№9-2|2011

ПИТЬЕВОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

bbk 000000

УДК 628.112.23:628.168.4

Цабилев О. В., Стрелков А. К., Быкова П. Г., Занина Ж. В., Васильев В. В.

Подготовка артезианской воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения

Аннотация

Приведен пример решения задачи улучшения качества артезианской воды до нормативных значений с помощью баромембранных технологий. Описывается оптимальная с экологической и экономической точек зрения технологическая схема подготовки воды для хозяйственно-питьевых нужд поселка. Приводятся сравнительные результаты технологических расчетов различных схем деминерализации и умягчения воды, включающих процессы ионного обмена, нанофильтрации и обратного осмоса.

Ключевые слова

, , , , ,

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Водоснабжение поселка Аэропорт-2 осуществляется от группы артезианских скважин общей производительностью 1920 м3/сут. Показатели качества артезианской воды приведены в табл. 1. Погружными насосами вода из скважин подается в два подземных железобетонных резервуара чистой воды, далее насосной станцией второго подъема – на установки ультрафиолетового обеззараживания и затем под остаточным напором – в водопроводную сеть поселка. Общая потребность поселка в воде (полезная производительность) составляет 1700 м3/сут.

Из табл. 1 видно, что качество воды из артезианских скважин не соответствует нормативным требованиям [1] по железу, сухому остатку, общей жесткости, сульфатам и др. Для приведения показателей качества воды в соответствие с нормативами генеральным проектировщиком – компанией ООО НПФ «ЭКОС» (г. Самара) на этапе проектирования была разработана технологическая схема водоподготовки, включающая следующие стадии: удаление железа, деминерализация и корректировка минерального состава воды путем подмешивания деминерализованной воды после обезжелезивания.

09-2_06_tabl_01

Учитывая многообразие существующих способов обезжелезивания воды и большой практический опыт генерального проектировщика, особое внимание было уделено выбору метода деминерализации, поскольку без этой стадии обработки довести качество воды до нормативных значений (без снижения концентрации солей жесткости, сульфатов и сухого остатка) невозможно. Для оценки вариантов корректировки минерального состава воды были выбраны следующие схемы деминерализации:

  • схема № 1 – нанофильтрация с подмешиванием исходной воды;
  • схема № 2 – обратноосмотическое обессоливание с подмешиванием исходной воды;
  • схема № 3 – обратноосмотическое обессоливание и параллельное умягчение с подмешиванием исходной воды.

Вариант умягчения воды методом натрий-катионирования с подмешиванием исходной воды не рассматривался из-за невозможности выполнения требований [1] по сухому остатку и содержанию натрия, значительного потребления поваренной соли (около 50 т/мес.) и соответственно повышения экологической нагрузки.

Ввиду очевидных технических и экономических причин не рассматривались такие способы обессоливания, как методы ионного обмена, электродиализа и дистилляционного опреснения. Результаты технологических расчетов ожидаемого качества очищенной воды приведены в табл. 2 (общий ионный баланс в данной таблице расходится ввиду того, что качественный состав приведен только по основным ионам). Для расчета процессов ионного обмена, обратного осмоса, нанофильтрации и доз реагентов использовались программы DOW Cadix 6.0.1, ROSA 6.1.5 и Ashland 1,03.

09-2_06_tabl_02

Применение современных схем деминерализации требует качественной предварительной подготовки воды, в данном случае – обезжелезивания, которое обусловлено не только требованиями норматива [1], но и в значительной степени жесткими требованиями к качеству воды, подаваемой на деминерализацию. В частности, вода, направляемая на обратноосмотическое обессоливание, должна отвечать следующим основным требованиям [2]: содержание окисного железа, марганца, алюминия менее 0,05 мг/л, индекс SDI (ASTM D4189) менее 5 (оптимально менее 3), содержание окислителей менее 0,1 мг/л и др. Принято считать, что наилучшую эффективность предварительной очистки обеспечивает метод ультрафильтрации [3]. Однако в рассматриваемом случае исходная вода подается из артезианских скважин, и применение данного способа нецелесообразно ввиду заведомо более высокой стоимости при сопоставимом эффекте очистки с механической фильтрацией на зернистых материалах.

