Подготовка артезианской воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения

Аннотация

Приведен пример решения задачи улучшения качества артезианской воды до нормативных значений с помощью баромембранных технологий. Описывается оптимальная с экологической и экономической точек зрения технологическая схема подготовки воды для хозяйственно-питьевых нужд поселка. Приводятся сравнительные результаты технологических расчетов различных схем деминерализации и умягчения воды, включающих процессы ионного обмена, нанофильтрации и обратного осмоса.

Ключевые слова

обезжелезивание , обратный осмос , умягчение , селективность , нанофильтрация , ионный обмен

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Водоснабжение поселка Аэропорт-2 осуществляется от группы артезианских скважин общей производительностью 1920 м³/сут. Показатели качества артезианской воды приведены в табл. 1. Погружными насосами вода из скважин подается в два подземных железобетонных резервуара чистой воды, далее насосной станцией второго подъема – на установки ультрафиолетового обеззараживания и затем под остаточным напором – в водопроводную сеть поселка. Общая потребность поселка в воде (полезная производительность) составляет 1700 м³/сут.

Из табл. 1 видно, что качество воды из артезианских скважин не соответствует нормативным требованиям [1] по железу, сухому остатку, общей жесткости, сульфатам и др. Для приведения показателей качества воды в соответствие с нормативами генеральным проектировщиком – компанией ООО НПФ «ЭКОС» (г. Самара) на этапе проектирования была разработана технологическая схема водоподготовки, включающая следующие стадии: удаление железа, деминерализация и корректировка минерального состава воды путем подмешивания деминерализованной воды после обезжелезивания.

Учитывая многообразие существующих способов обезжелезивания воды и большой практический опыт генерального проектировщика, особое внимание было уделено выбору метода деминерализации, поскольку без этой стадии обработки довести качество воды до нормативных значений (без снижения концентрации солей жесткости, сульфатов и сухого остатка) невозможно. Для оценки вариантов корректировки минерального состава воды были выбраны следующие схемы деминерализации:

схема № 1 – нанофильтрация с подмешиванием исходной воды;
схема № 2 – обратноосмотическое обессоливание с подмешиванием исходной воды;
схема № 3 – обратноосмотическое обессоливание и параллельное умягчение с подмешиванием исходной воды.

Вариант умягчения воды методом натрий-катионирования с подмешиванием исходной воды не рассматривался из-за невозможности выполнения требований [1] по сухому остатку и содержанию натрия, значительного потребления поваренной соли (около 50 т/мес.) и соответственно повышения экологической нагрузки.

Ввиду очевидных технических и экономических причин не рассматривались такие способы обессоливания, как методы ионного обмена, электродиализа и дистилляционного опреснения. Результаты технологических расчетов ожидаемого качества очищенной воды приведены в табл. 2 (общий ионный баланс в данной таблице расходится ввиду того, что качественный состав приведен только по основным ионам). Для расчета процессов ионного обмена, обратного осмоса, нанофильтрации и доз реагентов использовались программы DOW Cadix 6.0.1, ROSA 6.1.5 и Ashland 1,03.

Применение современных схем деминерализации требует качественной предварительной подготовки воды, в данном случае – обезжелезивания, которое обусловлено не только требованиями норматива [1], но и в значительной степени жесткими требованиями к качеству воды, подаваемой на деминерализацию. В частности, вода, направляемая на обратноосмотическое обессоливание, должна отвечать следующим основным требованиям [2]: содержание окисного железа, марганца, алюминия менее 0,05 мг/л, индекс SDI (ASTM D4189) менее 5 (оптимально менее 3), содержание окислителей менее 0,1 мг/л и др. Принято считать, что наилучшую эффективность предварительной очистки обеспечивает метод ультрафильтрации [3]. Однако в рассматриваемом случае исходная вода подается из артезианских скважин, и применение данного способа нецелесообразно ввиду заведомо более высокой стоимости при сопоставимом эффекте очистки с механической фильтрацией на зернистых материалах.

Таким образом, для удаления общего железа, в соответствии с нормативными требованиями [4], была принята к расчету схема с предварительной упрощенной аэрацией в промежуточном баке с последующей скорой фильтрацией на безнапорных фильтрах, загруженных дробленым керамзитом. Применение данной загрузки по сравнению с песчаной позволяет снизить промывные расходы, увеличить грязеемкость фильтров и повысить эффективность очистки [5]. В данном проекте предпочтение было отдано безнапорным фильтрам по следующим причинам:

более низкая скорость фильтрации и отсутствие пульсаций от насосов, а также незначительные гидравлические колебания при переключениях фильтров позволяют получать очищенную воду стабильно высокого качества;
более продолжительный контакт с воздухом позволяет без применения компрессорной техники насыщать воду кислородом (метод упрощенной аэрации) и избежать применения более дорогих каталитических фильтрующих материалов и дозирования окислителей;
полный визуальный контроль фильтрующей среды, в том числе при взрыхлении фильтра, упрощает обслуживание и сводит к минимуму вероятность ее вымывания;
возможность изготовления фильтров любого размера на объекте размещения (экономия площади и исключение затрат на доставку готового габаритного оборудования), а также их высокая ремонтопригодность в процессе эксплуатации.

Из табл. 2 следует, что все варианты технологических схем деминерализации позволяют получить воду, соответствующую нормативным требованиям [1]. Наилучшее качество очищенной воды достигается при использовании схемы № 2 благодаря более низкой минерализации и временной жесткости (щелочности), что также обеспечивает возможность подмешивания воды после обезжелезивания в большей пропорции (следовательно, получения воды после смешения с более низкой стоимостью). Кроме этого, схема № 2 обеспечит более длительный ресурс водоразборной арматуры, а также нагревательных приборов (при их наличии у потребителей) вследствие снижения тенденции к накипеобразованию и коррозии.

Очевидно, что схема № 1 окажется несколько дороже схемы № 2, так как требует более высокой производительности мембранных аппаратов и соответственно большей площади для размещения оборудования.

Рассматривая экологический аспект представленных вариантов, необходимо отметить преимущество схем № 1 и 2, в которых не предусмотрено потребление поваренной соли и, следовательно, отсутствует неизбежный сброс хлоридов. Необходимость строительства реагентного хозяйства приведет к значительному увеличению как капитальных, так и эксплуатационных затрат. Кроме того, схема № 3 сложнее в эксплуатации.

Таким образом, для дальнейших расчетов был выбран вариант деминерализации № 2. Общая технологическая схема подготовки воды приведена на рис. 1. Исходная вода из артезианских скважин поступает в резервуар-аэратор через разбрызгивающие устройства, где происходит частичная отдувка сероводорода и углекислого газа и насыщение воды кислородом воздуха в количестве, необходимом для протекания реакции окисления двухвалентного железа. Затем вода поступает на скорые фильтры, загруженные дробленым керамзитом, на которых происходит удаление взвешенных веществ, окисного железа, в том числе, значительной части коллоидных частиц. К расчету принято 4 фильтра общей площадью 13 м². Промывка фильтрующей загрузки производится очищенной водой. Грязная промывная вода отводится в резервуары повторного использования промывной воды и после отделения осадка направляется в голову сооружений. Фильтрованная вода поступает в резервуар осветленной воды и затем насосами подается на установки обратного осмоса.

Проектом предусмотрены две автоматизированные установки обратного осмоса УМФ-(О)-2х300М (ТУ 4859-004-48147451-2004) общей производительностью 25 м³/ч по пермеату. Установки разработаны и изготовлены ООО «СВТ-Инжиниринг» (Россия). Каждая установка состоит из двух автономно работающих линий и снабжена низконапорными энергосберегающими мембранными элементами Filmtec XLE-440 с общей рабочей площадью поверхности 738 м². Расчетное значение выхода фильтрата составляет 80%, а удельное энергопотребление для выработки 1 м³ пермеата 0,76 кВт·ч/м³. В состав каждой установки входит байпасное устройство для пропорционального подмешивания исходной воды к пермеату. Для предотвращения образования нерастворимых отложений на рабочей поверхности мембран предусмотрено предварительное дозирование ингибитора AmeROyal642. Установки работают в автоматическом режиме. Отображение режимов работы организовано при помощи светозвуковой сигнальной аппаратуры, информационных табло и графической панели оператора с выводом информационного потока на верхний уровень по средству универсального протокола. В полуавтоматическом режиме периодически (1–2 раза в год) проводится химическая промывка мембранных элементов с помощью встроенных блоков. Для увеличения межпромывочного интервала и ресурса работы мембранных элементов в схеме управления установками предусмотрено следующее:

параллельная компоновка мембранных корпусов в составе мембранного модуля с минимальным числом мембран в каждом корпусе (в пределах возможности компоновки);
возможность регулирования перекрестного потока транзитного расхода вдоль рабочей поверхности мембран (до максимального значения, установленного производителем мембранных элементов);
необходимая арматура для проведения основной (ополаскивание пермеатом) и быстрой (исходной водой) гидравлической промывки;
аварийная защита по превышению рабочего давления и его перепаду, по изменениям расходов воды (пермеат, концентрат, рециркуляция) выше/ниже установленных пределов, электропроводности, температуре.

Следует отметить, что на сегодняшний день большинство предлагаемых конструкций установок обратного осмоса имеют упрощенную систему управления, которая не позволяет реализовать обозначенные выше функции. Кроме того, их технические и технологические параметры зачастую носят условный характер и не привязаны к качеству воды конкретного источника. В результате заявленные характеристики установок оказываются завышенными как по производительности и величине выхода фильтрата, так и по качеству очищенной воды. В этой связи особое внимание следует обратить на необходимость индивидуального подхода при проектировании станций подготовки воды с применением мембранных технологий, на основе учета особенностей проектируемого объекта, качества воды конкретного водоисточника, а также на выбор разработчика технологии и оборудования.

В данном случае партнером по разработке схемы деминерализации выступила компания «СВТ-Инжиниринг», специализирующаяся на разработке, изготовлении, монтаже и пусконаладке станций водоподготовки, в том числе установок мембранного фильтрования с учетом специфических условий их применения. Схема установки обратного осмоса представлена на рис. 2, а внешний вид – на рис. 3 и 4. Концентрат обратноосмотических установок с расчетным солесодержанием до 8 г/л равномерно сбрасывается в систему канализации, где происходит его разбавление хозяйственно-бытовыми сточными водами.

Предусматривалось обеззараживание очищенной воды ультрафиолетовым облучением. Выбраны две установки УДВ-5А300Н-10-150 (ТУ 3467-003-58183229-2002) в «безозоновом» исполнении (НПО «ЛИТ», Россия) с расчетной дозой облучения 25 мДж/см². Для периодических промывок кварцевых чехлов предусмотрен блок промывки. Данные установки размещаются взамен старых (установленных с момента начала эксплуатации сооружений), вышедших из строя по причине коррозионного разрушения корпусов облучателей и электрических частей.

Для обеспечения удовлетворительного санитарного состояния сооружений в процессе эксплуатации, проведения периодических санаций, а также в качестве резервного способа обеззараживания принято дозирование гипохлорита натрия (товарный раствор марки А). Подача реагента осуществляется при помощи автоматизированной станции дозирования с использованием насосов-дозаторов DME (GRUNDFOS, Германия).

Выводы

Широкое распространение баромембранных методов подготовки воды и соответственно их непрерывное техническое совершенствование и снижение стоимости позволяют эффективно применять схемы уменьшения минерализации воды (жесткости, щелочности, содержания сульфатов, хлоридов, натрия и др.) при минимальной экологической нагрузке в регионе. Для повышения экономической привлекательности проекта требуется индивидуальный подход при проектировании, строительстве и комплектации основным оборудованием. Основной вклад в эксплуатационные расходы баромембранных установок вносят ресурсные показатели продолжительности работы мембранных элементов и расходы на эксплуатацию схемы предварительной очистки. В этой связи неизбежно возрастают требования к качеству и устойчивости (надежности) работы схемы предварительной очистки, а также к взаимодействию компонентов всей схемы.

Список цитируемой литературы

СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.
Dow liquid separations. FILMTEC reverse osmosis membranes. – Technical Manual. January 2004.
Солодянников В. В., Васильев В. В., Беляков Д. В., Цабилев О. В. Мембранные технологии – решение проблемы получения осветленной воды нужного качества // Энергосбережение и водоподготовка. 2007. № 4 (48).
СНиП 2.04.02-84*. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
Мартенсен В. Н., Аюкаев Р. И., Стрелков А. К. и др. Дробленый керамзит – новый фильтрующий материал для водоочистных фильтров: Учеб. пособие. – Куйбышев, КуИСИ, 1976.