4.ОПТИМИЗАЦИЯПРОЦЕССОВОЧИСТКИПРИРОДНЫХВОДИРЕЖИМОВРАБОТЫ ВОДООЧИСТНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ
4.1.Моделирование технологических процессов в натурных условиях
Вусловиях расширения рыночных предложений и усиления конкуренции между разработчиками технологий и производителями технических средств водоподготовки значительно возрастает роль объективной сравнительной оценки предлагаемых инвесторам вариантов технологических схем очистки и обеззараживания воды при ее заборе из одного и того же водоисточника.
Впроцессе проведения тендерных торгов заказчику зачастую предоставляется информация
опредлагаемых технологиях в виде деклараций рекламного характера без подтверждающих результатов ведомственных или государственных испытаний таких технологий. При этом информация о факторах, влияющих на реальную технологическую и экономическую эффективность предлагаемой технологии, либо предоставляется в усеченном «щадящем» виде, либо отсутствует.
Чтобы исключить эти недостатки, необходимо проведение непосредственно на водоисточниках в местах предполагаемого водоотбора предпроектных испытаний намечаемых к внедрению технологий, сооружений и устройств для очистки и обеззараживания воды.
Рис. 2. Общий вид экспериментальных стендов и установок
Избежать перерасхода капиталовложений на стадиях проектирования и строительства будущих водозаборно-очистных сооружений при обеспечении гарантированной санитарно-гигиенической их надежности в процессе эксплуатации позволяют проведение качественных экспертиз предлагаемых вариантов технологических схем водоподготовки и моделированиетехнологических процессов в натурных условиях предпроектных испытаний [14; 15] выбранной технологии
вусловиях, максимально приближенных к реальным. Такими условиями являются:проведение испытаний всей технологической цепи сооружений на воде реального водоисточника, забираемой
встворе проектируемого водозабора на экспериментальных стендах (рис. 2); учет изменчивости и прогноз качества исходной воды в характерные сезоны года и его возможной трансформации при транспортировке воды от водозабора до площадки очистных сооружений на дальние расстояния; обоснование требуемого геометрического, гидравлического и технологического масштабирования изучаемых процессов водоподготовки;параллельное испытание альтернативных, передовых и доступных технологических средств на одной и той же исходной воде;правильный выбор точек отбора проб на анализы с учетом временного факторапоследовательного движения воды по всей цепи технологической схемы;идентичность и обоснованность методик определения количественных и качественных показателей исследуемой воды с учетом специфических свойств применяемых реагентов, механических и энергетических параметров работы моделей сооружений.
20
4.2.Обоснование технологии проектируемого водоочистного комплекса
иего технико-экономическая оценка
Выбор технологической схемы и состава сооружений для очистки природных вод производится на основании оценки качества воды в источнике, требований к степени ее очистки, производительности очистной станции, потенциальных водоочистных возможностей сравниваемых технологий и сооружений, местных условий для строительства.
Когда качество исходной воды позволяет применить несколько технологических схем очистки и разные по реализуемым на них методам и принципам работы очистные сооружения, выбор наиболее экономичного варианта должен производиться на основании технико-экономических расчетов.
Пример выполнения анализа эффективности и технико-экономического обоснования технологии подготовки воды питьевого качества из озера, расположенного в Республике Саха
Исходные данные: потребитель — поселок городского типа; производительность водопроводной станции с учетом расхода воды на собственные нужды — 20,0 тыс. м3/сут. Особые условия — эксплуатация водопроводной станции в условиях вечной мерзлоты.
Исходная вода характеризуется значениями рН от 6,9 до 7,5 ед., малой мутностью (до 2,5 мг/л)
инизким щелочным резервом, повышенной цветностью (до 77 град.) и перманганатной окисляемостью до 7,7 мг/л. Среднегодовая температура воды не превышает +5°С. Она относится к мягким водам с жесткостью до 0,5 ммоль/л, незначительным содержанием кальция (до6 мг/л)
ифтора (0,16…0,25 мг/л), солесодержание воды не превышает 62 мг/л. В небольших количествах в воде присутствуют азотсодержащие соединения (аммиак, нитриты и нитраты), медь (до 0,02 мг/л), цинк (до 0,03 мг/л), железо (до 0,4 мг/л) и фосфор (<0,04 мг/л). Количество растворенного кислорода колеблется в пределах от 9,1 до 11 мг/л. В отдельные годы были зафиксированы повышенные концентрации нефтепродуктов (0,2…0,267 мг/л).
Для озера, как и в целом для водоемов и водотоков Якутии, характерно сезонное наличие фитопланктона и, в частности, преобладание диатомовых водорослей (например Tabelleria flocculosa, Amphora libyca и др.), таксономический состав которых составляет ориентировочно 40 таксонов. Зоопланктон представлен видами ракообразных (ветвистоусые и веслоногие)
иколовратками.
