CC BY
166
УДК 628.16.069:330.322.54 (470.13)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИИ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ В РЕСПУБЛИКЕ КОМИ
В.Ф. ФОМИНА*, А.В. ФОМИН**
*Институт социально-экономических и энергетических проблем Севера Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар **ОАО «Сыктывкарский Водоканал», г. Сыктывкар fomina@iespn.komisc.ru, eastsir@mail.ru
В результате внедрения метода напорной флотации на водоочистной станции г. Сыктывкара решена проблема качества питьевой воды, которое сопоставимо с европейскими стандартами. Это первый успешный производственный опыт применения в России напорной флотации при подготовке питьевой воды. Получены экономические, экологические и социальные эффекты.
Ключевые слова: очистка маломутных цветных вод, напорная флотация, качество питьевой воды, эффективность внедрения
V.F. FOMINA, A.V. FOMIN. THE EFFECTIVENESS OF PRESSURE FLOTATION IMPLEMENTATION FOR DRINKING WATER TREATMENT IN THE KOMI REPUBLIC
As a result of pressure flotation method at the water treatment facility in Syktyvkar the problem of drinking water quality is solved. The quality is at comparable to European standards level. This is the first successful industrial experience of pressure flotation in Russia in the practice of drinking water treatment. Economic, environmental and social effects are obtained.
Key words: low-turbid colored water treatment, pressure flotation, drinking water quality, effectiveness of the implementation
Проблемы подготовки питьевой воды из поверхностных источников в условиях Севера
Обеспечение населения качественной питьевой водой является одним из приоритетных направлений развития водохозяйственного комплекса до 2020 г., обозначенных Водной стратегией как условие для социально-экономического развития страны, и важнейшим фактором повышения качества жизни в регионах [1]. Системы водоснабжения в Республике Коми (РК) создавались в период недостаточной разведанности и изученности качества подземных вод по показателям их пригодности для питьевых целей в соответствии с установленными критериями [2]. По этой причине в настоящее время на территории РК для водоснабжения населенных пунктов преимущественно используют поверхностные воды, которые содержат в повышенных концентрациях железо и органические вещества, обуславливающие цветность и окисляе-мость и характеризуются малой мутностью и минерализацией, низкой щелочностью. В период с октября по апрель температура воды может снижаться до величины менее 1° С. В табл. 1 приведены среднесуточные значения основных показателей качества воды р. Вычегды в створе водозабора г.Сык-
тывкара, их изменение в течение года и сопоставление с нормативами.
В соответствии с требованиями к качеству воды источника водоснабжения участок р. Вычегды в створе водозабора г.Сыктывкара на протяжении всего периода его эксплуатации относят к наиболее неблагоприятному III классу [2]. Использование таких вод для питьевого водоснабжения требует их специальной подготовки и необходимого комплекса очистных сооружений на водоочистной станции (ВОС). Для интенсификации извлечения из воды нежелательных примесей традиционные технологии подготовки питьевой воды предусматривают коагулирование (введение в воду коагулянтов и флокулянтов) и включают одну или две ступени очистки (табл. 2).
