Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1. Современное состояние проблемы получения качественной питьевой воды 6
1.2. Краткая характеристика источников водоснабжения на территории Омской области 9
1.3. Общая характеристика водоочистных станций 13
1.4. Анализ существующих технологий подготовки воды 16
1.4.1. Отечественный опыт 16
1.4.2. Зарубежный опыт 28
Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 34
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 41
3.1. Качество источников водоснабжения на территории Омской области 41
3.2. Локальная система подготовки питьевой воды 52
3.3. Показатели питьевой воды, подготовленной на водоочистной станции и после использования локальной системы подготовки питьевой воды для потребления 58
3.4. Определение эффективности локальной системы подготовки питьевой воды методом дисперсионного анализа 72
3.5. Экономическая эффективность использования локальной системы подготовки питьевой воды 74
Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 83
ВЫВОДЫ 89
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
ПРИЛОЖЕНИЯ 106
- Современное состояние проблемы получения качественной питьевой воды
- Качество источников водоснабжения на территории Омской области
- Экономическая эффективность использования локальной системы подготовки питьевой воды
Введение к работе
Актуальность темы. Питьевая вода - необходимый элемент жизнеобеспечения населения, и от ее качества зависит состояние здоровья людей, уровень их санитарно-эпидемиологического благополучия, степень комфортности и, следовательно, социальная стабильность общества. В то же время проблема обеспечения населения России питьевой водой нормативного качества с каждым годом все более усугубляется. Сегодня она становится одной из главных социально-экономических проблем в осуществлении государственной стратегии устойчивого развития общества. Сравнительно низкая средняя продолжительность жизни населения и повышенная детская смертность в определенной мере связаны с потреблением недоброкачественной воды (Гуляев, 2003; Зайцев, 1998; Равдугина, 2002).
Состояние водных источников и систем центрального водоснабжения не гарантируют требуемого качества питьевой воды. Около половины населения России используют для питья воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по различным показателям качества, а в ряде регионов качество воды достигло уровня, опасного для здоровья населения и продолжает ухудшаться (Эльпинер, 1995). Из-за повышенного загрязнения водоисточников традиционно применяемые технологии обработки воды стали в большинстве случаев недостаточно эффективными, поэтому водопроводные сооружения не всегда обеспечивают надежную водоподготовку и подачу населению питьевой воды гарантированного качества. Это отмечают в своих работах Н.А. Толмачева (2002), В.В. Найденко (1994). Несмотря на это прогрессивные методы очистки воды внедряются недостаточно высокими темпами из-за существующих проблем с финансированием (Васильев, 1992).
Поэтому исследование целесообразности внедрения и использования передовых технологий подготовки питьевой воды для нужд населения Омской области представляют достаточную актуальность.
Цель и задачи исследований. Целью работы явилось изучение эколого-экономической целесообразности использования систем подготовки питьевой воды для нужд населения Омской области.
В соответствии с целью исследования в работе решались следующие задачи:
провести анализ состояния водных источников в некоторых районах Омской области;
дать качественную сравнительную характеристику питьевой воды, подготовленную с применением разных технологий;
дать оценку экономической эффективности внедрения передовой технологии подготовки питьевой воды для нужд населения Омской области.
Научная новизна. Впервые в условиях Омской области, в результате проведения комплексных исследований по выявлению оптимальных технологий очистки питьевой воды для нужд населения Омской области, дана экономическая оценка эффективности использования современных методов водоподготовки. Выявлены наиболее эффективные методы очистки поверхностных источников до нормативных требований.
Практическая значимость работы. Анализ полученных данных позволяет судить о современном состоянии систем водоподготовки.
Результаты исследований используются при проектировании локальных систем подготовки питьевой воды в некоторых районах Омской области, что подтверждено Актом о внедрении результатов исследований №2 от 01.03.2003 г.
В дальнейшем материалы могут послужить совершенствованию методов очистки воды, контроля качества питьевой воды, а также быть использованы в Губернаторской целевой программе «Обеспечение населения Омской области питьевой водой на 2003 - 2010 гг.».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы заслушаны и одобрены на общероссийской конференции «Современные наукоемкие
технологии», г. Сочи (2002 г.), на II международной конференции «Успехи
современного естествознания», г. Сочи (2002 г.), на заседании коллектива
сотрудников компании TECNOSINT Fluid Control s.r.l., Верона, Италия
(2002 г.), на заседаниях кафедры экологии и охраны окружающей среды
Омі'11У (2000 - 2003 гг.), материалы доложены на II международной
конференции «Ветеринарная генетика, селекция и экология», г. Новосибирск
(2003 г.), на межкафедральном совещании химико-биологического факультета
ОмГПУ (2004 г.).
