книги / Проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений

1. СНиП 2.04.03-85. Внутренний водопровод и канализация зданий. М.,

1986.

2. Изменение № 2 СНиП 2.04.03-85 (введено в действие с 1 сентября 1996 г.).

Получено 10.06.99

УДК 628.3

М.П. Ковалев

Пермский государственный технический университет

БЫТОВЫЕ ФИЛЬТРЫ д л я о ч и с т к и ВОДЫ

Описаны назначение и область применения бытовых фильтров и устройств для доочистки водопроводной воды. Приведена классификация и даны характеристики наиболее распространенных очистных устройств.

Одной из основных экологических проблем является проблема качества питьевой воды. Отмеченное за последние 25-30 лет бурное развитие и концентрация промышленности, интенсификация сельского хозяйства, сбои в работе промышленных предприятий и транспорта привело к интенсивному загрязнению источников водоснабжения примесями техногенного происхождения, которые являются наиболее трудно обезвреживаемой частью питьевой воды. Именно поэтому взамен устаревшего ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» в 1996 году были приняты Санитарные правила и нормы (СанПиН 2.1.4.559-96), существенно расширившие перечень загрязняющих веществ в питьевой воде (до 2000 параметров) и их предельно допустимое содержание.

В то же время действующие в настоящее время водопроводные очистные сооружения большинства городов и поселков построены давно и на сегодняшний день морально и физически устарели, обеспечиваяг практнчески, только осветление и обеззараживание природной воды. Кроме того, отсутствие достаточного финансирования для поддержания нормальной работы сооружений водоподготовки и их поэтапной реконструкции приводит к постепенному ухудшению качества воды и по этим показателям.

Артезианская вода, используемая в ряде населенных мест для хозяйственно-питьевого водоснабжения и подаваемая потребителям без очистки, в большинстве случаев содержит значительное количество растворенных газов (метан, сероводород, углекислый газ и др.) и прочих примесей, растворимость которых при высоком давлении (порядка 10 атм на глубине 100 м) существенно выше, чем в открытых водоемах. При попадании

такой воды потребителю начинается интенсивное выпадение в осадок всех примесей, особенно железа. Поэтому использование такой воды для питьевых целей возможно только после дополнительной водоподготовки.

Проблему питьевой экологически чистой воды в современных условиях, на наш взгляд, можно решить тремя основными способами:

1. Глубокая очистка воды и доведение ее качества до требуемых сани­ тарных норм в промышленных условиях с последующим бутилированием и продажей для использования исключительно для питья и приготовления пищи. В этом случае вода из городского водопровода будет предназначена только для хозяйственно-бытовых целей (умывание, прием душа, стирка, уборка и т.д.). Способ позволяет получать воду очень высокого качества при непос­ редственном контроле со стороны санитарных органов. Стоимость же такой воды достаточно высокая, что ограничивает ее использование для массового потребления в настоящее время.

2. Создание локальных сооружений глубокой очистки водопроводной во­ ды небольшой производительности для отдельных жилых и административных зданий (например в помещениях ЦТП) с устройством дополнительной трубопроводной сети только для подачи питьевой воды и установкой отдельного «питьевого» крана в каждой квартире. Этот способ достаточно перспективен, однако требует тщательной проработки со стороны санитарных служб, проектных, строительных, монтажных и эксплуатационных орга­ низаций.

3. Использование малогабаритных устройств для очистки водопроводной воды непосредственно в домашних условиях. Это наиболее распространенный способ получения питьевой воды из городского водопровода в современных условиях, позволяющий очистить воду до очень высоких показателей.

В зависимости от вида удаляемого загрязнения бытовые устройства можно условно разделить на четыре группы: осадочные, ионообменные и сорбционные фильтры и электрохимические установки.

Осадочные фильтры представляют собой устройства картриджного типа, которые удаляют из воды песок, ржавчину, глину и другие взвешенные и коллоидные частицы крупностью 5 мкм и выше. Картриджи выпускаются двух типов: из однородного пористого материала (витой полипропилен, титан, керамика и т.д.) и сетчатые. Первые имеют лучшую тонкость фильтрации и задерживают примеси крупностью от 5 мкм, вторые - от 80 мкм и выше. Оба типа картриджей имеют ограниченную грязеемкость и требуют либо периодической замены (картриджи первого типа), либо регулярной промывки (сетчатые). Особенностью осадочных фильтров является невозможность точного определения степени выработки картриджа. Срок его службы составляет от нескольких месяцев до одного года и существенно зависит от качества очищаемой воды. Следует также иметь в виду, что качество очищенной воды напрямую зависит от размеров пор фильтрующего материала,

через которые проходит вода, а уменьшение размеров пор приводит к увеличению гидравлического сопротивления фильтра и, следовательно, к сокращению расхода воды на выходе.

