Обеспечение населения качественной питьевой водой является одним из приоритетных направлений развития водохозяйственного комплекса и важнейшим фактором повышения качества жизни населения страны. Для водоснабжения населённых пунктов всё чаще используют подземные воды, которые в зависимости от условий формирования содержат в повышенных концентрациях железо и марганец, соли жёсткости, характеризуются наличием растворённых газов, отрицательными значениями окислительно-восстановительного потенциала Eh, различной степенью минерализации и широким диапазоном значений рН.
Для обезжелезивания подземных вод находят применение реагентные методы с использованием сильных окислителей и безреагентные методы на основе аэрации и фильтрации через инертные и каталитические загрузки различной плотности [1, 2]. Одним из перспективных направлений в области обезжелезивания подземных вод является развитие биологических методов [3–5]. В современных условиях на станциях обезжелезивания реализуются одно- и двухступенчатые технологии с использованием:
1. Напорной фильтрации через каталитическую загрузку из алюмосиликатного сорбента «Сорбент АС» [6].
2. Системы безреагентной очистки подземной воды «Аэромаг» [7].
3. Биореакторов со струйно-вакуумной эжекцией (БСВЭ) и фильтров с плавающей пенополистирольной загрузкой (ФПЗ) [4] и других установок и сооружений.
Оценка эксплуатационных и технологических характеристик (табл. 1) станций обезжелезивания на основе технологий №1–3 показала следующее. По удельной производительности и требуемому строительному объёму здания для размещения водоочистного оборудования технология №1 на базе вертикальных осветлительных фильтров с загрузкой «Сорбент АС» превосходит другие аналоги. Однако каталитическая загрузка характеризуется относительно невысокой грязеёмкостью, а данная технология имеет существенный недостаток: высокое потребление воды для промывки загрузки.
Отличительной особенностью системы безреагентной очистки «Аэромаг» №2 является применение комплекса, включающего в себя физический окислительный реактор, объединяющий магнитную активацию, кавитацию и аэрацию воды, и гидроавтоматический самопромывной фильтр с инертной загрузкой. Функционирование такой системы полностью автономно, а использование гидроавтоматической промывки фильтрующей загрузки существенно снижает расход промывной воды. В то же время на получение 1 м³ питьевой воды требуются существенные затраты электроэнергии.
В технологии №3 на основе БСВЭ и ФПЗ применена запатентованная система струйно-вакуумной эжекции для подсоса воздуха, а в качестве фильтрующей загрузки используется плавающая загрузка из гранул вспененного полистирола, обладающая преимуществами по сравнению с тяжёлой загрузкой. Анализ многолетней эксплуатации станций, построенных по такой технологии, показал, что двухступенчатая схема является надёжной, энергоэффективной и ресурсосберегающей. При этом размещение сооружений первой ступени (биореакторов высотой 8–10 м) требует соответствующих габаритов здания станции обезжелезивания.
Как показывает практика, строительство современных станций обезжелезивания на основе безреагентных технологий связано со значительными затратами.
Для станций обезжелезивания производительностью 10 тыс. м³/сут. средний рост стоимости строительно-монтажных работ за последние девять лет составил 10% г/г по данным сборников укрупнённых нормативов цены строительства для Московской области за 2017–2025 годы, утверждённых Минстроем России.
Стоимость 1 кВт·ч электрической энергии за этот период выросла почти в два раза, и средний ежегодный рост стоимости электроэнергии составил 8,93% (рис. 1).
Таким образом, возникает необходимость в усовершенствовании и дальнейшей разработке новых водоочистных технологий с использованием установок комбинированного типа, которые обеспечивают очистку воды до нормативных требований, сокращая при этом затраты на строительство и эксплуатацию станций.
Авторами было предложено совместить несколько технологических приёмов и создать новую комбинированную установку — вертикально-радиальный реактор-фильтр (ВРРФ), обладающую по сравнению с аналогами потенциально высокой удельной производительностью, грязеёмкостью и низким расходом промывных вод [8]. В состав ВРРФ вошли камера аэрации со встроенной кассетой с полиэфирными нитями в качестве носителя прикреплённых микроорганизмов, вертикальный предварительный фильтр с крупногранульной инертной загрузкой и радиальный фильтр обезжелезивания с плавающей пенополистирольной загрузкой, работающий с переменной скоростью фильтрования.
Методика и результаты исследований
Эффективность очистки воды в отдельных элементах комбинированной установки исследовалась на подземных источниках питьевого водоснабжения с различным физико-химическим составом.
Вода характеризовалась повышенными концентрациями двухвалентного железа (1,2–6,0 мг/л) и сероводородным запахом интенсивностью до трёх баллов.
Водородный показатель (рН) изменялся от 7,6 до 7,75, а окислительно-восстановительный потенциал имел отрицательные значения от −96 до −35 мВ. Забор исследуемой воды осуществлялся с глубины около 70 м.
