WATER TREATMENT FOR HOUSEHOLD PURPOSES FROM SURFACE WATER BODIES WITH LIMITED DEBIT

Cover Page

Abstract


Water treatment for household purposes from surface water bodies with limited debit and that emerging under the influence of natural and anthropogenic factors of water quality is one of the priorities. Methods of pretreatment of water (the reagent-free removal of phytoplankton in the prefilter with floating charge and the combined effect of oxidants) and experimentally confirmed their role in improving the efficiency of water coagulation process are considered. Advanced water treatment technologies are considered, and the results of their industrial testing are given.

ВведениеВ районах с дефицитом пресных вод проблема обеспечения малых населенных пунктов питьевой водой является особенно острой. В этих случаях альтернативой высокозатратной организации привозной питьевой воды может быть обоснован- ное с санитарно-гигиенической экономической точки зрения использование в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения небольших пресных озер, питаемых родниковыми подземными водами с ограниченным дебитом, и водоемов, образующихся в результате зарегулирования небольших водотоков.В то же время при использовании таких водоисточников выбор и обоснование технологической схемы водоподготовки и поиск необходимых инвестиций на75Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4приобретение дорогостоящих оборудования и реагентов является сложной на- учно-практической задачей [1]. Для ее решения требуется выполнить анализ ди- намики изменения качества исходной воды; определить возможность применения наиболее рациональных технологий водоочистки для малых водопроводов; обо- сновать менее энергозатратные методы и сооружения подготовки воды на первой стадии ее очистки; определить на основании натурных исследований исходные данные для проектирования промышленных станций водоподготовки и выпол- нить технико-экономическое обоснование.Объект исследованийСпецифика формирования качества воды в водоисточниках с ограниченным дебитом изучалась нами на примере озера, расположенного в южной части За- падно-Сибирской равнины (рис. 1), являющегося единственным местным по- верхностным водоисточником для населенного пункта с числом жителей до 8,0 тыс. человек. Допустимый отбор воды из озера на хозяйственно-питьевое во- доснабжение по санитарным условиям составляет ~ 600 м3/сут, его наибольшая протяженность достигает 1,5-2 км, а максимальная глубина - до 3,5 м.а бРис. 1. Вид на озеро: а) загрязнение береговой полосы; б) ковшевой водоприемник [Lake view a) pollution of the coastal strip; b) feeding inlet]Озерная вода характеризуется цветностью от 23 до 115 град. Мутность в зави- симости от волновых процессов и размыва берегов, глубины воды в озере изме- няется от 4 до 27,3 мг/л, перманганатная окисляемость - от 7,5 до 27,9 мгО2/л. Щелочность воды достигает 7,5-8,8 ммоль/л, рН колеблется от 7,8 до 9,9. Каче- ство озерной воды формируется под воздействием природных и антропогенной факторов. Поступление с недостаточно очищенными хозяйственно-бытовыми сточными водами, ливневым и талым стоком с поверхности водосбора большого количества органических загрязнений и биогенных веществ приводит к эвтро- фикации поверхностного водоисточника, которое сопровождается избыточным развитием фитопланктона и цветением воды. Численность микроводорослей в отдельные периоды года достигает 60-100 тыс. кл/мл, а биомасса - до 20 мг/л. Массовое развитие и отмирание микроводорослей приводит к повышению ко-76Говорова Ж.М., Свинцов А.П., Коэн А.Р. Подготовка воды для хозяйственно-питьевых целей...личества взвесей в воде, увеличению цветности, концентрации органических соединений и численности бактерий, развитию гнилостных процессов и появле- нию в воде неприятных запахов и привкусов интенсивностью до 3-4 баллов, продуцируемых некоторыми актиномицетами и плесневыми грибами [8; 10].