С учетом диапазона сезонного колебания показателей качества воды р. Вычегды (мутности, цветности) ни одна из традиционно применяемых технологических схем подготовки питьевой воды, приведенных в табл. 2 в соответствии с нормами проектирования [3], не может быть рекомендована. Низкая эффективность отстаивания и осветления в слое взвешенного осадка обусловлена недостаточной для этих процессов величиной мутности исходной воды и ее значительными сезонными колебаниями. Этот фактор отрицательно влияет и
Таблица 1
Характеристика качества поверхностных вод р. Вычегды в створе водозабора г. Сыктывкара и нормативные требования к качеству питьевой воды централизованных систем водоснабжения
Показатели качества воды Створ водозабора (2010 г.) Требования СанПиН [5]
Органолептические свойства воды
Запах при 20° С / 60° С, баллы 0/0 - 0/1 2
Привкус, баллы 0/0 2
Цветность, град. 22 - 150 20
Мутность, мг/л 0,9 - 12,8 1,5 (по коалину)
Обобщенные показатели
Водородный показатель, рН 7,05 - 7,98 6-9
Общая минерализация (сухой остаток), мг/л 73 - 190 1000
Жесткость общая, ммоль/л 0,9 - 2,9 7
Окисляемость перманганатная, мг О/л 2,2 - 27,6 5
Поверхностно-активные вещества (АПАВ), мг/л 0,015 - 0,035 0,5
Фенольный индекс, мг/л 0,002 - 0,02 0,25
Нефтепродукты (суммарно), мг/л 0,02 - 0,37 0,1
Содержание химических веществ (приводится неполный перечень)
Железо ^е, суммарно), мг/л 0,2 - 2,0 0,3
Марганец (Мп, суммарно), мг/л 0,06 - 0,16 0,1
Медь (Си, суммарно), мг/л 0,04 - 0,09 1,0
Нитраты (по N03 -), мг/л 0,25 - 1,18 45
Сульфаты ^042"), мг/л 12,6 - 27,4 500
Хлориды (СГ), мг/л 1,2 - 2,9 350
Микробиологические показатели
Общее микробное число (ОМЧ), число единиц в 1 мл 4 - 88 50
Общие колиформные бактерии (ОКБ), число ед. в 100 мл 10 - 153
Термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ), число ед. в 100 мл 5 - 115 Отсутствие
Колифаги, число ед. БОЕ в 100 мл 0 - 2
Споры сульфитредуцирующих клостридий, число ед. в 20 мл 0,1 - 5
Таблица 2
Условия применения традиционных технологий подготовки питьевой воды
Основные сооружения в технологической схеме Показатели исходная вода / очищенная вода Производительность ВОС, м3 /сут.
Мутность, мг/л* Цветность, град**
С коагулированием
Отстойники - фильтры (отстойники вертикальные или горизонтальные; трубчатый отстойник - установка «Струя») До 1500/ до 1,5 До 120 / до 20 До 5000 (верт. отс.); свыше 30000 (гор. отс.); до 800 («Струя»)
Осветлители со слоем взвешенного осадка - фильтры Не менее 50, до 1500 / до 1,5 До 120 / до 20 Свыше 5000
Контактные осветлители До 120 / до 1,5 До 120 / до 20 Любая
Контактные префильтры - фильтры (двухступенчатое фильтрование) До 300 / до 1,5 До 120 / до 20 Любая
Примечание. *Мутность исходной воды указана с учетом добавленных реагентов. **По п.6.9 СНиП 2.04.02-84 при мутности до 50 мг/л вода источника характеризуется как маломутная, в зависимости от величины цветности различают малоцветные воды - до 35 град., средней цветности - от 35 до 120 град. и высокой цветности - свыше 120 град.
на эффективность контактных осветлителей в одноступенчатой схеме очистки и контактных пре-фильтров при двухступенчатом фильтровании, особенно в паводковые периоды при повышении одновременно мутности и цветности исходной воды.
Кроме того, нормы проектирования не учитывают влияние температуры воды при выборе состава очистных сооружений. В то время как низкая температура воды в осенне-зимний период значительно замедляет процесс коагуляции и является неблагоприятным фактором для всех традиционных схем водоподготовки. Именно период низких температур воды (в диапазоне 0,1-2° С) является наиболее сложным на ВОС г. Сыктывкара для по-
лучения питьевой воды нормативного качества. Особенно проблемными были 1970-е гг. при эксплуатации горизонтальных отстойников.
С целью разработки оптимальной технологии очистки маломутной цветной воды р. Вычегды в 1978-1980 гг. проводились экспериментальные исследования в трех направлениях: I - изучение природы гуминовых веществ, придающих цветность воде, степени влияния состава водного гумуса на процесс коагуляции примесей воды; II - поиск оптимальных режимов коагулирования воды в различных температурных условиях при отстаивании и напорной флотации; III - исследование влияния различных параметров процесса напорной флота-
ции на эффективность выделения из воды мелкодисперсной взвеси, разработка экономичных в условиях Севера флотационных сооружений [4]. Эксперименты проводились в условиях ВОС на полупромышленной установке производительностью 2,5 м3/ч (60 м3/сут).
