CC BY
83
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
УДК 628.16
А.Н. Квартенко, Ж.М. Говорова*
ГП Фирма «Октан», *ФГБОУВПО «МГСУ»
МОДЕРНИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Показано, что в современных условиях подземные воды представляют собой сложную многокомпонентные системы, для кондиционирования которых предлагается последовательно использовать комплекс биофизикохимических методов, позволяющих активизировать процессы водоочистки, достигая синергетического эффекта. Предлагается к рассмотрению ряд модернизированных технологий кондиционирования многокомпонентных подземных вод с фазово-дисперсными изменениями внутри рассматриваемых систем.
Ключевые слова: подземные воды, низкий щелочный резерв, обезжелезива-ние, аэрация, железокислящие бактерии, марганецокисляющие бактерии, железо-органические комплексы, биореакторы, биофлокуляционные процессы, обработка воды в постоянном магнитном поле, гидророботы, осветлительные фильтры.
В большинстве случаев подземные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, формирующуюся под влиянием многочисленных природных и антропогенных факторов [1, 2]. Наблюдения за изменением качества подземных вод, проведенные в последние десятилетия, дают основание констатировать тенденцию к его снижению [3]. В роли основных загрязнений таких вод выступают соединения аммиака, нитритов, нитратов, органических соединений, которые вместе с природными загрязнениями железа, марганца, сероводорода, гуминовыми комплексами, низкой щелочностью и рН усложняют процессы водоочистки на существующих станциях обезжеле-зивания, в состав которых обычно входят напорные и безнапорные фильтры, градирни и компрессорные установки. Вновь строящиеся и реконструируемые станции должны учитывать сложность физико-химического состава, что и обусловливает необходимость большого многообразия специальных методов и технологий их обработки [4, 5]. Последние весьма сложны при построении технологических схем и их последующей эксплуатации.
По результатам анализа приведенных в [4, 5] классификаторов технологий нами предложены следующие рекомендации:
технологии водоподготовки в современных условиях должны базироваться не только на анализе данных по качеству очищаемой воды, но и по фазово-дис-персному состоянию примесей в них, и присутствию комплексообразователей;
необходимо использовать синергетический эффект при очистке многокомпонентных подземных вод и совмещать методы очистки от природных компонентов и антропогенных загрязнений;
для сокращения количества последовательно расположенных блоков очистки следует использовать в ряде случаев технологии активации биологических и физико-химических процессов в постоянном магнитном поле.
Рекомендуется также использование комплекса адвансированных технологий с известными методами биологической очистки; целесообразно использование биофизикохимических методов для очистки воды от комплексов железа ^е) и гуминовых кислот (ГК); марганца (Мп) и фульвокислот (ФК); марганца (при низкой щелочности и рН), фенолов, аммиака, гуминовых и фульвокислот.
В данной работе, выполнив анализ качественного состава подземных вод Северо-Западного региона Украины и основываясь на результатах проведенных нами исследований на пилотных и производственных установках [6], предлагаем к рассмотрению ряд модернизированных технологий по их комплексной очистке. По своему качественному составу воды данного региона весьма разнообразны (табл.).
