ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

IMPROVING THE EFFICIENCY OF WATER USE

Dmitry Greshilov

student, Industrial and Pedagogical Faculty, Kursk State University,

Russia, Kursk

Elena Merkulova

scientific supervisor, senior lecturer, Industrial and Pedagogical Faculty, Kursk State University,

Russia, Kursk

АННОТАЦИЯ

Вода играет решающую роль в обеспечении качества жизни человека. Повторное использование воды во всем мире является эффективным способом экономии водных ресурсов. Определение качественного и количественного состава примесей и компонентов, содержащихся в питьевой, технической и сточной воде проводят по физическим, биологическим и химическим показателям. Более четырех миллиардов человек в мире не имеют доступа к безопасным источникам водопотребления, а потребность в воде с каждым годом только увеличивается. Все больше развитых стран начинают вкладывать финансовые ресурсы в повышение эффективности водопользования и очистку сточных вод, а также создания новых систем по повторному использованию воды. Такие страны, как Австралия, Япония и Россия используют и создают самые новые методы водоподготовки и очистки сточных вод.

ABSTRACT

Water plays a crucial role in ensuring the quality of human life. Reuse of water around the world is an effective way to save water resources. Determination of the qualitative and quantitative composition of impurities and components contained in drinking, industrial and waste water is carried out according to physical, biological and chemical indicators. More than four billion people in the world do not have access to safe sources of water consumption, and the need for water is only increasing every year. More and more developed countries are beginning to invest financial resources in improving the efficiency of water use and wastewater treatment, as well as creating new water reuse systems. Countries such as Australia, Japan and Russia use and create the newest methods of water treatment and wastewater treatment.

Ключевые слова: вода, повторное использование воды, дождевая вода.

Keywords: water, water reuse, rainwater.

Вода играет решающую роль в обеспечении качества жизни человека и окружающей среды. Проблемы, связанные с доступом к пресной воде и санитарии, варьируется в зависимости от географического положения стран и уровня их социально-экономического развития. Все страны объединяет поиск путей повышения эффективности водопользования и очистки сточных вод.

Показатели качества воды подразделяются на физические, химические, санитарно-бактериологические. К физическим показателям качества воды относят: температуру, цветность, вкус, запах, мутность и т.д. Химический состав воды характеризуется – показателем рН, жесткостью, щелочностью, показателями минерализации, содержанием неорганических и органических веществ. Степень бактериологического загрязнения воды определяют по наличию общему числу бактерий и по величине коли-индекса содержание кишечной палочки в 1 литре воды. Под термином «анализ качества воды» обычно подразумевают определение качественного и количественного состава примесей и компонентов, содержащихся в воде.

Требования к питьевой, технической и сточной воде по органолептическим, микробиологическим и химическим  показателям приведены в СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания".

В Правилах выбора контролируемых показателей, установленных в 2022 году, минимальное количество анализов, выполняемых для водопроводной воды – 12 проб, а также уточнено, что в данный перечень включены химические соединения:

- 1 и 2 класса опасности, если они присутствуют (в водоисточнике) в концентрации, равной или превышающей 0,1 ПДК;

- 3 и 4 класса опасности, если они присутствуют (в водоисточнике) в концентрации, равной или превышающей 0,5 ПДК и нормируются по санитарно-токсикологическому признаку.

Перечень химических соединений, для которых разработаны предельно-допустимые концентрации в питьевой воде, (в обновленном СанПиН 2022 года) содержит 1350 показателей. Качество технической воды и питьевой отличается по всем показателям в нормативных документах РФ [3, с. 1].

Показатели качества воды для региона влияют на состояние здоровья населения. Риск для здоровья населения и окружающей среды должен быть снижен до уровня ниже приемлемого/терпимого. При повторном использовании воды технического назначения, необходимо учитывать два аспекта: опасные химические вещества, микроорганизмы и патогены в пределах норматива.

В Японии повторное использование не питьевой воды было реализовано в нескольких городах с 90-х годов, в основном для городских нужд, таких как смыв туалетов, увеличение количества воды в городских ручьях и орошение ландшафта и других. Однако использование восстановленной воды в Японии по-прежнему ограничено из-за неадекватных стандартов качества регенерированной воды и высокого энергопотребления установок рекультивации воды. С 2010 по 2015 год в Японии осуществлялся проект «Core Research for Evolutional Science and Technology (CREST)» по разработке энергоэффективных процессов регенерации воды с использованием мембранных технологий и процессов озонирования. Эта исследовательская программа была направлена на разработку энергоэффективных процессов регенерации воды с упором на мембранные технологии и процессы озонирования. Процесс регенерации воды включал следующие методы: коагуляцию, нанофильтрацию, обратный осмос и керамическое озонирование [7, с. 1].

В проекте CREST химический риск для водных экосистем оценивался на основе коэффициента опасности, представляющего собой отношение концентрации химических веществ в окружающей среде (PEC) и прогнозируемой неэффективной концентрации (PNEC).

