CC BY
147
Б.М. Гришин, С.Ю. Андреев, М.В. Бикунова, М.А. Сафронов, В.И. Кулапин
Исследования очистки воды Сурского водохранилища на лабораторных установках с использованием алюмосодержащих коагулянтов
Предложен реагентосберегающий способ коагулирования воды поверхностного источника с применением высокоградиентного перемешивания водовоздушной смеси с растворами сульфата и полиоксихлорида алюминия. Приведены данные лабораторных исследований по очистке воды Сурского водохранилища с применением предложенного способа в период паводка.
Ключевые слова: очистка поверхностных вод, алюмосодержащие коагулянты, концентрированное коагулирование, высокоградиентное
перемешивание.
Keywords: purification of surface water, aluminum-containing coagulants, coagulation concentrated, high-gradient mixing.
Для удаления из поверхностных вод грубодисперсных и коллоидных минеральных примесей, а также значительной части органических и микробиологических загрязнений используются коагулянты. На
водопроводных очистных сооружениях г. Пензы в качестве основного реагента для очистки воды Сурского водохранилища используется сернокислый алюминий (СА), обеспечивающий достаточно стабильные показатели очищенной воды при невысоких эксплуатационных затратах. Однако, данный реагент имеет ряд недостатков, в частности, наблюдается его повышенная чувствительность к колебаниям pH воды, резкое снижение скорости процессов хлопьеобразования при низких температурах в водоисточнике, повышенные концентрации остаточного алюминия в очищенной воде во время паводка.
С 90-х годов 20 века на российском рынке получили распространение новые коагулянты - полиоксихлориды алюминия (ПОХА), обладающие определенными преимуществами по сравнению с СА - более широкой областью применения в интервале pH, возможностью использования при низких температурах воды, меньшими дозами при обработке и, соответственно, меньшими остаточными концентрациями алюминия в очищенной воде. С другой стороны, широкое применение ПОХА на водоочистных станциях сдерживается их весьма высокой стоимостью (в 4-6 раз выше, чем СА).
Совместное применение в практике водоподготовки коагулянтов СА и ПОХА при условии нахождения оптимальных соотношений данных реагентов, режимов ввода и перемешивания с обрабатываемой водой позволяет в наибольшей степени использовать преимущества каждого реагента при одновременном обеспечении технико-экономической эффективности процесса очистки. Важной задачей при совместном использовании алюмосодержащих коагулянтов является также снижение их доз в процессе обработки воды, которое может быть достигнуто применением различных способов интенсификации коагуляции.
К числу наиболее перспективных способов интенсификации реагентной очистки воды относится способ концентрированного коагулирования, который
заключается в дозировании всего потребного количества коагулянта лишь в часть обрабатываемой воды (вспомогательный поток). После тщательного перемешивания в трубопроводе с раствором коагулянта вспомогательный поток обработанной воды объединяют (обычно в начале камер хлопьеобразования очистной станции) с потоком остальной -некоагулированной воды.
По данным [1] при обработке способом концентрированного коагулирования волжской воды достигнуто дополнительное уменьшение ее мутности и цветности, снижено содержание остаточного алюминия. Рекомендуемые соотношения расхода обрабатываемой коагулянтом воды и расхода остальной воды могут меняться от 1:1,5 до 1:9 и для каждого конкретного случая подбираются опытным путем. Применение концентрированного коагулирования позволяет уменьшить расход коагулянта на 15 - 20% [1].
Эффективность концентрированного коагулирования, так же, как и любого другого способа во многом определяется полнотой и скоростью перемешивания раствора коагулянта со вспомогательным потоком воды с использованием любого типа смесителя. Для оценки эффективности действия смесителей обычно используют среднюю величину градиента скорости G (с-1), созданного при перемешивании воды
G =
V
W
m
(1)
где W - работа, затраченная на перемешивание единицы объема воды за единицу времени, Па/с; ц - динамическая вязкость воды, Па-с.
Для гидравлических перемешивающих устройств, работающих в напорном режиме
W =
Dp
t
dp • Q
(2)
где Ap - потери давления, Па; t - время перемешивания, с; Q - расход воды через смеситель (перемешивающее устройство), м/с; Vc - объем смесителя, м .
Для гидравлических смесителей (в том числе, трубопроводов) рекомендуются значения G, которые находятся в диапазоне от 1,2 10 с- до 3,0 10 с- [2]. Малая интенсивность перемешивания воды в смесителях
приводит к медленному и неравномерному растворению коагулянта и продуктов его гидролиза (в случае использования СА) в объеме воды и к образованию на поверхности частиц загрязнений, рыхлых, хотя и достаточно крупных микрохлопьев. Увеличение интенсивности перемешивания до значений G до 10 с- и более может привести к разбиванию образовавшихся микрохлопьев и ухудшению последующего процесса очистки воды от примесей.