Характеристика параметров качества подземных вод некоторых водозаборов Северо-Западных областей Украины и возможных технологических схем их кондиционирования
Наименование водозабора Схемы Параметры качества воды
рН, ед. Щелочность, ммоль/ дм3 Перман-ганатная окисляе-мость, мг/дм3 Аммиак, мг/дм3 Железо, мг/дм3 Инде е ь л е * ан с Ризнера
Ровенская область
с. Балашовка В Б 6,4...6,5 1,4.1,6 до 5 до 0,5 4,8.8,5 -1,67 10
п.г.т. Рокитно Б 6 0,9.1,4 7 до 1 15.21 -2,4 10,8
г. Костополь Б 7,1 1,76 до 9 не опр. 5 -1,08 9,26
с. Старое-Село В 7,1 4,5... 5 5,8.7 1,5.3 2,5.3,4 -0,29 7,67
п.г.т. Мизочь Г 7,1 7,6 3,0 0,14 17,5 -0,12 7,34
п.г.т. Заречное Б 7,1 1,55.2 3,8.6,4 не опр. 7,8.9 -0,52 8,14
г. Корец А 6,8.7,05 7,6.7,8 1,6.3,96 не опр. 0,95.2,4 -0,305 7,41
Волынская область
г. Ковель Г 7,2.7,4 5,8.6 4,8 1,8 6,5.7,25 -0,08 7,36
г. Каменец-Каширский А 7,45 3,5 2,4 1,8 1,5.1,8 -0,29 8,23
г. Устилуг Г 7,2 7,8.8,4 2,9.4,7 2,75.3,2 2,3.5,4 0,15 6,9
Хмельницкая область
г. Славута А 7,1 4,0.4,5 2,4.4 до 0,5 1,5.2,5 -0,29 7,93
ВЕСТНИК
5/2013.
Предлагается выстраивать последовательно технологическую цепочку процессов очистки таким образом, чтобы процессы, проходящие в ней, не ин-гибировали, а активировали друг друга на каждой последующей ступени водоочистки, добиваясь тем самым синергетического эффекта. Базовой [7] для данных технологий является технологическая схема, приведенная на рис. 1. Расчет блоков биореакторов, фильтров и гидророботов рекомендуется проводить согласно [8].
Рис. 1. Принципиальная схема кондиционирования воды на установке «ДЕЛАФЕР»: 1 — скважина; 2 — эжектор; 3 — карман; 4 — аэрационная колонна; 5 — мелкопузырчатый аэратор; 6 — биореактор; 7 — контактная камера; 8 — компрессор; 9 — ресивер; 10 — гидроробот; 11 — трубка срыва вакуума; 12 — осветлительный фильтр; 13 — резервуар чистой воды; 14 — напорный бак; 15 — трубопровод отвода промывной воды; 16 — сборный лоток; 17 — трубопровод опорожнения; 18 — насос; 19 — промывной насос
Исходная вода из скважины 1 по трубопроводу поступает в эжектор 2, где происходит насыщение воды кислородом воздуха. Эжекционное устройство позволяет регулировать воздушно-водяное соотношение за счет вентилей а, Ь, с. Вода под остаточным давлением 3.. .5 м поступает в сопла струйного аэратора е, откуда в виде компактной струи под углом 45° тангенциально поступает в карман 3, с последующей турбулизацией потока при движении по кругу до аэрационной колонны 4. Двигаясь нисходящим потоком по аэрационной колонне, вода дополнительно насыщается кислородом воздуха, подаваемого под давлением от ресивера 9 к мелкопузырчатому аэратору 5.
На данной стадии очистки происходит интенсивный процесс массообме-на между водой, подлежащей обработке, и кислородом воздуха. В результате одновременно происходят два процесса: абсорбции (насыщение воды кислородом воздуха) и десорбции (удаление из воды в атмосферу сероводорода и диоксида углерода), что приводит к повышению рН системы.
Время контакта воды с растворенным воздухом составляет 1,5.2 мин. Воздушно-водяное соотношение составляет 1:2. Блок применяется при необходимости дополнительного насыщения воды кислородом воздуха, ухудшении качества исходной воды и необходимости увеличения рН водной системы с
целью ее стабилизации. Общее время контакта воды с воздухом в аэрационном блоке составляет от 4 до 5 мин, что достаточно для проведения процесса полной дегазации и изменения рН-Eh водной системы, комфортной для жизнедеятельности железо- и марганцеокисляющих бактерий.
