ТЕХНОЛОГИЯ СИСТЕМНО-КОМПЛЕКСНОЙ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИОННОЙ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И МОДУЛЬНАЯ СТАНЦИЯ "ВОДОПАД" ДЛЯ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TECHNOLOGY OF SYSTEM-COMPLEX ELECTROCOAGULATION TREATMENT OF DRINKING WATER AND MODULAR "WATERFALL" STATION THEREFOR

Изобретение относится к области технологии очистки воды, а именно, к технологии системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки качественной питьевой воды из природных подземных и поверхностных водоисточников с преимущественно высоким уровнем концентрации минеральных и органических загрязняющих веществ и патогенной микрофлоры, как природного, так и техногенного происхождения, вследствие сброса в водоемы неочищенных сточных вод и выпадения токсичных веществ с атмосферными осадками в районах повышенного сосредоточения населенных пунктов, промышленных предприятий тяжелой промышленности, химических производств, предприятий добычи и переработки полезных ископаемых, а также в полярных и заполярных районах РФ в условиях безальтернативного использования имеющихся водоисточников с высоким содержанием загрязняющих веществ.
Широко известны типовые технологии подготовки воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения, такие как технология обезжелезивания подземных вод с использованием процессов аэрации и фильтрования, технология химреагентной водоподготовки с использованием коагулянтов и флокулянтов, а также технологии озонирования, хлорирования и сорбционного фильтрования воды.
Многолетний практический опыт длительной эксплуатации водоочистных сооружений, использующих различные комбинации вышеуказанных технологий, свидетельствует о том, что наблюдаемое превышение допустимых концентраций загрязняющих веществ в очищенной воде, используемой для хозяйственно-питьевого водоснабжения, указывает на несоответствие применяемых технологий характеру и уровню загрязнения воды используемых водоисточников.
В частности, установлено, что при эксплуатации станций обезжелезивания подземных вод в районах Среднего Поволжья, в приполярных районах северного Урала, на территории Западной и Восточной Сибири, Камчатки и Сахалина из воды не удаляются соединения железа, марганца и кремния, концентрация которых в очищенной воде существенно превышает предельно-допустимые [Шиблева Л.Г., Крылов Г.В., Макаров В.В., Демидович В.Н. Экологические аспекты обезжелезивания кремнесодержащих вод // Нефть и газ. Известия высших учебных заведений. - №3. - 2001.]. Соединения железа и марганца относятся к третьему классу опасности (опасные), а соединения кремния - ко второму классу опасности (высокоопасные) по санитарно-токсикологическому лимитирующему показателю вредности.
Плохое качество очистки воды методом аэрации и фильтрования через зернистые загрузки обусловлено тем, что в названных регионах в подземных водах присутствуют в высоких концентрациях соединения кремния, которые оказывают весьма существенное влияние на процесс обезжелезивания воды. При фильтровании аэрированной воды на поверхности зерен фильтрующей загрузки формируется каталитическая адсорбционная пленка, состоящая в основном из соединений железа. При этом на ее поверхности адсорбируются не только ионное железо, но и другие примеси воды, в том числе и соединения кремния в виде кремниевой кислоты - силикаты. При больших концентрациях силикатов в обрабатываемой воде происходит образование устойчивых коллоидных соединений с атомами железа, а также блокировка ими активной поверхности каталитической адсорбционной пленки, что замедляет, а затем и полностью прекращает процесс каталитического обезжелезивания воды. Кремниевая кислота в процессе обезжелезивания из воды практически не удаляются вследствие ее высокой растворимости, поэтому даже двух-трехступенчатое фильтрование таких вод через зернистые загрузки не обеспечивает нормативных показателей качества подготовки питьевой воды.
Многолетний опыт применения типовых химреагентных технологий с использованием химических коагулянтов и флокулянтов, включающих процессы озонирования или хлорирования, для очистки воды из высокозагрязненных поверхностных водоисточников показывает, что очистка воды до нормативных показателей часто не обеспечивается, вследствие повышенного содержания в поверхностной воде продуктов разложения растений в виде гуминовых и фульвокислот, присутствием которых обусловливает высокую цветность воды, достигающую 500-700 градусов. Кроме того, наличие в воде водоисточников техногенных загрязнений требует введения высоких концентраций реагентов и окисляющих агентов в виде озона или хлора, что в совокупности приводит к дополнительному загрязнению воды в процессе очистки остаточным озоном, хлором и образовавшимися при окислении органических загрязнений продуктами окисления в виде формальдегидов и хлорорганических соединений, токсичность которых значительно превышает токсичность исходных загрязняющих веществ.
Основным недостатком химреагентных технологий является то, что процесс очистки воды протекает с участием слабого межмолекулярного взаимодействия между растворенными в воде молекулами загрязняющих веществ и молекулами коагулянтов и флокулянтов. При этом все участвующие во взаимодействии молекулы растворенных веществ окружены молекулами воды и представляют собой устойчивые гидратные комплексы. Гидратные оболочки, окружающие молекулы загрязнений, характеризуются высокой устойчивостью и затрудняют процесс их взаимодействия с коагулянтами, поэтому для повышения интенсивности взаимодействия и эффективности очистки температура очищаемой воды должна быть не ниже 15-18°С [Фрог Б.Н., Левченко А.П. Водоподготовка. - М.: Изд-во МГУ. - 1996; Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука. - 1977].
Вышеизложенные факты являются причиной целого ряда ограничений при выборе водоисточников согласно ГОСТ 2761-84 "Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора". В частности, показатель цветности, характеризующий присутствие окрашенных трудноудаляемых веществ в подземной воде, не должен превышать 50 градусов, а в поверхностной воде - 200 градусов.
Следовательно, в условиях вынужденного безальтернативного использования водоисточников с повышенным содержанием минеральных и органических загрязнений требуется применение более эффективных и надежных технологий.
В качестве альтернативной технологии водоподготовки известен способ очистки воды электрокоагуляцией [Кульский Л.А., Строкач П.П., Слипченко В.А. Очистка воды электрокоагуляцией. - Киев. - 1976], где изложены результаты экспериментальных исследований электрокоагуляционной очистки природных поверхностных вод, сточных вод и выявлен целый ряд технических проблем, препятствующих его широкому промышленному использованию, вследствие технической трудности обеспечения стабильности технологического процесса, обусловленного интенсивным процессом электрохимической пассивации поверхности алюминиевых и железных электродов в результате образования нерастворимого несмываемого слоя осадков на их поверхности.
Известен способ очистки питьевой воды и устройство для его осуществления [RU 2096342 С1, МПК 6 C02F 1/78, C01D 13/11, опубл. 1997]. Устройство представляет собой модульную установку, состоящую из модуля предварительной очистки, содержащего последовательно соединенные насос, гидроциклон и фильтр грубой очистки, модуля озонирования в виде двух колонн и расположенного между ними модуля электрокоагуляции в виде электролизера с инертными катодами, модуля обессоливания, модуля финишной очистки, представляющего собой последовательно соединенные фильтр тонкой очистки в виде микромодулей полых волокон и УФ-реактор, и силового модуля, в качестве которого может работать дизель-генераторная установка или линия электропитания. Способ очистки воды включает следующие операции: забор очищаемой воды, предварительную очистку, первое озонирование, электрокоагуляцию, второе озонирование, обессоливание, тонкую фильтрацию и УФ-облучение.
Недостатком данного изобретения является то, что, при использовании метода озонирования происходит окисление загрязнений с образованием нерастворимых и растворимых веществ, в том числе и высокотоксичных, таких как формальдегид и диоксины, которые не могут быть удалены из воды, поскольку использование модуля электрокоагуляции в виде электролизера с инертными катодами может обеспечить только удаление взвешенных веществ, не изменяя концентрации растворенных, в том числе токсичных веществ в очищаемой воде. Кроме того, использование модуля финишной очистки в виде микромодулей полых волокон не может обеспечить очистку воды от растворимых, в том числе токсичных веществ, поскольку полые волокна предназначены для удаления твердой фазы мелковзвешенных веществ.
Известен способ очистки воды и модульное устройство для его осуществления [RU 2151106 С1, МПК 7 C02F 9/14, опубл. 2000]. Способ очистки включает предварительную очистку, первую стадию озонирования, электрокоагуляцию, вторую стадию озонирования и финишную очистку. Предварительно определяют содержание разлагаемых озоном примесей, на первой и второй стадиях озонирования генерируют количество озона, превышающее необходимое не более чем на 7%, а на финише проводят очистку консорциумом микроорганизмов. Модульное устройство для очистки воды содержит модуль предварительной очистки, модуль озонирования, модуль электрокоагуляции, модуль фильтрации с плавающей загрузкой, модуль обессоливания, модуль финишной очистки, содержащий последовательно соединенные фильтр тонкой очистки и УФ-реактор, и силовой модуль. Модуль электрокоагуляции содержит электроды, выполненные из алюминия или алюминиевого сплава и подключенные с возможностью изменения полярности электродов. Модуль предварительной очистки содержит последовательно установленные насос, гидроциклон и/или фильтр грубой очистки. Силовой модуль электрически соединен с насосами, генераторами озона, деструктором озона, с модулем электрокоагуляции, модулем обессоливания и УФ-реактором.
