Место введения реагента в воду, характеристика фтораторных установок - гигиенические проблемы фторирования питьевой воды
VII. 4. Место введения фторсодержащего реагента в воду
На водопроводах, в которых вода не обрабатывается, например на артезианских, реагент может быть введен во всасывающую трубу центробежного насоса или, что предпочтительнее, в резервуар для хранения воды в том месте, где в него поступает вода. На речных и других водопроводах, применяющих обработку воды, надо вводить фторсодержащие реагенты в воду после сооружений, в которых осуществляются процессы, снижающие KF-. К процессам, которые могут снижать KF-, относятся коагуляция, фильтрование через активированный уголь и ионообменные смолы, содово-известковый метод умягчения. Поэтому на речных водопроводах фтор вносят после коагуляции, отстаивания и фильтрования до хлорирования. Если условия вынуждают вносить реагент в обрабатываемую воду до или совместно с коагулянтом (последний усиливает растворимость фторреагентов), то необходимо учитывать потери и добавлять избыток фтора (100 мг сульфата алюминия связывают 0,3 мг F-). Мы наблюдали подобный водопровод [31] и не можем это рекомендовать, так как расходовалось на 30% больше реагента. Кроме того, некоторые фторреагенты в зимнее время тормозили коагуляцию, что вызвало даже необходимость прервать ФВ.
Фторреагенты, не содержащие аммоний, на обеззараживание воды хлором отрицательного влияния не оказывают. Иначе действуют фторреагенты, имеющие в своем составе аммоний. Фторирование воды в дозе 0,8—1,2 мг/л F- приводит к увеличению аммонийного азота в воде на 0,3—0,45 мг/л, а при использовании фторида-бифторида аммония — на 0,4—0,6 мг/л. Эти аммонийные соединения, реагируя с активным хлором, образуют хлор амины, обладающие более слабым и замедленным бактерицидным действием, чем свободный хлор. Поэтому аммонийсодержащие фторреагенты следует вносить в воду после необходимой степени обеззараживания воды хлором.
Растворы фторсодержащих реагентов можно вводить в напорную линию под давлением или во всасывающую линию. Первое предпочтительнее, поскольку в этом случае невозможны сифонирование фторсодержащего реагента в сеть и передозировка. При подаче во всасывающую линию должны быть предусмотрены устройства, предупреждающие возможность сифонирования раствора реагента в сеть.
VII. 5. Гигиеническая характеристика фтораторных установок
Дозирование реагентов является наиболее ответственной и сложной операцией в технологии фторирования воды. Даже незначительные дефекты в дозировании могут дискредитировать это мероприятие. При недостаточном введении фтора снизится противокариозный эффект, а при избытке фтора, который не может быть обнаружен органолептически, как избыток хлора, может иметь место флюороз зубов.
Авторы, изучавшие практику фторирования воды в США, отмечают, что из-за несовершенства дозирующей аппаратуры, недостаточной квалификации персонала, обслуживающего фтораторную установку, плохого контроля за KF- на головных сооружениях и в сети в ряде населенных мест обнаруживались большие отклонения от оптимальной KF-. В Милуоки в течение 4 лет фторирования воды в пробах воды из водопроводных кранов, расположенных на конечных отрезках сети, обнаруживалось от 0,25 до 1,5 мг/л F.
В Гейнсвилле KF колебалась от 0,4 до 0,7 мг/л при оптимальной концентрации для этого района 0,8 мг/л. Даже в 1974 г. Крамер [198], изучавший KF~ 12 городов, где проводилось фторирование воды, нашел в пробах воды от 0,53 до 1,27 мг/л.
В некоторых странах ФВ задерживают или даже прекратили из-за отсутствия надежных фтораторных установок. Все же большинство специалистов по водоснабжению после опыта работы по фторированию воды считают, что трудности дозирования фтора преувеличены, что фтораторные установки не сложнее другой дозирующей аппаратуры.
Фтораторные установки (реагентное хозяйство и дозирующее устройство) должны отвечать следующим гигиеническим требованиям.
- Точность дозировки фтора собственно дозирующим устройством должна быть в пределах ±5%, а с учетом колебаний в дебите водопровода (т. е. окончательная) ±10%. Следует решительно отвергнуть точку зрения, согласно которой точность дозирования может составлять ±20—30%, поскольку водопотребление у отдельных лиц значительно колеблется, а кратковременные колебания KF- даже в пределах до
- 5 раз не опасны. Действительно, кратковременные и единичные повышения KF- даже в 5 раз не представляют опасности, однако такие отклонения не могут рассматриваться в качестве закономерных и допустимых.
- Дозирование реагента должно легко регулироваться и контролироваться.
- Подача фторсодержащего реагента, как правило, должна автоматически регулироваться в зависимости от концентрации фтора во фторированной воде или от изменения расхода водопроводной воды.
