Выбор реагентной технологии антикоррозионной обработки воды водораспределительной сети Санкт-Петербурга

Аннотация

Вторичное загрязнение водопроводной воды Санкт-Петербурга железом обусловлено высокой коррозионной агрессивностью воды реки Невы – источника водоснабжения города. Рассмотрены методы снижения этого параметра воды. Выбрана технология нейтрализации коррозионной агрессивности, основанная на введении в обрабатываемую воду хлорида кальция и карбоната натрия. Технология стабилизационной обработки воды внедрена на Сестрорецкой и Петродворцовой водопроводных станциях Санкт-Петербурга.

Ключевые слова

питьевая вода , коррозионная агрессивность воды , хлорид кальция , карбонат натрия , система дозирования , стабилизация воды

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Превышение действующих нормативов по содержанию железа в питьевой воде представляет собой основную проблему, связанную с качеством услуг, предоставляемых ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» [1]. Среди всех зарегистрированных в 2010 г. в Санкт-Петербурге несоответствий показателей качества воды действующим нормативным значениям превышения норматива содержания железа в водопроводной воде города составляют 98,2%. Вторичное загрязнение водопроводной воды соединениями железа происходит вследствие внутренней коррозии стальных трубопроводов (содержание железа в воде, подаваемой в городскую распределительную сеть водопроводными станциями города, не превышает 0,1 мг/дм³). Максимальные концентрации железа регистрируются в точках зон водоснабжения, наиболее удаленных от водопроводных станций. Такими зонами, в частности, являются г. Сестрорецк, снабжаемый водой, подаваемой Северной водопроводной станцией, и г. Петродворец, водоснабжение которого обеспечивается Южной водопроводной станцией (рис. 1).

Электрохимическая коррозия материала труб вызвана присутствием кислорода в воде и низкими показателями щелочности, жесткости и индекса насыщения карбонатом кальция воды р. Невы, которая является основным источником водоснабжения города. Концентрация ионов кальция и магния в невской воде не подвержена значительным колебаниям и составляет 8–12 и 2–3 мг/л соответственно. Индекс Ланжелье для невской воды является отрицательной величиной, составляет –2 при температуре 0 С, –1,7 при 14 С и –1,6 при 20 С. С ростом температуры индекс Ланжелье, как и скорость процесса коррозии, возрастает. Проводимая на водопроводных станциях Санкт-Петербурга коагуляционная обработка воды приводит к еще большему снижению индекса Ланжелье, который может достигать значений ниже –3. Его взаимосвязь с коррозионными свойствами воды иллюстрируется данными, приведенными на рис. 2. Коррозионно-агрессивная вода иначе именуется нестабильной.

Под стабильностью воды понимается ее свойство не выделять и не растворять осадок карбоната кальция [2]. Вода, содержащая свободную углекислоту в концентрации, превышающей равновесную, является агрессивной (растворяющей осадок карбоната кальция), а в концентрации, совпадающей с равновесной, является стабильной.

Наиболее вероятными продуктами коррозии стали являются Fe²⁺, Fe³⁺, Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ [3]. В России, США и ФРГ применяют пятибалльную систему оценки общей коррозии (табл. 1) [4]. Критерием коррозионной стойкости является скорость коррозии мм/год.

Высокая коррозионная активность невской воды является основной причиной аварийности трубопроводов системы водоснабжения Санкт-Петербурга, приводящей к снижению надежности водоснабжения потребителей.

Наиболее перспективным способом защиты стальных трубопроводов от коррозионных процессов и снижения содержания железа в городской водопроводной распределительной сети является понижение агрессивности невской воды с помощью реагентной обработки. В качестве реагентов наиболее широко применяют углекислоту и известь [2; 5; 6]. Например, в Финляндии технология стабилизации питьевой воды с помощью углекислоты и извести используется на водопроводных станциях Vanhakaupunkki, Damman, Rusko, Pitkkoski. Такое же технологическое решение закладывается и при проектировании новых водоочистных сооружений в Санкт-Петербурге.

Однако внедрение метода стабилизационной обработки невской воды на действующих водопроводных станциях, на которых более 70% воды очищается по одноступенчатой технологии с совмещением процессов коагуляции и фильтрации, сопряжено с рядом сложностей:

дозирование извести приводит к значительному повышению рН обрабатываемой воды, что в условиях одноступенной схемы обработки возможно только при ее введении после фильтровальных сооружений (в противном случае будут нарушены условия коагуляции: гидроксид алюминия, образовавшийся в процессе коагуляции, начнет растворяться с образованием алюминат-ионов, что приведет к ухудшению качества обрабатываемой воды по перманганатной окисляемости, мутности, цветности и содержанию остаточного алюминия);
при введении извести после фильтровальных сооружений должно быть обеспечено очень высокое качество реагента, который в этом случае не должен содержать взвешенных веществ, поскольку обработанная таким образом вода уже не будет проходить никаких стадий очистки;
малая растворимость извести (известкового молока) в воде (при температуре 20 С 1,65 г/л безводного вещества [7]) обусловливает значительное увеличение площадей, занимаемых реагентным хозяйством водопроводных станций.

