Экологическая оценка питьевой воды и системы подготовки её для нужд населения г. Костромы

Актуальность темы

Угроза существованию человечества таится в катастрофической экологической обстановке, а именно в настоящее время серьезным опасением является недостаток питьевой воды, ее качественные изменения, несоответствие санитарно-гигиеническим требованиям.

Состояние водоисточников и систем центрального водоснабжения не гарантирует требуемого качества питьевой воды. Большая часть населения России использует для питья воду, которая не соответствует гигиеническим требованиям по различным показателям. Следует отметить, что разработанные традиционные подходы для охраны природных экосистем малоэффективны, так как их использование сводится к установлению только отдельных источников загрязнения.

Питьевая вода — необходимый элемент жизнеобеспечения населения, от ее качества зависят состояние здоровья людей, уровень санитарно-эпидемиологического благополучия, социальная стабильность общества.

Проблема обеспечения населения России питьевой водой нормативного качества с каждым годом все более усугубляется, и сегодня она становится одной из главных социально-экономических проблем в осуществлении государственной стратегии устойчивого развития общества.

В Российской Федерации примерно 109 млн. человек проживают в условиях неблагоприятной санитарно-гигиенической обстановки (Martin, 1989; Агаджанян, 2001). Исследователями установлено, что антропогенные изменения среды обитания человека вызывают неблагоприятные показатели в состоянии здоровья населения (Брукер, 1982; Бондарев, 1984; Лукашев, 1984; Безель, 1992; Пальгунов, Эльпинер, 1995; Авакян, 1998; Никаноров, 2000; Акватек, 2002). Более объективной оценкой загрязнения окружающей среды являются показатели здоровья человека, так как при этом учитывается влияние всех загрязнителей, их действие.

По данным В. В. Найденко (1994), Н. А. Толмачева (2002), применяемые технологии обработки воды из-за повышенного загрязнения водоисточников стали в большинстве случаев недостаточно эффективными, в связи с этим водопроводные сооружения не всегда обеспечивают надежную водоподго-товку и подачу населению питьевой воды требуемого качества. В связи с существующими проблемами финансирования методы очистки воды внедряются недостаточно высокими темпами (Васильев, 1992; Найденко, 1994; Толмачева, 2002).

Специальных исследований по экологической оценке питьевой воды в городе Костроме не проводилось. Поэтому внедрение в практику передовых технологий, а именно использование усовершенствованной системы крупногабаритного рециркулятора для подготовки питьевой воды, поставляемой населению города Костромы, несомненно, представляет достаточно актуальную задачу и требует широкого экологического исследования.

Цель исследования — оценить качество питьевой воды, поступающей населению города Костромы после введения в эксплуатацию системы водо-подготовки с использованием реконструированного крупногабаритного рециркулятора.

В задачи исследования входило:

— изучить качество заборной воды реки Волги в городе Костроме за период 2002;2006 гг.;

— оценить качество питьевой воды до и после реконструкции малогабаритного рециркулятора на левобережной насосно-фильтровальной станции (НФС);

— сравнить качество питьевой воды на правобережной НФС, подготовленной по технологии горизонтальных осветлителей рециркуляторов, с водой, подготовленной на левобережной НФС с использованием крупногабаритных рециркуляторов;

— на основе полученных данных оценить эффективность реконструированной системы очистки воды на левобережной НФС с целью выработки рекомендаций для дальнейшего использования реконструированного крупногабаритного рециркулятора в водоподготовке качественной питьевой воды.

Научная новизна. Впервые в городе Костроме проведено комплексное исследование качества питьевой воды, поступающей населению после введения в эксплуатацию системы водоподготовки с использованием реконструированного крупногабаритного рециркулятора.