- Дозирующее устройство должно автоматически включаться при пуске насосов, подающих воду, и выключаться при остановке их.
- В случае применения жидкостных дозаторов должно быть обеспечено полное растворение реагентов (пневматическое или механическое перемешивание).
- В зависимости от конструкции дозирующего устройства во всех необходимых местах должны быть установлены соответствующие измерители и водомеры.
- Вся аппаратура должна быть устроена таким образом, чтобы предотвратить возможность поступления избыточного количества фтора в водопроводную линию (задвижки, вакуумные промыватели, воздушные затворы и т. д.).
- Желательно, чтобы концентрация F- во фторированной воде определялась и регистрировалась (записывалась) автоматически (мониторинг на основе потенциометрического определения с фторселективным электродом или амперометрического [144] анализатора) .
- Операции с фторсодержащими реагентами (особенно на средних и крупных водопроводах) с целью охраны труда должны быть в максимальной мере герметизированы и механизированы. При операциях с реагентами следует помнить, что вдыхание фторсодержащей пыли вредно и, кроме того, она может вызвать раздражение слизистых оболочек и кожи. На небольших водопроводах, применяющих незначительные количества реагентов, опасности для работающих нет и ее не следует преувеличивать. Здесь взвешенный реагент до пересыпания можно предварительно смочить. Персонал должен работать в противопылевых комбинезонах, респираторах, защитных очках, брезентовых рукавицах. На более крупных водопроводах пересыпание реагентов в бункеры фторирующей установки должно осуществляться в условиях максимальной герметизации процесса. В СССР широко применяется пневматическая загрузка реагента. Под действием вакуума реагент, не распыляясь из заводской тары, по шлангу засасывается в бункер, размеры которого могут быть равными количеству реагента, необходимого для приготовления раствора в одном резервуаре [13].
При ФВ могут применяться «сухие» и «жидкостные» дозаторы. «Сухие» дозаторы нашли применение в основном только в США, в СССР они получили отрицательную оценку на Ленинградском водопроводе. 
Рис. 12. Схема автоматического дозирования раствора фторидов (пояснения в тексте).
I — трубопровод- 2 — бак с раствором реагента- 3 — насос-дозатор- 4 — реле- 5 — записывающее устройство- 6 — расходомер.
При «жидкостных» дозаторах за расчетный промежуток времени определенное количество раствора реагента заданной концентрации подают в воду. При этом виде дозирования реагент из питающего бункера поступает на весы, а оттуда в резервуар для приготовления раствора (NaF 0,5—2%, Na2SiF6 0,3г 0,4%). Для попеременного растворения применяют систему из двух или более резервуаров. Многие реагенты плохо растворимы, поэтому растворение обеспечивают с помощью электромешалок, барботажем (через форсунки подают воздух) или циркуляцией воды в резервуаре с помощью насоса. Растворение осуществляют в течение 2—3 ч, после чего раствор перепускают в бак для рабочего раствора, откуда с помощью того или иного дозирующего устройства подают в нужном количестве во фторируемую воду. Резервуары желательны таких размеров, чтобы приготовление растворов было не частым (на малых водопроводах не чаще 1 раза в сутки). Иногда применяют насыщенные растворы реагентов, которые приготавливают в сатураторах. Здесь вода, проходя слой реагента, насыщается ими жидкостные дозаторы, отмеривающие разбавленные или насыщенные растворы, имеются двух типов — непропорциональные и пропорциональные, автоматически меняющие свою производительность в зависимости от колебаний расхода воды или от KF- во фторированной воде.
Рис. 13. Автоматическое регулирование подачи реагента насосом-дозатором.
1 — сырая вода- 2 — диафрагма- 3 — дифманометр ДМ- 4 — электронный регулятор РПИК- 5 — задатчик ЗРУ-24- б — магнитный пускатель ПМ- 7 — насос-дозатор НД- 8 — фторопровод.
В настоящее время имеются возможности для применения автоматических пропорциональных дозаторов. Полагают, что до выпуска промышленностью в достаточном количестве специального оборудования можно временно применять непропорциональные дозаторы с ручной дозировкой в тех случаях, когда на водопроводной станции обеспечен надежный круглосуточный контроль за ФВ. За рубежом считают возможным применение непропорциональных дозаторов при постоянном часовом расходе водопровода (когда колебания часового расхода не более ±5—10%). На небольших водопроводах иногда применяют обычные поплавковые дозаторы. Чтобы предупредить значительную передозировку фтора, максимально возможная производительность любого дозатора не должна превышать 150% от расчетной (т. е. требуемой).
