Ретехнологизация и реконструкция систем водоподготовки

Аннотация

Изложены основные положения концепции ретехнологизации систем водоподготовки и ее отличия от ретехнологизации сооружений очистки сточных вод. В последнее время все большее внимание при реконструкции водопроводных сооружений уделяется экологическим аспектам их функционирования, а такая реконструкция практически невозможна без ретехнологизации. Описан процесс ретехнологизации водоподготовки и обработки осадков природных высокоцветных и маломутных вод на примере ГУП «ПО Севмаш» г. Северодвинска Архангельской области. В г. Шарья (Костромская область) Группа компаний «Экополимер» выполнила ретехнологизацию водопроводной станции с целью повышения производительности действующих сооружений. Реконструкция водопроводных очистных сооружений г. Ковель (Украина) позволила снизить содержание железа в питьевой воде и улучшить эксплуатационные характеристики сооружений.

Ключевые слова

питьевая вода , мутность , реконструкция , обезжелезивание , цветность , ретехнологизация , дрены , соли алюминия , тонкослойное отстаивание , осветлители со взвешенным осадком , скорые фильтры

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Поверхностные водоисточники характеризуются непостоянством состава воды в течение года и зачастую отсутствием постоянных специфических загрязнений (железо, марганец и др.). Подготовка воды из таких водоисточников, как правило, осуществляется по типовой схеме: реагентная обработка, осветление, фильтрование. В связи с этим очистные сооружения проектируются в основном для удаления взвешенных веществ, бактериальных загрязнений, снижения цветности (гумусовых кислот). Вода подземных водоисточников, не имеющих гидравлической связи с поверхностными, наоборот, характеризуется постоянством состава и значительным количеством специфических загрязнений.

Основной задачей любых сооружений водоподготовки является получение воды питьевого качества. Отсюда следует основное отличие ретехнологизации сооружений очистки сточных вод от ретехнологизации процесса водоочистки. В первом случае ретехнологизация направлена на улучшение качества очищаемых сточных вод, что для питьевой воды неприемлемо, так как законодательство не предусматривает возможность подготовки питьевой воды разного качества. Ретехнологизация сооружений водоподготовки с изменением качественного состава питьевой воды возможна только при изменении нормативов (введение новых показателей, требующих изменения технологии очистки), или когда превышение некоторых показателей (цветности, мутности, содержания железа, марганца, минерализации, жесткости) в питьевой воде согласовано с территориальными санитарно-эпидемиологическими службами. Современные технологии позволяют получать питьевую воду из практически любых водоисточников, даже таких, которые ранее считались непригодными для этой цели. В случае изменения перечня нормируемых загрязняющих веществ действующие сооружения, запроектированные для другой цели, скорее всего окажутся непригодными, и потребуется новое проектирование и строительство.

Второе отличие ретехнологизации сооружений очистки сточных вод от ретехнологизации процесса подготовки питьевой воды обусловлено воздействием очищенной воды на окружающую среду. В первом случае целевой продукт (очищенная сточная вода) непосредственно влияет на состояние водоприемника, поэтому ретехнологизация процесса очистки напрямую связана с задачами охраны природы. Во втором случае целевой продукт (питьевая вода) не воздействует напрямую на водоисточник, поэтому ретехнологизация основного процесса должна приводить к воздействию на качество побочных продуктов (промывных вод фильтров, осадков и др.), контактирующих с окружающей средой.

Опыт работы Группы компаний «Экополимер» на водопроводных станциях показывает, что в подавляющем большинстве случаев промывные воды (и даже осадки) без какой-либо обработки сбрасываются в водный объект или на рельеф. Причина этого не только экономическая, но и чисто психологическая: мы возвращаем в природу то, что из природы взято (не считая добавленных реагентов). В последнее время все большее внимание при реконструкции водопроводных сооружений уделяется экологическим аспектам их функционирования, а такая реконструкция практически невозможна без ретехнологизации.

