Технологические схемы водоподготовки для удаления нитратов на ионообменных смолах в нецентрализованных системах питьевого водоснабжения

УДК 628.16

Статья посвящена разработке технологии водоподготовки для удаления нитратов грунтовых вод в нецентрализованных локальных и индивидуальных системах питьевого водоснабжения. В работе проанализировано современное состояние проблемы нитратного загрязнения источников нецентрализованного питьевого водоснабжения Беларуси. Описано воздействие азотсодержащих вод на здоровье человека. Рассмотрены известные методы удаления аммонийного азота, нитратов и нитритов из природной воды. На базе основных направлений научных исследований в области получения питьевой воды для систем нецентрализованного водоснабжения представлены варианты технологических схем водоподготовки для удаления нитратов грунтовых вод с использованием метода ионного обмена.

Ключевые слова: водоподготовка, технологические схемы, грунтовые воды, кондиционирование воды, нитраты, питьевое водоснабжение, ионный обмен, аниониты, обезжелезивание.

В настоящее время водоснабжение многих сельских населенных пунктов Республики Беларусь (до 56% сельского населения), усадеб городской и пригородной зон (до 7% городского населения) [1, 2] основывается на использовании грунтовых вод, которые эксплуатируются шахтными колодцами либо неглубокими индивидуальными скважинами.

Имея, как правило, хорошие вкусовые качества, эти воды подвергались глубокой геохимической трансформации под влиянием антропогенной деятельности человека.

Обзор литературных данных и результаты собственных гидрохимических наблюдений указывают на высокую степень загрязненности этих вод азотистыми соединениями: максимальные концентрации нитратов превышают допустимые по гигиеническим требованиям к источникам нецентрализованного питьевого водоснабжения (45 мг/дм 3 ) [3, 4] в пять и более раз и отмечены в 41% всех проб источников нецентрализованного водоснабжения в Брестской области при среднереспубликанском уровне 24,5% [5].

Столь высокие уровни нитратного загрязнения шахтных колодцев и скважин заслуживают самого серьезного внимания, так как токсический эффект нитратного загрязнения воды проявляется в метгемоглобинемии (в особенности у детей грудного и младшего возраста) [6]. Длительное употребление воды с повышенным содержанием азотистых соединений вызывает болезни обмена веществ, опорно-двигательного аппарата и нервной системы, наблюдаются генетические нарушения. В кишечном тракте нитраты восстанавливаются в токсичные нитрозамины, обладающие канцерогенными свойствами.

Таким образом, современные масштабы нитратного загрязнения источников нецентрализованного питьевого водоснабжения требуют конкретных предложений в практике проектирования, строительства и эксплуатации колодцев на приусадебных участках с целью возможности обеспечения населения высококачественной питьевой водой.

Для решения существующей проблемы выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования процессов удаления нитратов из подземных вод с целью разработки высокоэффективных технологий и устройств.

Решение проблемы нитратного загрязнения подземных вод

В области водоподготовки для удаления аммонийного азота, нитратов и нитритов из природной воды известны окислительные, сорбционные и ионообменные методы, а также методы электродиализа, обратного осмоса и отдувки воздухом.

Согласно общим положениям и требованиям СНБ 4.01.01-03 [7] удаление соединений азота (ионов аммония NH4+ , нитратов NO3- , нитритов NO2- ) из воды для питьевого водоснабжения может производиться одним из следующих методов:
- ионы аммония - нитрификацией на сухих фильтрах с несколькими ступенями фильтрования с использованием бактерий, окисляющих аммоний;
- нитраты - ионообменом, обратным осмосом, электродиализом и биологической денитрификацией;
- нитриты - окислением с помощью хлора или озона и превращением в нитраты с последующей биологической денитрификацией.

Для воды, содержащей относительно небольшое количество нитрат- и нитрит-ионов (в концентрациях до трех предельно допустимых [8]), могут эффективно использоваться ионообменные фильтры. Загрузка таких фильтров зависит от характера извлекаемых ионов. Объектом исследований, исходя из гигиенических и органолептических соображений, стали сильноосновные аниониты.