Основные результаты исследований
Состав водного гумуса р. Вычегды. Исследованиями установлено, что цветность воды преимущественно обусловлена коллоидной фракцией фульвокислот, содержание которой по цветности составляет в среднем 83%. Изменение концентраций отдельных фракций гуминовых веществ имеет сезонно выраженную закономерность. На рис. 1 показано, что в зимний период минимального стока в реке высока доля мало окрашенной части некоа-гулируемых фульвокислот - креновых кислот (более 65%). В паводковый период в речной воде возрастают концентрации коллоидных фракций фуль-вокислот и гуминовых кислот. Данные фракционирования водного гумуса дополняют качественный состав р. Вычегды и представляют наибольший интерес с точки зрения технологии обработки воды в условиях Севера.
70 60 50 40 30 20 10
0 .........
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII месяцы года —Креновые кислоты —в— Апокреновые фульвокислоты —Гуминовые кислоты —*— Сток реки
Рис. 1. Сезонное изменение содержания основных фракций гуминовых веществ в воде р. Вычегды.
Влияние температуры на процесс коагулирования маломутной цветной воды р. Вычегды проявляется в необходимости повышения дозы коагулянта при понижении температуры исходной воды. Удельный расход коагулянта на 1 град. цветности в течение года изменяется в пределах 0,4-1,4 мг/л. Установлено, что изменение температуры воды в диапазоне 0,1-18°С при обработке воды постоянного состава обусловливает снижение оптимальной дозы коагулянта в 1,8 раза, дозы флокулянта в 2,7 раза (рис. 2).
Определено, что повышенные расходы коагулянта обусловлены также изменяющимися во времени составом и свойствами фульвокислот. На рис. 3 коэффициентами К! = Дкоп / Дкрасч выражено отношение опытной дозы коагулянта к расчетной, К2 = Кр.ФК / Ап.ФК - количества креновых к апо-креновым фульвокислотам. По изменению этих коэф-
1 А Дк
100
га
Л 90
| 80
ф
Ш ^ 70
1 3 60
5 * 50
В 40
I 30
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
температура воды, град. С • Коагулянт й Флокулянт
Рис. 2. Влияние температуры воды на дозы коагулянта и флокулянта при коагулировании маломутной цветной воды р. Вычегды.
о
^ СО
го
л т I- ф 8« * I
<и ^
—г ГО —I о
160 140 120 100 80 60
40 + 20 0
2,5
-- 2
" 1,5 -й
0,5
■&
■&
<п
о
V V VI VI VII IX X X XI месяцы года
□ Цветность речной воды, град.
---- Температура речной воды, °С
—*— Кт = Дкоп / Дкрасч —•— К2 = Кр.ФК / Ап.ФК
Рис. 3. Влияние совокупного действия гуминовых веществ и температуры на процесс коагулирования воды р. Вычегды.
фициентов выделяются периоды с наибольшей степенью влияния температуры воды на процесс коагуляции и периоды с доминирующим действием фракции креновых кислот.
С учетом влияния этих факторов получены зависимости (1) и (2) дозы коагулянта от цветности воды р. Вычегды:
при температуре менее 2°С
Дк = 10,4 Ц 0,4 , (1)
при температуре более 2°С
Дк = 4,7 Ц 0 52 , (2)
где: Дк - доза коагулянта, мг/л; Ц - цветность исходной воды, градусы.
Флотационная очистка воды. Результаты исследований в лабораторных и полупромышленных условиях показали преимущества напорной флотации, состоящие в более высокой скорости процесса очистки и степени осветления коагулированной воды независимо от сезонных изменений показателей качества речной воды. Экспериментальная установка производительностью 2,5 м3/ч включала следующие основные элементы: смеситель; камеру хлопьеобразования; напорный флотатор, состоящий из двух секций; скорый фильтр с
0
Рис. 4. Схема экспериментальной установки производительностью 2,5 м /ч.