Ионообменные фильтры предназначены, в основном, для удаления из воды солей жесткости и, в меньшей степени, для извлечения ионов тяжелых металлов, в том числе растворенного железа, и радионуклидов. Повышенная жесткость воды, связанная с высокими концентрациями растворенных в воде солей кальция и магния, является причиной известной всем накипи. Кроме того, при высокой жесткости воды медленнее разваривается мясо, овощи и т.п., увеличивается расход мыла и стирального порошка, образуется известковый налет на санитарно-технических приборах, снюхается работоспособность современной бытовой техники, посудомоечных, стиральных машин и т.д. Согласно СанПиИ установлена максимальная величина жесткости водо­ проводной воды 7,0 мг-экв/л, однако наиболее оптимальная величина, принятая во многих странах мира, находится на уровне 2,5 - 3,5 мг-экв/л. (Кстати, во многих районах г. Перми в зимний период величина общей жесткости воды достигает 13 мг-экв/л, а в паводковый период - 2 мг-экв/л.)

Принцип работы ионообменных фильтров заключается в замене ионов кальция и магния на другие ионы, соли которых не образуют твердых отложений. В качестве ионообменных материалов часто используют природные цеолиты (например шунгит) или искусственные ионообменные смолы. Последние имеют более высокую емкость поглощаемых ионов и, соответственно, больший ресурс работы. В отличие от осадочных, ресурс работы ионообменных фильтров можно рассчитать, если воспользоваться уравнением

у = Ш

Ж ’ где V - гарантированный объем очищенной воды, л;

Е - рабочая обменная емкость ионообменного материала, зависящая от способа его производства и примерно равная 1000 —1400 мг-экв/л;

IV- объем ионообменного материала в фильтре, л; Ж - общая жесткость исходной воды, мг-экв/л.

Элементарные расчеты показывают, что при исходной жесткости водопроводной воды 13 мг-экв/л гарантированный ресурс работы фильтра, снаряженного ионообменным материалом в количестве 15 мл (или 10 г), составит около 1 м3, что обеспечит семью из трех-четырех человек умягченной водой в течение трех месяцев, при ежедневном потреблении 10 литров.

С другой стороны, для полноты процесса ионного обмена необходимо обеспечить достаточное время контакта воды с фильтрующим материалом, которое, как показывают опытные данные, должно быть не менее 20 - 30 с в прямой зависимости от исходной жесткости воды. Поэтому из фильтра,

содержащего 15 мл ионообменного материала, умягченная вода с «нулевой» жесткостью должна вытекать с расходом 0,5 мл/с (примерно 2 литра в час).

В последнее время появились новые волокнистые ионообменные нетканые материалы (типа ВИОН), которые, обладая высокоразвитой поверхностью, значительно превосходят ионообменные смолы по скорости извлечения солей жесткости из водных растворов. Экспериментальные исследования показывают, что необходимое время контакта жидкости с таким материалом для обеспечения глубокого умягчения должно быть не менее 5 с, однако рабочая обменная емкость при этом существенно ниже, чем у ионообменных смол (порядка 500 - 700 мг-экв/л).

Отличительной особенностью любых ионообменных фильтров является возможность их периодической регенерации 5 - 10 % раствором поваренной соли с последующей отмывкой продуктов регенерации исходной водой.

Сорбционные фильтры предназначены для извлечения из воды растворенных органических соедигений (нефтепродукты, фенолы, альдегиды и т.п.) и свободного хлора, а также для устранения привкусов и запахов и улучшения органолептических свойств воды. В качестве загрузки таких фильтров обычно используют различные марки активных углей (чаще всего БАУ), пропитанных азотнокислым серебром для предотвращения их биообрастания. Ресурс работы таких фильтров рассчитать достаточно сложно, т.к. он зависит от конкретного состава исходной воды и определяется по результатам экспериментальных исследований. Глубина процессов извлечения растворенных примесей активными углями, так же как и у ионообменных фильтров, зависит от времени контакта жидкости с фильтрующим материалом, которое, при значительном загрязнении воды, может достигать 5 мин (обычно 0,5 - 1 мин).

Существенным недостатком использования таких фильтров является постепенное вымывание ионов серебра с поверхности активных углей с последующим биообрастанием загрузки и возможностью вторичного загрязнения воды микроорганизмами. Кроме того, ионы серебра, попадая в организм человека, так же как ионы тяжелых металлов, постепенно накапливаясь, вызывают нарушения в обмене веществ.

