Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Техногенные загрязнения источников питьевой воды и обеспечение ее качества

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Кантор, Лев Исаакович, Уфа

Муниципальное предприятие «Уфаводоканал»

На правах рукописи

КАНТОР ЛЕВ ИСААКОВИЧ

ТЕХНОГЕННЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕЕ КАЧЕСТВА

(НА ПРИМЕРЕ УФИМСКОГО ПРОМУЗЛА)

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 1998

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

.5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................10

1.1 ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЕ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ................................................10

1.2 РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПРОБЛЕМЕ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ПРОБЛЕМЫ ИХ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ...........................................................................13

1.3 ПРОЦЕСС ФИЛЬТРОВАНИЯ - КЛАССИЧЕССКИЙ ПРОЦЕСС ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В ТРАДИЦИОННЫХ СХЕМАХ ЕЕ ПОДГОТОВКИ............24

1.4 ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ...........................................................39

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ИСТОЧНИКОВ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ)...................................45

2.1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ВОДОЗАБОРОВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ.......................................................................45

2.2 КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ ПО СУММАРНОМУ СОДЕРЖАНИЮ ТЕХНОГЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ 1-2 КЛАССОВ ОПАСНОСТИ...................................50

2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ, КАК СРЕДСТВА АКТИВНОГО ВЛИЯНИЯ НА КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И ВОДОИСТОЧНИКА В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОГО РИСКА ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕННИЯ....................................62

2.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЛЕТУЧИХ ГАЛОГЕНОРГА-НИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ (ЛГС) В ПИТЬЕВОЙ ВОДЕ...............................................................71

2.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ИНГРЕДИЕНТОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КОЭФФИЦИЕНТ СУММАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРРЕЛЯЦИОННО-РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗА......................................87

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРОВАНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩЕГО ЭФФЕКТИВНОСТЬ СООРУЖЕНИЙ ПО ПОДГОТОВКЕ ВОДЫ ИЗ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСТОЧНИКА (ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ)...........................................................................................93

3.1 ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАДИЦИОННЫХ СПОСОБОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ В ПРИСУТСТВИИ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ................................................

3.2 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕШЕНИЙ УРАВНЕНИЙ, ОПИСЫВАЮЩИХ ПРОЦЕСС ОСВЕТЛЕНИЯ ВОДЫ

ФИЛЬТРОВАНИЕМ, ПОЛУЧЕННЫХ Д.М.МИНЦЕМ [69]. РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ...........................................................................................................................95

3.3 ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМА ФИЛЬТРОВАНИЯ С УБЫВАЮЩЕЙ СКОРОСТЬЮ, КАК СПОСОБА УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ВОДЫ...........................................................................101

3.4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СКОРЫХ ФИЛЬТРОВ В РЕЖИМЕ УБЫВАЮЩЕЙ СКОРОСТИ ФИЛЬТРОВАНИЯ.........................................................................107

3.5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СТУПЕНЧАТОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ФИЛЬТРОВАНИЯ...............................................................................................117

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ВОДОПРОВОДА (ОБСУЖДЕНИЕ РУЛЬТАТОВ).....................129

4.1 ТЕХНОЛОГИЯ СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ (УГЛЕВАНИЕ)...........................................129

4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВОДЫ В РЕЖИМАХ БЕЗ ДОБАВЛЕНИЯ УГЛЯ....................................................................................134

4.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАБОТЫ I СТУПЕНИ ОЧИСТКИ ПРИ ВВОДЕ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ.........................................................................................................149

4.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ РАБОТЫ II СТУПЕНИ ОЧИСТКИ ПРИ ВВОДЕ ПАУ ПЕРЕД СКОРЫМИ ФИЛЬТРАМИ...........................................................................................160

\

4.5 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ УГЛЕВАНИЯ В ДВЕ СТУПЕНИ....................... 172

4.6 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССА УГЛЕВАНИЯ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ВОДОИСТОЧНИКА НА СЕВЕРНОМ КОВШОВОМ ВОДОЗАБОРЕ Г.УФЫ......................................................................174

ГЛАВА 5. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................180

5.1 МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ПРЕДПРИЯТИИ «УФАВОДОКАНАЛ»...................181

5.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В ВОДЕ........................................................185

5.2.1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ ГАЛОГЕНСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ (ЛГС)............186

5.2.2 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕТУЧИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ (ЛАУ)...............187

5.2.3 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕСТИЦИДОВ........................................................................188

5.2.4 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ВВОДЕ..............................................................................................................................189

5.2.5 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФЕНОЛОВ..............................................................................190

5.3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ТЕХНОЛОГИИ УГЛЕВАНИЯ...........................................................................191

ВЫВОДЫ......................................................................................................................193

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................................195

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................212

ВВЕДЕНИЕ.

В последнее время, в связи с техногенными загрязнениями источников водоснабжения, обеспечение качества питьевой воды является одной из важнейших составляющих проблемы обеспечения экологической безопасности жизнедеятельности человека. Среди техногенных загрязнений значительную долю составляют органические вещества, в том числе, ксенобиотики и супер-экотоксиканты. Следует учитывать способность многих токсичных веществ к биоаккумуляции, трансформации в еще более токсичные соединения, кумулятивное воздействие на организм человека совокупности различных веществ, возникновение отдаленных эффектов и т.д.

