+7 (495) 211-01-48
Связаться со специалистом
Скачать опросные листы
Телефоны, адреса, сотрудники
Седлуха С.П., (ПГУ, Новополоцк). Иванов С.А, Рудак А.В.
Подземные воды, как правило, имеют высокую степень стабильности гидрохимической характеристики, которая определяется условиями их формирования и залегания. Химический состав воды в водоносном пласте тем постоянней, чем меньше в нем водообмен. Водообмен тем активен, чем больше связан поверхностный сток с подземным, то есть, чем меньше изолирован водоносный пласт от поверхности земли.
При фильтрации поверхностных вод в грунт, в них значительно снижается содержание кислорода, который расходуется на окисление различных органических веществ, содержащихся в почве. Одновременно вода обогащается углекислотой, что увеличивает растворимость в ней различных пород.
Минерализация воды возрастает по мере увеличения длины путей, проходимых подземными водами, и времени их контакта с грунтами. Поэтому химический состав подземных вод весьма разнообразен. В них можно встретить в самых различных концентрациях почти все химические элементы, находящиеся в земной коре.
Годовые и сезонные изменения химического состава подземных вод с увеличением глубины их залегания уменьшаются, а степень защищенности от загрязнений повышается. Наряду с этим глубоко залегающие подземные воды, как правило, лишены кислорода и имеют повышенную минерализацию. Использование таких вод для целей водоснабжения является оптимальным решением при условии, что содержание в них растворенных веществ находится в допустимых пределах. Исключением может быть содержание железа, очистка от которого возможна без применения реагентов.
Именно такие подземные воды имеются на территории многих стран, в том числе и в Республике Беларусь. Содержание железа в подземных водах обычно находится в пределах 1,5÷2,0 мг/дм3, что лишь в несколько раз выше допустимой концентрации (0,3 мг/дм3), однако такая вода не может считаться пригодной для хозяйственно-питьевого потребления. В некоторых регионах Республики содержание железа в подземной воде достигает, а иногда и превышает , 10 мг/дм3. Таким образом, строительство станций обезжелезивания в РБ является актуальной задачей. И если большинство крупных и средних городов РБ уже имеют станции обезжелезивания, то в селах ситуация иная: только около 1% сельхозводоснабжения имеет такие станции. В остальных вода подается с содержанием железа, превышающим санитарные нормы.
Станции очистки подземной воды от железа начали строиться в Европейских странах в конце 19-го века, а в 1910 г. только в Германии и Голландии их было уже около 130. В настоящее время они эксплуатируются и строятся в большинстве стран мира.
До 70-х годов 20-го столетия строились в основном станции обезжелезивания, предусматривающие аэрацию воды на градирне, окисление двухвалентного железа в контактном резервуаре и последующее фильтрование. При этом фильтры работали как осветлительные, задерживая лишь не выпавшее ранее в осадок окисленное железо. Они загружались в основном песком крупностью 0,5÷1,2 мм. Скорость фильтрования не превышала 5÷6 м/час.
С 70-х годов прошлого столетия в бывшем СССР и ряде других стран начала применяться очень простая технологическая схема обезжелезивания по методу упрощенной аэрации и фильтрования. По этому методу вода, обогащенная кислородом в результате аэрации, сразу направляется в фильтр, где реакция окисления двухвалентного железа происходит в толще фильтрующего материала, а не в свободном объеме. Именно в этом и заключается новизна этого метода, который до сих пор недооценивается многими специалистами, при конструктивном оформлении технологического процесса.
Нельзя сказать, что обезжелезивание методом упрощенной аэрации и фильтрования сразу получило широкое распространение. Не сразу было выяснено влияние многих факторов на процесс окисления железа и задержание его загрузкой. Более того, оценка таких факторов, как рН воды, образующейся гидроокиси, развивавшихся в загрузке биологических процессов и содержащихся в исходной воде ряда веществ, была диаметрально противоположной. В результате, например, не было общепризнанного объяснения, почему концентрация двухвалентного железа в фильтрате иногда превышала его содержание в исходной воде. Не было четких ответов и на ряд других вопросов. В результате отношение к обезжелезиванию методом упрощенной аэрации и фильтрования значительное время оставалось настороженным, особенно в странах дальнего зарубежья.
Недоверие к методу имело место и в Беларуси, где продолжительное время станции обезжелезивания строились по устаревшим типовым проектам, введенным в действие 1968-1970г. На этих станциях обезжелезивание предусматривалось по двухступенчатой схеме, для чего они оборудовались контактными (окислительными) и осветлительными напорными фильтрами. Кстати, большинство построенных таких станций так и не было запущенно в работу.
В настоящее время имеется ясность по многим вопросам, относящимся к обезжелезиванию подземных вод. В частности установлено, что при окислении двухвалентного железа в толще фильтрующей загрузки его окислы прочно закрепляются на зернах загрузки, в результате качество фильтрата улучшается к концу фильтроцикла, продолжительность которого определяется предельными потерями напора.
В том случае, когда на фильтр подается вода, содержащая уже сформированные хлопья гидроокиси железа, основная масса осадка задерживается в верхних слоях загрузки фильтра. Проникающая вглубь загрузки суспензия гидроокиси железа прочно в ней не закрепляется и при повышении скоростей в порах часть гидроокиси отрывается и уносится фильтратом, ухудшая его качество. Следовательно, продолжительность фильтроцикла определяется качеством фильтрата, а не потерями напора в загрузке. Уточнена позитивная и негативная роль ряда веществ, которые могут содержаться в очищаемой воде.
В определенной степени выяснена и роль биологических процессов при очистке воды от железа. Установлено, что скорость окисления двухвалентного железа железобактериями значительно выше скорости химического окисления. Разработан биологический метод очистки подземной воды от железа, который защищен патентом РБ.
Таким образом, имеющаяся в настоящее время ясность сути протекающих процессов при обезжелезивании воды методом упрощенной аэрации и фильтрования, позволяет разрабатывать установки, максимально реализующие возможности метода, несмотря на то, что механизм окисления двухвалентного железа в фильтрующей загрузке остается до конца не выясненным.
При малой и средней производительности станций обезжелезивания, максимальный эффект от применения метода очистки воды от железа упрощенной аэрацией и фильтрованием может быть получен при проведении процесса на напорных фильтрах. Выпускаемые предприятиями СНГ стандартные осветлительные напорные фильтры могут применяться и для обезжелезивания, хотя их дренажные системы не всегда обеспечивают высокую равномерность распределения промывной воды и рассчитаны на применение более мелкой фильтрующей загрузки, чем это необходимо для обезжелезивания. Поэтому лучше использовать фильтры со специально разработанной для этого метода дренажной системой.
Технологическая схема, которая была положена в основу типовых проектов станций обезжелезивания, введенных в действие в 1968-1970г., имела ряд недостатков, что не позволяло в полной мере реализовывать преимущество метода. Отметим только два наиболее существенных недостатка:
Обогащение воздухом исходной воды производилось в смесителе при помощи компрессора и ресивера. Аэрированная вода по трубопроводам подавалась во все работающие фильтры. Такая система аэрации имеет ряд недостатков, связанных с необходимостью периодического ремонта компрессорного оборудования и определенной сложности дозирования и распределения воздуха, по работающим фильтрам.
Обязательным требованием СНиПа является регулирование скорости фильтрования или равномерное распределение воды между фильтрами. Во время разработки рассматриваемых типовых проектов в бывшем СССР, предпочтение отдавалось первому принципу, для чего на трубопроводе отвода фильтрата с каждого фильтра устанавливалась диафрагма, дифманометр, расходомер и задвижка с электроприводом. Он и был принят, хотя невозможность регулирования скорости фильтрования таким способом, не только в напорных фильтрах, но и в открытых, была очевидной. Хотя бы потому, что при этом необходимо обеспечивать равенство между суммарным расходом воды, поступающим во все фильтры, и расходом, подаваемым на станцию водозаборными сооружениями (скважинами), что технически невозможно.
