Внедрение энергоэффективных и ресурсосберегающих инновационных технологий на объектах водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ) с целью обеспечения населения качественной питьевой водой является актуальной задачей, в том числе и для регионов, где на долю подземных вод, содержащих растворённые газы, соединения железа и марганца, биогенные и органические вещества, и являющихся зачастую единственным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения, приходится около 60–70 %.

Известно, что наличие в очищаемой воде углекислого газа (CO2) и сероводорода (H2S) оказывает негативное воздействие на процессы обезжелезивания и деманганации, технологическое оборудование и строительные конструкции. Поэтому требуется их предварительное удаление и насыщение воды кислородом воздуха.

Применение для аэрации воды эжекции или подачи сжатого воздуха с использованием компрессоров в напорный трубопровод исходной воды, струйной низконапорной аэрации в контактных градирнях и брызгальных бассейнах с последующим фильтрованием через слои тяжёлой загрузки, требует включения в технологические схемы очистки перед фильтрами с тяжёлой загрузкой промежуточных контактных бассейнов, устройства насосных станций подкачки и компрессорного оборудования [1, 2]. Для промывки фильтрующей загрузки необходимо использование промывных насосов и наличие дополнительного объёма воды в резервуарах чистой воды (РЧВ) на промывку, что в целом приводит к значительным затратам электроэнергии и увеличению себестоимости очистки воды.

Разработка технологии, в которой на первой ступени применяются биореакторы со струйной вакуумной эжекцией (БСВЭ) и контактной загрузкой [3, 4], а на второй — фильтры с плавающей пенополистирольной загрузкой ФПЗ-1 [5], обладающей высокоразвитой удельной поверхностью, позволит расширить область применения безреагентных технологий и решать задачу совместного удаления из воды одновременно присутствующих в ней сероводорода, углекислого газа, железа, марганца и аммонийного азота.

В новом типе биореактора осуществляется отдувка свободной углекислоты и сероводорода, аэрация и обогащение кислородом воздуха за счёт его подсоса в зону вакуумирования через воздуховпускные отверстия, окисление двухвалентного железа за счёт жизнедеятельности закреплённых на поверхности контактной загрузки железобактерий и частичное осаждение гидроксида железа в толще неоднородной плавающей загрузки. Кроме того, биореактор выполняет функцию регулятора скорости фильтрования для ФПЗ-1, работающего по принципу восходящего фильтрования.

В лабораторных условиях на базе Центра инноваций в области водоснабжения и водоотведения АО «МосводоканалНИИпроект» и на действующих водозаборах были проведены испытания экспериментальной модели биореактора (рис. 1).

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 1

Конструкция биореактора позволяла изменять диаметр и количество струйных насадок, высоту компактной струи до конусного отражателя, количество и диаметр воздуховпускных отверстий при различных напорах воды во входном трубопроводе.

В процессе исследований были установлены основные закономерности образования зон вакуума, распределённого по площади биореактора и обеспечивающего интенсивный приток атмосферного воздуха извне и абсорбцию кислорода в обрабатываемую воду.

Определены зависимости величины образуемого вакуума от давления воды на входе в биореактор (рис. 2) от конструктивных и гидравлических характеристик струйных конических сходящихся насадок с диаметром dн, размещения их в плане, соотношений площадей отверстий насадок к площади подводящего к насадке трубопровода и воздуховпускных отверстий к площади биореактора, зон начала распыления струй и оптимальных значений их высоты Нотр.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 2

Было установлено, что необходимая величина вакуума (не менее 6–10 мм вод. ст.) для эффективной абсорбции кислорода воздуха в обрабатываемую воду обеспечивается при высоте струи не менее 0,8 м, Pвх = 1,0–1,5 атм и соотношении dн к диаметру подводящей трубы к насадке dтр, равном 1/3–1/4 [6].

