Содержание к диссертации
Введение
1. Физико-географические условия изучаемой территории
1.1. Климат 11
1.2. Рельеф 12
1.3. Гидрологические условия 15
1.4. Почвы, растительность и животный мир 17
Выводы 19
2. Экономические и экологические условия исследуемой территории
2.1. Ресурсы нефти и газа и их использование 20
2.2. Другие ресурсы региона и их использование 25
2.8. Природные и экономические условия, как неблагоприятная среда обитания человека 28
2.9. Водно-экологическая ситуация в регионе 30 Выводы 33
3. Геологические и гидрогеологические условия исследуемой территории
3.1. История геологического развития и геологические условия 34
3.2. Гидрогеологические условия 38
Выводы 50
4. Химический состав питьевых подземных вод района исследований
4.1. Методика проведения исследований 51
4.2. Химический состав питьевых подземных вод района исследований 56
4.2.1. Воды неоген-четвертичного водоносного комплекса 56
4.2.2. Воды палеогеновых отложений 66
4.2.3. Воды палеозойского водоносного комплекса 73
Выводы
5. Качество питьевых подземных вод и экологическая безопасность при их использовании
5.1. Факторы и критерии оценки качества подземных вод, используемых в питьевых целях 75
5.2. Санитарно-гигиеническая оценка качества подземных вод и их типизация 77
5.3. Оценка физиологической полноценности подземных вод, используемых для питьевых целей 81
5.4. Экологическая безопасность при использовании подземных вод сельским населением для питьевых целей 89
Выводы 94
6. Пути решения проблемы улучшения качества подземных вод
6.1. «Традиционные» методы обезжелезивания и деманганации 95
6.1.1. Безреагентные аэрационные методы обезжелезивания подземных вод и условия их применимости 95
6.1.2. Методы и условия деманганации подземных вод 96
6.1.3. Современные тенденции в подготовке вод, содержащих железо и марганец 99
6.1.4. Перспективы применения барьерного электрического разряда в подготовке воды из подземных источников 104
6.2. Проблемы умягчения и обсскремнивания подземных вод и их решение 109
6.2.1. Методы умягчения вод 109
6.2.2. Методы обескремнивания 111 Выводы 114
7. Улучшение качества питьевых подземных вод с помощью электроразрадных методов
7.1. Улучшение качества питьевых подземных вод обработкой барьерным электрическим разрядом в водо-воздушной среде 115
7.1.1. Технологическая схема обработки и физико-химические процессы, протекающие в результате обработки 115
7.1.2. Методика проведения исследований 118
7.1.3. Результаты но улучшению качества воды 119
7.2. Улучшение качества питьевых подземных вод обработкой импульсным электрическим разрядом в слое железной загрузки 126
7.2.1. Технологическая схема обработки и методика проведения исследований 126
7.2.2. Физико-химические процессы, протекающие при действии импульсных электрических разрядов в воде на железную загрузку 130
7.2.3. Изучение механизмов удаления компонентов из воды при обработке импульсными электрическими разрядами в слое железной загрузки 140
7.2.4. Результаты по улучшению качества воды после обработки в электроразрядном реакторе с железной загрузкой 146
Выводы 150
Заключение 152
Литература 153
- Природные и экономические условия, как неблагоприятная среда обитания человека
- Воды неоген-четвертичного водоносного комплекса
- Оценка физиологической полноценности подземных вод, используемых для питьевых целей
- Современные тенденции в подготовке вод, содержащих железо и марганец
Введение к работе
Актуальность рабо гы
По данным Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации [1] около 50 % населения России используют для питьевых нужд воду, не соответствующую гигиеническим требованиям по широкому спектру показателей качества воды. Особенно неудовлетворительно обстоит дело с качеством питьевой воды в сельской местности, где централизованным водоснабжением пользуются не более 68 % жителей (около 47 % населенных пунктов).
На территории Томской области и Ханты-Мансийского автономного округа доброкачественной питьевой водой обеспечено юлько население городов и крупных поселков. Обеспечение населения региона качественной питьевой водой является острейшей проблемой, несмотря на то, что водоснабжение осуществляется в основном за счет подземных источников. Подземные воды этого региона характеризуются присутствием ряда компонентов в концентрациях превышающих ПДК. Специфика использования пресных подземных вод в питьевом водоснабжении заключается в том, что подавляющее большинство средних и особенно мелких населенных пунктов региона, как правило, используют для питьевого водоснабжения подземные воды без предварительной их подготовки. Это создает угрозу здоровью населения, использующему подземные воды. От некачественной питьевой воды развиваются такие заболевания как мочекаменная болезнь, заболевания сердца, системы кровообращения, эндокринной системы, онкологические и прочие. Поэтому обеспечение безопасности использования питьевых вод, уменьшение рисков для здоровья населения — актуальная задача современности.
