Улучшение качества очистки природных вод на очистных сооружениях МУП «Петропавловский водоканал» при применении коагулянтов и флокулянтов нового поколения

При сравнении полученных зависимостей тока электродвигателя от напряжения можно сделать вывод, что для получения номинального тока электродвигателя данный способ может быть приемлемым. При проведении экспериментов на ряде электродвигателей серии 4А мощностями от 1,1 до 11 кВт видно, что оптимальное значение среднего тока, сравнимое с номинальным значением, попадает в пределы от 22 до 24 Гц при пониженном значении напряжения около 160 В. Полученное значение следует использовать при выборе или проектировании преобразователя для проведении испытаний электродвигателя под нагрузкой.

В ходе исследования были выполнены все поставленные задачи. Во-первых, опытным путем были определены значения пониженной частоты напряжения. Во-вторых, для определения параметров преобразователя были выявлены значения напряжения, соответствующие номинальному току электродвигателя.

После проведения эксперимента на нескольких электрических двигателях серии 4А различной мощности можно сделать вывод о схожести параметров частоты и напряжения для получения номинального среднего тока. Это объясняется зависимостью тока двигателя от электромагнитного момента. Из этого следует, что при проектировании системы испытаний можно использовать средние промежуточные данные для целого ряда асинхронных электродвигателей.

Литература

1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. 4-е изд. - Л.: Энергоатом-издат, 1984. - С. 351-354.

2. ВольдекА.И. Электрические машины: учеб. для высш. техн. заведений. 3-е изд. - Л.: Энергия, 1978. - С. 510-514.

3. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Современные проблемы науки и образования. - Пенза, 2012. -№ 6. - С. 125.

4. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MAT-LAB 6.0: учеб. пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - C. 233-239.

5. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Исследование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 1-2. - С. 408-412.

УДК 628.3

В.В. Потапов1' 2, А.Е. Бровкин1, Л.М. Хорошман2

'Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683012; 2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: Nigtc@kgsnet.ru

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД НА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ МУП «ПЕТРОПАВЛОВСКИЙ ВОДОКАНАЛ» ПРИ ПРИМЕНЕНИИ КОАГУЛЯНТОВ И ФЛОКУЛЯНТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

В статье рассматриваются основные проблемы очистки природных вод с применением коагуляции. Приведены результаты экспериментов по применению коагулянтов нового поколения для очистки воды на очистных сооружениях МУП «Петропавловский водоканал». Уделено внимание проблемам очистки природных вод на территории Российской Федерации.

Ключевые слова: коагулянт, флокулянт, цветность воды, мутность воды, эффективность очистки.

V.V. Potapov1, 2, A.E. Brovkin2, L.M. Khoroshman2 ^Scientific research geotechnological centre Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, 683012, Petropavlovsk-Kamchatsky; 2Kamchatka State Technical Uni-

versity, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) Conditioning of natural water purification at sewage disposal plants of municipal unitary enterprise "Petropavlovsk water utility" with new generation coagulants and flocculants

Main problems of natural water purification with coagulation are described in the article. Results of experiments concerning the use of new generation coagulants for water purification at sewage disposal plants of municipal unitary enterprise "Petropavlovsk water utility" are given. Problems of natural water purification on the terr i-tory of the Russian Federation are given consideration.

Key words: coagulant, flocculant, color of water, turbidity, purification efficiency.

Одним из важнейших факторов национальной безопасности любой страны является обеспечение населения питьевой водой.

В настоящее время в Российской Федерации централизованные системы водоснабжения имеют более тысячи городов (99% от общего количества городов) и около 2000 поселков городского типа (81%). Мощность водопроводов достигла в настоящее время примерно 102,5 млн м3/сут, в том числе коммунальных - 53,1 млн м3/сут.

Источниками централизованного водоснабжения служат поверхностные воды, доля которых в общем объеме водозабора составляет 68%, и подземные - 32%.