Если расчетный коэффициент опасности меньше 1, в результате воздействия не ожидается никаких неблагоприятных последствий для здоровья. Если коэффициент опасности выше 1, возможны неблагоприятные последствия для здоровья.

Концентрации опасных химических веществ в сточных водах оценивались по химическим веществам, сбрасываемым в канализацию общего пользования, согласно данным национального регистра выбросов и переноса загрязнителей. Затем эти расчетные значения сравнивались со стандартами питьевой воды для здоровья человека и с PNEC, рассчитанными по базе данных экологической токсичности (ECOTOX Агентства по охране окружающей среды США USEPA). В результате было рассчитано, что несколько химических веществ имеют коэффициент опасности более 1, а более 10 химических веществ, включая поверхностно-активные вещества, металлы, и фармацевтические препараты, по оценкам, представляют опасность для водных экосистем. Эти результаты показывают, что экосистемы более восприимчивы к опасным химическим веществам, чем люди, и что необходимо уделять внимание защите окружающей среды, когда регенерированная вода используется для увеличения речного стока [7, с. 5].

Чтобы разработать энергоэффективный процесс регенерации воды для повторного использования воды в сельском хозяйстве, ученые сосредоточились на УФ-мембранах с номинальным размером пор 10 нм, поскольку ожидалось, что мембрана будет эффективно удалять вирусы при низком приложенном давлении. Чтобы оценить эффективность удаления вирусов методом ультрафильтрации, в качестве альтернативных индикаторов были выбраны фаги MS2, которые по размеру и форме схожи с норовирусами, и скорость их удаления была измерена в процессах ультрафильтрации в лабораторных условиях.

На основе результатов, полученных в рамках проекта JST CREST, город Итоман запустил демонстрационный проект, так называемый проект B-DASH, при финансовой поддержке Министерства земельной инфраструктуры, транспорта и туризма. Цели демонстрационного проекта заключались в проверке того, что УФ-технология может обеспечить очистку воды, соответствующую стандарту повторного использования воды.

Регенерированная вода, полученная на демонстрационном заводе, отправлялась грузовиками на фермы в городе Итоман, и использовалась для выращивания овощей. Влияние регенерированной воды на урожайность сельскохозяйственных культур на некоторых сельскохозяйственных угодьях было положительно оценено фермерами. По словам фермеров, использование регенерированной воды повысило урожайность сельскохозяйственных культур, а также повысило безопасность поливной воды. В дополнение к воде для орошения сельскохозяйственных культур в городе Итоман растет спрос на воду для промышленных целей и воду для орошения полей для гольфа и других спортивных сооружений. Расчетная потребность в сельскохозяйственной, промышленной и городской воде в городе Итоман составляет 8 200 м³/день. Учитывая, что Итоманская станция очистки сточных вод имеет мощность 10 000 м³/день, растущий спрос на воду может быть удовлетворен за счет производства и применения регенерированной воды [7, с. 8].

Использование регенерированной воды в городе для производственной деятельности и других целей имеет три преимущества:

1) позволяет эффективно использовать регенерированную воду,

2) удовлетворяет растущий спрос на техническую воду.

3) уменьшает количество воды, необходимое для снабжения водопроводной водой на острове Окинава.

Австралия - большая страна с площадью поверхности 7,7 млн км². На большей части континента очень мало осадков, а большая часть земли непригодна для пахотного земледелия и определяется как пустыня. Существует также высокая степень изменчивости осадков и температуры, в результате изменения климата и глобального потепления. Среднегодовая максимальная температура по стране в 2019 году была самой высокой за всю историю, из-за чего среднее количество осадков снижено на 40%. [6, с. 1].

В пригороде Сиднея была установлена «двойная труба» с подачей как питьевой, так и оборотной воды. Очистные сооружения Сиднея могли обрабатывать от 4,4 до 103 м³/сутки для повторного использования воды, применяя способы очистки: коагуляцию, флокуляцию, фильтрацию и дезинфекцию, озонирование и УФ-облучение. Оборотная вода подавалась по сиреневым (обычно называемым фиолетовым) трубам диаметром 25 мм, а питьевая вода – по обычным трубам диаметром 20 мм, чтобы не было неправильного соединения труб. Каждая линия управлялась через отдельные счетчики. Применение системы оборотного водоснабжения позволило домохозяйствам уменьшить использование питьевой воды на 40 %.

Ограничения на воду и аудит эффективности использования воды привели к увеличению спроса на оборотную воду в промышленности для нефтеперерабатывающих заводов, пивоваренных компаний, аэропортов (для орошение взлетно-посадочных полос) [4, с. 7].

В России в первую очередь системы рециркуляции используются в металлургии и горнодобывающем деле, эти процессы очистки удаляют загрязняющие вещества, что позволяет использовать воду повторно [2, c. 10].

Обратный осмос может помочь удалить многие загрязняющие вещества, такие как металлы, органические вещества, остатки фармацевтических препаратов. Дезинфекция также необходима для повторного использования. При совместном использовании озонирования и ультрафиолетового обеззараживания воды, удаляются сложные загрязнения.

