Технология высокоскоростного осветления воды с использованием микропеска

Аннотация

Инженерно-технологическим центром МГУП «Мосводоканал» проведены испытания нового процесса высокоскоростного осветления воды. Данная технология является модернизированным вариантом традиционного осветления воды, позволяет максимально реализовать потенциал процессов коагуляции–отстаивания. Эти процессы – наиболее ответственный этап в технологии водоподготовки. Результаты испытаний показали, что разработанная технология позволяет более эффективно снижать цветность и перманганатную окисляемость воды по сравнению с традиционной схемой очистки волжской воды, а также резко снизить содержание остаточного алюминия в очищенной воде.

Ключевые слова

питьевая вода , цветность , остаточный алюминий , высокоскоростное осветление , микропесок , перманганатная окисляемость

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Введение

Опыт эксплуатации московских водопроводных станций показывает, что основные проблемы в процессе водоподготовки возникают при проведении коагуляционной обработки воды. Это обусловлено не только изменением качества поверхностных вод, но и конструктивными особенностями очистных сооружений. В результате исследований гидравлической части головных сооружений московских водопроводных станций, проведенных в 2000 г. Инженерно-технологическим центром МГУП «Мосводоканал», было выявлено, что гидравлические камеры хлопьеобразования, разработанные еще в конце XIX века, перестали удовлетворять требованиям, предъявляемым к этим сооружениям, с учетом ужесточения нормирования остаточного алюминия в питьевой воде. Одной из основных проблем является невозможность достаточно эффективного управления работой головных сооружений в условиях значительного изменения гидравлической нагрузки, в том числе по сезонам года. За рубежом проводятся обширные исследования в этом направлении. Разработан широкий спектр новых подходов к формированию сооружений, накоплен значительный опыт их эксплуатации.

По мнению специалистов Инженерно-технологического центра, наиболее перспективным представляется переоборудование горизонтальных отстойников в блоки осветления путем организации в коридорах отстойников механических камер хлопьеобразования, оснащенных тихоходными мешалками с вертикальным штоком и регулируемой скоростью вращения, и собственно отстойной части, оборудованной тонкослойными модулями, системой поверхностного сбора отстоянной воды и системой гидравлического удаления осадка.

Специалистами Инженерно-технологического центра был разработан вариант блока осветления, реализованный на одной из технологических линий экспериментальной станции очистки воды на Рублевской станции водоподготовки. Многолетняя работа (с 2001 г.) блока показала его гибкость, экономичность, отличные эксплуатационные качества и высочайшую технологическую эффективность.

Зарубежными исследователями был разработан вариант технологии ускоренного осветления воды, в которой в качестве «замутнителя» используется микропесок. Конструкция системы практически не отличается от модернизированных головных сооружений экспериментальной станции очистки воды (рис. 1). Однако возможность максимально использовать потенциал процессов коагуляции–отстаивания в модернизированном процессе высокоскоростного осветления при значительном сокращении площади сооружений, безусловно, представляет большой интерес.

В октябре 2008 г. Инженерно-технологическим центром были проведены испытания этой технологии на Восточной станции водоподготовки.

Методы

Пилотная установка. Для испытаний процесса высокоскоростного осветления воды была использована мобильная пилотная установка, которая представляет собой стандартный контейнер, содержащий саму установку, а также химическую лабораторию. Внутреннее пространство контейнера показано на рис. 2.

Принцип работы. Высокоскоростное осветление воды представляет собой компактную технологию, в которой в качестве затравочных зерен для хлопьеобразования используется микропесок. Хлопья, утяжеленные микропеском, обладают уникальной характеристикой осаждения: вертикальная скорость для питьевой воды достигает 40–80 м/ч. Это позволяет использовать отстойники с очень высокими нагрузками и коротким временем пребывания воды. Площадь, необходимая для размещения установки, в 5 раз меньше площади классического полочного отстойника и примерно в 20 раз меньше площади традиционной системы осветления. Технологическая схема высокоскоростного осветления воды представлена на рис. 3, общий вид отстойника пилотной установки – на рис. 4.

Речная вода обрабатывается коагулянтом в баке быстрого перемешивания и далее поступает в инжекторную камеру осветлителя, где обрабатывается флокулянтом. Туда же вводится микропесок крупностью 40–200 мкм. Проходя под разделительной перегородкой, вода с реагентами подается в бак «созревания», оборудованный мешалкой. В этом баке происходит образование и рост хлопьев. Далее вода через систему разделительных перегородок поступает в полочный осветлитель, оснащенный тонкослойными модулями. Осветленная вода собирается с помощью лотков (рис. 5). Образовавшийся осадок насосом подается на гидроциклон, где происходит его отделение от микропеска. Осадок удаляется из установки, а микропесок возвращается в инжекторную камеру для повторного использования.

Порядок проведения испытаний. Волжская вода погружным насосом подавалась на мобильную пилотную установку. Расход воды составлял 20–40 м³/ч. После пилотной установки отстоянная вода поступала на колоночный стенд с песчаной загрузкой. Песчаные фильтры загружены песком с крупностью, принятой на сооружениях Восточной станции водоподготовки. Общая блок-схема испытаний представлена на рис. 6.

Для проведения сравнительной оценки существующей технологии и процесса высокоскоростного осветления с использованием микропеска на разных этапах испытаний использовались следующие реагенты: коагулянты сульфат алюминия, оксихлорид алюминия, а также их смесь (в пропорции примерно 1:1); флокулянт Praestol 650TR.

Первоначальные дозы реагентов принимались в соответствии с дозами, принятыми на действующих сооружениях Восточной станции водоподготовки в период проведения исследований. Далее дозы реагентов изменяли с целью поиска наиболее эффективного режима работы установки. В отличие от технологического режима, принятого на станции, где в период проведения испытаний использовался озон (1 мг/л) и хлор (2 мг/л), на установке высокоскоростного осветления воды предварительное окисление не проводилось. Расчет необходимого количества микропеска и параметров работы мешалок осуществлялся оператором установки.

Результаты и обсуждение

В ходе испытаний установлено, что на эффективность процесса высокоскоростного осветления в большей степени влияет доза флокулянта. На рис. 7 показана зависимость параметров мутности, перманганатной окисляемости и остаточного алюминия от дозы флокулянта. Наиболее эффективными являлись режимы с использованием флокулянта дозой 0,2–0,25 мг/л.

Мутность, цветность, перманганатная окисляемость. Снижение мутности происходило достаточно эффективно.

На рис. 8 приведены характеристики исходной воды, отстоянной воды на сооружениях Восточной станции водоподготовки, осветленной воды, полученной на пилотной установке, и фильтрата после колоночного стенда по мутности, цветности, перманганатной окисляемости, содержанию остаточного алюминия. Дозы реагентов, применявшихся в ходе испытаний, представлены в табл. 1. Приведенные данные свидетельствуют о возможности подбора режима коагулирования, позволяющего обеспечить эффективное снижение мутности отстоянной воды.

Содержание остаточного алюминия в отстоянной воде снижалось до 0,1 мг/л, что на порядок ниже по сравнению с водой, обработанной на Восточной станции водоподготовки.

Оценка эффективности процесса при различных нагрузках (20–40 м³/ч) показала, что изменение расхода воды, поступающей на пилотную установку высокоскоростного осветления, не приводит к изменению качества отстоянной воды.

Результаты бактериологического анализа показали, что качество отстоянной воды было достаточно высоким. Фильтрованная вода после песчаных фильтров без применения окислителей полностью соответствовала требованиям СанПиН (однако в этот период качество речной воды характеризовалось низкой бактериальной загрязненностью). Обобщенные результаты бактериологического анализа за период испытаний представлены в табл. 2.

Технико-экономическая оценка технологии высокоскоростного осветления. В табл. 3 представлена предварительная технико-экономическая оценка технологии высокоскоростного осветления в сравнении с традиционной схемой очистки на Восточной станции водоподготовки (за период испытаний). Оценка проведена в части затрат на реагенты. Всесторонняя технико-экономическая оценка возможна в случае проведения полномасштабных испытаний в течение полного годового цикла.

По предварительным расчетам, затраты на реагенты с учетом потерь микропеска сопоставимы. Учитывая повышение степени очистки на установке высокоскоростного осветления, прогнозируется снижение затрат на собственные нужды за счет увеличения продолжительности фильтроцикла при последующей очистке воды на скорых фильтрах. Таким образом, существует возможность получения экономического эффекта от внедрения технологии высокоскоростного осветления.

Поскольку при проведении испытаний на установке не применялось предварительное окисление, в данной технологии с использованием микропеска реализован высокоэффективный процесс осветления воды. Изучение этого процесса представляет интерес с точки зрения уменьшения площади станций водоподготовки: по предварительным оценкам, площадь, необходимая для размещения отстойника высокоскоростного осветления, в 5 раз меньше площади классического полочного отстойника и примерно в 20 раз меньше площади традиционной системы осветления.

Качество воды, получаемой на установке высокоскоростного осветления, зависит от дозы флокулянта (без него данная технология не работает). Средняя доза флокулянта Praestol 650TR для волжской воды в исследуемый период составляла 0,2–0,25 мг/л. В разработанной технологии могут использоваться реагенты, применяющиеся на московских станциях водоподготовки. При оптимальном подборе реагентов и увеличении дозы флокулянта мутность отстоянной воды снижалась до 0,6–0,8 мг/л. Одновременно обеспечивается значительное уменьшение концентрации остаточного алюминия.

Выводы

Качество фильтрованной воды после высокоскоростного осветления без применения окислителей соответствует требованиям СанПиН по микробиологическим показателям. Изменение расхода исходной воды (нагрузки) в диапазоне 20–40 м³/ч, поступающей на пилотную установку, не приводит к изменению качества отстоянной воды. Следует отметить, что испытания проводились в течение небольшого отрезка времени. Поэтому для полномасштабной оценки данной технологии необходимо проведение экспериментов в различные сезоны года. Испытания в течение полного годового цикла позволят более четко оценить затраты на реализацию данной технологии и сравнить их с затратами на действующих сооружениях. Окончательные выводы о применимости представленной технологии для московских станций водоподготовки также могут быть сделаны при проведении полномасштабных испытаний.