автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Подготовка питьевой воды из маломощных поверхностных водоисточников

Магомадов Заур Рамзанович

ПОДГОТОВКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ МАЛОМОЩНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 МДР ¿012

Москва 2012

005013990

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Говорова Жанна Михайловна

доктор технических наук, профессор Свинцов Александр Петрович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кедров Юрий Владимирович

ОАО «МосводоканалНИИпроект»

Защита диссертации состоится /£¿£/'71-; 2012 г. в /г часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, ауд. № / .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «./■^ъ&сЬ&./АР 20121

Ученый секретарь диссертационного совета

Орлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Со снижением уровня государственного регулирования и управления водными ресурсами, недостаточно подготовленным переходом предприятий водопроводно-канализационного хозяйства на рыночные отношения заострилась проблема обеспечения малых населенных пунктов качественной питьевой водой. Особенно это коснулось тех объектов водоснабжения, которые ранее получали воду из прекративших существование групповых водопроводов и которые расположены в зоне отсутствия водоисточников, пригодных для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения.

В районах с острым дефицитом пресных поверхностных н подземных вод проблема обеспечения малых населенных пунктов питьевой водой является особенно острой.

В этих случаях альтернативой высокозатратной организации привозной питьевой воды является санитарно-гигиенически и экономически обоснованное использование в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения зарегулированных маломощных водоемов, нередко подверженных эвтро-фикадии.

В то же время при использовании воды из таких водоисточников усложняется задача выбора оптимальной технологической схемы водоподготовки и обеспечения необходимых инвестиций на приобретение дорогостоящих оборудования и реагентов.

В связи с этим, разработка и обоснование надежных технологических схем подготовки питьевой воды из маломощных поверхностных водоисточников с повышенными антропогенными нагрузками на них, является актуальной научно-практической проблемой.

Целью диссертационной работы является научное обоснование, исследование и внедрение технологически надежных схем и систем подготовки воды из маломощных водоисточников для хозяйственно-питьевого водоснабжения малых населенных пунктов.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:

- выполнить анализ многолетней и сезонной трансформации качества воды в маломощных поверхностных водоисточниках, позволяющий определить исходные данные для обоснования технологической схемы и состава водопроводных очистных сооружений;

- проанализировать существующие передовые технологии очистки природных поверхностных вод на коммунальных водопроводах с целью определения возможности применения наиболее рациональных из них для малых водопроводов;

- обосновать менее энергозатратные методы и сооружения предварительной подготовки воды;

- разработать метод определения требуемых доз коагулянта учитывающий комплексный показатель коагулируемости взвеси;

- провести экспериментальные исследования основных технологических процессов подготовки питьевых вод на разных по источникам питания маломощных поверхностных водоисточниках;

- разработать рекомендации на проектирование и выполнить технико-экономическое обоснование предложенных технологий водоподготовки.

Научная новизна работы заключается:

- в теоретическом и экспериментальном обосновании последовательного применения очистки воды на предварительных фильтрах с плавающей загрузкой, использования в оптимальном сочетании окислителей, коагулянтов и флокулянтов и последующего фильтрования воды через комбинированные ос-ветлителыго-сорбционные гранулированные загрузки;

- в разработке нового метода аналитического определения доз коагулянта, на базе впервые предложенного комплексного показателя коагулируемости взвеси;

- в получении новых экспериментальных данных по технологическим параметрам работы основных водоочистных сооружений.

Практическую значимость работы представляют:

- результаты исследований совместной комбинированной предобработки воды маломощных поверхностных водоисточников безреагентным фильтрованием через плавающие загрузки и сильными окислителями (пероксидом водорода, озона, гипохлоритом натрия) и коагулянтами (оксихлоридом и сульфатом алюминия);

- результаты промышленной апробации технологической схемы очистки воды из оз. Старое (Курганская обл.);

- разработанные и внедренные в проект рекомендации на проектирование и строительство комплекса водоочистных сооружений на р. Малая Карла (Чувашия).

На защиту выносятся:

- анализ трансформации качества воды в маломощных водоемах в течение года и по данным многолетних наблюдений;

- результаты сравнительных исследований процесса удаления водорослей на фильтрах с плавающей загрузкой (ФПЗ-1) и микрофильтрах с полимерной мелкоячеистой сеткой с размером ячеек 20x20 мкм;

- результаты исследований процессов коагулирования и флокулирова-ния воды из маломощных водоисточников и разработанный новый метод расчета рабочих доз коагулянта;

- результаты промышленной апробации предложенных технологических схем подготовки питьевой воды из реальных водоисточников (оз. Старое, р. Малая Карла);

- технико-экономические показатели эффективности предложенных технологий водоподготовки из реальных маломощных водоисточников.

Достоверность и эффективность результатов исследований подтверждены данными промышленной апробации усовершенствованных технологий и сооружений для подготовки хозяйственно-питьевой воды из маломощных поверхностных водоисточников.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:

- VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2006 (г. Москва, 2006 г.);

- VI Международном водном форуме «Aqua Ukraine-2008», научно-практической конференции «Вода и окружающая среда» (г. Киев, 2008 г.);

- 1-ой Восточноевропейской региональной конференции молодых ученых и специалистов водного сектора (г. Минск, 2009 г.);

- международной конференции «Новые достижения в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов» (г. Санкт-Петербург, 2011);

- научно-технической конференции «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (г. Вологда, 2005 г.);

- заседаниях научно-технических советов НИИ ВОДГЕО (г. Москва, 2004, 2005 гг.), ОАО «МосводоканалНИИпроект» (г. Москва, 2012 г.) и заседаниях кафедры водоснабжения МГСУ (2011,2012 гг.).

Личный вклад соискателя. Основные выводы и положения диссертации основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях, проводимых

в г.г. Макушино (Курганская обл.), Ульяновске и поселке Шемурша (Чувашия) и выполненных непосредственно самим автором. Соискателем осуществлялись также разработка и изготовление экспериментальных стендов и методик, анализ и обобщение результатов исследований, участие в разработке технологической части рабочих проектов и осуществление авторского надзора за промышленным внедрением.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе в изданиях рекомендуемых ВАК РФ - 3 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 138 наименований и двух приложений. Работа изложена на 178 страницах компьютерного текста, содержит 49 рисунков и 37 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, изложены научная новизна и практическая значимость работы, ее основные положения, выносимые на защиту, личный вклад соискателя и сведения об апробации работы.

Первая глава посвящена анализу трансформации качества воды маломощных водоемов, выполненному на примере озера Старое (Курганская обл.), являющегося единственным местным поверхностным водоисточником г. Макушино. Допустимый отбор воды из озера, питаемого маломощными родниками, на хозяйственно-питьевое водоснабжение по санитарным условиям составляет ~ 600 м3/сут, его наибольшая протяженность достигает - 1,5-2 км, а максимальная глубина - до 3,5 м.