Недостатком известной технологии очистки воды является то, что при его осуществлении необходимо выполнение большого объема химических анализов для регулярного предварительного определения концентрации удаляемых с использованием озона примесей в подлежащей очистке воде, после чего выбирают необходимую концентрацию озона, генерируемого колоннами озонирования. Кроме того, необходима круглосуточно функционирующая химическая лаборатория, поскольку контроль концентрации остаточного озона в очищенной воде перед ее поступлением в водопроводную распределительную сеть должен осуществляться через каждый час работы модульного устройства, в соответствии с нормативными требованиями. И, наконец, при озонировании очищаемой воды возможно образование высокотоксичных диоксидов и формальдегида
В основу заявляемого технического решения положены результаты технологических исследований, выполненных с применением стендовых масштабно-моделирующих технологических линий на базе электрокоагуляционной технологии при использовании природных вод из большого числа подземных и поверхностных источников на реальных объектах хозяйственно-питьевого водоснабжения предприятий добычи и транспорта газа, нефтяных промыслах и ЖКХ населенных пунктов.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка технологии системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды из подземных и поверхностных источников путем ее глубокой очистки от минеральных загрязняющих веществ в виде соединений железа, марганца, кремния, фосфора, бора, тяжелых металлов и органических загрязняющих веществ в виде гуминовых и фульвокислот, фенолов, СПАВ, дефолиантов, пестицидов, присутствующих в воде в трех состояниях - в виде взвешенных веществ, коллоидных и растворимых в воде соединений в виде устойчивых гидратных комплексов с достижением гарантированного и стабильного обеспечения нормативных показателей качества подготовки питьевой воды при использовании подземных и поверхностных источников, характеризующихся высоким содержанием и значительными сезонными и суточными колебаниями концентрации природных и антропогенных минеральных и органических загрязняющих веществ в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".
При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении стабильности и эффективности очистки воды из поверхностных и подземных источников, в том числе с высоким содержанием трудноудаляемых природных и антропогенных минеральных и органических загрязняющих веществ путем применения технологии системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды "Водопад", реализующей непрерывное осуществление управляемых технологических процессов удаления из воды взвешенных загрязняющих веществ, свободной углекислоты, сероводорода, аммиака, летучих веществ, насыщения воды кислородом воздуха, кондиционирования воды с целью достижения необходимой величины водородного показателя и электропроводности, механо-химической дезагрегации коллоидных соединений и гидратно-ассоциированных комплексов загрязняющих веществ, окисления загрязняющих веществ кислородом воздуха, обеспечения заданных параметров электрохимического взаимодействия атомов металлического алюминия с молекулами воды и молекулами растворенных минеральных и органических загрязняющих веществ с образованием активной мономолекулярной формы коагулянта - гидроокиси алюминия и нерастворимых алюмоминеральных, алюмосиликатных и алюмоорганических комплексных соединений, обеспечения интенсивной коагуляции и агрегации токсичных минеральных и органических загрязняющих веществ, каскадного удаления загрязнений из воды путем осветления, финишного фильтрования, ультрафиолетового обеззараживания с результирующим обеспечением высокого качества получаемой питьевой воды, с сохранением полезной минерализации.
Указанный технический результат по объекту - способ достигается тем, что способ системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды, заключается в последовательном проведении следующих технологических процессов: исходную воду подвергают предварительной гидродинамической очистке от взвешенных веществ, циркуляционной вакуумно-эжекционной аэрации и дегазации, окислительной обработке и кондиционированию путем циркуляционной механо-химической дезагрегации коллоидных и гидратно-ассоциированных загрязняющих веществ с одновременным дозированием хлорида натрия, щелочных или кислотных реагентов, обеспечивающих оптимальные величины электропроводности и водородного показателя воды, степени окисления загрязняющих веществ, затем осуществляют комплексную электрокоагуляционную, электрохимическую и электромагнитную обработку кондиционированной воды в электрокоагуляторе с растворимыми электродами из высокочистого алюминия с осуществлением очистки указанных электродов, удаляют переведенные в нерастворимое состояние минеральные и органические вещества в процессе каскадного осветления воды с обеспечением организованного движения очищаемой воды сначала сверху вниз, а затем снизу вверх и тонкой финишной очистки путем фильтрования с заключительным обеззараживанием ультрафиолетовым облучением.
Указанный технический результат по объекту - устройство достигается тем, что в известной модульной станции системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды, содержащей последовательно расположенные технологические модули: модуль предварительной очистки и дегазации исходной воды, модуль комплексной электрокоагуляционной обработки воды, и модуль финишной очистки и обеззараживания воды, особенностью является то, что станция дополнительно перед модулем комплексной электрокоагуляционной обработки воды содержит модуль циркуляционного кондиционирования воды, состоящий из циркуляционного контура, образованного кольцевой трубопроводной обвязкой с многосекционным насосом и емкостью для кондиционирования воды, и выполненный с возможностью контроля электропроводности и объема обрабатываемой воды, а перед модулем финишного фильтрования и УФ-обеззараживания дополнительно расположен модуль каскадного осветления и очистки воды, состоящий из ряда последовательно функционирующих камер осветления с набором тонкослойных элементов в виде кольцевых профилированных пластин, при этом указанный модуль комплексной электрокоагуляционной обработки содержит электрокоагулятор с вертикально расположенными растворимыми электродами из высокочистого алюминия, сверху которого установлен дегазатор, причем посредством трубопроводной обвязки образован циркуляционный контур с возможностью подачи в него сжатого воздуха, включающий указанные электрокоагулятор, дегазатор и насос для образования циркуляционного движения воды с возможностью импульсной пневмо-гидродинамической очистки электродов, станция оборудована трубопроводной обвязкой с запорно-регулирующей арматурой, связывающей указанные модули с коллектором сброса осадков в дренаж и коллектором отвода газов в атмосферу, и снабжена электросиловым модулем. Кроме того, модуль предварительной очистки и дегазации исходной воды для обеспечения гравитационно-гидродинамической очистки исходной воды от взвешенных частиц загрязнений состоит из сетчатого фильтра грубой очистки, расположенного в расширительной камере, и контура циркуляционной вакуумно-эжекционной аэрации, соединенного с насосом-дозатором для подачи хлорида натрия, щелочных или кислотных реагентов для кондиционирования воды. Модуль тонкой финишной очистки и обеззараживания воды состоит, например, из фильтра с зернистой загрузкой и УФ-лампы. В качестве зернистой загрузки фильтра модуля тонкой финишной очистки возможно использование слоя гравийной загрузки и фильтрующей загрузки из кварцевого песка или из дробленого керамзита. Модульная станция может быть дополнительно снабжена модулем автоматизированной системы управления технологическими процессами.
Заявленная группа технических решений соответствует требованию единства изобретения, поскольку образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - модульная станция системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды предназначена для осуществления другого заявленного объекта группы - способа системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды, при этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.
Системно-комплексная последовательность технологических операций обеспечивает гарантированное достижение заданных количественных и качественных показателей в результате осуществления технологического процесса подготовки питьевой воды с помощью модульной станции, имеющей в своем составе взаимосвязанные функциональные модули с заявляемым конструктивным исполнением. В модуле предварительной очистки и дегазации исходной воды осуществляется седиментационное гидродинамическое удаление из воды крупных взвешенных частиц загрязнений, затем с помощью циркуляционной вакуумно-кавитационной исходной воды обработки и активной аэрации воды обеспечивается удаление свободной углекислоты, сероводорода, метана, аммиака, летучих пахнущих веществ и насыщение воды кислородом воздуха.
В модуле циркуляционного кондиционирования воды в процессе интенсивной циркуляционной обработки воды обеспечивается интенсивное окисление соединений различных металлов, гидродинамическая и механо-химическая дезагрегация гидратных комплексов растворенных минеральных и органических загрязняющих веществ, а также путем дозирования соответствующих реагентов обеспечиваются оптимальные величины показателей электропроводности и водородного показателя воды.
В модуле комплексной электрокоагуляционной обработки кондиционированной воды в режиме активной циркуляции воды под воздействием постоянного тока обеспечивается стабильный процесс электрохимического растворения алюминия с образованием высокоэффективного коагулянта в виде мономолекулярной формы гидроокиси алюминия с заданной концентрацией и равномерным распределением коагулянта по объему обрабатываемой воды, при этом также происходит электрохимическое взаимодействие атомов алюминия с молекулами кремниевой кислоты, гуминовых и фульвокислот с образованием соответствующих нерастворимых алюмосиликатов и алюмоорганических соединений. Электромагнитная обработка воды осуществляется в процессе ее циркуляционного движения между пластинами растворяемых алюминиевых электродов, к которым приложено напряжение постоянного тока, и сопровождается переходом молекул загрязняющих веществ в метастабильное состояние, которое способствует их агрегации, образованию взвешенных частиц и коагуляции загрязнений. Стабильный непрерывный процесс электрохимической реакции растворения алюминия обеспечивается в результате эффективного удаления от их поверхности продуктов электрохимического взаимодействия атомов алюминия с загрязняющими веществами с помощью циркуляционной и импульсной пневмо-гидродинамической системы очистки электродов.