Результаты исследований и их обсуждениеДля извлечения из воды фитопланктона, продуктов его жизнедеятельности и деструкции обычно на действующих водопроводных станциях предусматривает- ся ее предварительная обработка высокими дозами хлора (до 6-10 мг/л) и про- пускание воды через микрофильтры и дисковые сита с последующим реагентным осаждением и фильтрованием [5; 6; 9]. Однако предварительное хлорирование воды, разрушая стенки клеток планктона, лишает его плавучести, в то же время приводит к обогащению воды растворенной органикой, ухудшению ее органо- лептических свойств, образованию в ней большого количества хлорорганических соединений, присутствие которых в питьевой воде жестко регламентировано со- ответствующими нормативами. Последующая после этого реагентная обработка с использованием коагулянтов и флокулянтов повышенными дозами приводит к их перерасходу.Повысить эффективность очистки воды из маломощных водоемов после ее коагулирования позволяет в ряде случаев применение флотации. Но при этом необходимо учитывать, что в результате флотации образуется в большом количе- стве способный к загниванию, плохо уплотняющийся и сильно обводненный осадок с влажностью 99-99,5%, последующее обезвоживание и утилизация ко- торого вызывают трудности.Применение микрофильтров и дисковых фильтров требует значительных экс- плуатационных затрат при условии обеспечения гарантированной степени очист- ки воды от фитопланктона.Альтернативой этим методам является задержание фитопланктона в слоях пла- вающей загрузки префильтра при безреагентном фильтровании воды снизу вверх и промывке загрузки сверху вниз.Исследованиями эффективности задержания водорослей, содержащихся в исходной воде при разных скоростях восходящего фильтрования через плаваю- щую пенополистирольную загрузку на модели префильтра (рис. 2), было уста- новлено, что при скоростях фильтрования до 40-50 м/ч достигается эффект уда- ления водорослей по биомассе - до 45,1-48,7%. Снижение скоростей фильтро- вания до 30 м/ч позволяет повысить эффект очистки по биомассе соответственно до 49,9-52,6% при ее количестве в исходной воде до 26,2-66 мг/л и количестве клеток организмов до 14-30,7 тыс. кл/мл.Кривые выноса задержанной в загрузке префильтра биомассы за фильтроцикл, количества водорослей и взвешенных веществ в течение промывки осуществля- емой с разными интенсивностями при разных значениях грязеемкости слоя за- грузки к концу фильтроцикла указывают на то, что основная масса задержанных загрязнений выносится при интенсивностях промывного потока от 25 до 35 л/ с·м2 в первые 5-6 мин. промывки.77Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4а бРис. 2. Модель префильтра: а) вид сбоку; б) фрагмент плавающей загрузки с задержанными водорослями[Model prefilter: a) side view; b) fragment of the floating load of detainees algae]Использование на последующем этапе подготовки воды окислителей в техно- логическом процессе обосновывается их ролью в обеспечении эффективности последующих процессов коагуляции и флокуляции примесей в исходной воде. Изучение этих процессов проводилось на цветной воде искусственно зарегули- рованного участка реки Малая Карла.Вначале исследовалось воздействие окислителей, коагулянта - оксихлорида алюминия марки «Аква-Аураттм10» (ОХА) и флокулянта - «Праестол 650 TR» на устойчивость коллоидных частиц дисперсной фазы испытуемой воды. Для этого исходная вода подвергалась обработке воды отдельно озоном (О3), пероксидом водорода (Н2О2), гипохлоритом натрия (NaОСl) и комплексному воздействию Н2О2 и О3. Затем определялась оптимальная доза ОХА путем пробного коагули- рования окисленной воды по стандартной методике в интервале доз коагулянта (Дк): от 5 до 50 мг/л по Al2O3, и флокулянта (Дф) от 0,05 до 0,5 мг/л. Кинетическую устойчивость частиц взвеси в воде до и после ее совместной обработки окисли- телями оценивали по изменению величины ζ-потенциала, определяемого мето- дом амперометрии по микроэлектрофоретической подвижности коллоидных частиц в электрическом поле.Сравнение процесса перезарядки ζ-потенциалов коллоидных частиц для одной и той же цветной исходной воды, предварительно обработанной разными окис- лителями в определенных комбинациях их доз и концентраций, а затем - рас- твором ОХА с Дк от 5 до 50 мг/л по Аl2О3 и флокулянта с Дф = 0,5 мг/л, выявило степень влияния отдельных окислителей на процессы коагуляции примесей. Наи- более существенное влияние на снижение доз коагулянтов оказала предваритель- ная совместная обработка воды озоном и пероксидом водорода.78Говорова Ж.