Введение
В технологии водоподготовки обеззараживание воды является одной из основных стадий. От эффективности и безопасности технологии обеззараживания воды, применяемой на водоочистных станциях, зависит здоровье и санитарно-эпидемиологическое благополучие населения.
Источниками водоснабжения во многих крупных населенных пунктах Российской Федерации являются поверхностные водоемы, загрязнение которых увеличивается с каждым годом. Состояние действующих водопроводных сетей в стране часто не отвечает санитарным нормам, т.к. их износ уже достиг критического уровня. Такая ситуация значительно осложняет процесс получения питьевой воды, отвечающей установленным требованиям по микробиологическим показателям качества. В связи с этим, вопрос обеззараживания природных вод является актуальным и требует поиска эффективных и экономически целесообразных решений в технологии водоподготовки.
В статье проанализированы современные технологии обеззараживания воды, применяемые в Российской Федерации в системах централизованного водоснабжения, произведены технико-экономические расчеты.
Технологии обеззараживания
В настоящее время на российских станциях водоподготовки наиболее часто для обеззараживания воды используется хлор, который имеет общеизвестные недостатки, такие как повышенные требования к перевозке и хранению, потенциальный риск здоровью в случае утечки, образование побочных продуктов дезинфекции – тригалометанов [1]. Это ведет к тому, что многие водоканалы переходят на альтернативные методы обеззараживания. Обычно мероприятия для обеспечения безопасного питьевого водоснабжения включают в себя внедрение системы ультрафиолетового обеззараживания питьевой воды, а также применение двухступенчатой схемы обеззараживания питьевой воды при сочетании химического и физического методов, для эффективного удаления вирусов; переход на технологии обеззараживания воды гипохлоритом натрия [2, 3], диоксидом хлора [1].
Для проведенных расчетов были выбраны следующие допущения. Расчеты выполнены для поверхностного источника водоснабжения. Обеззараживание воды производится после осветления воды на скорых фильтрах. Схема с двукратным хлорированием не рассматривается (то есть стадия прехлорирования не принималась в расчет). Доза активного хлора принята 3 мг/л для обеззараживания хлором, гипохлоритом натрия, 1 мг/л – для комбинированного обеззараживания.
В ходе работы выполнены расчеты для станций водоподготовки производительностью 720 тыс. м3/сут. и 10 тыс. м3/сут. Были выбраны следующие варианты обеззараживания: хлорирование газообразным хлором, гипохлоритом натрия совместно с ультрафиолетовым обеззараживанием и хлорирование диоксидом хлора. Обеззараживание диоксидом хлора рассматривается только для малой станции водоподготовки, т.к. в настоящее время установки с большой производительностью не выпускаются.
Оценка производилась в ценах, существующих на начало 2014 года.
Результаты и их обсуждение
Станция с производительность 720 тыс. м3/сут
Производили сравнение двух вариантов: обеззараживание газообразным хлором (Вариант 1.1.) и гипохлоритом натрия (ГПХН), полученным на электролизной установке, совместно с последующей обработкой воды ультрафиолетом (УФ) (Вариант 1.1.).
Были рассчитаны капитальные затраты на строительство блоков обеззараживания по Вариантам 1.1., 1.2. (табл. 1, рис.1).
Таблица 1 – Сравнение капитальных затрат по Варианту 1.1. и Варианту 1.2.
