Повышение эффективности работы водопроводных станций

Аннотация

Рассмотрены вопросы интенсификации процессов коагуляционной очистки низкотемпературных маломутных высокоцветных вод поверхностных источников водоснабжения с использованием реакторов-осветлителей новой конструкции. Реактор-осветлитель сочетает в себе достоинства осветлителей со взвешенным слоем осадка и зернистых фильтров, обладает низкой эксплуатационной стоимостью, высокой производительностью и надежностью. Представлена разработанная на основе экспериментальных исследований эффективная комплексная технология подготовки питьевой воды из поверхностных источников. Технология повышает эффективность работы реконструируемых водопроводных станций при минимальных эксплуатационных затратах. Качество очищенной питьевой воды соответствует нормативным требованиям.

Ключевые слова

агрегация , адсорбция , взвешенный слой , зернистая загрузка , коллоидные частицы , префильтр , реактор-осветлитель , сорбционный материал , сорбция

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Качество воды практически всех поверхностных источников не соответствует нормативным требованиям, так как большинство из них в последние годы подвергается антропогенному загрязнению. Устаревшая нормативно-техническая база препятствует разработке организационных и технических решений в области подготовки воды для питьевого водоснабжения. Вода из поверхностных источников в основном проходит традиционную двухступенчатую очистку с отстаиванием или осветлением в слое взвешенного осадка и на скорых фильтрах. До 10% воды обрабатывается по одноступенчатой схеме на контактных осветлителях [1].

При очистке маломутных цветных вод работа сооружений первой ступени очистки (отстойников, осветлителей со взвешенным осадком) недостаточно надежна и эффективна. Это обусловлено вялым протеканием процесса коагуляции, связанным с малой мутностью речной воды в течение большей части года и отсутствием необходимых центров конденсации для продуктов гидролиза коагулянта, а также условий для возникновения зародышей твердой фазы в свободном объеме камер хлопьеобразования отстойников и в осветлителях со слоем взвешенного осадка. Ослаблено и флокулирующее действие полиэлектролитов.

Кроме того, воды открытых водоемов Сибирского региона большую часть года (а подземных источников постоянно) имеют низкую температуру. При высокой вязкости, обусловленной низкой температурой воды, снижается кинетическая подвижность и частота соударений образующихся в процессе гидролиза коллоидных частиц, в связи с чем их агрегация не происходит. Образующиеся хлопья – легкие, рыхлые, обводненные, с малой гидравлической крупностью – плохо осаждаются в отстойниках и не образуют слоя взвешенного осадка в осветлителях. В результате основная нагрузка по очистке воды приходится на вторую ступень осветления – скорые фильтры, которые не всегда обеспечивают требуемую эффективность очистки. Осадок, образующийся при этом в фильтрующей загрузке, имеет малую прочность на сдвиг, легко разрушается под действием касательных напряжений на поверхности зерен загрузки и выносится из фильтров. Сокращается продолжительность фильтроцикла.

Коагуляционные процессы интенсифицируются в контактных средах за счет введения в обрабатываемую воду минеральных замутнителей (например, глин) или сорбционных материалов (порошкообразных активных углей и др.). Механические примеси способствуют достижению критической концентрации, необходимой для хлопьеобразования, и позволяют снизить относительную величину дозы коагулянта. При этом происходит изменение характера структурообразования в результате адсорбции гидроксида алюминия на частицах механических примесей, увеличение плотности и гидравлической крупности хлопьев коагулированной взвеси. Однако существуют проблемы с поставкой замутнителей, отвечающих санитарным требованиям, высокой стоимостью используемых порошковых сорбционных материалов и утилизацией больших объемов образующегося шлама промывных вод, что значительно увеличивает стоимость эксплуатации водоочистных сооружений.

В качестве многократно используемой промываемой контактной среды для первой ступени водоподготовки перед скорыми фильтрами широко используются стационарные зернистые фильтрующие загрузки контактных префильтров, обеспечивающие высокую эффективность предварительной очистки воды. Применение контактных осветлителей с одноступенчатой схемой очистки или контактных префильтров перед скорыми фильтрами по двухступенчатой схеме обработки высокоцветных вод решает проблему образования плотного структурированного осадка, поскольку хлопьеобразование происходит в замкнутом поровом пространстве зернистых загрузок, в котором увеличивается вероятность взаимного столкновения, агрегации частиц гидроксидов и сорбции примесей воды. Кроме того, высокая поверхностная энергия самих зерен загрузки способствует интенсивному образованию и прилипанию к ним частиц осадка. Однако применение контактных префильтров связано с большим расходом промывной воды (до 15% объема очищенной воды), что снижает полезную производительность водоочистных сооружений и увеличивает эксплуатационные затраты.

С целью повышения эффективности работы и усовершенствования сооружений для предварительной реагентной очистки низкотемпературных маломутных цветных поверхностных вод в НГАСУ разработаны реакторы-осветлители новой конструкции [2], работающие по принципу контактной коагуляции. Очистка воды в них происходит во взвешенном слое промываемой и многократно используемой контактной массы, выполняющей функцию замутнителя и фильтрующего материала. Реактор-осветлитель сочетает в себе достоинства осветлителей со взвешенным слоем осадка и зернистых фильтров, имеет низкую эксплуатационную стоимость, высокую производительность и надежность.

Реакторы-осветлители входят в состав разработанной в НГАСУ комплексной технологической схемы очистки поверхностных вод (рисунок) [3]. Технологическая схема реагентной очистки поверхностных вод предусматривает первичное хлорирование, обработку воды коагулянтом и флокулянтом, осветление в слое взвешенной контактной массы реактора-осветлителя, фильтрование на скором фильтре с загрузкой из горелых пород, адсорбцию в слое загрузки гранулированного активного угля сорбционного фильтра и обеззараживание. Отработанная промывная вода осветлителей и фильтров очищается и используется повторно, водопроводный осадок обрабатывается и утилизируется.

Первичное хлорирование обеспечивает обеззараживание исходной воды и хорошее санитарное состояние сооружений очистки, а также повышает эффективность последующей коагуляции разрушением гидрофильных органических соединений, стабилизирующих дисперсные примеси воды. В качестве окислителя рекомендуется гипохлорит натрия. Из коагулянтов возможно применение оксихлорида алюминия или сульфата алюминия в зависимости от температуры обрабатываемой воды, в качестве флокулянта – «Праестол 650 ТR».

Реактор-осветлитель служит для предварительной коагуляционной очистки воды. В контактной массе реактора-осветлителя увеличивается степень гидратации, ускоряется процесс коагуляции, повышается эффективность извлечения примесей воды при меньших дозах коагулянта. При этом имеет место контактная коагуляция – адсорбция цепочек (хлопьев) гидроксида алюминия поверхностью зерен контактной массы, являющихся центрами коагуляции и обладающих большой поверхностной энергией притяжения адсорбируемого вещества. После заполнения всей поверхности зерен адсорбента сверху наращиваются последующие слои гидроксидного осадка и происходит так называемая полимолекулярная адсорбция. В свою очередь образующийся в межзерновом пространстве контактной массы осадок гидроксида алюминия адсорбирует коллоидные и мелкодисперсные примеси природного и антропогенного происхождения, в том числе соли жесткости, металлоорганические комплексы, фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, хлорорганические соединения, диоксины и др.

Экспериментальные исследования, выполненные в натурных условиях водоподготовительных сооружений, показали, что эффективность контактной коагуляции повышается по мере сокращения интервала между вводом коагулянта в обрабатываемую воду и ее поступлением в слой контактной массы реактора-осветлителя. За этот короткий промежуток времени (до 30 с) в обрабатываемой воде успевают образоваться микроагрегаты слипшихся первичных частиц. Далее коагуляция идет за счет когезии этих микроагрегатов на макроповерхности зерен контактной массы. Поэтому в рекомендуемой технологической схеме камеры хлопьеобразования отсутствуют.

