§ 9. Система водсобеспечения городови экологические проблемы

Как правило, системы водообеспечения в городах являются совместными для жилой и промышленной зон. В отдельных случаях, чаще всего на крупных предприятиях, имеется собственная система водного хозяйства, с полным технологическим циклом от забора воды из природного водоема до ее очистки, обезвреживания, обеззараживания и утилизации твердой фазы.

Система водоснабжения города — это сложный комплекс сооружений и технологических процессов для бесперебойного обеспечения потребителей водой требуемого качества и объема (рис. 5.4).

Водозаборные сооружения 1 забирают природную воду из поверхностного водоисточника, и насосная станция первого подъема 2 по напорным трубопроводам подает ее на очистные сооружения 3. Здесь вода очищается до питьевого качества и из резервуаров 4 насосной станцией второго подъема 5 подается в насе-

Рис. 5.4. Система водного хозяйства населенного пункта (А. Ф. Порядин, А. Д. Хованский и др., 1996 г.)

ленный пункт, как правило, имеющий кольцевую водопроводную сеть 6. Вода используется на питьевые, хозяйственные нужды, полив улиц и насаждений, на предприятиях местной промышленности.

Использованная вода — сточные воды — канализационной сетью 7 отводится за пределы города и канализационной насосной станцией 8 подается на городские очистные сооружения канализации.

Воды проходят механическую 9 и биологическую очистку 10, дезинфицируются 11 и подаются в биологические пруды 12, где происходит доочистка в естественных условиях. После прудов вода по своим качествам незначительно отличающаяся от воды естественного водоема, может сбрасываться в реку, озеро или море.

Атмосферные воды, которые отводятся дождевой сетью 14, проходят очистку от взвешенных веществ и нефтепродуктов на сооружениях 15 и также сбрасываются в биологические пруды или непосредственно в приемник сточных вод (водоем).

Промышленное предприятие 16 потребляет и питьевую, и техническую воду. Техническая вода чаще всего используется в во- дооборотных циклах 17; для целей охлаждения вода используется повторно после снижения температуры в охладителях 18.

Современные схемы водопользования предусматривают возможность подачи на технические нужды промпредприятий очищенной воды из биопрудов, которая подвергается дополнительной очистке на сооружениях 20.

Помимо неудовлетворительного с санитарно-экологических позиций состояния природных водоисточников, имеется и ряд других причин, из-за которых не удается получить питьевую воду надлежащего качества на многих водопроводах России.

Исследования показали, что большинство антропогенных (техногенных) загрязнений образуют с водой истинные растворы, из которых коагуляционным методом примеси не извлекаются; многие природные и антропогенные органические вещества образуют комплексные хорошо растворимые соединения с токсичными тяжелыми металлами (медь, цинк, кадмий, никель и др.), которые при коагуляционной очистке осаждаются лишь частично.

Разрушение органических загрязнений с помощью окислителей — хлора или озона приводит зачастую к противоречивым результатам. Многие органические вещества, содержащие, например, фенольные группы, при взаимодействии с активным хлором образуют хлорорганические соединения, более токсичные, чем исходные загрязнения.

При этом фактически в 50 % городов России питьевая вода не соответствует гигиеническим требованиям по содержанию хлора. Это приводит к расстройству почек, печени, генетического аппарата. Причем процесс гиперхлорирования нарастает из-за поражения остаточным хлором сложившихся водных экосистем и, как следствие, интенсивного микробного и вирусного загрязнения источников.

Технологии химико-биоцидной обработки воды, применяемые ныне в индустрии питьевой воды, являются по сути реальным воплощением принципа экстенсивного природопользования. Повышение производительности соответствующих систем достигается, как правило, пропорциональным возрастанием доз химических окислителей-дезинфектантов (хлора, озона и др.), энергозатрат и, естественно, инвестиций.

Указанная проблема обостряется на территориях с внезапно возникшей ЧС природного или техногенного происхождения и, особенно, в зонах вооруженных конфликтов. Все это требует, во- первых, разработать технико-экономические мероприятия, направленные на повышение живучести систем водоочистки и уровня их экологической безопасности, а во-вторых, — наладить выпуск контейнерных, мобильных и переносных установок, основанных на технологиях и реагентах, адаптированных к работе в условиях ЧС.

Согласно А. Ф. Порядину (2006), не оправдывается политика чрезмерного укрупнения городских инженерных систем (единый водозабор, общегородская станция очистки сточных вод и др.) с точки зрения экологической безопасности населения. К чему это может привести, учитывая возможные сбои в работе, а тем более угрозу терроризма, вряд ли требует объяснения.

Очищая воду перед сбросом в водные объекты, можно ее сделать даже чище, чем она была до использования. Но при этом следует подчеркнуть (и это важно), что продукты очистки (извлеченные ЗВ) складируются в отвалах и накопителях в черте города или поблизости, а не перерабатываются до экологически безопасного состояния. Пройдет первый же дождь, а тем более — весенний поводок, и все это окажется в водоемах.

Еще одна проблема, острота которой возрастает год от года. При общей протяженности водоводов и уличной водопроводной сети в городах и поселках городского типа 185 тыс. км в ветхом состоянии находятся 26,4 тыс. км (14,5 %); это, в свою очередь, обусловливает значительные (исчисляемые миллионами м3 воды ежегодно для крупного города) утечки воды, приводящие в ряде случаев к повышению уровня грунтовых вод и даже подтоплению территорий.

Сейчас в нашей стране подтопление территорий, особенно городских, приняло массовый характер. В России подтоплено свыше 700 городов и поселков городского типа, в том числе такие города, как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Новочеркасск, Волгоград, Новосибирск, Саратов и многие другие.

Подтопление территории весьма негативно влияет на природную среду. Массивы земель переувлажняются и заболачиваются. Активизируются оползни, карст и другие неблагоприятные процессы. В лессовых глинистых грунтах возникают просадки, в глинах — набухание. Просадка в лессовых грунтах приводит к резкой неравномерной осадке, а набухание в глинах — к неравномерному подъему зданий и сооружений. В результате сооружения испытывают деформации, вплоть до полной непригодности к эксплуатации. Это ухудшает экологическую обстановку в жилых и производственных помещениях и может вызвать травмы и болезни у людей.

На подтопленной территории возрастает сейсмическая балльность. Кроме того, в результате вторичного засоления почв угнетается растительность, возможно химическое и бактериальное загрязнение грунтовых вод, ухудшается санитарно-эпидемиологическая обстановка.

Причины подтопления разнообразны, но практически всегда связаны с деятельностью человека. Это утечки воды из подземных водонесущих коммуникаций, засыпка естественных дрен — оврагов, асфальтирование и застройка территории, нерациональный полив улиц, садов, скверов, барраж подземных вод (т. е. задержка их движения глубокими фундаментами), фильтрация из водохранилищ, прудов-охладителей АЭС и др. В качестве примера. Ежегодный прирост подачи воды в Москве составляет 0,8- %. При этом почти 20 % чистой воды не доходит до потребителя: теряется из-за различных утечек, в том числе в результате повреждения водопроводных сетей.

Таким образом, централизованные системы хозяйственно-питьевого водоснабжения, на которых используются традиционные методы и процессы, в большинстве своем не только не в состоянии обеспечить требуемую степень очистки воды, но и сами превратились в мощный фактор отрицательного воздействия на все элементы окружающей природной среды и самого человека. В процессе эксплуатации даже средних по производительности систем расходуются сотни тонн опасных химических реагентов, которые, поступая в среду обитания человека, частично расходуются на трансформацию химических примесей воды с последующим превращением их в канцерогены и мутагены.

Особо много нареканий вызывает применение хлора как отдельно, так и в сочетании с озоном. Этому есть ряд причин.

1. Обеззараживающий эффект хлора сильно зависит от pH воды: при pH 7,2 приблизительно в 6 раз больше, чем при pH 8,5. При pH gt; 7,8 не только снижается бактерицидное воздействие хлора, увеличивается мутность и цветность, но и становится возможным биологическое обрастание труб и фильтров. Поэтому для сохранения бактерицидного эффекта хлора в воде в этом случае необходимо увеличивать его концентрацию, что помимо нерациональных потерь приводит к раздражению слизистой оболочки глаз и носа. Поэтому нижним пределом вследствие вышеизложенного следует считать pH 7,2. При дальнейшем снижении pH усиливаются окислительные процессы, что, в частности, способствует коррозии, а при дальнейшем увеличении концентрации остаточного хлора — раздражению слизистой оболочки глаз. При pH lt; 6,5 вода становится настолько агрессивной, что начинается усиленная коррозия во всей рециркуляционной системе. В этом случае необходимо подщелачивать воду, т. е. вводить в нее дополнительные реагенты, что нежелательно в экономическом и биологическом аспектах. Растворенный озон быстро реагирует с активным хлором, следовательно, возможна взаимная нейтрализация окислителя (озона) и дезинфектанта (хлора). Однако при этом возможно образование таких мутагенов, как диоксины. Сложная картина наблюдается в том случае, если в схеме водообработки применяется хлорирование воды после ее озонирования при отсутствии промежуточного фильтрования. Вследствие озонирования в качестве побочных продуктов образуются альдегиды, повышается содержание ассимилируемого и биоразлагаемого растворимого органического углерода. Хлорирование этих продуктов озонолиза дает такие хлорорганические соединения, как тригалометаны, галогенуксусные кислоты, хлорпикрин и др.; многие из них признаны мутагенами и канцерогенами.

Исходя из вышеизложенного, очевидна необходимость реализации альтернативных методов химико-биоцидной обработки воды бассейнов, которые могли бы исключить или свести к минимуму применение хлорирования.

Применение гипохлорита натрия NaOCl устраняет некоторые из перечисленных для хлора недостатки. Как показал опыт работы отечественных бассейнов, применение заранее приготовленного раствора гипохлорита натрия позволило не только упростить эксплуатацию обеззараживающих установок, но и обеспечить величину pH в ванне на уровне, обеспечивающем эффективность процесса коагуляции и стабильность воды.

Среди других дезинфектантов, которые использовались в системах оборотного водоснабжения, следует указать на пероксид водорода, йод, бром и перманганат калия.

Повышения технико-экономической эффективности, надежности и экологической безопасности технологий химико-биоцидной обработки воды крупнотоннажными окислителями — дезинфектантами в централизованных системах и средствах водоочистки, функционирующих на территориях с кризисной экологической обстановкой, по мнению ряда ученых, следует добиваться творчески, применяя принципы и методы химической кинетики, теории и практики катализа.

Для достижения поставленной цели необходимо сочетать указанные окислители-дезинфектанты с такими катализаторами (активаторами), которые: а) обладают самостоятельным бактерицидным действием; б) усиливают и одновременно продлевают таковое основного дезинфектанта (синергетический эффект); в) обеспечивают снижение его дозы и удельных энергозатрат; г) не способствуют образованию вредных для здоровья человека химических соединений; д) придают содержащей их воде способность длительно противостоять внешнему бактериальному загрязнению; е) не являются ксенобиотиками и реализуют указанные свойства при концентрациях ниже установленных для них ПДК.

Творческой группой московских и новочеркасских ученых разработаны научные основы экозащитных и ресурсосберегающих технологий: хлор-ионной биоцидной обработки воды, включающей улавливание хлора из вентиляционных газов, а также остаточного свободного хлора из воды раствором аммиачного комплекса меди с последующим использованием полученного дезинфектанта (рис. 5.16); биоцидной обработки воды пероксидом водорода в присутствии гомогенных или гетерогенных катализаторов, обладающих самостоятельными бактерицидными и бактериостатическими свойствами; озон-ионной обработки воды, минимизирующей дозы хлора и других хлорсодержащих веществ, используемых в качестве финишных дезинфектантов; УФ-ионной обработки воды, повышающей эффективность бактерицидного действия ультрафиолета в сочетании со снижением дозы последнего.

В рамках проблемы первоочередного жизнеобеспечения пострадавшего в результате ЧС населения разработаны рекомендации по применению ионных дезинфектантов (индивидуально и в виде смеси) для повышения технико-экономической эффективности и экологической безопасности: 1) типовых контейнерных установок водоочистки, использующих озон; 2) мобильных станций полевого базирования ВФС-10 и МАФС-3 (в сочетании с электролитически полученным гипохлоритом натрия); 3) переносных фильтров, используемых спецподразделениями МЧС и МО РО; станций опреснения соленых вод, а также резервуаров для длительного хранения воды.

Техническая новизна предложенных решений подтверждена 30 патентами РФ на изобретения.