Объектом научного исследования являются пресные подземные воды Томской области и Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО), а предметом - их свойства, состав и качество, как источника питьевого использования.
Цель работы: оценка качества подземных вод, используемых сельским населением для питьевых целей, и разработка современных методов безопасного водопользования.
Задачи исследований: обобщить данные по гидрогеологическим условиям распространения питьевых вод на территории Томской области и ХМАО; провести анализ химического состава питьевых подземных вод исследуемой территории на предмет их безопасного использования; дать санитарно-гигиеническую оценку качества подземных вод, используемых сельским населением для питьевых целей и оценить их физиологическую полноценность; обосновать пути решения проблемы улучшения качества пресных подземных вод, используемых сельским населением для питьевых целей; оценить применимость электроразрядных методов для уменьшения экологической опасности подземных вод, используемых в питьевых целях.
Исходные материалы. В работе использованы личные данные автора, полученные в процессе многолетних (2003-2009 гг.) исследований. Работы проводились в несколько этапов: полевые работы, в результате которых автором было отобрано более 200 проб подземной воды из одиночных и групповых скважин с глубин от 30 до 120 м. Они состояли из отбора проб и определения непосредственно наточке опробования быстроменяющихся элементов (Fe2+) и других параметров (рН, Eh и др.). химический анализ отобранных проб по 11 компонентам (НСОэ", S042\ СГ, Са2+, Mg2+, Feoom, Mn2+, Si4+, NO3", NO2", аммиак и ионы аммония) и 4 основным характеристикам (минерализации, общей жесткости, цветности и величине перманганатной окисляемости); - аналитическая и статистическая обработка всех собранных материалов по району исследований. - опытные работы по улучшению качества воды новыми электроразрядными методами.
В работе также использованы данные Ю.К.Смоленцева, Н.А. Ермашовой, О.Д. Лукашевич, С.Л. Шварцева, Л.П. Рихванова и др., полученные ими в разные годы, а таюке данные Комитетов природных ресурсов по Томской области и Ханты-Мансийскому автономному округу и «Томскгеомониторинга».
Работа проводилась в рамках:
1) госбюджетной темы «Исследование природы активации физико-химических процессов и веществ в импульсном электрическом разряде», номер государственной регистрации 01.20.03.07760, а также по проектам программы «Развитие научного потенциала высшей школы»: «Исследование процессов разрушения металло-каталитической загрузки и образование коагулянтов в импульсном электрокоагуляторе» МНиО РФ - №8038. (2005 г.) и федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 гг.: «Активация электрокоагулянтов в водовоздушном потоке импульсным электрическим разрядом и исследование их сорбционных свойств», Госконтракт № 02.442.11.7266, шифр темы 2006-РИ-19.0/001/127 (2006).
Научная новизна. Получены новые данные по химическому составу подземных вод территории Томской области и ХМАО. Создана база данных по химическому составу пресных подземных вод. Для подземных вод, используемых сельским населением в питьевых целях, составлены Геоэкологические карты-схемы распределения значений общей минерализации, жесткости, окисляемости и содержаний других нормируемых элементов в пределах изучаемой территории.
Впервые для рассматриваемой территории выявлены основные группы химических элементов, содержания которых превышают ПДК, на основании которых выделены типы пресных подземных вод. Выявлено их распространение по территории, оценена опасность использования таких вод в питьевых целях. Разработаны новые подходы к улучшению их качества за счет использования локальных установок, в основе которых положены новые электроразрядные методы.
Защищаемые положения
1. Пресные подземные воды в их естественном состоянии содержат Fe0Gm, Mn2+, Si4+, Са~+, Mg"+, органическое вещество в концентрациях превышающих ПДК для питьевых вод, что позволяет их типизировать по набору компонентов, препятствующих их безопасному использованию в питьевых целях сельским населением.
2.Состав питьевых подземных вод в исследуемом регионе не соответствует физиологической полноценности по содержаниям макрокомпонентов, величине жесткости и минерализации, поскольку более 70 % используемых вод имеют малооптимальный состав, более 20 % - неоптимальный и только около 10 % используемых вод являются оптимальными. По содержаниям микрокомпонентов около 90 % питьевых вод является недоброкачественными, что отражается на здоровье сельского населения.
3.Внедрение локальных регионально-адаптированных устройств водоподготовки, в которых используются различные эффекты от действия барьерного или искрового электрического разряда, позволяют значительно улучшать качество питьевых подземных вод, обеспечивая в регионе экологически-безопасное водоснабжение населения.
Практическая значимость и реализация работы. Разработанные критерии качества позволяют в условиях сельской местности быстро определять пригодность воды для питьевых целей и принимать меры для ее улучшения.