В модуле каскадного осветления и очистки воды на первой ступени осветления обеспечивается интенсивный процесс агрегации загрязняющих веществ и активное хлопьеобразование за счет организованного с помощью тонкослойных элементов ламинарного перекрестного перемешивания тонких концентрических чередующихся слоев движущегося вниз потока воды, далее, на второй ступени осветления происходит освобождение воды от крупных хлопьев загрязнений при ее восходящем движении в конической камере через слой взвешенного осадка, при этом происходит непрерывное саморегулируемое удаление избытка осадка в камеру уплотнения, на третьей ступени осветления реализуется тонкое седиментационное осветление воды от мелковзвешенных частиц при ее восходящем движении через тонкослойные элементы с достижением высокой степени удаления загрязняющих веществ из воды на уровне 95-98% от их исходного содержания. В процессе каскадного осветления происходит накопление, уплотнение и периодический сброс электрокогауляционного осадка в дренажный коллектор через заданные промежутки времени в автоматическом режиме.
В модуле тонкой финишной очистки и обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением происходит удаление остаточного количества мелковзвешенных и растворенных загрязняющих веществ при напорном фильтровании через слой зернистой загрузки с гарантированным обеспечением высокого качества очистки и обеззараживания воды до нормативных требований СанПиН 2.1.4.-74-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества" по всем контролируемым показателям.
Модуль электросилового питания обеспечивает работу блока питания постоянного тока для обеспечения процесса электрокоагуляционной обработки воды, работу электросилового оборудования, запорной арматуры, работу системы освещения, системы тепловентиляции, а модуль автоматизированной системы управления технологическими процессами с диспетчерским управлением верхнего уровня обеспечивает непрерывную работу системы датчиков измерения и контроля параметров работы всего комплекса модулей технологического оборудования, работу системы исполнительных механизмов и устройств.
Заявляемая технология системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды осуществляется посредством модульной станции системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды, блок-схема которой представлена на чертеже.
Модульная станция системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды "Водопад" в своем составе содержит следующие последовательно расположенные функциональные модули: модуль предварительной очистки и дегазации исходной воды 1, модуль циркуляционного кондиционирования воды 2, модуль комплексной электрокоагуляционной обработки воды 3, модуль каскадного осветления и очистки воды 4, модуль тонкой финишной очистки и обеззараживания воды 5, модуль электросилового питания 6. Возможно использование модуля автоматизированной системы управления 7 технологическими процессами с диспетчерским управлением верхнего уровня.
Станция оборудована трубопроводной обвязкой с запорно-регулирующей арматурой, которая связывает модули с линией подачи исходной воды, линией очищенной воды, коллектором сброса осадка в дренаж 8 и коллектором отвода газов в атмосферу 9.
Модуль предварительной очистки и дегазации исходной воды 1 может содержать, например, сетчатый фильтр грубой очистки 1.1, расположенный в расширительной камере, выполненный с возможностью резкого снижения скорости движения воды для обеспечения гидродинамической очистки исходной воды от взвешенных частиц загрязнений, и контур циркуляционной вакуумно-эжекционной аэрации 1.2, состоящий из резервуара и, например, циркуляционного эжектора для обеспечения циркуляционной вакуумно-эжекционной дегазации и окислительной обработки исходной воды. Модуль также снабжен системой дозирования растворов веществ для кондиционирования воды 1.3, например, бак для солевого раствора, необходимого для поддержания оптимальной концентрации хлоридов в исходной воде с целью обеспечения оптимальной величины электропроводности воды, и насос-дозатор. Количество дозирования солевого раствора зависит от химического состава воды. Сетчатый фильтр грубой очистки 1.1, контур циркуляционной вакуумно-эжекционной аэрации 1.2 и бак для солевого раствора имеют выходные линии, соединенные с коллектором сброса осадка в дренаж 8, а контур циркуляционной вакуумно-эжекционной дегазации 1.2 выполнен с возможностью соединения с коллектором отвода газов в атмосферу 9.
Модуль циркуляционного кондиционирования воды 2 представляет собой емкость для кондиционирования 2.1, соединенную с многосекционным насосом 2.2 посредством трубопроводного циркуляционного контура. Модуль циркуляционного кондиционирования воды 2 выполнен с возможностью контроля электропроводности и объема обрабатываемой воды, для чего снабжен системой непрерывного контроля электропроводности и объема подачи воды 2.3, представляющей собой, например, кондуктометрическую ячейку и счетчик расходомер. Перед электрокоагуляционной обработкой воды кондуктометрической ячейкой контролируют электропроводность воды, а счетчиком-расходомером определяют ее расход. Многосекционный насос 2.2 снабжен отводом для сброса осадка в коллектор дренажа 8.