Вода с измененными параметрами рН-Eh поступает в корпус биореактора, разделенного на три части: нижнюю со взвешенным слоем гидроксида железа, среднюю — собственно биореактор с закрепленной на поверхности полисти-рольной загрузки биопленкой с сообществом железобактерий, и верхнюю, в которой хранится вода на промывку загрузки. Время контакта воды с каталитической поверхностью загрузки составляет 15.20 мин. Деструкцию железоор-ганических комплексных соединений на этом этапе проводят в биологически активной среде, образующейся за счет развития специфических микроорганизмов, закрепленных на насадке, в рабочей зоне биореактора 6 при самопроизвольном сбросе избыточной биомассы в нижнюю часть биореактора, где со временем образуется «кипящий слой» из незакрепленной железоокисляющей микрофлоры. При этом обеспечивается равномерный подвод питательного субстрата — обрабатываемой воды, содержащей железоорганические соединения к колониям микроорганизмов, закрепленных на насадке. Это позволяет активно окислять и минерализовывать растворенные устойчивые железоорга-нические комплексы с последующей агломерацией хлопьев минерализованных и выделенных из раствора форм железа и осаждением их в биореакторе.
Пероксид водорода, образующийся в качестве промежуточного или конечного продукта окисления, выделяется из клеток и накапливается в окружающих их структурах. В нейтральной или слабощелочной среде окисление Fe2+ до Fe3+ происходит в результате непосредственного взаимодействия с перок-сидом водорода. Этот процесс протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки. Кроме того, выделение пероксида водорода микроорганизмами способствует более эффективному разрушению органических соединений.
Таким образом, при биологическом обезжелезивании по предлагаемой схеме очистки обеспечивается разрушение органических соединений, растворенных в воде, как за счет прямого использования микроорганизмами данных соединений в качестве питательного субстрата, так и за счет деструкции органических соединений в результате контакта с продуктом метаболизма (перок-сидом водорода) данных микроорганизмов.
Предварительно очищенная вода по трубопроводу направляется в верхнюю часть осветительного фильтра 12 загруженного кварцевым песком крупностью 0,8.2 мм, толщиной слоя 1,1.1,2 м. Кварцевый песок располагается на поддерживающих слоях из гравия толщиной 0,3 м. Вода фильтруется нисходящим потоком со скоростью 5.6 м/ч. Промывка осветительных фильтров осуществляется с помощью насосов 19. Блок биореактора промывается с помощью гидроробота 10.
Данная базовая схема может быть трансформирована при необходимости в более сложные технологические схемы (рис. 2) в зависимости от параметров качества обрабатываемой воды (см. табл.).
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2013
Рис. 2. Блок-схемы кондиционирования многокомпонентных подземных вод с изменениями фазово-дисперсного состояния рассматриваемых систем внутри технологического процесса
При наличии в подземных железосодержащих водах молекул гуминовых и фульвокислот формируются их устойчивые комплексы с металлами (Fe-ГК; Mn-ФК), вызывающие проблемы дестабилизации защитных гуминовых коллоидов с целью осаждения коллоидального железного гидроксида.
Традиционные технологии очистки воды на основе упрощенной аэрации и фильтрования через зернистые материалы (песок) и обеззараживание хлорированием не позволяют эффективно удалять указанные комплексы.
В исследуемых водах наряду с золями наблюдается присутствие высокомолекулярных органических соединений (ВМС) — агрегативно-устойчивых по аналогии с истинными растворами. Процессы нарушения их устойчивости
связаны с переходом от полного растворения ВМС к ограниченному растворению или полному разделению фаз. Изменение растворимости ВМС достигается введением электролита, в результате чего происходит превращение гомогенной системы раствора в гетерогенную с последующим процессом раздела фаз. Нарушение устойчивости растворов ВМС при введении электролитов отличается от процесса коагуляции лиофобных золей тем, что выделение ВМС из растворов происходит при добавлении относительно больших их объемов [9]. Предлагаемые технологии (см. рис. 2) позволят значительно (до 30.40 %) снизить дозы коагулянтов за счет протекания биофлокуляционных процессов [10—12], наработки железобактериями природного коагулянта, протекания окислительных процессов внутри самой системы, а также разрушения кова-лентных связей и образования дополнительных центров коагулирования под воздействием постоянного магнитного поля.