В ИФВТ ТПУ при участии автора разработаны и доведены до внедрения специальные установки водоподготовки. Такие установки уже используются в 30 сельских населенных пунктах Томской области и Ханты-Мансийского автономного округа и позволяют использовать для питья экологически безопасную воду.
Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе в 5 журналах, входящих в перечень ВАК. Работа докладывалась на VII и VIII международных научных симпозиумах им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2004, 2005 гг.), VII международной научно-практической конференции «Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность» (г. Кемерово, 2004г.), научно-практической конференции «Основные водохозяйственные проблемы и пути их решения. К 100-летию Томского водопровода» (г. Томск, 2005г), международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2005г.), V региональной научно-практической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г. Томск, 2005г.), XLIII международной студенческой конференции «Химия» (г. Новосибирск 2005г.), V региональной научно-практической конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» (г. Томск, 2005г.), VI и VII международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г. Томск, 2009г., 2010г.); IV всероссийской конференции молодых ученых. «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (г. Томск, 2009г.), международной научно-практической конференции «Водоподготовка и очистка сточных вод населенных мест в XXI веке: Технологии, Проектные решения, Эксплуатация станций» (г. Москва, 2010г.), V российско-германском семинаре «КарлсТом 2010 - Современные проблемы очистки воды. Наночастицы в водных объектах» (г. Томск, 2010г.).
Структура и объемы работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы, насчитывающего более 100 наименований. Материалы диссертации изложены на 163 страницах, иллюстрированы 44 рисунками и 33 таблицами.
Автор выражает благодарность научному руководителю работы д.г.-м.н., профессору С.Л. Шварцеву за ценные советы и оказанную помощь в работе, а так же зав. лабораторией № 12, ИФВТ, к.т.н. Н.А. Яворовскому, с.н.с, к.т.н. Г.Л.Лобановой, вед.н.с, к.т.н. И. И. Сквирской, доценту ИФВТ, к.х.н. Л.Н. Шиян, доценту ИПР, к.х.н. Р.Ф. Зарубиной, доценту ИПР, к.г.-м.н. А.Д. Назарову за проявленный интерес к работе и плодотворное сотрудничество. С.н.с. П.А. Хряпову - за помощь в отборе проб подземных вод, инженеру О.П. Голопольской, с.п.с. лаборатории Радиационной спектроскопии ТПУ, к.т.н. Е.А. Тропиной, с.н.с. лаборатории № 12 ИФВТ, к.т.н. Я. И. Корневу - за содействие при проведении экспериментальной части работы.
Природные и экономические условия, как неблагоприятная среда обитания человека
Самая высокая аварийность из года в год отмечается на месторождениях ОАО "Юганскнефтегаз" - 2712 случаев, ОАО "Томскнефть" - 1273 случаев и ТИК ВР Менеджмент - 1260 случаев, что составляет 95 % всех зарегистрированных аварий на нефтепромыслах [21].
Предприятия нефтепромысла, включающие скважины добычи, первичную обработку нефти и хранилища отходов являются одними из главных источников загрязнения почвы населённых пунктов на значительной части исследуемого региона. Основные причины загрязнения почвы в нефтедобывающем регионе — утечка нефти и продуктов ее переработки в результате аварий на трубопроводах, загрязнение почвы и водных объектов нефтепродуктами и токсичными веществами через шламовые амбары [19-20]. Существенный процент загрязнения земель нефтепродуктами составляют склады и базы горюче-смазочных материалов, из которых 40 % имеют нарушения в обваловке территорий, отсутствии обводных канав.
Северные водоемы из-за низкой температуры, недостаточной аэрации, малой биологической активности обладают слабой способностью к самоочищению. Они очень быстро загрязняются. Самоочищение рек происходит только на расстоянии 2—2,5 тыс. км от мест загрязнения вниз по течению. Широкое развитие болот с застойным поверхностным увлажнением предопределило длительную сохранность плавающей нефтяной пленки на месте выброса. Загрязняющие вещества на поверхности болот могут сохраняться сотни лет. Загрязнение поверхностных вод приводит к резкому сокращению рыбных ресурсов, создает трудности с водоснабжением [18].
По прогнозам специалистов за пределами первой половины XXI века Томская область и ХМАО, как объект подготовки запасов нефти, видимо, не сохранит ведущего положения, но ресурсы этим не ограничиваются, следует также упомянуть о запасах торфа, лесных и водных ресурсах. Общая площадь торфоносных болот в 50-е годы составляла свыше 162 млн.га, суммарные запасы торфа-сырца исчислялись в 412 млрд.куб. метров.
