№2|2010

ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

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:

, , , , , ,

 

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].

02-07_ris_01

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.

02-07_ris_02

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 (рНа = 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).

02-07_tabl_01

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.

02-07_ris_03

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 + H2
NH3 + HClO;             (5)

NHCl2 + 2H2
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(Cl2(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):

Дамхл = 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.

02-07_ris_04

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.

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

ecw18 vst 200

VAK2

100х100 Aquatherm18

100х100 stroi ural

Трубопроводная арматура АБРАДОКС, АБРА, ABRADOX, ABRA

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.