Сравнительно недавно появились новые углеродные волокнистые сорбенты (УВС), которые имеют значительные преимущества перед активными углями в части скорости извлечения примесей из водных растворов и полноты процессов сорбции. Обладая удобной физической формой (в виде нетканого полотна), они позволяют создавать сорбционные фильтры различной конструкции, отличающиеся повышенными потребительскими свойствами и дизайном. Кроме того, как показали экспериментальные исследования, на таких материалах не происходит биообрастание, что позволяет использовать их для очистки питьевой воды без предварительного посеребрения. Благодаря высокой кинетике извлечения растворенных примесей из водных растворов, время

контакта жидкости с углеродными волокнистыми сорбентами составляет всего 3 - 5 с. Поэтому расход воды, проходящей через волокнистый сорбент, в отли­ чие от угольных фильтров, практически не ограничен.

В электрохимических устройствах используются процессы электро­ химического окисления и восстановления, благодаря которым разрушаются и нейтрализуются содержащиеся в воде токсичные вещества (фенолы, нефтепродукты, хлорорганика, активный хлор и др.). Ресурс работы таких устройств достаточно большой (до 15 000 литров и более), однако они требуют, хоть и небольших, затрат электроэнергии. Кроме того, необходима их периодическая (примерно 1 раз в 3 месяца) промывка. Наиболее ярким представителем этого типа устройств являются установки серии «Изумруд».

Большинство фильтрующих систем, используемых в домашних условиях, представляет собой одинарные или комбинированные устройства из вышеперечисленных групп фильтров, позволяющих последовательно очищать воду. Такие устройства можно разделить на три типа.

Первый тип - это «фильтры-кувшины», в которых вода просачивается через сменный картридж в нижний сосуд. Наиболее распространенные представители устройств этого типа - фильтры «Барьер», «Вгйа», «Кеп\уоосЬ>, «>Уа1егРгезЬ» и другие. Они отличаются друг от друга внешним видом и составом фильтрующего картриджа (сорбционный и/или ионообменный). Ресурс работы таких фильтров невелик и составляет от 3,78 литра воды для фильтра «МУа^егРгезЬ» до 500 литров для фильтра «Барьер».

Второй и наиболее распространенный тип устройств - это проточные фильтры, которые крепятся прямо на кран. Наиболее известными представителями этого типа устройств являются бытовые фильтры серии «Родник», в большинстве модификаций содержащие активные угли марки БАУ-МФ и УАИ. Последний получают путем пропитки активного угля БАУ-А раствором азотнокислого серебра с последующей термической обработкой. Отличие составляют модификации фильтров «Родник-5» и «Родник-8», дополнительно снаряженные соответственно волокнистым ионообменным материалом ВИОН и ионообменной смолой КУ-2-8. Производительность таких фильтров составляет 2 л/мин, а ресурс работы находится в пределах от 1,5 до 5 м3.

К этой же группе устройств относятся фильтры серии «Гейзер», которые содержат сменный картридж, выполненный из пористого монолитного полимера, обладающего одновременно свойствами микрофильтра, способного задерживать частицы крупностью 5 мкм и выше, ионообменной смолы и сорбента. Ресурс работы таких фильтров, как правило, небольшой (0,5 - 1м3), однако возможность периодической регенерации позволяет увеличить его в несколько раз. Следует также отметить невысокую производительность этих фильтров, которая составляет 0,5 л/мин.

УДК 624.1

Ю.В. Михайлов

Нижнетагальский институт Уральского государственного технического университета

СТРОИТЕЛЬСТВО ВОДОЗАБОРА ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ НИЖ НЕГО ТАГИЛА

В экологически неблагоприятных городах остро встала необходимость организации альтернативного водоснабжения. Однако подача воды централизованно из водозаборов, находящихся на расстоянии до 50 км от города Н.Тагила, затруднительно. Поэтому была поставлена и одновременно решена задача строительства некрупного водозабора как резервного и альтернативного источника водоснабжения с доставкой воды в цистернах.

Вода является одной из основных составляющих веществ, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Однако техногенное влияние на природу таково, что качество ее ухудшается. Даже с учетом розы ветров для любого уральского города можно обнаружить признаки техногенного загрязнения в противоположном направлении, на расстоянии до 30-40 км от города.

В этих условиях организация альтернативного источника водоснабжения городов приобретает особое значение. Не является исключением неблагоприятный в экологическом отношении г. Н.Тагил. И тем не менее как бы ни был актуален вопрос снабжения города качественной питьевой водой, он не решался сравнительно долгое время, причины этого, связанные с трудностями в экономике, известны.

Для г. Н.Тагила были предприняты меры для поиска и организации водоснабжения за счет экологически чистых природных вод. Термину “экологически чистые” природные воды не дано точного научного определения, но хотя бы в бытовом понимании применение его оправдано.