Для изучения процесса аэрации и сравнительной оценки эффективности аэрационных устройств на площадке ВЗУ были разработаны и смонтированы модельные установки. Одна установка представляла собой классическую камеру аэрации (ККА), выполненную из оргстекла, в нижнюю часть которой подавалась исходная вода с предварительно эжектируемым атмосферным воздухом. В другую, усовершенствованную конструкцию камеры аэрации (УКА) дополнительно была установлена кассета с натянутыми перпендикулярно направлению водо-воздушного потока полиэфирными нитями толщиной 1,5–2 мм (рис. 2).
Расход воды в опытах составлял 0,8 м³/ч, время контакта воды в камере не превышало 25 с.
В ходе эксперимента было установлено, что после аэрации в обеих камерах концентрация кислорода достигала 4,5 мг/л, при этом наблюдалось незначительное увеличение pH. Динамика изменения Eh в воде до и после камер аэрации показала, что в течение периода наблюдений в УКА прирост потенциала был на 10–15 мВ больше, чем в классической камере аэрации. Вместе с тем снижалась концентрация двухвалентного растворённого железа в среднем на 33%, в то время как в ККА перевод двухвалентного железа в трёхвалентное не осуществлялся (рис. 3).
Можно предположить, что процесс окисления растворённого двухвалентного железа интенсифицируется за счёт жизнедеятельности присутствующих в подземной воде железобактерий, способных иммобилизироваться на полиэфирных нитях встроенной кассеты.
При восходящем движении водо-воздушной смеси пузырьки воздуха, проходя между нитями, приводили к срыву и выносу осадка, накапливаемого в процессе работы УКА, что обеспечивало самоочищение камеры аэрации.
Следующей технологической ступенью установки является префильтр. Его основная задача — снижение грязевой нагрузки на радиальный фильтр и обеспечение требуемой скорости фильтрования на входе в него не менее 70 м/ч. В качестве загрузки префильтра использовались гранулы вспененного полистирола крупной фракции 5–10 мм. Для префильтра, являющегося частью ВРРФ, были установлены граничные условия по двум параметрам: потери напора ∆h не должны превышать 1 м, а эффективность очистки воды по показателю «железо» должна быть не менее 25%. Предварительные исследования работы префильтра в режиме вертикального нисходящего и восходящего фильтрования на подземной воде со скоростью около 70 м/ч подтвердили эффективную работу в течение нескольких суток и выявили некоторые особенности. Так, эффект очистки воды по общему железу составил порядка 30–40%, при этом продолжительность фильтроцикла и грязеёмкость загрузки при начальной концентрации двухвалентного железа в исходной воде 1,2 мг/л достигали 312 ч и 10 кг/м³ [9].
Последний элемент комбинированной установки — радиальный фильтр. Его преимущество заключается в большей площади фильтрования по сравнению с вертикальным фильтром. По предварительным расчётам, при высоте слоя загрузки в 1 м и равных диаметрах вертикального и радиального фильтров в диапазоне значений менее 4 м площадь радиального фильтра больше площади вертикального, что позволяет значительно увеличить удельную производительность установки.
Анализ научно-технической литературы, посвящённой радиальным фильтрам с тяжёлой песчано-гравийной загрузкой и фильтрующим материалом из горелой породы для доочистки сточных вод [10, 11], показал, что такие сооружения не лишены ряда недостатков. К ним можно отнести высокие требования к однородности фильтрующего материала, сложность замены фильтрующих материалов, громоздкую систему промывки, неполное использование фильтрующего слоя в связи с возникновением депрессионной воронки и др. Использование в качестве фильтрующей загрузки радиальных фильтров пенополистирола и регулирование пористости слоя за счёт размещения во внутреннем пространстве специальных прижимных механизмов [12] связано со сложностью эксплуатации сооружения и не нашло широкого применения.
Для исключения недостатков существующих конструкций радиальных фильтров была предложена в составе ВРРФ модель фильтра (со смещёнными точками отвода очищенной воды и с плавающей загрузкой), в которой фильтрование воды осуществляется в направлении от центра к периферии. Она характеризуется простотой конструкции, отсутствием дополнительных механизмов, работой фильтрующего слоя полным сечением в направлении убывающей крупности гранул. Для определения параметров очистки воды и гидравлических характеристик планируется провести дальнейшие лабораторные и полупромышленные испытания на подземной железосодержащей воде.
Заключение
Проведённый анализ экономических показателей строительства и обслуживания станций обезжелезивания в современных условиях показал, что требуется дальнейший поиск технических и технологических решений, направленных на обеспечение нормативных требований к качеству питьевой воды при необходимости снижения затрат на строительство и обслуживание станций обезжелезивания.
К таким решениям может быть отнесена и предложенная авторами установка комбинированного типа — вертикально-радиальный реактор-фильтр, обладающая улучшенными технологическими и эксплуатационными характеристиками. Предварительные экспериментальные исследования процесса обезжелезивания подтвердили перспективность использования данной установки в составе технологической схемы кондиционирования подземной воды.