Перспективным направлением является повторное использование ливневых сточных вод. В составе ливневых стоков много песка, глины, мусора и нефтепродуктов, смываемых с улиц городов. Одним из современных методов очистки сточных и ливневых вод, является – метод обратного осмоса. Обратный осмос – входит в наиболее перспективные методы обработки воды, его преимущества – это малые энергозатраты, простота конструкций аппаратов и установок, малые габариты оборудования.

Процесс очистки сточных вод проводится поэтапно в трех системах:

система 1: Очистка сырой воды до состояния подпиточной воды;

система 2: Очистка хромосодержащих сточных вод;

система 3: Окончательная очистка продувочной воды до состояния умягченной воды [1, c. 8].

При обратном осмосе вода подразделяется на два потока: с незначительным содержанием соли и с высоким содержанием, это достигается с помощью полупроницаемой мембраны, которая практически пропускает только чистую воду под давлением, которое должно быть выше, чем осмотическое давление фракции, богатой солями.

Но у этого метода есть несколько недостатков: необходимость периодической очистки фильтра химическими реагентами, большая дороговизна, система не может задержать летучий хлор, поэтому нужно использовать эту систему вместе с озонаторами и угольными фильтрами, нельзя очищать нагретую воду.

Таким образом, для повышения эффективности водопользования, в разных странах широко используется техническая вода не только в производстве, но и для бытовых нужд. В РФ техническую воду 1, 2, 3 категории используют для вспомогательных и производственных процессов в строительстве, промышленности для систем охлаждения, отопления и т.д.

Вода 1-ой категории используется в теплообменных аппаратах для охлаждения оборудования и продуктов производства.

Вода 2-ой категории используется в качестве поглощающей и транспортирующей среды при непосредственном контакте с продуктом, может содержать взвешенные вещества допустимой крупности и в допустимой концентрации.

Вода 3-ей категории рассматривается как среда, поглощающая и транспортирующая одновременно служащая и для охлаждения.

Качество технической воды контролируется по 20 показателям. Показатели качества воды - это совокупность свойств, определяющих пригодность воды для конкретных технических целей, при этом энергии на водоподготовку расходуется меньше, что является экономически выгодным для целей бытовых, сельскохозяйственных и промышленных.

Список литературы:

1. Бойкова И.Г., Волшаник В.В., Карпова Н.Б., Печников, В.Г., Пупырев Е.И. "Эксплуатация, реконструкция и охрана водных объектов в городах": учебное пособие для вузов/ М.:изд-во АВС, 2008, 256. [электронный ресурс] – Режим доступа. – https://www.studmed.ru/boykova-ig-volshanik-vv-karpova-nb-ekspluataciya-rekonstrukciya-i-ohrana-vodnyh-obektov-v-gorodah_be24fa1c748.html. (дата обращения: 06.12.2022)
2. Кичигин В. И. «Моделирование процессов очистки воды»: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности "Водоснабжение и водоотведение" направления подготовки "Строительство" / М.: Изд-во АВС, 2003.
3. СанПиН 2.1.3684-21 "Санитарноэпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к воднымобъектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилымпомещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий" утв. Главным государственный санитарным врачом РФ постановление от 28 января 2021 года № 3  (с изменениями на 14 февраля 2022 года).
4. F. Barker, R. Faggian, A.J. Hamilton, A history of wastewater irrigation in Melbourne, Australia, J. Water Sustain. 1 (2) (2011) 183–202. [электронный ресурс] – Режим доступа. – https://www.researchgate.net/publication/256086602_A_history_of_wastewater_irrigation_in_Melbourne_Australia. (дата обращения: 06.12.2022)
5. F. Burton, H. Leverenz, Water Reuse: Issues, Technologies, and Applications, McGRAW-HILL, 2007. [электронный ресурс] – Режим доступа. – https://www.researchgate.net/publication/230887993_Water_Reuse_Issues_Technologies_and_Applications. (дата обращения: 06.12.2022)
6. I.B. Law, Rouse Hill – Australia’s first full scale domestic non-potable reuse application, Water Sci. Technol. 33 (10–11) (1996) 71–78. [электронный ресурс] – Режим доступа. – https://www.researchgate.net/publication/250140824_Rouse_Hill_Australia's_first_full_scale_domestic_non-potable_reuse_application. (дата обращения: 06.12.2022)
7. K. Udo, Fukuoka wastewater reuse strategy for water sustainability, Civil. Eng. J. 56 (2014) 38–41. [электронный ресурс] – Режим доступа. – https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666445320300027. (дата обращения: 06.12.2022.)
8. T. Asano, M. Maeda, M. Tasaki, Wastewater reclamation and reuse in Japan: overview and implementation examples, Water Sci. Technol. 34 (1996) 219–226. [электронный ресурс] – Режим доступа. –https://www.scirp.org/(S(351jmbntvnsjt1aadkposzje))/reference/ReferencesPapers.aspx?ReferenceID=696350. (дата обращения: 06.12.2022)