Таким образом, для удаления общего железа, в соответствии с нормативными  требованиями [4], была принята к расчету схема с предварительной упрощенной аэрацией в промежуточном баке с последующей скорой фильтрацией на безнапорных фильтрах, загруженных дробленым керамзитом. Применение данной загрузки по сравнению с песчаной позволяет снизить промывные расходы, увеличить грязеемкость фильтров и повысить эффективность очистки [5]. В данном проекте предпочтение было отдано безнапорным фильтрам по следующим причинам:

  • более низкая скорость фильтрации и отсутствие пульсаций от насосов, а также незначительные гидравлические колебания при переключениях фильтров позволяют получать очищенную воду стабильно высокого качества;
  • более продолжительный контакт с воздухом позволяет без применения компрессорной техники насыщать воду кислородом (метод упрощенной аэрации) и избежать применения более дорогих каталитических фильтрующих материалов и дозирования окислителей;
  • полный визуальный контроль фильтрующей среды, в том числе при взрыхлении фильтра, упрощает обслуживание и сводит к минимуму вероятность ее вымывания;
  • возможность изготовления фильтров любого размера на объекте размещения (экономия площади и исключение затрат на доставку готового габаритного оборудования), а также их высокая ремонтопригодность в процессе эксплуатации.

Из табл. 2 следует, что все варианты технологических схем деминерализации позволяют получить воду, соответствующую нормативным требованиям [1]. Наилучшее качество очищенной воды достигается при использовании схемы № 2 благодаря более низкой минерализации и временной жесткости (щелочности), что также обеспечивает возможность подмешивания воды после обезжелезивания в большей пропорции (следовательно, получения воды после смешения с более низкой стоимостью). Кроме этого, схема № 2 обеспечит более длительный ресурс водоразборной арматуры, а также нагревательных приборов (при их наличии у потребителей) вследствие снижения тенденции к накипеобразованию и коррозии.

Очевидно, что схема № 1 окажется несколько дороже схемы № 2, так как требует более высокой производительности мембранных аппаратов и соответственно большей площади для размещения оборудования.

Рассматривая экологический аспект представленных вариантов, необходимо отметить преимущество схем № 1 и 2, в которых не предусмотрено потребление поваренной соли и, следовательно, отсутствует неизбежный сброс хлоридов. Необходимость строительства реагентного хозяйства приведет к значительному увеличению как капитальных, так и эксплуатационных затрат. Кроме того, схема № 3 сложнее в эксплуатации.

Таким образом, для дальнейших расчетов был выбран вариант деминерализации № 2. Общая технологическая схема подготовки воды приведена на рис. 1. Исходная вода из артезианских скважин поступает в резервуар-аэратор через разбрызгивающие устройства, где происходит частичная отдувка сероводорода и углекислого газа и насыщение воды кислородом воздуха в количестве, необходимом для протекания реакции окисления двухвалентного железа. Затем вода поступает на скорые фильтры, загруженные дробленым керамзитом, на которых происходит удаление взвешенных веществ, окисного железа, в том числе, значительной части коллоидных частиц. К расчету принято 4 фильтра общей площадью 13 м2. Промывка фильтрующей загрузки производится очищенной водой. Грязная промывная вода отводится в резервуары повторного использования промывной воды и после отделения осадка направляется в голову сооружений. Фильтрованная вода поступает в резервуар осветленной воды и затем насосами подается на установки обратного осмоса.

09-2_06_ris_01

Проектом предусмотрены две автоматизированные установки обратного осмоса УМФ-(О)-2х300М (ТУ 4859-004-48147451-2004) общей производительностью 25 м3/ч по пермеату. Установки разработаны и изготовлены ООО «СВТ-Инжиниринг» (Россия). Каждая установка состоит из двух автономно работающих линий и снабжена низконапорными энергосберегающими мембранными элементами Filmtec XLE-440 с общей рабочей площадью поверхности 738 м2. Расчетное значение выхода фильтрата составляет 80%, а удельное энергопотребление для выработки 1 м3 пермеата 0,76 кВт·ч/м3. В состав каждой установки входит байпасное устройство для пропорционального подмешивания исходной воды к пермеату. Для предотвращения образования нерастворимых отложений на рабочей поверхности мембран предусмотрено предварительное дозирование ингибитора AmeROyal642. Установки работают в автоматическом режиме. Отображение режимов работы организовано при помощи светозвуковой сигнальной аппаратуры, информационных табло и графической панели оператора с выводом информационного потока на верхний уровень по средству универсального протокола. В полуавтоматическом режиме периодически (1–2 раза в год) проводится химическая промывка мембранных элементов с помощью встроенных блоков. Для увеличения межпромывочного интервала и ресурса работы мембранных элементов в схеме управления установками предусмотрено следующее:

