CC BY
46
УДК 66.081.6
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2021-1-46-50
ОЧИСТКА МАЛОМУТНЫХ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ ВОД СИБИРСКИХ РЕК ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
PURIFICATION OF LOW-TURBID HIGH-COLOR WATERS OF SIBERIAN RIVERS FOR PROCESS WATER SUPPLY
А.А. Борзов, А.А. Локшин, Е.А. Локшина
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7191-0445, E-mail: borzov.1999@bk.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9156-122X, E-mail: alokshin@ufanet.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: ealokshina@mail.ru
Резюме: Статья посвящена очистке маломутных высокоцветных поверхностных вод Сибири для технологического водоснабжения. На Севере органические вещества попадают в воду в основном из болотных почв. Маломутные цветные воды плохо подвергаются очистке до требуемого качества технической воды из-за содержания в воде гуминовых веществ. При этом проблема эффективной подготовки технологической воды из поверхностных источников маломутных высокоцветных вод с учетом экологических вопросов изучена недостаточно и практически не решена. Целью исследования является разработка эффективной комплексной технологии очистки маломутных высокоцветных вод сибирских рек для технологического водоснабжения с решением экологических вопросов. Рассмотрена разработанная комплексная технология очистки маломутных высокоцветных вод с низкой температурой для технического водоснабжения, обеспечивающая минимальные капитальные и эксплуатационные затраты, что поможет решить социальные и экологические проблемы.
Ключевые слова: водоснабжение, высокоцветные воды, поверхностные воды, цветность, техническая вода.
Для цитирования: Борзов А.А., Локшин А.А., Локшина Е.А. Очистка маломутных высокоцветных вод сибирских рек для технологического водоснабжения // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 1. С. 46-50.
D0I:10.24412/0131-4270-2021-1-46-50
Arseniy A. Borzov, Alexander A. Lokshin, Evgenia A. Lokshina
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7191-0445, E-mail: borzov.1999@bk.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9156-122X, E-mail: alokshin@ufanet.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: ealokshina@mail.ru
Abstract: The article is devoted to a purification of low-turbidity high-color surface waters of Siberia for process water supply. In the North organic matter enters the water mainly from swamp soils. Low-turbidity colored waters are poorly treated to the required quality of industrial water due to humic substances inside. Currently, the problem of effective preparation of process water from surface sources of low-turbidity high-color waters has been insufficiently studied and practically not solved especially taking into account environmental issues. The aim of the study is to develop an effective integrated technology for the purification of low-turbidity high-color waters of Siberian rivers for technological water supply with the solution of environmental issues. The developed complex technology for the purification of low-turbid high-color waters with low temperatures for technical water supply, which provides minimum capital and operating costs, which will help to solve social and environmental problems, is considered.
Keywords: water supply, high-color waters, surface waters, color, industrial water.
For citation: A.A. Borzov, A.A. Lokshin, E.A. Lokshina PURIFICATION OF LOW-TURBID HIGH-COLOR WATERS OF SIBERIAN RIVERS FOR PROCESS WATER SUPPLY. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2021. no. 1, pp. 46-50.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-1-46-50
Одной из проблем водоснабжения в России и за рубежом является очистка высокоцветных маломутных речных вод.
По имеющейся классификации к маломутным высокоцветным поверхностным водам относятся воды, в которых максимальные значения взвешенных веществ менее 50 мг/л и цветности более 120 град. по платиново-кобальтовой шкале. Если мутность воды определяется содержанием в ней частиц минерального происхождения (ил, песок, глина и т.п.), то цветность воды - только веществами органического характера (гуминовыми и дубильными веществами). Как правило, органический состав такой воды формируется при участии почвенного и торфяного гумуса, болотного питания рек; разложения планктона и почвенной растительности в водохранилищах и озерах. Цветность является одним из основных физических органолептических показателей качества воды и ограничивается санитарными нормами 20 град. платиново-кобальтовой шкалы. Высокое содержание органических веществ в воде придает ей затхлый привкус и неприятный запах. На Севере органические вещества
попадают в воду в основном из болотных почв. Маломутные цветные воды плохо подвергаются очистке до требуемого качества технической воды из-за содержания в воде гуми-новых веществ.
