use of ozonation, UV treatment and related AOP's in Dutch drinking water treatment: CDROM Proceedings World Congress on Ozone and Ultraviolet Technologies, Los-Angeles, USA, August 27-29, 2007, International Ultraviolet Association.
5. Becker W. C., O'Melia C. R., Patel J. D., Franchi A. Optimizing Ozonation for Turbidity and Organics Removal by Coagulation and Filtration: Poster presented at the AWWA Annual Conference, Anaheim, CA, 1995.
6. Chang S. D., Singer P. C. The Impact of Ozonation on Particle Stability and the Removal of TOC and THM Precursors // JAWWA. 1991. V. 83, №. 3.
7. Луков А. Н., Макаров Н. П., Найденко В. В. и др. Опыт использования озона для подготовки питьевой воды в Нижнем Новгороде // Водоснабжение и сан. техника. 2001. № 1.
8. Богомолов М. В., Коверга А. В., Волков С. В. и др. Международный конгресс озоновых и ультрафиолетовых технологий в Лос-Анджелесе // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 4.
9. Романенко Н. А., Новосильцев Г. И., Недачин А. Е. И др. УФ-излучение и его воздействие на вирусы и цисты простейших // Водоснабжение и сан. техника. 2001. № 12.
10. Eira T., Veli-Pekka V., Heli H. Long-term Experience of Ozone and UV in Large Waterworks: Case Helsinki Water. CDROM Proceedings World Congress on Ozone and Ultraviolet Technologies, Los-Angeles, USA, August 27-29, 2007, International Ultraviolet Association.
11. Awad J. UV Disinfection Synergy with Ultrafiltration. CDROM Proceedings 3nd International Congress on Ultraviolet Technologies, Wistler, Canada, May 24-27, 2005, International Ultraviolet Association.
    Simultaneous Compliance Guidance Manual For the Long Term 2 and Stage 2 DBP Rules US EPA, 2007.
12. Burns N., Neemann J., Hulsey R. A., et al. Synergistic Evaluation of Ozone and UV at the Coquitlam Source for Enhanced DBP Control and Cryptosporidium Inactivation. CDROM Proceedings World Congress on Ozone and Ultraviolet Technologies, Los-Angeles, USA, August 27-29, 2007, International Ultraviolet Association.
13. Sullivan W. G., Kim J. R. Combining UV disinfection with ozonation to comply with LT2ESWTR. Там же.
    Meunier L., Canonica S., Gunten U. Implications of sequential use of UV and ozone for drinking water quality // Water research. May 2006. V. 40, Issue 9.
14. Jung Y. J., Oh B. S., Kang J. W. Synergistic effect of sequential or combined use of ozone and UV radiation for the disinfection of Bacillus subtilis spores // Water Research. March 2008. V. 42, Issues 6-7.