Леса в Западной Сибири занимали площадь в 61.3 млн.га, из них леса промышленного значения - 54 млн.га, что составляло почти половину лесов США, почти в два раза больше лесов Франции, в четыре раза - лесов Англии. Суммарный запас древесины оценивался в 6 млрд.куб.метров, ежегодный прирост древесины - свыше 100 млн.куб.метров [57].
Лесной фонд Западной Сибири представлен в основном хвойными ле-сообразующими породами (сосна, кедр, ель, пихта, лиственница) и мягколиственными (береза, липа, осина, ольха), частично твердолиственные (дуб, клен) и прочими породами, в которых преобладают кустарниковые.
В возрастной структуре лесов западносибирского региона зачастую преобладают спелые и перестойные насаждения. Лесной фонд Западной Сибири (как и лесной фонд Российской Федерации) был подвержен в 90-е годы существенным изменениям. Площадь покрытых лесом земель стабильно растет, прежде всего, за счет перевода молодняков в категорию покрытых лесом земель и в связи с повсеместным снижением площадей сплошных рубок главного пользования [85]. Значительная часть не покрытых лесом земель в настоящее время сосредоточена в труднодоступных и малонаселенных районах Западной Сибири (4.6 % от общей площади не покрытых лесом земель в России). Биоресурсы на территории Западной Сибири представляют собой уникальные природные сообщества. Дикая природа этого региона всегда составляла основу для ведения лесного и сельского хозяйства, охоты и рыболовства, других промыслов, во многом определяла направления хозяйственно-экономической и социальной деятельности местного населения. Наряду с другими регионами (Урал, Восточная Сибирь, Дальний Восток) в изучаемом экономическом регионе находятся значительные площади охотничьих угодий. Водный баланс западносибирского региона характеризуется следующими годовыми показателями: поверхностный сток - 364 кв.км, подземный сток - 149 кв.км, осадки - 1090 кв.км, испарение - 577 кв.км. Наиболее протяженной и многоводной рекой в Западной Сибири является река Обь, основные гидрологические характеристики которой (вместе с Иртышом) выглядят следующим образом: площадь водосборного бассейна - 2470 кв.км, длина реки -3676 км, средне-многолетний сток - 403 кв.км, среднемпоголстний расход - 12830 куб.м/с, сток маловодного года (Р = 95 %) - 2 82 км 3, водообеспеченность - 1 78.6 тыс.куб.м/год на 1 кв.км и 54.4 тыс.куб.м/год на 1 человека. В Западной Сибири значительную часть территории занимают болота и заболоченные участки (в Российской Федерации - свыше 10 % территории страны). Основные болотные массивы сосредоточены на севере региона, площади болот колеблются в весьма значительных пределах: от нескольких гектаров до десятков квадратных километров. По видовому составу болотных растений и условиям водно-минерального питания болота определяются как низинные, переходные и верховые. Болота играют важную экологическую и водохозяйственную роль в формировании гидрологического режима рек и водоемов, регулируют поводки и половодья, способствуют естественному самоочищению водных ресурсов от техногенных загрязнений. В масштабах Российской Федерации водно-болотные угодья служат источниками пресной воды, основой развития орошаемого земледелия, ресурсной составляющей для поддержания традиционного уклада жизни местного населения. К 2000 г. в России насчитывается 34 водно-болотных угодья международного значения площадью 10.7 млн.га, в том числе Васюганское болото Томской области и Верхнее Двуобье в Ханты-Мансийском автономном округе. На состоянии окружающей природной среды не могла не сказаться массированная передислокация промышленности Донбасса и центральной части страны в города региона. Благодаря чему в Томске обосновалось свыше 10 крупных промышленных предприятий машиностроительного, электромеханического профиля. С помощью ученых Томского государственного университета проблемы обеспечения эвакуированных предприятий сырьем, деталями и полуфабрикатами удалось решить за счет местных природных ресурсов. В широких масштабах было организовано производство скипидара, пихтового масла, древесного порошка, различных лаков и красок, абразивных изделий, тары, деревянных деталей [3,12]. В послевоенные годы промышленность региона продолжала бурно развиваться, использую богатые природные ресурсы Западной Сибири. Быстрыми темпами осваивалась лесосырьевая база. Развитие лесной промышленности сопровождалось строительством деревообрабатывающих комбинатов в Томске. Однако, по оценке специалистов, полезно использовалась и продолжает использоваться только 30-35 % древесины, остальное уходит в отходы лесопиления и лесопереработки.
Воды неоген-четвертичного водоносного комплекса
В литературных источниках можно найти множество работ посвященных классификациям воды по качеству [63-81], имеющих разную степень юридической силы и использующие разные комплексы гидрохимических, геохимических и гидробиологических показателен. Имеющиеся показатели для выделения различных групп и классов по качеству на сегодняшний день достаточно произвольны. Однако, мы склонны считать, что оценку качества вод необходимо проводить, как с точки зрения безопасности, так и с точки зрения ее полезности.
