Технология подготовки питьевых вод из маломощных эвтрофированных водоемов

ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВЫХ вод из МАЛОМОЩНЫХ ЭВТРОФИРОВАННЫХ ВОДОЕМОВ

Ж.М. Говорова, З.Р. Магомадов

МГСУ

Для регионов с острым дефицитом пресных вод обеспечение питьевой водой малых населенных пунктов со слаборазвитой экономической базой в настоящее время является весьма актуальной задачей, особенно в тех районах, где раньше водоснабжение обеспечивалось из групповых, в настоящее время не функционирующих, водопроводов. В связи с этим, обоснование использования в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения расположенных на их территории озер и зарегулированных маломощных водоемов может решить проблему обеспечения населения питьевой водой.

Качество воды маломощных водоемов в значительной степени определяется их географическим положением, зависит от гидрологических и гидрогеологических условий. Оно формируется в результате протекающих внутриводоемных процессов и зачастую под воздействием внешних антропогенных и техногенных нагрузок. Небольшие глубины, сезонные колебания уровней и температуры воды вызывают существенные изменения видового состава биоценозов водоемов, их численности и биомассы. При ветровых явлениях происходит взмучивание донных отложений и перемешивание слоев плавающего фитопланктона.

При попадании в маломощные водоемы недостаточно очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод, ливневых и талых стоков с поверхности водосбора в них поступает большое количество органических загрязнений и биогенных веществ. Для таких водоемов, обеспеченных элементами питания водных организмов, характерны процессы эвтрофикации, сопровождающиеся избыточным развитием фитопланктона, наиболее типичными представителями, которого являются диатомовые (Bacillariophyta), зеленые (Chlorophyta) и сине-зеленые (Cyanophyta) водоросли. Численность клеток может достигать до 100 млн.кл./м3, а биомасса - до 20 г/м3 [1]. В зоопланктоне преобладают коловратки и рачкообразные. При загрязнении органическими веществами часто встречается ветвистая Zoogloea ramigera и нитчатые бактерии Spherotilus dichotomous Corn Mig.

Массовое развитие и отмирание фитопланктона приводит к повышению количества взвесей в воде, увеличению цветности, концентрации органических соединений и численности бактерий, развитию гнилостных процессов и появлению в воде неприятных запахов и привкусов, продуцируемых некоторыми актиномицетами, плесневыми грибами и др.

Таким образом, подготовка воды для хозяйственно-питьевых целей из маломощных, в том числе непроточных водоемов, несоответствующих требованиям, изложенным в [2] требует обоснованного подбора технологической схемы водоочистки.

Для извлечения из воды фитопланктона, продуктов его жизнедеятельности и деструкции обычно на действующих водопроводных станциях предусматривается ее предварительная обработка высокими дозами хлора (до 10 мг/л) или пропускание через микрофильтры с последующим реагентным осаждением и фильтрованием [3].

Предварительное хлорирование воды, разрушая стенки клеток планктона, лишает его плавучести, в то же время приводит к обогащению воды растворенной органикой, ухудшению ее органолептических свойств, образованию в ней большого количеста хлорорганических соединений, присутствие которых в питьевой воде жестко регламентировано соответствующими нормативами. Последующая же реагентная обработка с использованием коагулянтов и флокулянтов повышенными дозами приводит к их перерасходу.

Эффективность очистки воды на микрофильтрах при их удельной производительности от 8,8 до 30,8 л/с на 1 м2 полезной площади сетки с размерами ячейки в свету 40 х 40 мкм от диатомовых, зеленых и сине-зеленых водорослей, составляет по данным [4] от 74,3 до 63%. На режим работы и промывки данных сооружений отрицательно влияет химическое и биологическое зарастание сеток.

В работе отстойников и осветлителей со слоем взвешенного осадка особые трудности создают сине-зеленые водоросли, так как наличие у них газовых вакуолей способствует флотации хлопьев. Остающиеся после отстойников и осветлителей клетки фитопланктона кольматируют верхние слои загрузки фильтров, в результате чего нарушается равномерность фильтрования воды по их площади, резко возрастают потери напора, снижается продолжительность фильтроцикла, увеличивается количество промывок и, как следствие, снижается производительность водоочистной станции. При промывке фильтров образуются непромывные зоны загрузки с накопленными в них органическими веществами, способными разлагаться и ухудшать качество воды. Наличие в воде соединений железа и марганца также приводит в этом случае к снижению грязеемкости загрузки фильтров.

