Очистка маломутных высокоцветных природных вод

ОЧИСТКА МАЛОМУТНЫХ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ ПРИРОДНЫХ ВОД

Сколубович А.Ю., Войтов Е.Л., Сколубович Ю.Л.

Новосибирский Государственный Архитектурно-Строительный Университет, Новосибирск, Россия



Введение

Обеспечение населения доброкачественной питьевой водой является одним из важнейших факторов национальной безопасности в области охраны здоровья. В Российской Федерации эта проблема остаётся нерешённой, в ряде случаев она приобретает кризисный характер. В отдельных регионах страны установлена прямая корреляционная зависимость между качеством и количеством потребляемой воды, состоянием здоровья и уровнем заболеваемости населения.

Основным источником водоснабжения городов и посёлков Новосибирской области являются открытые водоёмы, интенсивно загрязняемые сточными водами промышленных и сельскохозяйственных предприятий, населённых пунктов, а также поверхностными стоками. Наряду с ухудшением качества воды в источниках повысились и требования к качеству очищаемой воды [1]. Традиционные технологии водоподготовки часто не дают требуемого эффекта очистки хозяйственно-питьевой воды. Положение усугубляется крайне неудовлетворительным санитарно-техническим состоянием водопроводных сетей вследствие их физического износа и ненадлежащей эксплуатации.

Проблема очистки высокоцветных маломутных вод

Одной из проблем водоснабжения в России и за рубежом является очистка высокоцветных маломутных речных вод. В России практически нет ни одной реки, используемой в качестве источника водоснабжения, где не стояла бы проблема снижения ее цветности до нормативного уровня. 

По имеющейся классификации к маломутным высокоцветным поверхностным водам относятся воды, в которых максимальные значения взвешенных веществ менее 50 мг/л и цветности более 120 градусов по платиново-кобальтовой шкале [2]. Если мутность воды определяется содержанием в ней частиц минерального происхождения (ил, песок, глина и т.п.), то цветность воды – только веществами органического характера (гуминовыми и дубильными веществами). Как правило, органический состав такой воды формируется при участии почвенного и торфяного гумуса, болотного питания рек; разложения планктона и почвенной растительности в водохранилищах и озерах. Существенную роль в увеличении содержания в воде открытых водоемов органических веществ и ее окраски играет спуск неочищенных сточных вод и промстоков ряда производств [3]. Органические коллоиды в природных водах, прежде всего гумусовые вещества, придают воде желто-коричневую окраску различной интенсивности в зависимости от их свойств и количественного содержания. Цветность является одним из основных физических органолептических показателей качества воды и ограничивается санитарными нормами 20 градусами платиново-кобальтовой шкалы (ПКШ). Высокое содержание органических веществ в воде придаёт ей затхлый привкус и неприятный запах. На Севере органические вещества попадают в воду в основном из болотных почв, а в южных природных зонах главную роль играют зональные минеральные почвы. Маломутные, цветные воды плохо подвергаются очистке до качества питьевой воды из-за содержания в воде гуминовых веществ. 

В России до последнего времени чаще всего для обработки высокоцветных вод использовались реагентные коагуляционные технологии с осветлением воды в отстойниках или осветлителях со слоем взвешенного осадка и фильтрованием её через зернистые фильтры, которые имеют низкую эффективность. Обеззараживание высокоцветных вод жидким хлором приводит к образованию в них канцерогенных соединений, например, хлорорганики, вызывающей у людей онкологические заболевания. В связи с этим ограничивается доза хлора при предварительном хлорировании до 1,5-2 мг/л [4]. 

Озонирование применяется для окисления загрязнений природного происхождения и улучшения процессов коагуляции. Предварительное озонирование позволяет существенно уменьшить необходимую дозу коагулянта. Этот метод повышает качество воды по мутности, цветности, перманганатной окисляемости (ПО) и остаточному алюминию. Однако озонирование применяют при сравнительно невысокой цветности исходной воды - до 50-70 град, т.к. при большой цветности требуются высокие дозы озона, которые негативно сказываются на качестве очищенной воды [4].

Марганцевание воды является эффективным способом окисления в воде органических загрязнений, удаления запахов и привкусов, т.к перманганат калия является сильным окислителем. Одним из его преимуществ является неспособность к реакциям замещения в отличие от хлора. Его недостаток – высокая стоимость, дефицитность.

Использование традиционно применяемого реагента сернокислого алюминия (СА) имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Положительной стороной применения СА, как показали наши предварительные исследования, является ускоренный процесс хлопьеобразования. Это сокращает темп прироста потерь напора и соответственно увеличивает продолжительность фильтроцикла даже при высоких его дозах. Недостатками использования СА является необходимость значительного повышения доз реагента при низких температурах воды и в этой связи требование более жесткого контроля за сохранением нормативного содержания остаточного алюминия в очищенной воде. Поэтому для очистки низкотемпературных, высокоцветных вод перспективно применение высокоосновного оксихлорида алюминия (ОХА). 

Применение флокулянтов позволяет повысить прочность хлопьев и ускорить процесс их укрупнения. Использование их в дополнение к коагулянтам позволяет интенсифицировать процесс очистки, уменьшить концентрации остаточного алюминия в очищенной воде. При этом достигается уменьшение содержания в воде как взвешенных веществ, так и микрохлопьев, образующихся при обработке цветных вод.

Недостаток реагентных методов очистки воды заключается в высокой стоимости реагентов и сложности их доставки в отдаленные, особенно северные районы страны. При использовании реагентов возможно вторичное загрязнение питьевой воды остаточными соединениями и образование токсичных веществ, опасных для здоровья населения, а так же увеличивается себестоимость воды. Поэтому по возможности следует использовать безреагентные методы. 

Процесс сорбции может быть реализован и применением порошкового сорбента, вводимого пред осветлителями или фильтрами. Наиболее распространены это порошковые активные угли. Этот эффективный способ извлечения из воды органических веществ ограничивается высокой стоимостью угля и сокращением межрегенерационного периода работы фильтров.

Метод ультрафильтрационной очистки существенно снижает цветность воды и окисляемость, независимо от её исходной величины, но на процесс очистки большое влияние оказывает величина pH. Достоинство этой технологии состоит в том, что мембранные установки компактны и удобны в применении и техническом обслуживании. Недостатки - увеличение скорости потока сказывается на экономичности процесса, небольшая производительность, сложность регенерации, для промывки установки требуется большой объём промывной воды.

Для повышения эффективности очистки маломутных высокоцветных вод необходимо использовать новые методы, позволяющие сократить расход реагентов. Одним из перспективных направлений исследования решения данной проблемы может быть использование реакторов-осветлителей.

Исследование очистки воды р. Омь в реакторе-осветлителе в составе общей технологической схемы

Основным источником питьевой воды г.Куйбышева является река Омь. Вода р.Омь характеризуется высокими значениями цветности (более 550 град. ПКШ), перманганатной окисляемости (до 50 мг/л), общей жесткости (до 9,5 ммоль/л ), содержания железа (до 2,3 мг/л) и марганца (до 0,8 мг/л) , при относительно малой мутности (до 8 мг/л в паводок). Неблагоприятные органолептические показатели качества воды обуславливаются болотным питанием р.Омь и ее загрязненностью гумусовыми веществами, вымываемыми из почв и торфяников. Кроме того, происходит заболачивание русла реки, зарастание ее берегов, чистка которых не производится. Ситуация усугубляется смывом в русло загрязнений природного и антропогенного происхождения с прилегающих территорий дождевыми и талыми водами. Высокие значения цветности и окисляемости воды р.Омь сопровождаются и ее повышенной бактериальной загрязненностью. Для устранения бактериального загрязнения в речную воду на водоочистной станции г.Куйбышева вводятся повышенные дозы хлора, что может приводить к образованию токсичных хророрганических веществ, опасных для здоровья людей. Так же высокие требования по качеству потребляемой воды предъявляет и производственное водообеспечение. Так, например, повышенное содержание органических гумусовых соединений и железа в воде нарушает нормальную эксплуатацию котельных установок, снижает качество выпускаемой продукции. Гумусовые вещества и соединения железа придают природной воде светло-желтую окраску, болотистый запах и металлический привкус. Гумусовые вещества в природных водах подразделяют на гуминовые, креновые и апокреновые кислоты, а также их соли (фульвокислоты). Специфической особенностью группы гуминовых кислот является их выделение в осадок в кислой среде. Фульвокислоты подразделяются на коллоидные, осаждаемые гидроксидами алюминия при рН около 5, и истинно растворенные, которые в этих условиях не осаждаются. Согласно данных института почвоведения СО РАН, проводившего анализ пробы воды р.Омь, цветность воды (420 град) была обусловлена в основном гумусовыми веществами с преобладанием истинно растворимых фульвокислот. Содержание углерода в воде (470 мг/л) превышало его обычное содержание в талых водах в 4-8 раз. Именно такие высокоцветные маломутные воды с высоким отношением значений окисляемости к мутности трудно поддаются очистке до требований СанПиН 2.1.4.1074-01 [10].

