Магистерская диссертация на тему Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения. Магистерская про УФО. Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения

• Название: Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения
• Анкор: Магистерская диссертация на тему Достоинства и недостатки обеззараживания природной воды методом ультрафиолетового облучения
• Дата: 16.02.2022
• Размер: 2.2 Mb.
• Имя файла: Магистерская про УФО.pdf
• Тип: Документы; #363909
• страница: 5 из 7

2.3 УФ-обеззараживание в системе водоснабжения города Новосибирска
В последние годы на станциях водоподготовки МУП г. Новосибирска
«Горводоканал» был внедрен ряд передовых технологий и инновационных решений, позволивших значительно повысить качество очищенной воды.
По проекту на станциях водоподготовки очистка поверхностной воды, забираемой из реки Обь, осуществлялась по классической схеме – горизонтальные отстойники и скорые фильтры, с первичным и вторичным хлорированием.
Современная концепция водоподготовки основана на принципе многобарьерной очистки, надежно обеспечивающей эпидемиологическую безопасность и высокое качество воды. Такой подход, в сочетании с использованием современных систем управления, в настоящее время применяется на новосибирских сооружениях водоподготовки – насосно- фильтровальных станциях.
Рисунок 2.4 – Технологическая схема НФС
Для укрепления антивирусного и бактерицидного барьера в дополнение к основной схеме обеззараживания воды хлорированием в 2010 г. было внедрено обеззараживание ультрафиолетом на НФС-1, а в 2013 г. – на НФС-5 (рис. 2.5).

58
Рисунок 2.5 – Установки УФО
Цеха оснащены современным отечественным оборудованием, полностью автоматизированным (рис. 2.6), для обработки воды используются амальгамные лампы высокой мощности, и большой срок службы (не менее 16 тыс.ч.). В каждом цехе по четыре установки, обрабатывающие до 15 тыс.м
3
/час воды на
НФС- 1 и до 25 тыс.м
3
/ч на НФС-5, т.е. всю воду, идущую на нужды города.
Рисунок 2.6 – Автоматизация УФО

59
Таблица 2.2 – Основные показатели качества питьевой воды на НФС МУП г.
Новосибирска «Горводоканал»
В настоящее время схема водоподготовки на НФС МУП г. Новосибирска
«Горводоканал» включает в себя аммонизацию воды, подачу коагулянта
(оксихлорида алюминия) современными автоматизированными системами и установками «MixLine» автоматического приготовления и дозирования флокулянта, первичное хлорирование, предварительное флокулирование, отстаивание, фильтрацию, вторичное хлорирование и ультрафиолетовое обеззараживание.
Комплексное использование в схеме водоподготовки нескольких технологий, некоторых технических решений, и методов очистки, не только делает эту схему исключительно надежной и практически универсальной, но и позволяет взаимоисключить недостатки почти каждого из методов в схеме, этим путем добиться наивысшей эффективности очистки и требуемого качества воды (табл. 2.2).

60
2.4 Водоподготовка на Слудинской водопроводной станции в городе
Нижний Новгород
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. м
3
/сут в 1954 г. до 120 тыс. м
3
/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

61 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.
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

62 в фильтрах предусмотрен колпачковый дренаж. Данные мероприятия оптимизировали и повысили уровень работы первой и второй ступеней очистки, а также уровень качества 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 на этапе первичного хлорирования, где хлор взаимодействует с недостаточно чистой водой, образуются токсичные побочные продукты хлорирования. В присутствии с аммиаком образуется, так называемый, связанный хлор, который чуть дольше остается в воде, но гораздо меньше способствует появлению побочных продуктов, чем свободный хлор. 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. 2.7). Гипохлорит натрия обеспечивает эффективное обеззараживание и защиту от большинства

63 известных патогенных бактерий, грибковых инфекций, простейших. По данным, 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.
Рисунок 2.7 – 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

64 обеззараживающим действием. 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.
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 ниже (за 100% приняты показатели до применения озонирования).