Осуществление процесса перемешивания раствора минерального коагулянта с водой при высоких значениях G (10 с- и более) без разрушения микрохлопьев, образованных продуктами гидролиза коагулянта (ПГК) с примесями (прежде всего, взвешенными веществами), а также сокращение расходов коагулянта может быть достигнуто способом его перемешивания с
водой при одновременной подаче сжатого воздуха. Пузырьки воздуха, являясь центрами хлопьеобразования, в определенной степени предотвращают разрушение коагуляционных структур ПГК за счет увеличения поверхности контакта с коагулирующими частицами и демпфирования мелкомасштабных турбулентных пульсаций в потоке воды.
Рекомендуемый расход воздуха составляет от 10 до 20 % от количества обрабатываемой воды, время аэрации в смесителе при G=120 с-1 составляет не менее 2-3 мин, потребность в сульфате алюминия при этом снижается до 30 %
[2].
На основании анализа теоретических и экспериментальных исследований процессов коагуляции воды нами предложен усовершенствованный способ концентрированного коагулирования с применением высокоградиентного перемешивания вспомогательного потока воды с раствором коагулянта и сжатым воздухом. Предложенный способ реализуется по следующей схеме (рис. 1).
Рис. 1 Схема обработки воды по усовершенствованному способу концентрированного коагулирования 1 - подача воды; 2 - отвод части воды на реагентную обработку (вспомогательный поток); 3 - подача коагулянта СА; 4 - подача коагулянта ПОХА; 5 - отвод общего потока; 6 - камера хлопьеобразования; 7 -центробежный насос; 8 - дросселирующее устройство; 9 - подача сжатого воздуха; 10 - манометр
Вспомогательный поток 2 очищаемой воды подается во всасывающий патрубок повысительного центробежного насоса 7 и с требуемым давлением пропускается через дросселирующее устройство 8. Степень закрытия дросселирующего устройства подбирается таким образом, чтобы получать значения градиента скорости G, определяемого с использованием формул (1) и
(2), порядка 104 с-1. Раствор коагулянта СА 3 подается во всасывающий патрубок насоса 7, а сжатый воздух с расходом 10-20 % от количества обрабатываемой воды - непосредственно перед дросселирующим устройством, в котором осуществляется диспергация пузырьков воздуха до размеров 200-300 мкм при времени смешения менее 1 с. Образующаяся тонкодисперсная система «вода - воздух» обладает высокой удельной поверхностью, а пузырьки воздуха становятся дополнительными центрами коагуляции коллоидных и тонкодисперсных загрязнений природных вод. Кроме того, аэрирование ускоряет процесс десорбции углекислоты, образующейся вследствие гидролиза коагулянта. В период паводка во всасывающий патрубок насоса 7 предусмотрена также подача раствора ПОХА 4.
Таким образом, за счет суммарного воздействия нескольких факторов (быстрого и полного смешения коагулянта с водой, создания тонкодисперсной водовоздушной смеси, концентрированного коагулирования) в предлагаемом смесительном узле создаются благоприятные условия для проведения последующей эффективной очистки природных вод.
Исследования влияния режимов перемешивания раствора коагулянтов с исходной сырой водой на качество водоподготовки при использовании способа концентрированного коагулирования проводились на лабораторной установке, схема которой приведена на рис. 2.