Сущность биохимического обезжелезивания и деманганации содержащих растворенные газы и органические соединения подземных вод в толще незатопленных и затопленных слоёв неоднородной пенополистирольной загрузки заключается в использовании способности железобактерий Leptothrix ochracea, Leptothrix trichogenes, Gallionella и др. ферментативно окислять карбонат железа, а также на известном свойстве большинства микроорганизмов выделять в качестве одного из продуктов бактериального метаболизма пероксид водорода, образующийся в процессе окисления органических веществ при переносе электронов по дыхательной цепи [6–8].

На интенсивность протекания реакций окисления соединений железа и марганца в существенной мере оказывает влияние соотношение газов (СО2, Н2S и О2), наличие азотсодержащих соединений, время контакта воды с поверхностью загрузки биореактора и структурные свойства фильтрующего слоя.

Изучение совместной работы биореакторов разного типа, в том числе БСВЭ и фильтров ФПЗ-1, в составе двухступенчатой безреагентной технологии с целью определения технологических параметров и анализа эффективности процессов аэрации-дегазации, биохимического окисления и фильтрования через плавающую загрузку проводилось на моделях сооружений и полупроизводственных установках, смонтированных на действующих водозаборных узлах и водопроводнонасосных станциях в течение последних 20 лет. Исследовались подземные воды, забираемые из различных водоносных горизонтов и отличающиеся разнообразным физико-химическим составом.

Научно-исследовательские и опытноконструкторские работы осуществлялись под научным руководством и при непосредственном участии д.т.н., профессора, заслуженного деятеля науки Российской Федерации М. Г. Журбы.

Результаты исследований, изложенные в [9–11], явились основой для разработки проектов и строительства новых станций, реконструкции и модернизации действующих станций кондиционирования подземных вод производительностью от 0,24 до 22 тыс. м³/сут.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 3

В декабре 2013 года после реконструкции была введена в эксплуатацию станция обезжелезивания воды ВНС-2 производительностью 10 тыс. м³/сут. (город Жуковский Московской области).

Для обоснования технологии обезжелезивания и деманганации, определения технологических параметров и разработки рекомендаций на проектирование были проведены предпроектные испытания [12, 13]. С этой целью на станции была смонтирована и оборудована технологическими трубопроводами, запорной и измерительной арматурой модельная установка «биореактор-фильтр» (рис. 3).

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 4

Исходная вода от рабочих скважин водозаборного узла (ВЗУ) из сборного водовода подавалась в верхнюю часть биореактора, разбрызгивалась через систему насадок и далее фильтровалась через пенополистирольную загрузку с крупностью 6 мм и толщиной слоя до 1,4 м. Скорость фильтрования составляла 25 м/ч.

После биореактора вода поступала в фильтр, где осуществлялась её доочистка от гидроокиси железа путём восходящего фильтрования со скоростью приблизительно 7,8–8,0 м/ч. Толщина слоя загрузки составляла 1,5 м, крупность гранул — 1,0–1,8 мм.

Анализ работы модельной установки показал, что время «зарядки» для биореактора составляет от трёх до семи суток, фильтра — от 24 до 30 часов.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 5

В табл. 1 приведены данные по эффективности очистки подземной воды после «зарядки» свежевспененной пенополистирольной загрузки, которые свидетельствуют, что в течение фильтроцикла качество очищенной воды соответствовало нормативным требованиям СанПиН 2.1.4.1074–01. Промывка фильтрующей загрузки биореактора по мере её кольматации производилась исходной подземной водой через 90 часов, а фильтра — очищенной, через 42 часа.

Реконструкция станции обезжелезивания предусматривала:

  • комплекс работ, направленных на усовершенствование технологии обезжелезивания и повышение надёжности её работы за счёт применения БЭСВ на первой ступени и отказа от энергоёмких компрессоров;
  • переоборудование напорных фильтров ФОВ-2,5-6 с песчаной загрузкой с заменой на безнапорные ФПЗ-1 и устройством новых сборно-распределительных дренажных систем;
  • демонтаж промывных насосов и др.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 6

На рис. 4 и 5 показана станция до и после реконструкции, соответственно.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 7

На станции были установлены два биореактора (БР1, БР2) диаметром 3 м и высотой 8,1 м, вода после которых подавалась на две параллельно работающие технологические линии фильтров ФПЗ (ФПЗ-1.1…1.4 и ФПЗ-1.5…1.8).