Модуль комплексной электрокоагуляционной обработки воды содержит электрокоагулятор 3.1 с вертикально расположенными растворимыми электродами из высокочистого алюминия. Электрокоагулятор 3.1 внизу соединен с трубопроводом поступления воды из модуля циркуляционного кондиционирования воды 2, а вверху - с дегазатором 3.2. Для образования циркуляционного движения воды с возможностью импульсной пневмо-гидродинамической очистки электродов модуль содержит образованный посредством соединения трубопроводной обвязкой циркуляционный контур 3.3, включающий электрокоагулятор 3.1, дегазатор 3.2 и насос, обеспечивающий подачу воды снизу вверх в электрогоагулятор 3.1 вместе с воздухом от компрессора 5.4. Блок питания 3.4 обеспечивает подачу постоянного тока для электрокоагуляционной обработки воды и подсоединен токопроводами к клеммам, закрепленным на пластинах электродов. Выход дегазатора 3.2 снабжен патрубком для соединения с коллектором отвода газов 9 в атмосферу. В нижней части электрокоагулятор 3.1 оснащен патрубком для соединения с коллектором сбора осадков в линию дренажа 8. Циркуляционный контур 3.3 соединен с модулем каскадного осветления и очистки воды 4.
Модуль каскадного осветления и очистки воды 4 состоит из ряда последовательно функционирующих камер осветления с тонкослойными элементами, например, в виде кольцевых профилированных тонкослойных пластин. На фиг., как один из возможных вариантов исполнения, показаны три последовательно соединенные камеры осветления 4.1, 4.2, 4.3 и коллектор сбора и подачи осветленной воды на фильтрование 4.4. Последняя по ходу технологического процесса камера осветления 4.3 соединена с линией отвода газов 9 в атмосферу. Модуль снабжен камерой 4.5 накопления, уплотнения и сброса осадка в линию дренажа 8. Камеры осветления соединены таким образом, что обеспечивается организованное движение очищаемой воды сначала сверху вниз, а затем снизу вверх.
В составе модуля тонкой финишной очистки и обеззараживания воды 5 на входе имеется, например, буферный резервуар 5.1 с устройством автоматического контроля уровня воды, снабженный насосом с частотно-управляемым электроприводом и трубопроводом, присоединенный к входному патрубку фильтра 5.2 тонкой очистки воды, снабженного системой распределения потока воды при фильтровании и промывке. В качестве загрузки фильтра 5.2 может использоваться, например, слой гравийной загрузки и фильтрующей загрузки из кварцевого песка или из дробленого керамзита. Модуль снабжен промывным насосом 5.3, к которому подсоединена линия очищенной воды, в которую подается сжатый воздух компрессором 5.4 для осуществления водовоздушной промывки фильтра 5.2. Фильтр 5.2 соединен трубопроводом с системой 5.5 ультрафиолетового обеззараживания воды, состоящей, например, из ультрафиолетовой лампы в цилиндрическом корпусе с устройством промывки лампы в виде герметичного промывного бачка с встроенным циркуляционным насосом.
В состав модуля электросилового питания 6 входит система электросилового оборудования 6.1, система электроприводов и исполнительных механизмов насосов и запорно-регулирующей арматуры 6.2, система освещения 6.3, система тепловентиляции 6.4.
Модуль автоматизированной системы управления технологическими процессами с диспетчерским управлением 7 верхнего уровня содержит систему датчиков измерения и контроля параметров работы технологического оборудования 7.1, например, манометры, для контроля давления в системе подачи исходной воды, счетчики-расходомеры, датчики контроля уровня воды, систему автоматизированного управления технологическими процессами 7.2, включающую программное обеспечение.
Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом.
На начальном этапе реализации технологического процесса осуществляют комплексный анализ содержания минеральных и органических загрязняющих веществ в исходной воде из подземного или поверхностного источника. На основании результатов анализа с помощью программы автоматизированной системы управления технологическим процессом устанавливают оптимальные технологические параметры работы функциональных систем технологических модулей, а также состав и количество веществ, вводимых в поток в зависимости от состава загрязнений в исходной воде.
Исходную воду из источника подают в модуль предварительной очистки и дегазации исходной воды 1. В сетчатом фильтре грубой очистки 1.1 она подвергается гравитационно-гидродинамической очистке от крупных взвешенных частиц загрязнений с непрерывным осаждением взвешенных частиц, накоплением и периодическим сбросом осадка в линию дренажа 8.
Затем вода для обеспечения циркуляционной вакуумно-эжекционной дегазации и окислительной обработки исходной воды поступает в контур циркуляционной вакуумно-эжекционной аэрации 1.2, где осуществляется процесс интенсивной циркуляционной аэрации, в процессе которой обеспечивается и удаление свободной углекислоты, сероводорода, метана, аммиака, летучих пахнущих веществ, а также активное окисление соединений различных металлов растворенным в воде кислородом воздуха. В процессе циркуляционной вакуумно-эжекционной дегазации и окислительной обработки для интенсификации процессов кондиционирования в воду вводят раствор хлорида натрия с заданной концентрацией для обеспечения оптимальной величины показателя электропроводности и, при необходимости, растворы щелочных или кислотных реагентов для коррекции водородного показателя воды с целью достижения его оптимального значения в зависимости от состава загрязнений в исходной воде.