Использование контактного фильтрования при очистке воды маломощных эвтро-фированных водоемов ограничивается зарастанием дренажных систем большого сопротивления, небольшой грязеемкостью фильтрующей загрузки и требуемыми большими расходами воды на промывку.

Интенсифицировать и повысить эффективность осветления предварительно отсто-енной воды из эвтрофированных водоемов, после ее коагулирования и образования в ней взвеси, содержащей, в основном, растворенную органику, адсорбированную на гидроокисях металла-коагулянта позволяет в ряде случаев применение флотации [5]. Но при этом необходимо учитывать, что в результате флотации образуется в большом количестве способный к загниванию, плохо уплотняющийся и сильно обводненный осадок с влажностью 99 - 99,5 %, последующее обезвоживание и утилизация которого вызывают трудности.

Сложность функционирования технологических систем водоподготовки из эвтро-фированных маломощных водоисточников обусловлена также нестационарностью качества поступающей воды, связанной с аллохтонным и автохтонным загрязнением, недостаточной санитарно-гигиенической надежностью перечисленных выше технологических приемов и требуемыми, значимыми для малых населенных пунктов инвестициями.

С учетом вышеизложенного была разработана усовершенствованная технологическая схема водоподготовки [6], отличающаяся от известных применением в ее составе новых конструкций микрофильтров с комбинированными сетчато-гранульными полимерными фильтрующими элементами [7] и двухступенных осветлительно-сорбцион-ных фильтров [8].

в

13

Рис. 1. Технологическая схема очистки и обеззараживания воды

1 - озеро; 2 - ковш; 3 - НС-1; 4 - микрофильтр; 5 - двухступенный фильтр; 6 - блок УФ-облуче-ния; 7 - резервуар чистой воды; 8 - НС-11; 9, 10, 11 и 12 - отделения для приготовления и дозирования раствора окислителя, коагулянта, порошкового сорбента и гипохлорита натрия; 13 -

промывной насос

Она предусматривает (рис. 1) предварительное безреагентное фильтрование воды через крупногранульную плавающую загрузку, размещенную в корпусе фильтра ФПЗ-1 или микрофильтра специальной конструкции, обработку воды одним из окислителей (перекись водорода, озон, гипохлорит натрия) с последующим коагулированием и двух-ступенным фильтрованием через осветлительно-сорбционную загрузку или двухслойную инертную загрузку с периодическим вводом в ее толщу мелкогранульного сорбента. Обеззараживание очищенной воды осуществляется совместным УФ-облучением и ультразвуком с последующим вводом раствора гипохлорита натрия, обладающего пролонгирующим действием.

Исследования проводились на маломощном водоеме - оз. Старое (рис. 2), являющимся единственым возможным поверхностным водоисточником небольшого города с допустимым отбором воды из него на хозяйственно-питьевое водоснабжение по санитарным условиям до ~ 500 м3/сут. Протяженность озера достигает 1,5 - 2 км, а максимальная глубина до 3,5 м.

Рис. 2. Ковшевой водозабор из оз. Старое

Природная вода в течение периода наблюдений (табл. 1 и 2) характеризовалась повышенной цветностью (23 - 112 град.) и окисляемостью (7,5 - 27,9 мгО2/л), колебания-