1 - смеситель, 2 - камера хлопьеобразования, 3 - напорный флотатор, 4 - скорый фильтр; 5 - напорный бак, 6 - центробежный насос, 7 - эжектор, 8 - емкости с реагентами, 9 - расходомер исходной воды, 10 -расходомер водовоздушного раствора, 11- дросселирующее устройство.
загрузкой из песка; узел приготовления водовоздушного раствора (рис. 4).
Экспериментально подтверждено, что очистка маломутных цветных вод напорной флотацией состоит из двух процессов: сорбции гуминовых веществ на продуктах гидролиза коагулянта и извлечения мелкодисперсной взвеси пузырьками воздуха, выделенными из пересыщенного водовоздушного раствора. При этом важны оптимально установленные режим коагулирования воды и параметры флотирования частиц взвеси, определяемые условиями подачи водовоздушной смеси (механизмом образования флотоагрегатов) и полнотой смешения ее с коагулированной водой. Вероятность образования флотоагрегатов обусловливается:
- равномерностью распределения пузырьков воздуха по всему объему воды, что достигается конструкцией флотатора, состоящего из двух отделений: смешения и флотирования;
- скоростью подхода пузырьков воздуха, которая не должна превышать скорость движения воды из условия сохранения хлопьев;
- размером частиц, образующихся в результате коагуляции, соизмеримостью их с размерами пузырьков воздуха.
Комплексный учет всех факторов, влияющих на процесс очистки воды напорной флотацией (длительность хлопьеобразования, температура воды, условия образования флотоагрегатов), реализован при работе установки в режиме постоянных параметров флотации: количество водовоздушной смеси - 10%, скорость дросселирования - 26,3 м/с, время пребывания во флотаторе - 40 мин. Эффективность очистки напорной флотацией оценивалась показателями степени обесцвечивания и обезжелезивания, мутности и остаточного алюминия (рис. 5).
а)
19
14
9
4
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
в)
2 4 6 8 10 12 14 16
Длительность хлопьеобразования, мин.
Т=15,5 °С
■ Т=0,15 °С
Рис. 5. Эффективность очистки воды напорной флотацией в зависимости от длительности хлопьеобразования и температуры воды. а) - обесцвечивание; б) - обезжелезивание; в) - мутность; г - остаточный алюминий.
Установлено, что при температурах воды выше 2-5° С высокая степень очистки воды возможна без камер хлопьеобразования. Для максимального снижения в очищаемой воде цветности и мутности, содержания железа и остаточного алюминия в осенне-зимний период технологическая схема должна включать камеру хлопьеобразования из расчета пребывания в ней воды 10-15 мин. Таким образом, оптимальная технологическая схема очистки маломутной цветной воды р. Вычегды должна включать следующие сооружения: камеры хлопьеобра-зования, напорные флотаторы, скорые фильтры.
Этапы технологической модернизации ВОС г. Сыктывкара
Для обеспечения г. Сыктывкара качественной питьевой водой на водоочистной станции за время ее существования построено несколько блоков во-доподготовки, различающихся составом сооружений первой стадии очистки: горизонтальные отстойники, контактные префильтры, напорные флотаторы. Каждый этап технологического обновления ВОС решал определенные проблемы водоснабжения города (табл. 3).
В 1970-1980-е гг. развитие систем водоснабжения в городах РК, в том числе и Сыктывкаре, отставало от темпов роста промышленности и численности населения. В связи с этим введенные в 1965 и 1969 гг. в эксплуатацию блоки горизонтальных отстойников (на 15 и 30 тыс. м3/сут.) в Сыктывкаре работали с повышенной гидравлической нагрузкой, что дополнительно снижало эффективность очистки воды. Особенно сложным был осенне-зимний период водоподготовки, когда проведение коагулирования теряло смысл из-за неполноты гидролиза коагулянта, выноса мелких, легких хлопьев из отстойников на фильтры и частоты их промывки. Происходила частичная очистка по показателям цветности, окисляе-мости, железа и мутности, а в очищенной воде содержался в повышенных концентрациях остаточный алюминий. По этим причинам от коагулирования воды в зимний период отказывались, проводя только обеззараживание хлором. В табл. 4 представлены результаты очистки воды из р. Вычегды в горизонтальных отстойниках, характерные для периода 1970-1982 гг.
