Подготовительная исследовательская работа для проектирования водоочистных сооружений ГК «Норильский никель»

СОДЕРЖАНИЕ

 

	Сокращения
	Введение
1	Современные методы очистки воды
1.1	Классификация вод
1.2	Очистка воды от загрязнений первой группы дисперсности
1.3	Очистка воды от загрязнений второй группы дисперсности
1.4	Очистка воды от загрязнений третьей группы дисперсности
1.5	Очистка воды от загрязнений четвертой группы дисперсности
2	Материал и методы исследования
2.1	Физико-географическая характеристика водозабора
2.2	Материалы исследования
2.3	Физико-химические показатели качества природных вод
2.4	Нормативы качества воды
3	Результаты исследований
3.1	Анализ производственного контроля качества воды
3.2	Разработка локального очистного сооружения
	Выводы

 

СОКРАЩЕНИЯ

 

ГМК	–	Горно-металлургический комплекс;
ЛОС	–	Локальное очистное сооружение;
ЗФ	–	Заполярный филиал;
ПДК	–	Предельно допустимая концентрация;
ГДП	–	Грубая дисперсная примесь;
БПК	–	Биологическое потребление кислорода;
АПАВ	–	Анионные поверхностно-активные вещества;
СанПиН	–	Санитарные нормы и правила;
НЕФ	–	Нефелометрические единицы мутности;
ЕМФ	–	Единица Мутности по Формазину;
УЭП	–	Удельная электропроводность;
ИСО	–	Международная организация по стандартизации;
ВОЗ	–	Всемирная организация здравоохранения;
ХПК	–	Химическое потребление кислорода;
УКИЗВ	–	Удельный комбинаторный индекс загрязненности воды

 

ВВЕДЕНИЕ

Большое количество потребляемой воды металлургическими производствами для питьевых нужд требует создания на предприятиях эффективных систем водоочистки. Наличие локальных очистных сооружений является обязательным законодательным требованием, предъявляемым предприятиям промышленности [1]. Предприятиями металлургической промышленности проводится экологический мониторинг потребляемой воды. На основе полученных данных организуются мероприятия, способствующие достижению необходимого качества воды. К решению поставленных задач привлекаются как государственные учреждения, так и российские компании-подрядчики, способные оказать услуги по разработке систем локальных очистных сооружений.

Необходимость в установке локальных очистных сооружений на металлургических производствах становится все более актуальной. За последние годы доля металлургии в общем объеме сброса сточных вод выросла с 16,5 до 17.9 % [1]. С ростом объемов производства растет потребность в воде.

Заполярный Филиал Открытого Акционерного Общества Горно-металлургической компании «Норильский Никель» проводил открытую закупку по выбору поставщика на право заключения договора на установку локальных очистных сооружений подготовки питьевой воды (ЛОС) в производственных подразделениях в период с 16 февраля по 9 марта 2015 г.

Общество с Ограниченной Ответственностью «Комплексные Решения» 9 марта 2015 г. было признано победителем конкурса по лоту: «Установка локальных очистных сооружений подготовки питьевой воды (ЛОС), которая включает: проектирование, изготовление, поставку, монтаж и ввод в работу ЛОС в производственных подразделениях ЗФ ОАО «ГМК «Норильский Никель» в 2015 году». ООО «Комплексные Решения» занимается разработкой многокомпонентных систем фильтров для водоснабжения квартир, домов и предприятий. Основанием для написания дипломной работы является сотрудничество автора с компанией «Комплексные решения».

Целью работы является разработка системы ЛОС, предназначенного для доочистки холодной воды централизованного водоснабжения на питьевые нужды предприятий Заполярного Филиала ОАО «ГМК Норильский Никель» до качества в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» и СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества» [2].

Для решения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Рассмотреть современные методы очистки воды, необходимые для применения в построении ЛОС;

2. Проанализировать данные проведенного производственного контроля качества воды на реке Норильская;

3. На основе анализа полученных данных спроектировать систему ЛОС;

4. Сделать физическое и экономическое обоснование выбранных фильтров для очистки воды в системе ЛОС.

 

1 Современные методы очистки воды

1.1 Классификация вод

 

Критерием удовлетворительного качества воды и пригодности для использования в различных целях является условие, согласно которому присутствующие в воде примеси по концентрациям не будут превышать нормируемых предельно-допустимых концентраций (ПДК). Загрязнением считается водная примесь, концентрация которой превышает установленное для нее предельно-допустимое значение [3]. Применение загрязненной воды возможно, если ее очистить, то есть – уменьшить концентрацию содержащихся в ней загрязнений до нормируемого максимума C_доп. Отсюда следует, что минимально необходимый эффект очистки Э% составляет:                                         

(1)

где С_en – концентрация данного загрязнения в воде до ее очистки.

Методы обработки воды, определенные Л.А. Кульским [4] на основе фазово-дисперсного анализа примесей воды:

Группа I. Воздействие на взвеси (седиментация, осветление во взвешенном слое, осадительное центрифугирование, центробежная сепарация в гидроциклонах, флотация, фильтрование на медленных фильтрах и на скорых фильтрах по безнапорной схеме и пр.).

Группа II. Воздействие на коллоидные примеси, в том числе высокомолекулярные соединения и вирусы (коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, электроискровой метод, биохимический распад, адсорбция на высокодисперсных материалах, в том числе глинистых минералах, ионитах, окисление, воздействие ультрафиолетовым, γ- и β-излучением, потоками нейтронов, ультразвуковая обработка, обработка ионами тяжелых металлов и пр.).

Группа III. Воздействие на растворенные органические вещества и газы (десорбция газов и легколетучих органических соединений путем аэрирования, термической и вакуумной отгонки; адсорбция на активных углях, природных и синтетических ионитах и других высокопористых материалах; экстракция несмешивающимися с водой органическими растворителями; эвапорация; пенная флотация; ректификация; окисление (жидкофазное, радиационное, электрохимическое, биологическое, парофазное, хлором, озоном, диоксидом хлора и пр.)).

Группа IV. Воздействие на примеси ионогенных неорганических веществ. Примеры – ионный обмен, электродиализ, реагентная обработка, кристаллизация [5].

Классификация вод по фазово-дисперсному состоянию примесей представлена в таблице 1.

Классификация вод по материалам фирмы Rohm&Haas («Ром и Хаас», США) подобна классификации Кульского, но дополнительно содержит полезные сведения о силах, удерживающих примеси в воде [6].Классификация примесей вод по силам, удерживающим их в воде, и методы их удаления по материалам «Ром и Хаас» представлены в таблице А.

Состояние водных примесей обусловлено совместным влиянием двух групп факторов: стабилизирующих и дестабилизирующих. Стратегия очистки заключается в подавлении влияния первых и усилении влияния вторых.

 

1.2 Очистка воды от загрязнений первой группы дисперсности

Седиментация – естественный процесс выделения из воды грубых дисперсных примесей (ГДП) путем осаждения или всплывания под влиянием силы тяжести. В технике очистки воды седиментация, или отстаивание – самая распространенная и достаточно эффективная технология.

Очистка воды от ГДП в поле центробежных сил. К аппаратам, основанным на использовании центробежного эффекта, относятся центрифуги и гидроциклоны. В системах водоочистки центрифугирование применяется главным образом при обезвоживании осадка, а при очистке воды от ГДП широко используются гидроциклоны.

Процеживание или поверхностное фильтрование заключается в пропуске воды через водопроницаемые перегородки различных конструкций. К установкам для процеживания относятся решетки, сетки, сетчатые фильтры различных типов, фильтрующие экраны, намывные фильтры, медленные водопроводные фильтры и другие [3].

 

1.3 Очистка воды от загрязнений второй группы дисперсности

К загрязнениям второй группы дисперсности относятся коллоиды, частицы с размерами от 0,1 до 0,01 мкм, т. е. дисперсностью 105–106.

Основной путь очистки воды от коллоидов включает обязательный этап их дестабилизации и последующую агрегацию с образованием ГДП или с закреплением на поверхностях зернистых частиц. Дестабилизация коллоидов достигается коагуляцией.