Выявлено, что заборная вода реки Волги загрязнена железом, медью, цинком, марганцем и нефтепродуктами. Расчеты коэффициента комплексной загрязненности воды позволили выявить уровень загрязнения забираемой воды. Установлена оценка эффективности существующей водоподготовки питьевой воды до проведенной реконструкции рециркулятора и после введения в эксплуатацию реконструированного. Впервые проведена сравнительная оценка предлагаемой технологии подготовки питьевой воды с использованием крупногабаритных рециркуляторов на левобережной НФС с технологией горизонтальных осветлителей рециркуляторов на правобережной НФС. Установлено, что питьевая вода, подготовленная на левобережной НФС с использованием реконструированной системы крупногабаритного рециркулятора, по всем показателям приближается к показателям питьевой воды, подготовленной на правобережной НФС, и соответствует СанПиН 2.1.4.1074−01 (2001)

Практическая значимость. Проведенная реконструкция рециркуляторов на левобережной НФС позволила получить качественную питьевую воду для населения.

Результаты исследований использованы при проектировании модернизированного крупногабаритного рециркулятора в локальной системе подготовки питьевой воды второго блока насосно-фильтровальной станции, что подтверждено актом внедрения результатов исследования в производство от 15 сентября 2005 г.

Полученные данные могут быть рекомендованы к использованию в практике Госсанэпиднадзора, занимающегося экологическими исследованиями, Государственного комитета по охране окружающей среды Костромской области, а также послужить совершенствованию методов очистки питьевой воды, контролю ее качества и использованы в целевой программе области «Обеспечение населения Костромской области доброкачественной питьевой водой».

Основные данные и главные положения диссертационной работы используются в учебном процессе курса «Экология» Костромского государственного университета им. Н. А. Некрасова.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оценка качества питьевой воды до и после ее подготовки с применением реконструированной системы крупногабаритного рециркулятора на левобережной НФС с учетом качества заборной воды.

2. Сравнительная характеристика качества питьевой воды, прошедшей водоподготовку на реконструированной левобережной НФС, с водой, подготовленной на правобережной НФС.

Апробация результатов исследований. Материалы диссертационной работы были представлены, доложены и обсуждены на пленарном заседании кафедры зоологии и медико-биологических дисциплин ежегодной международной конференции Костромского государственного университета им. Н. А. Некрасова (Кострома, 2004;2006 гг.) — на пленарном заседании кафедры биологической защиты Костромской военной академии радиационной, химической и биологической защиты им. Маршала Советского Союза С. К. Тимошенко (Кострома, 2004 г., 2005 г., 2006 г.) — на X Международной научно-практической конференции «Экономика природопользования и природоохраны» (г. Пенза, 2007 г.) — на IV Международной научно-практической конференции «Aktualne problemy nowoczesnych naulc — 2008» (Интернет-конференция, 2008 г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объём работы. Общий объём работы диссертации составляет 130 печатных страниц. Текст включает: введение, три главы, заключение, выводы, предложения производству, приложения. Список цитирован

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Академик А. П. Капринский писал, что «вода — это не просто минеральное сырьё, это не только средство для развития промышленности и сельского хозяйствавода — это действенный проводник культуры, это та живая кровь, которая создаёт жизнь».

В России проблема воды стоит чрезвычайно остро. Практически все ее источники подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Санитарное состояние большей части открытых водоемов России в последние годы улучшилось из-за уменьшения сброса стоков промышленными предприятими, но все еще остается тревожным (Онищенко, 1999).

Водоподготовка питьевой воды (в том числе воды, применяемой в пищевой промышленности) является одной из самых актуальных общечеловеческих проблем XXI века.

Однако, обеспечение человечества высококачественной питьевой водой невозможно без внедрения в кратчайшие сроки нового поколения оборудования по очистке воды. Сегодня, когда, по новым данным, загрязнённая вода является главной причиной онкозаболеваний, а содержание вредных веществ в артезианских скважинах водозабора достигло таких невиданных концентраций, что характер их воздействия на организм человека приобрёл устрашающие размеры (угроза мутагенного, тератогенного и патогенного перерождения, поражение неизлечимыми смертельными недугами), только внедрение водоочистительного оборудования мирового уровня со всесторонней многоступенчатой очисткой, мощным обеззараживанием и активной системой отбора вредных веществ сможет решить проблему сохранения здоровья населения.