Исследования по разработке технологии снижения коррозионной агрессивности воды, выполненные в Водоканале Санкт-Петербурга в 2007–2009 годах, показали, что для насыщения обрабатываемой воды ионами кальция и карбонат-ионами могут быть использованы хлорид кальция и карбонат натрия (кальцинированная сода). Эти реагенты характеризуются высокой растворимостью в воде (табл. 2), что делает их удобными для применения на водопроводных очистных сооружениях. Разработанная технология предусматривает раздельный ввод реагентов. Ввод раствора хлорида кальция осуществляется в исходную воду перед ее коагуляционной очисткой. Вводимый перед процессом коагуляции хлорид кальция не изменяет значение водородного показателя рН и не влияет на условия протекания процесса коагуляции загрязняющих веществ сульфатом алюминия.

Раствор карбоната натрия подается в очищенную воду после фильтровальных сооружений. Раздельный ввод реагентов для стабилизации воды позволяет предотвратить преждевременное осаждение карбоната кальция в водоочистных сооружениях вследствие возможного создания местных пересыщений по ионам кальция и карбонат-ионам из-за неравномерного дозирования и перемешивания. Дозы реагентов, используемых для антикоррозионной обработки воды (хлорида кальция и карбоната натрия), рассчитываются совместно, исходя из параметров воды (температуры, рН, щелочности, общего солесодержания, содержания ионов кальция, хлорид-ионов, сульфат-ионов) и доз реагентов (сульфата алюминия, гипохлорита натрия), используемых в технологии доочистки воды.

В 2010 г. технология антикоррозионной обработки воды с использованием хлорида кальция и кальцинированной соды была внедрена на Петродворцовой и Сестрорецкой пригородных водопроводных станциях Санкт-Петербурга, на которых предусмотрена доочистка воды от железа коагуляцией с использованием сульфата алюминия и последующая фильтрация воды в контактных осветлителях. Это позволяло снижать содержание железа в обработанной воде до значений менее 0,1 мг/л.

В качестве реагентов использовались 32-процентный водный раствор хлорида кальция (кальций хлористый кальцинированный гранулированный UniPell, ГОСТ 450-77) и порошкообразная кальцинированная сода марки Б (ГОСТ 5199-85). Реагентное хозяйство состоит из узлов приема, хранения, растворения и дозирования реагентов. Товарный 32-процентный раствор хлорида кальция, поставляемый в автоцистернах, насосом перекачивается в емкости хранения. Далее раствор насосом подается в систему приготовления рабочего раствора (5–8%). Разбавление товарного продукта водой осуществляется в статическом смесителе, из которого смесь поступает в емкость, где перемешивается мешалкой до однородного раствора заданной концентрации. Приготовленный таким образом раствор при помощи системы дозирования подается в очищаемую воду.

Карбонат натрия (мешки по 50 кг) доставляется в помещение реагентного хозяйства автотранспортом и складируется рядом с установкой приготовления раствора карбоната натрия. Из загрузочного бункера реагент подается загрузочным шнеком в приемный короб с рыхлителем и далее дозирующим шнеком – в емкость рабочего раствора соды. Одновременно с подачей карбоната натрия в эту же емкость дозированно подается водопроводная вода для приготовления рабочего раствора концентрацией 4–6%, гомогенность которого обеспечивается непрерывно работающей механической мешалкой. Из емкости рабочий раствор подается насосом перекачки в промежуточную емкость и далее – к точкам ввода при помощи насосов-дозаторов, осуществляющих дозирование пропорционально расходу хлорида кальция.

Дозы реагентов (в расчете на твердую соль, в зависимости от температуры обрабатываемой воды): хлористый кальций – 28–38 мг/л; кальцинированная сода – 28–33 мг/л.

Выбранный технологический режим позволяет получить воду с рН 8–8,5 и индексом Ланжелье от –1 до 0. Хотя данные параметры воды и не обеспечивают образование пленки карбоната кальция на внутренних стенках трубопроводов, достижение значений рН обрабатываемой воды выше 8 приводит к значительному замедлению коррозионных процессов из-за пассивации стали и, как следствие, к снижению вторичного загрязнения воды соединениями железа.

Выводы

Технология стабилизационной обработки воды для устранения ее коррозионной агрессивности основана на введении в обрабатываемую воду хлорида кальция и карбоната натрия. Технология внедрена на Сестрорецкой и Петродворцовой водопроводных станциях Санкт-Петербурга, работающих в режиме доочистки водопроводной воды от железа.

Список цитируемой литературы

Нефедова Е. Д., Бекренев А. В. Разработка технологий антикоррозионной обработки воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга // Инженерные системы. 2008. № 1.
Журба М. Г., Говорова Ж. М. Водоснабжение. Т. 2. Улучшение качества воды: Учебник для вузов. – М.: Изд-во АСВ, 2010.
Андреев И. Н. Введение в коррозиологию: Учеб. пособие. – Казань: Изд-во Казанского государственного технологического университета, 2004.
Металлы и сплавы: Справочник / Под ред. Ю. П. Солнцева. – СПб: Профессионал; СПб: Мир и семья, 2003.
Фрог Б. Н., Левченко А. П. Водоподготовка: Учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во МГУ, 1996.
СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Стройиздат, 1985.
Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. – М.: Химия, 1989.