Существующие в настоящее время водоочистные сооружения (ВОС) эксплуатируются уже с 1977 года. Проектная производительность станции - 9,5 тыс. м3/сутки. Первоначальная технологическая схема очистки воды р.Омь была принята исходя из цветности до 120 град. ПКШ и включала в себя микрофильтры, вертикальный смеситель, контактные осветлители. Предусматривалась коагуляция воды сульфатом алюминия с флокулянтом ПАА, а также предварительное и вторичное хлорирование воды. Однако, в связи с ростом промышленного производства, численности населения, сбросом сточных вод, зарастанием русла реки качество речной воды ухудшилось. В настоящее время цветность воды в реке весной и в период летнего цветения превышает 500 град. ПКШ, при мутности воды в источнике менее 8 мг/л. На основании рекомендаций ООО «СИБРЕСУРС» г.Новосибирска, разработанных в результате проведенных им производственных исследований, на водоочистной станции произведена частичная реконструкция в 1997 году с заменой микрофильтров на осветлители-микрофлотаторы, а в качестве коагулянта на станции применяется оксихлорид алюминия. Несмотря на проведенные усовершенствования технологической схемы, водоочистные сооружения в настоящее время работают неудовлетворительно, цветность очищенной воды в паводок достигает 120 град., что превышает нормативные показатели в 6 раз. Окисляемость также в несколько раз превышает нормативные показатели. Наблюдается превышение концентрации железа в очищенной воде более чем в 3 раза (более 1 мг/л), марганца – более 5 раз (до 0,5 мг/л и выше). При этом продолжительность циклов фильтрования составляет 4-5 часов, а расход промывной воды достигает 50% от объема очищенной воды. 

Для ускорения процесса гидролиза и улучшения образования хлопьев гидроксида алюминия перед осветлением на контактных осветлителях (КО) предусмотрена замена неэффективных микрофлотаторов на реакторы-осветлители конструкции НГАСУ (Сибстрин) [патент РФ № 2183590].

С целью повышения эффективности водоподготовки нами были проведены экспериментальные исследования по очистке высокоцветных маломутных вод на водопроводных очистных сооружениях г. Куйбышева Новосибирской области. Экспериментальная установка включала в себя модели новых и существующих сооружений: реактор-осветлитель со слоем взвешенной мелкозернистой контактной массы, контактных осветлителей, с загрузкой из горелых пород, сорбционный фильтр с загрузкой из активированного угля; растворно-расходные баки рабочих растворов реагентов (рис 1). В качестве реагентов исследовались коагулянты: ОХА, ПОХА, AL2(SO4)3, флокулянты ПАА, Праестол 650 TR. 





Рис.1. Схема экспериментальной установки ВОС г. Куйбышева



Результаты экспериментальных исследований

В результате экспериментальных исследований установлено, что предложенная технология очистки маломутных высокоцветных вод позволяет получить воду, соответствующую современным нормам питьевой воды при минимальных капитальных и эксплуатационных затратах.

В качестве коагулянтов рекомендованы сернокислый алюминий и оксихлорит алюминия в зависимости от качества исходной воды. 

Применение реактора-осветлителя обеспечивает формирование крупных окрашенных хлопьев гидроксида алюминия и сорбированных на них гумусовых частиц, что в значительной мере способствует увеличению эффекта очистки и увеличению продолжительности фильтроциклов в связи с образованием более плотного осадка в теле загрузки. Этот осадок при обезвоживании обладает хорошей водоотдающей способностью. Новая конструкция реактора-осветлителя сокращает до 25% расход реагентов, позволяет увеличить производительность водоподготовительных сооружений, снизить расход промывной воды повысить экологическую безопасность.

В настоящее время ведется реконструкция НФС г.Куйбышева с внедрением новой технологии очистки речной воды.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества;

2 СНиП 2.04.02.-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения, Госстрой СССР.1985;

3 Николадзе Г.И. и др. Технология очистки природных вод. М., «Высшая школа», 1987;

4 Драгинский В. Л., Алексеева Л. П., Гетманцев С. В. Коагуляция в технологии очистки природных вод./ Науч. изд.- М., 2005 ;

5 Курбатов В.П. Интенсификация коагуляционной очистки маломутных высокоцветных вод водохранилищ в условиях Севера: Автореф. дисс. … канд. техн. наук, Новосибирск, 2001;

6 Приёмышев Ю. Р. Интенсификация процесса очистки высокоцветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси: Автореф. дисс. … канд. техн. наук, Вологда, 1998;

7 Николадзе Г. И., Минц Д. М., Кастальский А. А. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения. М., «Высшая школа», 1984;

8 Рекомендации по применению технологии очистки воды на осветлителях со взвешенным слоем рециркулируемого осадка. Мин.ЖКХ. РСФСР. Л.,НИИ АКХ им. К. Д. Памфилова. 1985;

9 Харабрин А.В. Экологический мониторинг качества воды и оценка барьерной роли сооружений водоподготовки. Автореф. на соиск. уч. ст. к.т.н. Уфа, 2004;

10 Усольцев В.А., Соколов В.Д., Сколубович Ю.Л., Алексеева Л.П., Драгинский В.Л. Подготовка воды питьевого качества в г.Кемерово. М., 1996.