Вода в период многолетних наблюдений (2001-2006 гг.) характеризовалась цветностью в диапазоне от 23 до 115 град. Мутность, в зависимости от волновых процессов и размыва берегов и глубины воды в озере, изменялась от 4 до 27,3 мг/л, перманганатная окисляемость - от 7,5 до 27,9 мг02/л. Изменение значений рН воды от 7,8 до 9,8 с годами в летне-осенние периоды может быть объяснено увеличением содержания в воде гидрокарбонат-ионов. На это указывал и рост щелочности воды от 4-5 мг-экв/л до 8,8 мг-экв/л. Приведенные данные свидетельствовали об ухудшении за рассматриваемый период санитарного состояния водоема в целом. Продолжительность периода «цветения»

воды, обусловленного массовым развитием фитопланктона, составляла в среднем от 3 до 5 месяцев в году. Особенно это явление наблюдалось в жаркие месяцы (июль-август), когда температура воздуха в отдельные годы поднималась до 34 °С, а вода в озере прогревалась до 24-32 °С и приобретала неприятный запах, преимущественно болотного, землистого и гнилостного характера с интенсивностью до 3-4 баллов. Численность клеток достигала порядка 40 тыс. кл./мл, а биомасса - 20 и более мг/л.

Массовое развитие и отмирание фитопланктона приводит к повышению количества взвесей в воде, увеличению цветности, концентрации органических соединений и численности бактерий, развитию гнилостных процессов и появлению в воде неприятных запахов и привкусов, продуцируемых некоторыми актиномицетами, плесневыми грибами и др.

В таких условиях должна быть повышена санитарно-гигиеническая надежность водопроводных очистных сооружений.

Во второй главе приведен анализ эффективности таких известных методов и сооружений безреагентной предподготовки поверхностных вод, как удаление грубодисперсных примесей в центробежном поле, на сетчатых и щелевых фильтрах, отстаивание в ковшевых водозаборах, фильтрование через зернистые загрузки.

Для извлечения из воды фитопланктона, продуктов его жизнедеятельности и деструкции обычно на действующих водопроводных станциях предусматривается предварительная обработка воды высокими дозами хлора (до 6-10 мг/л) и пропускание через микрофильтры с последующим реагентным осаждением и фильтрованием. Однако предварительное хлорирование воды, разрушая стенки клеток планктона, в то же время лишает его плавучести и приводит к обогащению воды растворенной органикой, ухудшению ее органолептических свойств, образованию большого количества хлорорганических соединений, присутствие которых в питьевой воде жестко регламентировано соответствующими нормативами. Последующая после этого реагентная обработка коагулянтами и флокулянтами с повышенными дозами приводит к их перерасходу.

Повысить эффективность очистки воды от фитопланктона из маломощных водоисточников после ее коагулирования позволяет в ряде случаев флотация. Но при этом необходимо учитывать, что в результате флотации образуется большое количество способного к загниванию, плохо уплотняющегося и сильно обводненного осадка с влажностью 99-99,5 %, последующее обезвоживание и утилизация которого вызывает трудности.

Альтернативой этим методам является задержание фитопланктона в слоях плавающей загрузки префильтра при безреагентном фильтровании воды снизу вверх и промывке загрузки сверху вниз или на микрофильтрах облегченной конструкции с размером ячеек полимерной сетки 20x20 мкм.

Нашими исследованиями эффективности задержания водорослей при разных скоростях восходящего фильтрования (г)) исходной воды через плавающую пенополистирольную загрузку было установлено, что при и = 40-50 м/ч достигается эффект удаления водорослей по количеству клеток и биомассе - 26,338,1 и 45,1-48,7%. Снижение и до 30 м/ч позволяет повысить эффективность очистки по количеству клеток и биомассе до 44,5-48,1% и 49,9-52,6 % соответственно при ее количестве в исходной воде 26,2-66 мг/л и количестве клеток микроорганизмов -14-30,7 тыс. кл/мл.

Кривые выноса задержанной в загрузке префильтра за фильтроцикл биомассы, количества водорослей и взвешенных веществ в течение промывки, осуществляемой с разной интенсивностью при разных значениях грязеемкости слоев загрузки к концу фильтроцикла, указывают на то, что основная масса задержанных загрязнений выносится при интенсивности промывного потока от 25 до 35 л/см2 в первые 5-6 минут промывки.

Использование на последующем этапе подготовки воды окислителей в технологическом процессе очистки цветных маломутных вод обосновывается их ролью в обеспечении эффективной коагуляции и флокуляции примесей, содержащихся в исходной воде. Изучение этих процессов проводилось на цветной воде искусственно зарегулированного участка реки Малая Карла.

Вначале исследовалось воздействие окислителей, коагулянта - оксихло-рида алюминия «Аква-Аурат™10» (далее ОХА) и флокулянта - «Праестол 650 ТО» на устойчивость коллоидных частиц дисперсной фазы воды. Для этого исходная вода подвергалась в разных опытах обработке воды отдельно озоном (03), пероксидом водорода (Н202), гипохлоритом натрия (ЫаОС1) и комплексному воздействию Н202 и 03. Затем, после ввода коагулянта и флокулянта, определялась оптимальная доза ОХА путем пробного коагулирования окисленной воды по стандартной методике в интервале доз коагулянта (Дк) от 5 до 50 мг/л по А1203, и флокулянта (Дф) от 0,05 до 0,5 мг/л.

Кинетическую устойчивость частиц взвеси в воде до и после ее совместной обработки окислителями оценивали по изменению величины С-потенциала, определяемого методом амперометрии по электрофоретической подвижности коллоидных частиц в электрическом поле. Сравнение процесса перезарядки

потенциалов коллоидных частиц для одной и той же цветной исходной воды, предварительно обработанной разными окислителями в определенных комбинациях их доз и концентраций, а затем - растворами коагулянта и флокулянта, выявило степень влияния разных окислителей на процессы коагуляции примесей. Наиболее существенное влияние на снижение доз коагулянтов оказала предварительная совместная обработка воды озоном и пероксидом водорода (рис. 1).

350 300 250

£

е 200

л

о 150

X

ь

ф

§ 100 50 0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Доза коагулянта, мг/л

Рисунок 1 - Динамика изменения цветности речной воды в зависимости от режима ее предварительной подготовки окислителями, дозы коагулянта и флокулянта с последующим отстаиванием: 1 - без предподготовки окислителями; 2 - обработка 03 и Н2О2; 3 - обработка №аОС1; доза 03 2,5 мг/л, время контакта 20 мин; доза Н2О2 5 мг/л, время контакта 10 мин; доза ИаОС! 6 мг/л, время контакта 20 мин; Дф = 0,5 мг/л

Сопоставляя зависимости цветности от Дк с графиками вида ( = / (Дк), установлено, что наибольшая эффективность обесцвечивания исходной воды с цветностью 110-124 град, и выход на требуемые дозы коагулянта в пределах от 25 до 30 мг/л для данной категории вод совпал с достижением максимальных значений положительно перезаряженного электрокинетического потенциала скоагулированых частиц примесей.

Полученные результаты исследований подтвердили технологическую целесообразность предварительного окисления цветных природных поверхностных вод с использованием 03 и Н2О2 или ЫаОСЛ перед коагулированием.

В третьей главе приведены результаты исследований процессов коагулирования и флокулирования маломутных цветных вод. Необходимость проведения таких исследований, несмотря на имеющийся значительный их объем,

выполненный ранее отечественными авторами (Кульский Л.А, Бабенков Е.Д., Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гандурина Л.В.), обусловлена спецификой формирования физико-химического состава воды в маломощных водоемах, внедрением новых типов коагулянтов и флокулянтов в последние годы, и недостаточной изученностью влияния сильных окислителей (пероксида водорода, гипохлорита натрия, растворы оксидантов, перманганата калия и др.) на процессы коагуляции природных и техногенных примесей.

