автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Интенсификация процесса очистки высокоцветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси

г з ноя «ад

ВОЛОГОДСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

lía правах рукописи

ПРИЕМЫ! IТЕВ Юрий Романович

УДК 628.16.067

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ АНТРОПОГЕННЫЕ ПРИМЕСИ

05.23.04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВОЛОГОДСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ПРИЕМЫШЕВ

Юрий Романович

УДК 628.16.067

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ АНТРОПОГЕННЫЕ ПРИМЕСИ

05.23.04— Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Вологодском политехническом институте.

Научный руководитель — доктор технических наук,

профессор, академик ЖКА РФ М. Г. Журба

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Р. И. Аюкаев

доктор технических наук, профессор Ю. И. Вдовин

Ведущая организация — А. О. Ленводоканалпроект, г. С-Петербург.

Защита диссертации состоится^."^ноября. 1998 г. . час на заседании специализированного совета К 064.86.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Вологодском политехническом институте по адресу: г. Вологда,'ул. Ленина, д. 15, ауд. Актовый зал.

2./О

Автореферат разослан ^ октября 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Е. А. МЕЗЕНЕВА

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

На многих водопроводах России и стран СНГ назрела настоятельная необходимость внедрения таких технологий и сооружений очистки для питьевых нужд, которые в условиях ухудшения качества воды в водоисточниках смогли бы обеспечить надежную защиту здоровья людей.

При первичном хлорировании и коагулировании цветных природных вод, содержащих органические вещества природного и антропогенного происхождения, в обрабатываемой воде образуются канцерогенные тригалогенме-таны, вяло протекает процесс коагулирования, неудовлетворительно работают отстойники и осветлители со взвешенным осадком.

В связи с этим, усовершенствование технологии очистки высокоцветных маломутных вод предусматривает применение озонирования исходной воды вместо хлорирования и двухступенное контактное осветление с вводом мелкозернистого сорбента в загрузку префильтра, предопределили актуальность научно-технических задач, решаемых в настоящей работе.

1.2. Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является усовершенствование существующей и разработка более экономичной и надежной технологии очистки высокоцветных маломутных, длительное время холодных вод Северо-Западного региона России, основанной на использовании взамен первичного хлорирования экологически чистого и эффективного предозонирования и двухкамерного контактного фильтра с плавающей и тяжелой фильтрующими загрузками, в которые периодически вводится мелкогранульный сорбент.

В соответствии с поставленной целью в работе были

сформулированы и решены следующие задачи:

— выполнить гидрохимический и санитарно-бактерио-логический анализ трансформации качества водоисточников Северо-Западного региона России (на примере Вологодской области), определить основные типы наиболее часто встречающихся в них ингредиентов антропогенного происхождения и их концентрации;

— разработать усовершенствованную технологию глубокой очистки цветных холодных вод путем замены первичного хлорирования на озонирование, коагулирование, отказа от неэффективных в таких случаях отстойников и осветлителей со взвешенным осадком, и применения новых конструкций контактных двухкамерных осветлительно-сорбционных фильтров с плавающей и тяжелой загрузками;

— создать экспериментальные стенды и провести на них испытания новой технологии и сооружений в условиях круглогодичной эксплуатации водоочистной станции г. Вологда на водах р. Вологда и оз. Кубенское;

— изучить гидравлические закономерности процессов фильтрования и промывки загрузок двухкамерных осветлительно-сорбционных фильтров;

— разработать рекомендации на проектирование новых и реконструкцию существующих станций очистки питьевой воды по новой технологии;

— разработать и испытать передвижную компактную водоочистную установку в контейнерном исполнении

для глубокой доочистки питьевой и очистки исходной поверхностной воды, реализуемую предложенную технологию.

— выполнить технико-экономическое обоснование новой технологии по сравнению с современными реализованными на практике технологиями.

1.3. Научная новизна работы состоит в:

— разработке усовершенствованной технологической схемы очистки цветных холодных вод на базе патента РФ 94024101126;

— получении новых данных по эффективности очистки цветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси;

ЧУ о и

— создании новой компактной, передвижнои, водоочистной установки заводского изготовления, реализующей разработанную технологию водообработки.

1.4. Практическая значимость:

— разработаны рекомендации на проектирование новых и реконструкцию существующих станций очистки питьевой воды по новой технологии;

— разработан проект реконструкции осветлителя со взвешенным осадком площадью 88,8 кв. м на двухкамерный осветлительно-сорбционный фильтр;

— изготовлена и внедрена в эксплуатацию компактная водоочистная передвижная установка 211-2С\у с производительность от 25 до 50 м3/сутки.

1.5. Апробация работы

Основные положения работы были представлены автором на семинаре в рамках Англо-финско-российской образовательной программы «Новаторство через сотрудничество» (г. Тампере, Финляндия, 1996), на межрегиональном научно-методическом семинаре «Обучение через науку», (г. Вологда, 1996), на конференции, посвященной

75-летию ЦГСЭН РФ (г. Вологда, 1997), расширенных заседаниях кафедры ВиВ Вологодского политехнического института (1996, 1997, 1998 гг).

1.6. Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы.

1.7. Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 103 наименований и приложений. Работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка и 17 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описана сложившаяся ситуация в СевероЗападном регионе России по обеспечению населения питьевой водой. Отмечено, что ухудшение качества исходной воды существенно усложняет подготовку воды для питьевых целей.