ми мутности в зависимости от волновых процессов и размыва берегов, уровня воды в озере - от 3,2 до 27,3 мг/л. Интенсивность запахов и привкусов, преимущественно болотного, тинистого, землистого и гнилостного характера достигала 3 - 4 баллов. Отмечено увеличение с годами в летне-осенние периоды рН воды с 7,8 до 9,8, что может быть объяснено ростом концентрации ионов НС03-. На это указывает и динамика изменения щелочности воды: от 3,9 - 5 мг-экв/л в 2001 г. до 6 - 8 мг-экв/л в 2003 г. и до 12,3 - 15,6 мг-экв/л в 2005-2006 гг. Из других показателей воды был отмечен прирост жесткости общей с 9,8 - 11,5 до 12,7 - 13,9 мг-экв/л. В летние месяцы температура воздуха в отдельные годы достигала +35 + +40 °С, а вода прогревалась до +30 °С. Одновременно наблюдалось и резкое ухудшение санитарного состояния водоема. Продолжительность периода «цветения воды», обусловленная массовым развитием фитопланктона, составляла в среднем от 3 до 5 месяцев в году.

Таблица 1

Динамика изменения качества воды оз. Старое

№ Показатели Средние значения

п/п

2001 2003 2005 2006

1. Запах, балл при 20 0С 1 2 2 - 3 3 - 4

2. Привкус, балл при 20 0С 3 3 2 - 3 2 - 3

3. Мутность, мг/л 7,4 3,2 - 7,2 4,8 - 27,3 40

4. Цветность, град. 51 - 62,3 12 - 27 23 - 115 30 - 40

5. рН 7,8 - 8 7 - 9,1 7,1 - 9,8 9,05

6. Окисляемость, мгО2/л 12 - 13,5 7,5 - 14,9 7,8 - 27,9 9 - 10

7. Щелочность, мг-экв/л 3,9 - 5 6 - 8 6,3 - 15,6 12,3

8. Жесткость общ., мг-экв/л 9,8 10 - 11,5 9,2 - 13,9 12,7 - 13

Исходная вода, предварительно отстоенная в ковше (рис. 2а), насосом подавалась на экспериментальный стенд, смонтированный в помещении насосной станции первого подъема. Анализ динамики изменения качества воды в ковше показал, что в течение года за исключением летних месяцев с высокими температурами воды содержание взвешенных веществ в ней, мутность, частично цветность и окисляемость снижались. В периоды интенсивного развития фитопланктона в ковше наблюдалось повышение окисля-емости и усиление запахов до 4 баллов.

Изучение процессов предварительной безреагентной очистки воды от фитопланктона осуществлялось на модельном напорном префильтре диаметром 200 мм и высотой 1,2 м с фильтрующей загрузкой выполненной из вспененных гранул полистирола с общей высотой распределительного и рабочего слоя 0,45 м и крупностью гранул от 3 до 1,5 мм. Температура воды в период исследований колебалась от +18 до +20°С, а количество водорослей в ней достигало ~ 24 млн.кл/л. Фрагменты работы плавающей загрузки префильтра представлены на рис. 3.

Было установлено, что эффективность безреагентной очистки воды от водорослей зависит не только от их содержания в исходной воде, но и весьма существенно - от скорости фильтрования. Так, в режимах скоростей фильтрования до 40 - 50 м/ч в направлении снизу вверх был достигнут эффект удаления водорослей по количеству организмов в среднем до 20%, а по биомассе - до 40%. При этом потери напора к концу филь-троцикла продолжительностью ~ 72 ч достигали 4,8 м. Анализ кривых выноса загрязнений при промывке загрузки в направлении сверху вниз показал, что при интенсивности промывки ~ 35 л/с.м2 и величине относительного расширения слоя не менее 30% ос-

