Разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении антропогенных загрязнений
На правах рукописи
Герасимов Михаил Михайлович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ БАРЬЕРНЫХ ФУНКЦИЙ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ВОДОПРОВОДОВ В ОТНОШЕНИИ АНТРОПОГЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
05.23.04 - «Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2008
Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе – «Ордена Трудового Красного Знамени комплексный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии «НИИ ВОДГЕО» (ОАО «НИИ ВОДГЕО»)
Научный руководитель: доктор технических наук
Смирнов Александр Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Стрелков Александр Кузьмич
кандидат технических наук
Белевцев Алексей Никитович
Ведущая организация: ОАО «Сибгипрокоммунводоканал»
Защита состоится «16» апреля 2008 г. в 1030 на заседании диссертационного совета Д 303.004.01 при ОАО «НИИ ВОДГЕО» по адресу: Комсомольский проспект, 42, стр.2, г. Москва, Г-48, ГСП-2, 119048.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «НИИ ВОДГЕО», тел. (495) 245-97-87, (495) 245-95-56, факс (495) 245-96-27
Автореферат разослан «11» марта 2008 г.
| Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук |  | Ю.В.Кедров |
Список сокращений:
ПАУ – порошкообразный активированный уголь,
ФЛ – флокулянт (в пилотных испытаниях – ПАА),
КГ – коагулянт:
СА – коагулянт сульфат алюминия (ГОСТ 12966-85),
АА – коагулянт «Аква-Аураттм 30», 30 % по Аl2O3, О – 43 %.
(ОАО «Аурат», ТУ 2163-069-00205067-2007),
ГХА – гидроксохлорид алюминия, марка Б: 42 % по Аl2O3, О – 75 %.
(ОАО «Сорбент», ТУ 6-00-05795731-25-96).
Cl – хлорирование,
СМ – смеситель,
КХО – камера хлопьеобразования,
МФ – механический фильтр,
ГАУ – гранулированный активированный уголь:
АГ-3 (ТУ 6-16-28-1477-92), СКД-515 (ТУ 922406-001-95)
ДФ – двухслойный фильтр с загрузкой «ГАУ + песок»,
ИСХ – исходная вода,
ГОС – галогенорганические соединения: CHCl3, CCl4, CHBrCl2, CHBr2Cl
УФО – ультрафиолетовое облучение (воды),
ПМО – перманганатная окисляемость.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
На фоне развития производства в Российской Федерации наблюдается неблагополучное состояние многих источников питьевого водоснабжения по широкому спектру токсикантов антропогенного генезиса, прежде всего по нефтепродуктам, фенолам, полиароматическим соединениям и СПАВ. Эти токсиканты составляют менее 1 % по массе от всех примесей воды, однако отрицательно влияют на качество питьевой воды. Недостаточность барьерных функций многих действующих очистных сооружений водопроводов по отношению к указанным токсикантам делает актуальной задачу разработки и реализации мероприятий по обеспечению нормативного качества питьевой воды.
Для достижения цели повышения барьерных функций очистных сооружений на действующих водопроводах в отношении указанных токсикантов наиболее эффективным является углевание воды порошкообразными активированными углями (ПАУ). Сорбционная обработка воды с помощью ПАУ не требует значительных инвестиций и может быть использована на любых сооружениях.
Несмотря на то, что метод углевания известен давно, его широкое распространение сдерживается по следующим причинам: недостаточно изучены области применимости процессов извлечения микропримесей токсикантов из реальных вод комплексным реагентно-сорбционным методом; отсутствуют рекомендации по выбору сорбентов и эффективности удаления токсикантов, при их одновременном нахождении в смеси; существующие технические решения для реализации процесса углевания на действующих сооружениях недостаточно надежны.
Учитывая реальную потребность водного хозяйства в высокоэффективных, малозатратных и быстро реализуемых способах очистки питьевой воды, данное направление исследований было выбрано как приоритетное.
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы являлась разработка методов повышения барьерных функций очистных сооружений водопроводов в отношении основных классов токсикантов, обеспечивающих максимальную безопасность очищенной воды для потребителей при минимизации материальных затрат и сроков модернизации объектов.
Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:
а) выявление приоритетных типов антропогенных загрязнений с позиций их распространенности в водоисточниках различных регионов РФ и возможностей удаления из воды;
б) анализ технологических схем и эффективности работы существующих сооружений водопроводов с позиций возможностей их модернизации;
в) исследование технологических процессов и определение условий удаления конкретных типов загрязнений реагентными и сорбционными методами при наличии реального фона природных примесей;
г) разработка методик лабораторных и пилотных тестов для выбора технологии и адаптации ее на объектах с учетом масштабного перехода и специфики сооружений;
д) разработка эффективных методов обработки исходной воды порошкообразными углями (ПАУ) и инженерных решений по их реализации в процессе водоподготовки;
е) разработка рекомендаций на проектирование блока углевания воды и его узлов с учетом современных требований к качеству очищенной воды для населения и безопасности труда на сооружениях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
а) исследованы возможности удаления фоновых и экстраординарных количеств наиболее распространенных типов антропогенных токсикантов из маломутных среднецветных вод и научно обоснованы наиболее эффективные режимы обработки воды традиционными реагентами (коагулянтом, флокулянтом) и ПАУ, в зависимости от природного фона примесей и состава технологической схемы очистных сооружений;
б) установлена необходимость моделирования реальных (прогнозируемых) концентраций токсикантов в водоисточнике путем создания смесей токсикантов, а также научно обоснованы принципы создания модельных смесей приоритетных токсикантов, основанные на закономерностях различной растворимости веществ в воде и других физико-химических свойствах;
в) научно обоснованы и сформулированы принципы выбора наиболее эффективного сорбента, учитывающие его структурные характеристики, одновременное присутствие в воде нескольких токсикантов (смесь) и различную степень их сорбируемости, а также природный фон водоисточника.
Практическая ценность
Предлагаемые технологические и технические решения для модернизации очистных сооружений водопроводов позволяют в короткие сроки при малых затратах минимизировать опасность воздействия антропогенных токсикантов, находящихся в поверхностных водоисточниках, на потребителей воды.
Разработаны эффективные технологии повышения барьерных функций водоочистных станций путем обработки воды порошкообразными активированными углями (ПАУ).
Разработаны и обоснованы принципы модернизации технологических схем и сооружений существующих водопроводных станций крупных городов в зависимости от характера и уровня концентраций приоритетных токсикантов и природной загрязненности водоисточников в виде методических указаний по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентными и сорбционными методами.
Разработаны рекомендации на проектирование узлов аппаратурно-технической базы (включая специальный контейнер для перевозки, хранения и приготовления раствора ПАУ с водой), позволяющие осуществить полный цикл применения ПАУ для обработки воды на существующих очистных сооружениях водопроводов с соблюдением санитарно-технических нормативов и правил безопасности работы с ПАУ, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.
Внедрение
Осуществлено внедрение блоков приготовления и дозирования ПАУ на двух объектах ВКХ: очистных сооружениях ОАО «АвтоВАЗа» (г. Тольятти, производительность 450 тыс. м3/сут) и головных очистных сооружениях водопровода (ГОСВ) г. Хабаровска (производительность 250 тыс. м3/сут).
Разработаны рекомендации и осуществлено внедрение технических решений на очистных сооружениях водопроводов гг. Уфы, Москвы, Сарапула, Ижевска и др.
Апробация работы
Результаты и основные положения работы доложены на Международном конгрессе и технической выставке «ЭТЭВК-2005: Экология, технология, экономика, водоснабжение, канализация» (Украина, г. Ялта, 24-27 июня 2005 г.), Второй международной научно-практической конференции «Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе» (г. Новосибирск, 27-28 октября 2005 г.), Региональной научно-практической конференции «Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в современных условиях» (г. Ижевск, 28-29 июня 2006 г.), Третьей международной научно-практической конференции «Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона» (г. Новосибирск, 25-26 октября 2006 г.).
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 в рекомендованном ВАК РФ издании – журнале «Водоснабжение и санитарная техника».
Объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего 148 наименований, и одного приложения. Общий объем работы составляет 185 страниц текста, включая 17 рисунков и 63 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, выявлена потребность водопроводного хозяйства страны в эффективных и малозатратных технологиях повышения барьерной роли водоочистных станций в отношении широкого спектра антропогенных примесей, намечены пути совершенствования технологий очистки воды с использованием реагентных и сорбционных методов.
В главе 1 «Анализ состояния вопроса очистки природных вод от загрязнений антропогенного характера» отмечено, что наиболее распространенными антропогенными примесями воды поверхностных водоисточников питьевого водоснабжения являются нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения. Действующие очистные сооружения водопроводов, использующие типовые одно- и двухступенчатые схемы «осветление-фильтрование», с использованием обычных коагулянтов, недостаточно эффективно очищают воду от этих токсикантов.
Внедрение новых технологий (мембранных и озоно-сорбционных) и многоступенчатых процессов с использованием высокотехнологичного оборудования осуществляется пока медленно. Это обуславливает необходимость поиска эффективных некапиталоемких решений, не требующих дополнительных площадей под модернизацию. Указанным критериям отвечают, более других, реагентные методы обработки воды, которые реализуются в существующих объемах сооружений. К наиболее безопасным и эффективным относится одна из разновидностей реагентной обработки воды – обработка порошкообразными активированными углями (ПАУ).
Существующие примеры внедрения технологий углевания в предыдущие годы демонстрируют ряд трудностей, с которыми сталкиваются проектные и эксплуатационные организации: часто не учитываются конкретные условия того или иного объекта, в т.ч. перечень приоритетных токсикантов и генезис их поступления в воду, сопутствующие примеси, распределение видов токсикантов и их концентраций во времени и т.д.
При рассмотрении вопросов, связанных с принятием решений по дооснащению технологии очистки воды блоком углевания, как правило не учитывают: соотношения доз сорбента и основных реагентов, возможности повышения эффективности путем перехода на альтернативный коагулянт, качественные особенности процесса в зависимости от места ввода сорбента.
Аппаратурно-технологическая база приготовления и дозирования ПАУ не охватывает полный цикл очистки воды.
Отсутствует понимание роли предподготовки сорбента, сложности свойств концентрированных суспензий ПАУ, особенностей транспорта и дозирования пульпы угля.
Таким образом, имеющиеся данные о реализации процесса углевания на действующих станциях требуют дальнейшего изучения и создания комплексного подхода, начиная от выявления лимитирующих параметров (видов токсикантов и их концентраций, особенностей водозабора, условий работы очистных сооружений) и, заканчивая, выбором наиболее эффективных режимов обработки воды.
В главе 2 «Методика проведения исследований» представлены методологические подходы, использованные в работе.
Все исследования проводились на действующих объектах с реальной водой в различные периоды года, для чего был сконструирован и прошел многолетнюю апробацию специальный пилотный комплекс. Методика работы на пилотном комплексе (рис. 1) позволяла моделировать состав различных технологических схем и параметры процессов, что сводило к минимуму проблемы масштабного перехода. Состав комплекса позволял сравнивать эффективность извлечения приоритетных токсикантов различными сорбционными методами по схеме: «первичное обеззараживание (хлор или УФ-облучение) реагентная обработка коагулянтом (сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия, Аква-Аурат) и флокулянтом (ПАА) хлопьеобразование в КХО отстаивание механическое фильтрование сорбция на ГАУ (АГ-3, СКД-515)». Вторая модификация схемы – использование двухслойного фильтра с ГАУ сразу после стадии отстаивания.
Ввод порошкообразного сорбента предусмотрен как перед смесителем, так и перед фильтрами.
Параметры комплекса: расход исходной воды – до 15 м3/сут, время пребывания воды в камере хлопьеобразования от 15 до 30 мин, время отстаивания от 2 до 3 ч, скорость фильтрования от 4 до 10 м/ч. Режимы ввода и смешения реагентов определялись в зависимости от существующей схемы на данном объекте.
Технологические схемы комплекса позволяют производить испытания в широком диапазоне качественных характеристик исходной воды. Для проведения исследований были выбраны наиболее представительные (типичные) диапазоны параметров качества воды источников водоснабжения: мутность 1-50 мг/л, цветность 20-53 град, окисляемость 5-12 мг О/л.
В соответствии с данными российских специалистов и на основе анализа состава и распространенности загрязнений в водоисточниках РФ для исследований были выбраны следующие группы токсикантов и их представители: нефтепродукты (НП), фенолы (фенол), СПАВ (сульфонол) и полиароматические соединения (бифенил), которые различаются величиной молекулярной массы (низко- и высокомолекулярные) и гидрофобностью.
Анализ данных о загрязненности водоисточников позволил осуществить в работе разделение уровней загрязнений источников на фоновые и надфоновые (или экстраординарные). Для фонового уровня были приняты концентрации целевых токсикантов в воде до 1,5-2 ПДК, для надфонового – концентрации существенно выше этих значений. Уровни содержания приоритетных токсикантов в воде изменялись в следующих диапазонах: нефтепродукты от 6 до 21 ПДК (норматив – 0,1 мг/л); СПАВ – от 1,5 до 5 ПДК (норматив – 0,5 мг/л); фенол – от 7 до 35 ПДК (норматив – 0,001 мг/л); бифенил – от 3 до 9 ПДК (норматив – 0,001 мг/л).
Методика проведения исследований предполагала поиск технологических и технических решений с использованием серийно выпускаемых реагентов, сорбентов и оборудования.
Воспроизводимость условий исследований реализовывалась с помощью моделирования уровней концентраций токсикантов в водоисточнике и генезиса попадания исследуемых загрязнителей в воду. Были разработаны принципы создания смесей токсикантов, которые базировались на их различной растворимости в воде и в органических растворителях, а также с учетом взаимной растворимости. Методика приготовления смеси заключалась в следующем: заданное количество токсикантов совместно или группами растворяли в промежуточном растворителе (ацетон или спирт), затем осуществлялся перенос этого раствора в малый объем воды с длительным перемешиванием и последующей фильтрацией, далее этот фильтрат вводили в обрабатываемую воду и тщательно перемешивали.
Для воспроизводимости условий экспериментов также было важно, чтобы сорбционные материалы работали в одинаковых условиях. Поэтому были разработаны принципы предподготовки сорбентов перед их непосредственным использованием. Для осуществления эффективного процесса сорбции необходимо предварительное замачивание угля, которое позволяет ликвидировать газовый «барьер» и перейти к системе «сорбент–вода–примеси воды». Была исследована зависимость изменение времени замачивания от температуры в диапазоне температур воды от +2 до +60 °С и показано, что предобработка сорбента горячей водой определенной температуры позволяет многократно сократить время замачивания и тем самым увеличить долю работающего сорбента.
Выбор сорбционных материалов для работы осуществлялся на основе оценки их характеристик: пористой структуры, полярных свойств поверхности угля, эффективности сорбции стандартных растворов низко- и высокомолекулярных соединений (метиленовый голубой, фенол, йод) и др.
Оценка свойств выбранных типов загрязнений и исследованных сорбентов показала, что наиболее эффективны сорбенты, обладающие одновременно развитой мезопористой структурой, с достаточно большим суммарным объемом пор и высоким значением адсорбционной активности как по метиленовому голубому, так и по йоду. По этим критериям были выбраны три марки углей: СПДК-27Д, ОУБ-12 и АБГ-П59.
После анализа физических и структурных характеристик углей производился выбор наиболее эффективного сорбента с использованием смеси токсикантов. С использованием ранее описанной методики приготовления модельных смесей токсикантов была смоделирована смесь фенола (17,3 ПДК), дихлорфенола (9 ПДК), бифенила (8 ПДК), гексадекана (10 ПДК) и сульфонола (5 ПДК). Использование одной дозы угля (15 мг/л) для выбранных марок сорбентов позволяло достигать эффективности очистки от указанных загрязнителей от 74 до 95 %. По эффективности извлечения суммы соединений был выбран наиболее эффективный сорбент – СПДК-27Д, использование которого позволяло очистить воду до концентраций, не превышающих норм ПДК для питьевой воды. Данный сорбент использовался в качестве основного в дальнейших исследованиях.
В главе 3 «Экспериментальная часть» приведены результаты исследований сорбционных методов повышения барьерной роли сооружений с фоновыми (фактическими) и экстраординарными (смоделированными) уровнями концентраций приоритетных токсикантов в воде.
Исследование сорбционных процессов (с ПАУ и ГАУ) проводилось совместно с реагентными методами, в полном цикле очистки воды. С целью выбора наиболее эффективной технологии исследовались схемы с ГАУ, с ПАУ (в зависимости от дозы и места ввода), с коагулянтами различной основности.
I. Изучение режимов очистки воды с фоновым содержанием антропогенных примесей производилось по следующим схемам: «первичное хлорирование сорбционная обработка ПАУ коагуляционная обработка коагулянтом (СА, ГХА, АА) и флокулянтом (ПАА) хлопьеобразование в КХО отстаивание механическое фильтрование или фильтрование на двухслойном фильтре с ГАУ (АГ-3, СКД-515)».
Было установлено, что в схемах с доочисткой воды на механических фильтрах замена однослойной песчаной загрузки на двухслойную с ГАУ позволяет снизить концентрации токсикантов, а также количество образующихся в процессе хлорирования галогенорганических соединений в фильтрате ниже их нормативных уровней.
 Рис. 2. Эффективность очистки после фильтрования через различные загрузки | Извлечение нефтепродуктов после двухслойных загрузок происходило на 60 %, независимо от марки (структуры) сорбента. Напротив, эффективность извлечения СПАВ, в зависимости от марки ГАУ, составляла от 70 до 85 %, ГОС от 20 до 50 %. |
При фоновых концентрациях токсикантов в водоисточнике, остаточные их концентрации в фильтрате после двухслойных загрузок находились на уровне 0,03-0,4 ПДК.
Увеличение эффективности очистки воды от исследуемых токсикантов наблюдалось при использовании более основных, чем сульфат алюминия коагулянтов – оксихлоридов алюминия (ОХА).
Эффективность извлечения нефтепродуктов, при использовании ОХА, возрастает вследствие более высокой сорбционной способности полимерных продуктов гидролиза ОХА (рис. 3). Одновременно происходит снижение рабочих доз коагулянта.
Например, эффективность удаления нефтепродуктов из речной воды возрастает в ряду: СА АА ГХА, при этом доза ОХА марки «ГХА» в 2,5 раза меньше дозы сульфата алюминия.
| Рис. 3. Извлечение нефтепродуктов коагулянтами разной основности (после стадии фильтрования) | При введении в существующую технологию очистки воды нового «реакционного» материала – ПАУ – необходимо было понять, каким образом он влияет на изменение общих показателей качества воды. |
Ввод ПАУ в смеситель с последующей реагентной обработкой «СА+ПАА» увеличивает эффект очистки воды по сравнению со стандартной схемой дозирования реагентов. Например, при использовании одного коагулянта дозой 5 мг/л достигается степень обесцвечивания воды на уровне 45 %. Добавление в этот режим флокулянта дозой 0,15 мг/л увеличивает степень обесцвечивания фильтрата до 60 %. Максимальное обесцвечивание исходной воды (75 %) наблюдается при углевании ПАУ (доза 10 мг/л) совместно с реагентной обработкой по режиму «СА+ПАА = 5+0,15».
При увеличении дозы ПАУ, как правило, увеличивается мутность фильтрата. Однако, в диапазоне доз ПАУ от 10 до 20 мг/л, величина показателя мутности находилось в пределах нормы (0,2-0,6 ПДК).
Показано, что глубокое обесцвечивание воды и снижение перманганатной окисляемости достигается в режимах углевания как при использовании флокулянта, так и без него.
Получено, что при одинаковой дозе флокулянта двойное увеличение дозы ПАУ приводит к аналогичному снижению дозы коагулянта и наоборот (рис. 4): цветность и окисляемость снижаются лучше в режимах «ПАУ/СА = 1/1», чем в режимах «ПАУ/СА= 4/1».
Таким образом, в периоды дозирования ПАУ возможен отказ от применения флокулянта.
В сравнении с режимами использования сульфата алюминия, применение коагулянтов с повышенной основностью в режимах углевания (в т. ч. гидроксохлорида алюминия) обеспечивает минимальные значения общих показателей качества очищенной воды.
| Режимы обработки: Дпау + Дкг + Дфл (мг/л): 0 – исходная; 1 – 10 + 10 + 0; 2 – 20 + 5 + 0; 3 – 10 + 10 + 0,15; 4 – 20 + 5 + 0,15 Рис. 4. Изменение общих показатели качества воды при ее совместной обработке ПАУ и реагентами |
Близкие эффективности в режимах с сульфатом алюминия и ГХА достигаются меньшими дозами ГХА, притом, что данный коагулянт эффективно работает и в отсутствии флокулянта.
В условиях присутствия в водоисточнике фоновых количеств исследуемых токсикантов, а также в зависимости от времени года и концентрации каждого из них, дозирование ПАУ перед смесителем дозами 5-10 мг/л обеспечивает достижение их концентраций в очищенной воде на уровне 0,1-0,5 ПДК.
| Рис. 5. Изменение концентрации суммы галогенорганических соединений по стадиям обработки воды | Для токсикантов галогенорганического ряда, образующихся в процессе первичного хлорирования, требуемое снижение их концентраций в фильтрате после механических фильтров достигается путем введения порошкообразного сорбента указанными дозами в смеситель после стадии хлорирования (рис. 5). |
Приведенные выше данные исследований в периоды фонового загрязнения водоисточника токсикантами показывают, что требуемый эффект очистки воды по приоритетным токсикантам, общим показателям качества, а также по вторичным соединениям, образующимся в процессе хлорирования воды достигается путем использования ПАУ и ОХА повышенной основности. Регулирование эффективности удаления токсикантов и снижения общих показателей качества осуществляется путем изменения соотношения доз ПАУ и ОХА.
II. Изучение режимов очистки воды с экстраординарным содержанием токсикантов производилось по следующим схемам: «первичное хлорирование сорбционная обработка ПАУ коагуляционная обработка коагулянтом (СА, ГХА, АА) и флокулянтом (ПАА) хлопьеобразование в КХО отстаивание сорбционная обработка ПАУ а) механическое фильтрование или б) фильтрование на двухслойном фильтре с ГАУ (АГ-3, СКД-515) или в) механическое фильтрование сорбционное фильтрование (АГ-3, СКД-515)».
В результате сравнений эффектов очистки воды от исследуемых токсикантов более эффективными коагулянтами установлено следующее. Реагентная обработка воды только сульфатом алюминия и ПАА, без применения углеродных сорбентов, не обеспечивает требуемой степени очистки. Например, для режима коагуляции «Дкг/Дфл = 10/ 0,15» в фильтрате после механического фильтра остаточная концентрация токсикантов снижалась соответственно для: НП: с 8,5 до 1,3 ПДК; СПАВ: с 2,5 до 1,1 ПДК; фенола: с 10 до 1,2-1,3 ПДК; бифенила: от 8 до 1,4-1,5 ПДК.
Замена сульфата алюминия и ПАА на гидроксохлорид алюминия для режима коагуляции «Дкг/Дфл = 4/ 0» также не позволяет достичь нормативных требований. Остаточные концентрации токсикантов после механического фильтра снижались соответственно для НП: с 5,4 до 1,5 ПДК, СПАВ: с 3,4 до 1,5 ПДК, фенола: с 8,1 до 2,8 ПДК, бифенила: от 2,9 до 0,1 ПДК.
Показано, что дополнение режима обработки воды «СА+ПАА = 10+0,15» процессом углевания ПАУ дозами до 15 мг/л увеличивает эффективность очистки воды по всем исследуемым токсикантам (рис. 6). В зависимости от исходной концентрации каждого загрязнителя в смеси, снижение их концентраций в очищенной воде происходит до остаточных величин на уровне 0,1-0,5 ПДК.
Сравнение схем углевания (по качеству фильтрата механического фильтра) с применением ГХА и наиболее эффективной схемы обработки воды сульфатом алюминия и ПАА (Дкг/Дфл = 10/ 0,15) показал, что обе схемы работают с близкой эффективностью – от 85 до 99 % (в зависимости от класса соединений).
 Рис. 6. Эффективность извлечения токсикантов в режимах углевания с помощью ПАУ и без него | Эффективность очистки воды от СПАВ и бифенила была несколько выше при ее обработке с использованием ГХА, а эффективность извлечения нефтепродуктов и фенолов – несколько выше в схемах с использованием сульфата алюминия и ПАА. |
При реализации процесса углевания с применением традиционных или альтернативных реагентов, общие показатели качества очищенной воды (цветность, мутность и окисляемость) были примерно на одном уровне, несмотря на то, что дозы реагентов и ПАУ до 1,5-3 раз меньше в режимах очистки воды с ГХА.
Сравнение сорбционной доочистки воды на двухслойных фильтрах (песок+ГАУ) с реагентной обработкой, включающей ввод порошкообразных сорбентов дозами до 10 мг/л (либо в смеситель, либо перед фильтрами), показало равнозначную эффективность этих методов и для НП и для фенола (рис. 7). При удалении бифенила – эффективность схемы с вводом ПАУ (перед МФ) была выше, чем в схемах с ГАУ. Преимущество двухслойных фильтров выявилось только для СПАВ.
 Рис. 7. Эффективность извлечения токсикантов в различных режимах сорбционной обработки воды |
Таким образом, показана высокая эффективность углевания для удаления токсикантов как в смеси, так и по отдельности. Доказана возможность отказаться от схем с переоборудованием механических фильтров в двухслойные с ГАУ, тем более, что эффективность работы ГАУ резко снижается при увеличении содержания взвешенных веществ после 1-й ступени очистки.
Более рациональным является применение ГАУ после стадии механического фильтрования. Поэтому на следующем этапе работ изучались схемы с устройством дополнительной сорбционной ступени после стадии механического фильтрования. Исследования режимов обработки воды по схемам «механический фильтр сорбционный фильтр» показали, что остаточные концентрации трех из 4-х исследуемых токсикантов в очищенной воде были на уровне 1 ПДК и более (рис. 8).
Рис. 8. Эффективности удаления токсикантов при реализации различных режимов сорбционной очистки воды
Показано, что глубокое извлечение токсичных примесей из воды (до 0,1-0,4 ПДК) обеспечивается сочетанием углевания с сорбционной доочисткой на ГАУ, однако остаточные концентрации токсикантов в фильтрате при углевании перед механическими фильтрами обеспечивают степень очистки ниже нормативов для всех компонентов смеси, что позволяет отказаться от дополнительной сорбционной ступени после стадии механического фильтрования.
После выявления высокой и достаточной эффективности углевания одинаковыми дозами (до 10 мг/л) в различные точки схемы дальнейшие исследования были направлены на исследование режимов дробного введения ПАУ, с целью поиска возможностей снижения его рабочей дозы.
Получены данные по эффективности режимов углевания при вводе ПАУ в разные точки технологической схемы: в смеситель и/или перед механическим фильтром (табл. 1). Показано, что высокие концентрации НП (до 12 ПДК) удаляются из воды до нормативных значений уже при минимальных дозах сорбента (до 5 мг/л), независимо от места его дозирования. Напротив, при экстраординарных концентрациях СПАВ и фенола эффективность их удаления выше, при дозировании сорбента перед фильтрами, а максимальное извлечение данных токсикантов обеспечивается раздельным дозированием ПАУ в обе точки схемы.
Таблица 1
Эффективность снижения концентраций ксенобиотиков в воде после механического фильтра при различных режимах углевания
| Режим и дозы ПАУ | НП, ед. ПДК | СПАВ, ед. ПДК | Фенол, ед. ПДК |
| Исходная вода (модель) | 1,2-12 | 1-1,5 | 23-27 |
| 5 мг/л в СМ | 0,5 | - | 14,3 |
| 5 мг/л перед МФ | 0,5 | 0,16 | 8 |
| 10 мг/л в СМ | 0,5 | - | 10,1 |
| 5 мг/л в СМ + 5 мг/л перед МФ | 0,5 | 0,1 | 1,2 |
| 15 мг/л в СМ | 0,5 | - | 8,7 |
Как известно, на сорбционные свойства сорбента отрицательно влияет природный фон загрязнений воды водоисточника. Так, при углевании в смеситель ПАУ работает в наиболее тяжелых условиях, что становится наиболее заметным в паводковые периоды года.
В ходе исследований получены два наиболее эффективных режима обработки воды ПАУ, в зависимости от качества речной воды в периоды экстраординарного уровня изученных видов токсикантов: а) в межпаводковые периоды года – дозирование ПАУ в смеситель дозами до 15 мг/л; б) в паводковые периоды года – одновременное дозирование ПАУ в смеситель и перед механическими фильтрами суммарной дозой до 20 мг/л.