Обосновывается актуальность выбранной темы исследований, кратко излагается цель диссертации, ее научная новизна и содержание глав.

2.1. Анализ эффективности современных технологий очистки высокоцветных природных вод в условиях Северо-Западного региона

Практически все поверхностные источники водоснабжения страны, включая Северо-Западный регион, в последние десятилетия подвергаются существенному воздействию вредных антропогенных факторов.

Анализы качества воды р. Вологда и оз. Кубенское, выполненные в течении 1992—1996 гг., подтверждают общую тенденцию изменения качества воды под воздействием антропогенных факторов. В эти годы, в периоды паводков и осенних ливней мутность воды достигала 14— 26 мг/л, цветность 90—113° ПКШ, ХПКбихр.— 50 мг/л, нефтепродукты — 0,4—0,6 мг/л, АПАВ — 0,8 мг/л.

Потеря при прокаливании сухого остатка (61,8 мг/л) говорит о наличии в воде 50% веществ органического происхождения, часть из которых способны образовывать при хлорировании воды высокотоксичные канцерогенные вещества тригалогенметаны, наиболее характерными из которых являются хлороформ и четыреххлорис-тый углерод.

Соответствующие технологии водоочистки, основанные на применении реагентов с последующей обработкой воды в отстойниках, микрофильтрах, осветлителях со взвешенным осадком, скорых фильтрах или контактных осветлителях и обеззараживание хлором, разработанные еще в 50—60-е годы, в настоящее время не справляются с повышенной антропогенной нагрузкой.

Усовершенствованные технологии очистки природных вод, содержащих компоненты антропогенного происхождения, разработаны в последние годы в НИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ, Нижегородской государственной архитектурно-строительной академии, Новочеркасском политехническом институте, НИКТИ городского хозяйства (г. Киев) и др.

Они основаны на рациональном сочетании первичного и вторичного озонирования, контактного хлопьеобра-зования, осветления в зернистых слоях инертной и сорб-ционной загрузки и обеззараживания питьевых вод.

Особенностью технологической схемы предложенной нами является отсутствие стационарных адсорберов и

реализация основных процессов доочистки питьевой воды в двухкамерном фильтре новой конструкции.

2.2. Экспериментальные и производственная установки. Методика проведения исследований

В соответствии с программой исследований был разработан, изготовлен и смонтирован на очистных сооружениях водопровода г. Вологды экспериментальный стенд в виде металлического трехъярусного каркаса, на котором были смонтированы баки для приготовления и дозирования растворов реагентов, смеситель, контактный резервуар озоно-воздушной смеси, двухкамерный освет-лительно-сорбционный фильтр, генератор озона и контрольно-измерительная аппаратура.

В процессе исследований речная вода (в отдельные периоды с добавлением в нее антропогенных загрязнителей) подавалась в барботажную колонну, где подвергалась обработке озоно-воздушной смесью. После предозо-нирования смешанная с реагентами вода поступала в нижнюю часть префильтра и профильтровываясь снизу-вверх через полистирольную загрузку, попадала на вторую ступень фильтра. На завершающей стадии обработки вода отфильтровывается сверху-вниз через цеолитовую или кварцевую загрузки.

Для промышленной апробации полученных результатов исследований была разработана, изготовлена и смонтирована на прицепном шасси промышленная установка, реализующая предложенную технологию с производительностью от 25 до 50 м3/сутки.

В процессе исследований доза озона варьировалась в пределах от 1.8, до 5,4 мг/л. Контроль обрабатываемой воды проводился по мутности, цветности, перманганат-ной окисляемости, СПАВ, нитратам, нитритам, фенолам.

Гидравлические характеристики экспериментальных установок и передвижной промышленной установки оценивались по удельным расходам (скорости фильтрации), потери напора за фильтроцикл, интенсивности и продолжительности промывок загрузок, времени контакта озо-но-воздушной смеси в реакторе и смешении реагентов с водой в смесителе.

Анализы воды выполнялись в аттестованных лабораториях МП «Вологдагорводоканал», ЦГСЭН г. Вологды, ГНЦ НИИ ВОДГЕО г. Москвы и РосНИЦЧС.

2.3. ОБОСНОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД

2.3.1. Образование и динамика изменения хлорорганических соединений при первичном хлорировании воды

Первичная обработка хлором воды р. Вологда приводит к возрастанию в очищенной воде хлороформа в 50 раз (от 2,65 мкг/л до 114 мкг/л) и появлению четыреххлористого углерода (до 2,7 мкг/л).

В результате изучения динамики изменения хлорорганических соединений по ступеням обработки воды на действующих очистных сооружениях водопровода г. Вологда (рис. 1) было установлено, что дальнейшая очистка воды после пре-хлорирования, заключающаяся в обработке сульфатом аллю-миния и отстаиванием, способствовала снижению концентрации хлороформа до 22,5 мкг/л и четыреххлористого углерода до 2,0 мкг/л. Последующее фильтрование отстоянной воды через песчаную загрузку позволило снизить содержание СНС13 и СС14 только в 1,2 раза и 1,3 раза соответственно.

Рис. 1. Динамика изменения хлорорганических соединений по сооружениям действующей водоочистной станции г. Вологды

— I, И, III, IV, V — точки отбора проб;

— СМ-смеситель;

— КХ — камера хлопьеобразования;

— Гот — горизонтальные отстойники;

— СФ — скорые фильтры;

— РЧВ — резервуар чистой воды;

— I хл; II хл — ввод хлора (первичное и вторичное хлорирование);

— НС-1 — насосная станция первого подъема;

— НС-Н — насосная станция второго подъема.

2.3.2. Исследование первичного озонирования воды

Повышенное содержание нефтепродуктов, фенолов, АПАВ, НПАВ, аммиака, появление пестицидов в воде, поступающей на очистные сооружения водопровода г. Вологда, обосновывает целесообразность замены пре-хлорирования воды на первичное озонирование. В связи с этим были проведены исследования по определению оптимальной дозы озона на стадии предозонирования и оценке эффективности очистки смешанной воды из р. Вологда и оз. Кубенское по различным технологическим схемам с использование озона.

В период испытаний цветность воды в р. Вологда достигала 70—130° ПКШ, концентрация аммиака составила 1,75 мг/л, НСПАВ — до 6,0 мг/л, окисляемость перман-гатная — 14,7 мг/л. Температура воды не превышала 2,5— 3,0° С.

При концентрации озона в озоно-воздушной смеси до 5,0—6,7 мг/л и времени контакта от 6 до 10 минут эффект обесцвечивания воды с цветностью 70—130° ПКШ при средней дозе озона 1,5—3,0 мг/л достигал до 40—70%.

Дальнейшее повышение глубины обесцвечивания может быть достигнуто за счет повышения времени контакта до 10—15 минут, концентрации озона в газовой фазе до 15—20 мг/л и увеличения высоты контактной колонны до 4—5 метров.

2.3.3. Гидравлические закономерности работы двухступенного контактного фильтра с плавающей и тяжелой загрузками

Специфика работы двухступенного фильтра новой конструкции состоит в том, что префильтр, загруженный гранулированным пеностирольным или пенопластовым слоем с размещением в его поровом пространстве порош-

кового угля с диаметром зерен 0,1—0,5 мм, на время одного фильтроцикла, представляет собой контактный ос-ветительно-сорбционный аппарат первой ступени. Особенностью работы такого фильтра является повторное использование промывной воды после второй ступени, загруженной керамзитом или кварцевым песком для промывки префильтра.

Наибольший прирост удельных потерь напора установлен в слое горелой породы (от 0,05 до 0,6 см/см загрузки), наименьший — в крупногранульном слое пенопласта (от 0,01 до 0,3 см/см загрузки).

Общие начальные потери напора на фильтре 1 ступени при У=12 м/ч достигали соответственно 0,35 метра. На фильтре 11 ступени, загруженном горелой породой при У=15 м/ч, начальные потери напора достигли 0,5—0,6 метра.

Работа двухкамерного фильтра в режиме промывки предусматривает подачу воды снизу вверх через двухслойную загрузку из горелой породы и активированного угля, и сверху вниз (этой же воды) через слой из дробленного пенопласта или пенополистирола.

Таблица 1

Результаты анализа исходной и очищенной воды из р. Вологда

Наименование компонентов Исходная вода После озонирования После 1 фильтра После 2 фильтра

Цветность, ° ПКШ 34,6 14,6 5,05 2,8

Фенол, мг/л не обн. не обн. не обн. не обн.

Железо общее, мг/л 1,51 1,16 1,13 0,64

N1^+, мг/л 1,9 1,73 1,25 0,92

Наименование компонентов Исходная вода После озонирования После 1 фильтра После 2 фильтра

ХПК, мг/л0£ 36,0 46,8 14,4 10,8

Алюминий, мг/л не обн. не обн. 11,5 3,0

Нефтепро-

дукты, мг/л 0,44 0,07 0,045 0,065

Начальные потери напора на префильтре при У<10 м/ч не превышали 0,2 метра при отсутствии в нем ПАУ, и 0,35 метра при вводе в загрузку ПАУ.

В режимах промывки обратным потоком чистой воды, расширение загрузки фильтра II ступени начиналось при <\=\2-\5 л/см2, а фильтра I ступени при 10 л/см2.

2.3.4. Сравнительные исследования различных режимов очистки воды реки Вологда и озера Кубенское предозонированием и контактным фильтрованием

Исследования разных технологий обработки проводились на воде р. Вологды и оз. Кубенское. Для оценки роли пенопластового префильтра и фильтра доочистки с кварцевой загрузкой в начале были проведены исследования безреагентной (фоновой) обработки воды, а затем — по пяти вариантам схемы с предварительным озонированием, реагентной обработкой и двухступенным фильтрованием с подзарядкой префильтра с плавающей загрузкой порошковым углем АГ-3 или СГН-30.

Совместное использование озонирования с коагулированием и последующим фильтрованием через пенополис-тирольную и кварцевую загрузку, обеспечивает требуемый эффект очистки питьевой воды в течении фильтро-

цикла продолжительностью 8 часов и более. Контактное фильтрование с дозами коагулянта до 15—20 мг/л при Цисх.=90-103° ПКШ и предозонированием с Доз.=1,5-2,0 мг/л обеспечивало снижение цветности до 6—10° ПКШ, мутности — до 0,5—2,0 мг/л, окисляемости — с 22—23 мг 02/л.

Гибкость исследуемой технологии и возможность увеличения области ее применения только за счет повышения доз озона и сорбента в случаях экстраординарного загрязнения водоисточника нашли свое подтверждение и в процессе исследований, проведенных в ноябре 1995 г. После добавления в речную воду компонентов антропогенного происхождения на первичное озонирование подавалась вода с цветностью до 56—71° ПКШ, мутностью до 3,3—5,4 мг/л. Водородный показатель ионов составлял 7,7—8,1, ХПК выросло до 51,5 мг/л. В исследуемой воде появились, мг/л: цинк .—4,8, медь —3,85—5,5, пестицид (карбофос) до 0,42, фенолы —0,07—0,094, нефтепродукты —0,64—1,1, ПАВ —1,7. Окисляемость воды возросла до 13,6 мг/л.

В результате производственных испытаний с продолжительностью фильтроциклов 7—13 часов на воде р. Вологда с добавкой в нее техногенных загрязнений были отработаны оптимальные режимы и дозы предо-зонирования, коагулирования и флокулирования воды, ввода зернистого сорбента СГН-30 в верхние слои контактного префильтра, скорости фильтрования на лре-фильтре и фильтре, испытана технология промывки сооружений.

Установлено, что цветность воды от 71,7—68,5° ПКШ снижалась в фильтрате до 7,7—12,8° ПКШ, мутность — до 0,1 мг/л. Только одним озонированием удалось извлечь из воды 100% фенолов при их исходной концентра-

ции 0,094 мг/л. Содержание нефтепродуктов от 1,1 мг/л после озонирования снижалась на 55—60%, после коагуляции и фильтрования через плавающую загрузку с сорбентом — на 77%, а после второй ступени фильтрования — на 82%. В абсолютных значениях их содержание в фильтрате во всех опытах не превышало 0,06— 0,2 мг/л.

Соли тяжелых металлов (медь, цинк, кадмий, никель) после озонирования удалялись незначительно (в среднем от 4—6 до 20%). После последующего коагулирования воды и контактно-сорбционного фильтрования содержание меди снижалось от 3,85—5,5 до 0,75— 0,15 мг/л, цинка до 2,88 мг/л, кадмия от 0,176 до 0,107 мг/л, железа от 0,54—0,73 до ОД 5 мг/л. Марганец уже на первой стадии обработки окислялся и удалял-ся на 63%, а затем его концентрация снижалась от 0,19 (исходная) до 0,13 мг/л.

Как показали биотестированные методы контроля за качеством исходной и очищенной воды, поступающая на опытную установку, после озонирования ее токсичность повышалась в среднем в 1,5 раза, а после префильтров снижалась в 2 раза по сравнению с исходной. После прохождения через фильтр второй ступени вода снижала свою токсичность еще в 4 раза и становилась малотоксичной с оценкой 2 балла по методике.

Производственные испытания на созданной передвижной установке Zh-2Cw с производительностью от 25 до 50 м3/в сутки, проведенные межведомственной комиссией в г. Вологде в мае — октябре 1998 г., подтвердили полученные раньше результаты. Установка имеет гигиенический сертификат и рекомендована в производство и эксплуатацию.

2.4. Рекомендации на проектирование новых и реконструкцию существующих станций очистки питьевой воды по новой технологии

Согласно технологии после первичного озонирования вода поступает в смеситель, а затем на префильтр с плавающей загрузкой из гранул дробленного пенопласта (полистирола), в верхние слои которого вводится сорбент. Доочистка воды осуществляется на фильтре второй ступени с тяжелой зернистой загрузкой. Очищенная вода по трубопроводу поступает в РЧВ, где обрабатывается хлором.

Преимущество предложенной технологии и конструкции по сравнению с известными фильтрами состоит в следующем:

— улучшение эффекта очистки от органических веществ примерно на 20—25% при одновременном повышении и гибкости технологии очистки фильтрованием, заключающейся в возможности осуществления ввода и смешения растворов реагентов и озоно-воздушной смеси непосредственно в корпусе фильтров;

— расширение области применения зернистых фильтров при наличии в воде органических веществ, нефтепродуктов, ПАВ;

— сокращение расходов воды на промывку загрузок фильтров первой и второй ступени в 1,6—1,8 раза за счет повторного использования.

В диссертации приведены рекомендации по дозам первичного озонирования цветных вод, времени контакта озоно-воздушной смеси, дозам и режимам ввода растворов А12 (804)3х 18Н20 и ПАА, дозам мелкогранульного угля в зависимости от качества обрабатываемой воды. Рекомендованы скорости фильтрования на префильтре и фильтре.

На основании выполненных натурных испытаний на действующем осветителе со взвешенным осадком с рецир-кулятором Р=88,8 кв. м составлен проект его реконструкции на префильтр с плавающей загрузкой, в верхний слой которой вводится мелкозернистый сорбент.

Рекомендации используются в проекте расширения очистных сооружений водопровода г. Вологды (IV очередь).

2.5. Технико-экономическое обоснование новой технологии водоочистки цветных вод, содержащих атропогенные примеси

В качестве объекта для примера технико-экономического расчета выбрана станция очистки для хозпитьевых целей г. Вологды.

Технологическая схема очистки воды по I варианту, принята по проекту 4041 4 р 0-2 12(3)-НВ, реализованном в 1994 году, и включает:

— предварительное фильтрование речной воды на микрофильтрах в период цветения водоемов;

— первичное хлорирование;

— обработка воды сульфатом алюминия, полиакрилами-том, ПАУ;

— обработка воды на контактных осветлителях со взвешенным осадком и рецеркуляторами;

— фильтрование через скорые фильтры;

— вторичное хлорирование.

По II варианту сравнения принята технологическая схема по очистке высокоцветных маломутных вод, разработанная в диссертационной работе, включающая;

— первичное озонирование (резерв — первичное хлорирование);

— углевание с вводом ПАУ в трубопровод исходной воды перед префильтром большой грязеемкости;

— обработка воды на префильтре с инертной загрузкой и сорбционной составляющей;

— коагуляция (флокуляция) воды после первичного озонирования и (или) в центральном кармане двухкамерного фильтра;

— доочистка на двухслойном фильтре;

— вторичное озонирование воды в РЧВ (резервное);

— вторичное хлорирование.

По варианту-аналогу (вариант III) принята разработанная технология очистки воды от микрозагрязнений лабораторией очистки природных вод ГНЦ НИИ ВОДГЕО совместно с Союзводоканалпроектом, включающая:

— предварительное фильтрование речной воды на микрофильтрах в период цветения водоемов, первичное озонирование;

— обработку воды сульфатом алюминия, полиакрилами-дом и ПАУ;

— обработку воды на контактных осветлителях;

— вторичное озонирование и обработку воды коагулянтами;

— фильтрование через скорые песчаные фильтры;

— глубокая доочистка на угольных фильтрах;

— хлорирование с целью обеззараживания воды;

— обработка промывных вод и обезвоживание осадка. В расчетах принята производительность станции с учетом расхода на собственные нужды 75 тыс. куб. метров. Из расчета исключены затраты на подготовительные работы и вспомогательные здания и сооружения, как общие для всех рассматриваемых вариантов.

В общие эксплуатационные затраты включены затраты на реагенты, электроэнергию и теплоэнергию, затраты по воде, используемой на собственные нужды (водо-подготовка, возврат в голову сооружений, сброс в осадок), на зарплату основного и вспомогательного персонала станций очистки, отчисления на амортизацию и текущий ремонт и прочие эксплуатационные расходы, принятые в размере до 10% от капитальных затрат по вариантам.

Общие годовые эксплуатационные затраты по трем вариантам в ценах 1996 года составили:

I вар. 3=2142,5 млн. руб.

II вар. 3=1797,8 млн. руб.

III вар. 3=2608,7 млн. руб.

Приведенные затраты (П=ЕК+3) по вариантам составили:

I вар. П=0Д4 х 6158,4+2142,5=3004,7 млн. руб.

II вар. П=0,14 х 4923,1 + 1791,8=2487,0 млн. руб.

III вар. П=0,14 х 8727,8+2608,7=3830,6 млн. руб.

Расчеты показали, что по технико-экономическим

показателям II вариант подготовки питьевой воды для г. Вологды экономически более предпочтительны.

3. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа многолетних данных по качеству воды в водоисточниках Северо-Западного региона страны (рр. Вологда, Сухона, Шексна, оз. Кубенское и др.) определены наиболее часто встречающиеся ингредиенты природного и антропогенного загрязнения и их концентрации, подтверждающие рост, за последние 6—

10 лет, антропогенных нагрузок на источники хозяйственно-питьевого назначения.

2. На примере эксплуатации очистных сооружений водопровода г. Вологды подтверждено вредное воздействие первичного хлорирования цветных, содержащих значительное количество органических загрязнений, вод, приводящее к образованию канцерогенных хлороргани-ческих соединений.

3. Оценена эффективность современных технологий и сооружений очистки цветных холодных вод в условиях Северо-Западного региона страны. Обоснована новая, усовершенствованная технология, основанная на применении первичного озонирования, реагентной обработки и контактных двухступенчатых осветлительно-сорбцион-ных фильтров с плавающей и тяжелой фильтрующими загрузками.

4. Установлено, что при цветности исходных вод до 130° ПКШ, мутности до 30—50 мг/л при наличии в воде нефтепродуктов до 1,0 мг/л, ПАВ до 5—6 мг/л, >Ш4 до 5,0 мг/л, фенолов до 0,01 мг/л, железа до 1,5 мг/л, марганца до 0,5 мг/л, предложенная технология и сооружения, ее реализующие обеспечивают качество воды до требования САНПиН 2.1.4.559—96.

5. Подобраны типы фильтрующих материалов контактных двухступенчатых осветлительно-сорбционных фильтров, определены начальные потери напора и суммарные потери напора за фильтроцикл в слоях загрузок при скоростях фильтрования от 5 до 15 м/ч и разных режимах предварительной обработки воды озоном и коагулянтами. Установлена требуемая продолжительность и интенсивность их промывки, величина относительного расширения загрузок и потерь напора в них в процессе промывки.

6. Сравнительными исследованиями шести вариантов на природных водах реки Вологды и оз. Кубенское установлены технологические параметры сооружений, отработаны режимы первичного озонирования, контактной коагуляции, фильтрования на полистирольном префильт-ре и доочистке на кварцевой и сорбционной (СГН—30) загрузках.

7. Создана, изготовлена и смонтирована на прицепе автомобиля компактная передвижная установка ХЪ-С^ в контейнерном исполнении. Производственной межведомственной комиссией подтверждены результаты выполненных на ней полупромышленных исследований, разработаны технологии водоочистки. На установку получен гигиенический сертификат. Госстандартом зарегистрированы технические условия на ее производство.

8. Результаты научных исследований использованы в разработанном проекте реконструкции осветлителя со взвешенным осадком III очереди очистных сооружений водопровода г. Вологды, на который получено положительное заключение Вологодского городского ЦГСМ.

9. Выполненными технико-экономическими расчетами, учитывающими современные условия хозяйствования МП «Вологдагорводоканал», доказано преимущество разработанной технологии перед аналогами за счет экономии энергозатрат, интенсификации процесса промывки, рационального использования озона и сорбента.

Автором опубликовано 4 научных работы.

1. Журба М. Г., Любима Т. Н., Мезенева Е. А., Журба Ж. М., Приемышев Ю. Р., Мякишев В. А. Новые решения в подготовке питьевых вод // Водоснабжение и санитарная техника.—1994.— № 1.— С.З.

2 Журба М. Г., Говорова Ж. М., Жаворонкова В. И., Немцев В. А., Селюков А. В., Приемышев Ю. Р., Орлов М. В. Очистка цветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси // Водоснабжение и санитарная техника.—1997.— № 6.— С. 3.

3. Журба М. Г., Говорова Ж. М., Жаворонкова В. И., Немцев В. А., Селюков А. В., Анастасиева Л. А., Ковалева Т. Н., Приемышев Ю. Р., Покровский М. С. Очистка цветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси // Водоснабжение и санитарная техника.— 1997.— № 7.— С. 5.

4. Приемышев Ю. Р. Технико-экономическое обоснование технологии очистки высокоцветных маломутных вод из р. Вологда // Санитарно-эпидемиологической службе 75 лет. Областная научно-практическая конференция. — Вологда, 1997.—С. 63—65.

Сдано в набор 23.10.98. Подписано в печать 26.10.98. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. п. л. 1,4. Тир. 100. Зак. 2548.

ПФ «Полиграфист», 160001, г. Вологда, ул. Челюскинцев, 3.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ВОЛОГОДСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 628.16.067

ПРИЁМЫШЕВ ЮРИЙ РОМАНОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ АНТРОПОГЕННЫЕ ПРИМЕСИ

Специальность 05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Научный руководитель | доктор технических наук,

\ профессор, академик ЖКА РФ

М.Г.Журба

Вологда - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................................................................................................................8

1.1. Трансформация качества природных вод под воздействием антропогенных факторов....................................................................8

1.2. Анализ эффективности технологий очистки высокоцветных

маломутных вод в условиях Северо-Западного региона......................................32

1.3 Современные пути постепенного совершенствования технологий очистки высокоцветных маломутных вод можно проследить на примере развития водопровода г. Вологда....................................................................42

1.4. Пути интенсификации технологий подготовки высокоцветных маломутных вод для питьевой воды........................................................................47

1.5. Цель и задачи исследований..................................................................................56

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................................................58

2.1. Конструкция и принципы действия экспериментального

стенда на водопроводной очистной станции г. Вологды................................58

2.1.1. Блок приготовления и дозировки химических реагентов..........58

2.1.2. Блок генерации озона..................................................................................................62

2.1.3. Контактный двухкамерный осветительно сорбциоонный

фильтр............................................................................................................................................62

2.2. Установка заводского изготовления для глубокой очистки

питьевой воды 2И-2С\¥-25............................................................................................................64

2.3. Методики проведения экспериментальных исследований... 69

3. ОБОСНОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД..................................73

3.1. Образование и динамика изменения хлорорганических соединений при первичном хлорировании воды........................................................73

3.2. Исследование процесса первичного озонирования воды.... 78

3.3. Гидравлические закономерности работы двухступенного контактного фильтра с плавающей и тяжёлой загрузками........................88

3.4. Сравнительное исследование различных режимов обработки и очистки воды из реки Вологда и озера Кубенское..................................99

3.5. Результаты испытаний промышленной водоочистной установки контейнерного типа Zh-2Cw-25..........................................................................108

3.6. Выводы по главе 3................................................................................118

4. РЕКОМЕНДАЦИИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ НОВЫХ И РЕКОНСТРУКЦИЮ СУЩЕСТВУЮЩИХ СТАНЦИЙ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ПО НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ........................................................................120

4.1. Рекомендации на проектирование станции очистки питьевой воды <3 = 200 тыс. м3/сут. по новой технологии..........................................120

4.1.1. Рекомендуемая технологическая схема очистки воды..............120

4.1.2. Рекомендации по применению реагентов, устройств и сооружений для их приготовления и дозировки...........................................................123

4.1.3. Рекомендации на проектирование двухкамерного фильтра

с центральным карманом............................................................................................................126

4.2. Реконструкция действующих осветлителей со взвешенным

осадком на осветлительно сорбционный префильтр............................................131

4.2.1. Исходные данные для проектирования......................................................131

4.2.2. Расчетная производительность реконструируемого ОВО... 132 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ..................................................................................................................................................................137

5.1. Общие положения............................................................................................................137

5.2. Обоснование принятых для сравнения технологий и сооружений для очистки маломутных высокоцветных вод..................................................138

5.3. Определение капитальных затрат......................................................................141

5.4. Определение эксплуатационных затрат......................................................141

5.4.1. Затраты на реагенты......................................................................................................145

5.4.2. Затраты на электроэнергию..................................................................................147

5.4.3. Затраты на теплоэнергию......................................................................................149

5.4.4. Затраты по воде на собственные нужды..................................................149

5.4.5. Затраты по зарплате..................................................................................................150

5.4.6. Отчисления на амортизацию и текущий ремонт............................151

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................................................................151

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ 3....................................................................................................................................178

ПРИЛОЖЕНИЕ 4....................................................................................................................................181

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение централизованным водоснабжением городских и сельских населенных пунктов является важнейшим фактором, определяющим социально-культурный уровень жизни народа. В последние десятилетия, одновременно с ухудшением качества воды в водоисточниках,повысились требования к качеству питьевой воды. Существующие, построенные по старым типовым проектам очистные сооружения, не всегда обеспечивают требуемое количество и качество очищенной воды.

Практика показывает, что значительное ухудшение качественных показателей воды современных водоисточников происходит из-за:

- увеличения в ней содержания органических веществ, ядохимикатов, нефтепродуктов, фенолов, поверхностно-активных соединений, ионов тяжелых металлов;

- недостаточного соблюдения норм и правил охраны водоисточников и нерациональное использование забираемой из них воды;

- не эффективного повторного использования воды и обезвоживания осадков из промывных вод на очистных станциях;

-недостатка водных ресурсов в районе водозаборов.

Особенностями и трудностями подготовки высокоцветных, маломутных вод в условиях Северо-Западного региона России являются:

- длительного периода низких температур, и как следствие, плохого гидролиза и растворения коагулянтов, из-за чего неудовлетворительно протекает процесс хлопьеобразования и накапливается остаточный алюминий в очищенной воде;

- недостаточная эффективность отстойников и осветлителей со взвешенным осадком;

- резкие колебания концентраций органических веществ и цветности в периоды снеготаяния, ливней, смыва ис заболоченных территорий;

- образование канцерогенных хлорорганических соединений в питьевой воде после

хлорирования воды, содержащей большое количество органики.

Различные технологические схемы очистки цветных поверхностных вод изучались во ВНИИ ВОДГЕО, НИИ КВОВ, ИКХиХВ, НИКТИ ГХ, ЦНИИКИВРе под руководством Турчиновича В.Т., Яковлева C.B., Клячко В.А, Минца Д.М., Шуберта С.А., Журбы М.Г., Аюкаева Р.Н, Драгинского B.JI. и др./

В связи с приведенными выше факторами ухудшения качества воды в поверхностных водоисточниках и причинами снижения эффективности работы действующих станций, очистки цветных маломутных вод, дальнейшее усовершенствование таких технологий и интенсификация работы очистных сооружений является актуальной и современной задачей.

Целью данной работы является усовершенствование существующей и разработка более экономичной и надежной технологии водоочистки высокоцветных маломутных вод в условиях Северо - Западного региона России путем применения предозонирования и двухступенчатого контактного реагентного фильтрования воды с использованием высокоэффективных плавающих инертных загрузок и сорбентов.

Для достижение указанной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

- определить основные типы наиболее часто встречающихся ингредиентов антропогенного происхождения и их концентрации в цветных водах поверхностных водоисточниках;

- усовершенствовать технологию реагентной очистки цветных холодных вод путем замены первичного хлорирования на озонирование, отказа от не эффективных в таких случаях отстойников и осветлителей со взвешенным осадком, и применения новых конструкций двухкамерных осветлительно - сорбционных фильтров с плавающей и тяжелой загрузками;

- создать эксперементальные стенды и провести испытания новой технологии и сооружений в условиях круглогодичной эксплуатации водоочистной станции г. Вологды;

- изучить процессы промывки двухкамерных осветлительно - сорбционных фильтров;

- разработать рекомендации на проектирование новых и реконструкцию отдельных блоков существующих станций очистки питьевой воды по новой технологии;

- выполнить технико - экономическое обоснование новой технологии по сравнению с передовыми аналогами.

Научная новизна работы состоит в:

- разработке усовершенствованной технологической схемы очистки цветных холодных вод

- получении новых эксперементальных данных по эффективности очистки высокоцветных маломутных вод, содержащих антропогенные примеси, озонированием и контактным фильтрованием;

- создании компактной передвижной установки заводского изготовления ZЪ.-2Cw-25.

Работа состоит из 5 глав , общих выводов, списка литературы и приложения, изложена на 153 стр. машинописного текста, включает 44 рисунка и 17 таблиц.

1. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ МАЛОМУТНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО РЕГИОНА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Трансформация качества природных вод под воздействием антропогенных нагрузок

Практически все поверхностные источники водоснабжения страны в последние десятилетия подвергаются существенному воздействию вредных антропогенных факторов. Наибольшую опасность для хозяйственно-питьевого водоснабжения представляют:-недостаточно очищенные и совсем не очищенные сточные воды хозяйственно-фекальной и промышленной канализации, содержащие органические загрязнения, СПАВ, ионы тяжелых металлов;

- нефтепродукты, поступающие с промышленных площадок и территорий городской застройки;

- ливневые и талые воды, содержащие аналогичные виды загрязнителей;

- поверхностный сток от площадок животноводческих ферм и комплексов;

- дренажные воды из недостаточно изолированных хвостохранилищ и прудов накопителей отходов производств;

- смыв с сельскохозяйственных угодий продуктов разложения минеральных удобрений и ядохимикатов, используемых для защиты растений.

По данным Национального доклада о состоянии природной среды в нашей стране в водах рек установлены повышенные концентрации фенолов (до 2-7 ПДК), хлорорганических пестицидов (до сотен ПДК), аммонийного и нитритного азота( до 10-16 ПДК), нефтепродуктов (до сотен и тысяч ПДК), ионов цинка, меди, свинца (десятки ПДК).

Зарегулирование стока ряда крупных рек повлияло на качественный состав воды,

привело к интенсивному развитию и отмиранию водорослей в водохранилищах и искусственных водоемах. Количество и качество веществ, попадающих в поверхностные и подземные воды, зависит от климатических и географических условий, типа промышленных и сельскохозяйственных предприятий, примыкающих к водотокам, водоемам и местам расположения подземных водоносных горизонтов, надежности технологий очистки хозбытовых и промышленных сточных вод, сбрасываемых в водотоки. Так, источниками загрязнений водных объектов Северо-Западного региона России (реки Северная Двина, Сухона, Онега, Печора) являются обычно недостаточно очищенные сточные воды городов и предприятий деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности (бассейн Северная Двина), угольной и нефтегазовой- промышленности (бассейн р.Печора). Основными загрязняющими веществами поступающими в водоемы со сточными водами, являются: нефтепродукты, бензол, этилбензол, цианиды, роданиды, соли тяжелых металлов, органические вещества, микробное загрязнение.

Санитарное состояние водотоков определяется и спецификой их гидрологических режимов. Оно особенно подвержено ухудшению в тех случаях, когда имеют место явления отливов и приливов, приводящих в определенное время года к обратному течению (реки Северная Двина, Сухона). По этой причине в районе водозаборов г.г Архангельска, Сокола, Новодвинска в эти периоды резко ухудшается качественный состав воды. Так, в р.Сухоне в районе Сокольского промузла БПКп достигает 42 мг/л, коли-индекс- 23800, ХПК-280 мг/л, матанол - 2.2 мг/л /1/. В зоне влияния Архангельского ЦБК выше гигиенических нормативов регистрировалось биохимическое и химическое потребление кислорода (БПК, ХПК), нефтепродукты, лигносульфонатов, бактериальное загрязнение /2,3/.

В результате сброса сточных вод в р. Онегу, в ее воде наблюдается увеличение уровня перманганатной окисляемости от 15,8 до 22,4 мг/л, величины БПКп от 0,6 до 20,0 мг/л, снижение растворенного кислорода до 0,4 мг/л. Отмечается присутствие нефтепродуктов и фенолов в количествах выше допустимых уровней.

Большое количество предприятий машиностроительной, химической, металлургической, легкой промышленностей является основным источником повышенной техногенной нагрузки на крупнейший водоток России - р.Волгу. В последние годы в водах водохранилищ средней и нижней Волги увеличились концентрации нефтепродуктов (до130 ПДК), фенолов (до 40 ПДК), ионов меди (до 4-9 ПДК), цинка (до1.5-1.7 ПДК) /4/.

В периоды полного прекращенния санитарных попусков и, следовательно, уменьшения расходов воды, вблизи мест выпуска сточных вод накапливаются наносы. С включением агрегатов ГЭС и увеличением скоростей течения, эти концентрированные загрязнения распространяются вниз по течению на большие расстояния. В этих условиях водозаборы нижележащих населенных пунктов оказываются в зоне существенного влияния вышележащих городов. Под влиянием агропомышленного комплекса в весенний паводок наблюдаются повышенные концентрации в воде пестицидов (ГХЦГ, метафос, ДДТ, хлорофос и др.). В устьевой части р.Волга характеризуется высоким показателем цветности, перманганатной окисляемости, ХПК, значительным содержанием органических веществ по БПКп, повышенным содержанием аммонийного азота, Бе, нефтепродуктов /5/.

а

Весьма напряженным является санитарное состояние и левого притока р. Волги - реки Камы (Ниже-Камское водохранилище). Так, показатель БПКп воды этого водоема превышает гигиенический норматив в 1,3 раза, концентрация нефтепродуктов в 1,7-2,7 раза, железо общее в 1,2-1,6 раза. В воде зафиксированы высокие показатели органического загрязнения по ХПК (от 30 до 46 мг/л), содержания азота, аммиака, нитритов и нитратов, повышенного количества взвешенных веществ. Зарегулирование стока ряда крупных рек повлияло и на качественный состав взвешенных веществ: появились взвеси преимущественно антропогенного происхождения с повышенной агрегативной и кинетической устойчивостью. Во многих пробах воды были обнаружены олово и кадмий в концентрациях, превышающих ПДК в несколько раз. /9/

Ухудшение качества поверхностных вод отрицательно сказывается и на качество

близлежащих от поверхности грунтовых вод, питаемых за счет инфильтрации из поверхностных водотоков. Отмечено немало случаев загрязнения вод подземных водоносных горизонтов нитратами (в основном, из-за фильтрации сточных вод от животноводческих ферм и комплексов), минеральными солями (при орошении сельскохозяйственных угодий недостаточно очищенными сильноминерализованными сточными водами), при нарушении технологий строительства, эксплуатации систем канализации и несоблюдении соответствующих требований в зонах санитарной охраны/22,28/. Следует также отметить наблюдаемое изменение качественного состава вод источников водоснабжения под действием климатических факторов./19/

Наличие в воде органических веществ антропогенного происхождения представляет собой серьезную угрозу здоровью человека. Насчитывается 65 классов таких химических соединений, считающихся вредными. Загрязнение воды органическими веществами в наибольшей степени характеризуется показателем "общий органический углерод"- ООУ. Концентрация ООУ в подземных водах обычно составляет 0,1-2 мг/л, в поверхност