Полученные математические модели процесса удаления из воды нитратов на ионообменных смолах позволяют прогнозировать эффективность работы установки в заданном режиме ведения процесса ионного обмена в интервале 20-100%-ной очистки [9]. Изучено влияние анионного состава природных вод на эффективность процесса удаления нитратов методом ионного обмена. Кондиционирование анионного состава воды, имеющее место в процессе удаления нитратов на ионообменных смолах, не ухудшает ее природных свойств и не противоречит стандарту на питьевую воду [9].

Рекомендуемые технологические схемы водоподготовки

Рассмотрим рекомендуемые технологические схемы водоподготовки для удаления нитратов на ионообменных смолах в системах нецентрализованного водоснабжения.

При анализе качества пресных подземных вод Беларуси и практически всех регионов с гумидным климатом (в пределах Российской Федерации, в Польше, Литве и многих других странах) отмечают, что наиболее часто в подземных водах фиксируются повышенные концентрации содержания железа, превышающие допустимый уровень, установленный для вод хозяйственно-питьевого назначения - 0,3 мг/дм3 [10]. Основной формой, в которой железо присутствует в пресных подземных водах, является Fe2+ .

Важнейшими геохимическими условиями, способствующими накоплению железа в подземных водах, являются наличие бескислородной обстановки и отсутствие в водах осадителей железа. Максимальные концентрации в водах кислорода (до 8-11 мг/дм 3 ) и, соответственно, минимальные концентрации железа (не обн. - 0,3 мг/дм3 ) наблюдаются в неглубокозалегающих грунтовых водах на незаболоченных участках. С глубиной содержание кислорода уменьшается. В подобных условиях железо в водах (в форме Fe2+ ) может накапливаться до весьма значительных концентраций (до 20-50 мг/дм 3 )[11].

Таким образом, наличие железа (Fe2+ ) в грунтовых водах, наряду с нитратами, в концентрациях, превышающих предельно допустимые, является дополнительным фактором, определяющим состав технологической схемы водоподготовки для нецентрализованных локальных и индивидуальных систем питьевого водоснабжения.

С учетом принципов компоновки технологических схем, применяемых при обработке воды, а также специфических особенностей водоподготовки, определяемых требованиями потребителей, процесс удаления нитратов будет включать в себя:
- осветление воды (предварительная обработка: для исключения попадания мелких частиц в аппараты последующей водоподготовки);
- кондиционирование воды (основная стадия: обезжелезивание при необходимости; удаление нитрат-ионов);
- обеззараживание и/или сорбцию (заключительная стадия обработки воды при необходимости) [12].

Для технического исполнения процесса обработки подземных вод, содержащих примеси соединений азота и железа, необходимо построить новые или реконструировать существующие сооружения водоподготовки в соответствии с разработанными технологическими схемами, представленными на рис. 1-3.

Для нецентрализованной (локальной) системы питьевого водоснабжения исходная вода при помощи погружного скважинного насоса подается из источника водоснабжения на станцию водоподготовки, где последовательно проходит две ступени обработки на скорых напорных фильтрах (рис. 1):
- первая ступень - обезжелезивание фильтрацией предварительно насыщенной кислородом воды;
- вторая ступень - удаление нитратов с использованием ионообменных материалов (смол).

Рис.1. Технологическая схема обезжелезивания подземной воды и удаления нитратов для нецентрализованной (локальной) системы питьевого водоснабжения

После сооружений первой ступени водоподготовки обезжелезенная вода разделяется на два потока:
- собирается в накопительную емкость на бытовые (гигиенические и хозяйственные) и технические нужды и далее подается потребителю;
- направляется на последующие сооружения второй ступени водоподготовки.

Вода второго потока проходит ионообменный фильтр, обеззараживание с последующим сбором в накопительной емкости и подачей потребителю.

Технологическая схема предусматривает блок реагентного хозяйства для регенерации ионообменного фильтра.

В результате проведенных научных исследований установлено: наименьшее влияние на эффект удаления нитратов оказывает параметр температуры t обрабатываемой воды, подаваемая потребителю вода может иметь температуру первоисточника; более сильное влияние оказывает скорость фильтрования V ф обрабатываемой воды; основным параметром, оказывающим влияние на эффективность процесса удаления нитратов, является величина отношения высоты фильтрующего слоя загрузки (ионообменной смолы) к диаметру фильтра H/d [9].

Для индивидуальной системы питьевого водоснабжения с использованием шахтного колодца исходная вода забирается насосной станцией с пневмобаком и подается для потребления (рис. 2).

Рис. 2. Технологическая схема водоподготовки грунтовых вод, содержащих примеси соединений азота (нитраты) в концентрациях выше ПДК, для индивидуальной системы питьевого водоснабжения

После забора из источника водоснабжения исходная вода может использоваться на гигиенические и хозяйственные нужды без предварительной очистки, поскольку вода в шахтных колодцах в большинстве случаев не содержит примеси железа в концентрациях выше ПДК.

Для получения воды питьевого качества после разделения общего потока исходная вода проходит три стадии обработки: ионообменную с использованием сильноосновных ионообменных материалов (смол), сорбционную с использованием активных углей, обеззараживание ультрафиолетовой лампой.

Для упрощенного контроля процесса водоподготовки предлагается использовать счетчик воды, с помощью которого осуществляется измерение объема воды, прошедшей ионообменную стадию кондиционирования, который не должен превышать заданный ресурс фильтра [12].

При использовании в качестве водозаборного сооружения системы индивидуального водоснабжения неглубоких скважин в воде наряду с примесями в виде азотистых соединений могут присутствовать примеси в виде соединений железа.

На рис. 3 представлена разработанная технологическая схема водоподготовки грунтовых вод, содержащих примеси соединений азота (нитраты) и железа (II) в концентрациях выше ПДК, в индивидуальной системе питьевого водоснабжения.

Рис. 3. Технологическая схема водоподготовки грунтовых вод, содержащих примеси соединений азота (нитраты) и железа (II) в концентрациях выше ПДК, для индивидуальной системы питьевого водоснабжения

Исходная вода забирается насосной станцией с пневмобаком и подается на водоподготовку. Аналогично технологической схеме водоподготовки для отдельных групп потребителей нецентрализованных систем питьевого водоснабжения (рис. 1) исходная вода проходит первую ступень очистки обезжелезивание предварительно насыщенной кислородом воды, после чего разделяется на два потока:
- подается на бытовые (гигиенические и хозяйственные) нужды потребителю;
- направляется на последующую водоподготовку.

Вода второго потока проходит подготовку на сильноосновных ионообменных смолах, сорбционную очистку на активных углях, обеззараживание ультрафиолетовой лампой.

Далее вода второго потока поступает потребителю на питьевые нужды.

Экологическая схема может предусматривать использование сменных картриджей или баллонных фильтров глубокой очистки с блоком реагентного хозяйства для регенерации ионообменных материалов (рис. 4).

Рис. 4. Блок технологической схемы обезжелезивания подземной воды и удаления нитратов с регенерацией ионообменных смол для индивидуальной системы питьевого водоснабжения

После лампы ультрафиолетового обеззараживания целесообразна установка счетчика воды для контроля объема воды, прошедшей ионообменную стадию кондиционирования.

Выводы

Загрязнение подземных вод соединениями азота является острейшей проблемой Беларуси и соседних государств. Увеличение и накопление азотсодержащих соединений в природных водах нашей республики и за ее пределами требует как снятия антропогенных нагрузок, так и улучшения качества питьевой воды путем применения прогрессивных и экономичных методов водоподготовки. Внедрение эффективной технологии для удаления соединений азота из воды источников нецентрализованного питьевого водоснабжения позволит снизить негативное влияние нитратного загрязнения на здоровье населения, поднимет уровень жизни людей.