В главе также проанализировано влияние ионного состава воды, рН, щелочности и температуры на кинетику процессов осветления, обесцвечивания, снижения окисляемости и образования остаточного алюминия в воде таких водоемов при ее обработке сильными окислителями и растворами различных коагулянтов (сульфат и оксихлорид алюминия) и флокулянтов («Праестол 650 ТЯ и полиДАДМАХ).

При изучении процессов коагуляции примесей использовалась вода из разных маломощных водоисточников: оз. Старое и вода из его ковшевого водоприемника (г. Макушино Курганской области); зарегулированный ковшевой водоприемник р. Малая Карла (Чувашия); Куйбышевское водохранилище (г. Ульяновск) и модельный раствор. Характеристика качества изучаемых вод приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Показатели качества изучаемых вод

Показатель Озеро Старое Река Малая Карла, ковшевой водоприемник Куйбышевское водохранилище (г. Ульяновск) Модельный раствор

Перманганатная окисляемость, мгОг/л 5,5-19,8 (27,9) 12-19,7 3,5-4,2 7,4-8,2

Мутность, мг/л 4-27,3 40-93 1,1-5 2,2-22,9

Цветность, град 23-115 71-320 41-47 26-170

Азот аммонийный, мг/л 0,4-0,7 2-4,8 не опр. 1,8-2,2

РН 7,8-9,8 7,1-8,2 8,1-8,2 7,8-8,5

Окислительно-восстановительный потенциал, мВ 122,4 131 176,7 244-442

Дзета-потенциал, мВ -15 -21,3 -44 -23

Щелочность, мг-экв/л 3,9-8,8 не опр. 2,1-2,4 1,8-3

Запах, балл 1-4 2-3 2 2

Привкус, балл 4 2 2 3

Основной задачей исследований на воде из ковшевого водоприемника оз. Старое являлось сопоставление коагулируемости примесей содержащихся

непосредственно в воде водоисточника, ковшевого водозабора этого же водоисточника в летние периоды интенсивного «цветения» воды, когда количество клеток водорослей в озерной воде достигало 40 тыс. кл/мл, и в этой же воде, но после предварительной ее обработки различными окислителями.

В опытах в качестве коагулянта применялся 4%-ый раствор ОХА (Аква-Аурат™18). Дозы по А1203 назначались в пределах от 2,5 до 20 мг/л. Пробное коагулирование производилось по стандартной методике. Результаты пробного коагулирования по эффективности отстоянных вод по показателям мутности, цветности и перманганатной окисляемости показали, что интервал требуемых доз коагулянта для таких вод лежит в пределах от 10 до 30 мг/л по А120,.. Величины Ек и ¿"-потенциала в испытуемом диапазоне доз коагулянта достигали своих максимальных значений +320 и +40 мВ соответственно.

В осенние периоды года, когда качество воды в озере Старое и ковшевом водоприемнике несколько улучшалось по окисляемости, цветности и мутности требуемая рабочая доза коагулянта уменьшалась до 5-7,5 мг/л.

Целью проводимых экспериментов на воде из Куйбышевского водохранилища являлось определение требуемых доз коагулянта и возможности их снижения за счет подбора эффективного типа флокулянта. Исходная вода (табл. 1) подвергалась предварительному хлорированию с дозой по активному хлору 2,5 мг/л, пробному коагулированию 4-5 %-ым раствором сульфата алюминия, а затем параллельной обработке флокулянтами «Праестол 650 ТЯ» и полиДАДМАХ с концентрациями рабочих растворов 0,01 и 0,08% соответственно.

Добавление в прехлорированную и обработанную коагулянтом воду раствора полиДАДМАХ с установленной дозой 0,4 мг/л позволило уменьшить требуемую рабочую дозу сульфата алюминия с 36 до 22 мг/л без существенного ухудшения качества воды по перманганатной окисляемости и при улучшении его по цветности и мутности. Потеря устойчивости коллоидной системы при этом подтверждалась перезарядкой и увеличением (-потенциала. Сопоставление эффективности полиДАДМАХ с флокулянтом «Праестол 650 ПЪ> показало, что в случае его применения вместе с коагулянтом с дозой 22 мг/л эффект последующего отстаивания воды по основным показателям качества оказался несколько выше. Однако, при этом его требуемая доза оказалась почти в 5 раз выше по сравнению с флокулянтом марки «Праестол 650 ТИ». Поэтому, в данном случае предпочтение было отдано флокулянту «Праестол 650 ТЫ».

Таким образом, правильно выбранное соотношение типа коагулянта и флокулянта и их доз для обработки цветных маломутных вод данного водоисточника с высокой окисляемостью воды позволяет сократить расход коагулянта до - 40 % и снизить концентрацию остаточного алюминия в отстоянной воде.

Важной особенностью малоконцентрированных водных суспензий, определяющей сумму наблюдаемых в них поверхностных явлений, является образование двойного электрического слоя противоионов.

На основе анализа применяемых на практике методов определения рабочих доз коагулянта и результатов исследований, приведенных во второй главе диссертации нами был разработан новый метод аналитического определения дозы коагулянта и подана в Роспатент заявка на изобретение № 2012104763 от 10.02.2012.

Технологическим результатом от реализации предложенного метода явилось установление возможности оперативного и более точного определения требуемых доз коагулянта при изменении устойчивости коллоидных примесей в очищаемой воде. Метод заключается в том, чтобы при изменении качества воды в водоисточнике уточнение дозы коагулянта производилось по регрессионной зависимости, учитывающей влияние на процесс коагуляции не только основных показателей качества очищаемых вод - мутности, цветности, перман-ганатной окисляемости и остаточного алюминия, но и впервые предложенного комплексного показателя коагулируемости устойчивой коллоидной системы

Д = Г(М0, Цо. ПОа А1ост (1)

где М0 - мутность, мг/л; Ц0 - цветность, град.; ПО0 - перманганатная окисляе-мость, мг02/л; А1ост- алюминий остаточный, мг/л;

£*=/(', Щ.рН, Ек, £), (2)

где г - температура, °С; Щ - щелочность, мг-экв/л; рН - водородный показатель; Ек - окислительно-восстановительный потенциал, мВ; ( - дзета-потенциал, мВ;

В результате статистической обработки экспериментальных данных были получены значения коэффициентов регрессии и формула для определения требуемой дозы коагулянта.

ДК = ТПтМ^Ц^ПО^М^З^. (3)

Оценка достоверности расчетной формулы вида (3), произведенная по результатам пробного контактного коагулирования модельного раствора с содержанием введенных в водопроводную хлорированную воду органических соединений методом фильтрования через слой пенополистирольной загрузки

с диаметром гранул 0,7-1 мм и толщиной слоя 0,7-0,8 м, показала вполне удовлетворительные результаты.