Коагуляция возникает в результате физико-химических воздействий, а также при взаимодействии коллоидальных систем с разными знаками зарядов (гетерокоагуляция). Воздействие электрического поля уменьшает электрокинетический потенциал частицы. Частицы образуют цепочечные агрегаты, и при напряженности поля, равной критической или превышающей её, происходит коагуляция [3].

Осветлители со взвешенным осадком применяются для предварительной очистки природных вод, при реагентном умягчении воды, при очистке разных видов сточных вод. В процессе очистки происходит постоянное образование новых хлопьев осадка; его избыток  непрерывно отводится в илоуплотнитель. Качество очистки в осветлителе связано с устойчивым состоянием слоя взвешенного осадка, который в неблагоприятных условиях легко взмучивается и размывается, особенно, при низких массовых концентрациях сухого вещества.

Для увеличения массовой концентрации сухого вещества в осадке практикуется искусственное замутнение воды суспензиями (например, глиной) и рециркуляция осадка. Такие меры особенно уместны при очистке маломутных и цветных вод поверхностных источников водоснабжения [7].

Фильтрование применяется для частичной или глубокой очистки воды от дестабилизированных коллоидов и высокодисперсных ГДП. Механизм задержания загрязнений зернистым фильтром – контактная коагуляция. Фильтрование применяют в централизованном водоснабжении уже более 100 лет. Фильтрование происходит через проточные поры. На их стенках в результате контактной коагуляции и образуется сжимаемый осадок, который затем частично вытесняется в смежные полости непроточных пор. Задерживающая способность загрузки зависит от крупности ее фракций. Завершающим этапом фильтрования является промывка. Основным способом промывки фильтрующей загрузки является перевод загрузки в псевдосжиженное состояние в восходящем потоке промывной воды [8].

Очистка электрофорезом основана на использовании эффекта подвижности коллоидальных частиц в поле электрического тока. Полярные коллоидные частицы перемещаются к электродам: положительно заряженные – к катоду, отрицательно – к аноду.

Очистка ультрафильтрацией относится к мембранным технологиям и предназначена для удаления из загрязненной воды мелких коллоидальных частиц и крупных органических молекул. Очистка основана на том, что под давлением от 0,1 до 0,6 мПа молекулы воды, большинство других молекул и коллоидов проходят через «рабочие» поры ультрафильтрационных мембран, не пропускающих коллоидальные и другие, более крупные частицы загрязнений. После многократного повторения этого процесса образуется очищенный ультрафильтрат и концентрат загрязнений, объем которого составляет несколько процентов от объема исходной, неочищенной воды [9].

 

1.4 Очистка воды от загрязнений третьей группы дисперсности

К загрязнениям третьей группы дисперсности относятся частицы диаметрами от 1 до 10 нанометров. Под влиянием диффузии молекулы примесей равномерно распределяются во всем объеме воды и образуют с нею однородную (гомогенную) систему.

Очистка воды сорбцией (адсорбцией) основана на процессе накопления на поверхности твердых частиц (сорбента) молекул растворенных в воде вещества (сорбата). Выделение сорбата из раствора – результат двух противоположных и конкурирующих взаимодействий: притяжения к поверхности сорбента и гидратации, т. е. взаимодействия с молекулами воды. Сорбция возникает самопроизвольно и продолжается с убывающей скоростью до достижения равновесного состояния. Чаще всего применяются неполярные гидрофобные материалы, активированные угли [10].

Экстракция – это альтернативный сорбции метод очистки, применяющийся для удаления молекулярных примесей, в основном органических веществ. Молекулы загрязнений в смеси из взаимно нерастворимых жидкостей распределяются между ними пропорционально растворимости в этих жидкостях. Подлежащая очистке вода смешивается с водонерастворимой жидкостью, называемой экстрагентом. Часть молекулярных загрязнений, переходя в экстрагент и растворяясь в нем, образует экстракт. Очистка завершается отделением экстракта от воды.

Области применения экстракции и сорбции совпадают, и выбор метода базируется на технико-экономических расчетах. Одним из критериев для сравнительной оценки методов является меньший объем поглотителя (экстрагента или сорбента), необходимый для достижения требуемой степени очистки единицы объема одной и той же воды.

Очистка воды десорбцией – это способ очистки воды от молекулярно растворенных газов и летучих примесей. Способ, как и рассмотренные выше - сорбция и экстракция, основан на массообмене между загрязненной водой и поглотителем, которым при десорбции является газ [11].

 

1.5 Очистка воды от загрязнений четвертой группы дисперсности

К этой группе относятся ионы, частицы размерами около одного нанометра и менее. Загрязнения четвертой группы дисперсности распределяются в воде равномерно под влиянием диффузии и образуют однофазную (гомогенную) систему.

Технологические особенности загрязнений четвертой группы дисперсности – участие в диффузионных процессах, гидратация, полярность (наличие заряда) и химическая активность – лежат в основе таких регенеративных методов, как ионный обмен, электродиализ и обратный осмос [12].

Очистка методом ионного обмена основана на том, что твердый материал (ионит) поглощает из воды ионы загрязнений в обмен на эквивалентное количество других, не являющихся загрязнениями, одноименно заряженных обменных ионов. Таким образом, общая концентрация ионов в воде не изменяется, хотя ионный состав становится другим. Процесс ионного обмена продолжается до достижения равновесного состояния, так как является формой массообмена. Ионообменные материалы – синтетические высокомолекулярные соединения кислого или щелочного характера и сульфоугли [13].

Гиперфильтрация и ее вид – нанофильтрация происходят в искусственно созданных условиях обратного осмоса. Если искусственно создать в области больших концентраций растворенных примесей давление, превышающее осмотическое, то перенос через полупроницаемую мембрану молекул воды будет происходить в противоположном (по сравнению с осмосом) направлении. Этот процесс называется обратным осмосом и используется для разделения гомогенных и гетерогенных систем, для очистки воды от крупных молекул и гидратированных ионов, а также коллоидов (ультрафильтрация) [14].

Помимо вышеперечисленных методов очистки воды, существуют также химические, электрохимические и биохимические методы очистки воды. Но в данной работе подробно рассматриваться не будут в силу отсутствия практической значимости.

Таким образом, универсального метода очистки воды, способного отвечать всем современным требованиям качества, не существует, в силу несовершенства технологий очистки. Невозможно одним методом охватить весь спектр дисперсности частиц в воде. Для комплексной очистки воды необходимо применение многокомпонентной системы, включающей в себя несколько методов, в совокупности способных очистить воду до питьевых нужд.

 

2 Материал и методы исследования

2.1Физико-географическая характеристика водозабора

В использовании воды для питьевых нужд необходимо быть осведомленным о физико-химических показателях протекающих природных вод, а также факторах внешнего воздействия на водоток. К внешним источникам воздействия относится географическое положение, климатические условия, литосферный состав, биологическая составляющая экосистемы, организмы живой материи.

Река Норильская протекает в Таймырском Долгано-Ненецком районе Красноярского края. Исток реки – озеро Мелкое, расположенное в 25 км к востоку от Норильска. Высота над уровнем моря – 44 м. Река впадает в озеро Пясино, расположенное в 20 км к северо-западу от Норильска. Высота над уровнем моря – 28 м. Геоморфологически река Норильская считается верхним течением реки Пясина. Карта реки представлена в приложении А.

Протяженность реки составляет 57 км. Притоки – реки Рыбная и Валек. Норильская протекает по Северо-Сибирской низменности, в южной части Таймырского полуострова. Площадь бассейна реки – 20000 км². Бассейн расположен за северным полярным кругом, в зоне вечной мерзлоты.

Гидрологический режим определяется крайне-северным расположением бассейна реки, наличием больших озер в пределах водосбора, большим количеством осадков в течение года, коротким летним периодом положительных температур и равнинным характером реки с небольшим падением русла. Регулирующую роль в водном режиме реки играют многочисленные небольшие озера тундр: Мелкое, Глубокое, Лама, Кета, Собачье, Некомякен и т.д.