65
Таблица 2.3 – Результаты применения технологии первичного озонирования
Ультрафиолетовое облучение достаточно широко применяется для обеззараживания в технологических схемах водоподготовки. Аргумент в пользу использования ультрафиолетового облучения является в необходимости удаления устойчивых к хлору вирусов и цист простейших. Эффективность обеззараживания ультрафиолетовым облучением в отношении этих микроорганизмов доказана исследованиями российских ученых и практическими заключениями в ходе эксплуатации на действующих станциях.
Учитывая наличие широкого спектра побочных продуктов у некоторых отдельных методов очистки, достижение высокой степени очистки с помощью какого-либо одного метода невозможно. Поэтому совершенствование схемы водоподготовки, как правило, происходит по пути увеличения этапов очистки и, собственно, комплексного использования разных методов обеззараживания.
Благодаря высокой эффективности по удалению различных микроорганизмов и отсутствию побочных продуктов ультрафиолетовое облучение хорошо вписывается в эту концепцию. Потому что, в любой даже практически самой совершенной системе водоподготовки, в которой может присутствовать такие

66 методы очистки как мембранная фильтрация или обратный осмос, ультрафиолетовое облучение включают как конечный гарант безопасности.
Рисунок 2.8 – Станция ультрафиолетового обеззараживания воды
До того, как внедрили блоки ультрафиолетового обеззараживания, на
Слудинской водопроводной станции уже имелись этапы, которые способны обезопасить от микроорганизмов: хлораммонизация, озонирование, коагуляция-осветление, хлорирование. Однако стоит уточнить, что даже такой сильный окислитель, как озон на предварительной стадии не гарантирует полное удаление микроорганизмов, а основной его функцией является окисление. Уязвимость водоисточника и эпидемиологическая ситуация в городе свидетельствовали о необходимости усиления эффективности обеззараживания воды.
Для повышения барьерной роли на этапе заключительной обработки воды в дополнение к основной схеме обработки в 2009 г. на Слудинской станции было внедрено обеззараживание ультрафиолетом перед подачей в сеть (рис.
2.8). Цех был оснащен современным отечественным оборудованием, использующее для облучения воды амальгамные лампы высокой мощности с длительным сроком службы. В блоке три УФ-установки вертикального типа
(рис. 2.9) производительностью по 7 350 м
3
/ч и энергозатратами порядка 26
Вт/м
3

67
Рисунок 2.9 – Блок УФ-установок
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, вторичное хлорирование, ультрафиолетовое обеззараживание (рис. 2.10).
Рисунок 2.10 – Технологическая схема Слудинской водопроводной станции.
1 – насосная станция первого подъема; 2 –озонирование; 3 – смеситель;
4 –отстойник или осветлитель; 5 – скорый песчаный фильтр; 6 – резервуар чистой воды; 7 – насосная станция второго подъема; 8 – установка ультрафиолетового обеззараживания.
Схема совмещает в себе несколько технологий, работающих на эпидемиологическую безопасность воды, это делает эту схему исключительно не только надежной, но и универсальной, а также отбрасывает некоторые

68 недостатки отдельных методов, исключая их другими, тем самым идет стремление к максимальной эффективности от их использования.
Нет оснований для сомнения в том, что хлорирование еще долгие годы будет оставаться неотъемлемой составляющей процесса водоподготовки. Ни одно из промышленных средств дезинфекции 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.
В достоинства хлораммонизации можно выделить стабильность соединения, в результате которого хлорамины могут долго присутствовать в воде, а отсюда следует повышение санитарного состояния водопроводных сетей. Также следует учесть данные о предотвращения хлораминами биологического обрастания внутри трубопроводов, что опять же способствуют улучшению санитарного состояния водопроводных сетей, следствии чего, конечно, повысится качество питьевой воды. Упоминаемый уже ранее не раз недостаток хлорирования – образование побочных хлорорганических соединений, в случае с хлораминами слабо дает о себе знать, т.е. почти не заметен. Это связано с тем, что хлор и аммиак держат стабильное соединение.
Еще одним фактором контроля образования хлорорганических соединений является использование на этапе предварительной обработки озона.
Таким образом, использование хлораминов и свободного хлора, а также дополнительное озонирование исходной воды 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.

69
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. 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 способно гарантировать полное уничтожение микроорганизмов и 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.
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.

70
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.
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 на
33% капитальных и эксплуатационных затрат на ультрафиолетовое обеззараживание.
Ультрафиолетовое обеззараживание универсально практически по отношению к любым микроорганизмам и практически полном отсутствии побочных образований. В добавок к этим устоявшимся достоинствам ультрафиолетового облучения воды применение хлораминов поможет компенсировать его небольшой минус в отношении отсутствия последействия.
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. 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,

71 обеспечивающей питьевой водой 2 млн. человек в метрополии г. Бостона и др.
Слудинская станция в Нижнем Новгороде стала первой в России, использующей такую технологию.
Итак, 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.

72