Формула (3) справедлива для диапазона показателей качества модельного раствора по цветности - 26-170 град., мутности - 2,2-22,9 мг/л, перманганатной окисляемости - 7,4-8,2 мг02/л и алюминию остаточному - 0,06-0,15 мг/л. Сумма квадратов невязок составила Д = 0,0746. Оценка достоверности формулы (3) по критерию Фишера подтвердила идентичность модели Рэмп = 0,0444 <6,1631 = Ркр*

На конкретном примере было доказано, что предложенный метод обработки экспериментальных данных увеличивает степень точности расчетной зависимости (1) по сравнению с аналогичной зависимостью без учета по сумме квадратов невязок в 2,56 раза. При изменении показателей качества исходной воды в заданном интервале их варьирования отпадает необходимость в повторном определении новой дозы коагулянта пробным коагулированием воды.

Дополнительным преимуществом данного метода расчета является также появление возможности автоматизированного управления процессами дозирования реагентов на водопроводных станциях с применением компьютерных программ.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию эффективности технологических схем подготовки питьевой воды из маломощных водоисточников. Анализ усовершенствованных в последние годы технологий подготовки воды из водоисточников с повышенными антропогенными нагрузками, предложенных разными авторами (Журба М.Г., Говорова Ж.М., Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Смирнов А.Д. и др.) показал, что при использовании в качестве водоисточников маломощных водоемов, должны повышаться требования к их санитарно-гигиенической надежности.

С учетом этого была разработана технологическая схема водоподготов-ки, отличающаяся от известных использованием в ее составе предварительных фильтров с плавающей загрузкой; комплекса окислителей, коагулянтов, фло-кулянтов; двухступенчатых осветлительных пенополистирольно-антрацитовых фильтров с возможностью ввода в верхний слой плавающей загрузки мелкогранульного или пылевидного сорбента и обеззараживания ультрафиолетовым излучением с ультразвуком и гипохлоритом натрия (рис. 2). При постоянных антропогенных нагрузках на водоисточник ее необходимо дополнять постозонированием и сорбцией (рис. 3).

Рисунок 2 - Технологическая схема очистки и обеззараживания воды при периодических антропогенных нагрузках (схема /): 1 - озеро; 2 - ковш; 3 - НС-1; 4 - префильтр ФПЗ-1 (вариант 1); 5 - двухступенчатый фильтр; 6 - блок УФ-облучения; 7 - резервуар чистой воды; 8 - НС-П; 9, 10,11 и 12 - отделения для приготовления и дозирования раствора окислителя, коагулянта, порошкового сорбента и гипохлорита натрия; 13 - промывной насос чистой воды; 14 - микрофильтр облегченной конструкции с мелкоячеистой полимерной сеткой (вариант 2)

Рисунок 3 - Технологическая схема очистки воды при постоянных антропогенных нагрузках (схема 2): 1 - сетчатый фильтр; 2 - микрофильтр; 3 - двухступенчатый осветлительный фильтр; 4 - промежуточный резервуар; 5 - контактный резервуар озонирования; 6 - сорбционный фильтр; 7 - резервуар чистой воды; 8 - резервуар промывной воды; 9 - насос I подъема; 10-насос подкачки; 11 - насос П подъема; 12.1, 12.2, 12.3 - насос-дозатор пероксида водорода, коагулянта, гипохлорита натрия соответственно; 13 - промывпой насос; 14 - насос подачи осветленной промывной воды в голову сооружений; 15 - озонатор; 16 - компрессорная станция; 17 - деструктор озона; 18 - блок приготовления пероксида водорода; 19 - блок приготовления коагулянта; 20 - блок для приготовления гипохлорита натрия

В процессе испытаний технологических схем вода из оз. Старое характеризовалась повышенной цветностью (до 50 град.) и перманганатной окисляе-мостью (до 13 мг02/л), колебаниями мутности от 4-10 мг/л. Интенсивность запахов и привкусов достигала в летнее время до 3-4 баллов.

Результаты исследований реагентной обработки воды с использованием оксихлорида алюминия марок «Аква-Аурат™18» и «БОПАК Е-10» с концентрациями растворов от 1 до 5% и дозами от 0,5 до 15 мг/л показали, что более эффективным для очистки данной воды оказался «Аква-Аурат™18» с концентрацией рабочего раствора 4% и дозой коагулянта 8 мг/л.

Другая серия опытов (август 2006 г.) проводилась с использованием только 4% раствора оксихлорида алюминия марки «Аква-Аурат™18». Температура воды в процессе испытаний составляла +16 -г- +18°С. Качество воды контролировалось по таким показателям, как перманганатная окисляемость, цветность, мутность, щелочность и рН с использованием прибора «Экотест» и стандартных тест-систем. Было установлено, что при дозах коагулянта в диапазоне от 6 до 8 мг/л максимальное содержание остаточного алюминия в пробах отстоянной и отфильтрованной воды не превышало 0,2 мг/л.

В процессе исследований изучалась также эффективность доочистки воды на модели осветлителыю-сорбционного фильтра (ОСФ) диаметром 100 мм и высотой 2,8 м, загруженного слоем инертной пенополистирольной и комбинированной загрузки с толщиной слоя 1,1 и 0,7 м и крупностью зерен 0,5-1,5 соответственно. Формирование слоя комбинированной загрузки в ОСФ осуществлялось путем введения мелкогранульного сорбента в верхний слой пенопо-листирола на последней стадии его промывки. Было установлено, что при восходящем фильтровании воды имеющей запах 3 балла, цветность 46,7 град., окисляемость 12,9 мг02/л, и содержащей азот аммонийный в количестве 0,54 мг/л через ОСФ в течение 10 часов работы при времени контакта 12 мин и дозе сорбента 5 мг/л эффект очистки составил по азоту аммонийному - 48%, цветности - 57%, перманганатной окисляемости - 62%. Запах в очищенной воде не превышал 1 балла.

По данным ЦСЭН Курганской области в период пуска промышленной станции водоподготовки в эксплуатацию в пробах озерной и очищенной на сооружениях воды термотолерантные колиформные бактерии и споры сульфит-редуцирующих клостридий обнаружены не были. Общее микробное число в воде, поступающей на очистку, изменялось в пределах от 80 до 100 КОЕ/мл, и

составляло в очищенной и обеззараженной воде перед подачей в распределительную сеть соответственно: 60-70; 40-50 и 1-2 КОЕ/мл.

Результаты исследований отдельных технологических процессов и параметров работы сооружений явились основой для разработки и внедрения новой технологии подготовки воды из маломощного водоема - оз. Старое для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения.

На рис. 4 представлены фрагменты станции водоподготовки из оз. Старое после завершения ее строительства с полезной производительностью до 600 м3/сут.

Рисунок 4 - Фрагменты сооружений и оборудования станции водоподготовки из озера Старое: осветлительный двухступенчатый фильтр с пенополистирольной и антрацитовой загрузками (а), озонатор (б), контактная колонна озонирования воды (в) и сорбционный фильтр глубокой доочистки воды с активированным углем АГ-3 (г)

Для подготовки воды питьевого качества из зарегулированного участка р. Малая Карла (Чувашия) была разработана технология (схема 3), предусматривающая последовательное частичное удаление из воды водорослей, окисление органических веществ, коагулирование раствором оксихлорида алюминия и флокулирование «Праестол 650 ТЫ» с последующим двухступенчатым контактным фильтрованием через зернистые загрузки.

Обеззараживание воды на финишной стадии водоподготовки осуществлялось комплексным воздействием ультрафиолетового облучения с ультразвуковой предобработкой и раствором гипохлорита натрия.