Однако при водоподготовке не всегда можно четко различить обычную реконструкцию и реконструкцию с ретехнологизацией. В качестве примера рассмотрим несколько водопроводных станций. Одной из самых сложных задач водоподготовки и обработки осадков является очистка высокоцветных и маломутных природных вод. Именно такая вода поступает на водопроводные очистные сооружения ГУП «ПО Севмаш» г. Северодвинска Архангельской области.

Источником водоснабжения Северодвинска служит река Солза. Весь бассейн реки выше водозабора расположен в лесном массиве, почти вся территория бассейна покрыта болотами. Вода характеризуется повышенной цветностью (100–220 град), малой мутностью (0,4–2,5 мг/л), низким солесодержанием и малой щелочностью (0,3–1,2 мг-экв/л). Температура воды в течение года колеблется от 1°С зимой до 18°С летом. Наличие в воде большого количества органических веществ (гумусовые соединения – гуминовые и фульвокислоты, преимущественно в виде солей) обусловливает высокое значение перманганатной окисляемости – в среднем 19,1 мг/дм³.

На водопроводных сооружениях используется классическая технология водоподготовки: хлорирование, коагулирование, отстаивание и фильтрование на скорых фильтрах. Коагулирование производится очищенным сернокислым алюминием. Для подщелачивания применяется кальцинированная сода. Технология очистки не обеспечивает достаточно стабильного качества питьевой воды, поскольку в исходной воде периодически наблюдается повышенное содержание органических веществ. Попытки увеличить дозу коагулянта (сульфата алюминия) не дают желаемого эффекта, напротив, в воде повышается концентрация остаточного алюминия. Такое положение, обусловленное особенностями состава природной воды, привело к необходимости разработки более эффективной технологии, отвечающей современным требованиям, – ретехнологизации производства.

Первоначально компания «Экополимер» провела реконструкцию дренажно-распределительных систем всех скорых фильтров суммарной проектной производительностью 235 тыс. м³/сут. В качестве дренажей на фильтрах ранее использовались щелеванные полиэтиленовые трубы. При эксплуатации этого вида дренажей возникали проблемы, связанные с заклиниванием частиц фильтрующей загрузки в щелях, что приводило к росту гидравлического сопротивления дренажных труб. По этой причине на разных фильтрах интенсивность промывки была разная, отмечался повышенный вынос фильтрующего материала, периодически приходилось полностью извлекать загрузку и очищать щелевой дренаж.

Замена этих труб дренами «Экополимер» [1] позволила стабилизировать работу блока фильтров, увеличить степень очистки по взвешенным веществам (мутности) и частично по алюминию и органическим веществам, а в дальнейшем снизить объем требуемых исследований по реагентному улучшению качества очистки воды. Следует отметить, что только реконструкция дренажно-распределительных систем всех скорых фильтров на любой станции водоочистки позволяет в полной мере выявить эффективность дренажно-распределительных сетей «Экополимер». В то же время только их реконструкция не решает всех проблем очистки воды, так как в этом случае скорые фильтры являются заложниками предварительных технологических стадий.

Для решения задачи стабилизации качества питьевой воды г. Северодвинска в 2005–2007 годах компания «Экополимер» провела исследования методов обработки воды. На первом этапе были проведены лабораторные исследования в условиях работы очистных сооружений на реальных водах и в разные периоды года. Исследования проводились методом многофакторного планирования экспериментов [2].

Было изучено несколько технологий очистки таких вод, но лучшие результаты получены при добавлении в исходную воду в качестве «замутнителя» осадка после продувки отстойников и промывной воды фильтров (технологический сброс). Статистически достоверно установлено, что такая добавка и введение флокулянта повышает эффективность очистки воды, что видно не только по результатам анализа, но и по скорости образования осадка и скорости осветления воды при гравитационном отстаивании.

С целью получения наиболее достоверных данных для проектирования были проведены опытно-промышленные испытания в неблагоприятных условиях по качеству поступающей на очистку воды. При этом соблюдался действующий регламент на ввод основных реагентов с дополнительным введением флокулянта и замутнителя. В процессе промышленного эксперимента подтверждены результаты лабораторных исследований, а также определены дозы различных реагентов и точки их ввода.