Высокоцветные воды имеют сложности при подготовке воды питьевого качества. При первичном хлорировании и коагулировании цветных природных вод, содержащих органические вещества природного и антропогенного происхождения, в обрабатываемой воде образуются канцерогенные тригалогенметаны, вяло протекает процесс коагулирования, неудовлетворительно работают отстойники и осветлители со взвешенным осадком.
Более трети поверхностных источников России характеризуются высокой цветностью воды, достигающей более 500 град., при мутности не более 25 мг/л. Поверхностные воды большую часть года характеризуются низкими температурами, многие из них имеют повышенную цветность при малой мутности, что затрудняет коагуляционную очистку воды.
Очистка маломутных высокоцветных вод в свободном объеме отстойников неэффективна. Для интенсификации очистки таких вод используют осветлители со взвешенным осадком, контактные осветлители или префильтры. Однако при низких температурах в осветлителях со взвешенным осадком затруднено образование и поддерживание взвешенного слоя осадка, а для регенерации загрузки контактных осветлителей и префиль-тров требуется большой расход промывной воды. При очистке маломутных цветных вод в периоды низких температур воды для достижения необходимого качества очистки требуется использование повышенных доз коагулянта, что приводит к увеличению содержания остаточного алюминия в очищенной воде выше нормативного. Применение окислителей требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат и не всегда эффективно при высокой цветности воды. Кроме того, важной экологической проблемой является очистка и утилизация промывных вод, образующихся в процессе подготовки технологической воды.
Решение данных вопросов для водо-подготовительных сооружений маломутных высокоцветных вод из поверхностных источников требует проведения специальных исследований.
Таким образом, проблема эффективной подготовки технологической воды из поверхностных источников маломутных высокоцветных вод с учетом экологических вопросов изучена недостаточно и практически не решена.
Целью исследования является разработка эффективной комплексной технологии очистки маломутных высокоцветных вод сибирских рек поверхностных источников для технологического водоснабжения с решением экологических вопросов.
Задачи:
- исследовать закономерности и особенности реагент-ной очистки маломутных высокоцветных вод в различных условиях;
- исследовать процесс фильтрования маломутных высокоцветных вод;
- разработать эффективный метод обработки маломутных высокоцветных вод.
В результате проведенных исследований:
- будет установлена закономерность и особенность реа-гентной очистки воды;
- разработана усовершенствованная технологическая схема очистки цветных холодных вод;
- будут получены новые данные по эффективности очистки цветных маломутных вод;
Таблица 1
Среднемесячные концентрации химических веществ в поверхностных водах р. Лены в районе г. Усть-Кута за 2018 год (март, май, июль, октябрь) и 2019 год (март, май, июль)
Показатель химического состава воды
Цветность, градус 4,3 238 20,7 8,6 2,0 125,2 16,3
Запах, баллы 0 0 0 0 0 0 0
Жесткость общая, мг-экв/л 5,15 1,22 3,8 5,52 5,36 2,33 3,66
ХПК 4,5 77,0 11,6 7,2 4,4 46,2 9,0
БПК5 2,46 2,2 1,67 2,02 0,83 2,68 2,00
Растворенный кислород 8,01 12,28 7,81 8,45 6,82 9,60 9,73
рН 8,14 7,56 7,49 8,09 8,23 7,66 7.18
Азотаммонийный 0,014 0,002 0,005 0,006 0,001 0,000 0,002
Азотнитритный 0,050 0,004 0,005 0,002 0,119 0,006 0,001
Азотнитратный 0,413 0,004 0,016 0,078 0,453 0,022 0,038
Железо общее 0,091 0,051 0,056 0,065 0,040 0,073 0,003
Кремний 3,36 2,22 1,62 1,24 3,56 1,97 2,38
Кальций 60,3 17,0 41,3 57,9 58,9 31,7 42,7
Магний 26,0 4,5 21,2 32,0 29,4 9,1 18,6
Сульфаты 31,3 14,2 39,4 47,0 30,8 22,2 31,8
Фосфорфосфатов 0,002 0,004 0,000 0,004 0,008 0,000 0,001
Хлориды 111,5 5,99 40,5 100,4 110,5 19,0 43,9
АПАВ 0,003 0,001 0,000 0,003 0,003 0,006 0,000
Нефтепродукты 0,004 0,030 0,031 0,261 0,026 0,018 0,007
Взвешенные вещества 0,1 10,20 3,1 0,9 4,0 0,1 11,2
Сумма ионов 544 104 327 539 520 191 317
Марганец 0,009 0,000 0,003 0,001 0,007 0,002 0,007
Медь 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,000
Никель 0,001 0,005 0,002 0,001 0,002 0,004 0,009
Свинец 0,005 0,001 0,003 0,001 0,005 0,002 0,005
- будет предложен эффективный способ очистки воды в условиях низких температур от цветности.