Публикация результатов исследований. По материалам исследований
опубликовано 5 научных статей.
Основные положения, выносимые на защиту.
Изменение показателей качества питьевой воды после ее подготовки с применением современных технологий в сторону их улучшения.
Качественные характеристики питьевой воды связаны с методами ее подготовки для нужд населения.
Предложенная локальная система подготовки питьевой воды является экологически и экономически эффективной.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, материала и методов исследований, собственных исследований и их обсуждения, выводов и предложений. Материал изложен на 153 страницах машинописного текста, содержит 59 таблиц, 12 рисунков, 5 приложений. Список использованных источников литературы включает 145 наименований, в том числе 26 на иностранных языках.
Современное состояние проблемы получения качественной питьевой воды
В последнее время ощущается изменение приоритетов в подготовке воды для питьевого водоснабжения, связанное с ухудшением экологического состояния окружающей среды и, в частности, поверхностных и подземных вод, используемых в качестве источников централизованных систем водоснабжения. Что привело не только к деградации природной среды, но и к тяжелым последствиям состояния здоровья населения.
Каждый второй житель России использует вынужденно для питьевых целей воду, которая не соответствует по многим показателям гигиеническим требованиям; около трети населения страны вынуждены пользоваться децентрализованными источниками водоснабжения, причем без соответствующей водоподготовки (Эльпинер, 1995); жителей многих регионов беспокоит недостаток питьевой воды и отсутствие обусловленных этим надлежащих санитарно-бытовых условий (Вода питьевая, 1995; Обеспечение населения России питьевой водой, 1998; Питьевая вода, 1995). Очистные установки устарели и не справляются с все усиливающейся нагрузкой (это проявляется в наличии в воде запаха хлора и в ее желтоватом цвете, присутствии мути и металлического привкуса, накипи в посуде, маслянистой пленки на поверхности чая). Отмечается также, что в жесткой воде овощи и мясо плохо развариваются, она портит вкус чая и кофе, а мягкая вода способствует более полной экстракции ароматических веществ из кофе и чая, улучшая вкус этих напитков (Новиков, 1998).
Медицинские исследования показывают, что качество питьевой воды, атмосферного воздуха, наряду с качественными показателями продуктов питания, оказывают значительное влияние на заболеваемость и смертность населения. Показатель «Младенческая смертность» (число детей, умерших до одного года на 1000 родившихся) является наиболее важным интегральным критерием оценки загрязнения окружающей среды. Данные свидетельствуют о необходимости принятия неотложных мер по улучшению качества питьевой воды и продуктов питания (Найденко, Горбачев, 1994).
Антропогенное воздействие на водные ресурсы (поверхностные и подземные) за последние десятилетия привело к возрастанию биологических (бактериальные, вирусные, паразитные) и токсических загрязнений хозяйственно-питьевых водоисточников, что способствует повышению инфекционных заболеваний среди детей и взрослых и возрастанию не инфекционной заболеваемости (онкологической, генетической, аллергической, дефектов умственного и физического развития детей) (Зайцев с соавт., 1998). По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) свыше 500 млн. человек в мире ежегодно болеют от потребления некачественной питьевой воды, до 80% кишечных инфекционных заболеваний обусловлено контактами с инфицированной водой (Михеев, 1994).
Одной из сложных проблем современности стала проблема обеспечения населения питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве. Этой проблеме серьезное внимание уделяют Организация Объединенных Наций (ООН) и входящие в ее состав организации: Организация Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Всемирная метеорологическая организация (ФМО) и др. В этом направлении активно работают и многие неправительственные международные организации.
Началом решения этой проблемы явилась конференция ООН по окружающей среде и развитию (Конференция ООН по окружающей среде и развитию, 1992). На ней был разработан и принят план действия на 21 век, важнейшей стратегической задачей которого является обеспечение всех людей пресной водой для питья и санитарно-гигиенических целей. Количественный и качественный дефицит питьевой воды стал предметом особого внимания общественных, законодательных и исполнительных органов РФ.
В проекте Федерального закона «О питьевой воде» (О питьевой воде, 1996), отмечается: «Литьевая вода — вода, по своему качеству в естественном состоянии или после обработки отвечающая нормативным требованиям и предназначенная для питьевых и бытовых нужд человека либо для производства пищевой продукции. Нормативы качества питьевой воды (нормативные требования) — совокупность установленных научно-исследовательскими методами регламентированных санитарными правилами допустимых показателей химического и микробиологического (биологического) состава и органолептических свойств питьевой воды, гарантирующих ее безопасность и безвредность для здоровья человека».
