ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ АММОНИЗАЦИИ И ХЛОРИРОВАНИЯ ПРИ ПОДГОТОВКЕ МОСКВОРЕЦКОЙ ВОДЫ

И. Ю. АРУТЮНОВА1, О. Б. КАЛАШНИКОВА2

1Арутюнова Ирина Юрьевна, заместитель начальника Инженерно-технологического центра, ОАО «Мосводоканал»

121500, Россия, Москва, ул. В. Ботылева, 1, тел.: (499) 727-32-04, e-mail: arutunova_iy@mosvodokanal.ru

2Калашникова Ольга Борисовна, заместитель начальника, Рублевское отделение ИТЦ, ОАО «Мосводоканал»

Тел.: (499) 727-38-04, e-mail: kalashnikova_ob@mosvodokanal.ru

Рассказано о применении метода предварительной аммонизации и хлорирования при подготовке москворецкой воды. Предложены две технологические схемы обработки воды. Представлены результаты лабораторных исследований по изучению динамики образования хлороформа во времени и определению максимальной эффективности снижения его концентрации при различных режимах предварительной аммонизации и хлорирования. Приведена сравнительная оценка интенсивности образования хлороформа при водоподготовке с применением предварительной аммонизации и хлорирования и по традиционной схеме очистки воды. Получен надежный технологический эффект, позволяющий не превышать норматив на содержание хлороформа в питьевой воде и обеспечивающий требуемое качество питьевой воды по основным химическим и микробиологическим показателям.

Ключевые слова: водоподготовка, хлороформ, предварительная аммонизация и хлорирование.

Введение

Хлорирование является одним из важнейших этапов подготовки питьевой воды, обеспечивающим ее надежное обеззараживание и поддерживание санитарного состояния сооружений. При обеззараживании хлором происходит его взаимодействие непосредственно с водой и органическими соединениями, присутствующими в природной воде, что приводит к образованию побочных продуктов дезинфекции, в том числе хлорорганических соединений (ХОС).

Процесс образования ХОС при хлорировании воды, а также концентрация этих веществ в обрабатываемой воде зависят от многих факторов и, прежде всего, от температуры воды и содержания органических соединений природного и антропогенного происхождения, например гумусовых веществ, нефтепродуктов и др. Кроме того, на образование ХОС в процессе очистки воды оказывает влияние концентрация и компонентный состав водного гумуса, а также другие особенности качества природной воды. Одним из источников образования ХОС могут служить микроводоросли, развивающиеся в водных объектах, что может явиться дополнительным фактором в сезонных колебаниях содержания ХОС в питьевой воде [1]. При обработке москворецкой и волжской воды наибольшие уровни содержания этих соединений наблюдаются в летний период при повышении температуры речной воды.

Помимо качественных характеристик очищаемой воды, образование ХОС существенно зависит от режима ее обработки на водопроводных станциях. В первую очередь это относится к этапу первичного хлорирования. Концентрация ХОС возрастает прямо пропорционально дозе хлора и времени контакта его с водой [2].

Наиболее часто при хлорировании воды обнаруживаются хлороформ, бромоформ, дибромхлорметан, бромдихлорметан. Эти соединения являются токсичными и канцерогенными и в концентрациях выше установленных ПДК могут создавать опасность для здоровья человека [3]. Из регистрируемых ХОС наиболее значимые концентрации наблюдаются для хлороформа, который отнесен по классификации МАИР1 к канцерогенным веществам группы 2Б.

Обзор мирового опыта обеззараживания хлором и поиск методов, позволяющих предотвратить образование ХОС в процессе водоподготовки, показал, что в настоящее время практически невозможно отказаться от использования хлорсодержащих реагентов при очистке поверхностных вод, что в основном связано с их бактериальной загрязненностью.

Во многих странах наблюдается тенденция снижения величины предельно допустимых концентраций ХОС. Произошло ужесточение норматива и в России – до 60 мкг/л (для хлороформа). В связи с этим поиск методов, позволяющих снизить содержание ХОС в питьевой воде, является одной из наиболее актуальных проблем в системах водоподготовки.

Предпочтение отдается технологическим решениям, направленным не на удаление ХОС, образованных при обработке воды, а на предотвращение или минимизацию их образования при хлорировании воды. Рациональным решением, позволяющим уменьшить образование ХОС в питьевой воде, является применение хлораммонизации на предварительной стадии обработки воды. При использовании связанного хлора, обладающего более низким окислительным потенциалом по сравнению со свободным хлором, в обрабатываемой воде образуется значительно меньшее количество ХОС. При этом эффективность обеззараживания в отношении основных индикаторных микроорганизмов, как правило, не уступает традиционному режиму. Поскольку связанный хлор обладает пролонгированным действием и способствует стабилизации величины остаточного хлора в фильтрате, это позволяет поддерживать значение СТ (произведение величины остаточного хлора на время контакта) на уровне, достаточном для достижения необходимого дезинфицирующего эффекта и поддержания санитарного состояния сооружений.

Описание технологического процесса

На экспериментальной станции очистки воды (ЭСОВ) ОАО «Мосводоканал» для обработки москворецкой воды был применен метод предварительной аммонизации и хлорирования. В ходе испытаний рассматривались две технологические схемы обработки воды (табл. 1).

Таблица 1

Сооружение

Технологическая схема № 1

Технологическая схема № 2

Смеситель

Ввод аммиака и хлора (NH3 +Cl2)

Смеситель

Ввод коагулянта Al2(SO4)3 и флокулянта Praestol 650

Отстойник

Отстаивание

Фильтр (кварцевый песок)

Фильтрация

Песчаный фильтр (фильтрат)

–

Ввод аммиака и хлора (NH3 +Cl2)

В технологической схеме № 1 осуществлялся однократный ввод аммиака и хлора на стадии предварительной обработки воды в смесителе, в схеме № 2 – и в смесителе, и после фильтрации на кварцевом песке.

Для проведения предварительной аммонизации и хлорирования на сооружениях ЭСОВ рабочие дозы хлора и аммиака, а также их соотношения подбирались в условиях лабораторного эксперимента. Критериями подбора доз для работы сооружений являлись следующие факторы: отсутствие бактериологического и гидробиологического загрязнения; низкая концентрация хлороформа; концентрация остаточного хлора в фильтрате, предполагающая проведение основного хлорирования и аммонизации фильтрата, или величина остаточного хлора в фильтрате, обеспечивающая его содержание в резервуаре питьевой воды 1,1–1,2 мг/л без применения хлорирования и аммонизации фильтрата.

Результаты и обсуждение

Результаты работы на экспериментальной технологической линии

Анализ данных, полученных в ходе эксперимента на технологической линии ЭСОВ в разные сезоны года, показал, что для работы сооружений в режиме предварительной аммонизации и хлорирования на москворецкой воде в качестве рабочего можно рекомендовать диапазон доз хлора 1,2–2,9 мг/л и аммиака 0,1–0,4 мг/л.

Питьевая вода, полученная при данных режимах обработки, по основным химическим, бактериологическим и гидробиологическим показателям качества соответствовала нормативу на питьевую воду. Средние данные за год по микробиологическим и гидробиологическим анализам воды, подтверждающие эффективность предварительной хлораммонизации, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Показатель

Точка отбора пробы

р. Москва

отстойник

фильтр

Резервуар питьевой воды

ОМЧ, КОЕ/мл

244

11

1

0

ОКБ, ТКБ, КОЕ/100 мл

530

0

0

0

Клостридии, КОЕ/20 мл

14

1

0

0

Колифаги, КОЕ/100 мл

81

0

0

0

Зоопланктон (живые организмы), ед.

6394

24

0

0

Результаты лабораторных исследований

В ходе лабораторного эксперимента изучалась зависимость образования хлороформа при использовании различных доз хлора и аммиака за период контакта с реагентами 8 часов (Рис. 1).

Рис. 1. Динамика изменения концентрации хлороформа при различных режимах хлораммонизации (период контакта 8 ч)

доза хлора, мг/л:  1,5;  2;  2,5

Как видно из графика, доза хлора существенно влияет на количество образующегося хлороформа. Так, от дозы хлора 2,5 мг/л, без применения аммиака, концентрация хлороформа через 8 часов контакта составила 82 мкг/л, что практически в 3 раза больше, чем от дозы хлора 1,5 мг/л при прочих равных условиях. Применение аммиака позволило получить существенное снижение концентрации хлороформа. Значительное снижение было получено от доз аммиака 0,2; 0,3 и 0,4 мг/л при дозе хлора: 1,5 мг/л – 75–86%; 2 мг/л – 66–83%; 2,5 мг/л – 50–73%.

Несмотря на очевидную эффективность использования предварительной аммонизации и хлорирования для снижения содержания ХОС, результатом ее также является образование хлораминов, которое приводит к снижению эффекта обесцвечивания. В связи с этим, наряду с поиском путей снижения концентрации хлороформа при обработке москворецкой воды, представлялось необходимым провести лабораторные исследования, направленные на определение зависимости величины цветности от доз и последовательности ввода хлора и аммиака. Была проведена серия лабораторных экспериментов, включающих в себя различные комбинации ввода реагентов и их доз. Дозы реагентов составили: хлор – 1; 3; 5; 7 мг/л; аммиак – 0,25 мг/л (рабочая доза аммиака, выбранная на основании пробной хлораммонизации). Разрыв во времени между вводами реагентов при способе введения аммиака после хлора составил 1; 3; 5 минут.

Предполагалось, что введение аммиака после хлора позволит более полно использовать обесцвечивающее действие хлора. Однако в результате проведенного эксперимента на москворецкой воде ожидаемый эффект по снижению цветности не был получен. Цветность при максимальном времени ввода аммиака после хлора (5 минут) уменьшилась всего на 2 град.

В ходе эксперимента исследовалась также зависимость концентрации хлороформа от доз и последовательности ввода хлора и аммиака (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость концентрации хлороформа от последовательности ввода хлора и аммиака

1 – без аммиака; с вводом аммиака: 2 – через 1 мин; 3 – через 3 мин; 4 – через 5 мин; 5 – до хлора

Общая тенденция образования хлороформа имела следующий характер:

Эксперимент с различным временем ввода реагентов показал преимущество ввода аммиака до хлора по снижению концентрации хлороформа и нецелесообразность изменения порядка ввода вышеназванных реагентов для повышения эффективности обесцвечивания москворецкой воды.

Была проведена серия лабораторных экспериментов по изучению динамики образования хлороформа во времени и определению максимального эффекта его снижения при различных режимах предварительной аммонизации и хлорирования. Использовались дозы хлора 1,5; 2; 2,5 мг/л. Дозы аммиака составили: 0; 0,1; 0,2; 0,3 мг/л. Время контакта – 0,5; 4; 8 и 24 часа. В качестве примера приведена диаграмма, на которой показана динамика образования хлороформа во времени в летний период с использованием дозы хлора 2,5 мг/л (рис. 3).

Рис. 3. Динамика образования хлороформа во времени (доза хлора 2,5 мг/л)

время контакта, ч:  0,5;  4;  8;  24

Очевидно, что при хлорировании воды без аммиака процесс образования хлороформа протекал во времени следующим образом: через 0,5 ч контакта концентрация хлороформа составила 60 мкг/л, через 4 часа увеличилась до 88 мкг/л, через 24 часа снизилась до 79 мкг/л. Такая тенденция обусловлена тем, что все органические компоненты, участвующие в процессе образования хлороформа, прореагировали с хлором за время контакта 4 часа. Дальнейшее увеличение концентрации хлороформа для данной исходной воды не наблюдалось.

Анализ данных, полученных в ходе лабораторных экспериментов по изучению динамики образования хлороформа во времени и определению максимального эффекта его снижения при различных режимах предварительной аммонизации и хлорирования, выполненных в разные сезоны года, показал следующее:

применение дозы хлора 2,5 мг/л без аммиака привело к образованию хлороформа в концентрациях до 60–88 мкг/л, превысив его нормативное значение. Использование аммиака дозами 0,2 и 0,3 мг/л позволило снизить концентрации хлороформа на 50–78% и обеспечило его нормативное значение.

применение хлора дозой 2 мг/л без аммиака привело к образованию хлороформа в концентрациях до 37–53 мкг/л, что близко к нормативу – 60 мкг/л. Использование аммиака в диапазоне доз 0,1–0,3 мг/л позволило снизить концентрации хлороформа на 40–80%;

применение дозы хлора 1,5 мг/л без аммиака привело к образованию хлороформа в концентрациях до 28–44 мкг/л, что не превысило норматив. Однако использование аммиака в диапазоне доз 0,1–0,3 мг/л, кроме дополнительного снижения концентрации хлороформа до 5–7 мкг/л, дало возможность получить хлорамины, которые в отличие от свободного хлора являются устойчивыми соединениями и способствуют стабилизации остаточного хлора в смесителе и в фильтрате, что продлевает дезинфицирующий эффект и повышает санитарную надежность сооружений.

Сравнительная оценка концентраций хлороформа при различных режимах обработки воды

Проведена сравнительная оценка концентраций хлороформа, образующегося при обработке речной воды, на экспериментальной технологической линии ЭСОВ с применением предварительной аммонизации и хлорирования и на сооружениях Рублевской станции водоподготовки до и после внедрения преаммонизации. Результаты представлены на рис. 4.

Рис. 4. Динамика изменения концентрации хлороформа до и после внедрения предварительной аммонизации и хлорирования на Рублевской станции водоподготовки1 – сооружения станции; 2 – норматив; 3 – экспериментальная линия ЭСОВ

После внедрения предварительной аммонизации и хлорирования концентрация хлороформа снизилась с 50–87 до 6–15 мкг/л.

Выводы

Проведение исследований на пилотной станции позволило перейти к широкомасштабному внедрению метода предварительной аммонизации и хлорирования на действующих сооружениях московских станций водоподготовки. Это позволило получить гарантированный и надежный технологический эффект по обеспечению нового норматива на содержание хлороформа в питьевой воде (60 мкг/л) с сохранением регламентируемых норм, предъявляемых к основным химическим и микробиологическим показателям.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