  • параллельная компоновка мембранных корпусов в составе мембранного модуля с минимальным числом мембран в каждом корпусе (в пределах возможности компоновки);
  • возможность регулирования перекрестного потока транзитного расхода вдоль рабочей поверхности мембран (до максимального значения, установленного производителем мембранных элементов);
  • необходимая арматура для проведения основной (ополаскивание пермеатом) и быстрой (исходной водой) гидравлической промывки;
  • аварийная защита по превышению рабочего давления и его перепаду, по изменениям расходов воды (пермеат, концентрат, рециркуляция) выше/ниже установленных пределов, электропроводности, температуре.
09-2_06_ris_02

Следует отметить, что на сегодняшний день большинство предлагаемых конструкций установок обратного осмоса имеют упрощенную систему управления, которая не позволяет реализовать обозначенные выше функции. Кроме того, их технические и технологические параметры зачастую носят условный характер и не привязаны к качеству воды конкретного источника. В результате заявленные характеристики установок оказываются завышенными как по производительности и величине выхода фильтрата, так и по качеству очищенной воды. В этой связи особое внимание следует обратить на необходимость индивидуального подхода при проектировании станций подготовки воды с применением мембранных технологий, на основе учета особенностей проектируемого объекта, качества воды конкретного водоисточника, а также на выбор разработчика технологии и оборудования.

В данном случае партнером по разработке схемы деминерализации выступила компания «СВТ-Инжиниринг», специализирующаяся на разработке, изготовлении, монтаже и пусконаладке станций водоподготовки, в том числе установок мембранного фильтрования с учетом специфических условий их применения. Схема установки обратного осмоса представлена на рис. 2, а внешний вид – на рис. 3 и 4. Концентрат обратноосмотических установок с расчетным солесодержанием до 8 г/л равномерно сбрасывается в систему канализации, где происходит его разбавление хозяйственно-бытовыми сточными водами.

Предусматривалось обеззараживание очищенной воды ультрафиолетовым облучением. Выбраны две установки УДВ-5А300Н-10-150 (ТУ 3467-003-58183229-2002) в «безозоновом» исполнении (НПО «ЛИТ», Россия) с расчетной дозой облучения 25 мДж/см2. Для периодических промывок кварцевых чехлов предусмотрен блок промывки. Данные установки размещаются взамен старых (установленных с момента начала эксплуатации сооружений), вышедших из строя по причине коррозионного разрушения корпусов облучателей и электрических частей.

09-2_06_ris_03

Для обеспечения удовлетворительного санитарного состояния сооружений в процессе эксплуатации, проведения периодических санаций, а также в качестве резервного способа обеззараживания принято дозирование гипохлорита натрия (товарный раствор марки А). Подача реагента осуществляется при помощи автоматизированной станции дозирования с использованием насосов-дозаторов DME (GRUNDFOS, Германия).

09-2_06_ris_04

Выводы

Широкое распространение баромембранных методов подготовки воды и соответственно их непрерывное техническое совершенствование и снижение стоимости позволяют эффективно применять схемы уменьшения минерализации воды (жесткости, щелочности, содержания сульфатов, хлоридов, натрия и др.) при минимальной экологической нагрузке в регионе. Для повышения экономической привлекательности проекта требуется индивидуальный подход при проектировании, строительстве и комплектации основным оборудованием. Основной вклад в эксплуатационные расходы баромембранных установок вносят ресурсные показатели продолжительности работы мембранных элементов и расходы на эксплуатацию схемы предварительной очистки. В этой связи неизбежно возрастают требования к качеству и устойчивости (надежности) работы схемы предварительной очистки, а также к взаимодействию компонентов всей схемы.

 

Список цитируемой литературы

  1. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
  2. Dow liquid separations. FILMTEC reverse osmosis membranes. – Technical Manual. January 2004.
  3. Солодянников В. В., Васильев В. В., Беляков Д. В., Цабилев О. В. Мембранные технологии – решение проблемы получения осветленной воды нужного качества // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. № 4 (48).
  4. СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
  5. Мартенсен В. Н., Аюкаев Р. И., Стрелков А. К. и др. Дробленый керамзит – новый фильтрующий материал для водоочистных фильтров: Учеб. пособие. – Куйбышев, КуИСИ, 1976.

mvkniipr ru 

ecw18 vst 200

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Конференция итог

VAK2

at19 100х100 stand

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.