До настоящего времени не выработано единого понятия - какую воду мы можем считать пригодной для питьевых целей, и какие критерии оценки могут быть приняты как объективные? Под качеством вод согласно ГОСТ 270685-86 [63] понимают «совокупность физических, химических и биологических свойств, характеризующих возможность их использования для определенных целей».
Поскольку вода — жизненно необходимый ресурс для всех живых организмов и среда обитания водных организмов, ее качество может быть оценено только по отношению к живым системам. Возникает вопрос: насколько эпитетные, зачастую субъективные определения качества соотносятся с состоянием живых организмов, потребляющих воду или живущих в ней.
Свойства природных вод формируются в результате ряда сложных процессов на водосборе: физико-химических - химическое выветривание элементов, их взаимодействие, фильтрация, миграция, адсорбция, десорбция, атмосферное выпадение и эвапорация с поверхности; биологических, микробиологических и биофнльтрационных. Относительная природная стабильность свойств вод и сезонная их изменчивость конкретных источников воды поддерживается за счет динамического равновесия и цикличности природных явлений. М.Г. Хубларян и Т.М. Моисеенко [82] предлагают более универсальное определения с позиций экологической парадигмы: качество вод - это свойства вод, сформированные в процессе химических, физических и биологических процессов, как в водоеме, так и на водосборе; качество вод благоприятно в том случае, если отвечает требованиям сохранения здоровья человека и организмов, потребляющих воду, а также обитающих в нем наиболее чувствительных гидробионтов. Поскольку человек не может быть подвергнут исследованиям по оценке качества вод, то принято принимать требования отвечающие существованию и воспроизводству наиболее чувствительных гидробионтов [82]. В настоящее время качество воды, используемой в питьевых целях, оценивается с использованием санитарно-гигиенического нормирования. Данный подход основан на знании негативных эффектов, являющихся результатом биохимического воздействия разнообразных факторов на отдельные рецепторы, физиологические системы живых организмов или их популяции. Под санитарно-гигиеническими показателями качества воды понимаются характеристики ее состава и свойств, определяющие пригодность воды для использования. человеком или в качестве среды обитания для некоторых видов фауны. В целях контроля за качеством воды, были приняты основополагающие документы, которые устанавливают порядок обоснования нормативов, санитарные требования и значения предельно-допустимых концентраций для воды с учетом рекомендаций Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) [83]. В частности СанПиН 2.1.4.1074-01 [84] нормирует содержание в питьевой воде вредных химических элементов и основных показателей качества воды, наиболее часто встречающихся в природных водах. На сегодняшний день в России установлено ПДК для 750 элементов. Вопреки бытующему мнению об отсталости нашей нормативной базы, по большинству параметров российский СанПиН 2.1.4.1074-01 удовлетворяет рекомендациям ВОЗ и не уступает зарубежным стандартам, а в некоторых позициях даже превосходит их. Система санитарно-гигиенического нормирования с использованием ПДК уже длительное время подвергается различной критике. В целом основные претензии к действующей системе ПДК можно свести к следующему: Используемые ПДК не учитывают специфику водных экосистем в различных природно-климатических зонах и естественных геохимических провинций. При обосновании ПДК не учитываются сезонные особенности природных факторов, на фоне которых проявляется токсичность отдельных веществ. Значения ПДК нормируют лишь верхнюю границу содержаний отдельных веществ, определяющих отсутствие негативного влияния на организм, при этом не учитывается нижняя граница, определяющая оптимальное поступление элементов в организм для нормального функционирования. Существующие недостатки санитарно-гигиенического нормирования не ставят под сомнения необходимость оценки качества, используемых вод. Они указывают на необходимость разработки новых подходов и принципов комплексной экологической оценки. Основной задачей такой оценки является обеспечение экологической безопасности использования человеком воды и сохранение его здоровья. Химическое воздействие на человека оценивается через ПДК веществ в воде, воздухе, почве. Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом отношении, безвредна по химическому составу, и иметь благоприятные органолептические свойства. В настоящее время на территории Российской Федерации химический состав, физические свойства, микробиологические и радиационные показатели качества питьевой воды регламентируются документом СанПиІІ 2.1.4.1074-01 [84]. В табл. 5.1 приведены данные по доле проб воды не соответствующих ПДК, используемым сельским населением в питьевых целях на изучаемой территории.