В качестве загрузки первой ступени (КО) использовались поочередно гранулы пенополистирола и кварцевый песок различных фракций. Скорый фильтр (вторая ступень) загружался кварцевым песком с 15%-ым добавлением по объему сорбента марки МС.

Предварительный пенополистирольный фильтр ФПЗ-1 использовался одновременно и для удаления грубодисперсных примесей, и водорослей. Скорость фильтрования воды на нем при содержании в воде от 94 до 106 тыс. кл./мл назначалась в пределах от 15 до 18 м/ч. Показатели качества исходной воды до и после очистки, а также режимы ее обработки в течение одного из характерных фильтроциклов приведены на рис. 5 и в табл. 2.

Двухступенчатое фильтрование воды предварительно окисленной раствором гипохлорита натрия с дозами по активному хлору от 5,8 до 8,8 мг/л, подвергающейся дробному коагулированию с дозами 3%-го раствора ОХА от 10 до 15 мг/л, и от 6,4 до 7,0 мг/л с добавлением флокулянта «Праестол 650 ТЯ» в количестве до 0,5 мг/л при указанных в таблице 2 показателях качества исходной воды в процессе испытаний обеспечивало требуемую степень очистки воды не только по мутности и цветности, но по железу и марганцу. Глубокое удаление последних, как и остаточного алюминия происходило благодаря наличию в составе загрузки фильтра второй ступени катализатора-сорбента МС.

Динамика роста потерь напора в течение фильтроциклов свидетельствовала о необходимости наличия перед второй ступенью КО-2 (СФ) располагаемого напора до 2,5 м независимо от принятой схемы фильтрования. Промывка фильтрующих загрузок производилась очищенной и обеззараженной водой.

а)

90-

80

70-

60-

л 50-

8 і 40-

ЯП-

20-

10-

0^

д

г* «=8= ЛҐ Л

0 2 4 6

10 12 14 16 18 20 22 24 26

-исходная;

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Продолжительность фильтрования, ч

после КО-1; -л- после КО-2

Рисунок 5 - Динамика изменения мутности (а) и цветности (б) речной воды в процессе ее реагентного двухступенчатого контактного фильтрования воды (Дгхн = 5-8,4 мг/л, Д, = 11 мг/л (ввод в колонну-смеситель), Д* = 6,4 мг/л (ввод после КО), Дф = 0,45 мг/л; иі = 5 м/ч; и2 = 5 м/ч

Таблица 2 - Динамика изменения качества воды по ступеням очистки

Наименование показателей Значения

Продолжительность фильтрования, ч 3 6 15

Скорость фильтрования, м/ч 5 5,2 5,1

Дозы реагентов гипохлорита натрия 5 5 8,44

коагулянта (I) 11,05 11,05 11,05

коагулянта (II) 6,35 6,35 6,35

флокулянта 0,49 0,49 0,49

Качество воды

Цветность, град. Исходная вода 74 91 67

После КО-1 29 25 26

После КО-2 20 20 20

Мутность, мг/л Исходная вода 93-53,7 64-36,9 45-25,9

После КО-1 0,86-0,49 0,05- 0,03 -

После КО-2 0,3-0,17 0,4-0,23 0,4-0,23

Продолжение табл. 2

Перманганатная окисляемость, мг02/л Исходная вода 10 11,2 10

После КО-1 4 6-7 6-8

После КО-2 <4 3-4 2-4

Железо, мг/л Исходная вода 3,0 2,7 2,6

После КО-1 0,27 0,1 0,05

После КО-2 0,02 0,02 0,01

Марганец, мг/л Исходная вода 0,49 1,2 0,9

После КО-1 0,15 0,22 0,13

После КО-2 0,02 0,13 -

Алюминий, мг/л Исходная вода 0,45 0,49 0,42

После КО-1 1.1 1,1 -

После КО-2 0,05 0,04 0,02

рн Исходная вода 7,7 7,8 8

После КО-1 7,6 7,63 7,75

После КО-2 8 8,0 7,85

В пятой главе приведены рекомендации на проектирование и расчеты по определению технико-экономической эффективности технологических схем и сооружений подготовки питьевой воды.

В зависимости от специфики сезонной трансформации качества воды в маломощных поверхностных водоисточниках для подготовки из них воды питьевого качества рекомендуются технологические схемы, рассмотренные ранее в четвертой главе, область применения, которых приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Область применения технологических схем подготовки питьевой воды

Показатель Схема 1 Схема 2 Схема 3

Производительность станции, тыс. м3/сут 250-1000 1000-5000 250-5000

Мутность, мг/л 5-30 5-30 50

Цветность, град. 25-150 25-150 180

Перманганатная окисляемость, мгОг/л 10-12 15-20 12-15

Фитопланктон, тыс. кл/мл 14-35 14-35 15-30

Запах, балл 2-3 3-4 2-3

Железо, мг/л 1-3 1-2 2-3

Марганец, мг/л 0,1-0,2 0,1-0,2 0,5-1

По результатам исследований, проведенных на воде реки Малая Карла при участии автора были разработаны рекомендации на проектирование комплекса водоочистных сооружений предназначенных для обеспечения водой питьевого качества населения и предприятий Батыревского, Шемуршинского и южной части Комсомольского районов Чувашской Республики. На основании этих рекомендаций ООО «Отечественные водные технологии» разработан ра-

бочий проект, по которому завершение строительства и ввод объекта в эксплуатацию намечены на 2012-2013 годы. Экономический эффект в ценах 2010г. составил 6,8 млн. руб.

Экономическая эффективность предложенных технологических схем очистки воды из маломощных поверхностных водоисточников в текущих ценах была определена для станций производительностью 1500 м3/сут по принятой в практике методике технико-экономического обоснования по укрупненным показателям. Результаты технико-экономических расчетов приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Технико-экономические показатели

Технико-экономический показатель Схема 1 Схема 2 Схема 3

Капитальные вложения, тыс. руб. 21871 26036 27734

Эксплуатационные затраты, тыс. руб. 8060 11466 12361

Срок окупаемости, годы 4 4 4

Приведенные затраты, тыс. руб. 13528 17975 19294

Себестоимость подготовки воды, руб. /м3 14,7 20,9 22,6

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ качества воды маломощных водоемов, имеющих как подземные, так и поверхностные источники питания, и его трансформации по годам и сезонам года, выполненный на примере Курганской области и республики Чувашия, показал, что спецификой таких водоисточников являются сезонное значительное увеличение содержания в них водорослей, показателей цветности, окисляемости, запахов и привкусов.

2. Получены новые результаты сравнительных, впервые проведенных на водах маломощных водоемов, исследований предварительной очистки воды от водорослей на микрофильтрах облегченной конструкции с полимерной мелкоячеистой сеткой (20x20 мкм) и префильтрах с плавающей полимерной загрузкой. Скорость фильтрования на таких сооружениях при содержании общего числа клеток водорослей до 30 тыс. кл/мл, может назначаться в пределах от 25 до 30 м/ч.

3. Показано, что предварительное окисление цветных вод пероксидом водорода совместно с озоном или гипохлоритом натрия перед их коагулированием позволяет снизить цветность на 14-48%, и тем самым уменьшить требуемые дозы коагулянта на 25-40%. При этом увеличение рабочих доз коагулянта

коррелирует с динамикой изменения электрокинетического потенциала и его перезарядкой.

4. Разработан новый метод аналитического расчета требуемых доз коагулянта, с использованием впервые предложенного комплексного показателя коа-гулируемости взвеси (5«), учитывающего влияние электрокинетического и окислительно-восстановительного потенциалов, щелочности, температуры и рН воды.

5. Выполненными экспериментальными исследованиями определены параметры фильтрования воды на двухступенчатых пенополистирольно-антрацитовых фильтрах. Рекомендуемая скорость фильтрования на обеих ступенях находится в пределах от 4,5 до 5,5 м/ч, толщина слоев загрузки составляет 0,8-1,5 м, диаметр зерен - 0,7-1,5 мм. По результатам исследований на водах разных по источникам питания маломощных водоемов разработаны усовершенствованные технологические схемы подготовки питьевой воды и определены области их применения в зависимости от диапазона сезонного изменения концентраций загрязнений в исходной воде и производительности станций.

6. Промышленной апробацией предложенных технологий на станции во-доподготовки из озера Старое с производительностью до 600 м3/сут и на стадии выполнения проекта и строительства комплекса водоочистных сооружений из реки Малая Карла в Чувашии, подтверждена достоверность полученных ранее экспериментальных данных, на основании которых были разработаны рекомендации на проектирование.

7. Выполненными технико-экономическими расчетами для станций водо-подготовки производительностью 1500 м3/сут, реализующих разные технологии, определена себестоимость подготовки 1 м3 питьевой воды из маломощных водоисточников при сроке окупаемости инвестиций 4 года, равная 14,7-22,6 руб./м3.

Основные положения диссертации и результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Магомадов З.Р. Обоснование режимов реагентной предподготовки природных вод эвтрофированных водоемов // Труды НТК «Проблемы экологии на

пути к устойчивому развитию регионов», ВоГТУ. - Вологда, 2005. - С.179 (0,1

пл., лично автором 0,1 п.л.).

2. Журба М.Г., Магомадов З.Р. Исследование режимов коагулирования вод эвтрофированных водоемов с учетом методов предварительной подготовки воды // Сб. докл. VII МК «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2006. Москва, 2006. - С.504-505 (0,2 п.л., лично автором 0,1 п.л.).

3. Журба М.Г., Магомадов З.Р., Лебедева Е.В. Управление процессами коагулирования воды на основе теории ДЛФО // Сб. науч. гр. ГУП «Мосводо-каналНИИпроект». Проекты развития инфраструктуры города. Вып.7. - М.: Прима-Пресс Экспо, 2007. - С.66-74 (0,6 п.л., лично автором 0,25 п.л.).

4. Журба М.Г. Магомадов З.Р. Подготовка воды из маломощных эвтрофированных водоемов // Сб. докл. НПК «Вода и окружающая среда» VI МВФ «Aqua Ukraine-2008». Киев, 2008. С.163. (0,15 п.л., лично автором 0,1 п.л.).

5. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Говоров О.Б., Куликовский В.А., Гладкий А.И., Магомадов З.Р. Коагулирование высокоцветных вод с предварительной их обработкой окислителями II Водоснабжение и канализация, 2009. № 3-4. -С.28-32 (0,25 п.л., лично автором 0,1 п.л.).

6. Магомадов З.Р. Говорова Ж.М. Влияние предварительной обработки поверхностных вод окислителями на процессы коагуляции // Сб. докл. 1-ой Восточноевропейской PK молодых ученых и специалистов водного сектора. Минск, 2009. - С.371-373 (0,25 п.л., лично автором ОД п.л.).

7. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Куликовский В.А., Гладкий А.И., Магомадов З.Р. Подготовка питьевой воды из зарегулированных водоисточников с повышенным содержанием органических веществ // Водоснабжение и канализация, 2009. №7-8. - С.43-49 (0,3 пл., лично автором 0,1 п.л.).

8*. Говорова Ж.М., Магомадов З.Р. Технология подготовки питьевых вод из маломощных эвтрофированных водоемов И Научно-техническое издание. Вестник МГСУ, 2009. № 3. - С.99-106 (0,25 п.л., лично автором 0,2 п.л.).

9. Говорова Ж.М., Магомадов З.Р. Безреагентная подготовка поверхностных природных вод, содержащих фитопланктон // Сб. докл. МК «Новые достижения в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов», Санкт-Петербург, 2011. - С.27-30 (0,2 п.л., лично автором ОД п.л.).

10. Журба М.Г., Говорова Ж.М., Магомадов З.Р. Метод определения дозы коагулянта на основе электрокинетического потенциала // Сб. науч. тр. ОАО «МосводоканалНИИпроект». Проекты развития инфраструктуры города. Вып. 11. - М.: Прима-Пресс Экспо, 2011. - С.34-40 (0,3 п.л. лично автором 0,15 п.л.).

11*. Говорова Ж.М., Магомадов З.Р. Модернизация водозаборно-очистных станций малых населенных пунктов // Промышленное и гражданское строительство, 2012. № 1.- С.47-48 (0,2 п.л., лично автором 0,1 п.л.).

12*. Говорова Ж.М., Магомадов З.Р. Подготовка питьевой воды из маломощных водоемов // Водоснабжение и санитарная техника, 2012. № 2. - С.62-70 (0,6 п.л., лично автором 0,3 п.л.).

* работы, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК РФ.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 www.kopirovka.iu

61 12-5/2985

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

МАГОМАДОВ Заур Рамзанович

ПОДГОТОВКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ МАЛОМОЩНЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Говорова Ж.М.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Условные обозначения..................................................... 4

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

ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ

МАЛОМОЩНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................... 9

1.1. Исследование сезонной трансформации качества воды

маломощных водоисточников......................................................................................9

1.2. Влияние антропогенных факторов на качество воды..............................20

1.3. Цель и задачи исследований..............................................................................................25

Выводы по главе 1..................................................................................................................26

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ БЕЗРЕАГЕНТНОЙ ПРЕДПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД ИЗ МАЛОМОЩНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ.......................................... 27

2.1. Цель и методы предподготовки воды.................................... 27

2.2. Анализ эффективности удаления грубодисперсных примесей в центробежном поле и на сетчатых установках...................... 30

2.3. Исследование процессов удаления из воды водорослей на сетчатых и зернистых фильтрах........................................ 39

2.4. Предобработка воды различными окислителями перед

ее коагулированием...................................................... 56

Выводы по главе 2......................................................... 67

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОАГУЛИРОВАНИЯ И ФЛОКУЛИРОВАНИЯ МАЛОМУТНЫХ ЦВЕТНЫХ ВОД МАЛОМОЩНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ........................................... 69

3.1. Основные факторы, влияющие на процессы коагуляции и

флокуляции примесей...................................................... 69

3.2. Экспериментальное исследование процессов коагуляции примесей.......................................................................... 75

3.3. Влияние флокулянтов на определение рабочих доз коагулянта... 81

3.4. Регулирование процессов коагуляции примесей природных вод

с использованием электрокинетического потенциала............... 87

3.5. Разработка метода определения рабочих доз коагулянта....................95

Выводы по главе 3..........................................................................................................................106

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

ИЗ МАЛОМОЩНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ....................................................................107

4.1. Основные подходы к выбору и усовершенствованию

технологий водоподготовки..................................................................................................107

4.2. Исследование технологической схемы подготовки воды оз.

Старое....................................................................................................................................................114

4.3. Исследование технологической схемы реагентной двухступенчатой очистки воды на контактных осветлителях и

скорых фильтрах с инертно-сорбционной загрузкой................................126

Выводы по главе 4..........................................................................................................................144

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНИКО-

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

СХЕМ И СООРУЖЕНИЙ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ................146

5.1. Рекомендуемые технологические схемы..................................................................146

5.2. Технико-экономические показатели предложенных

технологических схем............................................................................................................151

Выводы по главе 5..........................................................................................................................156

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................157

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................................................175

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

м, Ц,

по,

хп,к

ФП(К)

щ,

С, 3, П,

С,

ЕЬ, рН

иэф,

Дк,

Дф,

Дгхн?

Дн2о2, Доз,

Дх,

1К

8К

а.Р, У

1, (},

Я,

^пр,

МФ

МФО

ФПЗ

СА

ОХА

мг/л град. мг02/л мг/л

тыс.кл/мл

°с

мг-экв/л

мг/л

балл

балл

мВ

мВ

см2/В с

мг/л

мг/л

мг/л

мг/л

мг/л

мг/л

мин

м/ч мм м

м3/ч, м3/сут л/с.м2 мин

мутность; цветность;

перманганатная окисляемость;

химическое потребление кислорода;

фитопланктон;

температура;

щелочность;

солесодержание;

запах;

привкус;

электрокинетический (дзета-) потенциал;

окислительно-восстановительный потенциал;

водородный показатель;

электрофоретическая подвижность;

доза коагулянта;

доза флокулянта;

доза гипохлорита натрия;

доза пероксида водорода;

доза озона;

доза хлора;

время контакта;

комплексный показатель коагулируемости;

коэффициенты регрессии;

скорость фильтрования;

диаметр гранул;

толщина слоя загрузки;

производительность;

интенсивность промывки; продолжительность промывки; микрофильтр;

микрофильтр облегченной конструкции; фильтр с плавающей загрузкой; сульфат алюминия; оксихлорид алюминия.

ВВЕДЕНИЕ

Со снижением уровня государственного регулирования и управления водными ресурсами, недостаточно подготовленным переходом предприятий водопроводно-канализационного хозяйства на рыночные отношения заострилась проблема обеспечения малых населенных пунктов качественной питьевой водой. Особенно это коснулось тех объектов водоснабжения, которые ранее получали воду из прекративших существование групповых водопроводов и которые расположены в зоне отсутствия водоисточников, пригодных для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения.

В районах с острым дефицитом пресных поверхностных и подземных вод проблема обеспечения малых населенных пунктов питьевой водой является особенно острой.

Так, привозную воду и воду из открытых источников в качестве питьевой воды использует население Курганской области (около 20000 человек), Республики Бурятия (около 45000 человек). В Ростовской области привозную воду используют 83000 человек, а в Чукотском автономном округе - 10558 человек [83].

В этих случаях альтернативой высокозатратной организации привозной питьевой воды является санитарно-гигиенически и экономически обоснованное использование в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения зарегулированных маломощных водоемов, нередко подверженных эвтрофикации.

Такие водоемы, как правило, характеризуются высокой цветностью, интенсивным развитием в них в теплое время года сине-зеленых и диатомовых водорослей (до 100 тыс. кл/мл и более), содержанием аммонийного азота (1-3 мг/л), повышенной окисляемостью (до 25 мгОг/л), запахами и привкусами (до 3-4 баллов).

Неглубокие и мелководные (с глубиной менее 5 м) озера (водоемы) разной площади с ограниченной водоотдачей до 500-1500 м/сут,

характеризуются богатой органической жизнью и значительными колебаниями гидрохимических показателей качества воды в течение года. Летом в них происходит интенсивное и частое ветровое перемешивание слоев воды с большим содержанием фитопланктона.

Зимой в мелководных озерах возникает кислородный дефицит. Донные отложения в них мощные, по природе - органоминеральные и органические. В более глубоких воронкообразных котлованах таких водоемов летом у дна образуется скопление сероводорода, повышается содержание минеральных и органических соединений. Качество воды в таких водоемах зачастую весьма низкое, а сами водоемы не соответствуют ГОСТу 2761-84 [30].

В то же время при использовании воды из таких водоисточников усложняется задача выбора оптимальной технологической схемы водоподготовки и обеспечения необходимых инвестиций на приобретение дорогостоящих оборудования и реагентов.

В связи с этим, разработка и обоснование надежных технологических схем подготовки питьевой воды из маломощных поверхностных водоисточников с повышенными антропогенными нагрузками на них, является актуальной научно-практической проблемой.

Научная новизна работы заключается:

в теоретическом и экспериментальном обосновании последовательного применения очистки воды на предварительных фильтрах с плавающей загрузкой, использования в оптимальном сочетании окислителей, коагулянтов и флокулянтов и последующего фильтрования воды через комбинированные осветлительно-сорбционные гранулированные загрузки;

- в разработке нового метода аналитического определения доз коагулянта, на базе впервые предложенного комплексного показателя коагулируемости взвеси;

- в получении новых экспериментальных данных по технологическим параметрам работы основных водоочистных сооружений.

Практическую значимость работы представляют:

результаты исследований совместной комбинированной предобработки воды маломощных поверхностных водоисточников безреагентным фильтрованием через плавающие загрузки и сильными окислителями (пероксидом водорода, озона, гипохлоритом натрия) и коагулянтами (оксихлоридом и сульфатом алюминия);

результаты промышленной апробации технологической схемы очистки воды из оз. Старое (Курганская обл.);

разработанные и внедренные в проект рекомендации на проектирование и строительство комплекса водоочистных сооружений на р. Малая Карла (Чувашия).

На защиту выносятся:

- анализ трансформации качества воды в маломощных водоемах в течение года и по данным многолетних наблюдений;

результаты сравнительных исследований процесса удаления водорослей на фильтрах с плавающей загрузкой (ФПЗ-1) и микрофильтрах с полимерной мелкоячеистой сеткой с размером ячеек 20x20 мкм;

результаты исследований процессов коагулирования и флокулирования воды из маломощных водоисточников и разработанный новый метод расчета рабочих доз коагулянта;

результаты промышленной апробации предложенных технологических схем подготовки питьевой воды из реальных водоисточников (оз. Старое, р. Малая Карла);

- технико-экономические показатели эффективности предложенных технологий водоподготовки из реальных маломощных водоисточников.

Достоверность и эффективность результатов исследований подтверждены данными промышленной апробации усовершенствованных технологий и сооружений для подготовки хозяйственно-питьевой воды из маломощных поверхностных водоисточников.

Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на:

- VII Международном конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2006 (г. Москва, 2006 г.);

-VI Международном водном форуме «Aqua Ukraine-2008»; научно-практической конференции «Вода и окружающая среда» (г. Киев, 2008 г.);

-1-ой Восточноевропейской региональной конференции молодых ученых и специалистов водного сектора (г. Минск, 2009 г.);

- Международной конференции «Новые достижения в областях водоснабжения, водоотведения, гидравлики и охраны водных ресурсов» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.).,

- научно-технической конференции «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (г. Вологда, 2005 г.);

- заседаниях научно-технических советов НИИ ВОДГЕО (г. Москва, 2004, 2005 гг.), ОАО «МосводоканалНИИпроект» (г. Москва, 2012 г.) и заседаниях кафедры водоснабжения МГСУ (2011, 2012 гг.).

Личный вклад соискателя. Основные выводы и положения диссертации основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях, проводимых в г.г. Макушино (Курганская обл.), Ульяновске и поселке Шемурша (Чувашия) и выполненных непосредственно самим автором. Соискателем осуществлялись также разработка и изготовление экспериментальных стендов и методик, анализ и обобщение результатов исследований, участие в разработке технологической части рабочих проектов и осуществление авторского надзора за промышленным внедрением.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе в изданиях рекомендуемых ВАК РФ - 3 работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 138 наименований и двух приложений. Работа изложена на 178 страницах компьютерного текста, содержит 49 рисунков и 37 таблиц.

ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ МАЛОМОЩНЫХ ВОДОИСТОЧНИКОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Исследование сезонной трансформации качества воды маломощных водоисточников

Анализ трансформации качества воды маломощных водоисточников выполнен нами на примере озера Старое (Курганская область) максимальной протяженностью - 1,5-2 км, являющегося единственным местным поверхностным водоисточником г. Макушино. Из-за малого дебита, небольшой глубины, повышенных антропогенных нагрузок и резких климатических условий, озеро Старое может быть отнесено к классу маломощных водоемов, подвергающихся постоянным антропогенным воздействиям.

Учитывая ограниченную акваторию водоема, расположенного в центре населенного пункта и интенсивно подвергающегося техногенным нагрузкам, органами Роспотребнадзора по Курганской области был согласован водоотбор из него на очистку только из условия размещения руслового оголовка в центре озера и устройства дополнительного ковша-отстойника (рис. 1.1).

По схеме водоотбора вода из озера поступает по самотечной трубе в ковш-отстойник, расположенный вблизи водоема и водопроводных очистных сооружений (рис. 1.2). Учитывая небольшой допустимый водоотбор (по гидрологическим условиям QMaкc До 600 м /сут), на стадии проектирования размеры ковша были приняты равными = 40х 10x3

м. В условиях резко-континентального климата при = (-36) (-40) °С, и ^макс = (+25) (+38) °С и небольших глубин воды в озер (до 3,5 м), качество воды в ковше-отстойнике в летнее время зависит в значительной степени от климатических и гидробиологических факторов. Оно резко ухудшается по причине интенсивного развития водорослей, их отмирания и цветения. В период ледостава в ковше наблюдается кислородное голодание.

Рисунок 1.1- Акватория оз. Старое в г, Макушино и загрязнение береговой полосы

Рисунок 1.2 - Ковшевой водозабор: 1 - оз. Старое; 2 - вход в ковш; 3 - ковш; 4 - место прокладки самотечной трубы к береговому колодцу

Данные по основным показателям, характеризующим качество воды в озере в период с 2001 по 2006 г.г. приведены в таблицах 1.1, 1.2, а графики изменения характерных показателей качества воды по годам и месяцам в течение одного года - на рис. 1.3-1.7.

Как видно из таблиц вода в периоды многолетних наблюдений характеризовалась цветностью в пределах от 23 до 115 град. Мутность, в зависимости от волновых процессов и размыва берегов и глубины воды в озере, изменялась от 4 до 27 мг/л, перманганатная окисляемость - от 7,5 до 27,9 мг02/л. Изменение значений рН воды от 7,8 до 9,8 с годами в летне-осенние периоды может быть объяснено увеличением содержания в воде гидрокарбонат-ионов. На это указывал и рост щелочности воды от 4-5 мг-экв/л до 8,8 мг-экв/л. Приведенные данные свидетельствовали об ухудшении за рассматриваемый период санитарного состояния водоема в целом. Продолжительность периода «цветения» воды, обусловленного массовым развитием фитопланктона, составляла в среднем от 3 до 5 месяцев в году. Особенно это явление наблюдалось в жаркие месяцы (июль-август), когда температура воздуха в отдельные годы поднималась до 34 °С, а вода в озере прогревалась до 24-32 °С и приобретала неприятный запах, преимущественно болотного, землистого и гнилостного характера с интенсивностью до 3-4 баллов (см. рис. 1.3).

На рисунках 1.4 и 1.5 представлены данные по изменению среднесуточных значений показателей качества озерной воды по мутности, цветности и перманганатной окисляемости в весенне-летний период 2005 г., а на рисунках 1.6 и 1.7 - по щелочности, запаху и привкусу воды в течение самого жаркого месяца года 2005 г.

Анализ полученных результатов наблюдений за изменением качества воды в водоисточнике подтверждает резкое ухудшение качества воды по ее органолептическим и химическим показателям. Процесс ухудшения качества воды в летние и ранние осенние месяцы года, особенно в периоды с высокой летней температурой воздуха, связан с климатическими,

гидрологическими факторами и усилением техногенных нагрузок на водоисточник в эти периоды.

Таблица 1.1- Показатели качества озерной воды за период 2001-2006 г.г.

Дата Я, 1 3, балл, Физико-химические показатели качества воды

балл, при t = 20 °С при 1 = 20/60 °С рН Ц, град. ПО, мгСЬ/л Щ мг-экв/л м, мг/л

1 2 3 4 5 6 7 8

08.10.01 3 1/1 7,8-8 51-62,3 12,0-13,5 3,9-5 7,4

21.07.03 3 2/3 8,2-8,5 25-27 13,4-14,5 6-7 6,5-7,2

15.08 3 2/3 7,0-8 20-24,5 13,8-14,9 7,5-8 2,8-5

19.09 3 2/3 7,5-8,2 12-13,5 7,5-11,2 6-7 1,2-1,5

08.10 3 2/2 7,9-8,1 23-25 13,2-14,5 7,8-8 4,0-5,2

09.10 3 2/2 8,7-9,1 21-24,6 13,0-15 7,8-8 4,5-5,6

10.10 3 2/2 8,7-9 23-25,6 12,9-14,2 7,6-8 4,0-5,7

16.03.05 3 2/2 7,3-7,5 24-28 16,1-17,2 10,5-10,3 6,4-7,5

17.03 3 2/2 7,3-8 24-30 18,0-25,0 8,2-8,4 6,4-7,2

18.03 3 2/2 7,3-7,4 24-28,9 18,7-18,6 7,9-8,1 6,4-6,8

19.04 3 2/2 7,1-7,6 30-45,6 16,48-18 8,4-8,5 13,6-14

22.04 3 2/2 7,1-7,8 30-50 17,12-17,9 7,8-8 13,6-14

29.04 3 2/2 7,1-7,5 30-46,7 12,96-15 7,9-8,4 13,6-15,7

07.05 3 2/2 7,1 25-31,4 12,0-15 8,6-8,8 7,32-8,11

09.08 3 2/2 9,3-9,8 75,7-89 27,52-27,9 7,6-7,8 6,5-7

10.08 3 2/2 9,16-9,7 43,9-50 16,6-17,8 6,8-7,1 4,81-5,6

11.08 2 3/3 9,2-9,8 65,4-71 19,1-21,2 6,3-6,8 11,32-12

14.08 3 3/3 9,4-9,6 76,9-80 26,6-27,1 7-8 25,3-27,3

15.08 2 3/3 7,8-8,9 66,7-78 19,8-21,7 7,2-8 5,6