Литература:

1. Дроздова Е.В. Нитратное загрязнение питьевых вод в республике Беларусь: анализ состояния проблемы и обоснование направления дальнейших исследований/ Е. В. Дроздова, В. В. Бурая, В. А. Рудик // (CD ROM) Здоровье и окружающая среда: сб. на уч. тр. / Респ. науч. практ. центр гигиены; гл. ред. В.П. Филонов. Минск: 30.09.2010. Вып. 15 16. ISSN 2076 3778. С. 56 61.
2. Житенев Б.Н. Современное состояние проблемы загрязнения подземных вод Беларуси соединениями азота и пути ее решения / Б.Н. Житенев, С.В. Андреюк // Водоочистка, Водоподготовка, Водоснабжение. 2016. №4 (100). С. 52 57.
3. Санитарные правила и нормы 2.1.4.12232006 «Санитарная охрана и гигиенические требования к качеству воды источников нецентрализованного питьевого водоснабжения населения», утвержденные Главным государственным санитарным врачом Республики Беларусь 22.11.2006 № 141 // Сборник официальных документов по коммунальной гигиене, часть 10. Минск, 2007. С. 2 21.
4. Санитарные нормы, правила и гигиенические нормативы «Гигиенические требования к источникам нецентрализованного питьевого водоснабжения населения», утвержденные постановлением Министерства здравоохранения Республики Беларусь от 02.08.2010 г. Минск, 2010. 11 с.
5. Гигиеническая оценка водных объектов, водоснабжение и здоровье населения, раздел 5 // Государственный доклад Министерства здравоохранения Республики Беларусь «О санитарно эпидемической обстановке в республике Беларусь в 2015 году». Минск, 2016. С. 64 66.
6. Позин С. Г. О некоторых направления обеспечения безопасности воды для здоровья населения Республики Беларусь / С. Г. Позин, Т. В. Амвросьева, В. И. Ключенович //Военная медицина. 2006. № 1. С. 90 93.
7. Водоснабжение питьевое. Общие положения и требования. Водазабеспячэнне пiтнае. Агульныя палажэннi I патрабаваннi. СНБ 4.01.01 03. Издание официальное. Мн., 2004.
8. СанПиН 10 124 РБ 99. Санитарные правила и нормы. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Минздрав РБ, Минск, 1999.
9. Андреюк С.В. Исследование методов физико химической очистки природных вод от нитратов / С. В. Андреюк// Сборник научных статей Международной научно практической конференции, Брест, 6 8 апреля 2016 г.: в 2 х ч. / УО «Брестский гос. технический ун т»; под ред. А.А. Волчек [и др.]. Брест, 2016. Ч.II. С. 159 163.
10. Пашкевич В.И. Проблемы качества пресных и подземных вод Беларуси / В. И. Пашкевич, А.В. Кудельский// Сборник докладов IV Международного водного форума «Водные ресурсы и климат», Минск, 12 13 октября 2010 г. / РУП «ЦНИИКИВР». Минск, 2011. С. 157 161.
11. Государственный водный кадастр. Водные ресурсы, их использование и качество вод (за 2007 год). Мн., Минприроды РБ, 2008. 92 с.
12. Житенев Б.Н. Технологические решения подготовки воды, с примесями соединений азота и железа, для питьевого водоснабжения / Б. Н. Житенев, С. В. Андреюк //Вестник БрГТУ. 2017. № 2. С. 95 97.

Technological water preparation schemes for removing nitrates on ion exchange resins in non-centralized systems of drinking water supply

The article is devoted to the development of water treatment technology for the removal of groundwater nitrates in non centralized local and individual drinking water supply systems.The paper analyzes the current state of the problem of nitrate contamination of sources of non centralized drinking water supply in Belarus. The effect of nitrogen containing water on human health is described. The methods known in the field of water treatment for the removal of ammonium nitrogen, nitrates and nitrites from natural water. On the basis of the main areas of scientific research in the field of drinking water for systems of decentralized water supply are presented options for water treatment technological schemes for the removal of groundwater nitrates using the ion exchange method.

Keywords: water treatment, technological schemes, ground water, water conditioning, nitrates, drinking water supply, ion exchange, anion exchangers, deironing.

Zhitenev Boris Nikolaevich, candidate of technical sciences, professor of the department;

Andreyuk Svetlana Vasilievna, senior lecturer of the department. Е-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Department of water supply, water disposal and protection of water resources. Educational institution «Brest State Technical University».
224000, Belarus, Brest, Moskovskaya St., 267.

Журнал «Вода Magazine», №5 (129), 2018 г.