Необходимо отметить, что практически все поверхностные источники водоснабжения в последние годы подвергались существенному воздействию вредных антропогенных факторов. В последние годы заметно прогрессируют загрязнения и подземных вод, которые проникают со сточными и производственными водами в водоносные горизонты.

В настоящее время около 90% поверхностной и не менее 30% подземной воды подвергается обработке с удалением избыточных примесей [1].

Качество воды в природном источнике и в водопроводе после очистки определяется по данным анализа, при этом проба должна отражать действительный средний состав воды. Помимо общих сведений о роде источника, месте и времени отбора пробы в результатах анализа приводятся данные о физических и химических свойствах воды. Однако этих данных недостаточно для выбора рациональной схемы очистки воды, поскольку они не характеризуют ее технологические свойства.

Таким образом, для выяснения технологических свойств конкретного источника необходимо проводить пробное коагулирование, обесцвечивание и т. д. Наличие этих данных позволяет более правильно обосновать выбор метода очистки воды и значение расчетных параметров [2].

Основным технологическим приемом удаления из воды грубодисперсных примесей, находящихся во взвешенном состоянии, и коллоидных органических загрязнений, присутствующих в воде в растворенном виде, является процесс коагуляции за счет введения в воду коагулянтов.

В процессе коагуляционной очистки воды на 90-99% удаляются различные микробиологические загрязнения [1]. Эффективность их удаления зависит от глубины очистки воды по мутности, цветности и перманганатной окисляемости.

Эффективность очистки воды коагуляцией зависти от следующих параметров: температуры, щелочности, ионного состава и рН воды, а также концентрации взвешенных веществ, коллоидных и истинно растворенных органических соединений [3].

Влияние рН среды на очистку воды коагуляцией не вызывает сомнений, однако в реальных условиях эксплуатации сооружений для осветления воды этому параметру не уделяется должного внимания. Определение оптимального значения рН среды для проведения процесса очистки воды коагуляцией является весьма существенным фактором [4].

Для определения эффективности применения коагулянтов при очистке природных вод на территории Камчатского края были выбраны очистные сооружения МУП «Петропавловский водоканал», производящие очистку воды от поверхностных водозаборов Крутоберегово 1 и Круто-берегово 3.

Вода рек Крутоберегово 1 и Крутоберегово 3 отличается достаточно высоким уровнем рН = 7,13-7,6, значениями щелочности в диапазоне 0,60-0,98 мг экв/дм3, жесткости -0,61-0,99 мг экв/дм3. В период ледостава (ноябрь - апрель) качество воды характеризуется следующими показателями: прозрачность 30 см, цветность 10-20 град., взвешенные вещества - 1-20 мг/дм3.

После вскрытия рек и до ноября цветность возрастает до 40-60 град., прозрачность снижается до 15-20 см. Такое ухудшение качества исходной воды, сохраняющееся в течение всего периода с апреля по ноябрь, объясняется неравномерным таянием снегов, частыми обильными дождями и рядом других факторов. В период повышенной цветности (апрель - октябрь) и увеличения концентрации гумуса преобладают плохо растворимые гуминовые кислоты над хорошо растворимыми фульвокислотами. Средняя молекулярная масса гумусовых кислот в образцах речной воды по данным гель-хроматографии составляет 8-10 кДальтон, гуминовые кислоты преобладают над фульвокислотами. В период повышенной цветности воду поверхностных водотоков Крутобере-гово 1 и Крутоберегово 3 следует отнести к типу высокоцветных и маломутных.

Очистные сооружения построены по типовому проекту ВТ-8, разработанному «Гипрокоммун-водоканалом» в 1958 г., и предназначены для обработки воды поверхностного источника. Привязка проекта к местным условиям осуществлена в 1962 г. Проектная производительность очистных сооружений составляет 30 тыс. м3/сут. Фактическая производительность достигает 28 тыс. м3/сут. Пуск и наладка очистных сооружений осуществлялись Дальневосточным участком «Росводока-налналадка» в октябре 1968 г.

В настоящее время на очистных сооружениях ведутся автоматический учет поступающей на очистку воды, контроль за качеством поступающей, подаваемой в сеть воды, воды по этапам обработки. Обработка речной воды осуществляется в период с апреля по ноябрь, в остальное время вода подается в сеть без очистки. Обработка воды производится по двухступенчатой схеме с применением реагентов: коагулянта - сернокислого алюминия; гипохлорита кальция - для обеззараживания воды. Вода от водозаборов поступает по двум водоводам, попадает в диафрагмовый смеситель, перед которым вводятся коагулянт и раствор гипохлорита, далее в камеры реакции (хлопьеобразования), отстойники, скорые фильтры и накапливается в резервуарах чистой воды. Очищенная вода насосами 2-го подъема подается в сеть.

Исходная вода с 1-го ручья Крутоберегово поступает на очистные сооружения самотеком по трубопроводу Д = 630 мм, протяженность водовода равна 7 км. Расход воды составляет 850-900 м3/час. С 3-го ручья Крутоберегово подача воды осуществляется насосной станцией 1-го подъема по водоводу Д = 450 мм и протяженностью 12 км, расход подаваемой воды 350 м3/час.

В качестве коагулянта применяется сернокислый алюминий. В состав реагентной установки входят два растворных бака, емкостью 10 м3 каждый, и два расходных бака, емкостью 8 м3 каждый. Рабочий раствор 5-6% концентрации. Перемешивание осуществляется воздухом интенсивностью 10 л/с • м2. Подача реагента осуществляется в смеситель, который выполнен в виде диафрагмы, установленной на подающем трубопроводе Д = 600 мм. Перед смесителем вводятся коагулянт и раствор гипохлорита кальция. Смеситель такого типа обеспечивает достаточное смешение воды с реагентами.

На сооружениях построены и эксплуатируются четыре железобетонные камеры реакции (без слоя взвешенного осадка), совмещенные с горизонтальными отстойниками. Объем каждой камеры 45 м3. Распределение воды осуществляется дырчатой трубой Д = 400 мм, уложенной в нижней части конического днища. Сбор - четырьмя дырчатыми трубами Д = 300 мм с отверстиями Д = 75 мм, по горизонтальной образующей.

Наблюдения по всей площади показали, что в камерах реакции не образуются и не формируются хлопья, а наблюдается только помутнение. Плохое хлопьеобразование объясняется низкой температурой воды в летний период и отсутствием флокулирования. Один раз в четыре дня производятся опорожнение и промывка камер от накопившегося осадка.

В работе находятся четыре железобетонных горизонтальных отстойника со встроенными камерами реакции. Каждый отстойник имеет длину 40 м, ширину 6 м. Распределение поступающей из камер реакции и сбор отстоянной воды осуществляется через дырчатые перегородки. Средняя продолжительность отстаивания при поступлении на станцию 1500 м3/ч воды составила 2,5 часа, горизонтальные скорости движения воды в пределах 4,3 мм/с. Вода в отстойниках распределяется равномерно. Накопление осадка происходит медленно, это связано с небольшим содержанием взвешенных веществ в воде. Степень очистки составляет 10-20%, из этого следует, что отстойники не обеспечивают нормальной эффективности осветления, в связи с этим вырастает нагрузка на скорые фильтры. Полное опорожнение отстойника производят один раз в год, при этом высота накопленного осадка составляет 30-40 см. Удаление осадка осуществляется через трубу, расположенную в приямке.

На очистных сооружениях имеются 8 скорых фильтров с дренажом большого сопротивления общей площадью 200 м2. Дренаж выполнен из 12,0 стальных труб Д = 150 мм по 6 с каждой стороны распределительного коллектора Д = 500 мм. На каждом боковом ответвлении имеется по 34 отверстия (Д = 12 мм), расположенных под углом 45° к нижней образующей. Подача воды и отвод фильтрата осуществляется по трубопроводам Д = 300 мм. Для равномерного распределения поступающей и сбора промывной воды в фильтре установлено три сборно-распределительных желоба полукруглого сечения шириной по верху 48 см, высотой прямоугольной части 35 см, высотой полукруглой части 21 см.

Загрузка фильтров выполнена из гранодиоритового песка послойно с уменьшением крупности к поверхности фильтра: 1 слой (верхний) - 0,8 м, частицы песка с размерами 0,8-2 мм; 2 слой - 0,1 м, песок 1,5-3 мм; 3 слой - 0,1 м, песок 2-4 мм; толщина поддерживающего слоя 1,5 м, крупность 30 мм. Общая высота фильтра 2,5 м.

Средняя скорость фильтрации при нормальной работе и подаче воды 1500 м3/ч составила 7,5 м/час. Длительность фильтроцикла составляет 24 часа. Промывка осуществляется в течение 6-7 минут от промывного бака емкостью 220 м3.

Эксперименты по пробной коагуляции с образцами воды поверхностных водозаборов Кру-тоберегово 1 и Крутоберегово 3 проведены в период апрель - октябрь 2009 г. В ходе экспериментов был выполнен сравнительный анализ эффективности действия коагулянтов (сернокислый алюминий (СА), оксихлорид алюминия Аква-Аурат 30 (ОХА), гидроксохлорид алюминия (ГОХА)) и совместного действия коагулянтов и флокулянтов (Праестол 650 ТЯ, Праестол 2515 ТЯ). Доля полезного компонента А1203 в СА наименьшая - 16 масс.%. Доля А1203 в ОХА - 30 масс.%, в ГОХА - 42 масс.%. Эксперименты выполнены при различных значениях цветности, мутности и температуры природной воды.

В ходе проведения экспериментов производились вычисления эффективности очистки природной воды коагулянтами по цветности Эц:

Эц =

где Ц\ - начальная цветность (град.); Ц2 - цветность после добавления коагулянта (град.), а также эффективности очистки природной воды коагулянтами по мутности Эм:

Эм =

где М\ - начальная мутность (мг/дм3); М2 - мутность после добавления коагулянта (мг/дм3).

Эксперименты показали, что максимальной эффективностью очистки от цветности среди исследованных коагулянтов отличаются СА - 66-91% и ГОХА - 64-84%, минимальная эффективность очистки наблюдалась у ОХА - 46-83,7%. Эффективность очистки по мутности у всех трех коагулянтов была высокой - 70-100%. СА в отличие от ГОХА значительно подкисляет водную среду (в зависимости от расхода коагулянта до рН = 5,0 - 5,8) и характеризуется более высокими значениями остаточной концентрации А13+.

Использование флокулянтов серии Праестол 650 ТЯ и 2515 ТЯ при дозе 0,1-0,2 мг/дм3 позволяет заметно повысить эффективность очистки природной воды коагулянтами от цветности -Праестол 650 ТЯ - от 7% до 26-35%, Праестол 2515 ТЯ - от 7% до 26-35%. Применение флоку-лянтов увеличивало скорость хлопьеобразования, размер хлопьев осадка, скорость оседания хлопьев и объем осадка.

Результаты проведенных экспериментов с обобщенными данными по обработке коагулянтами и флокулянтами приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Обобщенные результаты обработки воды коагулянтами

Реагент Температура воды Т, °С Ц1, град Ц2 (180 мин), град Мх (30 мин), мг/дм3 М2, мг/дм3 Эц Э Эм

3мг/л ОХА + 0,1 мг/л Pr650TR 13,5 47 42,1 0,64 0,75 10 0

4 мг/л ОХА + 0,1 мг/л Pr650TR 42 0,55 11 14

3 мг/л ОХА + 0,1 мг/л Pr2515TR 31 1,18 34 0

4 мг/л ОХА + 0,1 мг/л Pr2515TR 26 0,5 45 22

3мл ОХА + 0,1 мг/л Pr2515TR 12,5 46 28 1,19 0 39 100

Окончание табл. 1

Реагент Температура воды T, °С Ц1, град Ц2 (180 мин), град М1 (30 мин), мг/дм3 М2, мг/дм3 Эц Эм

3 мг/л ОХА + 0,2 мг/л Pr2515TR 0 1,2 100 0

3 мг/л ОХА + 0,3 мг/л Pr2515TR 15 1,8 67 0

3 мг/л ОХА + 0,4 мг/л Pr2515TR 6 1,61 87 0

4 мг/л ОХА + 0,1 мг/л Pr2515TR 14,3 46 17 1,19 0,2 63 83

4 мг/л ОХА + 0,2 мг/л Pr2515TR 2 1,15 96 3

4 мг/л ОХА + 0,3 мг/л Pr2515TR 0,5 2,2 99 0

4 мг/л ОХА + 0,4 мг/л Pr2515TR 6 1,5 87 0

Таблица 2

Зависимость рН исходной воды от дозы коагулянта

Концентрация А1203 (мг/л) 4 5 6 10 14 18

СА 7,23 7,12 6,07 5,37 5,25 4,88

ОХА 7,86 7,43 7,48 7,3 - -

ГОХА 7,47 7,49 7,5 7,5 7,45 7,48

Выводы

1. Максимальная эффективность очистки от цветности среди исследованных коагулянтов наблюдалась у СА - 66-91% и ГОХА - 64-84%, минимальная эффективность очистки - у ОХА -46 -83,7%. Эффективность очистки по мутности у всех трех коагулянтов была высокой - 70-100%.

2. СА, в отличие от ГОХА, значительно подкисляет водную среду (в зависимости от расхода коагулянта до рН = 5,0-5,8) и характеризуется более высокими значениями остаточной концентрации А13+.

3. Использование флокулянтов серии Праестол 650 ТЯ и 2515 ТЯ при дозе 0,1-0,2 мг/дм3 позволяет заметно повысить эффективность очистки природной воды коагулянтами от цветности - Праестол 650 ТЯ - от 7% до 26-35%, Праестол 2515 ТЯ - от 7% до 26-35%. Применение флокулянтов увеличивает: скорость хлопьеобразования, размер хлопьев осадка, скорость оседания хлопьев и объем осадка.

4. Перед переходом на новый современный коагулянт необходима отработка режима коагуляции с использованием действующего коагулянта СА с учетом дозы. Требуется оснащение устройствами, позволяющими контролировать дозу коагулянта. Также необходим контроль за скоростью коагуляции, хлопьеобразования, накопления осадка в камере реакции и отстойниках и контроль за рН воды после ввода коагулянта в этих элементах технологической линии. Для осуществления дозированной подачи коагулянта необходимо провести оснащение лаборатории химического анализа оборудованием для пробной коагуляции с целью экспресс -определения дозы коагулянта при произвольных цветности и температуре воды, оснащение водозаборов - оборудованием для автоматического экспресс-определения цветности воды.

5. Следует обратить внимание на точку ввода гипохлорита кальция при коагуляции воды с повышенной цветностью. В настоящее время гипохлорит кальция, выполняющий двойную функцию подщелачивания и обеззараживания, вводится практически одновременно с коагулянтом СА. Таким образом, есть возможность образования трудноудаляемых вредных хлорорганических соединений до того, как успеет подействовать коагулянт и произойдет осаждение гумуса. По нашему мнению, хлорирование следует проводить после осаждения гумуса.

Литература

1. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. - М.: Науч. изд-во, 2005. - 576 с.

2. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. Примеры и расчеты. - М.: ООО БАСТЕТ, 2008. - 304 с.

3. Журавлев А.П., Амосова Э.Г., Прохоренко А.С. Особенности коагуляции маломутных цветных вод с низким солесодержанием // Очистка природных и сточных вод: сб. науч. тр. Юбилейный выпуск. - М.: ОАО «НИИ ВОДГЕО», 2009. - С. 7-12.

4. Драгинский В.Л. Особенности применения коагулянтов для очистки природных цветных вод // Водоснабжение и сан. техника. - 2008. - № 1. - С. 14-16.