Среднегодовой расход воды в устье составляет 460 м³/с. В течении 54 лет со станции «Валек», в 21 км от устья собирались данные о расходе реки. Среднегодовые показатели представлены на диаграмме ниже.

Диаграмма 2.1 – Средний расход воды по месяцам реки Норилка

 

Учитывая географическое положение реки, ее гидрологический режим и условия субарктического климата, можно предположить, что процессы сублимации органических и неорганических веществ водами реки будут заторможены. Следствием этого может послужить: слабая минерализация вод и сезонные колебания щелочности, обусловленные температурным режимом. Эти факторы учитываются в работе как естественные, не вызванные антропогенной нагрузкой.

Отдельное внимание уделено содержанию в воде тяжелых металлов, присутствие которых вызвано влиянием ГМК «Норильский Никель» на естественную структуру экосистемы. По причине того, что предприятие специализируется на производстве цветных металлов, содержание металлов-токсикантов в водах реки Норилка может быть высоким вследствие сорбции и аккумуляции в донных отложениях в результате седиментации органических веществ. Этому процессу способствует сравнительно низкий уровень расхода воды на реке Норилка.

 

2.2Материалы исследования

В качестве материалов для исследования использована информация по проведенному контролю качества воды в двух водозаборах, в точках после насосов на реке Норильская, выданная вместе с техническим заданием главным энергетиком ГМК «Норильский Никель» Лощенкиным Д.А. для реализации заказа на установку ЛОС компанией «Комплексные решения», а также метрологическая характеристика питьевой воды на производственных подразделениях «Норильского Никеля». В 2015 году ЛОС было установлено на семи производственных подразделениях ГМК «Норильский никель», согласно техническому заданию, полученному от Лощенкина Д. А.

Химический анализ исходной воды проводился каждый месяц в период с января по декабрь 2013 г., по 43 показателям. Состав определяемых параметров включает в себя следующие компоненты:

— температура;

— водородный показатель рН;

— мутность;

— цветность;

— запах;

— привкус;

— жесткость;

— окисляемость;

— щелочность;

— аммиак;

— нитриты;

— нитраты;

— кальций;

— хлориды;

— сульфаты;

— железо общее;

— полифосфаты;

— мышьяк;

— сухой остаток;

— растворенный кислород;

—биохимическое потребление кислорода;

— взвешенные вещества;

— нефтепродукты;

— фенолы;

— анионные поверхностно-активные вещества;

— ионы металлов (алюминий, медь, марганец, никель, хром, цинк, свинец, бериллий, бор, кадмий, стронций);

— селен.

По полученным химическим показателям природной воды можно сделать анализ на определение пригодности ее для использования в питьевых нуждах, а также определить, какие мероприятия необходимо проводить для достижения качества, соответствующего нормам СанПиН, то есть – какие методы очистки применимы в данном конкретном случае. Исходя из выбранных методов фильтрации выбираются подходящие по мощности и тонкости очистки фильтрующие элементы. Система локального очистного сооружения включает в себя гидробак и насосную станцию – подбираются, исходя из полученных метрологических характеристик водоснабжения, выданных вместе с техническим заданием.

Анализируя химические показатели качества природных вод, особое внимание уделяли содержанию в воде растворенного кислорода, тяжелых металлов, щелочности, а также водородному показателю рН, так как они наиболее полно составляют общую картину качества исследуемой воды.

 

2.3Физико-химические показатели качества природных вод

В ходе анализа производственного контроля качества питьевой воды и его составляющих – показателей качества воды учитывались физико-химические свойства рассматриваемых показателей. Данный подход позволяет глубже понимать принципы взаимосвязей между показателями. При его использовании также становится возможным выполнить наиболее точный анализ исследуемых показателей, а на основе анализа сделать вывод о пригодности воды для питьевых нужд. Физико-химические свойства включают в себя характеристики вод по показателям качества и предельно-допустимые концентрации, установленные в соответствии с государственными стандартами ГОСТ, применимыми на территории Российской Федерации [2]. В качестве базовых показателей выбраны: взвешенные примеси, мутность, вкус, цветность, жесткость, щелочность, окисляемость,  водородный показатель рН и тяжелые металлы.

1)    Взвешенные примеси.

Взвешенные примеси в природных водах состоят из частиц суспендированных органических и неорганических веществ, песка, глины, ила, планктона и различных микроорганизмов. Прозрачность воды зависит от присутствия в воде взвешенных частиц. Представление о загрязненности воды частицами зависит от содержания в воде взвешенных примесей, измеряемых в мг/л. Характеристика вод по содержанию в них взвешенных примесей представлена в таблице 2. Если в воде содержатся вещества в концентрации 2-3 мг/л или больше, но диаметр частиц меньше 1*10^-4 мм, загрязненность воды определяют по параметру мутность.

Таблица 2 – Характеристика вод по содержанию взвешенных примесей:

Размер частиц, мм	Гидравлическая крупность (скорость осаждения в лабораторном цилиндре в течение 2 ч), мм/с	Примесь (условно)	Время осаждения частиц на 1 м
1	100	Крупный песок	10 с
0,5	53	Средний песок	20 с
0,1	6,9	Мелкий песок	2,5 мин
0,050-0,027	1,7-0,5	Крупный ил	10-30 мин
0,010-0,005	0,070-0,017	Мелкий ил	4-18 ч
0,0027	0,005	Крупная глина	2 сут
0,0010-0,0005	0,00070-0,00017	Тонкая глина	0,5-2 мес
0,0002-0,000001	0,000007	Коллоиды	4 года

 

2)    Мутность и прозрачность.

Мутность воды обусловлена тонкодисперсными примесями, созданными нерастворимыми или коллоидными органическими и неорганическими веществами разного происхождения. Качественная оценка проводится описательно: «мутность не заметна» либо «сильная муть». В России мутность измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0-40 НЕФ, например для питьевой воды. В условиях сильной мутности обычно применяется измерение единиц мутности по Формазину (ЕМФ). Границы измерений: 40–400 ЕМФ.

Интенсивность запаха по ГОСТ 3351-74 оценивают по шестибальной шкале. Запахи второго типа определяют по химическим веществам, создающим анализируемый запах [2]. Характеристика вод по интенсивности запаха представлена в таблице 3.

 

Таблица 3 – Характеристика вод по интенсивности запаха

 

Интенсивность запаха, баллы	Характеристика	Описательные определения
0	Запаха нет	Отсутствие ощутимого запаха
1	Очень слабый	Запах, не замечаемый потребителем, но обнаруживаемый опытным исследователем
2	Слабый	Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый им, если указать на него
3	Заметный	Запах, легко обнаруживаемый и могущий дать повод относиться к воде с неодобрением
4	Отчетливый	Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду неприятной для питья
5	Очень сильный	Запах сильный настолько, что делает воду непригодной для питья

 

3)    Вкус и привкус

Интенсивность вкуса и привкуса также как и запаха определяется по шестибальной шкале, в соответствии с ГОСТ 3351-74 [2]. Характеристика вод по интенсивности вкуса представлена в таблице 4.

Характер вкуса воды так же, как запах определяют органолептически. Качественную оценку привкуса – вкусовых ощущений – выражали описательно: хлорный, соленый и т.д.

 

 

 

Таблица 4 – Характеристика вод по интенсивности вкуса и привкуса

 

Оценка вкуса и привкуса, баллы	Интенсивность вкуса и привкуса	Характер проявления вкуса и привкуса
0	Нет	Вкус и привкус не ощущаются
1	Очень слабая	Вкус и привкус сразу не ощущаются потребителем, но обнаруживаются при тщательном тестировании
2	Слабая	Вкус и привкус замечаются, если обратить на это внимание
3	Заметная	Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительный отзыв о воде
4	Отчетливая	Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья
5	Очень сильная	Вкус и привкус настолько сильны, что делают воду непригодной к потреблению

 

4)    Цветность.

Цветность воды обусловлена наличием окрашенного органического вещества (главным образом гуминовых и фульвовых кислот, связанных с гумусом почвы). На цветность воды сильно влияет присутствие железа и других металлов в виде естественных примесей или в качестве продуктов коррозии. Она также обусловлена загрязнением водоисточника промышленными стоками. Изменение цветности может служить первым признаком возникновения аварийной ситуации. Характеристика природных вод по цветности представлена в таблице 5.

 

 

Таблица 5 – Характеристика вод по цветности

 

 

5)    Жесткость.

Жесткость обусловлена наличием ионов кальция, магния, бария, стронция, железа и марганца. По стандарту ИСО 6107-1-8[2] жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. Основное же негативное воздействие жесткой воды – накипеобразование.

Классификация воды по жесткости:

— очень мягкая – до 1,5 ммоль/л;

— мягкая – от 1,5 до 4;

— средней жесткости – от 4 до 8;

— жесткая – от 8 до 12;

— очень жесткая – более 12.

6)    Щелочность.

Щелочность воды – это суммарная концентрация содержания в воде анионов слабых кислот и гидроксильных ионов, вступающих в реакцию с соляной или серной кислотой в лабораторных условиях с образованием хлористых и или сернокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Щелочность природных водобусловлена, главным образом, содержанием в них гидрокарбонатов и карбонатов, которые вносят значительный вклад в минерализацию воды. Их содержание в воде связано с процессами растворения углекислого газа, взаимодействия воды с находящимися в прилегающих грунтах известняками и дыханием водных организмов.

7)    Окисляемость.

Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителе, называется окисляемостью. Существует несколько видов окисляемости: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (две последних применяются редко). Окисляемость выражается в миллиграммах кислорода, эквивалентного количеству реагента, пошедшего на окисление органических веществ, содержащихся в 1 литре воды.

Окислители могут действовать и на неорганические примеси, например, на ионы Fe²⁺; S^2-; NO₂^-; но соотношение между этими ионами и органическими примесями в поверхностных водах существенно сдвинуто в сторону органических примесей, то есть «органики» в решающей степени больше. Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость. Если учитывать кислород в составе перманганата калия, который идет на окисление органики, то перманганатная окисляемость измеряется в мгО/л.

Характеристика вод по перманганатной окисляемости:

— очень малая – до 4 мгО/л;

— малая – от 4 до 8;

— средняя – от 8 до 12;

— высокая – от 12 до 20;

— очень высокая – более 20.

8) Биохимическая потребность в кислороде

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) – показатель, определяемый при окислении органических веществ природной воды биохимическими воздействиями в аэробных условиях. Чаще всего определяют потребление кислорода за 5 суток – БПК₅. В поверхностных водах, как правило, этот показатель колеблется в пределах 0,5-4 мгО/л. БПК₅ определяют при температуре воды 20^? С, водородном показателе рН=6-8, также необходимо обеспечить доступ кислорода к отобранной пробе. В процессе анализа окисляются примерно 70% легкоокисляемых органических соединений, за 12-20 суток 90-99% соответственно (показания могут быть изменчивы).

Характеристика вод по БПК₅:

— очень чистая – от 0,5до 1,0 мгО₂/л;

— чистая – от 1,1 до 1,9 мгО₂/л;

— умеренно загрязненная – от 2,0до 2,9 мгО₂/л;

— загрязненная – от 3,0до 3,9 мгО₂/л;

— грязная – от 4до 10 мгО₂/л;

— очень грязная – более 10 мгО₂/л.

9) Растворенный кислород

Растворенный кислород в поверхностные воды поступает посредством его абсорбции при контакте с воздухом и фотосинтеза водных растений. В поверхностных водах содержание кислорода может варьироваться от 0 до 14 мг/л. Концентрация кислорода показывает окислительно-восстановительный потенциал и в большей мере направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических веществ.

10) Водородный показатель рН.

Водородный показатель рН – один из важнейших показателей качества воды. Он позволяет спрогнозировать химические, биологические процессы и общий баланс веществ в воде.

Классификация вод по рН:

— сильнокислая – до 3;

— кислая – от 3 до 5;

— слабокислая – от 5 до 6,5;

— нейтральная – от 6,5 до 7,5;

— слабощелочная – от 7,5 до 8,5;

— щелочная – от 8,5 до 9,5;

— сильнощелочная – более 9,5.

11) Тяжелые металлы.

Реймерс Н.Ф. относит к тяжелым металлы с плотностью более 8 г/см³, выделяя подгруппу благородных металлов[20]. Им отнесены к тяжелым: медь, никель, свинец, ртуть, кадмий, висмут, кобальт. Из основных металлов-загрязнителей наиболее опасны для здоровья живых существ: ртуть, кадмий, свинец. Они относятся к первому классу опасности (чрезвычайно опасное химическое вещество).

Тяжелые металлы поступают, в частности, в водоемы со стоками горнодобывающих и металлургических предприятий. Появление металлов-токсикантов в поверхностных водах происходит в результате кислотных дождей, приводящих к растворению минералов и пород.

Поверхностные воды по-разному связывают ионы тяжёлых металлов, проявляя различную буферную емкость. Воды южных озер, рек, водоемов, имеющих большой набор природных компонентов – органических веществ и их высокую концентрацию, способны к более эффективной детоксикации по сравнению с водами Севера и умеренной полосы. Поэтому токсичность вод зависит и от климатических условий. Буферная емкость поверхностных вод по отношению к металлам определяется не только наличием растворенного органического вещества, но и аккумулирующей способностью гидробионтов, а также кинетикой поглощения ионов металлов всеми компонентами экосистемы, включая комплексообразование с растворенными органическими веществами [1].

 

2.4 Нормативы качества воды

Нормирование качества питьевой воды с годами становится все более скрупулезным. В настоящее время – согласно ГН 2.1.5.1315-03 и ГН 2.1.5.1316-03 – в природной воде нормируется содержание почти 1500 веществ.

Нормативные документы подразделяются по целям нормирования: первая определяет качество воды в водоемах и водотоках, вторая определяет требования водопотребителей к качеству природной воды. Помимо государственных федеральных нормативных документов, существуют региональные и ведомственные, иногда противоречащие федеральным.

Сопоставляя нормы качества воды России, США, Европейского Союза и Всемирной Организации Здравоохранения, можно констатировать, что одни и те же показатели качества воды в разных нормативных документах существенно отличаются. При этом, в российских нормативах для некоторых показателей установлены предельно-допустимые концентрации, находящиеся либо за пределами чувствительности применяемых методик, либо за пределами возможных технологий, применяемых для очистки воды – например, ПДК по бензапирену.

Примечательно то, что в отличие от российских норм (СанПиН 2.1.4.1074-01), контролирующих около 1500 показателей, по нормам ЕС – около 50, по нормам США – около 100, по нормам ВОЗ – около 160. Причем по зарубежным нормам для большего количества показателей не указаны значения ПДК вследствие отсутствия, по мнению составителей, надежных данных для составления норм.

Например, международные нормативы качества воды не нормируют такой важный показатель как жесткость – только отдельное содержание в воде ионов кальция и магния – нормы качества питьевой воды Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), нормы Европейского Союза, стандарты ИСО, национальные нормы питьевой воды США. Действующие в России санитарные нормы жёсткости воды (жесткость общая не более 7 мг экв/л) на сегодняшний день существенно устарели.

Сравнение классификаций воды по жесткости в России и ЕС по стандартам ИСО представлено на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Сравнительная схема классификаций воды по жесткости в России и ЕС (стандарты ИСО)

 

Основным документом, определяющим нормы качества питьевой воды в РФ, является СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды». В зависимости от качества воды и требуемой степени обработки водные объекты, пригодные в качестве источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, подразделяют на поверхностные и подземные.

На рисунке 2.2 представлены нормативные документы по контролю качества питьевых вод для различных типов воды.

Рисунок 2.2 – Нормативные документы по контролю качества питьевых вод для различных типов воды

 

Общие требования (взвешенные вещества, окраска, запахи, температура, рН, ХПK, БПK, растворенный кислород) к природной воде водоемов в зависимости от цели водопользования устанавливают ГОСТ 2761-84 и ГН 2.1.5.1315-03, а также СанПиН 2.1.5.980-00. При этом в них указано, что содержание в воде химических веществ не должно превышать их ПДK или ориентировочные допустимые уровни в воде объектов (ГН 2.1.5.1316-03).

Важно, что эти нормативы «распространяются на воду подземных и поверхностных водоисточников, используемых для централизованного и нецентрализованного водоснабжения населения, для рекреационного и культурно-бытового водопользования, а также питьевую воду и воду в системах горячего водоснабжения» [2]. Такая широкая область применения указанных документов вносит сумятицу в нормативную базу, поскольку для одного объекта действует несколько нормативных документов. При этом нужно учесть, что не всегда пробу воды, доставленную на анализ, можно отнести к конкретному типу. Если вода используется в качестве источника централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения необходимо применять нормативы ГОСТ 2761-84 и ГН 2.1.5.1316-03 с дополнениями.

Сфера действия ГН 2.1.5.1316-03весьма обширна, но не всегда ясно, как эти документы соотносятся с другими нормативными актами, действующими в отношении конкретного типа воды.

Гигиенические требования к качеству воды централизованного водоснабжения регламентированы санитарными правилами СанПиН 2.1.4.1074-01.При этом на питьевую воду распространяются также требования гигиенических нормативов: ГН 2.1.5.1315-03 и ГН 2.1.5.1316-03 с дополнениями. По ряду показателей установленные нормативы не совпадают.

Таким образом, большое количество нормативных документов, регламентирующих качество воды, с различающимися значениями нормативов для одного типа воды, установление ПДK на уровне пределов обнаружения современных методов анализа, недостаточное материально-техническое обеспечение лабораторий, сложность подготовки кадров и порой несовершенство методической базы создают множество проблем для анализа воды.

 

3 Результаты исследований

3.1 Анализ производственного контроля качества воды

Отправной точкой анализа качества явилась оценка гидрологического режима рассматриваемой реки Норилка.

По причине крайне-северного географического расположения реки Норилка ее гидрологический режим обусловлен коротким периодом положительных температур в течение года. Многочисленные небольшие озера – Мелкое, Глубокое, Лама, Кета, играющие регулирующую роль в водном режиме реки Норилка, обуславливают наличие большого количества осадков в течение года. Равнинный характер реки с незначительным падением русла создает сравнительно небольшой среднегодовой расход воды – около 460 м³/с.

Климатическое лето на рассматриваемой территории смещено на месяц, о чем свидетельствуют данные, о температуре. Лето начинается с июля. На графике 3.1 представлен ход температур воды в точке водозабора, в течение года.

Из графика 3.1 видно, что в течение года температура воды держится на уровне 1-2 градусов. Резкое потепление в июне с пиком температуры в августе. Максимальная температура: 19^оС.

Водородный показатель рН колеблется в пределах от 7,09 до 7,8 ед. Среднее значение за год 7,46 ед., что близко к нейтральной среде. В целом его показатели соответствуют принятым нормам СанПиН: от 6 до 9 ед. [2]. Пики приходятся в летнее время – на август и сентябрь. Обусловлено это тем, что в летнее время повышенная температура ускоряет процессы растворения веществ. Уклон численного значения в сторону щелочной среды говорит о небольшом превышении концентрации ионов гидроксила в воде. Это означает присутствие в воде растворенных щелочей, что может быть связано с высокими летними температурами, способствующими активному разложению органических веществ и жизнедеятельности гидробионтов.

Величина мутности в течение года сильно меняется. На графике 3.2 представлен ход изменения мутности в течение года, в первом водозаборе.

Здесь можно наблюдать прямую зависимость мутности от температуры. Чем выше температура среды – тем выше мутность. В пересчете на единицы мутности по Формазину (ЕМФ), по российскому ГОСТ 3351-74, 1 ЕМФ = 0,58 мг/л. Значит, максимальное значение мутности, приходящееся на июль, во втором водозаборе, равное 20,01 мг/л, будет равняться 11,6 ЕМФ. В соответствии с нормами, величина допустимых значений равна 2,6 ЕМФ, или 4,48 мг/л. Превышения нормального значения мутности происходит примерно с начала июня до середины августа. Малая мутность речных вод объясняется наличием вечной мерзлоты, препятствующей развитию эрозионных процессов. Соответственно, повышение мутности воды может быть обусловлено размыванием отогретой мерзлотной породы почв, выносящей в воду крупнодисперсные частицы органического и неорганического вещества, загрязняющие воду. В остальном – в течение года значения мутности воды можно считать приемлемыми.

Вода, в которой содержится много взвешенных частиц, не подходит для рекреационного использования по эстетическим соображениям. Норма содержания в воде взвешенных веществ равна 0,75 мг/л. На графике 3.3 представлены концентрации взвешенных веществ в первом и втором водозаборе.

Из графика 3.3 видно, что максимум взвешенных веществ в воде приходится на климатическое лето. В первом водозаборе максимум приходится на июль, во втором – на август. В эти месяцы температура воды – наиболее высокая за весь год. ПДК взвешенных веществ для питьевого пользования не должно превышать 0,75 мг/л.

Превышение взвешенных веществ в исследуемой воде представляет собой следствие климатического, гидрологического и биологического режимов реки Норилка.

Цветность воды – очень малая; численное значение в течение всего года не меняется и держится на уровне 10^о.

Проведенный химический анализ воды, кроме того, демонстрирует полное отсутствие ощутимого запаха и привкуса отобранных проб в течение так же – всего года.

Отобранные пробы воды характеризуются малым содержанием солей, что означает ее принадлежность к очень мягким водам. Жесткость воды колеблется от 0,83 до 1,78^о жесткости. Значения жесткости в течение всего года меняются незначительно. Среднее значение за год – 1,3^о. По введенному в России в 2014 г. межгосударственному стандарту ГОСТ 31865-2012, 1 градус жесткости соответствует половине концентрации щелочноземельного элемента, принимаемой за ммоль/л. В соответствии с нормами для питьевой воды, жесткость не должна превышать 7 ммоль/л, или 3,5 градусам жесткости [2]. Значит, значения жесткости воды не превышают установленных норм. Малая степень минерализации исследуемой воды подтверждается показателем сухого остатка. Численно этот показатель варьируется в пределах от 56 до 136 мг/л, что соответствует принятым нормам питьевой воды, не превышающим этот показатель в 1000мг/л.

Принадлежность воды к очень мягким водам подтверждается также показателем содержания в воде кальция. Показатель варьируется в пределах от 11,63 до 26,07 мг/л. Среднее содержание кальция – 17,8 мг/л. Согласно нормативам СанПиН 2.1.4.1116-02, предельно допустимая концентрация кальция в воде должна находиться в пределах от 25 до 130 мг/л. Сезонные колебания показателей содержания в воде кальция не наблюдаются. Объясняется это затрудненностью процесса выщелачивания растворимых солей из поверхностного слоя почв. Кроме того, содержание в исследуемой воде хлоридов и сульфатов также соответствует принятым государственным нормам питьевой воды. ПДК хлоридов не должна превышать 350 мг/л, а ПДК сульфатов не должна превышать 500 мг/л [2]. Содержание хлоридов в воде варьируется в пределах от 3,36 до 6,5 мг/л, сульфатов – от 18,25 до 32 мг/л. Отобранные пробы соответствуют принятым нормам.

Показатель исследуемой воды демонстрирует колебание значений в пределах от 10,71 до 16,84 мг/л в первом водозаборе и от 6,8 до 15,22 мг/л во втором водозаборе. Содержание в воде растворенного кислорода не должно быть ниже 4 мг/л. На графике 3.4 представлены содержания растворенного кислорода в первом и втором водозаборе. Отсутствие кислорода в пробах означает сильное загрязнение [15]. Содержание растворенного кислорода в воде имеет прямую зависимость от температуры. Этот факт наглядно демонстрирует рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 – Зависимость растворенного кислорода в воде от температуры

 

Из Графика 3.4 видно, что период понижения концентрации растворенного кислорода в воде соответствует времени климатического лета. Минимум приходится на июль – 6,8 мг/л. Максимум приходится на октябрь – 16,84 мг/л. С сентября начинается резкое понижение температуры. При низких температурах потребление кислорода замедляется вследствие отсутствия активной жизнедеятельности гидробионтов [16]. Скачки показателей в течение года могут быть вызваны содержанием в воде нефтепродуктов и сернистых соединений, окисляемых кислородом.

Содержание в воде органических и минеральных веществ в целом незначительно. Щелочность колеблется от 0,44 до 0,82 ммоль/л. Среднее значение – 0,64 ммоль/л. Содержание органических веществ в исследуемой воде весьма неоднородно. Хотя, превышений установленных норм для питьевых нужд не обнаружено. На графике 3.5 представлены показатели окисляемости и БПК₅. Показатели окисляемости в обоих водозаборах примерно одинаковые, общий тренд сохранен, и численные значения отличаются друг от друга слабо. В случае с показателем БПК₅ дело обстоит несколько иначе: общего тренда нет, и значения часто сильно друг от друга отличаются.

Согласно нормативам качества воды СанПиН [2], показатель окисляемости не превышает установленных норм – 5 мгО/л. Вода характеризуется очень малой окисляемостью. Биохимическое потребление кислорода, согласно нормам, не должно превышать 6 мг/л. БПК₅ исследуемой воды превышает допустимые значения с середины октября до середины декабря во втором водозаборе. В период климатического лета по показателю БПК₅ вода характеризуется как чистая, однако за пределами этого периода вода характеризуется как загрязненная. Резкий скачок показателя БПК₅ во втором водозаборе можно объяснить либо антропогенным воздействием – залповый сброс сточных вод, либо ошибкой измерений, так как в период резкого повышения и понижения значений БПК₅ наблюдается незначительное повышение окисляемости, то есть – нет прямой связи БПК₅ с окисляемостью.

Азотсодержащие вещества в воде образуются за счет разложения белка и его соединений, а также выброса сточных коммунально-бытовых отходов. Конечный продукт разложения – аммиак. В санитарном отношении присутствие в воде аммиака природного происхождения не опасно [17]. Но в случае с разложением белковых соединений как первопричиной появления в воде азотосодержащих веществ вода становится непригодной для питья. В анализируемой пробе воды присутствуют одновременно и аммиак, и нитриты, и нитраты. Такое сочетание демонстрирует долгосрочное загрязнение участка. В соответствии с установленными нормами, наличие в воде азотосодержащих соединений, не превышающих значение в 10 мг/л, не является противопоказанным для питьевых нужд. Исследуемая вода попадает под этот критерий. Содержание аммиака в пробе варьируется в пределах от 0,05 до 0,55 мг/л; нитритов - от 0,003 до 0,073 мг/л; нитратов - от 0,1 до 0,6 мг/л.

Согласно нормам, предельно допустимая концентрация содержания полифосфатов в воде составляет 3,5 мг/л [2]. Превышений в исследуемой пробе воды ПДК не обнаружено. Содержание анионных поверхностно активных веществ (АПАВ) не должно превышать 0,5 мг/л. Исследуемая проба демонстрирует стабильно значение в 0,025 мг/л в течение всего года, превышений нет. Содержание в исследуемой воде фенолов не превышает 0,0005 мг/л, при ПДК равной 0,001 мг/л. Содержание нефтепродуктов в воде не должно превышать 0,3 мг/л. Превышений этого значения не наблюдается: концентрация нефтепродуктов не превышает 0,05 мг/л.

Особого внимания требует анализ содержания в воде растворенных ионов тяжелых металлов. По причине близкого расположения реки Норилка с ГМК «Норильский Никель» содержание металлов-токсикантов в воде может быть превышено в силу того, что предприятия черной и цветной металлургии производят аэрозольные выбросы, промышленные стоки, негативно сказывающиеся в долгосрочной перспективе на экосистему прилегающей территории. Наиболее часто распространенным результатом приведенных событий являются кислотные дожди. По данным доклада о влиянии на окружающую среду и здоровье людей ГМК «Норильский Никель» 2010 года, в г. Норильск идут кислотные дожди с рН=3 [18].

Общее содержание железа в первом и втором водозаборе представлено на графике 3.6.

В соответствии с принятыми нормами СанПиН 2.1.4.559-96, общая сумма катионов Fe²⁺и Fe³⁺ не должна превышать 0,3 мг/л [2]. Из приведенного графика 3.6видно, что во второй точке водозабора превышение установленных норм наблюдается почти в течение полгода – с мая по октябрь, а в первой – с мая по июль. Пики приходятся в летний период. Максимальные значения общего железа отмечены в июле, при температуре воды: 13^оС.

Согласно гигиеническим нормативам Российской Федерации ГН 2.1.5.1315-03 [2], предельно допустимая концентрация металлов, исследованных производственным контролем качества воды, представлена в следующем составе:

—алюминий: 0,3 мг/л;

—медь: 1 мг/л;

—марганец: 0,1 мг/л;

—мышьяк: 0,01 мг/л;

—никель: 0,02 мг/л;

—хром: 0,05 мг/л;

—цинк: 1 мг/л;

—свинец: 0,01 мг/л;

—бериллий: 0,2 мкг/л;

—бор: 0,5 мг/л;

—селен: 0,01 мг/л;

—кадмий: 1 мкг/л;

—стронций: 7 мг/л.

По результатам анализа производственного контроля качества воды следует, что:

– превышение ПДК алюминия разовое – наблюдается только в июле, в первом и втором водозаборе (концентрация равна осреднённо 0,49 мг/л);

– превышение ПДК меди наблюдается так же только в июле, во втором водозаборе (1,1 мг/л);

– превышения ПДК марганца в воде не наблюдается (хотя в летний период, особенно - в июле, значения концентрации близки к ПДК);

– превышения ПДК мышьяка в воде не обнаружено (значения стабильно в обоих водозаборах, в течение всего года составляют менее 0,005 мг/л);

– превышения ПДК никеля не обнаружено (значения не превышают 0,01 мг/л);

– превышения ПДК хрома не обнаружено (значения стабильны в обоих водозаборах, в течение всего года составляют менее 0,01 мг/л);

– превышение ПДК свинца наблюдается только в июне, в первом и втором водозаборе (осреднённо 0,126 мг/л);

– превышения ПДК цинка, бериллия и бора не обнаружено;

– превышения ПДК селена не обнаружено (значения за весь период не превышают 0,005 мг/л);

– превышение ПДК кадмия обнаружено только во втором водозаборе, в июне (концентрация равна 0,003 мг/л);

– превышения ПДК стронция не обнаружено (значения не превышают 1 мг/л).

Таким образом, обнаружены превышения предельно допустимых концентраций алюминия, меди (разовое – за июль); свинца, кадмия (разовое – за июнь). Помимо описанных выше естественных природных процессов, способствующих загрязнению воды тяжелыми металлами, было обнаружено антропогенное воздействие. Рядом с рекой Норильская (ближе, чем обогатительная фабрика) находится одно из производственных подразделений ГМК «Норильский Никель» – Норильский Медный Завод, перерабатывающий весь объем медных концентратов Норильской обогатительной фабрики и Талнахской обогатительной фабрики, медные аноды НМЗ с получением товарной меди, элементарной серы и серной кислоты для технологических нужд ЗФ(см. рис. 3.2).

 

Рисунок 3.2 – Географическое положение производственных подразделений ГМК «Норильский Никель».

 

Присутствие в воде высокотоксичных металлов обусловлено технологическим процессом, в результате которого через атмосферные выбросы и пыль, переносящуюся на далекие расстояния, в зависимости от погоды, загрязняются прилегающие территории. Такие выбросы образуются на производстве ферросплавов электродуговыми печами. Свинец и кадмий относятся к сильно токсичным металлам (2 класс опасности); вызывают канцерогенное, общетоксическое действие.

По полученному анализу сделан расчет удельного комбинаторного индекса загрязненности воды УКИЗВ – безразмерная величина, условно обозначающая степень загрязненности поверхностных вод различными веществами. Расчет УКИЗВ произведен по частоте и кратности превышений ПДК химических показателей, согласно РД 52.24.643-2002. [19].В таблицах 6 и 7 представлены сводные данные по показателям качества воды, превышающим ПДК в первом и втором водозаборе соответственно. В таблицах 8 и 9 представлены расчеты УКИЗВ в первом и втором водозаборе соответственно.

Таблица 6 – Химические показатели качества воды на реке Норильская, в первом водозаборе, за 2013 год

 

 

Таблица 7 – Химические показатели качества воды на реке Норильская, во втором водозаборе, за 2013 год

 

 

Таблица 8 – Расчет удельного комбинаторного индекса загрязненности воды на реке Норильская, в первом водозаборе

 

 

Таблица 9 – Расчет удельного комбинаторного индекса загрязненности воды на реке Норильская, во втором водозаборе

 

 

где:

ni	–	общее количество нормируемых ингредиентов, по имеющимся данным;
ni`	–	количество ингредиентов, содержание которых выше ПДК;
аi	–	коэффициент комплексности загрязненности воды, %;
Sai, SBi	–	частный оценочный балл;
?Bi	–	кратность превышения ПДК;
Bi	–	кратность превышения ПДК;
Si	–	общий оценочный балл

В результате расчетов определен удельный комбинаторный индекс загрязненности воды в первом и втором водозаборе, на реке Норильская.

УКИЗВ в первом водозаборе составляет 0,5. УКИЗВ во втором водозаборе составляет 0,8. Согласно «Приложению К» РД52.24.643-2002 (см. приложение Б): качество воды в первом и втором водозаборе соответствует первому классу качества – «Условно чистая».

 

3.2 Разработка локального очистного сооружения

Результаты проведенного анализа качества воды на реке Норильская использованы при проектировании локального очистного сооружения. Оборудование для ЛОС подобрано в рамках существующих норм СанПиН 2.1.4.1074-01. Методы очистки воды и элементы ЛОС подбирались в соответствии с показателями качества воды, превышающими предельно-допустимые значения.

Особое внимание уделено повышенному содержанию в воде общего железа и ионов тяжелых металлов-токсикантов. Для удаления из воды железа и тяжелых металлов применен фильтр-обезжелезиватель, основанный на сорбции – методе очистки воды III группы дисперсности. Чем меньше тонкость фильтрации, тем меньших размеров частицы задерживаются на фильтрующем элементе, и тем выше вероятность отсутствия в обработанной воде металлов-загрязнителей. Обезжелезиватель позволяет очищать воду от загрязнений I группы дисперсности – взвешенных частиц, а также содержащихся в воде тяжелых металлов. В качестве обезжелезивателя использован фильтр «Pentair FBI 50-10 T» (Производитель:«PentairWater», Европа).

После предварительной очистки обезжелезивателем от взвешенных частиц и тяжелых металлов применен фильтр глубокой очистки, основанный на т.н. ультра-фильтрации – методе очистки воды от загрязнений IV группы дисперсности. Такой метод очистки позволяет задерживать коллоиды, высокомолекулярные частицы и вирусы, свойственные IIгруппе дисперсности. В качестве фильтрующего элемента использован промывной фильтр с  мембраной из структурированного титана, с тонкостью очистки до 0,1 мкм (Производитель: ООО "Комплексные Решения" Россия). В фильтре с титановой мембраной накопление загрязнений происходит на поверхности мембраны. Очистка от загрязнений происходит за доли секунды за счёт обратного гидроимпульса. Поверхность мембраны фильтра в увеличении выглядит как зубная щетка (см. рис. 3.3).

 

Рисунок 3.3 – Поверхность мембраны из структурированного титана.

В финальной стадии очистки проектируемого локального очистного сооружения применен ультрафиолетовый обеззараживатель. Метод очистки воды ультрафиолетовым излучением применяется для вод II группы дисперсности. Вода, проходя через обеззараживатель, облучается ультрафиолетовым излучением, созданным ртутной лампой. Под воздействием этого облучения, погибают все известные бактерии и вирусы. В качестве обеззараживающего элемента использован фильтр SterilightVGUV-KМ06 (Производитель:«Sterilight», Корея).

Таким образом, цепочка: обезжелезиватель, фильтр с мембраной из структурированного титана, обеззараживатель (сорбция, ультрафильтрация, ультрафиолетовое излучение) – обеспечивает комплексную очистку исследованной природной воды от всех показателей качества, превышающих предельно-допустимые концентрации.

На схеме 3.1 представлено спроектированное локальное очистное сооружение.

 

Схема 3.1 – Локальное очистное сооружение. 1 – обезжелезиватель; 2,5 – гидробак; 3,4 – электромагнитный клапан; 6 – насосная станция; 7 – фильтр с мембраной из структурированного титана; 8 – ультрафиолетовый обеззараживатель.

 

Исходная вода поступает в фильтр предварительной очистки – обезжелезиватель (1). Далее вода поступает на промывной фильтр с структурированной мембраной (7).Регенерация мембраны осуществляется обратным гидроимпульсом от гидробака (2) при открывании электромагнитного клапана (3) по команде от программируемого управляющего клапана фильтра (1).Очищенная вода поступает на УФ-обеззараживатель (8).

Вода соответствующая СанПин 2.1.4.1074-01 накапливается в баке из пищевого пластика (5). При заполнении бака электрический выключатель уровня (АА) подаёт команду закрывания на электромагнитный клапан (4). Наполнение бака прекращается. На случай перелива, предусмотрен дренаж, по которому вода сбрасывается в канализацию.

Подача воды из накопительного бака потребителю осуществляется автоматической насосной станцией (6). При падении уровня воды ниже минимально установленного, срабатывает электрический выключатель уровня (6), отключающий насосную станцию (6), чтобы защитить её от сухого хода, и подающий сигнал на пульт оператора.

 

3.3 Физическое и экономическое обоснование выбранных фильтров для очистки воды в системе ЛОС

 

Для эффективного удаления металлов из воды наиболее рентабельным в использовании являются обезжелезиватели. Фильтрующей средой в сорбционных методах очистки зачастую являются неполярные гидрофобные материалы, активированные угли (см. п. 1.4). В фильтре FBI 50-10 T, в качестве фильтрующей среды использованы сорбенты АС и МС.

Сорбенты АС и МС являются оптимальным, экономически эффективным решением для удаления широкого спектра загрязнений, включая: нефтепродукты, фенол, железо, марганец, кадмий, стронций, алюминий, фтор и пр. Сорбент действует как катализатор окисления в реакциях кислорода с соединениями железа (II) и (III), в результате образуется гидроксид железа (III), который является нерастворимым соединением и легко удаляется обратным током воды.

В процессе эксплуатации сорбенты не расходуются, являются очень прочным материалом, физико-химические свойства сорбентов отвечают требованиям ГОСТ Р 51641-2000. Сорбенты АС МС имеют большую емкость и успешно поддерживают очень низкие концентрации загрязнений в обработанной воде. Сорбенты не требуют для регенерации применение химических реагентов. Достаточна периодическая промывка водой. Сорбенты АС МС рекомендованы для применения, как в напорных, так и в безнапорных системах.

В качестве глубокой очистки применение фильтров с структурированной мембраной является наиболее эффективным решением. Структурированная мембрана – инновация в сфере очистки воды. Разработанная в 2013 году корпорацией по атомной энергии «Росатом», мембрана для очистки воды атомных реакторов от радиоактивных отходов, стала активно внедряться в российский рынок для бытового и промышленного пользования.

Материалом для изготовления мембран служит структурированный титан. Титан – жаропрочен, устойчив к коррозии, растворам многих кислот, окислению. Фильтры с мембраной из структурированного титана обладают самой тонкой очисткой относительно существующих на российском рынке аналогов мембранных фильтров, обеспечивая задержку частиц диаметром менее 0,1 мкм, в отличие от классических фильтров с тонкостью очистки 5-70 мкм. Титановые мембраны имеют слабую адгезию к осадкам взвесей, способствующую многочисленным регенерациям, обеспечивая длительный ресурс эксплуатации. Примерный срок службы фильтров – 10 лет.

Стоимость классических мембранных фильтров на российском рынке составляет в среднем 8-10 тысяч рублей. Фильтрующий материал – картридж нуждается в замене раз в месяц. При средней стоимости картриджей различного назначения в 1500 рублей, стоимость эксплуатации в год составляет примерно 20 тысяч рублей. Умножаем на 10 лет, получаем 200 тысяч. Стоимость фильтра с мембраной из структурированного титана в компании «ПК Комплексные решения» составляет 27300 руб. Стоимость эксплуатации в год равна нулю. Нано-мембрана не нуждается в замене. Расчетные затраты на использование фильтра с нано-мембраной в 8 раз дешевле аналогов.

Спроектированное при участии автора настоящей дипломной работы локальное очистное сооружение в 2015 году было установлено на семи производственных подразделениях ГМК «Норильский никель», согласно техническому заданию, полученному от главного энергетика ГМК Лощенкина Д.А. 5 июня 2015 г., после установки ЛОС на производственных подразделениях «Норильского никеля» «Центром гигиены и эпидемиологии в Красноярском крае, в городе Норильск» были проведены лабораторные испытания проб воды по каждому из семи подразделений предприятия, на которых были установлены спроектированные локальные очистные сооружения, по восьми показателям – железо; общая жесткость; окисляемость; вкус, привкус; запах при 20°С; запах при 60 °С; мутность; цветность (см. таблицу 10).

Таблица 10 – Показатели качества воды на производственных подразделениях ГМК «Норильский никель» после установки ЛОС

 

№ ПК	Показатель качества	Производственные подразделения ГМК "Норильский никель"							ПДК
		1	2	3	4	5	6	7
1	Железо, мг/л	0,07	0,07	0,23	0,23	0,08	0,07	0,07	0,3
2	Жесткость, мг-экв/л	2,3	2,3	2,2	2,2	2,3	2,3	2,3	7
3	Окисляемость, мг/л	1,6	1,4	1,8	2	1,4	1,5	1,6	5
4	Вкус, привкус, баллы	0	0	0	0	0	0	0	2
5	Запах при 20 °С, баллы	0	0	1	1	0	0	0	2
6	Запах при 60 °С, баллы	0	0	1	1	0	0	0	2
7	Мутность, ЕМФ	1,31	1,45	1,79	2,02	1,6	1,4	1,4	2,6
8	Цветность, градус цветности	5,3	5,3	6,5	5,9	5,3	5,1	5,7	20

Из проведенного химического анализа воды следует, что исследуемая вода по всем показателям соответствует качеству в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения» и СанПиН 2.1.4.1116-02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества».

По формуле минимально необходимого эффекта очистки, приведенного в пункте 1.1, рассчитан эффект очистки Э% после установки ЛОС. Эффект очистки рассчитывался по пяти показателям для каждого из семи производственных подразделений ГМК «Норильский Никель». В расчет не взяты: вкус, привкус; запах при 20 °С и запах при 60 °С, поскольку по показателям качества исходной воды вкус и запах полностью отсутствуют (см. п. 3.1).

Рассчитанный эффект очистки представлен в таблице 11.

Таблица 11 – Эффект очистки по пяти показателям качества на производственных подразделениях предприятия «Норильский Никель»

 

Эффект очистки	Производственные подразделения
	1	2	3	4	5	6	7
Железо, %	80,8	80,8	36,8	36,8	78	80,8	80,8
Жесткость общая, %	37,6	37,6	40,4	40,4	37,6	37,6	37,6
Окисляемость, %	-25,7	-10	-41,4	-57,1	-10	-17,8	-25,7
Мутность, %	78	75,7	70	66,2	73,2	76,5	76,5
Цветность, %	47	47	35	41	47	49	43
Среднее, %	43,54	46,22	28,16	25,46	45,16	45,22	42,44

 

Из таблицы 11 видно, что наибольший эффект очистки наблюдается по показателю качества – мутность. Среднее значение эффекта очистки по мутности для всех производственных подразделений равно 73,7%. Далее по мере уменьшения: железо – 67,8%; цветность – 44,1%; жесткость – 38,4%. По показателю окисляемости наблюдается обратный эффект. Относительно исходной воды окисляемость повысилась в среднем на 26,8%. При этом, концентрация окисляемости очищенной воды не превышает установленных норм (см. таблицу 10).

Наибольший усредненный эффект очистки по всем пяти показателям качества воды, взятым в расчет, наблюдается на втором производственном подразделении. Ему соответствует Норильская обогатительная фабрика. Наименьший усредненный эффект очистки наблюдается на предприятии «Единое складское хозяйство». Таким образом, общий усредненный эффект очистки по всем показателям и производственным подразделениям составляет 40%. То есть, качество воды после установки ЛОС относительно исходной повысилось на 40%.

 

ВЫВОДЫ

1. В настоящее время существует множество методов очистки воды. Классификация вод по фазово-дисперсному состоянию примесей подразделяет методы по степени тонкости очистки, позволяющие удалять как мелкодисперсные, так и крупнодисперсные частицы. Однако, универсального метода очистки воды, способного отвечать всем современным требованиям качества, не существует, в силу несовершенства технологий очистки.

2. Сопоставляя нормы качества воды России, США, Европейского Союза и Всемирной Организации Здравоохранения, можно констатировать, что одни и те же показатели качества воды в разных нормативных документах существенно отличаются. При этом, в российских нормативах для некоторых показателей установлены предельно-допустимые концентрации, находящиеся либо за пределами чувствительности применяемых методик, либо за пределами возможных технологий, применяемых для очистки воды – например, ПДК по бензапирену.

3. Большое количество нормативных документов, регламентирующих качество воды, с различающимися значениями нормативов для одного типа воды, установление ПДK на уровне пределов обнаружения современных методов анализа, недостаточное материально-техническое обеспечение лабораторий, несовершенство методической базы создают значительные трудности при проведении анализа воды.

4. В результате проведенного анализа производственного контроля качества воды на реке Норильская в двух точках водозабора были обнаружены превышения ПДК по ряду показателей. Среди них – мутность, взвешенные частицы, БПК₅, алюминий, медь, свинец, кадмий. В завершении анализа рассчитан удельный комбинаторный индекс загрязненности воды в двух водозаборах. УКИЗВ в первом водозаборе составляет 0,5; во втором – 0,8; что соответствует первому классу качества – «Условно чистая».

5. По проведенному анализу спроектировано локальное очистное сооружение ЛОС. В состав ЛОС, в качестве фильтрующих элементов, включены: обезжелезиватель, фильтр с титановой мембраной, ультрафиолетовый обеззараживатель, обеспечивающие комплексную очистку исследованной природной воды от всех компонентов, содержание которых превышает предельно-допустимые концентрации.

6. Спроектированное ЛОС эффективно с экономической и физической точек зрения. Расчетные затраты на использование фильтра с титановой мембраной в 8 раз меньше аналогов. Лабораторные испытания проб воды, проведенные после установки ЛОС по каждому из семи подразделений предприятия показали, что исследуемая вода по всем показателям имеет качество, удовлетворяющее требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 и СанПиН 2.1.4.1116-02.

7. Наибольший усредненный эффект очистки по всем пяти показателям качества воды, взятым в расчет, наблюдается на втором производственном подразделении. Ему соответствует Норильская обогатительная фабрика. Наименьший усредненный эффект очистки наблюдается на предприятии «Единое складское хозяйство». Таким образом, общий усредненный эффект очистки по всем показателям и производственным подразделениям составляет 40%. Это означает, что качество воды после установки ЛОС относительно исходной повысилось на 40%.