В настоящее время технологический сброс осуществляется в озеро-накопитель. Поскольку сток является сложной многокомпонентной системой, которая содержит извлеченные из природной воды примеси (песок, глинистые частицы, гумус, микроводоросли), продукты гидролиза коагулянта – солей алюминия, а также органические флокулянты, такое техническое решение не удовлетворяет современным природоохранным требованиям. В связи с этим было принято решение очищать технологический сброс, а выделенный осадок обезвоживать и утилизировать.

На водопроводных станциях сточные воды формируются крайне неравномерно, поэтому в состав сооружений обработки осадка обязательно должны входить усреднители. Усреднение стока должно происходить не только по объему, но и по составу, при этом также необходима модернизация сооружений, например, системы сбора осадка в отстойниках, замена водяной промывки скорых фильтров водовоздушной, корректировка графиков промывки фильтров и продувки отстойников.

По результатам исследований компанией «Экополимер» разработана технологическая схема, определены дозы реагентов и технологические параметры очистки воды, подобрано оборудование, позволяющее дозировать растворы реагентов в автоматическом режиме.

С учетом изложенного был разработан проект реконструкции водопроводных сооружений. Основные этапы реконструкции: строительство цеха обезвоживания осадков и ретехнологизация системы очистки природной воды. Технологическая схема очистки (рисунок) включает все сооружения, используемые ранее, и дополнительные узлы: сбора и усреднения промывных вод; сгущения осадка; обработки осадка; приготовления и дозирования реагентов, а также дозированной подачи осадка в обрабатываемую воду для улучшения процесса коагулирования. Разработанная технология обеспечивает снижение концентрации гумусовых веществ (по перманганатной окисляемости) до менее 5 мг/л, взвешенных веществ менее 1 мг/л, алюминия в очищенной воде менее 0,5 мг/л (в среднем 0,2 мг/л), цветности менее 20 град ПКШ, т. е. обеспечиваются показатели качества, отвечающие современным нормам. Кроме того, реализация данного проекта в Северодвинске позволит предотвратить сброс в водоем более 3,5 млн. м³/год отходов производства – промывных вод со средним содержанием алюминия около 30 мг/л [3].

Кроме применения флокулянта, предназначенного для очистки высокоцветных вод, предлагаемая технология предусматривает выделение и обезвоживание осадка процесса водоподготовки, а также возврат жидких отходов – промывных вод фильтров и отстойников, а также фугата центрифуг. Последнее решение не только повышает эффективность очистки воды, но и обеспечивает бессточность процесса.

Ретехнологизация в водоподготовке необходима также при увеличении производительности водопроводной станции, так как при правильно спроектированных сооружениях повышение производительности без потери качества питьевой воды невозможно. Таким образом, в отличие от технологии очистки сточных вод увеличение производительности действующих водопроводных сооружений (без нового строительства) связано с ретехнологизацией. В то же время рост населенных пунктов, развитие городской инфраструктуры и повышение удельного водопотребления приводят к тому, что проектная производительность водопроводных сооружений не покрывает потребности обслуживаемого населения.

Такая ситуация возникла в г. Шарья (Костромская область), гдекомпания «Экополимер» выполнила ретехнологизацию водопроводной станции с целью повышения производительности действующих сооружений. Обследование сооружений и последующее моделирование системы показали, что повышение производительности возможно при одновременной реконструкции комплекса сооружений: смесителя, двух осветлителей со взвешенным осадком и пяти скорых фильтров. Работы должны были выполняться в условиях действующей станции без снижения ее производительности.

На основе задания была разработана техническая документация, основным звеном которой являлась реконструкция распределительных и водосборных систем, а также оснащение осветлителей модулями тонкослойного отстаивания. Многолетние испытания тонкослойных сооружений подтвердили высокую эффективность метода осаждения взвеси в слоях небольшой высоты, а также прочность, надежность и долговечность разработанной конструкции блоков, простоту их монтажа и эксплуатации.

В то же время опыт эксплуатации этих станций показал, что эффективность работы тонкослойных отстойников, так же как и традиционно применяемых, зависит от качества подготовки хлопьевидной взвеси. Существенную роль играет также равномерность сбора и распределения воды по площади осветлителя, а также равномерность удаления выпавшего в тонкослойных элементах осадка и перепуск его в шламоуплотнитель.

Таким образом, необходим комплексный подход к решению всех технологических задач, связанных с хлопьеобразованием, осаждением, удалением взвеси, а также гидравлическим режимом работы отстойных сооружений. Применение технологии тонкослойного осаждения улучшает качество очистки воды: содержание взвешенных частиц уменьшается в среднем в 5–10 раз, органики – до нормативных значений при наладке процесса коагуляции. Основным элементом реконструкции осветлителей явились тонкослойные модули, установленные в зонах осветления, и шламонакопители. Проведена замена распределительной системы и труб для удаления осадка, модернизирована система отвода осветленной воды.

При повышении производительности осветлителей уязвимым местом становятся скорые фильтры, при этом их параметры должны существенно отличаться от проектных. Применение дренажных элементов «Экополимер» позволило ликвидировать поддерживающие слои и за счет этого увеличить высоту фильтрующего слоя, а также использовать для загрузки фильтров дробленый антрацит (фракция 0,8–2 мм) с пониженным сопротивлением фильтрующего слоя.

Компания «Экополимер» на основе указанных рекомендаций разработала конструкторскую и проектную документацию, изготовила и поставила тонкослойные модули и дренажные фильтры, выполнила шефмонтажные и пусконаладочные работы, включая подбор дозы и режима ввода реагентов. В результате ретехнологизации удалось повысить производительность водопроводных очистных сооружений на 30% без потери качества питьевой воды. Модернизация распределительной и сборной систем позволила не только повысить производительность осветлителя с взвешенным осадком, но и в значительной степени стабилизировать слой взвешенного осадка, что привело к с стабилизации работы сооружения.

Примером реконструкции водопроводных очистных сооружений может служить проект, выполненный компанией «Экополимер» для г. Ковель. Цель проекта – повышение эффективности работы станции очистки подземных вод. Реконструкция затронула основные звенья в технологической цепочке очистных сооружений – скорые фильтры и оборудование промывки фильтров. Кроме замены одного типа оборудования другим было предусмотрено введение в существующую технологию новых элементов, способствующих интенсификации процессов очистки, снижению себестоимости производства воды, сокращению количества отходов производства.

Проект реконструкции водопроводных очистных сооружений предусматривает замену дренажно-распределительной системы, фильтрующего материала, оборудования для промывки фильтров, установку оборудования для автоматического поддержания скорости фильтрования. В первую очередь была выполнена реконструкция скорых фильтров. Вместо стальных перфорированных труб установлена дренажно-распределительная система «Экополимер» для водовоздушной промывки, заменен фильтрующий материал. Содержание железа в питьевой воде ранее составляло 0,44–0,95 мг/л, а после проведенного этапа реконструкции снизилось до 0,16–0,18 мг/л. Реализация проектных решений позволила также улучшить эксплуатационные характеристики сооружений очистки воды.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что в рамках двух концепций – управления процессом реконструкции и ретехнологизации станций очистки природных вод – ГК «Экополимер» обеспечивает снижение нагрузки на окружающую природную среду.

Список цитируемой литературы

Мешенгиссер Ю. М., Слепцов Г. В., Ульченко В. М. Опыт разработки и внедрения дренажно-распределительных систем «Экополимер» // Водоснабжение и сан. техника. 2007. № 10.
Адлер О. П., Маркова Е. В., Грановский Ю. В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. – М.: Наука, 1976.
Мешенгиссер Ю. М., Щетинин А. И., Ульченко В. М. Опыт ГК «Экополимер» в решении актуальных вопросов очистки природных и сточных вод: Тез. докл. Научно-практ. конф. «Проблемы предприятий ВКХ в современных условиях и практический опыт их решения на примере Нижнего Новгорода». – Нижний Новгород, 2007.