Экологически чистые подземные воды были разведаны в 50 км к западу от города в районе, заведомо не подверженном техногенному загрязнению. На участке разведки выявлено пять родников с расстояниями между ними в несколько десятков метров, два из которых восходящие, остальные - нисходящие. Их общий расход в зимнюю межень 1998 г. составил 33,5дм3/с. Качество воды таково, что оно не требует каких-либо установок для их улучшения. В связи с этим разведанный участок отнесен к резервному источнику водоснабжения города на случай чрезвычайных ситуаций. Удаленность участка не предполагает другого способа доставки воды, кроме как подвоз цистернами. Но и в этом случае исследования показали, что вода отвечает требованиям нормативных документов в течение 20 дней после ее доставки.

Строительство водозабора осложнялось тем, что оно шло в условиях таежной местности и при отсутствии электроэнергии. Учитывая удаленность участка от базы стройиндустрии, а также природные условия разгрузки подземных вод, принято решение каптировать родник 1 путем установки четырех бетонных колец диаметром 2000 мм при высоте каждого 900 мм.

Место выхода восходящего родника было расчищено экскаватором, а поскольку вода была взмучена, то рельеф дна оставался неизвестным. При установки первого кольца оно встало со значительным перекосом. Пришлось надавить на кольцо ковшом экскаватора и затем уровень его установки проверить рейкой. Совмещение второго и последующего колец по внутреннему диаметру также проверялось рейкой. При несколько упрощенном способе установки каптажных колец была достигнута довольно высокая точность по уровню и совпадению внутренних диаметров.

Для пропуска воды в природное русло во втором сверху кольце пробито отверстие на отметке естественного стояния воды, которая была выставлена заранее. Вокруг каптажного устройства устроена глинобетонная отмостка.

До организации водозабора восходящий родник имел постоянный расход 23,5 дм3/с, а после каптажа расход увеличился до 37 дм3/с. В результате вмешательства человека в природный процесс разгрузки подземных вод произошло перераспределение расхода родников.

Организация каптажа родника была сравнительно простой задачей, а вот подача воды в цистерну, устанавливаемую за пределами зоны санитарной охраны первого пояса, решена проектантами без учета условий рельефа местности. В связи с тем, что водозабор организуется на достаточно длительное время, необходимо было запроектировать забор воды таким образом, чтобы она поступала к месту стоянки цистерны самотеком, что вполне возможно, т.к. расстояние до цистерны от родника не превысило бы 15 м. Дополнительные затраты по отсыпке площадки водозабора щебнем были неизбежны, но они окупились бы за длительное время эксплуатации водозабора. Перекачка вод родника должна улучшить качество воды в несколько раз. Тем не менее и бутилированная вода позволит части населения снабжаться качественной питьевой водой. А при возникновении чрезвычайных ситуаций необходимость резервного источника водоснабжения города более чем актуальна.

Получено 10.06.99

УДК 697.3:65.011.4

А. В. Гришкова, К М Красовский, Т. Н. Белоглазова

Пермский государственный технический университет

УПРОЩ ЕННАЯ МЕТОДИКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВАРИАНТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШ ЕНИЙ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ СИСТЕМ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖ ЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ

Предложена упрощенная методика технико-экономической оценки технических решений систем теплогазоснабжения и вентиляции.

Особенностью систем теплогазоснабжения и вентиляции является то, что в ряде случаев при выборе оптимального варианта технических решений они не могут оцениваться по доходности. Это связано с тем, что системы теплогазоснабжения и вентиляции, обслуживая доходные технологии, не являются прямым источником дохода и их работа требует определенных затрат.

В работе [1] обоснована необходимость оценки вариантов недоходных технических решений по приведенным затратам, вычисленным с учетом особенностей рыночной экономики. В данном случае приведенные затраты могут быть рассчитаны в процессе анализа динамики остатка контокоррентного счета [2] в течение периода от начала строительства до истечения горизонта расчета. Эквивалентный равномерный отток денежных средств с момента сдачи в эксплуатацию до истечения горизонта расчета определяется

где 2 - продолжительность строительства (мес.);

п-. горизонт расчета (мес.);

Е- чистая годовая норма дисконтирования (доли единицы).

Вслучае, когда величина Д превышает минимальный предел, обосно­ ванный в работе [3], рассматриваемый вариант является доходным. При этом имеет место неравенство

В тех случаях, когда результат расчета по формуле (1) соответствует неравенству (3), вариант является доходным и окупается в пределах горизонта расчета. В соответствии с методическими рекомендациями [4], этот вариант технического решения должен оцениваться по чистому дисконтированному доходу.

При известной величине приведенных затрат размер чистого

где Дчд - чистый дисконтированный доход (денежные ед.); р - эмпирический коэффициент (год).

Дисконтируя интегральную сумму приведенных затрат к времени начала строительства, несложно получить простую зависимость для определения коэффициента р:

При работе приведенных затрат и чистого дисконтированного дохода по простым формулам (1) и (4) для определения значений коэффициентов а удобно пользоваться данными табл. 1 и 2.