Главная трудность, возникающая при обеспечении необходимого качества питьевой воды, заключается в неспособности традиционных очистных сооружений осуществлять очистку воды от техногенных веществ. С другой стороны, проектирование и строительство новых сооружений по глубокой очистке воды с применением озонирования, сорбции и других современных процессов является не только дорогостоящей и длительной во времени задачей, но и сложной технической проблемой.

Осложняющими моментами являются трудности химико-аналитического определения и контроля токсикантов, исключительно малые уровни их фактических и предельно-допустимых концентраций при широком варьируемом спектре различных загрязнений.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами технических мероприятий муниципального предприятия «Уфаводоканал» (19901998гг.), направленных на выполнение Постановления СМ СССР от 2 июня 1990г., №556 «О первоочередных мерах по охране окружающей среды в гг.Уфе и Благовещенске Башкирской АССР», Постановлений СМ Республики Башкортостан от 29 мая 1992г., №168 «Об экологической обстановке в г.Уфе в связи с обнаружением в питьевой воде диоксина»; от 15 марта 1993г., №95 «О ходе выполнения постановления Совета Министров Республики

Башкортостан от 29 мая 1992г., №168 «Об экологической обстановке в г.Уфе в связи с обнаружением в питьевой воде диоксина»; от 22 марта 1993г., №104 «О проекте республиканской программы «Диоксин».

В связи с изложенным, цель настоящей работы заключается в разработке научно обоснованных методов обеспечения нормативного качества питьевой воды при загрязнении водоисточника техногенными токсикантами без существенной реконструкции действующего водопровода.

Для достижения указанной цели в настоящей работе нами решались следующие задачи:

1. Исследовать техногенные примеси воды и осуществить оценку ее качества в реальном масштабе системы водоснабжения, расположенной в зоне повышенного риска загрязнения водоисточника.

2. Выявить наиболее эффективные способы очистки воды, а также принятия решений по обеспечению нормативного качества питьевой воды на основе объективной информации о составе загрязнителей воды.

3. Исследовать работу фильтровальных сооружений на основе классических теоретических моделей и некоторые возможности их практического приложения при решении задач улучшения качества осветления воды на действующем водопроводе большой производительности.

4. Повысить эффективность осветления воды на скорых фильтрах большой производительности без их реконструкции и потери мощности для удаления токсикантов, иммобилизованных на взвешенных частицах, и сокращения образования хлорорганических соединений при вторичном хлорировании.

5. Выявить способ извлечения токсикантов из воды и пути его реализации при различной загрязненности в условиях действующего водопровода большой производительности при минимальной реконструкции сооружений.

Решение поставленных задач позволило получить следующие основные результаты.

Рассмотрены экологические факторы, обуславливающие характер техногенных загрязнений.

В дополнение к ГОСТу проведены исследования более 70 техногенных загрязнителей питьевой воды и водоисточника. Показана необходимость учета этих загрязнений для оценки качества воды наряду с традиционными загрязнениями природного происхождения.

Выполнена количественная оценка суммарного содержания техногенных веществ 1 и 2 классов опасности для водоисточников и питьевой воды различных водозаборов. Проведена сравнительная оценка качества воды и установлены некоторые сезонные закономерности изменения коэффициента суммации. Выявлено, что основное количество повышенных концентраций загрязнений связано с экстраординарными ситуациями, что требует организации барьерной технологии очистки.

На основе корреляционно-регрессионного анализа выявлены ингредиенты, которые вносили наибольший вклад в коэффициент суммации для Северного ковшового водозабора.

За рассматриваемый период наиболее существенный вклад в коэффициент суммации вносили хлороформ, бенз(а)пирен, бромдихлорметан, 2,4-Д.

Установлено, что приоритетными загрязнителями питьевой воды являются летучие галогенорганические соединения (ЛГС). Снижение концентрации ЛГС достигается путем сокращения сброса ЛГС со сточными водами в водоисточники, а также технологическими мероприятиями, направленными на предотвращение их образования в процессе хлорирования при водоподго-товке. Показаны практические пути снижения ЛГС на действующем водопроводе.

Достигнуто снижение ЛГС в питьевой воде по коэффициенту суммации в 2,1-3,3 раза.

Разработаны некоторые математические дополнения к теоретическим аспектам процесса фильтрования, которые позволили обосновать выбранные решения и осуществить численное моделирование при изменении параметров процесса.

Проведен технологический анализ работы производственных скорых фильтров на основе полученных зависимостей, определяющих их оптимальную производительность. Показано, что качество осветления воды скорыми фильтрами возможно улучшить без потери производительности.

Теоретически обосновано применение новой технологии рационального управления станцией скорых фильтров, работающих в режиме убывающей скорости фильтрования.