В Указе Президента Российской Федерации (РФ) № 23 «О государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития» предусматривается охрана среды обитания человека и, в частности, обеспечение населения качественной питьевой водой (О государственной стратегии РФ по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития, 1994).
Большой вклад в решение этой проблемы внесли Международные конгрессы, проведенные в г. Москве (Акватек-94, 1994; Акватек-96, 1996; Акватек-98, 1998; Акватек-2000, 2000; Акватек-02, 2002). Международный авторитет этих форумов подтверждается широким представительством крупных международных организаций, ведущих ученых и специалистов. На конгрессах обсужден большой спектр проблем, связанных с состоянием, использованием, воспроизводством и охраной водных ресурсов. Резолюции и рекомендации нашли широкое применение за рубежом и в нашей стране при решении водно-экологических проблем, обеспечения потребителей водой нормативного качества.
Качество источников водоснабжения на территории Омской области
Преобладающее число водотоков и водоемов стран СНГ не соответствует требованиям, предъявленным к источникам питьевого водоснабжения (Фалькович, 1992). Уровень загрязнения окружающей среды Западной Сибири продолжает оставаться высоким, несмотря на все принимаемые меры. Ежегодно Новосибирск и Омск спускают в бассейны рек Оби и Иртыша 604 млн. м загрязненных сточных вод (Проблемы сельскохозяйственной экологии, 2000).
Под качеством понимают характеристику состава и свойств воды, определяющую ее пригодность для разных видов водопользования (ГОСТ Р 51232-98, 1999). Основным требованием к качеству воды в водных объектах — соблюдение установленных предельно-допустимых концентраций загрязняющих веществ. Состав и свойства воды должны соответствовать нормативам в створе водотока на 1-м км выше ближайшего по течению пункта водопользования (хозяйственно-питьевого водоснабжения, место купания, организованного отдыха, территории населенного пункта и так далее). Проверку соответствия показателей качества воды установленным нормам называют контролем качества воды.
Все пункты контроля качества воды водоемов и водотоков делят на четыре категории, определяемые частотой и детальностью программ наблюдений. Назначение и расположение пунктов контроля определяется «Правилами контроля качества воды водоемов и водотоков».
Пункты 1-ой категории располагаются на средних и больших водоемах или водотоках, имеющих важное народнохозяйственное значение, в зоне городов с населением свыше 1 млн. жителей, местах нереста и зимовья особо ценных видов промысловых рыб, районах повторяющихся аварийных сбросов загрязняющих веществ и в районах организованного сброса сточных вод, в результате которого наблюдается высокая загрязненность воды.
Пункты II категории устраивают на водоемах и водотоках в пределах следующих участков: в районах городов с населением от 0,5 до 1 млн.жителей; местах нереста и зимовья ценных видов промысловых рыб (организмов); местах организации сброса дренажных сточных вод с орошаемых территорий и промышленных сточных вод; районах со средней загрязненностью вод.
Пункты III категории располагают на водоемах и водотоках в районе городов с населением менее 0,5 млн. жителей, на замыкающих участках больших и средних рек, устьях загрязняющих притоков больших рек и водоемов, районах организованного сброса сточных вод, в результате которого наблюдается высокая загрязненность воды.
Пункты IV категории устраивают на незагрязненных участках водоемов и водотоков, а также на водоемах и водотоках, расположенных на территории государственных заповедников и природных национальных парков.
Качество контролируют по определенным видам программ (табл. 2.), которые выбирают в зависимости от категории пункта контроля. Периодичность проведения контроля по гидрологическим и гидрохимическим показателям устанавливают в соответствии с категорией пункта контроля.
Обязательная программа контроля качества поверхностных вод по гидрохимическим и гидрологическим показателям предусматривает определение следующих показателей: расхода воды; скорости течения или уровня воды (на водоемах); цветности; прозрачности; запаха; концентрации растворенных в воде кислорода и двуокиси углерода; содержания взвешенных веществ; рН; окислительно-восстановительного потенциала; концентрации главных ионов - хлоридных, сульфатных, гидрокарбонатных, кальция, магния, натрия, калия, суммы ионов; химическое потребление кислорода, биохимическое потребление кислорода за 5 суток; концентрация биогенных элементов аммонийного, нитритного и нитратного азота; минерального фосфора, железа, кремния, концентрации широко распространенных загрязняющих веществ — нефтепродуктов, синтетических поверхностно-активных веществ, летучих фенолов, пестицидов, соединения металлов и др. Контроль по этой программе осуществляют в основные фазы водного режима порядка семи раз в год. В зависимости от особенностей водного режима отдельных водотоков частота отбора проб может меняться.
