В целом качество природных вод большинства поверхностных водоисточников Тюмени и Тюменской области можно охарактеризовать малой мутностью, высокой цветностью и окисляемостью, а также низкими температурами природных вод большую часть года.
Инженерно-технический анализ выявил, что существующие сооружения водоподготовки не позволяют обеспечить качество питьевой воды в полной мере соответствующее требованиям санитарных норм к качеству питьевой воды. Основными причинами являются:
- высокий износ водозаборных (до 68%) и водоочистных (до 99%) сооружений;
- устаревшие технологические схемы очистки и в то же время отсутствие методов и проектных схем очистки природной воды до нормативных требований по отдельным показателям [2].
Исходя из качества природных вод различных водоисточников в Тюменской области и вообще в бассейне реки Обь, углевание является необходимым звеном стандартной схемы очистки [3].
Объекты и методы
В качестве объекта исследования была выбрана река Тура в створе Метелевского водозабора города Тюмени, имеющая значительное хозяйственно - питьевое значение. Метелевский водозабор обеспечивает 86% водопотребления города Тюмени, что в год, в среднем, составляет 62,78 млн.м3. Водопроводная станция очистки Метелевского водозабора была построена в семидесятых годах прошлого века. Состав водопроводных очистных сооружений включает в себя: горизонтальные отстойники со встроенными камерами хлопьеобразования и скорые фильтры с песчаной загрузкой.
Целью исследования стала проверка целесообразности использования углевания для интенсификации процессов очистки, для чего предстояло решить следующие задачи: определитьбаланс доз коагулянта и активированного угля, установить наиболее оптимальную последовательность ввода реагентов, определить изменение эффективности очистки.
Забираемая для исследования вода характеризуется следующими показателями: окисляемость - 37- 73 мгО2/л, мутность - 12-24 мг/л, цветность - 100-1200.Доза ПАА принята постоянной (1 мг/л). Дозы коагулянта - 50-70 мг/л. Исследование проводилось в холодный период года в 2 этапа при температурах 10-120С и 2-40С. В ходе предварительных исследований предпочтение было отдано мокрому дозированию угля, для чего использовалась 10% суспензия.
Исследовались следующие реагенты: сернокислый алюминий (СА); полиакриламид (ПАА); активированные угли (АУ), марки которых представлены в таблице 1,и смеси указанных реагентов.Показателем для контроля эффективности обработки промывных вод различными реагентами были определены перманганатная окисляемость, мутность и цветность.
Таблица 1
Характеристики и марки исследуемых углей
|
Марка угля |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Размер фракции, мм |
Пористость |
Адсорбционная емкость, кг/кг |
Площадь свободной поверхности, м2/кг |
|
АГ-3 |
400-500 |
1,5-2,8 |
0,8-1 |
0,2 |
680 |
|
АГ-5 |
450 |
1-1,5 |
0,3 |
0,45 |
3700 |
|
БАУ-А |
240 |
1-2,5 |
0,82-0,98 |
0,6 |
4800 |
|
Silcarbon K300 |
|
0,7-1,4 |
0,8-1 |
1,2 |
1400 |
Обсуждение результатов
По существующим нормативам дозы коагулянта определяются пробным коагулированием, проводимым 2 раза в год. К примеру, на водопроводных очистных станциях Тюмени дозы коагулянта находятся в пределах 50-70 мг/л (50 мг/л - для весенне-летнего периода и 70 – для осенне-зимнего). Доза коагулянта не меняется в течение длительного периода (до следующего пробного коагулирования) и, практически, не учитывает изменение качества воды в водоисточнике. Все вышеперечисленное ведет к перерасходу коагулянта.
При низких температурах воды гидролиз алюминиевого коагулянта значительно замедляется, хлопьеобразование часто не успевает закончиться на очистных сооружениях. Такое явление характерно для очистки высокоцветныхмаломутных вод в зимний период.Образующиеся легкие хлопья гидроксида алюминия практически не оседают в отстойниках, поэтому основная нагрузка приходится на фильтры, которые в этих условиях не обеспечивают требуемую степень очистки воды[4].
Подбор дозы активированного угля осуществлялся пробным углеванием. В качестве испытуемой была выбрана марка угля БАУ-А. Основные результаты опытов, проводимых при температуре обрабатываемой воды 10-120С, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Изменение мутности, цветности и окисляемости очищенной воды в зависимости от дозы активированного угля при дозе ПАА 1 мг/л.
|
Доза коагулянта |
Доза активированного угля |
Исходные показатели качества воды |
Показатели качества воды после очистки |
||||
|
Мутность, мг/ л |
Цветность, градусы |
Окисляемость, мгО2/л |
Мутность, мг/ л |
Цветность, градусы |
Окисляемость, мгО2/л |
||
|
50 |
0 |
12 |
100 |
7 |
2,8 |
30 |
5 |
|
1 |
18 |
110 |
19 |
1,5 |
37 |
11 |
|
|
2 |
24 |
120 |
30 |
0,9 |
42 |
18 |
|
|
60 |
0 |
12 |
100 |
7 |
2,5 |
28 |
4,9 |
|
1 |
18 |
110 |
19 |
1,3 |
35 |
9,4 |
|
|
2 |
24 |
120 |
30 |
0,86 |
39 |
15,2 |
|
|
70 |
0 |
12 |
100 |
7 |
2,2 |
21 |
3,8 |
|
1 |
18 |
110 |
19 |
1,2 |
25 |
7,5 |
|
|
2 |
24 |
120 |
30 |
0,8 |
29 |
10,7 |
|
В зимний период времени эффективность коагуляции сернокислым алюминием (СА) снижается до критических значений, что не позволяет обеспечивать санитарно-гигиенические требования к очищенной воде [5]. Совместное использование коагулянта и активированного угля для обработки воды при температуре 2-40С позволяет снизить время хлопьеобразования и увеличить эффекты очистки: по мутности - на 35%, по цветности - на 40%, по окисляемости - на 25%.Показатели качества воды после отстаивания при введении 1-2 мг/л активированного угля приведены на рисунках 1,2.
Рис.1. Влияние углевания на снижение мутности (а) и цветности (б) после отстаивания при низких температурах (доза СА – 70 мг/дм3, доза ПАА – 1 мг/дм3).
1 – без углевания, 2 – АГ-3, 3 – БАУ-А, 4 – SilcarbonK300, 5 – АГ-5
Сравнение способов дозирования показало, что дозирование активированного угля в виде 10 % суспензии эффективнее по сравнению с сухим дозированием на 27-29%.
Рис. 2. Влияние углевания на снижение окисляемости после отстаивания при низких температурах (доза СА – 70 мг/дм3, доза ПАА – 1 мг/дм3).
1 – без углевания, 2 – АГ-3, 3 – БАУ-А, 4 – SilcarbonK300, 5 – АГ-5
Изучение влияния порядка введения активированного угля на эффекты очистки показало, что введение угольной суспензии перед коагулянтом в среднем на 16% увеличивает эффект очистки по мутности и цветности по сравнению с одновременным дозированием (применением «черного коагулянта»). Максимальное снижение окисляемости возможно при введении активированного угля после отстаивания перед фильтрованием (до 5 мгО2/л). Подача активированного угля перед коагулянтом позволяет снизить окисляемость после отстаивания и фильтрации только до 19 мг/л.
Изучение влияния порядка введения
активированного угля на эффекты очистки показало, что введение угольной
суспензии перед коагулянтом в среднем на 16% увеличивает эффект очистки по
мутности и цветности по сравнению с одновременным дозированием (применением
«черного коагулянта»). Эффекты очистки после отстаивания при использовании
БАУ-А приведены на рисунках 3.
Рис. 3. Влияние порядка дозирования АУ на эффекты очистки по мутности (доза АУ – 2 мг/дм3, доза СА – 70 мг/дм3, доза ПАА – 1 мг/дм3, температура воды 100С).
1 – при введении до коагулянта, 2 – при одновременном введении («черный коагулянт»)
Максимальное снижение
окисляемости наблюдалось при введении активированного угля после отстаивания
перед фильтрованием (до 3,87 мгО2/дм3). Сравнительная
оценка влияния порядка дозирования активированного угля на снижение
окисляемости при использовании БАУ-У приведена на рисунке 4.
Рис.4. Снижение окисляемости при различных порядках дозирования АУ (доза АУ – 2 мг/дм3, доза СА – 70 мг/дм3, доза ПАА – 1 мг/дм3, температура воды 100С).
1 – до коагулянта, 2 – одновременно, 3 – после отстаивания
Определение оптимальных доз реагентов проводилось путем активного эксперимента на базе квазиD-оптимального плана [6]. В качестве выходных параметров статистической модели принимались значение мутности, цветности и окисляемости после отстаивания воды. Для описания процессов очистки использовалась полиномиальная модель второго порядка вида
где N - число факторов; e - влияние случайных факторов.
В результате была получена математическая модель, позволяющая корректировать дозы реагентов в зависимости от изменения исходных показателей качества воды без пробного коагулирования. Верификация модели проходила на действующих водопроводных очистных сооружениях Метелевского водозабора города Тюмени. Оптимальные дозы реагентов, при которых наблюдались максимальные эффекты очистки после отстаивания в холодный период года, составили: доза коагулянта - 64 мг/л, доза угля -1,8 мг/л.
Заключение
С использованием математического моделирования и микропроцессорной техники возможно более гибкое дозирование реагентов, учитывающее суточные и сезонные колебания качества воды в водоемах.
Применение активированного угля в качестве замутнителя позволяет не только интенсифицировать процессы осветления маломутныхвысокоцветных вод, но и снижать концентрации антропогенных загрязнений, обуславливающих окисляемость.
Включение углевания в состав технологических схем действующих водопроводных станций региона позволит интенсифицировать все этапы очистки, снизить расход коагулянта, что в свою очередь приводит к снижению остаточного алюминия в очищенной воде, сокращает количество образующихся осадков, все это ведет за собой улучшение качества питьевой воды.
Рецензенты:
Миронов В.В., д.т.н., профессор, кафедрой водоснабжения и водоотведения ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет», г. Тюмень.
СкипинЛ.Н., д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет», г. Тюмень.