Далее вода поступает в модуль циркуляционного кондиционирования воды 2, где с помощью многосекционного насоса 2.2, в режиме циркуляции многократно обрабатывается под заданным давлением, при этом обеспечивается гидродинамическая и механо-химическая деструкция гидратных комплексов растворенных в воде минеральных и органических загрязняющих веществ с их переходом в метастабильное состояние, которое активирует физико-химические процессы при поступлении воды, и происходит интенсивное окисление и кондиционирование загрязняющих веществ в режиме с заданной продолжительностью обработки.
С помощью кондуктометрической ячейки 2.3, счетчика-расходомера и насоса с частотно-управляемым электроприводом подачи воды осуществляют непрерывный контроль электропроводности и расхода подачи воды. Затем на дальнейшую обработку воду подают в модуль комплексной электрокоагуляционной обработки воды 3.
В модуле электрокоагуляционной обработки воды в электрокоагуляторе 3.1 протекает управляемый с помощью системы автоматического управления технологическими процессами 7.2 процесс стабильного электрохимического растворения электродов из высокочистого алюминия и образование высокоэффективного коагулянта в виде мономолекулярной формы гидроокиси алюминия, при этом происходит электрохимическое взаимодействие атомов алюминия с гидроксильными группами молекул кремниевой кислоты, гуминовых и фульвокислот с образованием соответствующих нерастворимых алюмосиликатов и алюмоорганических соединений. Циркуляционная и импульсная пневмо-гидродинамическая очистка электродов обеспечивает стабильную и одинаковую по сечению межэлектродных каналов оптимальную заданную скорость течения воды. При этом осуществляется удаление осевших на поверхности алюминиевых электродов нерастворимых осадков путем периодической импульсной подачи сжатого воздуха при автоматическом включении компрессора 5.4 через заданные интервалы времени с заданным расходом и давлением в электрокоагулятор 3.1. В дегазаторе 3.2 вода в режиме вихревого движения освобождается от воздуха и водорода, который образуется в процессе растворения алюминиевых электродов и протекающей при этом электрохимической реакции взаимодействия атомов алюминия с молекулами воды.
После электрокоагуляционной обработки вода подается в модуль каскадного осветления и очистки воды 4, где на первой ступени вода последовательно проходит через камеру с тонкослойными элементами 4.1, в которой обеспечивается интенсификация процесса коагулирующего воздействия мономолекулярной формы гидроокиси алюминия на молекулы загрязняющих веществ и интенсивного хлопьеобразования за счет организованного с помощью профилированных тонкослойных элементов ламинарного перемешивания движущихся наклонно-направленных нисходящих потоков воды. Для эффективного удаления крупных хлопьев загрязняющих веществ обеспечивают фильтрование восходящего потока воды через слой взвешенного осадка. При этом молекулы загрязняющих веществ ′захватываются′ высокоразвитой поверхностью контакта в объеме взвешенного осадка. На выходе из модуля каскадного осветления и очистки воды 4 восходящие потоки воды при контакте с тонкослойными элементами максимально освобождаются от взвеси загрязняющих веществ, с эффективностью очистки, достигающей 95-98% от исходного их содержания. Осадок, непрерывно поступающий в камеру накопления, уплотнения и сброса 4.5 электрокоагуляционного осадка, автоматически, с заданной периодичностью, сбрасывается через коллектор сброса осадка в дренаж 8.
Далее через коллектор сбора и подачи осветленной воды на фильтрование 4.4 воду подают в модуль финишного фильтрования и обеззараживания воды 5, в котором с помощью насосной группы и блоком частотного управления электроприводами насосов осуществляют равномерную напорную подачу воды на фильтр тонкой очистки воды с зернистой фильтрующей загрузкой и с равномерным распределением потока воды по сечению фильтра 5.2 с помощью которого обеспечивается эффективное фильтрование воды с максимальным использованием грязеемкости фильтрующей загрузки по всему ее объему и обеспечением высокого качества финишной очистки воды от минеральных и органических загрязняющих веществ. На конечном этапе технологического процесса подготовки питьевую воду облучают, например, ультрафиолетовыми лампами (УФ-лампы) 5.5 с заданной интенсивностью обработки.
Для обеспечения периодической очистки фильтрующей загрузки от накапливающихся в процессе фильтроцикла загрязнений воды предусмотрена водо-воздушная промывка фильтра насосной группой с частотно-управляемым электроприводом путем подачи сжатого воздуха для интенсификации технологических процессов с заданной интенсивностью промывки фильтра в зависимости от количества и состава удаляемых загрязняющих веществ.