Рис. 2 Схема лабораторной установки для исследования режимов смешения
коагулянта с исходной водой
1 - напорный водовод подачи исходной воды на ОСВ; 2 - отводящий трубопровод; 3 - насос; 4 - устройство для смешения воды с воздухом; 5 -компрессор; 6 - дросселирующее устройство; 7 - бак для отбора проб; 8 и 9 -переливной и сливной трубопроводы; 10 - ротаметр; 11 - трубка для подачи сжатого воздуха; 12, 12’ - манометры; 13, 13’ - трубки для подачи коагулянта; 14, 14’ - насосы-дозаторы; 15, 15’ - расходные баки коагулянтов СА и ПОХА; 16 - запорная арматура; 17 - патрубок отбора проб исходной воды
Установка была смонтирована в помещении блока водоподготовки площадки «Кирпичная» очистных сооружений водопровода (ОСВ) г. Пензы. Исходная сырая вода Сурского водохранилища при помощи отводящего трубопровода 2 отбиралась из напорного водовода 1, соединяющего насосную станцию I подъема с ОСВ. Давление воды в водоводе составляло не более 0,4 ■ 105 Па. На отводящем трубопроводе 2 устанавливался центробежный повысительный насос 3 производительностью до 2 м /ч с напором до 40 м (рн до 4105 Па). Подача растворов коагулянтов СА и ПОХА «Аква-Аурат-30» производилась с регулируемым расходом насосами-дозаторами 14 и 14/ во всасывающий патрубок повысительного насоса 3. Кроме того, для получения сравнительных данных по очистке воды в ряде экспериментов раствор СА дозировался самостоятельно. Смешение воды, обработанной коагулянтами, со сжатым воздухом, подаваемым компрессором 5, осуществлялось в устройстве 4, конструктивно представляющем собой вихревой эжектор, в котором производилось предварительное диспергирование пузырьков воздуха до средних размеров 1,5 - 2 мм. Расход воздуха в экспериментах составлял 10 -
12% от расхода воды. Полученная водовоздушная смесь пропускалась через дросселирующее устройство 6, которое представляло собой вентиль dY 20 мм с дисковым затвором. Перепад давлений Ар на дросселирующем устройстве варьировался от 0,5■ 105 Па до 3,5 105 Па за счет изменения степени закрытия затвора и определялся при помощи показаний манометров 12 . В случае использования дросселирующего устройства в качестве смесителя, его объем Vc, используемый для определения величины W в формуле (2) находился, как объем трубопровода за устройством (местным сопротивлением), где наблюдается сильное нарушение структуры потока с обратными вихревыми токами и интенсивными процессами массообмена
Vс =nd2- 1д, (3)
где d - диаметр трубопровода, на котором установлено дросселирующее устройств, м;
1д - длина зоны сильных возмущений потока за местным сопротивлением, /д=(3 + 5) d [3].
Вода, обработанная реагентами и воздухом при заданных значениях Ар (и, следовательно, градиента скорости G) поступала в бак 7 для отбора проб и далее сливалась в канализацию. Расход отработанной воды измерялся объемным методом, а расход сжатого воздуха - при помощи ротаметра 10. Каждая проба воды из бака 7 отбиралась с помощью мензурки и смешивалась в стеклянной емкости объемом V=1,5 л с исходной некоагулированной водой, отобранной из патрубка 17, в соотношениях от 1:99 до 2:98. Таким образом, моделировался предлагаемый способ концентрированного коагулирования с введением коагулянтов в часть (1 - 2%) очищаемой воды.
В соответствии с соотношением объемов обработанной и необработанной воды дозы СА и ПОХА пересчитывались на 1 литр полученной смеси. Смесь по аналогии с режимом работы камер хлопьеобразования ОСВ пл. «Кирпичная» дополнительно обрабатывалась флокулянтом - полиакриламидом (ПАА) и подвергалась медленному перемешиванию с градиентом скорости 20 с-1 в течение 2 мин, после чего переливалась в литровый стеклянный цилиндр и отстаивалась в течение 2 ч. Отстоянная (осветленная) вода отбиралась из верхней части цилиндра и фильтровалась через бумажный фильтр. В процессе экспериментов исследовались пять проб, из них четыре пробы - с использованием воды, обработанной на лабораторной установке. Кроме того, одна контрольная проба бралась для исходной сырой воды, которая обрабатывалась коагулянтом по стандартной методике [2] (быстрое
перемешивание с G=120 с-1 в течение 2 мин и далее медленное перемешивание с добавлением ПАА при G=20 с-1 в течение 2 мин) с последующим отстаиванием и фильтрованием через бумажный фильтр. В контрольную пробу добавлялся раствор СА с дозой, принятой на ОСВ для обработки воды в день проведения эксперимента. Дозы ПАА во всех пробах каждой серии были одинаковыми. Анализы показателей воды проводились в лаборатории ОСВ пл. «Кирпичная» г. Пензы. В соответствии с рекомендациями В. Л. Драгинского [2] эффективность действия коагулянтов прежде всего оценивалась по показателям мутности, цветности, перманганатной окисляемости (ПО) и остаточному алюминию в очищенной воде. Кроме вышеуказанных показателей определялись также рН и щелочность воды.
Пробное коагулирование проводилось при поддержании температуры воды, соответствующей температуре воды водоисточника.
Предварительные эксперименты показали, что при обработке 1-2% исходной воды на лабораторной установке коагулянтом СА и воздухом и ее последующем смешении с 98-99% необработанной воды наиболее значимое снижение загрязнений в отстоянной воде и фильтрате наблюдалось при увеличении G с 2,5 ■ 104 с-1 до 4,8104 с-1. При дальнейшем увеличении G качество очистки воды улучшалось незначительно, поэтому все остальные эксперименты на лабораторной установке проходили при значениях G=4,8 104 с-1.
Один из этапов исследований проводился во время паводка (апрель). Мутность исходной воды изменялась от 55 до 60 мг/л, температура воды была равна 2,5 - 3,0 0С, ПО=6,4 - 6,8 мгО2/л, величина цветности составляла 38 - 40 град, величина рН изменялась в пределах от 7,6 до 7,7, щелочность - от 1,2 до
1,5 ммоль/л, концентрация алюминия в исходной воде была в пределах 0,040,06 мг/л.
Доза СА, принятая на ОСВ при данных показателях воды, составляла Дк=65 мг/л, подщелачивание воды не производилось, доза флокулянта Дпаа=0,15 мг/л. Анализ результатов экспериментальных исследований, представленных на рис. 3 и 4, показал, что реагентная обработка в лабораторной установке 2% исходной воды только СА по предлагаемому способу позволила при Дк=45 мг/л достичь практически такого же снижения мутности фильтрата (Мф=0,92 мг/л, диаграмма 3, рис. 3), как и обработка воды по стандартному методу при Дк=65 мг/л (Мф=0,94 мг/л, диаграмма 1, рис. 3).
Рис. 3 Диаграммы остаточной мутности воды после отстаивания и
фильтрования при реагентной обработке: 1 - с дозой СА 65 мг/л (контроль); с высокоградиентным перемешиванием 2% исходной воды и дозами коагулянтов, отнесенными к 1 л смеси обработанной и необработанной воды: 2 - СА 52 мг/л; 3 - СА 45 мг/л; 4 - СА 32 мг/л + ПОХА 4 мг/л; 5 - СА 26 мг/л + ПОХА 5 мг/л.
Рис. 4 Диаграммы остаточной концентрации алюминия и перманганатной окисляемости (ПО) воды после фильтрования при реагентной обработке: 1 - с дозой СА 65 мг/л (контроль); с высокоградиентным перемешиванием 2% исходной воды и дозами коагулянтов, отнесенными к 1 л смеси обработанной и необработанной воды: 2 - СА 52 мг/л; 3 - СА 45 мг/л; 4 - СА 32 мг/л + ПОХА 4 мг/л; 5 - СА 26 мг/л + ПОХА 5 мг/л.
Мутность фильтрата при совместной обработке воды СА (с дозами от 26 до 30 мг/л) и ПОХА (с дозами от 4 до 5 мг/л) находилась в пределах 0,88-0,94 мг/л (диаграммы 4 и 5, рис. 3).
Цветность фильтрата при обработке воды по предлагаемому способу при дозах СА 22 мг/л и ПОХА 5 мг/л составляла 8 град, при стандартной обработке воды - 7 град (значение ПДК для цветности водопроводной воды равно 20 град
[4]), рН фильтрата во всех случаях был не менее 6,7. Обработка воды только СА по предлагаемому способу при Дк=45 мг/л позволила значительно снизить остаточную концентрацию алюминия в фильтрате (А1ф =0,23 мг/л, диаграмма 3, рис. 4) по сравнению с традиционным методом обработки воды (А1ф3+=0,46 мг/л, диаграмма 1, рис. 4), при котором имеет место реальная опасность превышения ПДК по остаточному алюминию (0,5 мг/л), установленному СанПиН [4].
Как видно из сравнения диаграмм 1 и 3 рис. 4, использование предлагаемого способа при пониженных (более, чем на 30%) дозах СА позволило оставить почти на том же уровне перманганатную окисляемость (ПО) фильтрата, ПДК которой в водопроводной воде составляет 5 мгО2/л [4].
Обработка в лабораторной установке 2% исходной воды СА и ПОХА по предлагаемому способу с дозами соответственно 26 - 32 мг/л и 4 - 5 мг/л привела к снижению ПО до 4,5 - 4,6 мгО2/л и позволила снизить примерно в 3
+3
раза остаточную концентрацию алюминия в фильтрате (А1ф =0,15 - 0,18 мг/л, диаграммы 4 и 5, рис. 4) по сравнению со стандартным методом обработки воды.
Предлагаемый усовершенствованный способ концентрированного коагулирования с применением высокоградиентного перемешивания водовоздушной смеси в течение времени менее 1 с позволяет достичь экономии СА более, чем на 30 %, а при совместной обработке с малыми дозами ПОХА (4 - 5 мг/л) до 60% и снизить эксплуатационные затраты по сравнению с технологией стандартной обработки всего объема воды коагулянтом при одинаковом эффекте очистки, особенно для условий низких температур воды. Остаточное содержание алюминия в очищенной водопроводной воде для условий паводка сокращается в 3 раза, что имеет важное значение для охраны здоровья населения.
Литература
1. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами/ Е.Д. Бабенков. - М.: Недра, 1977.
2. Драгинский В. А. Коагуляция в технологии очистки природных вод/ В. А. Драгинский, Л.П. Алексеева, С.В. Гетманцев. - М.: Науч. изд., 2005.
3. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.
4. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: СанПиН 2.1.4.1074-01. - М.: Минздрав России, 2002.