М., Свинцов А.П., Коэн А.Р. Подготовка воды для хозяйственно-питьевых целей...Полученные результаты исследований подтвердили технологическую целесо- образность предварительного окисления цветных природных поверхностных вод с использованием О3 и Н2О2 или NaОСl перед ее коагулированием.Необходимость проведения исследований процессов коагулирования и фло-кулирования маломутных цветных вод после применения окислителей обуслов- лена спецификой формирования физико-химического состава воды в водоемах с ограниченным дебитом, внедрением новых типов коагулянтов и флокулянтов в последние годы и недостаточной изученностью влияния сильных окислителей (гипохлорит натрия, раствор оксидантов, пероксид водорода, перманганат калия и др.) на процессы коагуляции природных и техногенных примесей.Характеристика качества вод, на которых изучались процессы коагуляции и флокуляции приведена в табл. 1.Показатели качества исходной воды из разных водоисточников [Indicators of source water quality from different water sources]Таблица 1ПоказательВодоисточникМодельный растворозеро Староер. М. КарлаЗапах, баллы3-42-33-4Мутность, мг/л4-27,340-932,2-22,9Цветность, град.23-115250-32026-170Перманганатная окисляемость, мгО2/л5,5-19,8 (27,9)12-19,77,4-8,2Азот аммонийный, мг/л0,4-0,72-4,81,8-2,2рН7,8-9,87,1-8,27,8-8,5Щелочность, мг-экв/л3,9-8,0 (15,6)н/опр1,8-3Окислительно-восстановительный потенциал, мВ122,431244-442В опытах в качестве коагулянта применялся 4%-ный раствор ОХА (Аква- Аураттм18). Дозы по Al2O3 назначались в пределах от 2,5; 5,0; 7,5; 10; 15 до 20 мг/л. Пробное коагулирование производилось по стандартной методике. Результаты пробного коагулирования по эффективности отстоенных вод из разных водоис- точников по мутности, цветности и перманганатной окисляемости показали, что интервал требуемых доз коагулянта для таких вод лежит в пределах от 10 до 30 мг/л по Al2O3. Величины Eh и ζ-потенциала в испытуемом диапазоне доз коагулянта достигали своих максимальных значений соответственно +320 и +40 мВ.В практике очистки природных поверхностных вод большее распространение получают высокомолекулярные синтетические флокулянты с молекулярной мас- сой равной 104 ÷ 107, в том числе «Праестол» и полиДАДMAX.Исходная вода (см. табл. 1) подвергалась предварительному прехлорированию с дозой по активному хлору 2,5 мг/л и коагулированию 4-5%-ным раствором СА. В результате опытов рабочая доза коагулянта была установлена в пределах от 22 до 36 мг/л.В дополнение к коагулянту использовали флокулянт - «Праестол 650TR» и ор- ганический коагулянт - полиДАДMAX. Добавление последнего в виде 0,01%-го раствора с установленной требуемой дозой 0,4 мг/л позволило уменьшить требу- емую рабочую дозу СА с 36 до 22 мг/л без существенного ухудшения качестваводы по перманганатной окисляемости при улучшении его по цветности и мут-79Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4ности. Потеря устойчивости коллоидной системы при этом подтверждалась пере- зарядкой и увеличением ζ-потенциала. Сопоставление эффективности полиДАДMAX с флокулянтом «Праестол 650TR» показало, что в случае его при- менения с дозой коагулянта 22 мг/л эффект последующего отстаивания воды по основным показателям качества оказался несколько выше. Однако при этом ра- бочая доза его оказалась почти в 5 раз выше по сравнению с флокулянтом марки«Праестол 650 TR».Анализ усовершенствованных в последние годы технологий подготовки воды из водоисточников с повышенными антропогенными нагрузками, предложенных авторами [3] показал, что при использовании в качестве водоисточников эвтро- фированных водоемов с ограниченным дебитом зачастую повышаются требова- ния к их санитарно-гигиенической надежности.