Для обеспечения работы всех систем модульной станции электрокоагуляционной подготовки воды "Водопад" предусмотрен модуль электросилового питания 6.
Для обеспечения непрерывной согласованной работы модулей и функциональных систем станции предусмотрено использование модуля автоматизированной системы управления технологическими процессами с диспетчерским управлением верхнего уровня 7.
Осадки, образующиеся при работе технологических модулей 1, 2, 3, 4, и промывная вода после промывки фильтра 5.3 отводятся из модульной станции с помощью коллектора сброса осадка 8 в дренаж (канализацию), а выделяющиеся в процессе вакуумно-кавитационной дегазации газы, водород, выделяющийся в процессе электрокоагуляционной обработки воды, и воздух, используемый для водо-воздушной промывки фильтра, отводят через коллектор отвода газов 9 в атмосферу.
3
Испытания заявляемой технологии системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды проведены с использованием изготовленной экспериментальной модели опытно-промышленной автоматизированной модульной станции системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки воды "Водопад" производительностью 170 дм/час на реальных объектах водоснабжения газоконденсатных и нефтяных месторождений, на которых вынужденно используются подземные и поверхностные водоисточники с высоким содержанием загрязняющих веществ, не отвечающие требованиям ГОСТ 2761-84 "Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора".
Необходимо отметить, что на указанных объектах внедрение технологий аэрации и фильтрования, химреагентной технологии с использованием коагулянтов и флокулянтов, озонирования и мембранных технологий с использованием обратного осмоса не обеспечили очистку высокозагрязненных природных вод до достижения требований СанПиН 2.1.4.1074-01.
В процессе испытаний были выполнены химические анализы исходной и очищенной до нормативных показателей СанПиН 2.1.4.1074-01 воды в аккредитованных испытательных лабораториях Федеральных центров гигиены и эпидемиологии.
В качестве примеров в таблицах 1, 2, 3 приведены результаты опытно-промышленных испытаний.
Данные, представленные в таблице 1, показывают, что вода из подземного водоисточника Когалымского нефтяного месторождения характеризуется высоким содержанием соединений железа, марганца и кремния. На данном объекте проектом обустройства была запроектирована станция с использованием технологии обезжелезивания методом аэрации и фильтрования через зернистые загрузки. После введения ее в эксплуатацию, на выходе наблюдалось 5-6-кратное превышение предельно-допустимой концентрации соединений железа, 5-кратное превышение соединений марганца и двухкратное превышение предельно-допустимой концентрации соединений кремния. Альтернативные опытно-промышленные испытания мембранной технологии с использованием обратного осмоса показали, что эксплуатация установки обратного осмоса для подготовки питьевой воды из данного водоисточника оказалась невозможной из-за необратимого снижения проницаемости мембран в результате их кольматации соединениями кремниевой кислоты.
Результаты опытно-промышленных испытаний заявляемой технологии и модульной станции системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды «Водопод», представленные в таблице 1, подтверждают качественную подготовку питьевой воды, соответствующей нормативным требованиям.
Особенностью единственного безальтернативного водоисточника, используемого на Южно-Русском нефтегазовом месторождении, химический анализ воды которого приведен в таблице 2, является аномально высокая для подземных вод цветность, обусловленная высоким содержанием в ней высокорастворимых окрашенных органических соединений в сочетании с высоким содержанием соединений аммония, кремния и полифосфатов. При введении в эксплуатацию запроектированной на данном объекте станции водоподготовки, с использованием коагулянта - оксихлорида алюминия в сочетании озонированием, снижение цветности и очистка воды до нормативных показателей не были достигнуты даже при использовании предельно высоких концентраций коагулянта и озона, кроме того, наблюдалось 14-16-кратное превышение предельно-допустимой концентрации остаточного алюминия в очищенной по такой технологии воде.
Результаты, представленные в таблице 3, получены в процессе испытаний заявленной технологии и модульной станции на Юрхаровском нефтегазоконденсатном месторождении, где в качестве поверхностного водоисточника используется река Юрхарово, вода из которой в зимнее время характеризуется аномально высокими показателями цветности на уровне 500-600 градусов из-за содержания в ней гуминовых и фульвокислот, концентрация которых многократно возрастает в зимне-весенний период в результате подледного оттока воды из заболоченной поймы реки.
Результаты опытно-промышленных испытаний, представленные в таблицах 1, 2, 3, показывают, что заявляемая технология и модульная станция системно-комплексной электрокоагуляционной подготовки питьевой воды "Водопад" для ее осуществления обеспечивает подготовку питьевой воды в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества", в том числе, при безальтернативном использовании подземных и поверхностных водоисточников с высоким содержанием органических и минеральных загрязняющих веществ, не соответствующих ГОСТ 2761-84 "Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора".