bbk 000000

УДК 628.162.8

Кинебас А. К., Яковлев В. Ю.

Внедрение двухступенчатой схемы обеззараживания воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга

Аннотация

Рассказано о модернизации систем обеззараживания воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга с использованием гипохлорита натрия и сульфата аммония. Это позволило полностью ликвидировать угрозу поражения территории и населения города высокотоксичными веществами (газообразными хлором и аммиаком) вследствие возможных аварий на промышленных площадках ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» и при транспортировке сжиженного хлора и растворов аммиака, а также исключить воздействие хлора и аммиака на окружающую среду при разгерметизации оборудования. Внедрение технологии обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением способствовало реализации концепции множественных барьеров при обеззараживании питьевой воды на водопроводных станциях города.

Ключевые слова:

питьевая вода , обеззараживание , сжиженный хлор , гипохлорит натрия , аммиачная вода , сульфат аммония , ультрафиолетовое облучение

Скачать журнальнуй верстку статьи PDF

В 2003–2008 годах на водопроводных станциях Санкт-Петербурга была проведена комплексная модернизация
системы обеззараживания воды, включающая замену реагентов (сжиженного хлора – гипохлоритом натрия, аммиачной воды – сульфатом аммония) и внедрение технологии ультрафиолетового облучения очищенной воды (рис. 1). Санкт-Петербург стал первым в мире мегаполисом, где весь объем водопроводной воды обеззараживается в две ступени с использованием химического (гипохлорит натрия в сочетании с сульфатом аммония) и физического (ультрафиолетовое облучение) методов обработки.

На водопроводных станциях традиционным методом обеззараживания питьевой воды является хлорирование. Этот метод основан на способности хлора и его соединений угнетать ферментные системы микробов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы. Несмотря на определенные недостатки, хлор и его соединения обладают длительным обеззараживающим действием, поддерживают эпидемиологическую безопасность питьевой воды при транспортировке к потребителю по водопроводной сети большой протяженности.

На водопроводных станциях Санкт-Петербурга обеззараживание воды хлором осуществлялось с 1911 по 2008 г. (впервые в мире этот способ был применен инженером С. К. Дзжерговским в 1909 г. для обеззараживания воды в г. Кронштадте). В качестве реагента использовался сжиженный хлор, хранившийся и транспортировавшийся в сосудах (баллонах или цистернах) под давлением до 10 атм. К 2003 г. вода обеззараживалась хлораммонированием (рис. 1, а) – дозированием в обрабатываемую воду водных растворов аммиака (аммиачной воды) и растворов хлора (хлорной воды). По целому ряду обстоятельств такая схема перестала отвечать требованиям, предъявляемым к обработке воды крупного города.

Основная часть мероприятий по модернизации системы обеззараживания воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга выполнена в соответствии с «Программой реконструкции и развития систем водоснабжения и водоотведения на период 2004–2011 годы», утвержденной Правительством Санкт-Петербурга (постановление от 20 апреля 2004 г. № 642) [1].

Рассмотрим основные причины, потребовавшие модернизации системы обеззараживания водопроводной воды Санкт-Петербурга.

Обеззараживание воды газообразным хлором, завозимым на водоочистные станции в баллонах и цистернах в сжиженном виде, имеет ряд недостатков:
хлор является сильнодействующим ядовитым веществом, вследствие чего водопроводные очистные станции становятся опасными промышленными объектами;
возможность утечки хлора при использовании напорных хлораторов представляет опасность для обслуживающего персонала;
необходимость хранения большого запаса хлора на станциях;
при проектировании и эксплуатации хлораторных установок необходимо учитывать требования, предъявляемые к обеспечению безопасности обслуживающего персонала водопроводной станции.

Любые промышленные предприятия, где используется и хранится хлор, представляют повышенную опасность. Транспортировка хлора на объекты, расположенные в черте мегаполиса, связана с потенциальным риском аварии с тяжелыми последствиями как для окружающей среды, так и для людей. Применение жидкого хлора требует неукоснительного соблюдения «Правил по производству, транспортированию, хранению и потреблению хлора» (ПБ 09-594-03), в связи с чем затраты на обеспечение мер безопасности при использовании жидкого хлора многократно превышают затраты на само хлорирование.

