Очистка и утилизация промывных вод скорых фильтров станций обезжелезивания

Аннотация

Рассмотрены вопросы интенсификации процессов коагуляционной очистки промывных вод скорых фильтров станций обезжелезивания. Показаны недостатки действующей технологической схемы очистки и повторного использования промывных вод фильтровальных сооружений. Приведена схема установки и результаты экспериментальных исследований по выбору эффективного реагента, очистке и утилизации промывных вод фильтров. Представлена новая технология реагентного осветления и многократного использования промывных вод станций обезжелезивания.

Ключевые слова

осветление , отстойник , утилизация , обезжелезивание , коагуляция , скорый фильтр , промывная вода

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В настоящее время, согласно действующим нормам и правилам, запрещается сброс в водные объекты сточных вод, которые могут быть максимально утилизированы в системах оборотного и повторного использования после соответствующей очистки и обеззараживания [1]. Промывные воды фильтровальных сооружений на станциях осветления и обезжелезивания при одноступенчатом фильтровании рекомендуется отстаивать в отстойниках, рассчитанных на периодическое поступление промывных вод, и равномерно подавать в головной узел очистных сооружений [2].

Рациональное использование промывных вод имеет большое значение не только для охраны окружающей среды, но и для экономики предприятий, так как увеличивается резерв производительности сооружений, снижается расход питьевой воды на нужды водоподготовительного оборудования и т. д.

Опыт эксплуатации водоочистных станций с возвратом отработанной промывной воды в головные сооружения выявил некоторые недостатки технологической схемы, рекомендованной СНиП [2; 3]. При данной схеме, во-первых, увеличивается гидравлическая нагрузка на основные сооружения очистки подземных вод. Во-вторых, сложно обеспечить равномерность подачи воды в головные сооружения и постоянство концентрации загрязнений в промывных водах в течение суток, а также подобрать рабочие дозы реагентов для оптимального протекания процесса очистки и гарантированного качества подземных вод. Поэтому целесообразно выделить промывные воды скорых фильтров из основного процесса водоподготовки и использовать их после предварительной очистки повторно, например для той же промывки фильтров. На основании предварительных исследований была разработана технологическая схема очистки природных вод, включающая блок очистки и повторного использования промывных вод фильтровальных сооружений водопроводных станций [4].

Сооружения реагентного осветления и многократного использования промывных вод (рис. 1) состоят из двухсекционного непроточного отстойника, оборудованного трубопроводами сброса отработанной промывной воды в каждую из секций отстойника, подачи очищенной воды на промывку фильтровальных сооружений, подачи реагентов и отведения осадка на обработку и утилизацию, а также промывного насоса. Две секции отстойника поочередно меняются по назначению: одна секция используется для хранения осветленной воды для промывки фильтровальных сооружений, а другая – для приема и отстаивания сбросной промывной воды, смешанной с растворами реагентов, а также выделения гидроксидного осадка с целью его дальнейшей утилизации.

Для подтверждения эффективности применения разработанной технологической схемы очистки и повторного использования промывных вод для станций обезжелезивания, рационального выбора необходимых реагентов требовалось проведение специальных экспериментальных исследований.

Состав примесей промывных вод зависит от качества исходной подземной воды и методов ее обработки. В процессе исследований были изучены сточные воды г. Северска Томской области, поселков Яшкино, Кедровка и Промышленная Кемеровской области. На станциях производительностью от 5 до 24,5 тыс. м³/сут применяется как безреагентная технология очистки подземных вод с аэрацией и фильтрованием (г. Северск и пос. Кедровка), так и реагентная технология с аэрацией, подщелачиванием и обработкой воды перманганатом калия перед фильтрованием (поселки Яшкино и Промышленная). На всех станциях производится обеззараживание воды гипохлоритом натрия, промывная вода направляется в отстойники-накопители и после отстаивания сбрасывается в открытые водоемы.