Можно привести и другие аргументы: как быть при промывке одного из фильтров? Как поступить при переполнении резервуара чистой воды или водонапорной башни? и т.д. Следует отметить, что в тот период отсутствовала согласованность между технологами и специалистами по автоматике (да и сейчас ее часто нет), и на автоматику эксплуатационный персонал смотрел как на выброшенные деньги – ведь работать все равно придется в ручную. Так, чаще всего оно и было. Во всяком случае, нигде в Республике Беларусь система регулирования скорости фильтрования на напорных фильтрах не работала и не работает. Кстати, в настоящее время во всем мире применяется второй принцип: равномерное распределение воды между фильтрами. Что касается станций с напорными фильтрами, то при их проектировании чаще всего не предусматривается ни регулирование скорости фильтрования, ни равномерное распределение воды. В результате фильтры становятся неуправляемыми. Ведь потери напора в промытом фильтре не превышают 0,5 м, а перед промывкой они достигают 8 м и более. Следовательно, отношение скоростей фильтрований промытого и не промытого фильтра может превышать 4:1. При такой ситуации не может быть и речи об эффективной, надежной и долговременной работе станций обезжелезивания.
Реальным решением, обеспечивающим относительную стабилизацию скоростей фильтрования, может быть установка гидравлических сопротивлений (диафрагм) на линиях подвода исходной воды к фильтрам. Однако, при ограничении нестабильности величиной 25%, потери напора в сопротивлениях при расчетных скоростях фильтрования, должны составлять не менее 12 м. Разумеется, при этом значительно возрастут затраты энергии на подачу воды.
Данная установка лишена отмеченных выше недостатков и позволяет в полной мере реализовать преимущество метода обезжелезивания упрощенной аэрацией и фильтрованием. Ее технологическая схема приведена в конце статьи. Основными элементами установки являются фильтры. Каждый фильтр оборудован колпачковой дренажной системой 6, экраном 8 и воздушным вантузом 9 с подводящей трубой 10, низ которой размещен с определенным зазором к фильтрующей загрузке 7. Фильтрующей загрузкой служит кварцевый песок крупностью 1-2 мм.
Исходная вода в фильтры подается по двум трубопроводам: основному (постоянно работающему) 2, который соединен с трубопроводом 3 подачи воды от скважинного водозабора, и по обводному 16, соединенному с трубопроводом 3 через регулятор давления «до себя» 17.
На трубопроводе, соединяющим каждый фильтр с основным трубопроводом 2 установлен ремонтный затвор 4 и водо-воздушный эжектор 5, всасывающий патрубок которого соединен с атмосферой через обратный клапан.
На трубопроводе, соединяющий каждый фильтр с обводным трубопроводом установлен ремонтный затвор 18, обратный клапан 19 и водо-воздушный эжектор 20 с обратным клапаном на всасывающем патрубке.
Каждый фильтр имеет также трубопровод отвода промывной воды 21 на котором установлен гидроклапан 22.
Основной подводящий трубопровод и все оборудование на нем рассчитаны на минимальную подачу воды от скважинного водозабора. Обводной трубопровод рассчитан на разность между максимальной (расчетной) подачей воды и минимальной.
Отвод очищенной воды из каждого фильтра в водонапорную башню 11 осуществляется через ручной затвор (задвижку) 13 и трубопровод 12. Вода для промывки фильтра поступает из водонапорной башни через водопровод 14, обратный клапан 15, трубопровод 12 и ручной затвор 13.
После завершения промывки очередного фильтра, все гидроклапаны 22 находятся в закрытом состоянии, вся остальная запорная арматура – в открытом. В зависимости от расхода воды, подаваемым скважинным водозабором, вода в каждый фильтр поступает или только по основному подводящему трубопроводу, или по основному и обводному трубопроводу. При этом все пространство над загрузкой промытого фильтра оказывается заполненным водой. Однако, не растворившейся воздух в воде, поступающий в промытый фильтр, скапливается над поверхностью воды. Уровень воды в фильтре в течение относительно короткого периода снижается до низа подводящей трубы вантуза, и избыточный воздух через вантуз начинает выходить в атмосферу. Фильтр переходит на стабильный режим работы при постоянном уровне воды в нем. Небольшой слой воды над загрузкой сводит к минимуму время между аэрацией воды и входом ее в загрузку. При этом практически исключается окисление двухвалентного железа и кольматация гидроокисью верхнего слоя загрузки.
При поступлении в фильтры воды только по основному трубопроводу (при этом регулятор давления «до себя» закрыт) обратные клапаны на линиях подвода к каждому фильтру от обводного трубопровода предотвращают переток воды из фильтров, в которых давление выше, в фильтры с более низким давлением. В связи с тем, что через сопло водо-воздушного эжектора вода поступает в его камеру смешения, где давление не зависит от потерь напора в загрузке и всегда равно атмосферному, обеспечивается равномерное распределение исходной воды по всем фильтрам.
Если на установку вода поступает с расходом, превышающим минимальное расчетное значение, но меньше максимального, регулятор давления «до себя» частично открывается, поддерживая в основном подводящем трубопроводе давление, необходимое для работы водо-воздушных эжекторов 5. При этом водо-воздушные эжекторы на обводящем трубопроводе воздух не подают и выполняют роль гидравлических сопротивлений, ограничивающих расход воды. Подача воздуха, для окисления двухвалентного железа, с избытком обеспечивается водо-воздушными эжекторами, установленными на основном подводящем трубопроводе.
При увеличении подачи воды на установку, степень открытия регулятора давления «до себя» увеличивается, при этом воздух начинают подавать и водо-воздушные эжекторы обводной линии.
Когда потери напора в загрузке фильтра достигают расчетного значения, производится промывка. Для этого открывается гидроклапан 22 и вода из водонапорной башни, описанным выше путем, поступает в дренажную систему фильтра и далее в загрузку, взвешивая и промывая ее. В это время исходная вода через водо-воздушные эжекторы с прежним расходом поступает в трубопровод отвода промывной воды, сбрасывается вместе с промывной водой. При этом не нарушается режим работы остальных фильтров. После окончания промывки гидроклапан 22 закрывается и фильтр переходит в режим фильтрования.
Обратный клапан 15 предотвращает замерзание воды в водонапорной башне в зимний период.
При отводе воды из фильтров в резервуары технологическая схема установки соответствующим образом корректируется.
1. Примененные технические решения уже сами по себе автоматически обеспечивают экономичную и надежную работу установки независимо от подачи воды водозаборными сооружениями, что упрощает и удешевляет автоматику всей системы водоснабжения.
2. Созданы оптимальные условия для очистки воды от железа по методу упрощенной аэрации и фильтрования, обеспечивают следующие основные параметры работы установки: продолжительность фильтроцикла – до 20 суток и более. время регенерации (промывки) фильтра – 5-6 мин. затраты воды на регенерацию фильтров – 0,4% и менее от объема очищенной воды.
3. Малые объемы промывных вод упрощают проблему их обработки, а в ряде случаев и снимают ее вовсе.
4. Глубокая очистка воды от железа (до следов) значительно увеличивает межремонтный период дренажных систем фильтров.
5. Постоянная работа установки при минимальных давлениях обрабатываемой воды, снижает затраты энергии на ее подачу до 20% и более.
6. Конструкция установки защищена положительным решением Национального центра интеллектуальной собственности.
Очистка подземной воды от железа на напорных фильтрах,