Общая схема автоматического дозирования реагента в зависимости от колебании расхода воды представлена на рис. 12. Она состоит из: а) расположенного в водопроводе чувствительного датчика, определяющего расход воды (6), или прибора, непрерывно определяющего KF и записывающего ее (5)- б) системы, передающей сигнал о необходимости изменения количества подаваемого фторсодержащего реагента, и устройств, изменяющих расход дозатора (4) (например, дозирующего насоса). Рассмотрим в качестве примера систему фтораторных установок, запроектированную по этой схеме по заданию Госстроя СССР ЦНИИЭП инженерного оборудования для водопроводов мощностью от 6 до 820 тыс. м3/сут. По этому проекту типичная схема с пропорциональным дозированием заключается в следующем. Реагент по шлангу всасывается в бункер, откуда необходимое его количество подается в бак, где с помощью пневматического перемешивания приготавливается рабочий раствор. Рабочий раствор реагента насосом-дозатором (марка НД) в нужном количестве подается в трубопровод фторируемой воды. На рис. 13 показана схема автоматического регулирования дозирующего насоса, состоящая из дифманометра (3), регистрирующего колебания в расходе воды, электронного регулятора (4), обрабатывающего информацию и вырабатывающего соответствующий сигнал, и магнитного пускателя (6), передающего сигнал насосу-дозатору (7), который через трубопровод (8) вводит реагент в водовод. В СССР на малых водопроводах (до 5000 м8/сут) работают оригинальные дозирующие установки с автоматической подачей насыщенного раствора кремнефтористого натрия (рис. 14). 
Рис. 14. Схема фтораторной установки сатураторного типа.
1 — фторатор-сатуратор- 2 — насос- 3 — теплообменник- 4 — смотровой фонарь- 5 — эжектор- 6 — обратный фланцевый клапан- 7 — запорная задвижка- 8 — запорный ручной вентиль- 9 — регулирующий ручной вентиль- 10— вентиль, регулирующий с электроприводом- 11 — водоразборный кран- 12 — сигнализатор- 13 — термометр- 14 — расходомер- 15 — электрический расходомер- 16 — полупроводниковое термосопротивление- 17 — напорный коллектор- 18 — трубопровод от системы отопления- 19 — трубопровод к системе отопления- 20 — канализация- 21 — фторированная вода.
Загрузка реагента в сатуратор (1) производится один раз в 5—7 сут при включении вентилятора с применением устройства против пыления. При наличии реагента в сатураторе нагретая до 20°С вода, поступающая в аппарат снизу из напорного коллектора через регулирующий автоматический вентиль и электрический расходомер, насыщается фтором и сливается по линиям перелива в смотровой фонарь, откуда попадает в эжектор, обеспечивающий подсос. Для получения устойчивого насыщения раствора во фтораторе нижние слои в нем периодически перемещаются гидравлической мешалкой 1—2 раза в смену в течение 5— 10 мин. Раствор реагента эжектором подается в сборный коллектор фильтров, откуда поступает в резервуары, где происходит равномерное распределение фтор-иона по объему обрабатываемой воды. Система автоматики обеспечивает поддержание заданной KF&ldquo- в воде с точностью ±7%. 
Рис. 15. Схема фторирующего устройства на водопроводе Ленинграда.
I — дозаторы фтора- 2— третичный прибор на ЦДП- 3 — растворные баки- 4 — кислотоупорные насосы- 5 — регулирующие вентили- 6 — усреднители- 7 — чистая вода- 8 — фторированная вода.
Первые советские фтораторные установки в Норильске и Ивано-Франковске были сатураторного типа. Если установки сатураторного типа применимы в основном на небольших водопроводах, то установки с растворными баками получили более универсальное распространение и в последние годы часто заменяют сатураторные. В результате эксплуатация упрощается, дозирование улучшается. Высокую оценку получила фторирующая установка на Ленинградском водопроводе (рис. 15). Кремнефтористый натрий в барабанах подвозится со склада на тележках, Из барабанов порошок реагента пневматически подается в вакуум-бункеры (разрежение создается вакуум-насосом типа РМК-2), а из них в растворные баки. 
Рис. 16. Фтораторная установка в г. Карл-Маркс-Штадте. Объяснения в тексте.
Объем бункера рассчитан на одну загрузку 50 м3 бака. На дне баков уложены дырчатые винипластовые трубы, через которые от воздуходувки РИК-3 подается сжатый воздух для перемешивания. Для автоматического дозирования здесь используют модифицированное дозирующее устройство Крымского-Чейшвили, применяемое на многих отечественных водопроводах для автоматического дозирования раствора коагулянта. Дозатор подает раствор реагента в трубопровод, в котором протекает подлежащая фторированию вода. В том же трубопроводе на расстоянии 25 м от места введения реагента находится датчик для определения электропроводности воды и сопоставления ее с электропроводностью воды до введения фтора. В зависимости от результатов этого замера автоматически регулируется подача реагента. Прибор также автоматически вычерчивает кривую, характеризующую содержание фтора во фторированной воде.