Проблема подготовки питьевой воды из р.Вы-чегды казалась настолько неразрешимой, что в
Таблица 3
Основные периоды технологической модернизации ВОС г. Сыктывкара
Этапы Состав ВОС
1965-1982 гг. В 1965 г. введен в эксплуатацию блок 1 - горизонтальные отстойники - фильтры на 15 тыс.м3/сут. В 1969 г. введен блок 2 - горизонтальные отстойники - фильтры на 30 тыс. м3/сут. В 1978-1980 гг. - проведены исследования на установках двухступенчатого фильтрования (НИИ КВОВ) и напорной флотации [4].
1983-1992 гг. В 1983 г. введен блок 3 - контактные префильтры - фильтры (двухступенчатое фильтрование) при установленной мощности 50 тыс. м3/сут. и выведен из эксплуатации блок 1.
1992-2005 гг. В 1992 г. приостановлено строительство дополнительного блока двухступенчатого фильтрования с целью перепроектирования его на блок с напорными флотаторами. Введение в практику пробного коагулирования учета температуры исходной воды. С ноября 2005 г. - пуско-наладочный период работы блока 4 с напорными флотаторами и фильтрами.
2006-2008 гг. В мае 2006 г. введен в эксплуатацию блок 4 - напорные флотаторы - фильтры при установленной мощности 65 тыс. м3/сут; выведен блок 2; снижена нагрузка на блок 3.
С 2008 г. по настоящее время В постоянной эксплуатации блок 4. В июне 2008 г. поставлен на ремонт блок 3. В ноябре 2008 г. введен после ремонта блок 2. В 2009 г. установлены механические мешалки в камерах хлопьеобразования блока отстойников, работающего при сниженных нагрузках.
Таблица 4
Показатели, характеризующие подготовку питьевой воды в блоке сооружений с горизонтальными отстойниками (данные за 1976 г.)
Речная вод а Дозы реагентов, мг/л Очищенная вода*
1976 год Ц, град Т, ° С Взв., мг/л Fe, мг/л Ок, мгО/л Коагу лянт Сода ПАА Ц, град М, мг/л Fe, мг/л Ок, мгО/л
I 37 0,5 2,1 0,85 4,7 - - - 30 1,4 0,57 2,4
II 37 0,5 2,5 0,8 4,5 - - - 27 1,4 0,69 3,1
III 32 0,8 3,0 0,9 4,6 - - - 21 2,1 0,72 4,2
IV 27 0,6 3,7 0,8 6,2 62 58 0,6 17 1,8 0,58 4,7
V 110 3,6 52 1,45 17 72 94 0,6 8 1,8 0,20 8,0
VI 110 12,5 12 0,95 22 68 70 0,46 7 1,8 0,22 6,6
VII 93 18,0 14 1,0 20 70 40 - 11 1,7 0,26 6,6
VIII 44 17,6 4,5 0,58 14 50 40 - 5 1,5 0,14 6,0
IX 46 9,5 9,0 0,61 14,5 56 40 1,0 10 2,0 0,22 5,1
X 95 1,0 11 0,73 15 80 46 1,0 25 1,9 0,34 10,3
XI 70 0,4 2,0 0,55 11 80 47 0,5 25 2,0 0,37 6,8
XII 98 0,25 2,0 0,43 7 - - - 21 1,3 0,33 5,2
*Ц - цветность воды в градусах платино-кобальтовой шкалы; М - мутность; Fe - содержание железа; Ок -перманганатная окисляемость; «-» - коагулирование воды не проводилось; жирным шрифтом выделены величины, превышающие современные нормативы.
1978-1980 гг. на ВОС г. Сыктывкара, наряду с исследованиями эффективности напорной флотации (рассмотрены выше), проводились испытания технологической схемы двухступенчатого фильтрования, основанной на принципе контактной коагуляции (разработка НИИ КВОВ). Для практической реализации технология двухступенчатого фильтрования специалистам-практикам представлялась более простой и привычной, что определило решение о ее внедрении. Проектирование и строительство нового блока на 60 тыс.м3/сут было проведено в относительно короткие сроки. Пуск сооружений состоялся в 1983 г.
С вводом в эксплуатацию блока двухступенчатого фильтрования завершился второй этап технологической модернизации ВОС, определивший неблагополучную ситуацию с водообеспече-нием города вплоть до 2006 г. Наиболее сложным оценивается период 1983-1993 гг., в течение которого водопотребление выросло в три раза. При снижении установленной мощности третьего блока до 50 тыс. м3/сут (проектная 60 тыс. м3/сут) и повышенном расходе промывных вод сохранилась проблема низкой полезной производительности ВОС. Для ее решения было начато строительство дополнительного блока с аналогичным составом сооружений. В этот же период ужесточились требования к качеству питьевой воды. Редакция ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» расширила перечень первостепенных критериев очищенной воды включением остаточного алюминия (до 0,5 мг/л). Этот показатель является одним из основных при оценке эффективности очистки на стадии пробного коагулирования и в действующих сооружениях, наряду с мутностью, перманганатной окисляемостью, содержанием железа ^е2+, Fe3+), рН и щелочностью. Введение в практическую деятельность на ВОС обязательного контроля остаточного алюминия показало сложность обеспечения этого показателя не только в блоке отстойников, но и в сооружениях двухступенчатого фильтрования. По оценке Санитарно-эпидемиологической станции г. Сыктывкара количество неудовлетворительных проб питьевой воды составляло до 80-97 %, в том числе по алюминию - 16-32% (табл. 5).
Учитывая неудовлетворительную работу сооружений двухступенчатого фильтрования, в 1992 г. строительство дополнительного блока было приос-
тановлено и выполнено перепроектирование объекта на сооружения с напорными флотаторами на 65 тыс. м3/сут (будущий блок 4).
В основу проектных разработок положены результаты исследований, полученные в 1978-1980 гг., которые экспериментально подтверждали эффективность очистки маломутных цветных вод р. Вычегды, преимущества использования напорной флотации и целесообразность технологического решения ключевых вопросов - обеспечения качества питьевой воды и требуемой мощности сооружений.
В период строительства блока 4 (1993-
2005 гг.), до его внедрения, на ВОС проводились мероприятия по повышению эффективности двухступенчатого фильтрования, направленные, прежде всего, на оптимизацию реагентной обработки воды. Были приняты во внимание научно обоснованные особенности коагулирования маломутной цветной воды в условиях сезонной изменчивости состава гуминовых веществ и температурного режима воды. Они состоят в следующем:
• сульфат алюминия остается основным реагентом при очистке цветных холодных вод; применение флокулянта обязательно в период низких температур;
• коагуляция наиболее эффективно проходит в области значений рН (5,2-6,6), обеспечивающей максимальное снижение цветности и минимальные концентрации остаточного алюминия в очищенной воде;
• для полноты гидролиза коагулянта воду с низким щелочным резервом необходимо подщелачивать для обеспечения хлопьеобразования и минимизации растворенной части остаточного алюминия; целесообразно, чтобы остаточная щелочность была не ниже 0,2-0,5 мг-экв/л;
• необходимо учитывать температуру, интенсивность перемешивания реагентов с водой и длительность хлопьеобразования при коагуляции в свободном объеме (в блоке отстойников; впоследствии в блоке флотаторов);
• оптимальную дозу реагентов следует выбирать не только по остаточной величине цветности и мутности, определяемых при пробном коагулировании, но и с учетом снижения показателей железа, окисляемости, остаточного алюминия.
Со временем пробное коагулирование стали проводить с учетом температуры исходной воды, а
Таблица 5
Удельный вес неудовлетворительных проб питьевой воды в начальный период эксплуатации
сооружений двухступенчатого фильтрования
Показатели | 1984 г. | 1985 г. | 1986 г. | 1987 г.
Всего проб на санитарно-химический анализ, кол-во 151 167 171 223
Из них, не отвечающих ГОСТу 2874-82, % В том числе по показателям: 97 80 82 86
- цветность 70 10 23 5
- мутность 71 50 44 57
- железо 89 54 68 76
- алюминий 26 16 32 18
Микробиологические анализы, кол-во 1 040 650 2 230 1 957
Из них, не отвечающих ГОСТу 2874-82, % 5 1,7 1,5 1,7
при выборе оптимальной дозы коагулянта учитывать принципиальные различия процессов коагуляции в блоке отстойников и в сооружениях двухступенчатого фильтрования. Необходимо отметить, что к началу пуска нового блока 4 на ВОС значительно вырос профессиональный уровень технологов, ответственных за назначение оптимальных доз реагентов.
Ввод блока сооружений с напорными флотаторами и оптимизация его работы
В конце ноября 2005 г. состоялся пуск нового блока 4. Конструктивной особенностью новых сооружений является выполнение их единым блоком с камерами хлопьеобразования (реакции) и скорыми фильтрами для глубокого осветления воды (мутность до 1,5 мг/л) (рис. 6).
б)
0
-7\ 1 > *
X- к V" к 4—■* - к—*" V'
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII месяцы года
]Префильтры х Флотаторы в ШПДК
Рис. 6. Технологическая схема блока сооружений с напорными флотаторами для подготовки питьевой воды (ВОС г. Сыктывкара).
Пуско-наладочный период продлился до мая
2006 г., охватив неблагополучные периоды сезонного колебания качества речной воды и ее температурного режима. Ожидания высоких результатов как по качеству очищенной воды, так и полезной производительности блока оправдались. Поэтому в последующее время все отстойники были отключены, и водоподготовка осуществлялась при сниженной подаче воды в блок двухступенчатого фильтрования и полной нагрузке напорных флотаторов.
Сравнительный анализ критериев качества очищенной воды после первой ступени осветления показал более высокую эффективность флотационной очистки по цветности, мутности (рис. 7) и другим показателям при стабильной работе всех сооружений (последнего года совместной работы 3го и 4-го блоков).
Снижение объемов водопотребления города позволило летом 2008 г. оставить в работе только флотаторы и отключить 3-й блок на ремонт. Однако в период запуска отопительных систем города требуемый объем подачи возрастает. В связи с тем, что ремонт блока 3 затянулся на неопределенный срок, в постоянную эксплуатацию снова ввели блок 2 с отстойниками при небольшой их нагрузке и усовершенствовании узла хлопьеобразования. Сложившийся режим работы ВОС этого периода оказался наиболее целесообразным вариантом по-
Рис. 7. Эффективность очистки коагулированной воды на I стадии осветления в префильтрах блока двухступенчатого фильтрования и в напорных флотаторах (2007 г.) по показателям: а) - цветность, град.; б) - мутность, мг/л.
лучения дополнительного объема воды и в настоящее время. На рис. 8 представлена динамика среднесуточной величины мутности воды после флотаторов за период с мая по ноябрь 2010 г., которая характеризует процесс осветления напорной флотацией как высокоэффективный метод очистки маломутных цветных вод, обеспечивающий глубокое осветление ее на этапе до фильтрования.
Величина мутности воды на выходе из сооружений I ступени очистки, рекомендуемая нормами проектирования для обеспечения нормального режима эксплуатации фильтров, не должна превышать 815 мг/л [3]. В наших условиях среднесуточное значение мутности значительно ниже (0,5-2,4), среднемесячные значения мутности составляют 1,2-1,4 мг/л, что свидетельствует о возможностях достижения не только высокого качества фильтрата, но и значительного увеличения продолжительности фильтроцикла с 8-12 до 36 и более час.
При этом необходимое количество воды для промывки фильтров уменьшается до 3% в отличие от расходов воды на собственные нужды традиционных технологий, для которых они достигают 10-14%. В результате снижения количества промывных вод на ВОС до четырех раз сократился сброс загрязненных сточных вод в р. Сысолу. Наряду с этим снизился сброс загрязняющих веществ в составе отводимых стоков за счет понижения на 34 % расхода реагентов на ВОС.
В табл. 6 приведены среднемесячные значения основных показателей качества питьевой воды, поступающей с ВОС г. Сыктывкара, в сравнении с действующими российскими и европейскими стандартами.
Качество питьевой воды отвечает гигиеническим требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 [5] по всем показателям и сопоставимо с европейскими норма-
8
6
4
2
----- Мутность очищенной воды после флотатора, мг/л
..... Среднемесячная величина мутности, мг/л
= - = ПДК питьевой воды=1.5 мг/л
Рис. 8. Эффективность осветления коагулированной воды напорной флотацией по мутности после оптимизации работы ВОС (2010 г.).
Таблица 6
Оценка эффективности новой технологии с использованием напорной флотации по критериям качества питьевой воды для централизованного водоснабжения
Основные показатели Резервуары чистой воды (2010 г.) Сан ПиН 2.1.4.1074-01 Директива по питьевой воде 98/ 83/ ЕС
Запах при 20/60 °С, баллы 0 / 0 2 / 2 Приемлемый для потребителей
Мутность, мг/л 0,3 - 0,4 1,5 < 1 ЕМФ (по формалину)
Цветность, град. 4 - 10 20 Приемлемая для потребителей
Окисляемость перманганатная, мгО/л 1,96 - 3,99 5 5
Остаточный алюминий, мг/л 0,04 - 0,13 0,5 0,2
Водородный показатель, ед. рН 6,3 - 7,2 6 - 9 ,5 9, - ,5 6,
Жесткость общая, 0,9 - 2,9 7 2,5
Железо, мг/л 0,03 - 0,04 0,3 0,2
Марганец, мг/л 0,02 - 0,08 0,1 0,05
Хлориды, мг/л 9,3 - 16,6 350 250
Сухой остаток, мг/л 108 - 190 1000 500 (рекомендация ВОЗ)
тивами. Снижение остаточного алюминия достигается ниже величины 0,2 мг/л, содержание железа на порядок ниже и находится в пределах 0,03-0,04 мг/л, окисляемость не превышает нормативной величины 5 мг О/л.
Экономический, экологический и социальный эффекты
В результате модернизации ВОС г. Сыктывкара за счет внедрения новой технологии подготовки питьевой воды с использованием метода напорной флотации получен существенный экономический, экологический и социальный эффекты. Реализованная технология обеспечивает снижение потребностей в инвестициях на 60% по отношению к варианту проекта строительства дополнительного блока двухступенчатого фильтрования. При этом экономия по эксплуатационным затратам составляет около 31 млн. руб. в год, в том числе за счет снижения потребления электроэнергии на 606 тыс. кВт • час/год и теплопотребления на 1,2 тыс. Гкал/год.
В экологическом плане с внедрением блока напорных флотаторов и оптимизацией режимов их
работы в четыре раза уменьшилось количество промывных вод и, соответственно, величина сброса сточных вод в водные объекты. В результате сокращения расходов на собственные нужды ВОС снизился забор свежей воды. Вследствие этих мероприятий сократились экологические платежи.
Социальный эффект новой технологии подготовки питьевой воды состоит, в первую очередь, в обеспечении гарантированной подачи питьевой воды высокого качества, соответствующего гигиеническим требованиям, что способствует снижению риска заболевания населения в связи с недоброкачественностью воды.
Наряду с этим снижены инвестиционные затраты населения, составляющие 4,5 тыс. руб. в расчете на одного человека, и на 8% тариф за счет меньших эксплуатационных затрат.
Реализованная технология является первым успешным производственным опытом в России. По результатам эксплуатации она в полной мере соответствует понятию «наилучшая доступная технология» и отвечает принципам рационального природопользования и ресурсосбережения.
Литература
1. Водная стратегия Российской Федерации на период до 2020 года. Утв. распоряжением Правительства РФ от 27.08.2009 №1235-р.
2. ГОСТ 2761-84: Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора.
3. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения // Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985. 136 с.
4. Фомина В.Ф. Очистка маломутных цветных вод в условиях Севера с использованием напорной флотации: автореферат дис. ... канд. техн. наук. Ленинград: ЛИСИ,1981. 22 с.
5. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Ги-
гиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: Санитарные правила и нормы. М.: Информационно-
издательский центр Госкомсанэпидемнадзора России, 2002.
Статья поступила в редакцию 13.12.2012.
