ПОДГОТОВКА ВОДЫ ДЛЯ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВЫХ ЦЕЛЕЙ ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОЕМОВС ОГРАНИЧЕННЫМ ДЕБИТОМ

Полный текст

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.

Об авторах

Жанна Михайловна Говорова

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Email: fonsvit@bk.ru
Ярославское шоссе, д. 26, Москва, Россия, 129337

Александр Петрович Свинцов

Российский университет дружбы народов

Email: svintsovap@rambler.ru
ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Москва, Россия, 117198

Арсений Романович Коэн

Российский университет дружбы народов

Email: ARKoen@if-capital.ru
ул. Миклухо-Маклая, д. 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы