Поступление микроводорослей с природной водой приводит к увеличению нагрузки на водопроводные сооружения, кольматации загрузки фильтров, сокращению продолжительности фильтроцикла и, как следствие, к увеличению расхода воды на собственные нужды. Кроме того, при хлорировании воды, содержащей фитопланктон, в большинстве случаев образуются токсичные тригалогенметаны.

В отечественной и мировой практике водоподготовки снижение численности фитопланктона (микроводорослей) достигается несколькими технологическими приёмами — предотвращением развития микроводорослей, удалением фитопланктона и продуктов его жизнедеятельности и разложения.

К методам, позволяющим предотвратить развитие микроводорослей, относятся физические, химические и биологические методы.

Одним из эффективных и известных методов борьбы с цветением водоёмов является аэрация. Применение различных устройств, таких как аэрационный столик, аэратор роторного типа (рис. 1), дождевальная установка, имеющая малую производительность, аэраторы «Винт», «Ёрш», Aqua-Pilz и др., позволяет за счёт искусственного насыщения воды воздухом повысить концентрацию растворённого кислорода.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 1

Для водоёмов, имеющих небольшой объём воды, применяется интенсивное перемешивание воды, препятствующее скоплению особенно сине-зелёных водорослей у поверхности воды и снижению их роста за счёт недостатка света, и относительно дешёвый метод непосредственного удаления верхнего, не перемешивающегося с водой слоя водорослей с помощью сетей для скимминга (skimming) [1].

В этом случае необходим постоянный контроль транспортировки, складирования и переработки сине-зелёных водорослей, как токсичных или опасных отходов.

Кроме того, ведутся исследования в области воздействия на клетки фитопланктона высоких давления (более 4 МПа) и температуры, ультразвука и ультрафиолетового излучения (преимущественно для небольших искусственных водоёмов) и разработка плавающих установок.

Химические методы, основанные на использовании пестицидов, альгицидов (производных карбамида) и медного купороса с дозами от 0,3–1,5 мг/л в зависимости от типа водоёма позволяют уничтожать или предотвращать рост клеток фитопланктона. Однако область применения таких методов ограничивается инерционностью и потенциальной опасностью ядохимикатов, как для гидробионтов, так и водопотребителей.

Особенностью биологических методов предотвращения развития протококковых, диатомовых и сине-зелёных водорослей является использование растительноядных рыб, таких как белый толстолобик (Hypophthalmichthys molitrix), тилапия, карась и др., и макрофитов (тростник, камыш), которые создают конкуренцию к доступу питательных веществ и благоприятные условия для зоопланктона, питающегося фитопланктоном, который препятствует проникновению солнечного света и затеняет поверхность близлежащих участков водоёма.

Проведённый патентный поиск в области способов предотвращения развития фитопланктона и его подавления в поверхностных источниках питьевого водоснабжения показал, что перспективным является введение в водоём цианофагов и бактериальных агентов, например, суспензии зелёной микроводоросли Chlorella vulgaris и Brevibacillus laterosporus. При внедрении способа на практике следует учитывать как возможность случайных взаимодействий, так и развитие устойчивости сине-зелёных водорослей к цианофагами.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 2

Обзор зарубежных литературных источников показал, что для обработки природной воды, содержащей микроводоросли в значительных количествах, рекомендуется применять технологии, приведённые в табл. 1 [2].

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 3

В практике водоподготовки для удаления микроводорослей нашла распространение механическая фильтрация с использованием микрофильтров и дисковых сит DynaDisc; напорная реагентная и безреагентная флотация; объёмное фильтрование, реализуемое в фильтрах различных конструкций с использованием кварцевого песка, антрацита, цеолита, вспененного пенополистирола и др.

Опыт применения микрофильтров для удаления фитопланктона показывает, что они часто используются в составе водопроводных очистных сооружений. Эффективность микрофильтров в большинстве случаев зависит от видового состава фитопланктона, морфологических особенностей, условий питания и роста.

Микрофильтры, устанавливаемые в самом начале технологического процесса, предназначены для удаления фитои зоопланктона, а также крупных взвешенных частиц. Общий вид промышленных микрофильтров показан на рис. 2.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 4

Микрофильтр представляет собой постоянно вращающийся сетчатый барабан, размещаемый во входной камере и оборудованный промывным устройством. Размер ячеек сетки от 20 до 60 мкм. Фильтрование воды в направлении «изнутри наружу» происходит под действием гравитационных сил и не прекращается во время промывки микрофильтров очищенной или обеззараженной водой, либо водой, прошедшей через микрофильтр.

Эффективность удаления фитопланктона на микрофильтрах колеблется в широких пределах и составляет от 30 до 85%. В табл. 2 в качестве примера приведены результаты экспериментальных исследований по очистке воды от микроводорослей на микрофильтре с сеткой в свету 40×40 мкм [3]. Полученные данные свидетельствуют о том, что чем больше удельная производительность и численность фитопланктона, тем ниже эффект очистки воды.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 5

На водопроводных очистных сооружениях Zawada, Zielona Góra (Польша) производительностью 20 тыс. м³/сут. (рис. 3) установлены микрофильтры (микросита) с размером ячеек сетки 10×10 мкм [4]. Кроме предварительного удаления фитопланктона вода подвергается реагентной обработке тонкослойным отстаиванием с последующим двухступенчатым фильтрованием, корректировкой рН и обеззараживаем диоксидом хлора.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 6

В воде реки Обжица (Obrzyca), являющейся притоком реки Одер в Польше, преобладают диатомовые и сине-зелёные водоросли, максимальная концентрация которых наблюдается в мае. Эффективность удаления фитопланктона на микрофильтрах в период его массового развития варьирует от 21 до 93% (табл. 3). Наряду со снижением численности фитопланктона после микрофильтрации наблюдается улучшение качества очищаемой воды и по другим показателям (табл. 4). Процент проб с уменьшением значений показателей после процесса микрофильтрации составляет в среднем от 13 до 92%.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 7

Несмотря на то, что современные микрофильтры характеризуются простотой конструкции, их применение ограничивается необходимостью постоянной промывки сетчатых элементов, существенными затратами электроэнергии, кольматацией разбрызгивателей и сетки, большими габаритами и малой производительностью.

Метод механической фильтрации с использованием микрофильтров DynaDisc, обладающих в отличие от обычных барабанных микрофильтров компактностью при большой производительности, заключается в пропуске обрабатываемой воды через совокупность горизонтальных вращающихся фильтрующих дисков из легкосъёмных кассет с фильтровальной мембраной, располагающихся на центральном валу (роторе) и частично (на 60%) погруженных в очищаемую воду, с размерами ячеек от 10 до 100 мкм. Микрофильтры DynaDisc могут выполняться в виде отдельных или встроенных в бетонный резервуар установок (рис. 4), с предварительной реагентной обработкой или без неё.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 8

Пилотные испытания автоматического самопромывного дискового микрофильтра DynaDisc с полиэфирной сеткой с размером ячеек 10 и 18 мкм проводились в России в периоды интенсивного развития фитопланктона, характеризующегося различным видовым составом на водопроводных очистных сооружениях АО «Мосводоканал» [5], МУП «Волжский Водоканал» (город Волжский) и станции подготовки воды «Пруд-Ижевск» МУП «Ижводоканал» (город Ижевск) [6].

Было установлено, что в целом эффективность удаления фитопланктона при оптимальных условиях зависит как от видового состава фитопланктона, так и его соотношения. Переход на мелкоячеистую сетку и предварительную реагентную обработку исходной воды флокулянтом или совместно и коагулянтом, и флокулянтом позволяет предотвратить проскок фитопланктона в очищенную воду и повысить эффективность удаления микроводорослей в 1,2–1,4 раза при одновременном увеличении энергозатрат.

При очистке маломутных природных вод с повышенным содержанием не только микроводорослей, но и гуминовых веществ за рубежом широкое распространение нашла напорная флотация [7]. Схема напорной флотации состоит из системы насыщения воздуха и флотационной установки, от эффективности функционирования которых зависят получаемые качественные показатели процесса.

В табл. 5 приведены результаты оценки эффективности флотационной очистки воды системой подготовки воды (СПВ) «Пруд Ижевск» [8]. Эксперименты проводились в условиях, когда рецикл водовоздушной смеси составлял 25%, а доза флокулянта — 0,5 мг/л. Отбор воды для эксперимента производился непосредственно с камеры хлопьеобразования станции водоподготовки после добавления следующих реагентов: коагулянта дозой 16 мг/л (по Al2О3), хлора дозой 1,3 мг/л, сульфата аммония дозой 0,1 мг/л и порошкового активированного угля дозой 7 мг/л. Было установлено, что флотационная очистка обеспечивает удаление 95–99% загрязняющих веществ, тем самым многократно уменьшая нагрузку на песчаные фильтры. Концентрация флотошлама достигается на уровне 69%, увеличивается фильтроцикл и сокращается количество промывной воды [8].

