Влияние условий образования и состава промывных вод фильтров на процесс их очистки

Аннотация

Приводятся результаты исследований по очистке промывных вод фильтров на различных водопроводных станциях. Проведенные исследования и предпроектные технологические изыскания позволили установить, что состав и свойства промывных вод на разных водопроводных станциях существенно различаются и зависят от качества исходной воды, которое может изменяться по сезонам года, а также от технологии ее очистки (вида и доз реагентов, режима работы и состояния очистных сооружений). Установлено, что эффективность безреагентного осветления промывных вод различного типа зависит от содержания в них минеральных веществ. В зависимости от типа промывных вод при их глубокой реагентной очистке могут использоваться как флокулянты, так и коагулянты совместно с флокулянтами.

Ключевые слова

промывные воды фильтров , мутность , взвешенные вещества , цветность , коагулянт , флокулянт

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В настоящее время проблема очистки и повторного использования промывных вод фильтров весьма актуальна, особенно на водопроводных станциях большой производительности, где количество промывных вод достигает 30–60 тыс. м³/сут. В ряде случаев приходится сбрасывать такие воды в источники, используемые для питьевого водоснабжения. Разработка проектов и строительство сооружений для очистки промывных вод с целью дальнейшего их применения связаны со значительными капитальными затратами, которые не всегда оправданы. К сожалению, опыт создания необоснованных проектов, разработанных без проведения технологических изысканий, существует.

Многочисленные работы, проведенные НИИ КВОВ на водопроводных станциях, использующих различные источники водоснабжения, показывают, что оптимальные проектные решения с экономической и технологической точек зрения в каждом конкретном случае могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому нельзя предлагать типовые или непроверенные проекты и технологические решения без учета качества исходной воды, технологии ее обработки, условий образования промывных вод и других особенностей конкретного объекта.

При разработке технологии очистки и использования промывных вод от фильтров в первую очередь следует определить возможность их обработки совместно с исходной водой на водопроводной станции или необходимую степень очистки перед повторным использованием в системе водоснабжения.

Проведенные исследования и предпроектные технологические изыскания позволили установить, что состав и свойства промывных вод на разных водопроводных станциях существенно различаются и зависят от качества исходной воды, которое может изменяться по сезонам года, а также от технологии ее очистки (вида и доз реагентов, режима работы и состояния очистных сооружений).

В табл. 1 представлены основные показатели качества исходной воды и технологические особенности ряда водопроводных станций, влияющие на состав промывных вод.

Как видно из приведенных данных, вода реки Иртыша характеризуется средней мутностью и малой цветностью, реки Оки – средней мутностью и цветностью, а реки Вятки – высокой цветностью и небольшой мутностью. Мутность отстоянной воды из Иртыша и Оки примерно одинаковая и составляет в основном 5–6 мг/л. Максимальные значения мутности отстоянной воды (до 9–9,5 мг/л) отмечаются в весенний и осенний периоды при ухудшении качества исходной воды и низкой ее температуре, когда процесс коагуляции протекает хуже. В это время продолжительность фильтроциклов уменьшается с 24 ч до 17 и 12 ч соответственно. При очистке высокоцветной воды реки Вятки с использованием повышенных доз реагентов мутность воды после отстойников достигает 7–10 мг/л, а в паводок – 15,4 мг/л, при этом повышается нагрузка на фильтры, продолжительность фильтроцикла уменьшается до 8–12 ч. Продолжительность фильтроцикла в данном случае может быть меньше из-за того, что хлопья, образующиеся при очистке цветных вод, более мелкие и плохо задерживаются при фильтровании.

Содержание взвешенных веществ в промывной воде изменяется в широких пределах в зависимости от периода года, грязевой нагрузки на фильтры (мутности отстоянной воды) и продолжительности фильтроцикла. Максимальные их концентрации примерно одинаковы во всех рассматриваемых случаях, так как ограничиваются удельной грязеемкостью загрузки фильтров. Состав и свойства взвешенных веществ промывных вод зависят от качества исходной воды, вида и доз реагентов.

Для очистки воды реки Вятки используются сульфат алюминия (от 5 до 17 мг/л) и флокулянт (0,1–0,25 мг/л). Дозы реагентов изменяются в зависимости от цветности речной воды. Количество взвешенных веществ в промывной воде зависит в основном от этих показателей. Максимальное содержание взвешенных веществ (до 125 мг/л) достигается в периоды весеннего и осеннего паводков при максимальной цветности воды и соответственно наибольшей дозе коагулянта, минимальное (30–40 мг/л) – зимой и летом (рис. 1, а). При этом доля взвешенных и коллоидных соединений гидроокиси алюминия примерно в 2–6 раз больше, чем содержание взвешенных минеральных частиц в речной воде.