Для удаления из воды грубодисперсных и коллоидных минеральных примесей, а также значительной части органических и микробиологических загрязнений используются реагенты.
Для экспериментов выбрано качество воды в реке Лене, в районе города Усть-Кута Иркутской области. Эта вода характеризуется следующими показателями (табл. 1).
Технический анализ этих данных и данных, полученных из других источников информации, показывает:
- предполагаемый источник технического водоснабжения (река Лена) характеризуется значительными колебаниями по показателям мутности, цветности, ХПК в различные периоды года;
- в летний и зимний периоды качество воды соответствует требованиям, предъявляемым к технической воде;
- в паводковый период вода характеризуется высокой цветностью и небольшим содержаниеv взвешенных веществ.
В ходе проведения работ были отобраны пробы речной воды (фото 1, 2).
1
• 202 1
47
11. Исходная речная вода (цилиндр справа) в сравнении с водопроводной (цилиндр слева)
2. Исходная речная вода
В ходе исследования по осветлению речной воды были проведены эксперименты по обработке воды различными реагентами. На предварительном этапе результаты оценивались визуально. Пробы, показавшие хороший результат, направлялись на лабораторный анализ. Во время опытов поддерживался температурный режим воды, речную воду после отбора помещали в холодильник.
В результате фильтрования пробы с коагулянтом (сернокислое железо) с дозой 30 мг/л и флокулянтом МадпаАос иГ22 (Zetag 8125) с дозой 5 мг/л был получен осадок. Осадок представлен крупными хлопьями с плотностью, близкой к плотности воды, вследствие чего осадок получается легким и при температурных или поточных конвекциях может мигрировать (плавать) в толще воды. Для осаждения подобных осадков рекомендуется использование отстойников с тонкослойными модулями и (или) внесение в воду дополнительных утяжелителей (ранее сформировавшегося осадка, микропеска).
Фильтрация пробы (для отделения от осадка) показала, что осадок обладает кольматирующими свойствами.
Для очистки речной воды предлагается двухступенчатая схема (рис. 1).
Два режима работы узла очистки речной воды отличаются по временам года.
- режим работы в холодное время года и летний период без ливневых дождей не предусматривает обработку речной воды реагентами, так как качество речной воды в полной мере соответствует требованиям к технической воде. Расчетная продолжительность - 305 дней в году;
- режим работы в период паводка и период ливневых дождей предусматривает обработку воды реагентами. Расчетная продолжительность 60 дней в году.
Описание технологической схемы.
Общий поток распределяется по двум рабочим камерам хлопьеобразования. На входах в камеры хлопьеобразова-ния установлены шлюзовые затворы. В камерах хлопье-образования установлены вертикальные мешалки для перемешивания потока.
Для интенсификации процесса коагулирования и осаждения механических примесей воды и органических соединений, обуславливающих высокую цветность воды, производится дозирование коагулянта. Ввод коагулянта производится в трубопроводы речной воды, поступающей в отстойник.
Для интенсификации процесса осаждения в камеру хло-пьеобразования дополнительно производится дозирование флокулянта.
Вода после камеры хлопьеобразования поступает в рабочие секции отстойника, в которых располагаются тонкослойные модули-сепараторы. В отстойнике происходит гравитационная очистка воды от механических примесей.
На выходе с тонкослойных модулей установлены шлюзовые затворы для вывода секции на ремонт.
Две секции отстойника оборудованы системами сбора осадка механического типа. Донные скребки работают по таймеру. Системы управления скребками поставляются комплектно с основным оборудованием.
Осадок накапливается в приямках и откачивается погружными насосами в емкости сбора и гомогенизации для дальнейшего обезвоживания. Предварительно осветленные стоки после секций отстойника поступают в выпускную камеру через переливную кромку, откуда по двум самотечным коллекторам поступают на вторую ступень осветления на дисковые фильтры. Также предусмотрена байпас-ная линия из выпускной камеры для подачи осветленной речной воды в резервуары, в обход дисковых фильтров.
I Рис. 1. Принципиальная схема осветления речной воды
Удаление осадка из секций отстойника производится механическим способом без остановки процесса осветления воды. Профилактические и ремонтные работы при необходимости проводятся на сооружении в период, когда качество речной воды соответствует требуемому качеству технической воды и не требует дополнительного осветления. Конструкцией отстойника предусмотрен обводной канал из приемной камеры в выпускную, с шлюзовым затвором. В случае, когда речная вода отвечает предъявляемым требованиям и не нуждается в дополнительном осветлении, осуществляется перепуск потока речной воды в обход камер хлопьеобразования и секций отстоя.
Блок фильтрации предназначен для доочистки предварительно осветленной речной воды от взвешенных веществ. Также в данном здании размещается реагентное хозяйство для приготовления растворов коагулянта и флокулянта, узел обезвоживания обводненного осадка, узел процеживателей для предварительной очистки хозяйственно-бытовых стоков.
Для доочистки предварительно осветленной речной воды от взвешенных веществ в качестве второй ступени приняты безнапорные самопромывные дисковые фильтры. Осветленная на тонкослойных модулях речная вода поступает из выпускной камеры горизонтального отстойника по двум водоводам на дисковые фильтры. Отфильтрованная вода по двум водоводам в самотечном режиме направляется в резервуары технической воды. Промывка фильтрующих элементов осуществляется в автоматическом режиме по заданному производителем алгоритму. Промывная вода (в объеме не более 1% от объема фильтрата) направляется в приямок в помещении фильтровальной, откуда погружными насосами откачивается в емкости сбора и гомогенизации для дальнейшего обезвоживания.
Для приготовления и дозирования коагулянта предусматривается станция приготовления и дозирования коагулянта. Режим работы установки периодический, дозирование коагулянта предполагается во время паводка в
1 • 2021
напорные водоводы вблизи входа речной воды в камеру хлопьеобразования.
Система управления станцией дозирования поставляется комплектно со станцией дозирования. Станция работает в автоматическом режиме. Для приготовления раствора реагента используется техническая вода. По результатам пробного коагулирования речной воды в паводковый период к применению рекомендуются следующие марки коагулянтов -Полиоксихлорид алюминия (ПОХА) с дозой 30 мг/л по активному веществу (90 мг/л по товарному продукту Аквааурат 30), либо сульфат железа с дозой 20 мг/л по активному веществу (100 мг/ по товарному продукту). Дозирование коагулянта осуществляется насосами, входящими в комплект станции приготовления и дозирования реагента.
Узел обезвоживания предназначен для обезвоживания обводненного осадка, образующегося в процессе осветления речной воды в тонкослойных сепараторах и дисковых фильтрах. Узел обезвоживания осадка состоит:
- из центрифуг;
- емкостей гомогенизации с мешалками;
- насосов подачи осадка на центрифуги;
- емкости фугата;
- насосов откачки фугата.
Емкости гомогенизации представляют собой стекло-пластиковые вертикальные емкости, оборудованные перемешивающим устройством. В емкости гомогенизации поступают два потока, подлежащих дальнейшему обезвоживанию:
- поток обводненного осадка из отстойника;
- грязная вода от промывки дисковых фильтров.
Перемешивание продукта выполняется мешалками. Пуск
и работа мешалки возможна только при уровне в резервуаре не менее 0,5 м выше лопастей мешалки.
Из емкостей гомогенизации поток обводненного осадка эксцентрикошнековыми горизонтальными насосами подается на двухфазную центрифугу, на которой под действием центробежной силы происходит разделение потока на: кек
49
(обезвоженный осадок) и фугат (грязную воду). Кек из центрифуги выгружается в приемный бункер, откуда шнековым конвейером подается в контейнеры.
Фугат после центрифуги поступает по общему для всех центрифуг коллектору в емкость и откачивается в голову очистных сооружений. При плановой остановке центрифуги, а также периодически во время работы (при необходимости) производится автоматическая промывка центрифуги. Промывка осуществляется технической водой по алгоритму, заложенному в систему управления производителем оборудования и адаптированному в процессе пуско-наладочных работ. Промывная вода сбрасывается в линию грязной промывной воды дисковых фильтров и направляется на повторную очистку.
Комплексный подход - минимизация отходов при очистке речной воды. Отходы образуются:
- после промывки дисковых фильтров;
- осадок после центрифуг и из отстойника.
Грязная промывная вода после промывки дисковых фильтров направляется в узел осветления грязной промывной воды, где разделяется на кек и фугат. Кек поступает в блок обезвоживания для дальнейшего утилизирования, а фугат поступает в голову очистных сооружений для повторной очистки. Осадок после центрифуг и отстойника поступает в блок обезвоживания осадка.
На основе комплексных исследований, анализа экспериментальных данных, теоретических расчетов и производственных испытаний оборудования и процессов решена важная задача - разработана эффективная комплексная технология очистки маломутных высокоцветных вод с низкой температурой для технического водоснабжения, обеспечивающая минимальные капитальные и эксплуатационные затраты, что поможет решить социальные и экологические проблемы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СП.31.13330.2012. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
2. Войтов Е.Л., Сколубович Ю.Л., Сколубович А.Ю. Очистка маломутных высокоцветных природных вод в реакторе-осветлителе // Известия вузов. Строительство, 2008. № 6 (594), С. 126-130.
3. Войтов Е.Л., Сколубович Ю.Л., Сколубович А.Ю. Моделирование процесса очистки воды в реакторе-осветлителе // Известия вузов. Строительство, 2008. № 10 (598). С. 125-129.
4. Сколубович Ю.Л., Войтов Е.Л., Сколубович А.Ю. Очистка маломутных высокоцветных вод в реакторе-осветлителе новой конструкции // Доклады АН ВШ РФ, 2007. № 2 (9). С. 115-122.
5. Войтов Е.Л., Сколубович Ю.Л., Сколубович А.Ю., Бредихин М.Н. Очистка подземных вод от железа и марганца модифицированным фильтрующим материалом АРП // Известия вузов. Строительство, 2010. № 4. С. 92-99.
6. Журба М.Г., Любина Т.Н., Мезенева Е.А. и др. Новые решения в подготовке питьевых вод // Водоснабжение и санитарная техника, 1994. № 1. С. 41-43.
7. Усольцева В.А., Соколов В.Д., Сколубович Ю.Л. и др. Подготовка воды питьевого качества в городе Кемерово. М.: б.и., 1996. 117 с.
REFERENCES
1. SP.31.13330.2012. Vodosnabzheniye. Naruzhnyye seti i sooruzheniya [SP.31.13330.2012. Water supply. External networks and facilities].
2. Voytov YE.L., Skolubovich YU.L., Skolubovich A.YU. Purification of low-turbidity high-color natural waters in a clarifier reactor. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo, 2008, no. 6 (594), pp. 126-130 (In Russian).
3. Voytov Ye.L., Skolubovich YU.L., Skolubovich A.yU. Modeling the process of water purification in a clarifier reactor. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo, 2008, no. 10 (598), pp. 125-129 (In Russian).
4. Skolubovich YU.L., Voytov YE.L., Skolubovich A.YU. Purification of low-turbidity high-color waters in a new design clarifier reactor. Doklady AN VSH RF, 2007, no. 2 (9), pp. 115-122 (In Russian).
5. Voytov YE.L., Skolubovich YU.L., Skolubovich A.YU., Bredikhin M.N. Purification of underground waters from iron and manganese by reactive pink sand modified filtering material. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo, 2010, no. 4, pp. 92-99 (In Russian).
6. Zhurba M.G., Lyubina T.N., Mezeneva YE.A. New solutions in the preparation of drinking water. Vodosnabzheniye i sanitarnaya tekhnika, 1994, no. 1, pp. 41-43 (In Russian).
7. Usol'tseva V.A., Sokolov V.D., Skolubovich YU.L. Podgotovka vody pit'yevogo kachestva v gorode Kemerovo [Preparation of drinking water in Kemerovo]. Moscow, b.i. Publ., 1996. 117 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Борзов Арсений Александрович, студент, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Локшин Александр Адольфович, к.т.н., доцент кафедры
водоснабжения и водоотведения, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Локшина Евгения Александровна, ассистент кафедры транспорта
и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной
технический университет.
Arseniy A. Borzov, Student, Ufa State Petroleum Technological University. Alexander A. Lokshin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Water supply and sewerage, Ufa State Petroleum Technological University. Evgenia A. Lokshina, Assistant of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