На основании анализа исходных данных и требований действующих нормативов качества питьевой воды [2] определяем следующие методы ее обработки [8; 10]: извлечение фито- и зоопланктона и других грубодисперсных примесей; обесцвечивание; осветление; снижение окисляемости; обеззараживание; кондиционирование по кальцию и фтору и стабилизация.
Отдельным проблемным вопросом является рассмотрение необходимости подогрева исходной воды на станции до +4…+5 °С для обеспечения удовлетворительного протекания процессов коагуляции и флокуляции органических и минеральных коллоидных примесей, содержащихся в холодной воде снедостаточным щелочным резервом в случае выбора варианта с применением ультрафильтрационной технологии.
Что касается других вариантов технологических схем, то использование кальцинированной соды для подщелачивания и замена сульфата алюминия на оксихлорид алюминия позволяют в большинстве случаев избежать первичного подогрева воды в течение 8…9 месяцев работы станции в особых условиях [16].
Для указанных выше исходных данныхрассматриваем несколько технологийводоподготовки, которые при прочих равных условиях обеспечат получение воды питьевого качества.
21
1-й вариант. Технология с использованием модернизированных блочных установок «Влага»
Технологическая схема предусматривает очистку воды на блочных установках «Влага»(рис. 3) с повторным использованием промывных вод и утилизацией осадка и включает: грубую очистку на напорных сетчатых фильтрах; первичное хлорирование с использованием гипохлорита натрия; обработку воды коагулянтом (сернокислым алюминием или оксихлоридом алюминия), флокулянтом (ПААили «Магнафлок»)
и подщелачивающим реагентом (кальцинированной содой) в отдельные периоды года для повышения щелочности воды; отстаивание в отстойниках со встроенными тонкослойнорециркуляционными камерами хлопьеобразования; фильтрование через слой кварцевой загрузки и финишное обеззараживание с ис-
пользованием гипохлорита натрия. Промывные Рис. 3. Общий вид установки «Влага» воды после фильтров поступают в приемные
резервуары и затем насосами направляются в блок реагентного тонкослойного уплотнения. В качестве реагента применяется флокулянт (полиакриламид). Обезвоживание осадка осуществляется на механических фильтр-прессах. Досушенный сжатым воздухом и обезвоженный осадок вывозится на открытые площадки. Фугат направляется в «голову» сооружения либо сбрасывается в канализацию.
Для обеспечения требуемой производительности принимаем установку заводского изготовления производительностью 8 тыс. м3/сут в количестветрех блоков. Каждый блок по данным
производителя состоит из 10 отстойников и 10 фильтров производительностью каждый 800 м3/сут.
Выполним критический анализ данной технологической схемы и состава сооружений. Результаты анализа показали следующее:установки заводского изготовления (30 тонкослойных отстойников и 30 фильтров, включая большое количество технологических трубопроводов
и150 задвижек с электроприводами) с учетом необходимости использования полного набора реагентов и соблюдения строгого технологического режима их промывки на каждом из трех блоков весьма сложны в эксплуатации; опыт промышленной эксплуатации установок «Влага» на поверхностных цветных холодных водах соответствующего качества практически отсутствует; суммарная продолжительность промывки фильтров даже при минимально допустимой продолжительности фильтроциклов 8 ч будет достигать не менее 8 ч в сутки, что потребует большой численности эксплуатационного персонала соответствующей квалификации; обработка
промывных вод на тонкослойном блоке заводского изготовления при количестве промывных вод до 2,2 тыс. м3/сут представляется громоздкой и сложной в эксплуатации; применение первичного хлорирования цветной воды с повышенной окисляемостью может приводить к образованию токсичных хлорорганических соединений, в первую очередь хлороформа
ичетыреххлористого углерода.
Таким образом, при достаточной надежности данной технологии по обеспечению требуемого качества очищенной воды, в целом схема представляется довольно громоздкой, неоправданно раздробленной по блокам небольшой производительности основных сооружений и требующей значительных площадей капитальных сооружений под размещение основных и вспомогательных производств. Эксплуатация такой станции требует большой численности квалифицированного персонала и весьма дорогостоящая.
22
2-й вариант. Технология подготовки воды на водопроводных очистных сооружениях (ВОС) контейнерного типа Zee Weed®
Предусматривается применение ВОС Zee Weed®, состоящих из двух технологических линий, каждая из которых имеет производительность по 10,0 тыс. м3/сут при условии круглосуточной работы.
Технологический процесс подготовки питьевой воды включает: фильтрование через барабанные сетки исходной предварительно подогретой до 8–10 °С воды; предварительное хлорирование воды (при необходимости)с использованием гипохлорита натрия; реагентную обработку с применением гидроксида натрия (для контроля уровня рН), хлористого аммония, перманганата калия (для окисления органических веществ), коагулянта (соли алюминия или железа) и кальцинированной соды (при необходимости для повышения щелочного резерва); флокуляцию при медленном перемешивании в механических камерах хлопьеобразования и последующую ультрафильтрацию через половолоконные мембраны
фирмы Zennon (рис. 4).
В технологический процесс также вклю- Рис. 4. Блок ультрафильтрации ВОС Zee Weed® чена очистка мембран на месте с помощью химических реагентов (NaOH, NaOСl, МС-1).
ВОС Zee Weed® имеют две отдельные самотечные линии для отвода загрязненных технологических стоков.
Первая линия предназначена для таких технологических стоков (сливная и переливнаявода), которые после простого осаждения могут быть направлены в «голову» сооружений, другая — для стоков, образующихся после очистки мембран, которые после нейтрализациинаправляются в канализацию. Работа сооружений обеспечивается 2-уровневой системой автоматизации, управляющим программируемым логическим контроллером (ПЛК) и контролирующейсистемой
SCADA.
Оборудование для процесса ультрафильтрации расположено в контейнерах, предназначенных для установки внутри отапливаемого помещения.
Технологическое оборудование ВОС Zee Weed® поставляется в виде контейнерных блоков, устанавливаемых на полозьях. Оборудование состоит из: двух контейнеров, представляющих контактный и мембранный реакторы, включающие зоны быстрого и медленного перемешивания; двух контейнеров, используемых как мембранный технологический бак, содержащий по 500 мембранных кассет Zee Weed®, погружной циркуляционный насос и буферный бак для неутилизируемой переливной воды; одного контейнера, используемого одновременно как бак обратной промывки и бак для мембранного очистителя, включающий насос мембранного очистителя; отдельного блока с размещенными на нем технологическими насосами, воздуходувками для очистки мембран и вакуумными насосами.
Реагентное хозяйство включает растворные и расходные баки с насосами-дозаторами для подачи NaOH с тремя вводами (два — для контроля уровня рН, один — для очистки мембран); NH4Сl и КМnО4; подачи NaOСl с четырьмя вводами (два — для периодического обеззараживания, два — для очистки мембран); для подачи раствора коагулянта (оксихлорида алюминия или хлорного железа) с двумя вводами на две технологические линии; подачи мембранного очистителя МС-1. Основное оборудование поставляется с необходимым резервом.
23
Анализ технологической схемы очистки исходной воды, очистки промывных вод,частичного их повторного использования, а также обезвоживания осадка позволяет отметить следующее: преимущество данных технологии и оборудования заключается в поставке блочных установок заводского изготовления и их компактного размещения в контейнерах на относительно небольших площадях отапливаемых зданий, в высоком уровне автоматизации всех основных технологических процессов водоподготовки.
Что касается оценки самой технологии, то следует отметить: необходимость постоянной поддержки во взвешенном состоянии образовавшихся хлопьев гидроокиси алюминия или железа
вмембранных реакторах для предотвращения закупорки поверхности мембран иснижения их производительности; необходимость строгого обеспечения заданных параметров в вакуумной системе; процесс коагуляции требует дополнительного испытания после монтажа реакторов с ультрафильтрационными мембранами и может привести к существенной корректировке самой технологии; непроизводительный сброс части скоагулированной суспензии из мембранных реакторов при неравномерности поступления на них воды и отвода фильтрата, в случае не нормативного прироста слоя взвешенного осадка при изменении давлений исходной воды
вмембранных и контактных контейнерах (интервал варьирования составляет от 50 до 80 кПа) и в периоды поочередной промывки мембран;нет гарантий, что даже при строгом соблюдении режимов приготовления и дозирования коагулянтов, окислителей и моющих растворов, используемых для периодических в течение одного часа (до 5 кратковременных промывок в час) и основных промывок и очистки мембран, со временем не будет происходить снижение производительности мембран, а следовательно, станции в целом; осуществление в процессе эксплуатации оборудования станции Zee Weed® реагентных промывок и регенерациимембран тремя реагентами в пяти разных режимах является сложным. Частота таких промывок— один раз
вдвое суток. Причем реагент МС-1 — только зарубежного производства, что также является фактором, снижающим надежность постоянной эксплуатации, а следовательно, и гарантию обеспечения производительности станции; не была предусмотрена разработка систем очистки промывных вод, нейтрализации стоков после очистки мембран, обезвоживания и утилизации осадка, обеззараживания очищенной воды на заключительной стадии ее обработки, а также упущены весьма существенные затраты на приобретение и месячный запас дорогостоящих реагентов (NaOСl, NaOH и МС-1) для обратной промывки и очистки мембран.
3-й вариант. Технология водоподготовки спреозонировнаием, реагентным осветлением и фильтрованием через двухслойную загрузку
Технологическая схема водоподготовки включает: задержание грубодисперсных примесей минерального и органического происхождения на кассетных фильтрах, размещаемых в водозаборных колодцах; первичное озонирование с небольшими дозами озона (до 2,5 мг/л); реагентную обработку воды с использованием коагулянта (оксихлорида алюминия), флокулянта («Магнафлок»), при необходимости — подщелачивающего реагента (кальцинированной соды); последовательное фильтрование через кварцевую и антрацитовую загрузки; стабилизацию и фторирование; обеззараживание с использованием гипохлорита натрия.
Вода насосами I подъема из приемного берегового колодца водозабора, где осуществляется предочистка воды от грубодисперсных примесей с помощью съемных легко промываемых фильтрующих кассет, заполненных крупными полимерными гранулами диаметром 6…8 мм с плотностью 25…40 кг/м3, подается в контактный резервуар первичного озонирования. Здесь же происходит окисление органических веществозоно-воздушной смесью, поступающей от озонаторов. При этом устраняются привкусы и запахи воды, и происходит обесцвечивание воды на 35…40 % [17–19].
24
После 15–20-минутного контакта с озоно-воздушной смесью вода самотеком поступает в трехсекционный смеситель с механическими мешалками, куда периодически вводится щелочной реагент для интенсификации процессов гидролиза коагулята и корректировки рН, растворы коагулянта (например оксихлорид алюминия марки «Аква-АуратТМ-30») и флокулянта (например «Магнафлок»).Из смесителя вода поступает на скорый контактный фильтр сзагрузкой из кварцевого песка, а затем на фильтр второй ступени со слоем антрацита (гранитного щебня)
идалее в РЧВ.
Вочищенную воду после фильтра второй ступени в случае необходимостиможет подаваться раствор кальцинированной соды (для стабилизации),а также фтористый (или кремнефтористый) натрий (для фторирования) и обеззараживающий агент — гипохлорит натрия.
Насосами II подъема очищенная и обеззараженная вода подается в систему распределения
иподачи ее потребителям в городе.
Промывка контактных и сорбционных фильтров осуществляется раздельно и поочередно очищенной водой из РЧВ с помощью специальных промывных насосов. Промывная вода после фильтров направляется в резервуар-отстойник промывных вод, куда одновременно подается раствор флокулянта. Очищенная промывная вода частично возвращается в«голову» сооружений, а образующийся осадок с помощью насосов направляется на обработку — механическое обезвоживание.
Недостатком такой технологии может быть неэффективностьиспользования озона вследствие замедления процесса его растворения в теплое время года при повышении температуры исходной воды до +16…20 °С. Процессы коагулирования, флокулирования коллоидных примесей, содержащихся в холодной воде, и хлопьеобразования, как и при другихсравниваемых вариантах, требуют дополнительного исследования на озерной воде в разные периоды года.
4-й вариант. Технология водоподготовки с первичным озонированием, реагентной обработкой и комбинированным фильтром с пенополистирольно-кварцевой загрузкой
Технология направлена прежде всего на обеспечение требуемой санитарной надежности по отношению к качеству очищенной воды. Учитывая, что речь идет о цветных маломутных холодных водах, содержащих коллоидную высокоустойчивую взвесь, в качестве основных методов, позволяющих предотвратить образование хлорорганических соединений и исключающих предварительное хлорирование воды, целесообразно использовать озонирование с последующим контактным двухступенным фильтрованием через пенополистирольную и песчаную (антрацитовую) загрузки. Причем за счет озонирования на первой ступени станции и снижения цветности воды на 30…45 % от начальнойрасчетные дозы коагулянта и флокулянта (или только флокулянта) будут меньше (до 15…20 мг/л). В этом случае следует ожидать снижения концентрации остаточного алюминия в фильтрате.
Технология водоподготовки по этому варианту близка к технологии, принятой в 3-м варианте. Отличие состоит в том, что замена контактных скорых фильтров первой ступени с кварцевой загрузкой на осветлительные фильтры с плавающей полимерной и антрацитовой загрузками, размещаемыми в одном корпусе, позволяет сэкономить до 70…80 % расходов воды на промывку этих сооружений.
Методика технико-экономических расчетов альтернативных вариантов базируется на максимально возможном на данной стадииобоснования учете данных, приведенных в реальных проектах, разработанных различными проектными организациями, и представленных разработчиками технологий: полезная и полная производительность станции, расход воды на собственные нужды, объем основных технологических зданий, объем складов жидких и сухих реагентов и фильтрующих материалов, объем резервуаров-отстойников промывных вод, годовой расход электроэнергии, тепла и реагентов.
25