Практически доказана возможность повышения качества осветления воды путем применения технологии ступенчатого регулирования скорости фильтрования для станций скорых фильтров, работающих в режиме убывающей скорости без их реконструкции.

Показано, что улучшение качества осветления воды на традиционных сооружениях по очистке воды вносит свой вклад в решение проблемы обеспечения качества питьевой воды в присутствии техногенных загрязнений.

Практически реализована новая технология сорбционной очистки воды углеванием на Северном ковшовом водопроводе г.Уфы и выявлены некоторые особенности проведения процесса в две ступени.

Информация о содержании токсикантов является основой для корректировки и интенсификации процессов очистки воды для улучшения ее качества, таких как изменение технологии хлорирования, снижение дозы хлора, оптимизация технологических процессов, повышение надежности работы сооружений и оборудования, применение новой эффективной технологии ступенчатого регулирования скорости фильтрования.

Подтверждено, что наиболее эффективно углевание на II ступени очистки перед скорыми фильтрами для удаления общего органического углерода,

снижения суммарного содержания летучих галогенуглеводородов, бенз(а)пирена, диоксинов и других техногенных веществ.

Полученные результаты исследований использованы в реальном масштабе системы питьевого водоснабжения г.Уфы, а также могут применяться

при решении аналогичных проблем крупных городов.

*

* *

Автор выражает глубокую благодарность профессору, д.т.н.Фоминых A.M., доценту, к.т.н. Фоминых В.А. за неоценимую помощь в формировании научных взглядов автора, прежде всего, в разработке теоретических аспектов очистки воды фильтрованием.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 ОБЗОР ИНФОРМАЦИИ О СОСТОЯНИИ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЕ ТЕХНОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

В последние годы ощущается изменение приоритетов в подготовке воды для питьевого водоснабжения, связанное с ухудшением экологического состояния окружающей среды и, в частности, качества поверхностных и подземных вод, используемых в качестве источников централизованных систем водоснабжения. Основной причиной загрязнения водоисточников является поступление в них различными путями антропогенных продуктов хозяйственной деятельности человеческого общества.

Химические вещества техногенного характера представляют особую опасность, так как способны накапливаться в воде и водных организмах, а через потребляемую питьевую воду и в самом человеке. В последней все чаще обнаруживают стойкие загрязнения промышленного происхождения.

К настоящему времени существует множество исследований, характеризующих экологическое состояние водных ресурсов. Их результаты широко публикуются [1,2]. Наиболее общие оценки загрязненности водоисточников применительно к проблемам водоснабжения приведены в [3,4,5] и многих других публикациях.

Общее состояние питьевого водоснабжения с санитарно-гигиенической точки зрения оценивается как неблагоприятное [6,7].

Главная трудность, возникающая при получении безопасной питьевой воды нормативного качества, заключается в том, что традиционные очистные сооружения водопроводов были рассчитаны и построены в основном для осветления, обесцвечивания и обеззараживания воды, а их барьерные функции относительно техногенных загрязнений невелики [5,6].

Соответственно химико-аналитические методы и приборы в системе производственного контроля получения питьевой воды были ориентированы на природные загрязнения [8,9] без учета возможности присутствия широкого спектра техногенных загрязнений. Считалось также, что водоемы

обладают значительным резервом самоочищения, а фактор аккумуляции токсичных веществ в природных объектах обычно не учитывался. В последние годы ситуация резко изменилась. Знания о составе загрязнений воды и гигиенические аспекты их влияния на здоровье человека постоянно углубляются и, как следствие этого, нормативы становятся более жесткими и охватывают все более широкий спектр загрязнений [10-13].

Проблема получения качественной питьевой воды в условиях загрязнения водоисточников техногенными веществами - это глобальная проблема мирового масштаба. Имеется множество свидетельств о загрязнении поверхностных и грунтовых вод и далее питьевой воды в разных странах. Этой проблеме уделяется серьезное внимание [14,15]. В мировой практике с данной проблемой столкнулись в 70-х - 80-х годах. Имеются особенности путей развития и решения проблем в различных странах, выражающиеся своими нормами и вариантами технологий, применяемых при подготовке питьевой воды и т.д. [15].

В результате обобщения информации и анализа проблемы получения безопасной и высококачественной питьевой воды в современных условиях можно сделать следующие заключения:

1 .Происходит интенсивное загрязнение водоисточников техногенными продуктами хозяйственной деятельности человека [16-19,24]. Наряду с поверхностными водами повышается загрязненность и наиболее защищенных подземных водоисточников [20-23]. Проникновение токсичных химических веществ в подземные воды отмечено через грунты (пестициды, захоронения промотходов, районы нефтедобычи и т.д.), атмосферные осадки, инфильтрацию из поверхностных водоемов. При этом даже полный комплекс водоохранных мероприятий не позволяет вернуть водоисточники к изначальному природному состоянию экологической чистоты. Безопасность питьевого водоснабжения стала одной из главных составляющих общей экономической безопасности населения [16].

Таким образом, при организации питьевого водоснабжения приходится принимать в расчет состояние загрязненности водоисточника и предусматривать меры по оч