Таким образом, достигается модернизация и унификация использования основных процессов и аппаратов, без применения громоздких и дорогостоящих реагентных технологий и оборудования для их реализации.
Библиографический список
1. Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. М. : Недра, 1987. 237 с.
2. Лукашевич О.Д., Пилипенко В.Г. Безопасность питьевого водоснабжения как межведомственная пр облема // Безопасность жизнедеятельности. 2003. № 12. С. 30—35.
3. Нацюнальна доповщь про яшсть питно! води та стан питного водопостачання в УкраЫ у 2003 рощ. Рiвне : НУВГП, 2005.
4. Николадзе Г.И. Улучшение качества подземных вод. М. : Стройиздат, 1987. 240 с.
5. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Васечкин Ю.С. Оптимизация комплекса технологических процессов водоочистки // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 5. С. 5—8.
6. Биохимическое обезжелезивание и деманганация подземных вод / М.Г. Журба, Ж.М. Говорова, А.Н. Квартенко, О.Б. Говоров // Водоснабжение и санитарная техника. 2006. № 9. С. 17—23.
7. Квартенко А.Н. Кондиционирование низкощелочных подземных вод, содержащих железогуминовые комплексы // Науковий вюник будiвництва : Збiрник наукових праць. 2011. Вип. 63. С. 406—414.
8. Сафонов Н.А., Квартенко А.Н., Сафонов А.Н. Самопромывающиеся водоочистные установки (Технологии, конструкции и расчет). Ровно : РГТУ 2000. 155 с.
9. Экология очистки сточных вод физико-химическими методами / Н.С. Серпокрылов, Е.В. Вильсон, С.В. Гетманцев, А.А. Марочкин. М. : Изд-во АСВ, 2009. 264 с.
10. Журба М.Г., Квартенко А.Н. Активация биофлокуляционных процессов во-доподготовки в постоянном магнитном поле // Вода: химия и экология. 2009. № 3. С. 20—27.
11. Moro R. et al. Physical Review Letters, 97, 123401 (18 September 2006).
12. Angelos Michaelides, Karina Morgenstern. Ice nanoclusteters at hydrophobic metal surfaces // Science. 17 June 2007. № 6. Pp. 597—601.
Поступила в редакцию в феврале 2013 г.
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
Об авторах: Квартенко Александр Николаевич — кандидат технических наук, доцент, научный сотрудник, Государственное предприятие фирма «Октан» (ГП Фирма «Октан»), 330028, Украина, г. Ровно, ул. Кавказская, д. 9, 8(10380362)26-36-32, [email protected];
Говорова Жанна Михайловна — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры водоснабжения, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8(499)183-36-29, [email protected].
Для цитирования: КвартенкоА.Н., ГовороваЖ.М. Модернизированные технологии комплексного кондиционирования подземных вод // Вестник МГСУ. 2013. № 5. С. 118—125.
A.N. Kvartenko, Zh.M. Govorova RETROFIT TECHNOLOGIES OF COMPREHENSIVE GROUNDWATER CONDITIONING
In this paper, the authors analyze the quality of the groundwater in the north-western region of Ukraine and propose the reassessment of a number of retrofit technologies for their comprehensive treatment. The authors argue that the underground water is a multi-component system. The authors propose a set of biological, physical and chemical methods of water treatment for a synergistic effect.
The authors suggest reducing the number of consecutive water treatment units and using an advanced technology (activation of biological and physicochemical processes in a constant magnetic field). Another suggestion is the application of a set of technologies integrated into traditional methods of biological treatment. The authors also propose a consistent process of water treatment, so that the sub-processes within it were able to activate each other at each subsequent stage to achieve a synergistic effect. Degradation of organic iron requires a biologically active environment. The underlying technology can be transformed into more sophisticated process patterns depending on the quality of water exposed to treatment.
Key words: low alkaline groundwater, iron removal from the groundwater, aeration, iron and manganese oxidizing bacteria, bioreactors, biological treatment, water treatment in a constant magnetic field, hydraulic robot, filters.
References
1. Kraynov S.R., Shvets V.M. Geokhimiya podzemnykh vod khozyaystvenno-pit'evogo naznacheniya [Geochemistry of Potable Groundwater]. Moscow, Nedra Publ., 1987, 237 p.
2. Lukashevich O.D., Pilipenko V.G. Bezopasnost' pit'evogo vodosnabzheniya kak mezhvedomstvennaya problema [Safety of Drinking Water as an Interagency Problem]. Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti [Life Safety]. 2003, no. 12, pp. 30—35.
3. Natsional'na dopovid' pro yakist' pitno'i vodi ta stan pitnogo vodopostachannya v Ukraini u 2003 rotsi. Rivne, NUVGP Publ., 2005.
4. Nikoladze G.I. Uluchshenie kachestva podzemnykh vod [Groundwater Quality Improvement]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987, 240 p.
5. Zhurba M.G., Govorova Zh.M., Vasechkin Yu.S. Optimizatsiya kompleksa tekhno-logicheskikh protsessov vodoochistki [Optimization of Process Patterns of Water Treatment]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2001, no. 5, pp. 5—8.
6. Zhurba M.G., Govorova Zh.M., Kvartenko A.N., Govorov O.B. Biokhimicheskoe obezzhelezivanie i demanganatsiya podzemnykh vod [Biochemical Removal of Iron and Manganese from the Groundwater]. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika [Water Supply and Sanitary Engineering]. 2006, no. 9, pp.17—23.
7. Kvartenko A.N. Konditsionirovanie nizkoshchelochnykh podzemnykh vod, soderzhash-chikh zhelezoguminovye kompleksy [Conditioning of Low-alkaline Groundwater Containing Humic-iron Substances]. Naukoviy visnik budivnitstva. Zbirnik nauko-vikh prats'. [Scientific Bulletin of Construction. Collection of Scientific Works]. Harkiv, HDTUBA Publ., 2011, no. 63, pp. 406—414.
8. Safonov N.A., Kvartenko A.N., Safonov A.N. Samopromyvayushchiesya vodooch-istnye ustanovki (Tekhnologii, konstruktsii i raschet). [Self-washing Water Treatment Plant (Technology, Design and Analysis)]. Rovno, RGTU Publ., 2000, 155 p.
9. Serpokrylov N.S., Vil'son E.V., Getmantsev S.V., Marochkin A.A. Ekologiya ochistki stochnykh vod fiziko-khimicheskimi metodami [Wastewater Treatment Using Physicochemical Methods]. Moscow, ASV Publ., 2009, 264 p.
10. Zhurba M.G., Kvartenko A.N. Aktivatsiya bioflokulyatsionnykh protsessov vodo-podgotovki v postoyannom magnitnom pole [Activation of Bioflocculation Water Treatment Processes in the Constant Magnetic Field]. Voda: khimiya i ekologiya [Water: Chemistry and Ecology]. 2009, no. 3, pp. 20—27.
11. R. Moro et al., Physical Review Letters, 97, 123401, 18 September, 2006.
12. A. Michaelides, K. Morgenstern. Ice nano-clusters at hydrophobic metal surfaces. Science, no. 6, 17 June, 2007, pp. 597—601.
About the authors: Kvartenko Aleksandr Nikolaevich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Researcher, Octane Firm State-owned Enterprise, 9 Kavkazskaya st., Rivne, 330028, Ukraine; [email protected]; +38 0362 26-36-32;
Govorova Zhanna Mikhaylovna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor, Department of Water Supply, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (499) 18336-29.
For citation: Kvartenko A.N., Govorova Zh.M. Modernizirovannye tekhnologii kom-pleksnogo konditsionirovaniya podzemnykh vod [Retrofit Technologies of Comprehensive Groundwater Conditioning]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5, pp. 118—125.