Полученные результаты исследований процессов предподготовки воды перед подачей ее на основные сооружения позволили разработать усовершенствован- ную технологическую схему (схема 1) подготовки питьевой воды из маломощных водоисточников [2]. Она отличается от известных применением в ее составе пре- фильтров с плавающей загрузкой, окислителей, коагулянтов и флокулянтов, двух- ступенных осветлительно-сорбционных фильтров (ОСФ) и обеззараживания ультрафиолетовым-излучением с ультразвуком и раствором гипохлорита натрия. Формирование слоя комбинированной загрузки в ОСФ осуществлялось путем введения мелкогранульного сорбента в верхний слой пенополистирола на по- следней стадии его промывки [7].а б вРис. 3. Станция подготовки питьевой воды: а) осветлительный двухступенный фильтр с инертными загрузками; б) контактная колонна постозонирования воды;в) сорбционный фильтр[Station potable water a) clarification two-stage filter with inert downloads;b) contact the column of polotnyany water; c) a sorption filter]80Говорова Ж.М., Свинцов А.П., Коэн А.Р. Подготовка воды для хозяйственно-питьевых целей...При значительных постоянных антропогенных нагрузках на водоисточник схему приходится дополнять постозонированием и сорбцией (схема 2). При этом в двухступенных контактных фильтрах используются только инертные загрузки. На рисунке 3 представлены фрагменты станции подготовки питьевой воды про- изводительностью до 600 м3/сут.Разработанная технологическая схема с двухступенным последовательным фильтрованием воды (схема 3) и предварительным вводом раствора гипохлорита натрия с дозами по активному хлору от 5,8 до 8,8 мг/л, коагулированием с дозами первичного коагулирования 3%-го раствора ОХА от 10 до 15 мг/л, и вторичного (в ряде фильтроциклов) - от 6,4 до 7 мг/л с добавлением флокулянта «Прае- стол 653 ТR» в количестве до 0,5 мг/л позволяет обеспечить глубокую степень очистки воды не только по мутности и цветности, но по железу и марганцу, сни- жение которого, как и остаточного алюминия, происходило благодаря наличию в составе загрузки фильтра второй ступени катализатора-сорбента МС [4].Область применения предложенных усовершенствованных технологий по схе- мам 1-3 приведена в табл. 2, а основные технико-экономические показатели в ценах 2012 года - в табл. 3 [2].Область применения технологий подготовки питьевой воды [The scope of technologies of preparation of drinking water]Таблица 2НаименованиеТехнологические схемысхема 1схема 2схема 3Производительность, тыс. м3/сут250-10001000-5000250-5000Запах, баллы2-33-42-3Мутность, мг/л5-305-3050Цветность, град.25-15025-150180Перманганатная окисляемость, мгО2/л10-1215-2012-15Железо общее, мг/л1-31-22-3Марганец, мг/л0,1-0,20,1-0,20,5-1,0Фитопланктон, тыс. кл./л14-3514-3515-30Технико-экономические показатели для станции водоподготовки производительностью 1500 м3/сут.Таблица 3[Technical and economic indicators for water treatment plant with a capacity of 1,500 m3/day]НаименованиеТехнологические схемысхема 1схема 2схема 3Капитальные вложения, тыс. руб.218712603627734Эксплуатационные затраты, тыс. руб.80601146612361Срок окупаемости, годы444Приведенные затраты, тыс. руб.135281797519294Себестоимость подготовки воды, руб/м314,720,922,6ЗаключениеНа примере нескольких поверхностных водоисточников с ограниченным де- битом выполнен анализ качества воды и определена их специфика. Выполнен- ными экспериментальными исследованиями показана существенная роль пред-81Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 4подготовки воды, направленной на удаление водорослей и окисление органиче- ских загрязнений перед последующим коагулированием и флокулированием воды.Предложены усовершенствованные технологические схемы подготовки пи- тьевой воды из маломощных водоисточников в зависимости от диапазона кон- центраций загрязнений и определена их эффективная область применения.

Zh M Govorova

Department of water Supply and sanitation Moscow State University of Civil Engineering

Email: fonsvit@bk.ru
Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, Russia, 129337

A P Svintsov

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: svintsovap@rambler.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

A R Kojen

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: ARKoen@if-capital.ru
Miklukho-Maklaya str., 6, Moscow, Russia, 117198

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 81


Copyright (c) 2016 Говорова Ж.М., Свинцов А.П., Коэн А.Р.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.