В летний период при максимальной цветности воды рационально проводить дробное введение коагулянта в трубопровод перед реактором-осветлителем (75%) и перед скорым фильтром (25%), что обеспечивает более эффективное обесцвечивание и снижение концентрации остаточного алюминия. Применение реактора-осветлителя для очистки поверхностных вод позволяет снизить дозу коагулянта на 30–50%. Значительная часть образовавшегося гидроксидного осадка задерживается в контактной массе реактора-осветлителя, соответственно снижаются нагрузки по взвешенным веществам на скорые фильтры, продолжительность фильтроцикла увеличивается до 3 раз.

Скорый фильтр предназначен для выделения из воды не задержанных на реакторе-осветлителе мелких хлопьев гидроксида алюминия с сорбированными на них природными и антропогенными примесями. Для повышения эффективности работы скорых фильтров в качестве фильтрующего материала рекомендуется использование дробленых горелых пород производства ООО «Аргеллит» (г. Киселевск Кемеровской области), при этом производительность фильтров повышается до 35%.

Для удаления остаточных растворенных химических и органических соединений рекомендуемая технологическая схема дополнена сорбционным фильтром, загруженным гранулированным активированным углем марки АГ, имеющим высокую сорбционную емкость и механическую прочность.

Заключительный этап обеззараживания воды – введение раствора гипохлорита натрия в трубопровод перед резервуаром чистой воды. Применение гипохлорита натрия позволяет снизить дозу хлора при предварительном хлорировании до 30%. Аналогичное снижение имеет место и при вторичном хлорировании.

Промывка загрязненной контактной массы реактора-осветлителя производится с помощью эжектора по истечении времени ее защитного действия и при ухудшении качества осветляемой воды. Очищенная промывная вода подается в эжектор промывным насосом из наполненной секции отстойника промывной воды. Сброс отработанной промывной воды осуществляется в пустую секцию отстойника. В сбрасываемую промывную воду вводится коагулянт – оксихлорид алюминия или сульфат алюминия [4]. Контактная взвешенная масса используется в процессе очистки многократно.

Две секции отстойника служат для приемки, очистки и хранения промывной воды поочередно. Повторное использование промывной воды для промывки осветлителя и скорого фильтра обеспечивает увеличение полезной производительности очистных сооружений за счет сокращения расходов воды на собственные нужды, что способствует защите водоема от загрязнения. Осадок гидроксида алюминия, выделившийся в отстойнике в результате коагуляции отработанной промывной воды, обезвоживается на фильтр-прессе и утилизируется – может быть использован в производстве строительных изделий, дорожном строительстве и т. п.

Экспериментальные исследования разработанной технологии очистки поверхностных вод проводились на водопроводных станциях Кемеровской и Новосибирской областей [4]. Результаты исследований показали высокую степень очистки при минимальных затратах (таблица).

В соответствии с рекомендованной технологией очистки в настоящее время ведется реконструкция насосно-фильтровальной станции г. Куйбышева Новосибирской области. Производственные испытания смонтированных на станции реакторов-осветлителей новой конструкции подтвердили их эффективность.

Выводы

Предложенная комплексная технология очистки маломутных высокоцветных вод поверхностных источников водоснабжения повышает эффективность работы реконструируемых водопроводных станций. Качество очищенной питьевой воды удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.

Список цитируемой литературы

Никитин А. М., Курбатов П. В. Некоторые аспекты очистки маломутных высокоцветных вод // Водоснабжение и сан. техника. 1999. № 3.
Пат. 2307075, РФ. МПК C 02 F 1/52. Устройство для очистки воды / Е. Л. Войтов, Ю. Л. Сколубович // Изобретения. Полезные модели. 2007. № 27.
Пат. 2328454, РФ. МПК C 02 F 9/04. Станция водоподготовки / Е. Л. Войтов, Ю. Л. Сколубович // Изобретения. Полезные модели. 2008. № 19.
Войтов Е. Л., Сколубович Ю. Л. Подготовка питьевой воды из поверхностных источников с повышенным природным и антропогенным загрязнением. – Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2010.

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения