CC BY
32
ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
УДК 628.161.2; 62.527
КУРОЧКИН ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, kaf_wiw@tsuab. ги
ОРЛОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, pгofcom@tsuab. ги
БОРОДИНА КСЕНИЯ ВАСИЛЬЕВНА, студентка, ksuhboг@mail. ги
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ЭФФЕКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ВОДОПОДГОТОВКИ В МАЛЫХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТАХ С УЧЕТОМ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА
В статье представлены описание и сравнение различных режимов работы автоматизированных водоочистных комплексов, предназначенных для очистки подземных вод в Западно-Сибирском регионе. Показаны перспективы применения автоматизированных установок с сатуратором в сельской местности и коттеджах. Рассмотрен вариант реконструкции системы «одиночная скважина - водонапорный бак - разводящая водопроводная сеть» с введением в систему блока автоматизированного комплекса химической во-доподготовки.
Ключевые слова: автоматизация водоочистной станции; сельское водоснабжение; фильтрование; скорый фильтр; сатуратор; гидропневматическая станция; западно-сибирский регион.
KUROCHKIN, EVGENY YURJEVICH, Ph.D., Assoc.Prof., kaf_wiw@tsuab. ru
ORLOV, YURI ALEKSANDROVICH, Ph.D., Assoc.Prof., profcom@tsuab. ru
BORODINA, KSENIA VASILJEVNA, student, ksuhbor@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
© Е.Ю. Курочкин, Ю.А. Орлов, K.B. Бородина, 2013
EFFECTIVE WATER TREATMENT IN SMALL SETTLEMENTS TAKING INTO ACCOUNT CHARACTERISTICS OF THE WEST SIBERIAN REGION
The article presents a description and comparison of the various modes of operation of automated water treatment systems designed to clean groundwater in the West Siberian region. The prospects of using the automated systems with saturator in rural areas and cottages are shown. A variant of the reconstruction of the "single well - water tank - distributing water network" with the introduction of automated unit complex of chemical water treatment is considered.
Key words: automation of water treatment plant; rural water supply; filtering; quick filter; saturator; hydropneumatic station.
В Западно-Сибирском регионе протекает одна из самых крупных рек России - Обь. Исторически так сложилось, что в ее истоках находится ряд крупных промышленных центров: города Кузбасса, Новосибирск, Томск, Се-верск. Эти города сбрасывают атмосферные, бытовые и производственные стоки в Обь. Конечно, перед сбросом в водоем производится очистка стока, но фоновая концентрация загрязнений в реке изменяется в сторону увеличения загрязнений по ходу течения реки после каждого населенного пункта. Таким образом, воды р. Обь, проходя следующие вниз по течению населенные пункты, уже несут загрязнения, относящиеся к разным классам токсичности, принятые на более раннем этапе.
Альтернативой поверхностным водам в хозяйственно-питьевом водоснабжении могут быть подземные воды. Давно известно, что запасы подземной воды способны обеспечить потребности жителей Западно-Сибирского региона на долгие годы. Подземные воды достаточно надежно защищены от поверхностного загрязнения слабопроницаемыми глинистыми отложениями [2]. Однако по качеству подземные воды не отвечают требованиям [3]. Повсеместно по территории региона в подземных водах наблюдается превышающее предельно допустимые концентрации содержание железа (от 2 до 77,7 раза), марганца (от 1,3 до 12,7 раза). Часто в подземных водах концентрации аммония и кремния превышают ПДК до трех раз. В бактериологическом отношении подземные воды области, как правило, удовлетворяют существующим требованиям [3].
Западно-Сибирский регион обладает малой плотностью населения, которая уменьшается при продвижении на Север. Плотность расселения крайне неравномерна, в отдаленных северных районах она не превышает 0,3 человека на 1 км2. Средняя плотность расселения составляет примерно 4 человека на 1 км2 [1]. Таким образом, строительство централизованных водопроводных и канализационных сетей и очистных сооружений является экономически неэффективным вложением средств.
На мелких и на большинстве децентрализованных водозаборов водо-подготовка примитивна, а на одиночных эксплуатационных скважинах вообще отсутствует. В этих случаях население вынуждено использовать для удовлетворения своих нужд неочищенную воду.
Зная качественный состав подземных вод, можно разрабатывать водоочистные сооружения. При очистке подземных вод применяется простая док-
трина: необходимо окислить загрязнения, при этом последние переходят из растворенного состояния в нерастворенное. В дальнейшем загрязнения отделяют воды чаще всего на скорых фильтрах. Однако на практике эта простая доктрина, воплощаясь в технологическую цепочку сооружений, превращается в сложный процесс, требующий внимания персонала.
Вопросы автоматизации работы водоочистных комплексов рассматриваются на протяжении многих лет [5, 6]. На уровне федерального законодательства (проект ФЗ N28068-4 «О водоснабжении») принимаются решения о том, что станции водоподготовки должны быть оборудованы приборами и устройствами для осуществления производственного контроля за основными технологическими процессами и автоматизированного управления ими.
Накопленный опыт показывает, что климатические условия, особенно зимние при большой влажности, осложняют эксплуатацию автоматики, эффективно работающей в южных и центральных районах России. Часто наблюдается отказ систем автоматизации уже в первую зиму эксплуатации.
Сотрудники ТГАСУ разработали ряд автоматизированных водоочистых комплексов, соответствующих условиям эксплуатации в Западно-Сибирском регионе, производительностью 3, 5, 30 м3/сут, отвечающих требованиям [3], которые при соответствующем профилактическом обслуживании способны высокоэффективно очищать подземные воды без вмешательства человека в этот процесс. Внедрение автоматизированных водоочистных комплексов на действующих и вновь вводимых подземных водозаборах малой производительности позволяет повысить эксплуатационную надежность водоочистного оборудования и добиться стабильности получения подземной воды высокого качества для хозяйственно-питьевых нужд малых населенных мест и отдельно стоящих объектов.
Автоматизированный комплекс с насосным агрегатом представлен на рис. 1.
Рассматриваемый комплекс является самым простым из автоматизированных комплексов. Вода из подземных горизонтов подается в аэрационный бак 4 с помощью скважинного насоса 1. В аэрационном баке установлен контактный датчик уровня 3, который обеспечивает включение скважинного насоса при минимальном уровне и его отключение при достижении максимального уровня воды в аэрационном баке. Для предотвращения переполнения аэрационного бака в случае отказа автоматики в схеме предусмотрены, во-первых, поплавковый клапан с размыкающим контактом, который перекрывает напорный трубопровод и отключает скважинный насос 1, а во вторых, переливной трубопровод, который связан с канализацией. Подземная вода, попав в аэрационный бак через аэратор, насыщается кислородом. В дальнейшем насыщенная кислородом вода поступает с помощью центробежного насоса 6 на скорый напорный фильтр 11.
Фильтр состоит из полимерного либо металлического корпуса, фильтрующей загрузки (цеолита или горелой породы - в зависимости от качества исходной воды) и четырех автоматизированных запорных клапанов 9, 10, 12 и 13. При фильтровании загрязненных подземных вод происходит загрязнение фильтрующей загрузки. Поэтому периодически загрузку фильтра необходимо регенерировать.
Существует три варианта автоматизированной промывки загрузки фильтра. В каждом из рассматриваемых вариантов данного автоматизированного комплекса загрузка фильтра промывается обратным током воды (перекрываются электромагнитные клапаны 9, 13 и одновременно открываются электромагнитные клапаны 10, 12). При этом вода из аэрационного бака поступает в фильтр снизу вверх, расширяя и отмывая загрузку, уменьшая тем самым гидравлическое сопротивление загрузки фильтра. Промывка длится 10-20 мин (продолжительность промывки уточняется при эксплуатации). В зависимости от качества исходной воды промывка производится через 8-24 ч работы фильтра на очищение воды.
Вариант 1. Промывка фильтра производится через равные промежутки времени при срабатывании таймера, что обеспечивает наименьшую стоимость системы автоматики. Для обеспечения непрерывности подачи воды потребителю следует предусматривать не менее двух фильтров, промывка которых асинхронна.
Недостаток данного варианта в том, что промывка фильтрующей загрузки производится примерно в то время, когда она загрязнилась. Возможны
я О 9 12
ъ
т'ш
5. й
Рис. 1. Автоматизированный комплекс с насосным агрегатом: 1 - сква-
жинный насос; 2 - щит управления уровнями воды; 3 - датчик максимального уровня воды; 4 - аэрационный бак; 5 - датчик минимального уровня воды; 6 - центробежный насос; 7 - водосчетчик; 8 - манометр; 9,10,12,13 - электрофицированные клапаны; 11 - скорый напорный фильтр; 14 - отвод промывной воды в канализацию; 15 - реле времени; 16 - напорный трубопровод фильтрата
две крайние ситуации. Первая - водоразбор был малым, и грязеемкость фильтровальной загрузки еще не исчерпана. Вторая - наблюдался повышенный водоразбор, и загрузка сильно загрязнилась. В первом случае будет наблюдаться перерасход воды на промывку, а во втором случае, когда загрузка сильно загрязнилась, будет наблюдаться пониженное давление у водоразборного крана.
Вариант 2. Промывка загрузки фильтра производится автоматически после прохождения через фильтр определенного объема воды. В состав такой системы автоматизации вводится датчик расхода, по информации которого включается режим промывки фильтра. В данной технологии промывки есть свои положительные стороны: регенерация загрузки наступает в тот момент, когда она оптимально загрязнилась (при постоянном качестве сырой подземной воды), что приводит, в свою очередь, к экономии расхода воды на промывку и более длительному сроку службы фильтровальной загрузки. С другой стороны, состав подземных вод подвержен изменению. Поэтому однажды настроенный на одну концентрацию режим промывки будет отклоняться от оптимальных параметров начала режима промывки при изменении концентрации загрязнений в подземной воде.
В варианте 3 автоматизированного комплекса задача определения длительности промывки решается путем установки датчиков показателей качества промывной воды на выходе и выходе фильтра в режиме регенерации. Равенство сигналов от датчиков качества воды определяет момент окончания промывки. Однако на практике каждый датчик качества воды, введенный в технологическую схему, с течением времени обрастает загрязнениями. Таким образом, показания датчиков качества воды в процессе длительной эксплуатации выдают ошибочную информацию о качестве воды.
С нашей точки зрения, вариант промывки № 1 дает достаточно хорошие показатели, т. к. качество фильтра удовлетворяет требованиям [3], однако вариант промывки № 3 позволяет добиться лучшей очистки загрузки фильтра.
Существенный недостаток данного комплекса - постоянная работа центробежного насоса 6. Центробежный насос должен работать круглосуточно вне зависимости от того, происходит водоразбор или нет. Такое решение приводит как к непроизводительным затратам электроэнергии, так и к повышенному износу насосного агрегата. Этот недостаток можно устранить тремя путями.
Первый - установить аэрационный бак 4 на чердаке здания (температура на чердаке не должна опускаться ниже +2 °С). В таком случае вода из аэраци-онного бака под гидростатическим давлением поступает на очистку на скорый напорный фильтр 11, установленный в нижней части здания, и далее потребителям. Этот вариант имеет минимальные энергетические затраты из рассматриваемых ниже, но также требует и разветвленную схему трубопроводов.
Второй - ввести в схему резервуар чистой воды (РЧВ), оснащенный датчиком уровня для включения и отключения насоса 6 при минимальном и максимальном уровнях. РЧВ устанавливается в чердачном утепленном помещении. Разбор воды на хозяйственно-питьевые нужды, а также на промывку загрузки фильтра в этом случае осуществляется из резервуара чистой воды.
При таком расположении срок службы загрузки увеличится, а насос 6 будет работать периодически.
Третий путь исключения упомянутого недостатка - это оснащение автоматизированного комплекса с сатуратором (рис. 2). Такое решение требует больших капитальных вложений, но позволяет расположить весь водоочистной комплекс компактно, а также минимизировать расход воды на промывку загрузки фильтра. Рассматриваемый автоматизированный комплекс работает следующим образом.
Управление скважинным насосом 1 осуществляется датчиком максимального и минимального уровней 3 в сатураторе. Для создания давления в сатураторе, а также для насыщения воды кислородом в технологическую схему включается компрессор 11. Включение компрессора 11, а также открытие электромагнитного клапана 9 происходит при достижении минимального давления в сатураторе. В момент максимального давления в сатураторе элект-роконтактный манометр (датчик давления) 7 отключает компрессор, а также перекрывает электромагнитный клапан 9. Давление, созданное в сатураторе, активно растворяет воздух в сырой воде, приводя к окислению загрязнений и выдавливанию воды на очистку в скорый напорный фильтр 16. В нормальном режиме эксплуатации скорого напорного фильтра электромагнитные клапаны 12 и 18 находятся в открытом состоянии. В режиме промывки фильтра
12 17
\
Рис. 2. Автоматизированный комплекс с сатуратором: 1 - скважинный насос; 2 - щит управления уровнями воды; 3 - датчик максимального уровня воды; 4 - сатуратор; 5 - датчик минимального уровня воды; 6 - аэраторы; 7 - дифманометр; 8, 15 - обратный клапан; 9, 12, 13, 14, 17, 18 - электромагнитные клапаны; 10 -щит управления давлением в сатураторе; 11 - компрессор; 16 -скорый напорный фильтр; 19 - отвод промывной воды в канализацию; 20 - реле времени; 21 - напорный трубопровод фильтрата; 22 - трехходовой кран
первоначально перекрываются все электромагнитные клапаны, кроме клапанов 14 и 17, включается компрессор 11 на 4-6 мин и продувает загрузку фильтра. В дальнейшем открывается клапан 13, и фильтр промывается водовоздушной смесью. На заключительном этапе промывки перекрывается клапан 14, и фильтр промывается водой. Установлено [4], что кратковременноимпульсная промывка фильтров обезжелезивания подземных вод является наиболее экономичным технологическим приемом, позволяющим экономить до 15-33 % в сравнении с обычной водяной промывкой, а продолжительность промывки при этом сокращается в 1,5-2 раза. По окончании промывки система автоматически приводится в режим фильтрования. В данном автоматизированном комплексе необходимо периодически стравливать обедненный кислородом воздух через трехходовой кран, установленный под электроконтакт-ным манометром.
Выбор варианта компоновки автоматизированного комплекса производится после технико-экономического сравнения, на которое значительное влияние оказывает качество сырой подземной воды, а также географическое место расположения водоочистной станции.
В практике водоснабжения встречаются ситуации, когда подземная вода из скважины по напорному трубопроводу подается в водопроводную сеть, на которой установлена водонапорная башня. В таких схемах включение-отключение насоса производится по достижении заданных уровней воды (максимального и минимального) в водонапорной башне. Для того чтобы ввести в эксплуатацию водоочистное оборудование, требуется выполнить раскопки и произвести переврезку трубопроводов таким образом, чтобы вода из скважины поступала только в водонапорный бак, а из бака уже самотеком (под гидростатическим давлением) шла на очистные сооружения и далее к потребителям. Выполнять земельные работы и переврезку в зимних условиях - трудоемкое занятие, но и в летнее время эти процессы требуют значительных затрат. В этом случае автоматизированный комплекс (рис. 3) с химической водоподготовкой производительностью до 25 м3/сут рекомендуется устанавливать внутри павильона скважины.
Сырая вода из скважины подается в растворный бак 3 до его заполнения. Ежесуточно при заполнении растворного бака оператором перекрывается кран 1 и в бак дозируется перманганат калия (КМп04). Получившийся раствор марганцовки насосом-дозатором марки DDE 6-10 подается в напорный трубопровод, соединяющий скважину и напорный фильтр (электромагнитные клапаны 6, 9, 13 открыты). Включение-отключение насоса-дозатора 4, а также открытие-закрытие электромагнитного клапана 6 происходит одновременно с включением-отключением скважинного насоса 1. Эти операции производятся автоматически по достижении водой в водонапорной башне максимального и минимального значений уровней.
Раствор перманганата калия окисляет загрязнения, находящиеся в растворенном состоянии в исходной воде, и образующиеся при этом механические загрязнения задерживаются на фильтровальной загрузке. Спустя 8-24 ч работы фильтр будет нуждаться в промывке. Для промывки загрузки перекрываются электромагнитные клапаны 6, 9, 13 и открываются 10 и 12. При
этом сырая вода проходит через фильтр снизу вверх, отмывает загрузку от задержанных загрязнений и сбрасывается по трубопроводу 14 за пределы павильона скважины. На выходе из павильона скважины фильтрат, удовлетворяет требованиям [3], поступает в водопроводную разводящую сеть и в водонапорную башню. Существенный отметить, что применение перманганата калия позволяет эффективно очищать подземные воды, доводя их качество до требований [2], но при этом стоимость очистки 1 м3 увеличивается примерно на 1 руб. при концентрации загрязнений по железу (II) 4-6 мг/л, а марганца (II) - 1-1,2 мг/л.
Рис. 3. Автоматизированный комплекс с химической водоподготовкой:
1 - скважинный насос; 2 - кран; 3 - растворный бак; 4 - насос-дозатор; 5 - щит управления; 6, 9, 10, 12, 13 - электромагнитные клапаны; 7 - обратный клапан; 8 -манометр; 11 - скорый напорный фильтр;
14 - отвод промывной воды в канализацию;
15 - реле времени; 16 - напорный трубопровод фильтрата
По результатам изложенных материалов можно сделать следующие выводы:
1. Разработанные водоочистные комплексы восполняют дефицит малых очистных сооружений в условиях децентрализованного водоснабжения.
2. В малых населенных пунктах и при одиночной застройке для получения воды на хозяйственно-питьевые нужды целесообразно применение различных автоматизированных водоочистных комплексов.
3. Все рассмотренные автоматизированные комплексы стабильно работают при значительных колебаниях расходов и надежно очищают подземные воды.
4. Выбор и внедрение технологической системы водоочистки диктуется показателями качества воды, а также местными условиями расположения водоочистного комплекса.
Библиографический список
1. Дзюбо, В.В. К вопросу об использовании подземных вод Сибирского региона для питьевого водоснабжения / В.В. Дзюбо // Питьевая вода. - 2004. - № 5. - С. 25-34.
2. СанПиН 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарноэпидемиологические правила и нормативы. - М. : Федеральный центр госсанэпидем-надзора Минздрава России, 2002. - 84 с.
3. Пособие по проектированию автоматизации и диспетчеризации систем водоснабжения (к СНиП 2.04.02-84). Утверждено приказом СоюзводоканалНИИпроекта от 5 марта 1985 г. - № 41. - 30 с.
4. Дзюбо, В.В. Кратковременно-импульсная промывка фильтров - путь повышения экономической эффективности работы станций обезжелезивания подземных вод / В.В. Дзюбо, Л.И. Алферова // Сантехника. - 2004. - № 6. - С. 14-18.
5. Смирнов, Д.Н. Автоматическое регулирование процессов очистки природных и сточных вод / Д.Н. Смирнов. - М. : Стройиздат, 1985. - 312 с.
6. Попкович, Г.С. Автоматизация систем водоснабжения и водоотведеиия / Г.С. Попкович, М.А. Гордеев. - М. : Высшая школа, 1986. - 392 с.
References
1. Dzyubo V.V. K voprosu ob ispol'zovanii podzemnykh vod Sibirskogo regiona dlya pit'evogo vodosnabzheniya [On the use of groundwater of Siberian region for drinking water supply] // Pit'evaya voda [Drinking water]. - 2004. - No. 5. - P. 25-34
2. SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaya voda. Gigienicheskie trebovaniya k kachestvu vody tsentral-izovannykh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol' kachestva. Sanitarno- epidemiolog-icheskie pravila i normativy [Drinking water. Hygienic requirements to the quality of centralized water supply systems. Quality control. Sanitary-epidemiological rules and standards]. -Moscow : Federal'nyy tsentr gossanepidemnadzora Minzdrava Rossii [Federal Center of State Sanitary and Epidemiological Service of the Russian Ministry of Health], 2002. - 84 p.
3. Posobie po proektirovaniju avtomatizacii i dispetcherizacii sistem vodosnabzhenija [Text-book on designing of automation and scheduling of water supply systems] (k SNiP 2.04.02-84) [Construction norms and rules 2.04.02-84]. Utverzhdeno prikazom SojuzvodokanalNIIproekta ot 5 marta 1985 g. [ By order Soyuzvodokanal Research project on March 5, 1985]. - No. 41. - 30 p.
4. Dzjubo V.V., Alferova L.I. Kratkovremenno-impul'snaja promyvka fil'trov - put' povyshenija jekonomicheskoj jeffektivnosti raboty stancij obezzhelezivanija podzemnyh vod [Short-term-pulse washing of filters - a way to increase economic efficiency of iron removal plants for iron removal from groundwater] // Santehnika [Sanitary Engineering]. - 2004. - No. 6. - P. 14-18.
5. Smirnov D.N. Avtomaticheskoe regulirovanie processov ochistki prirodnyh i stochnyh vod [Automatic control of processes of clearing natural water and sewage]. - Moscow : Strojizdat, 1985. - 312 p
6. Popkovich G.S, Gordeev M.A. Avtomatizacija sistem vodosnabzhenija i vodootvedeiija [Automation of water supply and wastewater systems]. - Moscow : Vysshaja shkola [Higher school], 1986. - 392 p.