Среди показателей ухудшающих качество питьевых вод исследуемого региона практически повсеместно является железо, встречаемость которого в концентрациях выше ПДК составляет 95-100% по изученным административным районам. Встречаемость содержаний марганца выше ПДК составляет 75-100%. Количество проб воды, несоответствующих питьевым нормам по величине окисляемости различно. Доля этих проб увеличивается в северном и восточном направлениях, достигая в Верхнекетском, Первомайском и Белоярском районах 70-80%. С высокими концентрациями в питьевых подземных водах железа, марганца и органических веществ связана ее цветность, значительно ухудшающая их питьевые качества по органолептическому показателю вредности.
Оценка физиологической полноценности подземных вод, используемых для питьевых целей
Взаимосвязь влияния химического состава питьевой воды на состояния здоровья и заболеваемость населения установлена в исследованиях, проводимых на протяжении ряда лет специалистами организаций Роспотребнадзора совместно с НИИ гигиенического профиля.
Подтверждены полученные ранее данные об увеличении риска заболеваний органов кровообращения, пищеварения, эндокринной системы, мочевыводящих путей в результате длительного воздействия питьевой воды с нарушением гигиенических нормативов, регламентирующие содержание химических веществ. Микробное и химическое загрязнение питьевой воды может быть причиной различных заболеваний населения, что доказано работами Г.Г. Адамовича, А.И.Воробьевой, М.Г. Коломийцева, Р.Д. Габовича, В.В. Ковальского, В.Б. Ильина, В.К. Бахнова, А.П. Аникиной, И.А. Будеева и других исследователей.
По оценке Ю.К. Смоленцева [59] суточное поступление ряда токсичных или биологически активных микроэлементов с пресной подземной питьевой водой исследуемого региона в организм человека может составлять от 0,05 до 61 % от физиологической потребности организма. Такие элементы, как Fe, F, I, Br, Mn, Sr могут поступать в организм человека с водой в избыточных количествах, достигающих 210-1800% и более от физиологической потребности, если предварительно не будет улучшено их качество.
Исследования, проведенные Л.П. Рихвановым, Л.П. Волкотруб, Г.Г. Адамовичем, А.Т. Адамяном, И.И. Балашовой, Г.Н. Белоглазовой, ЛВ.Н. Володченко, П.В. Гончаровой, В.Ф. Гришиным. Э.А. Губертом, Н.Г. Зенкиным, Н.С. Зинченко, А.Б. Карповым, Ж.В. Кинжибаловой, Т.Ф. Кляйном, В.Г. Кондратьевым, А.С. Кравцовым, О.М. Кучумовой, К.В. Макаровой, Г.И. Мендриной, Л.А. Мочалиной, Л.П. Назаренко, И.Н.Одинцовой, В.Ф. Олейниченко, Е.В. Панфиловой, Л.Ф. Писаревой, В.В. Поливахо, В.П. Пузырёвым, Л.П. Фроловой, Г.В. Чепезубовым, Н.Г. Кашаповым и др. показали, что в регионе за последние десять лет отмечается рост по отдельным классам заболеваний, особенно наглядными среди них являются: новообразования, болезни крови и кроветворных органов, болезни мочеполовой системы, врожденным аномалии, инфекционные заболевания [32, 92, 93, 94, 95]. В таблице 5.8 приведены данные по заболеваемости населения Томской области и ХМАО некоторыми из них.
Общность природных и экологических условий определяют одинаковый уровень в характерных заболеваниях населения Томской области и ХМАО, за исключением мочекаменной болезни. Это, по-видимому, связано с более высокой величиной общей жесткости питьевых вод в Томском и Бакчарском районах области.
Исследования, проведенные А.К. Полиенко, Л.П. Волкотруб, Н.С. Зинченко, В.И. Волковым и др., [32, 92, 93, 94, 95] показали, что питьевая вода с жесткостью более 4,0 мг-экв/л при длительном употреблении может иметь этиологическое значение (даже в пределах нормируемых величин) и приводит к росту (в среднем на 5-10%) заболеваемости населения мочекаменной болезнью.
Согласно данным Ю.К. Смоленцева при длительном употреблении воды с избыточными концентрациями кремния в питьевых водах (выше 13 мг/л) [59] приводит к заболеваниям населения мочекаменной болезни и эндемической нефропатией. Таким образом, использование пресных подземных вод населением Томской области и Ханты-Мансийского автономного округа без предварительного улучшения их качества может привести к тяжелым заболеваниям. Необходимо управление качеством подземных вод, снижение степени их отрицательного биогеохимического воздействия на организм человека.
Тяжелая водно-экологическая ситуация в регионе связана с: - отсутствием системы водоподготовки; - устаревшими технологиями водоочистки и обеззараживания: коагуляция, фильтрация, отстаивание и хлорирование - недостаточно эффективные в отношении ряда химических и биологических загрязнителей и, прежде всего, при высоком их содержании в воде водоисточника; нарушением технологических условий эксплуатации сооружений водоподготовки; - вторичным загрязнением воды, прошедшей водообработку, в изношенных водо-разводящих сетях, находящихся зачастую в крайне неудовлетворительном санитарно-техническом состоянии. Низкий уровень внедрения современных технологий водоочистки, высокая изношенность разводящих сетей, территориальные особенности источников водоснабжения, обуславливающий дефицит или избыток биогенных элементов, является одним из факторов, оказывающих негативное влияние на здоровье населения. С целью улучшения обеспечения населения страны доброкачественной питьевой водой Роспотребнадзором постоянно ведётся работа над совершенствованием правовой и нормативной базы, устанавливающей санитарно-эпидемиологические требования к питьевой воде и питьевому водоснабжению [96]. Требования по обеспечению безопасности, безвредности и органолептической безупречности питьевой воды регламентируется Федеральным законом от 30.03.1999г. № 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», а также санитарными правилами и гигиеническими нормативами. В настоящее время разработано более 2000 гигиенических нормативов, регламентирующих требования безопасности к питьевой воды. В период с 2000 года на федеральном уровне введено в действие 9 нормативных документов, направленных на обеспечение населения доброкачественной питьевой водой среди которых особое значение имеет СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», разработаны и утверждены в установленном порядке около 150 гигиенических нормативов по содержанию химических веществ в воде водных объектов питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования, из них 35 - относятся к числу ранее установленных и пересмотренных на основе гармонизации с международными нормативами, в том числе, с учетом канцерогенной активности и с учетом рекомендаций Директивы Совета Европейского союза 98/83/ЕС [97]. До настоящего времени продолжается работа по внесению изменений и дополнений в Водный кодекс Российской Федерации. В связи с принятием Федерального закона «О техническом регулировании» с участием специалистов Роспотребнадзора ведётся работа над проектом технического регламента, касающегося всего комплекса проблем водопользования и водопотребления. Проблема обеспечения населения доброкачественной питьевой водой требует комплексного решения в рамках реализации целевых программ, принимаемых на федеральном и региональном уровнях. Постановлением Правительства Российской Федерации №292 «О Концепции федеральной целевой программы «Обеспечение населения России питьевой водой» и осуществлении первоочередных мероприятий по улучшению водоснабжения населения» от б марта 1998 году [96], рекомендовано органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации осуществить разработку целевых программ обеспечения населения питьевой водой. Однако следует отмети і ь, что Федеральная целевая Программа «Обеспечение населения России питьевой водой», в которой предусматривались 3 этапа реализации (с 1999-2000 гг., 2001-2005 гг., 2006-2010 гг.) не была утверждена. В настоящее время региональные целевые программы по обеспечению населения питьевой водой действуют в 33 субъектах Российской Федерации. Кроме того, в ряде регионов предусмотрены соответствующие мероприятия по улучшению водоснабжения населения в рамках реализации программ реформирования- коммунальной службы, социального развития села и других.
Современные тенденции в подготовке вод, содержащих железо и марганец
В электроимпульсной обработке вода обрабатывается озоном, различными радикалами, потоком электронов и активных ионов, а также ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями, локальным повышением температуры, гидродинамическим и акустическим воздействием. При этом озон, радикалы и другие активные окислители воздействуют на примеси в воде в момент образования, т.е. равновесие пар "кислород-озон", "кислород-ОН-радикал" и др. сдвигается в сторону активных окислителей и, таким образом, удельная энергия на их формирование ожидается меньше, чем в процессе озонирования.
Кроме того, в процессе дезинфекции в электроимпульсном методе воздействие на микроорганизмы идет не только и, возможно, не сголько по окислительному сценарию, как это происходит при озонировании, но и по другим механизмам, упомянутым выше. Имеющееся данные указывают на то, что расходы энергии при дезинфекции в электроимпульсном методе оказываются весьма низкими в сравнении с озонированием.
Существенным недостатком озонирования также является и то обстоятельство, что озон довольно плохо растворяется в воде. Из-за этого при озонировании воды приходится решать проблемы наиболее полного использования озона, что достигается путём применения различных массообменных контактных аппаратов, сочетающих интенсивный массообмен с продолжительным временем контакта пузырьков газа с водой. Но даже эти приёмы не позволяют использовать озон на 100 %, т.к. растворение озона в воде является равновесным процессом. Остаточный озон разрушают на выходе из аппарата, как правило, термически, т.е. ещё одна часть озона расходуется впустую. Всё это повышает энергопотребление процесса озонирования и делает громоздкой аппаратуру. Электроимпульсный метод свободен от такого недостатка: поскольку генерирование окислителей происходит прямо в обрабатываемой водовоздушной среде, аппаратура приобретает компактность и не требует ухищрений с массообменом.
Ультрафиолетовое облучение является действенным дезинфицирующим средством, применяемым в обработке воды. Существенным недостатком этого метода является зависимость эффективности и самой применимости метода от прозрачности обрабатываемой воды в ультрафиолетовом диапазоне: мутные воды или воды с содержанием заметных количеств оптически активных в УФ - области веществ, каковыми являются большинство сточных вод, не могут быть эффективно дезинфицированы.
Применение УФ-ламп даже для дезинфекции прозрачных природных вод сопряжено с некоторыми техническими трудностями. При расположении УФ-ламп вне обрабатываемого потока воды большая часть энергии тратится на рассеивание света вне потока. При помещении же внутри водного потока, поверхность бактерицидных ртутно-кварцевых ламп низкого давления неминуемо покрываются плёнкой минеральных и органических отложений. Происходит это вследствие того, что поверхность ламп в ходе их работы нагревается до 100 С, что способствует отложениям, прежде всего, солей накипи, играющих роль экрана для УФ - излучения. Для очистки поверхностей ламп применяются довольно хитроумные очистители с пневматическим приводом, что, тем не менее, не решает проблемы мутных и УФ-непрозрачных сточных вод. Кроме того, УФ-излучение имеет малое дальнодействие и убивает бактерий на расстоянии не более 5-6 см. Отсюда следующий минус: для установки большой производительности требуется большое количество УФ-ламп.
Окисчение пероксидом водорода возможно лишь в случае применения гомогенных катализаторов, ионов металлов переменной валентности, чаще всего железа (реактив Фентона), что сопряжено с существенным недостатком метода - образованием значительных количеств шламов гидроксидов металлов в ходе обработки воды. Применение фотолитического катализа в сочетании с пероксидом водорода имеет те же недостатки, что и дезинфекция с помощью УФ-облучения (см. выше).
Применение электроимпульсного метода обработки воды свободно от образования. шламов. Кроме того, применение пероксида в очистке воды связано с наличием реагентного хозяйства, от которого свободен предлагаемый электроразрядный метод.
Фотокаталитическое окисление. В основе фотокаталитического окисления лежит способность УФ-квантов с достаточной энергией выбивать электроны из так называемого валентного слоя полупроводника (чаще всего, диоксида титана анатазной структуры) в слой проводимости, оставляя на месте выбитого электрона положительно заряженную дырку, являющуюся сильнейшим окислителем в природе. Метод позволяет использовать до 4% солнечной энергии непосредственно, что делает его привлекательным с точки зрения экономичности процесса. Однако, методу присущ такой недостаток, как низкая скорость окисления, что сдерживает его применение: установки громоздки, потери воды с испарением велики.
Предлагаемый электроимпульсный метод использует недешёвую электроэнергию, но делает это в интенсивной манере, уменьшая габариты установок и увеличивая их пропускную способность.
Обработка электронными потоками. К этой области техники обработки воды обычно относят применение электронных ускорителей. Во многом природа обработки воды потоком электронов аналогачна природе явлений, наблюдаемых в электроимпульсной обработке воды: основными реакционными субстанциями-выступают окислительные ОН-радикалы, образуемые в цепи реакций электронного захвата растворённым в воде кислородом, а также восстановительные Н-радикалы и электроны.
В литературе (Munter, R., Preis, S., Kallas, J., Trapido, M., Veressinina, Y. (2001). Advanced oxidation processes (AOPs): water treatment technology of the twenty-first century. Kemia-Kemi, 28, 354-362.) опубликован сравнительный анализ затрат на обработку модельных растворов, содержащих 20 мг/л бензола и 20 мг/л трихлороэ пшена, отдувкой воздухом (стриппингом) с последующей адсорбцией, примесей из отработанного воздуха активированным углем, пероксидом водорода с УФ-облучением и обработкой воды в электронном ускорителе. Стоимость обработки воды в.электронном ускорителе оказалась сравнимой с обработкой пероксидом водорода и втрое дешевле стриппинго-адсорбционной очистки, принятой в качестве стандартной для удаления летучих органических соединений Агентством Защиты Окружающей Среды США (Environmental Protection Agency). Обработка электронными потоками не нашла широкого применения вследствие больших капитальных затрат на аппаратуру и жёсткие требования безопасности.
Иные технологии. Применение в схеме водоочистки только фильтров с модифицированной загрузкой предполагает периодическую замену расходных материалов. За счет этого происходит дополнительное скрытое удорожание этих.. технологий и реальное повышение эксплуатационных расходов. Кроме того, использование этих фильтров предполагает выполнение специальных требований и условий для осуществления процесса качественной очистки воды. За счет этого область применения фильтров резко сужается.