Статья расходов |
Стоимость метода обеззараживания, руб. |
|
Вариант 1.1. (газообразный хлор) |
Вариант 1.2. (ГПХН + УФ) |
|
Оборудование для обеззараживания |
5143950 |
45730000 |
Обеспечение безопасности |
7258740 |
1028379 |
Грузоподъемное оборудование |
101351 |
33100 |
Хранение |
340000 |
- |
Здание |
6316500 |
256600 |
Проектирование, монтаж, пуско-наладка |
1247745 |
7106170 |
Итого |
20408286 |
54154249 |
Затраты на 1 м3 воды |
28,34 |
75,21 |
Рисунок 1. Сравнение капитальных затрат на строительство блоков обеззараживания для станции производительностью 720 тыс. м3/сут по Варианту 1.1. и Варианту 1.2
Как видно из таблицы 1 капитальные затраты на строительство блока обеззараживания газообразным хлором в три раза ниже, чем для комбинированной технологии гипохлорит натрия – УФ, причем во втором случае наибольшие затраты будут на покупку и монтаж основного оборудования (рис. 1). Отметим, что затраты на обеспечение безопасности производства по Варианту 1.2. заметно ниже. При хлорировании газообразным хлором на станции организуются склады хранения жидкого хлора, а производственный объект, на котором хранится, используется хлор в количестве 2,5-25 т является опасным производственным объектом (ОПО) III класса опасности. Организация, эксплуатирующая опасный производственный объект обязана иметь лицензию на осуществление конкретного вида деятельности в области промышленной безопасности, подлежащего лицензированию в соответствии с законодательством Российской Федерации; обеспечивать проведение экспертизы промышленной безопасности зданий, сооружений и технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, а также проводить диагностику, испытания, освидетельствование сооружений и технических устройств, применяемых на опасном производственном объекте, в установленные сроки и по предъявляемому в установленном порядке предписанию федерального органа исполнительной власти в области промышленной безопасности, или его территориального органа; принимать меры по защите жизни и здоровья работников в случае аварии на опасном производственном объекте (Федеральный закон 116ФЗ).
В целях обеспечения готовности к действиям по локализации и ликвидации последствий аварии организация, эксплуатирующая опасный производственный объект, обязана планировать и осуществлять мероприятия по локализации и ликвидации последствий аварий (ПЛА) на опасном производственном объекте; заключать с профессиональными аварийно-спасательными службами (АСС) или с профессиональными аварийно-спасательными формированиями договоры на обслуживание, создавать собственные профессиональные АСС или профессиональные аварийно-спасательные формирования, а также нештатные аварийно-спасательные формирования (НАСФ) из числа работников (Федеральный закон 116ФЗ). Обычно, на крупных станциях водоподготовки создается своя АСС, поэтому в капитальные затраты заложены средства на ее создание – закупка пожарного оборудования (пожарный рукав, пожарный ствол, вентили, лестницы, веревки и пр.), средств индивидуальной защиты (противогазы, костюмы, страховочные изделия и пр.), аптечек для первой помощи пострадавшим, первичное обучение команды. А в эксплуатационные – затраты на содержание АСС.
Сравнение эксплуатационных затрат по двум методам обеззараживания представлено в таблице 2 и на рисунке 2. Как видно комбинированный метод дороже в эксплуатации более чем в два раза за счет высокого потребления электроэнергии на электролиз и затрат на ремонт и амортизацию оборудования, в том числе замену УФ ламп.
Таблица 2 – Сравнение эксплуатационных затрат по Варианту 1.1. и Варианту 1.2.
Статья расходов |
Стоимость метода обеззараживания, руб/год |
|
Вариант 1.1. (газообразный хлор) |
Вариант 1.2. (ГПХН + УФ) |
|
Реагенты |
8305263 |
10091910 |
Транспортные расходы |
120000 |
55200 |
Электроэнергия |
4081865,9 |
14042806,50 |
Ремонт и амортизация оборудования |
1426527,79 |
15027538,11 |
Обеспечение безопасности |
2030000 |
- |
ФОТ и отчисления на социальные нужды |
312000 |
260000 |
СИЗ |
138228 |
111790 |
Прочие расходы |
2441348,5 |
5026678,13 |
Итого |
18855233,19 |
45537351,3 |
Рисунок 2. Сравнение эксплуатационных затрат на обеззараживание для станции производительностью 720 тыс. м3/сут по Варианту 1.1. и Варианту 1.2
Станция с производительностью 10 тыс. м3/сут
В настоящее время выбор альтернативных технологий обеззараживания для станций малой производительности несколько шире. Технология обеззараживания газообразным хлором (Вариант 2.1.) может быть заменена на комбинированную технологию обеззараживания гипохлоритом натрия и УФ-излучение. Гипохлорит может быть, как получен на станции электролизом (Вариант 2.2.), так и товарный (Вариант 2.3.), в этом случае требуется оборудование для разбавления концентрированного раствора гипохлорита [3, 4]. Кроме того, для станции малой производительности существуют установки обеззараживания диоксидом хлора импортного производства (например, Bello Zon немецкой фирмы ProMinent Posiertechnik), в которых используется хлоратный метод получение диоксида (Вариант 2.4), и российского (ДХ-100 компании ОАО «УНИХИМ с ОЗ»), в которых используется хлоритный метод. Диоксид хлора является более сильным окислителем, по образованию побочных продуктов дезинфекции – хлорсодержащих соединений – он является менее опасным дезинфицирующим агентом, чем препараты на основе активного хлора [5].
Капитальные затраты по разным методам обеззараживания представлены в таблице 3 и на рисунке 3. Как видно, наибольшие капитальные затраты в этом случае требуются на, казалось бы, самый простой метод – хлорирование, однако, наибольшую долю в этом случае представляют собой затраты на обеспечение безопасности производства. Хотя производственный объект, на котором хранится, используется хлор в количестве 0,5-2,5 т является опасным производственным объектом (ОПО) IV класса опасности и разработка ПЛА не требуется; разработка декларации промышленной безопасности не требуется; лицензия Ростехнадзора на эксплуатацию взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектов не требуется (Федеральный закон №22ФЗ), требуется все же дорогостоящее оборудование для своевременного обнаружения и регистрации наличия хлора в воздухе и нейтрализации этого выброса в целях защиты обслуживающего персонала и окружающей среды от поражения хлором. В соответствие с Постановлением от 1 марта 1993 г. N 178 «О создании локальных систем оповещения в районах размещения потенциально опасных объектов» на станции водоподготовки необходимо создать локальную систему оповещения, которая представляет собой организационно-техническое объединение дежурной службы потенциально опасного объекта, технических средств оповещения, сетей вещания и линий связи.
Для обеспечения безопасности в случае аварии со специализированной организацией заключается договор на предоставление услуг по обслуживанию АСС. Договор действует в течение года после его заключения. План ликвидации аварий необходимо пересматривать и отправлять на экспертизу 1 раз в 5 лет. Эти затраты были включены в эксплуатационные.
В настоящее время, именно повышенные требования к обеспечению безопасности производства в случае использования газообразного хлора вынуждают малые водоканалы переходить на альтернативные методы.
Наименьшие капитальные затраты требуются при организации обеззараживания диоксидом хлора с использованием установки российского производства (Вариант 2.5)
Таблица 3 – Сравнение капитальных затрат по Вариантам 2.1.2.5.
Статья расходов |
Стоимость метода обеззараживания, руб. |
||||
Вариант 2.1 (газообр. хлор) |
Вариант 2.2 (ГПХН (электролиз) + УФ) |
Вариант 2.3 (ГПХН + УФ) |
Вариант 2.4 (диоксид хлора, импортный) |
Вариант 2.5 (диоксид хлора, отечеств.) |
|
Оборудование для обеззараживания |
554830 |
2737400 |
1710108 |
1600000 |
1231208 |
Обеспечение безопасности |
4625210 |
490579 |
490579 |
244100 |
701779 |
Здание |
884310 |
631650 |
884310 |
631650 |
378990 |
Проектирование, монтаж, пуско-наладка |
376388,5 |
535552 |
284858,1 |
393415 |
309323,05 |
Итого |
6446738,5 |
4395181 |
3369855,1 |
2869165 |
2621300,05 |
Затраты на 1 м3 воды |
644,67 |
439,52 |
336,99 |
286,92 |
262,13 |
Рисунок 3. Сравнение капитальных затрат на строительство блоков обеззараживания, для станции водоподготовки производительностью 10 тыс. м3/сут по Вариантам 2.1.2.5
Для каждого из Вариантов 2.1.2.5 была произведена оценка эксплуатационных затрат (табл. 4, рис. 4). Статья расходов «Реагенты» включает в себя затраты на реагенты для обеззараживания, нейтрализации аварийных выбросов и промывки оборудования.
Таблица 4 – Сравнение эксплуатационных затрат по Вариантам 2.1.2.5
Статья расходов |
Стоимость метода обеззараживания, руб/год |
||||
Вариант 2.1 (газообр. хлор) |
Вариант 2.2 (ГПХН (электролиз) + УФ) |
Вариант 2.3 (ГПХН + УФ) |
Вариант 2.4 (диоксид хлора, импортный) |
Вариант 2.5 (диоксид хлора, отечеств.) |
|
Реагенты |
440816,1 |
140186 |
12992201 |
1304918,8 |
258712 |
Транспортные расходы |
48000 |
36000 |
91500 |
24000 |
24000 |
Комплектующие |
0 |
46071,43 |
46071,43 |
0 |
0 |
Электроэнергия |
503608,1 |
224120,74 |
111614,91 |
44587,7 |
765253,27 |
Текущий ремонт и амортизация |
879929,9 |
362707,53 |
414710,53 |
346959 |
363847,53 |
ФОТ и отчисления на социальные нужды |
156000 |
156000 |
156000 |
156000 |
156000 |
Обеспечение безопасности |
1530000 |
0 |
0 |
0 |
0 |
СИЗ для работников |
69114 |
67078 |
67078 |
76588 |
5328 |
Прочие расходы |
542320,22 |
154824,55 |
2081876,38 |
292958,03 |
235971,12 |
Итого |
4169788,32 |
1186988,25 |
15961052,25 |
2246011,53 |
1809111,92 |
Рисунок 4. Сравнение эксплуатационных затрат на обеззараживание воды, для станции водоподготовки производительностью 10 тыс. м3/сут по Вариантам 2.1.2.5
Как видно из таблицы 4 и рисунка 4 наибольшие эксплуатационные затраты в случае использования товарного гипохлорита натрия за счет высокой стоимости концентрированного раствора гипохлорита натрия. Наименьшие эксплуатационные затраты имеют Варианты 2.2. и 2.5.
Заключение
В работе выполнен технико-экономический анализ вариантов обеззараживания питьевой воды при организации централизованного водоснабжения. Показано, что в случае крупных станций водоподготовки в экономическом плане более выгодно обеззараживание воды газообразным хлором. Однако, хотя вариант с обеззараживанием по комбинированной технологии с использованием электролитически полученного гипохлорита натрия и УФ- излучения, более дорог, он более безопасен с точки зрения промышленной безопасности и позволяет за счет использования УФ излучения удалять из воды опасные вирусы.
В случае малого водоканала наиболее предпочтительным является использование для обеззараживания воды по комбинированной технологии с использованием электролитически полученного гипохлорита натрия и УФ излучения. Достоинством метода являются низкие капитальные и эксплуатационные затраты и доступность основного реагента – хлорида натрия. Также, перспективным является метод обеззараживания диоксидом хлора, полученным с использованием оборудования российского производства, однако, его применение сдерживается в настоящее время недостаточной проработанностью метода в условиях российского рынка и возможными перебоями поставок хлорита натрия и нестабильностью цен на этот реагент.
Библиографический список
- Литвинов А.А., Крупнова Т.Г. Разработка проекта реконструкции станции водоподготовки города Южноуральска // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2014. № 5 (77). С. 50–55.
- Башкетова Н.С., Нефедова Е.Д. Актуальные вопросы обеспечения населения Санкт-Петербурга доброкачественной питьевой водой // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 11. С. 26‑31.
- Головачев А.В., Абросимова Е.М. Применение гипохлорита натрия при обеззараживании воды // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 4. С. 8‑12.
- Скрябин А.Ю., Фесенко Л.Н., Игнатенко С.И., Пчельников И.В Низко- и высококонцентрированный гипохлорит натрия: преимущества и недостатки применения в схемах обеззараживания питьевых вод // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2014. № 2 (74). С. 48‑52.
- Кожевников А.Б., Баранов А.А., Петросян О.П. Обоснование бактерицидных особенностей диоксида хлора // Водоснабжение и канализация. 2013. № 3‑4. С. 82‑89.