Таблица 2

Динамика изменения качества воды оз. Старое

№ Показатели Значение

п/п

05.01.05 27.01.05 17.03.05 29.04.05 07.05.05

1. Запах, балл при 20 °С 1 2 2 3 2

2. Привкус, балл при 200С <2 - 3 3 3 2 2

3. Мутность, мг/л 18,5 -22,4 6,4 - 7 6,4 - 8 13,6 -15,7 7,3 - 11

4. Цветность, град. 23 - 51 24 - 30 24 - 30 30 - 46,7 25 - 31,4

5. рн 7,6 - 7,8 7,3 - 8 7,3 - 8 7,1 - 9 7 - 8

6. Жесткость общ., мг-экв/л 9,8 11,6 - 13 11,6 -13,5 12,7 - 13 9,2 - 11,2

7. Сухой остаток, мг/л 584,01 -623,1 592 -611 683 -694 681 -697,8 587 -651,3

8. Хлориды, мг/л 185 - 203 525 - 596 608 - 650 426 - 450 430 - 450

9. Сульфаты, мг/л 79,4 - 121 305 - 420 305,1 -412 305 -412,5 305 -428,9

10. Железо общ., мг/л 0,5 - 0,8 0,68 - 0,7 0,68 -0,76 0,68 -0,71 0,16 - 0,2

11. Аммиак, мг/л 0,08 - 0,1 0,5 - 0,61 0,5 - 0,59 0,5 - 0,54 0,15 - 0,2

12. Марганец, мг/л 0,08 -0,12 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

13. Нитриты, мг/л 0,12 -0,14 0,07 -0,08 0,070,076 0,07 -0,081 0,0170,02

14. Нитраты, мг/л 7,3 - 8,2 н/д н/д н/д 0,144 -0,16

15. Фтор, мг/л 0,54 -0,56 0,61 -0,69 0,61 - 0,7 0,61 -0,72 0,61 - 0,8

16. Окисляемость, мг02/л 12 - 14,5 7,8 - 9 18 - 25 12,9 - 15 12 - 15

17. Щелочность, мг-экв/л 3,9 - 5,6 10,5 -11,4 10,5 -11,6 10,5 -12,0 10,5 -11,4

18. Общая минерализация, мг/л 1665 -1781 1663 -1723,0 1663 -1713,0 1663 -1781,0 1327 -1471,0

Рис. 3. Фрагменты работы фильтрующей загрузки префильтра:  скопление колоний фитопланктона в слоях; б - задержание загрузкой рачков

а

новная масса задержанных загрязнений выносится в первые 6 - 7 минут. Следует также отметить, что в периоды отсутствия интенсивного «цветения воды» префильтры, входящие в состав технологической схемы могут отключаться.

Методом пробного коагулирования предварительно отстоенной и профильтрованной воды были определены тип коагулянта и его рабочая доза. Результаты исследований реа-гентной обработки (август 2005 г.) с использованием полиоксихлорида алюминия марок «Аква-Аурат-18» и «БОПАК Е-10» с концентрациями растворов от 1 до 5% и дозами от 0,5 до 15 мг/л показали, что более эффективным для очистки данной воды оказался «Ак-ва-Аурат-18» с концентрацией рабочего раствора 4 % и дозой коагулянта 8 мг/л.

Другая серия опытов (август 2006 г.) проводилась с использованием только 4%-го раствора полиоксихлорида алюминия марки «Аква-Аурат-18». Температура воды составляла в опытах +16 + +18 °С. Качество воды контролировалось по таким показателям, как перманганатная окисляемость, цветность, мутность, щелочность и рН с использованием прибора «Экотест» и стандартных тест-систем. Было установлено, что при дозе коагулянта в пределах от 6 до 8 мг/л наблюдается максимальное снижение концентраций анализируемых ингредиентов (рис. 4). При этом содержание остаточного алюминия в пробе отстоенной и отфильтрованной воды не превышало 0,2 мг/л.

45

40 35 30 25 20 15 10 5 О

-- —

2.5

15

17,5

20

5 7.5 10 12,5

Доза коагулянта, мг/л

—рН — — окисляемость лерм., мгО/л

--щелочность, мг-экв/л —•—мутность, мг/л

• цветность, град.

Рис. 4. Изменение концентраций ингредиентов в зависимости от дозы коагулянта

При более высоких значениях цветности и окисляемости исходной воды изучалось влияние ее предварительной обработки различными окислителями на интенсификацию процесса коагуляции. Некоторые результаты таких исследований представлены в табл. 3.

В процессе исследований изучалась также эффективность доочистки воды на модели осветлительно-сорбционного фильтра (ОСФ) диаметром 100 мм и высотой 2,8 м, загруженного соответственно слоем инертной пенополистирольной (Носв = 1,1 м, йосвмд = 2 - 4 мм, ёосв = 0,5 - 1,5 мм) и комбинированной (Нком = 0,7 м, йсорб = 0,5 - 1,5 мм) загрузки. Формирование слоя комбинированной загрузки осуществлялось путем введения мелкогранульного сорбента в верхний слой пенополистирола на последней стадии его промывки. Было установлено, что при восходящем фильтровании воды имеющей запах 3 балла, цветность 46,7 град., окисляемость 12,9 мгО2/л, и содержащей азот аммонийный в ко-

Таблица 3

Динамика изменения разовых показателей качества исходной воды

Точки отбора проб Показатели качества воды

Температура, оС ш Цветность, град. Экислж мость мг/л Щелочность, лг-экв/) Запах/ ривкус балл Фитопланктон, тыс.кл./мл

Исходная вода 17,5 32 30 10 9,0 3/2 14 - 16

Ковш-отстойник 18,5 6 25 8 9,8 3/4 25 - 30

Ковш-отстойник, хлорирование Дгхн = 1,5 мг/л, коагулирование 21 3 15 7 8,5 3/4 15 - 20

Ковш-отстойник, хлорирование Дгхн = 1,5 мг/л, обработка перекисью водорода Д = 3 мг/л, коагулирование 21 2 10 6,2 4,9 3/4 12 - 18

Рис. 5. Фрагменты станции подготовки питьевой воды: 1 - микрофильтр; 2 - двухступенный осветлитель-ный фильтр; 3 - сорбционный фильтр; 4 - контактный бассейн озонирования вод

личестве 0,54 мг/л через ОСФ в течение 10 часов работы, времени контакта 12 мин и дозе сорбента 5 г/м3 эффект очистки составил по азоту аммонийному - 48%, цветности -57%, перманганатной окисляемости - 62%. Запах в очищенной воде отсутствовал.

Применение таких фильтров на заключительной стадии обработки позволяет оперативно реагировать на изменение качества исходной воды в зависимости от степени антропогенной нагрузки и уменьшить капитальные затраты на строительство новых станций.

Для подготовки более сложной по физико-химическому составу воды оправдано применение на заключительном этапе дополнительного озонирования и сорбции с использованием стационарных адсорберов. На рис. 5 представлены фрагменты станции подготовки питьевой воды по такой технологии с полезной производительностью ~ 650 м3/сут. Основными экономическими трудностями ее эксплуатации является необходимость частой замены сорбционной загрузки при появлении в исходной воде запахов и привкусов интенсивностью свыше 3 баллов.

Литература

1. Коврижных А.И. Фитопланктон и фитобентос канала Северский Донец - Донбасс и их влияние на качество воды /Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Киев: Институт гидробиологии АН УССР, 1978. - 27 с.

2. ГОСТ 2761-84. Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора (с Изменением № 1). Утв. от 27.11.1984 № 4013.

3. Журба М.Г., Соколов Л.И., Говорова Ж.М. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. Т.2. - М.: АСВ, 2004. - 496 с.

4. Лонд Х.Я. Исследование микрофильтрации для предварительной очистки питьевых вод / Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Каунас, 1966.

5. Ушаков Л.Д. Комбинированное сооружение для очистки воды флотатор-фильтр. Экспресс-информ. ЦБНТИ Минводхоза СССР. Сер. 4. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. 1987, вып. 5, С. 1 - 10.

6. Говорова Ж.М. Усовершенствование водоочистных технологий при антропогенных нагрузках на водоисточники. / Обзорная информация. Сер. Инженерное обеспечение объектов строительства. - М.: ВНИИНТПИ, 2000. - Вып. 4. - 66 с.

7. Авторское свидетельство на изобретение № 762921 В0Ш23/10. Установка для очистки от взвешенных частиц и фитопланктона. /Журба М.Г., Приходько В.П., Луцен-ко П.П., Бондаренко Г.А., Иванов Е.В. Бюл. № 34, опубл. 15.09.80.

8. Покровский М.С., Говорова Ж.М. Осветлительно-сорбционный фильтр. /Водоснабжение и санитарная техника, № 7, 2000. - С. 7 - 11.

Ключевые слова: озонирование, очистка, качество воды, крупногранульная загрузка, коагулирование

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»