Сокращенные программы контроля качества поверхностных вод по гидрохимическим и гидрологическим предусматривают: определение расхода, скорости течения (при опорных измерениях расхода воды) или уровня воды (на водоемах), t, рН, удельной электропроводности, концентрации взвешенных веществ, концентрации растворенного кислорода, химического потребления кислорода, биохимического потребления кислорода за 5 суток, концентрации всех загрязняющих веществ, основных для воды в данном пункте контроля веществ, визуального наблюдения.
С точки зрения получения информации о техногенном загрязнении водоисточника, задачу решают обязательные программы и сокращенные программы, используемые в пунктах II категории у городов с населением 0,5-1,0 млн. жителей. Очередной цикл изменений в лучшем случае отстает от предыдущего на 30 дней. В населенном пункте с численностью населения менее 0,5 млн. человек жесткие требования к мониторингу водоисточников в настоящее время не установлены. Часть пунктов контроля за прошедшее десятилетие ликвидирована, на оставшейся части полнота проводимых измерений не достаточна и определяется сохранившейся измерительной базой. Приходится констатировать, что в небольших населенных пунктах, не располагающих станциями водоподготовки, население почти не имеет информации о качестве потребляемой воды. Сведения о залповых сбросах загрязняющих стоков в верхнее течение водотоков не приводят к заметным изменениям в технологии использования вод.
Более благоприятная ситуация наблюдается в населенном пункте, располагающем станциями водоподготовки. Технология подготовки воды предусматривает контроль качества на входе и выходе станций с частотой, в разы превышающей частоту «мониторинговых» измерений. Однако и здесь есть свои проблемы. Мониторинг опасных загрязнений новых поколений проводится с низкой частотой и в течение длительного времени, информация об изменении концентрации этих загрязнений отсутствует. С ростом экономического благополучия страны затронутая проблема должна быть решена незамедлительно.
Следует обратить внимание на еще одно обстоятельство. Существующие методы представления информации о состоянии водных объектов для лиц, принимающих решения, не достаточно эффективны. В таблице трудно просмотреть тенденции и закономерности развития экологической ситуации в объекте контроля. Целесообразно информацию с постов контроля предварительно представить в совокупности с ожидаемой опасностью складывающейся ситуации для здоровья населения.
Решить такую задачу можно с использованием принятых критериев оценки качества окружающей среды (Критерии оценки экологической обстановки территории для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия, 1992). Критериями выделяются зоны с относительно удовлетворительной, напряженной, критической, кризисной (чрезвычайной экологической) и катастрофической (экологическое бедствие) ситуацией по кратности превышения измеряемых концентраций загрязняющих веществ над ПДК с учетом класса опасности, суммации биологического действия комбинаций примесей и частоты превышения ПДК.
Оценка опасности загрязнения рассматриваемым веществом характеризует экологический статус на данном участке за исследуемый отрезок времени. Проиллюстрируем избранный вариант представления информации о качестве вод и одновременно оценим состояние объекта исследования (рек Иртыш и Омь) в следующих районах: Черлакский, Болыпереченский, Калачинский и Кормиловский районы.
Экономическая эффективность использования локальной системы подготовки питьевой воды
Реконструкция и техническое перевооружение водоочистных станций требует существенных капиталовложений (до 130,33 млрд. руб.) в ближайшие 10-12 лет (Обеспечение населения России питьевой водой, 1998). Показательно, что в качестве другой важной меры по улучшению обеспечения населения кондиционной питьевой водой рассматривается создание предприятий по розливу питьевой воды. При этом правительство считает, что применение экологически чистой питьевой воды может иметь значение не только как значимый инструмент новой политики водообеспечения населения, но также и в чрезвычайных ситуациях. По нашему мнению политика водообеспечения населения экологически чистой питьевой воды «на розлив» должна стать приоритетной, так как требует меньших капитальных вложений при использовании части инфраструктуры существующих муниципальных предприятий водоснабжения (забор, подъем и очистка воды без хлорирования). Последнее приобретает большое значение в связи с тем, что согласно федеральной программе такое строительство должно проводиться коммерческими организациями за счет внебюджетных средств.
Предлагаемый нами подход связан с использованием уже вложенных средств в инфраструктуру и основные средства существующих систем водоснабжения и позволит реализовать концепцию обеспечения населения питьевой водой со значительно меньшими затратами.