Важной характеристикой промывных вод является концентрация алюминия, которая также меняется по сезонам года (от 0,7 до 19,2 мг/л) и зависит от количества взвешенных веществ и доз коагулянта. Минимальное содержание алюминия отмечается в зимний период, когда для очистки воды применяются небольшие дозы реагентов, а максимальное – в паводковый период при повышенных дозах реагентов (рис. 1, б).

Совершенно другой характер изменения содержания взвешенных веществ в промывной воде по сезонам года наблюдается при очистке воды Иртыша с использованием оксихлорида алюминия и органического коагулянта в небольших дозах – 0,5–1,5 и 0,06–0,5 мг/л соответственно. Так, в периоды очистки воды с малой мутностью (зимой) применяются небольшие дозы реагентов, и осветление воды проходит в режиме контактной коагуляции в основном на фильтровальных сооружениях. В другие периоды при очистке воды с большей мутностью дозы реагентов незначительно повышаются, процесс осветления воды проходит и в отстойниках, и на фильтрах. Поэтому нагрузка на фильтры примерно такая же, как и в зимний период. В паводок нагрузка на сооружения увеличивается, но при этом уменьшается продолжительность фильтроцикла. Поэтому содержание взвешенных веществ в промывной воде в течение года изменяется незначительно (рис. 2) – в пределах 89–109 мг/л (2008 г.) и 88,6–114,6 мг/л (2009 г.).

Концентрация алюминия в промывной воде не превышает 0,1–1,2 мг/л. Мутность промывной воды в основном обусловлена наличием природных взвешенных веществ, присутствующих в исходной воде. Доля взвешенных и коллоидных соединений гидроокиси алюминия значительно меньше.

Исследования по очистке промывных вод проводили по разным направлениям без применения реагентов и с реагентами. На рис. 3 представлены результаты безреагентного осветления промывных вод в различные сезоны года.

Максимальная мутность промывной воды 55 мг/л отмечалась в период весеннего паводка, в остальное время она изменялась в пределах 10–26 мг/л. При этом эффективность безреагентного осветления воды при отстаивании во все периоды года была достаточно высокой. После отстаивания в течение одного часа мутность воды не превышала 0,5–1,5 мг/л (в летний, зимний и весенний периоды) независимо от начальной мутности исходной воды. Причем основное количество загрязняющих веществ выпадало в осадок в течение 10–20 мин. Мутность осветленной промывной воды составляла 0,35–1,2 мг/л, содержание алюминия – 0,04–0,12 мг/л. Это свидетельствует о том, что процесс коагуляционной очистки воды на станции проводится в оптимальных условиях. Средний расход флокулянта составлял 0,006–0,01 мг/мг мутности.

В осенний период при сравнительно небольшой мутности (10–16 мг/л) для очистки воды применяли повышенные дозы флокулянта (средний расход 0,015–0,02 мг/мг мутности). В результате мутность промывной воды после отстаивания составляла 3,19 мг/л. В данном случае при осветлении промывной воды явно не хватало минеральных частиц, способствующих образованию более плотных и тяжелых хлопьев, быстро оседающих при отстаивании. Сравнительные результаты исследований по безреагентному осветлению промывных вод фильтров на трех различных объектах в летний период представлены на рис. 4 и в табл. 2.

Как видно из рис. 4, мутность осветленной воды различна и зависит от состава и свойств присутствующих в ней взвешенных веществ. На состав образовавшихся взвешенных веществ влияют наличие в исходной воде минеральных частиц, обусловливающих ее мутность, концентрация органических веществ, а также вид и дозы реагентов. При очистке воды реки Иртыша используются небольшие дозы реагентов, а взвешенные вещества в промывной воде в основном представлены минеральными частицами. Отношение количества природных взвешенных веществ в исходной воде к образовавшемуся при коагулировании количеству гидроокиси алюминия (М/ГА) составляет 11–22,5. Эффективность осветления таких вод достаточно высокая, мутность отстоянной воды составляет ~ 1,2 мг/л.