Анализ нефильтрованных проб промывных вод фильтров станций обезжелезивания показал, что в них содержится до 90 мг/л оксида железа и марганца в виде хлопьевидной взвеси (табл. 1). Твердая фаза суспензии в основном состоит из различных по величине хлопьев гидрата окиси железа. Промывная вода насыщена хлопьевидными частицами гидроксида железа крупностью 0,01–0,3 мм, которые придают ей высокую цветность и рыжевато-бурую окраску.

Вследствие интенсивного разрушения хлопьев гидроксидов в процессе промывки и транспортировки воды взвесь содержит большое количество мелкодисперсной фракции с размером частиц менее 0,002 мм, которая почти не задерживается на фильтрах без соответствующей обработки. Содержание взвешенных веществ в промывной воде зависит от количества загрязнений, задержанных в толще фильтрующей загрузки, и достигает 200 мг/л, цветность составляет до 120 град. Повышенное содержание фенолов и нефтепродуктов в промывной воде фильтров не обнаружено. Отмечено, что количество бактериальных загрязнений (общее микробное число) сразу после промывки фильтров не превышает норму. Для получения отвечающего нормативным требованиям качества воды, используемой для промывки фильтровальных сооружений станций водоподготовки, осветляемые промывные воды необходимо обрабатывать коагулянтами и флокулянтами [2].

С целью определения наиболее рационального метода обработки и повторного использования промывных вод скорых фильтров проведены экспериментальные исследования в натурных условиях г. Северска Томской области. Универсальная установка, схема которой представлена на рис. 2, могла быть использована для работы по технологии с аэрацией подземной воды, реагентной обработкой, последующим осветлением на реакторе-осветлителе, с фильтрованием на скорых фильтрах и обеззараживанием, а также по схеме безреагентной обработки и первой ступени осветления аналогично станции обезжелезивания г. Северска.

Подземная вода от скважин подавалась на установку из напорного трубопровода подачи воды к производственным аэраторам. В исходной воде концентрация железа составляла до 3 мг/л, марганца – до 0,3 мг/л, значения других показателей не превышали норму. В процессе очистки достигалось качество питьевой воды. Промывка фильтров производилась один раз в сутки.

Экспериментальная установка предусматривала возможность промывки фильтров как исходной подземной водой, так и осветленной из баков промывной воды. Интенсивность подачи воды на промывку фильтров составляла 16 л/(с·м²), продолжительность промывки – 5–7 минут в зависимости от загрязненности загрузки. Наличие двух баков позволяло использовать промывную воду многократно и анализировать изменение ее качественных показателей. Назначение баков менялось поочередно после каждого фильтроцикла: один бак использовался для очистки и хранения очищенной промывной воды, другой – для сбора отработанной промывной воды с фильтров. Потери промывной воды при отводе осадка из баков составляли до 5% общего ее объема и восполнялись сбросом первого фильтрата скорых фильтров ежесуточно. Для изучения различных способов утилизации промывной воды предусматривалась также возможность ее подмешивания (после отстаивания) к исходной подземной воде, подаваемой на очистку в аэратор в течение фильтроцикла.

Предварительные исследования безреагентной и реагентной очистки промывной воды фильтров проведены в лаборатории станции обезжелезивания. По окончании одного из характерных фильтроциклов и промывки фильтров установки отработанная промывная вода собиралась в промывном баке и использовалась для лабораторных исследований. Мутность исходной промывной воды составила 270 мг/л, цветность 14 град, рН 7,1, концентрация общего железа 92 мг/л, марганца 0,26 мг/л, углекислоты 24 мг/л, перманганатная окисляемость 6,5 мг/л, щелочность 4,5 мг-экв/л.

Определение оптимальных доз коагулянтов и флокулянтов, а также выбор эффективных реагентов для обработки промывной воды производились на основании результатов пробного коагулирования и отстаивания промывной воды в стеклянных цилиндрах емкостью 1 л, проведенных по стандартным методикам в лаборатории станции [5].

Исследованы следующие реагенты: сернокислый алюминий, оксихлорид алюминия, СК-1, Праестол 650 ТР и Кемфлок. Характеристики реагентов: коагулянт – алюминий сернокислый технический очищенный, ГОСТ 12966-85, марка Б, сорт 2, массовая доля основного вещества 15% в пересчете на Al₂O₃, химическая формула Al₂(SO₄)₃·nH₂O; коагулянт – оксихлорид алюминия, ТУ 2152-001-59254368-2002, марка А, массовая доля основного вещества 21% по Al₂O₃, модуль основности 5/6, химическая формула Al₂(OH)_nCl_6–_n (n = 4–5); Праестол 650 ТР – катионный флокулянт. Комплексный коагулянт СК-1 разработан в НГАСУ (Сибстрин) и представляет собой смесь водных растворов сульфата алюминия и оксихлорида алюминия в соотношении 2:1 по Al₂O₃ [6]. Комплексный реагент Кемфлок разработан в ОАО «Кемвод» [7] и представляет собой смесь водного раствора композиции гидролизующейся соли алюминия с полидиметилдиаллиламмония гидроксидом, молекулярная масса 200000–1000000 в соотношении (210):1 в пересчете на активные части.

Результаты исследования коагулирования и осветления отработанной промывной воды фильтров приведены в табл. 2 и на рис. 3.

В результате эксперимента определены оптимальные дозы реагентов, обеспечивающие минимальную мутность осветленной воды. При раздельном использовании оптимальные дозы коагулянтов сульфата и оксихлорида алюминия, флокулянта Праестол 650 ТР составили 45, 15 и 0,8 мг/л соответственно. Мутность отстоянной промывной воды при этом превысила допустимую величину для промывки контактных осветлителей – 10 мг/л.

Введение в воду только оксихлорида алюминия привело к образованию крупных, рыхлых, быстро оседающих хлопьев гидроксида алюминия и железа. При этом большая часть осадка (46%) в процессе 1,5-часового отстаивания промывных вод всплыла, а некоторая его часть находилась во взвешенном состоянии в объеме отстаиваемых вод в виде крупных хлопьев. Это потребовало дополнительной очистки промывной воды фильтрованием для удаления плавающих и взвешенных веществ перед повторным ее использованием. Аналогичное расслоение осадка произошло при самостоятельном или дополнительном к коагулянтам введении в промывную воду флокулянта Праестол 650 ТР.

После обработки коагулянтом СК-1 получена осветленная промывная вода нормативного качества по мутности. При этом образовались мелкие, плотные хлопья гидроксида алюминия; была обеспечена их компактная укладка в осадке без расслоения, объем осадка сокращен более чем в 1,5 раза. Аналогичная картина наблюдалась при использовании комплексного флокулянта Кемфлок.

По результатам сравнительных лабораторных исследований для обработки промывной воды на производственной экспериментальной установке выбран реагент, обеспечивающий наилучшее качество осветленной воды и наибольшую плотность осадка, – коагулянт СК-1.

На полупроизводственной установке (рис. 2) исследованы три метода очистки и утилизации промывной воды фильтров:

безреагентная очистка двухчасовым отстаиванием в промывном баке, равномерное (в течение суток) подмешивание в количестве 10% в исходную подземную воду, подаваемую на очистку;
коагуляционная очистка с использованием коагулянта СК-1, отстаивание в течение двух часов в баке, добавление в исходную подземную воду;
обработка коагулянтом СК-1, отстаивание, хранение осветленной воды до промывки, промывка фильтров очищенной водой.

Исследования показали, что в нефильтрованной пробе промывной воды, отстоянной без применения реагентов в течение двух часов, остаточная концентрация общего железа составила до 50 мг/л, количество образовавшегося осадка – около 1% объема промывных вод при его влажности 97–98%. Установлено, что добавка промывной воды в исходную воду увеличивает нагрузку на фильтры и снижает качество фильтрованной воды. Для обеспечения нормируемого СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода» качества фильтрата содержание железа в потоке воды перед фильтрами с загрузкой толщиной 1,2–1,4 м, диаметром фракции зерен 0,8–1,5 мм и при скорости фильтрования 6–7 м/ч не должно превышать 0,5–1 мг/л.

Реагентная очистка промывной воды с введением коагулянта СК-1 дозой до 15 мг/л и отстаиванием обеспечила ее мутность на уровне 4–5 мг/л, содержание железа – 1,5–2 мг/л. Добавление этой воды к исходной, также как и при безреагентном отстаивании, увеличило гидравлическую нагрузку на водоподготовительные сооружения и снизило качество очищаемой воды. Кроме того, в промывной воде, обработанной солями алюминия, возросла концентрация остаточного алюминия (как растворенного, так и связанного со взвешенными веществами). Подмешивание промывной воды к исходной подземной воде привело к увеличению остаточного содержания алюминия в очищенной воде в среднем на 0,12 мг/л, что осложнило контроль работы установки и создало опасность получения некондиционной воды по этому показателю.

Таким образом, наиболее рациональным является использование очищенной промывной воды для повторных промывок фильтров. Поскольку в результате удаления гидроксидного осадка происходит снижение объема промывной воды до 5%, для компенсации потерь промывной воды рекомендуется осуществлять сброс первого фильтрата со скорых фильтров (в течение 3–8 минут) в резервуар промывной воды. После подпитки оборотной системы очистки свежей подземной водой и повторного использования промывной воды ее щелочной резерв был на достаточном уровне, подщелачивание воды не производилось, накопление солей в ней не наблюдалось.

На основании экспериментальных исследований разработана эффективная технология очистки и утилизации промывных вод станции водоподготовки [8]. В технологии применяется комплексный коагулянт, представляющий собой смесь водных растворов сульфата и оксихлорида алюминия в соотношении 2:1 по окиси алюминия. Две секции отстойника работают поочередно. В одной секции промывные воды, обработанные коагулянтом, собирают, очищают от взвеси осаждением хлопьев гидроксида алюминия и других примесей в статических условиях и повторно используют для промывки фильтровальных сооружений. В другую секцию (пустую) сбрасывают промывные воды во время очередной промывки. Водопроводный осадок, содержащий гидроксид алюминия и другие примеси, перекачивают в сгустители, сгущают, транспортируют автоцистернами на канализационную очистную станцию и используют в качестве реагента для обезвоживания канализационного осадка.

Результаты исследований легли в основу разработки проекта реконструкции узла очистки и повторного использования промывных вод станции обезжелезивания г. Северска.

Выводы

Экспериментальные исследования и сравнительная оценка различных реагентов позволили выбрать эффективный комплексный коагулянт СК-1, представляющий собой смесь водных растворов сульфата и оксихлорида алюминия. Разработанная технология осветления и утилизации промывных вод фильтровальных сооружений позволяет повысить технологическую и экономическую эффективность очистки природных вод, увеличить производительность и обеспечить экологическую безопасность станции водоподготовки.

Список цитируемой литературы

СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод от загрязнения. – М., Минздрав РФ, 2000.
СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
Войтов Е. Л., Сколубович Ю. Л. Подготовка питьевой воды из подземных источников в экологически неблагоприятных регионах. – Новосибирск, НГАСУ (Сибстрин), 2010.
Сколубович Ю. Л., Войтов Е. Л., Никитин А. М. Повышение эффективности работы водопроводных станций // Водоснабжение и сан. техника. 2011. № 2.
Драгинский В. Л., Алексеева Л. П. Методики проведения технологических изысканий и моделирования процессов очистки воды на водопроводных станциях. – М., НИИ КВОВ, Водкоммунтех, 2001.
Пат. 2372297, РФ. МПК С 02 F 1/52. С 02 F 103/04. Способ осветления и утилизации промывных вод фильтровальных сооружений станций водоподготовки / Е. Л. Войтов, Ю. Л. Сколубович, А. Ю. Сколубович // Изобретения. Полезные модели. 2009. № 31.
Пат. 2094387, РФ. МПК С 02 F 1/52. Способ очистки маломутной природной воды / В. А. Усольцев, В. Д. Соколов, Ю. Л.
Сколубович, Н. А. Бояркина // Изобретения. Полезные модели. 1998. № 17. Пат. 2328454, РФ. МПК C 02 F 9/04. Станция водоподготовки / Е. Л. Войтов, Ю. Л. Сколубович // Изобретения. Полезные модели. 2008. № 19.