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 9

На станции водоподготовки Caprarola (Италия) установлена система очистки речной воды от фитопланктона производительностью 140 м³/ч, состоящая из напорной флотационной установки, скорых фильтров с песчаной загрузкой, адсорберов, фильтров с гранулированным оксидом железа и блока обеззараживания гипохлоритом натрия [9]. Эффективность очистки воды от фитопланктона составляет от 93 до 98% при максимальном содержании в исходной воде Planktothrix R. численностью 250 тыс. кл/мл (ноябрь) и Aphanizomenon o. численностью 2,7 тыс. кл/мл (ноябрь — декабрь).

В составе большинства технологических схем очистки воды на заключительной стадии применяются фильтровальные сооружения различных типов: крупнозернистый, двухслойный скорый фильтр, двухпоточный фильтр Академии коммунального хозяйства (АКХ) с загрузками из кварцевого песка, антрацита и др. Эффективность очистки природной воды в фильтрах в периоды сезонного развития фитопланктона не однозначна и зависит, как от характеристик фильтрующих слоёв, режима работы фильтров, так и качества очищаемой воды.

Наиболее опасными для работы фильтров являются диатомовые водоросли. По сравнению с другими типами фильтров наибольшие преимущества в отношении снижения численности фитопланктона имеет фильтр с двухслойной загрузкой, состоящей из песка и антрацита, при этом допустимая численность фитопланктона в воде перед фильтрами не должна превышать 1500 кл/мл.

Одним из перспективных методов удаления микроводорослей является объёмное нисходящее фильтрование через предварительный фильтр (далее по тексту префильтр) [3, 10]. Отличительными особенностями префильтра являются работа в безреагентном режиме и использование пенополистирольной плавающей загрузки, обладающей рядом преимуществ по сравнению с традиционной загрузкой из кварцевого песка: плотность загрузки меньше плотности воды, высокая развитая удельная поверхность и грязеёмкость, промывка при обосновании осуществляется без применения промывных насосов, не требуется дополнительный объём для хранения воды в резервуарах чистой воды (РЧВ) на промывку и др.

На рис. 5 показана модель предварительного фильтра и фрагмент фильтрующей загрузки из гранул вспененного пенополистирола марки ПСВ-С.

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 10

Проведённые авторами на речной воде реки Дон (рукав Б. Каланча) исследования показали, что эффективность удаления микроводорослей и снижение их биомассы зависит не только от численности и видового состава последних, но в большей степени от скорости восходящего фильтрования (табл. 6). На префильтре одновременно реализуется и безреагентное осветление воды. В толще загрузки задерживаются преимущественно минеральные взвешенные вещества. Эффект осветления может достигает 10–35% при исходном содержании взвеси до 42 мг/л. Применение крупногранульной загрузки, место установки префильтра в водозаборном узле в начале технологической схемы и требуемая степень очистки воды от фитопланктона и взвешенных веществ 25–30% обуславливают продолжительность фильтроцикла от 12 ч до пяти суток [10]. Промывка префильтра осуществляется нисходящим потоком очищенной воды. Было установлено, что основная масса задержанных загрязнений после фильтроцикла продолжительностью 48 ч выносилась в первые шесть минут промывки при её интенсивности ≈ 35 л/(с? м²) и относительном расширении слоя загрузки не менее 30% (рис. 6).

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 11

Влияние фитопланктона на формирование качества воды и методы его удаления. Часть 2. 11/2020. Фото 12

Результаты испытаний, явившихся основой для разработки проекта водозаборно-очистных сооружений (150 тыс. м³/сут.), показали, что применение префильтра в периоды массового развития микроводорослей позволяет снизить нагрузку на основные сооружения, улучшить качество воды и уменьшить интенсивность запаха, а также предотвратить образование тригалогенметанов.

Массовое развитие микроводорослей (фитопланктона), увеличение его численности и биомассы носит сезонный характер, оказывая существенное влияние на качество природной воды, в частности, способствуя повышению мутности и перманганатной окисляемости воды.

Выполненный авторами для поверхностного водоисточника корреляционный анализ показал связь между численностью фитопланктона и его биомассой, перманганатной окисляемостью и температурой. Продукты жизнедеятельности фитопланктона, особенно в летне-осенний период года, являются причиной землистого и болотистого запаха, интенсивность которого может достигать трёх баллов, и при хлорировании речной воды создают условия для образования канцерогенных тригалогенметанов.

Разнообразие методов предотвращения развития и удаления фитопланктона обусловлено его видовым составом, морфологическими особенностями, условиями питания и роста. Выполнен анализ физических, химических и биологических методов предотвращения развития фитопланктона и рассмотрена эффективность очистки воды от микроводорослей на сооружениях механической фильтрации, работающих в реагентном и безреагентном режимах и напорной флотации. Приведены результаты исследований процесса очистки воды от фитопланктона, подтверждающие целесообразность применения префильтра в составе технологической схемы.