Эффективность осветления промывных вод, образующихся при очистке воды реки Оки, ниже, так как исходная вода характеризуется меньшим количеством природных взвешенных веществ, но большим содержанием органических веществ (согласно показателям цветности и перманганатной окисляемости), что требует применения более высоких доз реагентов. В данном случае отношение М/ГА составляет 2,1–5,9. Еще хуже проходит процесс осветления промывных вод, образующихся при обработке высокоцветной маломутной воды реки Вятки большими дозами коагулянта. В этом случае отношение М/ГА меньше единицы (0,5–0,56), т. е. в промывной воде преобладают взвешенные и коллоидные соединения гидроокиси алюминия.

Таким образом, на процесс осветления промывных вод при отстаивании влияет количество в их составе минеральных взвешенных веществ. Эффективность безреагентного осветления тем выше, чем больше отношение М/ГА. В данном случае это промывные воды, образующиеся при очистке воды реки Иртыша. Однако чаще для осветления промывных вод необходимо применять реагентные методы обработки воды. Вид и дозы реагентов также необходимо подбирать в зависимости от свойств и состава промывных вод.

В табл. 3 представлены результаты исследований по влиянию вида и доз реагентов на качество отстоянных промывных вод в разные периоды года (река Ока).

Полученные результаты показывают, что мутность осветленной промывной воды при одинаковых условиях ее обработки тем меньше, чем больше величина отношения М/ГА. Более эффективно осветление воды проходит с катионным флокулянтом Феннопол К-211. Для достижения более глубокого осветления воды необходимо использовать коагулянт совместно с флокулянтом. На рис. 5 представлено изменение качества очищенной фильтрованной промывной воды в зависимости от вида реагента.

В других условиях проходит очистка промывных вод, в которых большая часть взвешенных веществ – это хлопья гидроокиси алюминия, и отношение М/ГА составляет меньше единицы. Так, при очистке воды реки Вятки в паводковый период (мутность 16,4–18 мг/л, цветность 112–128 град) применяли сульфат алюминия дозой 12–14 мг/л. Отношение М/ГА было меньше единицы и в среднем составляло 0,83.

Промывная вода от фильтров в этот период характеризовалась высоким содержанием взвешенных веществ – 107,1–124,6 мг/л, которые быстро осаждались при отстаивании. Так, после отстаивания в течение одного часа количество взвешенных веществ уменьшалось с 109,7 до 15,4–16,2 мг/л, концентрация остаточного алюминия в промывной воде отмечалась на уровне 18,6–21 мг/л, а после осветления составляла 1,4–2,26 мг/л.

С целью повышения глубины очистки промывных вод была исследована эффективность различных флокулянтов анионного типа Praestol 2540, Flopam AN-923, AN-945 и катионного типа – Flopam 4240, PolyDADMAC FL-4540. Результаты исследований показали, что вид флокулянта практически не влияет на цветность очищенной воды (она изменялась в пределах 12–14 град, что соответствовало цветности очищенной воды на станции). На рис. 6 показано изменение мутности отстоянной промывной воды в зависимости от вида и дозы флокулянта.

Наиболее глубокое осветление воды при отстаивании проходит при оптимальной дозе 0,1 мг/л с анионными флокулянтами Flopam AN-923 и AN-945, причем, чем меньше плотность заряда флокулянта (AN-923), тем глубже осветление воды.

Концентрация остаточного алюминия в отстоянной воде (рис. 7, а) зависит от остаточной мутности, и минимальные ее значения также достигаются при использовании анионного флокулянта AN-923. В то же время концентрация растворенного алюминия в фильтрате при нулевой мутности воды (рис. 7, б) меньше при использовании анионного флокулянта AN-945 и катионного флокулянта FO-4240.

Исследования показали, что в зависимости от технологии обработки и дальнейшего использования промывной воды на водопроводной станции необходимо для осветления тщательно подбирать эффективные реагенты. В данном случае, если промывные воды подвергаются только отстаиванию, то целесообразно использовать анионный флокулянт AN-923, при полной очистке воды с отстаиванием и фильтрованием – анионный флокулянт AN-945 или катионный FO-4240.

Выводы

В настоящее время предлагаются различные варианты очистки и повторного использования промывных вод фильтров на водопроводных станциях: возврат в голову очистных сооружений без очистки; предварительная очистка промывных вод и возврат в голову очистных сооружений; полная очистка промывных вод и их использование для нужд станции.

Выбор того или иного варианта зависит от свойств промывных вод, качества исходной и очищенной воды и технологии ее обработки. Определяется вариант на основании технологических изысканий, основной задачей которых является разработка технологии очистки и повторного использования промывных вод с наименьшими затратами и без нарушения основного технологического процесса, а также определения условий совместной обработки исходной и промывной воды и при этом улучшения качества питьевой воды.