На основании вышеизложенного следует отметить, что качество питьевой воды для города Костромы, где главным источником водоснабжения является река Волга, которая относится, согласно гигиенической классификации, к водоёму со средним уровнем загрязнённости бытовыми и промышленными стоками, всегда было важной проблемой, на что указывают и другие авторы (Бояркина, 1976; Добровольский, 1978; Добровольский, 1980; Ржаксинская, 1983).

Для предоставления информации о качестве водоподготовки и оценке состояния объекта исследования — реки Волги — были проведены комплексные исследования в Ленинском, Свердловском и Дмитровском районах, а также на выходе воды в водопроводную сеть города на левобережной НФС до реконструкции и после проведенной реконструкции рециркулятора и правобережной НФС, функционирующей по принципу горизонтальных осветлителей, которые снабжают город питьевой водой.

В целом оценивая ситуацию по загрязнённости реки Волги в период исследования 2002—2006 годы, можно сделать следующие выводы: — вода загрязнена железом, медью, цинком и нефтепродуктами;

— концентрация азота аммония и нитратов за последние годы незначительно, но повышается.

Избыточное содержание в воде таких элементов, как железо, марганец, медь способствует обрастанию не только труб, но и всего оборудования. Воздействие водного фактора в городе Костроме обуславливается неблагоприятными параметрами водоснабжения за счет возвратных вод с ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 и за счет подачи воды с артезианских скважин, фильтры которых не менялись на протяжении многих лет. Если рассматривать все показатели концентраций тех или иных веществ в воде реки Волги, то следует, что большая часть из них выходит за пределы норм ПДК.

Наши исследования показали, что в районе города Костромы вода реки Волги недопустимо загрязнена железом и нефтепродуктами. Поэтому левобережная НФС при водоподготовке не справляется с такой нагрузкой, и даже после её подготовки вода содержит некоторые элементы, превышающие ПДК. В связи с этим в технологии подготовки воды встал вопрос о замене малогабаритных рециркуляторов на крупногабаритные.

Главными задачами при разработке крупногабаритных рециркуляторов стали: увеличение производительности, глубина очистки воды от механических примесей путём осаждения и удаления их, снижение цветности, обезже-лезивание, обеззараживание питьевой воды и, как дополнение, экономия коагулянта.

В качестве объекта исследования была взята водозаборная вода реки Волги и питьевая вода, подготовленная левобережной НФС с использованием усовершенствованного крупногабаритного рециркулятора.

После реконструкции системы рециркуляторов качество воды улучшилось. В настоящее время реконструкция продолжается.

Проведённый статистический анализ материалов, характеризующий качественное состояние питьевой воды, подготовленной на левобережной НФС после реконструкции рециркулятора по сравнению с водозаборной водой реки Волги показал, что все качественные характеристики имели статистически достоверные значения.

Так, например, после водоподготовки с использованием реконструированного рециркулятора исчез запах, то есть в 2002 году показатель запаха воды понизился в 8 раз (р<0,05), а в 2006 году в 12 раз (р<0,01). Такая же тенденция просматривается и по показателю привкуса воды. Показатель рН к 2006 году снизился на 25% (р<0,05) по сравнению с исходной водой. Мутность воды уменьшилась в 2002 году в 3,6 раза (р<0,05), а в 2006 году — почти в 4,5 раза (р<0,01). Сухой остаток в этот же промежуток времени снизился, соответственно, в 2,3 раза (р<0,05) и в 2,7 раза (р<0,01).

Использование крупногабаритного рециркулятора при водоподготовке подтвердило свою значимость в эпидемиологической безопасности использования воды для нужд населения. Это подтверждение выражено общим микробным числом (ОМЧ). Для количественной оценки воды, подготовленной для питьевых целей на левобережной НФС с использованием крупногабаритных рециркуляторов, ввели коэффициент очистки (К0), который определили по формуле: К0= 1- С/Со, где: С — концентрация микроорганизмов в воде после водоподготовки;

Со — концентрация микроорганизмов в водозаборной воде реки Волги.

При водоподготовке с использованием крупногабаритных рециркуляторов концентрация ОМЧ в воде снижается, в среднем за период исследования в 23 раза, при этом коэффициент очистки воды равен 0,9. Что касается термотолерантных и колиформных микроорганизмов, то во всех исследуемых пробах за весь промежуток исследования данные бактерии в воде не обнаружены. Это, по всей вероятности, связано с тем, что данные виды микроорганизмов по совокупности своих специфических характеристик (строение клеточной стенки, метаболизм или какие-нибудь органеллы и т. д.) более подвержены воздействию разных факторов при водоподготовке с использованием реконструированного рециркулятора. Так как данные микроорганизмы являются показательными в микробиологии воды, то их уничтожение приведёт к более качественной её подготовке.

При анализе содержания некоторых химических элементов в заборной воде реки Волги и в питьевой воде, подготовленной на левобережной НФС с использованием модернизированной системы рециркулятора, установлено, что все показатели снизились значительно. Построенные диаграммы размаха, показывающие степень сходства и различия средних в анализируемых группах указывают на то, что разброс величин в группах примерно одинаков, а разница между ними заключается в количественном выражении (рис. 28−32).

Примечание. 1 — заборная вода, поступающая на левобережную насосно-фильтровальную станцию;

2 — вода, подготовленная на левобережной насосно-фильтровальной станции с использованием крупногабаритного рециркулятора.

Рис. 28. Изменение концентрации железа в воде р. Волги и после водо-подготовки ее с использованием крупногабаритного рециркулятора на ЛНФС

Так, в среднем за 5 лет минимальное содержание железа в воде реки Волги составило 1,33 мг/л, максимальное — 1,6 мг/л, после водоподготовки ее с использованием усовершенствованного рециркулятора, соответственно, 0,17 мг/л и 0,29 мг/л.

Нами установлено, что содержание железа в воде после подготовки её с использованием усовершенствованного рециркулятора понизилось в среднем за 5 лет в 7,5 раз (рис. 28).

Концентрация меди в воде реки Волги за исследуемый период в среднем за 5 лет составила 0,04 мг/л, после водоподготовки на левобережной НФС с использованием крупногабаритного рециркулятора произошло снижение более чем на 90% (рис. 29).

0.05 0,04 0.03 3 s л 0,02 3

0,01 0,00 -0,01

Примечание. 1 — заборная вода, поступающая на левобережную насосно-фильтровальную станцию;

2 — вода, подготовленная на левобережной насосно-фильтровальной станции с использованием крупногабаритного рециркулятора.

Рис. 29. Изменение концентрации меди в воде р. Волги и после водоподготовки ее с использованием крупногабаритного рециркулятора на ЛНФС

Такие элементы, как цинк и марганец, в питьевой воде практически отсутствуют после водоподготовки с использованием модернизированного крупногабаритного рециркулятора (рис. 30, 31).

0,22 0,20 0,18 0,16 0,14 S 0,12

1 °.!0 a

0,08 0,06 0,04 0,02 0.00

Примечание. 1 — заборная вода, поступающая на левобережную насосно-фильтровальную станцию;

2 — вода, подготовленная на левобережной насосно-фильтровальной станции с использованием крупногабаритного рециркулятора.

Рис. 30. Изменение концентрации цинка в воде р. Волги и после водо-подготовки ее с использованием крупногабаритного рециркулятора на ЛНФС

U6 1,4 1,2 1,0 U 3 0,8 «х

2 0,6 ex со

2 0,4 0,2 0,0 -0,2

Примечание. 1 -заборная вода, поступающая на левобережную насосно-фильтровальную станцию;

2 — вода, подготовленная на левобережной насосно-фильтровальной станции с использованием крупногабаритного рециркулятора.

Рис. 31. Изменение концентрации марганца в воде р. Волги и после во-доподготовки ее с использованием крупногабаритного рециркулятора на ЛНФС

I 2

1 2

45 40 с 35 э 30 $

25 20 15

Примечание. 1 — заборная вода, поступающая на левобережную насосно-фильтровальную станцию;

2 — вода, подготовленная на левобережной насосно-фильтровальной станции с использованием крупногабаритного рециркулятора.

Рис. 32. Изменение концентрации хлоридов в воде р. Волги и после водоподготовки ее с использованием крупногабаритного рециркулятора на ЛНФС

Усовершенствованная система крупногабаритных рециркуляторов для подготовки питьевой воды улучшила её качественные характеристики, установлена достоверная степень влияния на все изученные показатели по сравнению с заборной водой из реки Волги, что указывает на эффективность данного нововведения на левобережной НФС.

В связи с высокой изношенностью водопроводных сетей питьевая вода, проходя по старым трубам, подвергается вторичному загрязнению. В сложившейся ситуации нами было предложено заменить старые железные водопроводные трубы на новые полипропиленовые.

По нашему мнению, экономически целесообразно внедрение новых крупногабаритных рециркуляторов для очистки воды с учетом минимальных финансовых затрат на переоборудование, что позволит обеспечить население качественной питьевой водой.

Проведенные сравнения (показателей качества воды) предложенной технологии реконструкции системы рециркулятора имеют ряд преимуществ: визуальный контроль процесса (центровка напора, по цвету осадка можно определить качество очистки) — работа крупногабаритного рециркулятора на 15−20% стабильнее, чем работа малогабаритногоповышение производительности работы.

С целью выявления эффективности использования модернизированной системы рециркулятора для очистки воды нами проведен сравнительный анализ питьевой воды, подготовленной на левобережной НФС до реконструкции ее и после реконструкции рециркулятора с водой, подготовленной на правобережной НФС, функционирующей по принципу горизонтальных осветлителей, в среднем за промежуток исследования 5 лет.

Выявлено, что усовершенствованная система крупногабаритного рециркулятора для подготовки питьевой воды оказала существенное влияние на снижение в воде железа. Данный показатель после проведенной реконструкции понизился на 8% (до 0,22 мг/л), то есть приближался к показателю на правобережной НФС (0,21 мг/л).

Концентрация меди в воде на левобережной НФС снизилась после проведенной реконструкции рециркулятора на 50% (до 0,002 мг/л) и была на уровне концентрации меди в воде на правобережной НФС — 0,002 мг/л.

Содержание цинка в питьевой воде на левобережной НФС после реконструкции рециркулятора приблизилось к значению показателя в воде, подготовленной на правобережной НФС — 0,028 мг/л, такая же тенденция прослеживается и по марганцу.

За промежуток исследования (2002;2006 годы) данные по показателю ОМЧ как на правобережной НФС, так и на левобережной НФС после реконструкции составили 4,34 колонии бактерий в 1 мл воды, тогда как до реконструкции системы рециркулятора показатель ОМЧ составлял 11,74 колонии бактерий в 1 мл воды или был выше на 63%.

Приведённые данные свидетельствуют о том, что по качественным показателям питьевая вода, подготовленная на левобережной НФС с использованием реконструированного крупногабаритного рециркулятора, мало отличалась в качественном отношении от показателей питьевой воды, подготовленной на правобережной НФС.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

При использовании поверхностных вод реки Волги для нужд населения на территории г. Костромы, а также вблизи расположенных регионов предлагаем внедрить в практику, предложенную нами совместно с сотрудниками Костомагорводоканала, модернизированную систему крупногабаритного рециркулятора.

При использовании реконструированного крупногабаритного рециркулятора предприятию целесообразно провести экономический расчет эффективности внедряемой системы в денежном эквиваленте и её окупаемость.