Федеральный закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов (с изменениями от 22 августа 2004 г.)» предусматривает страхование ответственности за причинение вреда при эксплуатации опасного производственного объекта и взимание страховых взносов с потребителей сжиженного хлора. Концепция отказа от использования жидкого хлора в процессах производства водопроводной воды поддерживается Российской ассоциацией водоснабжения и водоотведения [2].

На петербургских водопроводных станциях ежедневно расходовалось более 6 т сжиженного хлора (в месяц – 180 т, в год – до 2200 т). Хранение, транспортировка и использование жидкого хлора связаны с необходимостью постоянного контроля за состоянием оборудования, организации специальных защищенных площадок для хранения, оборудованных сигнализацией и системой видеонаблюдения, с вооруженной охраной.

В 1990–2002 годах на водопроводных станциях Санкт-Петербурга хранилось 100 т хлора. Кроме того, в непосредственной близости от города (пос. Янино Всеволожского района Ленинградской области) располагался склад для хранения до 200 т опасного вещества. Таким образом, на территории Санкт-Петербурга и пригородов хранилось до 300 т жидкого хлора. Транспортировка его осуществлялась в специальных контейнерах (под давлением). При этом маршруты движения транспорта пролегали в том числе и по центральным районам города (рис. 2).

Для обеспечения контроля за перемещением машин с жидким хлором, соблюдения установленных маршрутов перевозки с архивированием и документированием информации о движении использовалась специально разработанная система удаленного контроля «Дозор». На объектах водоснабжения Санкт-Петербурга действовало специализированное предприятие, представляющее собой военизированную профессиональную команду газоспасателей, – «Аварийно-спасательный центр Водоканала». Основная задача предприятия – минимизация последствий возможной аварийной ситуации.

Исследования последних лет показали, что хлорирование не полностью гарантирует безопасность питьевой воды по микробиологическим показателям. Данному методу присущи существенные технологические недостатки, в частности, невысокая эффективность в отношении вирусов. Ряд патогенных микроорганизмов обладает устойчивостью к действию хлора и его производных (хлоррезистентностью). В эпидемиологическом плане особую опасность представляют вирусы, которые по сравнению с бактериями более устойчивы к воздействию химических дезинфицирующих реагентов и физических факторов окружающей среды.

С целью сохранения обеззараживающего эффекта при транспортировке питьевой воды по водопроводным сетям, а также для предотвращения образования хлорфенолов и тригалометанов помимо дозирования хлора на водопроводных станциях Санкт-Петербурга осуществлялась предварительная аммонизация воды гидроксидом аммония (рис. 1, а). Связывание гипохлорит-ионов в хлорамины предотвращает их взаимодействие с присутствующими в воде органическими соединениями и с материалом труб в процессе транспортировки воды по распределительной сети, исключая появление в водопроводной воде вредных хлорорганических соединений. В качестве реагента для аммонизации на водопроводных станциях Санкт-Петербурга до 2007 г. использовались 25-процентные водные растворы аммиака (аммиачная вода). Ежедневный расход аммиачной воды по всем водопроводным станциям Санкт-Петербурга составлял более 4 т. Использование такого реагента, представляющего собой летучую щелочь, также представляло экологическую угрозу как для водопроводных станций, так и для всего города [3].

Таким образом, сложившаяся к 2003 г. ситуация с обеззараживанием водопроводной воды Санкт-Петербурга требовала замены жидкого хлора и аммиачной воды другими реагентами с целью повышения эпидемиологической безопасности питьевого водоснабжения города, экологической безопасности производственного процесса, а также эффективности обеззараживания воды на водопроводных станциях. В качестве альтернативы жидкому хлору был выбран гипохлорит натрия, представляющий собой натриевую соль хлорноватистой кислоты, устойчивую в водных растворах. По сравнению с хлором гипохлорит натрия является более простым в применении, малотоксичным, безопасным в эксплуатации реагентом. С точки зрения химических аспектов процесса обеззараживания воды обе рассматриваемые технологии равноценны.

При взаимодействии газообразного хлора с водой образуется хлорноватистая кислота:

Cl₂ + H₂O = HCl + HСlO.   (1)

В щелочной среде хлорноватистая кислота диссоциирует с образованием иона водорода и гипохлорит-иона:

HClO = H⁺ + ClO^–.

При использовании для обеззараживания воды гипохлорита натрия гипохлорит-ион напрямую вводится в обрабатываемую воду. При этом часть гипохлорит-ионов гидролизуется:

NaСlO + H₂O = NaOH + HСlO.           (2)

Наибольшая бактерицидная активность гипохлорит-ионов проявляется в условиях, когда их концентрация приблизительно равна концентрации сопряженной хлорноватистой кислоты [4].

При использовании гипохлорита натрия вследствие его гидролиза по реакции (2) концентрация гидроксил-ионов увеличивается, что способствует достижению оптимальных условий обеззараживания, приближая значение рН исходной воды (как правило, 7–7,4) к значениям, соответствующим отрицательному логарифму константы диссоциации хлорноватистой кислоты (рН_а = 7,53 [5]). Напротив, использование газообразного хлора в соответствии с реакцией (1) приводит к некоторому подкислению обрабатываемой воды, уменьшая значение рН, что снижает эффективность обеззараживания при одних и тех же дозах активного хлора. Таким образом, замена газообразного хлора гипохлоритом натрия приводит к повышению эффективности обеззараживания воды.

Применение гипохлорита натрия имеет ряд технологических преимуществ по сравнению с традиционной обработкой воды жидким хлором:
при использовании и хранении гипохлорита натрия практически отсутствует выделение газообразного хлора;
производительность системы дозирования гипохлорита натрия может регулироваться в автоматическом режиме как по сигналу расходомера (пропорциональное дозирование без обратной связи), так и по сигналу прибора, контролирующего остаточное содержание реагента после его введения (дозирование с обратной связью);
при внедрении технологии обеззараживания воды гипохлоритом натрия используются существующие помещения, что значительно упрощает процесс;
товарный гипохлорит натрия содержит относительно невысокие концентрации активного хлора (не более 15% по массе), поэтому оборудование для его нейтрализации значительно сокращается как по размеру, так и по сложности;
товарный раствор гипохлорита натрия содержит свободную щелочь (от 40 до 60 г/дм³), что значительно улучшает условия обработки воды при использовании коагулянтов, содержащих свободную кислоту, и сокращает затраты на подщелачивание обрабатываемой воды;
раствор гипохлорита натрия менее опасен, поэтому к нему предъявляются менее жесткие требования при транспортировке;
товарный раствор гипохлорита натрия может перевозиться всеми видами транспорта.

В настоящее время водопроводные станции ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» используют растворы гипохлорита натрия двух видов:
высококонцентрированные (160–190 г/дм³) промышленного производства;
низкоконцентрированные (8 г/дм³), которые готовятся на месте употребления электролизным способом из хлорида натрия (поваренной соли).

Переход к использованию растворов гипохлорита натрия вместо жидкого хлора в Санкт-Петербурге начался в 2003 г. на Главной водопроводной станции и Водопроводных очистных сооружениях г. Колпино. Этапы внедрения гипохлорита натрия представлены в таблице. Потребление жидкого хлора планомерно сокращалось (рис. 3). К 2009 г. использование его на водопроводных станциях города полностью прекращено: 26 июня 2009 г. с территории Северной водопроводной станции был вывезен последний баллон с реагентом.

В условиях мегаполиса необходимо обеспечивать сохранение обеззараживающего эффекта при транспортировке питьевой воды по водопроводным сетям. Для этой цели служит технология хлораммонизации питьевой воды.

Неорганические хлорамины являются результатом реакции ионов ClO^– или молекул хлорноватистой кислоты (HClO) с ионами аммония (NH₄⁺) или с аммиаком. В зависимости от значения рН и концентраций гипохлорит-ионов и ионов аммония образуются монохлорамины (NH₂Cl), дихлорамины (NHCl₂) или трихлорамины (NCl₃). Два последних соединения являются неустойчивыми. Реакция образования монохлорамина выглядит следующим образом:

NH₄⁺ + ClO^–
NH₂Cl + H₂O.            (3)

Увеличение соотношения ClO^–/NH₄⁺ приводит к образованию дихлорамина:

NH₂Cl + ClO^–
NHCl₂ + OH^–.            (4)

В условиях обработки невской воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга трихлорамины не образуются.

При нагревании и под действием света хлорамины медленно разлагаются с выделением азота и хлора. В воде хлорамины гидролизуются с образованием аммиака и хлорноватистой кислоты:

NH₂Cl + H₂O 
NH₃ + HClO;             (5)

NHCl₂ + 2H₂O 
NH₃ + 2HClO.           (6)

Хлорамины не являются окислителями. Их окислительно-восстановительные потенциалы имеют очень низкие значения:

E⁰(NH₂Cl + 2H⁺ + 2e 
Cl^– + NH₄⁺) = –1,48 В;

E⁰(NH₂Cl + H₂O + 2e 
Cl^– + NH₃ + OH^–) = –0,81 В;

E⁰(NH₂Cl + NH₄⁺ + 2e 
Cl^– + 2NH₃) = –1,4 В;

E⁰(NH₂Cl + 3H⁺ + 4e 
2Cl^– + NH₄⁺) = –1,39 В;

E⁰(NCl₃ + 4H⁺ + 6e 
3Cl^– + NH₄⁺) = –1,37 В.

Однако продукты гидролиза и разложения хлораминов представляют собой очень сильные окислители:

E⁰(Cl_2(aq) + 2e  
2Cl^– + H₂O) = +1,396 В;

E⁰(HClO + H⁺ + 2e 
Cl^– + H₂O) = +1,5 В;

E⁰(ClO^– + H₂O + 2e 
Cl^– + 2OH^–) = +0,89 В.

Ввиду относительно низких значений констант равновесий в реакциях (5) и (6) связывание хлора в хлорамины (монохлорамин, дихлорамин) обусловливает постоянное присутствие незначительных концентраций форм активного хлора (гипохлорит-ионов, свободного хлора), которые менее интенсивно взаимодействуют с органическими веществами, находящимися в питьевой воде. При этом сохраняется высокий обеззараживающий эффект. Хлорпоглощаемость воды при использовании связанного хлора в несколько раз меньше, чем при применении свободного хлора, что позволяет снизить расход гипохлорита натрия (по сравнению с газообразным хлором). При этом формы активного хлора, обеспечиваемые разложением хлораминов, в основном расходуются не на окисление примесей, а на обеззараживание воды. Фактически хлорамины «консервируют» активный хлор (+1) и являются его переносчиками. За счет описанных процессов, а также вследствие значительно меньшей летучести и реакционной способности хлораминов по сравнению с газообразным хлором аммонирование воды обеспечивает консервацию остаточного хлора в резервуарах, водоводах и в водопроводной сети.

Переход водопроводных станций ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» к использованию сульфата аммония вместо аммиачной воды в процессах аммонирования описан ранее [3; 6]. Концентрированные растворы сульфата аммония доставляет подрядная организация. Концентрация основного вещества в них составляет не менее 38%. Необходимый запас концентрированного (38–40%) раствора сульфата аммония на водопроводной станции обеспечивает ее работу в течение минимум 15 суток. В целом запас концентрированного раствора сульфата аммония и сухого реагента позволяет обеспечить работу в течение не менее 30 суток.

Сульфат аммония дозируется из расчета соотношения дозы ионов аммония к дозе гипохлорит-ионов (в пересчете на активный хлор):

Д_ам/Д_хл = 1/4–1/8.

Оптимальное соотношение сульфата аммония (по аммиаку) и гипохлорита натрия (по активному хлору), а также точная доза сульфата аммония определяются методом пробного хлорирования. Контролируемым показателем является массовая доля иона аммония в растворе сульфата аммония в день поступления реагента на водопроводную станцию.

Реальным практическим методом, обладающим необходимым потенциалом обеззараживания воды и прошедшим проверку на действующих крупных сооружениях водоподготовки, является ультрафиолетовое облучение. При этом химический состав воды не меняется даже при дозах, намного превышающих необходимые.

В результате детального изучения методов обеззараживания воды ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» была принята концепция создания множественных барьеров, предотвращающих возможность микробиологического загрязнения питьевой воды. В соответствии с концепцией, для обеззараживания питьевой воды используется комбинация обработки воды хлораминами (хлорсодержащий реагент – гипохлорит натрия) с УФ-облучением.

Системы УФ-обеззараживания введены в действие на следующих объектах водоснабжения ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»: Главная водопроводная станция (март 2004 г.); Волковская водопроводная станция (август 2005 г.); Кронштадтская водопроводная станция (сентябрь 2006 г.); Московская насосная станция (декабрь 2006 г.); Южная водопроводная станция (февраль 2007 г.); Фрунзенская насосная станция (март 2007 г.); Водопроводные очистные сооружения г. Колпино (май 2007 г.); Повысительная насосная станция № 50 (апрель 2004 г.); Северная водопроводная станция (январь 2008 г.); Муринская насосная станция (январь 2008 г.).

Динамика изменения доли водопроводной воды, обрабатываемой в Санкт-Петербурге ультрафиолетовым излучением, представлена на рис. 4.

Для системы водоснабжения Санкт-Петербурга НПО «ЛИТ» была разработана серия УФ-установок для каждого из блоков обеззараживания. В качестве источников УФ-излучения применяются высокоэффективные амальгамные лампы мощностью 300–350 Вт. Единичная производительность установок составляет до 6300 м³/ч. Индивидуальный подход к подбору оборудования и проектированию в конечном счете позволил снизить капитальные затраты на оборудование и строительство, а также оптимизировать эксплуатационные затраты.

Ультрафиолетовое обеззараживание имеет следующие преимущества: сокращение времени проведения технологических процессов; компактность установок; неизменность вкусовых качеств и химических свойств воды; простота технологического оборудования; повышение экологичности процесса, а также его существенное удешевление. Суммарная пропускная способность комплекса УФ-облучения на водопроводных станциях Санкт-Петербурга составляет 5 645 720 м³/сут.

Выводы

Благодаря совместному использованию гипохлорита натрия и ультрафиолетового облучения воды уже в 2007 г. 99% проб воды на выходах водопроводных станций Санкт-Петербурга полностью соответствовало нормативным значениям (в 2004 г. 95%). Сочетание химического (гипохлорит натрия) и физического (УФ-облучение) методов обработки воды позволило существенно повысить надежность обеззараживания, бактериологическую и эпидемиологическую безопасность водоснабжения города. По официальной статистике Управления Роспотребнадзора, внедрение двухступенчатой системы обеззараживания воды в Санкт-Петербурге способствовало снижению темпов заболеваемости гепатитом А (на 100 тыс. человек населения) с 124,1 случаев в 2004 г.
до 17,9 случаев в 2007 г.

Список цитируемой литературы

1. Кинебас А. К. Внедрение обеззараживания воды гипо­хлоритом натрия и ультрафиолетовым облучением в системах водоснабжения и водоотведения Санкт-Петербурга // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 12, ч. 1.
2. Головачев А. В., Абросимова Е. М. Применение гипохлорита натрия при обеззараживании воды // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 4.
3. Кинебас А. К., Нефедова Е. Д., Русанова Л. П., Бекренев А. В. Предпосылки перехода к использованию сульфата аммония при обеззараживании питьевой воды хлораминами // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 12.
4. Бахир В. М., Леонов Б. И., Паничева С. А. и др. Хи­мический состав и функциональные свойства хлорсодержащих дезинфицирующих растворов // Вестник медицинских технологий. 2003. № 4.
5. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. – М.: Химия, 1989.
6. Кинебас А. К., Нефедова Е. Д., Бекренев А. В., Яковлев В. Ю. Внедрение технологии хлораммонирования воды с использованием сульфата аммония в процессе обеззараживания питьевой воды // Водоснабжение и сан. техника. 2009. № 6.