Техническое решение основывается на диверсификации основной деятельности районного производственного управления водоснабжения в рамках производства ограниченного объема питьевой воды и описанных ранее технологических процессах. Помимо решения санитарно-экологических задач реализация изложенного подхода должна иметь положительные экономические результаты.
Технико-экономическое обоснование технологии подготовки питьевой воды производились по капитальным вложениям, годовым эксплуатационным затратам, приведенным затратам, а также по себестоимости очистки воды. Расчет технико-экономических показателей выполнен по типовой методике (Зельдович, 1963), в ценах 2004 года и с учетом налога на добавленную стоимость (НДС), К=1,18. В качестве примера были произведены расчеты экономической эффективности системы подготовки воды для районного центра Кормиловка с населением 10500 человек. Мощность оборудования подбиралось с учетом физиологической потребности населения в питьевой воде — 5 литров в день, следовательно, номинальная производительность системы подготовки воды составляет 52,5 м3 (52500 литров) в сутки.
В связи с социальной значимостью обеспечения качественной питьевой водой населения, одним из важнейших показателей является себестоимость очистки воды. До недавнего времени себестоимость определялась эксплуатационными затратами на 1 м3 (1000 литров) реализованной воды. В последнее время появились документы, разрешающие включать в себестоимость затраты на возврат инвестиционных средств.
Приведенные затраты (Пс) сооружений определялись по формуле:
Пс = Сэкс + Ен Сстр.,
где Сэкс - годовые эксплуатационные затраты, руб.; Ен — нормативный коэффициент эффективности, показывает срок возврата капитальных вложений (принят 10 лет), Ен = 0,1; Сстр. — капитальные вложения, руб. Годовые эксплуатационные затраты определяли по формуле с учетом данных (Авдеев с соавт., 1996):
Сэкс. = А + Тт + ЗП + Мм + Эп + Нр,
где А - амортизационные отчисления, руб.; Тт — отчисления на текущий ремонт, руб.; ЗП - заработная плата, руб.; Мм — стоимость наполнителей и реагентов, руб.; Эл — стоимость электроэнергии, руб.; Нр — накладные расходы, руб.
Качество питьевой воды для Омской области, где основными источниками водоснабжения являются реки Омь и Иртыш, которые согласно гигиенической классификации относятся к водоемам с высоким уровнем загрязненности бытовыми и промышленными стоками, всегда было особой проблемой, на что указывают и другие авторы (Фалькович, 1992; Проблемы сельскохозяйственной экологии, 2002).
Представление информации о качестве вод и одновременно оценка состояния объекта исследования (реки Иртыш и Омь) были произведены в: Черлакском, Большереченском, Калачинском и Кормиловском районах области.
Оценивая ситуацию по рекам Иртыш и Омь в целом по загрязнениям, можно сделать выводы за период 1999-2003 гг.:
- реки Иртыш и Омь очень сильно загрязнены марганцем, железом цинком, медью, нефтепродуктами;
- в последние несколько лет ПДК в воде фенолов, нефтепродуктов, ДДТ и ппДДЭ медленно, но увеличивается;
- концентрация а-ГХЦГ, у-ГХЦГ, нитритного и нитратного азота, никеля, хрома, СПАВ в воде рек Иртыш и Омь незначительно выше своих ПДК;
- вода в Омскую область приходит из Казахстана очень загрязненной.
Это отмечают в своих работах А.А. Алексеев (1999), П.П. Палыунов, Л.И. Эльпинер (1996), Н.А. Толмачева (2002).
В проведенных исследованиях большое внимание уделено на ионы металлов. Известно, что условия в воде и донных отложениях способствуют переходу окисленных форм металлов в более восстановленное состояние, что приводит к повышению содержания металлов в воде. Процессы разрушения комплексных соединений способствуют вторичному загрязнению водоемов. Присутствие в воде железа, марганца способствует обрастанию труб и аппаратуры. Наибольший разброс концентраций в воде рек Иртыш и Омь наблюдается для железа и марганца. Например, минимальное превышение ПДК в реке Иртыш: по марганцу - 0,36 ПДК, максимальное — 96,8 ПДК в Черлакском районе в 2003 г., по железу минимальное превышение ПДК — 0,3 ПДК в 1999 г., максимальное - 22,0 ПДК в 2003 г. в этом же районе. В реке Омь минимальное превышение ПДК по марганцу - 5,790 в 1999 г., максимальное - 159,9 ПДК в 2001 г. в Калачинском районе, здесь же по железу минимальное превышение ПДК составляло - 2 ПДК в 1999 - 2001 гг. и в 1999 г. в Кормиловском районе, максимальное — 26 ПДК в 2001 г. так же наблюдалось в Кормиловском районе.