Получены граничные условия применимости режимов совместной реагентной обработки и углевания (табл. 2), в зависимости от значений общих показателей качества воды (естественного фона) и концентраций смеси токсикантов, а также коэффициента токсичности (Кт) смеси загрязнителей (СанПиН 2.1.4.1074-01, п. 3.4.4).
Таблица 2
| Режимы обработки воды | Общие показатели качества речной воды | Суммарная загрязненность речной воды токсикантами | |||||||
| ПАУ в СМ | ПАУ перед МФ | Мутн., мг/л | Цветн., градусы | Ок-ть, мг О/л | НП, мг/л | СПАВ, мг/л | Фенол, мкг/л | Бифенил, мкг/л | Кт |
| 5-10 | 5-10 | 3-7 | 40-55 | 7-12 | 6-12 | 0,8-2 | 12-35 | 2-5 | 84-158 |
| 10-15 | - | 0,5-2 | 25-35 | 5-8 | 6-21 | 1-2,5 | 7-18 | 3-9 | 118-241 |
В главе 4 «Практическая реализация предлагаемых решений» приведены методические указания по усовершенствованию технологий очистки природных поверхностных вод реагентными и сорбционными методами, которые определяют перечень мероприятий, в зависимости от характера и уровня концентраций приоритетных токсикантов и степени загрязненности водоисточников природными примесями. В них приводится порядок действий, направленных на увеличение защитных (барьерных) функций очистных сооружений водопроводов в отношении широкого спектра антропогенных (техногенных) токсикантов, постоянно присутствующих или периодически появляющихся в воде источников питьевого водоснабжения. Предлагаемые решения предназначены, в первую очередь, для действующих сооружений, эксплуатирующихся по типовым одно- и двухступенчатым технологическим схемам, включающим реагентную обработку воды, осветление и фильтрование.
Настоящие указания разработаны с учетом: а) использования серийно выпускаемых реагентов и оборудования; б) снижения капитальных и эксплуатационных затрат; в) максимального использования при модернизации станций существующих емкостей, коммуникаций и оборудования.
При выборе путей повышения барьерных функций очистных сооружений, рекомендуется провести следующие предварительные действия:
– статистическая оценка параметров качества исходной воды за представительный период по: а) общим показателям; б) токсическим примесям (в первую очередь: нефтепродукты, фенолы, хлорфенолы, полиароматические соединения, СПАВ);
– выбор характерных для данного водозабора токсикантов (или их групп), как правило, до 4-5 наименований;
– классификация характерных для данного водозабора токсикантов (или их групп) по уровням их концентраций в водоисточнике, превышающих нормативы для питьевой воды (фоновые и надфоновые).
Предлагаемый вариант классификации предусматривает разделение вредных примесей воды на:
а) фоновые – наблюдаются постоянно или с большой частотой,
б) надфоновые (могут иметь место в истории водозабора или прогнозироваться):
– надфоновые с незначительным превышением фоновых уровней концентраций – до 30 дней в году,
– экстраординарные, в отсутствии паводка – до 10 дней в году,
– экстраординарные, в паводки – до 10 дней в году.
К фоновым уровням загрязнений отнесены значения концентраций токсикантов до 1,5-2 ПДК (в соответствие с СанПиН). При превышении этих значений вещество относится к «надфоновой» группе.
В зависимости от преобладания на водоисточнике того или иного периода его загрязненности рекомендуются следующие модернизированные технологические схемы:
А) Преобладание периодов с фоновыми концентрациями токсикантов.
Рекомендуемая схема: «первичное хлорирование (УФО) реагентная обработка сульфатом алюминия и ПАА отстаивание механическое фильтрование вторичное хлорирование (УФО)»
При нахождении в водоисточнике одного или всех изученных токсикантов на фоновых уровнях рекомендуется реагентная обработка воды коагулянтом и флокулянтом с использованием наиболее эффективных коагулирующих реагентов, в т.ч. высокоосновных солей алюминия, без использования ПАУ.
Б) Преобладание периодов с незначительным превышением фоновых уровней концентраций.
Рекомендуемая схема: «первичное хлорирование (УФО) углевание ПАУ реагентная обработка «сульфат алюминия+ПАА» / «гидроксохлорид алюминия+ПАА» отстаивание механическое фильтрование вторичное хлорирование (УФО)».
Получено, что в периоды года с незначительным превышением фоновых уровней концентраций таких токсикантов как нефтепродукты, СПАВ, фенол и бифенил, добиться их нормативного содержания в питьевой воде можно, используя сорбент типа СПДК-27Д, дозируемого в обрабатываемую воду до ввода основных реагентов (коагулянта, флокулянта) в дозах от 5 до 10 мг/л.
В) Преобладание периодов с экстраординарным повышением концентраций токсикантов.
Рекомендуемая схема: «первичное хлорирование (УФО) углевание ПАУ реагентная обработка «сульфат алюминия+ПАА» / «гидроксохлорид алюминия+ПАА» отстаивание углевание ПАУ механическое фильтрование вторичное хлорирование (УФО)».
Данная схема является наиболее полной и предназначена для эффективной работы сооружений в паводок. Дозы сульфата алюминия – 10-15 мг/л, ПАА – 0,05-0,3 мг/л. Режим дозирования ПАУ (типа СПДК-27Д) в смеситель (дозами до 10 мг/л) и перед механическими фильтрами (дозами до 10 мг/л) позволяет получать воду нормативного качества при следующих концентрациях токсикантов, одновременно находящихся в воде: НП до 12 мг/л, СПАВ до 4 мг/л, фенол до 35 мкг/л, бифенил до 5 мкг/л.
В межпаводковые периоды схема эффективно работает при углевании в одну точку схемы – в смеситель, дозами до 10-15 мг/л.
В случае недостижения требуемого эффекта очистки в условиях существующих на станции режимов реагентной обработки в режимах «Б» и «В» необходим переход на коагулянт с большей основностью (типа гидроксохлорида алюминия).
Г) Преобладание периодов значительных колебаний концентраций токсикантов, находящихся в смеси.
Рекомендуемая схема: «первичное хлорирование (УФО) углевание ПАУ реагентная обработка «гидроксохлорид алюминия+ПАА» отстаивание углевание ПАУ механическое фильтрование вторичное хлорирование (УФО)».
В данном случае концентрации токсикантов, дозы ПАУ и реагентов могут выходить за приведенные выше диапазоны, что требует более глубоких предварительных изысканий, основные из которых это выбор наиболее эффективного сорбента и определение его рабочих доз с проведением натурных испытаний на смеси приоритетных токсикантов.
Реализация систем углевания воды в промышленных условиях – ОСВ гг. Уфы, Хабаровска и Тольятти – показали, что для снижения экстраординарных концентраций токсикантов в исходной воде до нормативных уровней необходимо: а) при преобладании в воде низкомолекулярных соединений (например, фенола – до 20 ПДК, бифенила – до 5 ПДК, нефтепродуктов – до 5 ПДК) – дозирование ПАУ перед механическими фильтрами дозами до 15 мг/л; б) при преобладании в смеси токсикантов высокомолекулярных соединений (например, СПАВ – до 10 ПДК) – дозирования ПАУ в «голове» схемы – в смеситель, дозами до 15 мг/л; в) при одновременном присутствии в воде и низкомолекулярных (фенола – до 10-20 ПДК, нефтепродуктов – до 10 ПДК) и высокомолекулярных соединений (СПАВ – до 5 ПДК) – ввод ПАУ и в «голове» схемы и перед механическими фильтрами суммарной дозой до 20 (30) мг/л.
Внедрение технологии углевания на сооружениях происходит, как правило, в существующих объемах станции. Основным, разработанным с участием автора, элементом блока углевания является специальный контейнер, в котором сорбент доставляется с завода-изготовителя и хранится на сооружениях. В этом же контейнере готовится концентрированная суспензия ПАУ, для чего внутри предусмотрены контуры подачи горячей и холодной воды (рис. 9). Замоченный сорбент перемешивается и поддерживается во взвешенном состоянии при помощи контуров подачи воздуха.
1 – цистерна; 2 – каркас; 3 – загрузочный люк; 4 – площадка для обслуживания; 5 – патрубок подачи воды в нижний контур; 6 – патрубок подачи воды в эжектор; 7 – патрубок отвода пульпы; 8 – патрубок опорожнения контейнера; 9 – патрубок отвода воды из нижнего контура; 10 – патрубок подачи воздуха; 11 – перелив; 12 – патрубок подачи воды в верхний контур; 13 – патрубок отвода воздуха из контейнера; 14 – шкаф выходных патрубков.
Рис. 9. Контейнер для транспортировки, хранения и замачивания ПАУ
Сорбент доставляется с завода-изготовителя автомобильным или железнодорожным транспортом. Принципиальная технологическая схема узла углевания аналогична схеме приготовления основных реагентов и включает емкости для приготовления требуемой концентрации суспензии ПАУ и насосное оборудование.
Подготовка ПАУ к дозированию включает следующие операции: сухой порошок сорбента замачивается водой непосредственно в том контейнере, который доставил его с завода и перекачивается в емкости хранения концентрированного раствора пульпы; по мере необходимости, концентрат перекачивается в расходные емкости, где разбавляется до нужной рабочей концентрации.
Результаты сравнения сорбционных блоков (для станций производительностью 250 тыс. м3/сут) показывают, что внедрение блока углевания воды ПАУ (используется до 50 дней в году) взамен реконструкции существующего блока фильтров с созданием 2-х слойных фильтров с ГАУ дает годовой экономический эффект в размере 3110 тыс. рублей.
Таблица 3
Основные технико-экономические показатели
| № | Наименование показателей | Ед. изм. | Блок ПАУ | Ф-ры с ГАУ (аналог) |
| 1. | Масса сорбента | т | 125 | 300 |
| 2. | Стоимость сорбента | тыс. руб/т | 60 | 60 |
| 3. | Замена загрузки | 1/год | - | 1 |
| 4. | Капитальные затраты | тыс. руб | 30 312 | - |
| 5. | Годовые эксплуатац. затраты | тыс. руб | 11 253 | 18 000 |
| 6. | Приведенные затраты | тыс. руб | 14 890 | 18 000 |
| 7. | Ожидаемый эконом. эффект | тыс. руб | 3 110 | - |
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Анализ фактического состояния источников питьевого водоснабжения крупных городов РФ выявил недостаточную эффективность действующих очистных сооружений водопроводов в отношении таких токсикантов как нефтепродукты, фенолы, СПАВ и полиароматические соединения, что определяет актуальность задачи повышения барьерных функций сооружений для обеспечения нормативного качества водопроводной воды.
2. Научно и практически обоснована методика для выбора порошкообразного активированного угля (ПАУ) с использованием смеси наиболее распространенных в водоисточниках РФ токсикантов.
3. Установлена необходимость применения разных способов модернизации технологических схем, в зависимости от типа и концентрации токсиканта, качества воды по общим показателям и состава действующих сооружений.
4. Показано, что для удаления фоновых количеств (с концентрациями до 1,5-2 ПДК) приоритетных токсикантов, коррекцией типов и доз основных реагентов (коагулянта и флокулянта) в сочетании с углеванием (на уровне доз до 5 мг/л) достигаются нормативы по приоритетным токсикантам, общим показателям качества воды, а также по веществам, образующимся в процессе обеззараживания воды хлором.
5. Для периодов экстраординарного загрязнения воды по приоритетным токсикантам от 2-10 до 20-35 ПДК показано, что дополнение реагентной обработки воды углеванием ПАУ дозами от 10 мг/л является эффективным методом очистки от исследованных токсикантов, что дает возможность отказаться от использования фильтров с гранулированными активированными углями (ГАУ).
6. Разработан специальный контейнер для перевозки, хранения и подготовки ПАУ к работе, а также аппаратурно-техническая база, позволяющая осуществить полный цикл углевания на сооружениях с соблюдением санитарно-технических нормативов и вопросов безопасности работы с углем, исключающих ручной труд и загрязнение помещений.
7. Предложены рациональные технологические схемы очистки воды от наиболее распространенных токсикантов, которые реализованы в масштабах крупных водопроводных станций (Q от 100 до 450 тыс. м3/сут).
8. Сравнение приведенных затрат по двум вариантам модернизации схем с помощью сорбционных методов показало, что внедрение на станции производительностью 250 тыс. м3/сут блока углевания воды с помощью ПАУ взамен переоборудования существующего блока фильтров в 2-х слойные фильтры с ГАУ дает годовой экономический эффект в размере 3 110 тыс. руб.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Архипова Е.Е., Домнин К.В., Стеблевский В.И., Талалаев С.А., Шибаева О.А., Гусев Е.Е., Герасимов М.М., Смирнов А.Д. Апробация мембранной ультрафильтрации в технологии очистки р. Амур // Вода и экология. Проблемы и решения.– 2005. – № 4. – С. 40-42.
2. Давлятерова Р.А., Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Кантор Л.И. Испытания углеродного волокнистого материала на водозаборе г. Уфы в условиях загрязнения речной воды нефтепродуктами // ЭТЭВК-2005: Экология, Технология, Экономика, Водоснабжение, Канализация : мат-лы межд. конгресса и технич. выставки, Украина, г. Ялта, 24-27 июня 2005 г. – Киев : ВПЦ «Три Крапки», 2005. – С. 186-190.
3. Бивалькевич А.И., Смирнов А.Д., Герасимов М.М., Парфенов О.Л., Зайцева С.Г. Безопасность и эффективность систем обеззараживания воды. Опыт городов Сибири // Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе : мат-лы II-й межд. НПК, Новосибирск, 27-28 октября 2005 г. – Новосибирск, 2005. – С. 11-12.
4. Жестков Н.В., Кабанов Б.В., Бивалькевич А.И., Герасимов М.М., Давлятерова Р.А., Талалаев С.А. Подготовка питьевой воды на станциях с речными водозаборами применительно к Восточной Сибири // Решение водохозяйственных проблем в Сибирском регионе : мат-лы II-й межд. НПК, Новосибирск, 27-28 октября 2005 г. – Новосибирск, 2005. – С. 12-13.
5. Домнин К.В., Архипова Е.Е., Давлятерова Р.А., Герасимов М.М., Гусев Е.Е., Талалаев С.А., Смагин В.А., Шибаева О.А., Смирнов А.Д. Повышение барьерной роли очистных сооружений водопровода г. Хабаровска // Обезвоживание, реагенты, техника. – 2005. – № 13-14. – С. 47-53.
6. Смирнов А.Д., Гусева О.А., Герасимов М.М., Парфенов О.А., Катаев В.В., Баязитов Е.В. Об опыте применения современных методов обеззараживания воды в практике крупных водопроводов // Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в соврем. условиях : мат-лы регион. НПК, Ижевск, 28-29 июня 2006 г. – Ижевск, 2006. – С. 30-31.
7. Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Беляк А.А., Давлятерова Р.А., Гусева О.А., Задоянный А.Г., Домнин К.В. Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях работы водоканалов крупных городов // Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в соврем. условиях : мат-лы регион. НПК, Ижевск, 28-29 июня 2006 г. – Ижевск, 2006. – С. 32-34.
8. Гусев Е.Е., Талалаев С.А., Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Смагин В.А., Помосова Н.Б. Снижение концентрации хлорорганических соединений при вторичном хлорировании природных вод / Проблемы и пути развития водопроводно-канализационного хозяйства в соврем. условиях : мат-лы регион. НПК, Ижевск, 28-29 июня 2006 г. – Ижевск, 2006. – С. 46.
9. Помосова Н.Б., Становских А.А., Синицина О.О., Герасимов М.М. Проблемы водоподготовки в условиях эвтрофикации источника питьевого водоснабжения г. Ижевска // Водоснабжение и санитарная техника. – 2006. – № 8. – С. 55.
10. Багаев Ю.Г., Мамаев В.В., Костюченко С.В., Герасимов М.М., Гонтовой А.В., Смирнов А.Д. О выборе схемы обеззараживания водопроводной воды // Решение проблем развития водохозяйственных систем Новосибирска и городов Сибирского региона : мат-лы III-й межд. НПК, Новосибирск, 25-26 октября 2006 г. – Новосибирск, 2006. – С. 6-7.
11. Домнин К.В., Архипова Е.Е., Самчук И.С., Алешко Д.С., Дунаевская Е.В., Кузьминова Ю.А., Герасимов М.М., Смирнов А.Д., Давлятерова Р.А. Проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой в условиях чрезвычайной ситуации // Водоснабжение и санитарная техника.– 2007. – № 6, ч. 2. – С. 28-31.
12. Домнин К.В., Архипова Е.Е., Самчук И.С., Алешко Д.С., Дунаевская Е.В., Смирнов А.Д., Герасимов М.М., Беляк А.А. Новые технологии очистки воды р. Амура от антропогенных загрязнений // Водоснабжение и санитарная техника.– 2007. – № 6, ч. 2. – С. 32-37.
Автор выражает благодарность за сотрудничество и консультационную помощь специалистам ОАО «НИИ ВОДГЕО»: всем сотрудникам лаборатории глубокой очистки воды, зав. лаб., к.т.н. Белевцеву А.Н., с.н.с., к.т.н. Жаворонковой В.И., к.т.н. Свердликову А.А., зав. лаб., д.т.н. Лезнову Б.С., зав. лаб., д.т.н. Гандуриной Л.В., зав. лаб., к.т.н. Соколовой Е.В., а также всем коллегам из дружественных организаций, на базе которых была выполнена данная работа.