Известный интерес представляет одна из крупнейших и наиболее совершенных в Европе фторирующих установок в г. Карл-Маркс-Штадте (ГДР). На рис. 16 показана ее схема. Кремнефтористый натрий по транспортеру (1) подается в питающий бункер (2), в котором хранится 15-дневный запас реагента. Над бункером имеется зонт вытяжной вентиляции (3). Выброс перед удалением в атмосферу очищается от пыли кремнефтористого натрия в циклоне (4). Из бункера по шнеку кремнефтористый натрий поступает в емкость, находящуюся на весах. Отвешивается такое количество реагента, которое необходимо для получения 10м3 0,45% раствора. Отвешенное количество кремнефтористого натрия поступает в резервуар для растворения реагента (5). Сюда подается также 10 м3 водопроводной воды. Для более быстрого растворения кремнефтористого натрия вода с помощью насоса (6) отсасывается из верхней части резервуара и подается в нижнюю часть его. Благодаря интенсивной циркуляции достаточно 3—4 ч для полного растворения реагента. В течение 2 последних часов перемешиванию способствует подача воздуха. С целью предупреждения коррозии резервуар (5) изготовляют из бетона, а изнутри цементируют. Насос для циркуляции жидкости изготовлен из кислотоупорного материала. Готовый раствор насосом (7) перекачивается в рабочий резервуар (8), из которого он поступает в дозирующий насос (9) и через трубопровод (10) впрыскивается в магистраль (11), по которой водопроводная вода подается на фильтры.
Автоматическая дозировка реагента основана на следующем. В магистральный трубопровод вмонтирована специальная измерительная диафрагма (12). Естественно, что с увеличением дебита воды разность давления до и после диафрагмы будет возрастать. Специальный прибор (13) с пьезоэлементами регистрирует разность давления и трансформирует ее в электрическую энергию, которая по усиливающей схеме с помощью датчика импульсов подается к дозирующему насосу (10). Чем больше дебит воды, тем больше разница давления, количество импульсов тока, число ходов поршня насоса и, следовательно, раствора, подаваемого насосом в магистральный трубопровод. Количество раствора, подаваемого насосом, может регулироваться также вручную. Все оборудование, кроме дозирующего устройства, имеется на станции в двойном комплекте (11).
Стоимость фторирования воды в СССР зависит от производительности водопровода, конструкции установки и применяемого реагента. Для водопровода производительностью 5000 м3/сут фторирование 1 м3 воды стоит от 0,17 до 0,2 коп., т. е. в год на 1 человека около 10 коп., для водопровода производительностью 300 000 м3/сут фторирование 1 м3 воды стоит 0,04 коп., т. е. в год на 1 человека (если считать, что в день на 1 человека подается 0,5 м3) около 7 коп. [35]. Обобщение опыта работы фтораторных установок в нашей стране позволяет прежде всего отметить, что предполагающиеся ранее трудности в создании и эксплуатации их оказались преувеличенными. Тем не менее конструкции их неоправданно разнообразны, иногда неудовлетворительны в эксплуатации (в особенности ряд установок сатураторного типа) и за малым исключением не предусмотрено автоматическое дозирование, хотя в Ленинграде, Севастополе и ряде других городов работают подобные установки. Причина в том, что фтораторные установки проектирует много проектных организаций, а иногда они сооружаются по примитивным проектам. Проектные организации авторского контроля за работой фтораторных установок, как правило, не ведут, вследствие чего имеющиеся в проектах недостатки не устраняются. Велика потребность на небольшие по производительности, надежные в работе и простые в эксплуатации фтораторные установки для отдельных (или нескольких) артезианских скважин. Отсутствие подобных установок чрезвычайно затрудняет введение фторирования на малых водопроводах и тех, которые питаются водой из нескольких удаленных друг от друга артезианских скважин. Поэтому нередки случаи, когда водопровод обслуживается несколькими насосными станциями, а воду фторируют только на одной. Поскольку сеть закольцована, фторированная вода смешивается с нефторированной и концентрация фтора в водопроводной воде падает.
Очевидно, назрело время подвергнуть всестороннему обсуждению опыт работы фтораторных установок, функционирующих на водопроводах нашей страны, с тем чтобы под руководством Госстроя СССР выработать единую техническую политику в их проектировании и строительстве (включить в СНиП), создать альбом типовых проектов разной производительности, наладить промышленное производство узлов, необходимых для сооружения установок. Изготовление фторселективных электродов в настоящее время налажено во многих местах, поэтому каждый водопровод может быть снабжен монитором для поточного определения KF- и ее записи.