Анализ работы станции спустя полгода с момента запуска биореакторов и фильтров первой и второй технологических линий показал следующее.

Подземная вода, в зависимости от режима работы группы скважин на водоводы, характеризовалась содержанием железа общего за период с июня 2014 по сентябрь 2015 годов от 1,07 до 9,79 мг/л, марганца — от 0,14 до 0,45 мг/л, ионов аммония — от 0,67 до 1,44 мг/л, и рН = 6,72–7,23. Запах и вкус, преимущественно сероводородный, не превышал двух-трёх баллов, концентрация растворенного кислорода в подземной воде составляла 1,4–1,6 мг/л, окислительно-восстановительный потенциал изменялся от –22,3 до –30,74 мВ.

Скорость фильтрования воды на каждом биореакторе изменялась от 16,4 до 27 м/ч, на фильтрах с плавающей загрузкой на примере первой технологической линии (ФПЗ-1.1…1.4) — от 4,7 до 8,3 м/ч. Время контакта воды с загрузкой биореактора составляло от 6,2 до 3,8 минут. Продолжительность фильтрования воды на биореакторах не превышала семи суток, на фильтрах — 24 часа. В качестве контактной загрузки биореактора и фильтра использовались вспененные гранулы пенополистирола крупностью 4–8 мм толщиной слоя 1,7 и 0,8–1,3 мм толщиной слоя 1,5 м, соответственно.

В табл. 2 приведены данные по изменению концентрации железа и марганца в исходной и очищенной воде по ступеням очистки, которые свидетельствуют о стабильной и надёжной работе станции, обеспечивающей подготовку воды питьевого качества. Кроме того, в воде на выходе из биореакторов наблюдалось по сравнению с исходной водой снижение свободной углекислоты, повышение окислительно-восстановительного потенциала (81,50–115,04 мВ) и рН (7,64–7,73). Что касается очищенной воды после фильтров, то её рН немного снижался (7,42–7,50), а Eh увеличивался до 149,51– 163,54 мВ по сравнению с водой, прошедшей биореакторы.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 8

Промывка загрузки биореактора и фильтра производилась после непрерывной работы сооружений в режиме фильтрования в течение 24 и 168 часов, соответственно, с параметрами, указанными в табл. 3.

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 9

Отдельная серия опытов была посвящена исследованиям структуры и состава осадков, выделенных из промывных вод промышленных биореактора и фильтра и собранного с поверхности гранулы контактной загрузки (рис. 6). Исследования проводились в лаборатории кафедры водоснабжения НИУ МГСУ методами сканирующей электронной микроскопии (Quanta 250 FEI) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.

На основании микроскопического анализа было установлено, что обнаруженные в осадках железобактерии, главным образом нитчатые типа Leptothrix ochracea и стебельковые типа Gallionella (рис. 6а, 6б), интенсивно развиваются в толще загрузки и принимают активное участие в процессах окисления соединений растворённых форм железа [7, 8].

Безреагентная технология обезжелезивания и деманганации подземных вод: обоснование, исследование, внедрение. 6/2017. Фото 10

В осадке промывной воды после сооружений преобладали преимущественно железо и кислород, присутствовали углерод, азот и фосфор. В то же время в осадке с поверхности гранулы пенополистирола, взятой на исследование с верхнего слоя загрузки биореактора, распределение компонентов отличалось. Преобладал кислород (60,97 %), углерод и железо присутствовали в примерно одинаковых пропорциях (12,82 и 14,97 %), а концентрация азота была выше в 1,4–1,7 раза.

Оценка работы в течение трёх лет промышленной станции кондиционирования подземных вод с биореакторами со струйной вакуумной эжекцией и фильтрами с плавающей пенополистирольной загрузкой подтвердила эффективность и перспективность дальнейшего её применения на объектах ВКХ, использующих подземные воды в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения.