Введение
Очистка поверхностных источников водоснабжения включает в себя обязательную фильтрацию. Как правило, фильтрации предшествует ступень предварительной обработки с помощью реагентов – коагулянта и флокулянта. Использование реагентов позволяет повышать эффективность фильтрации за счет того, что кроме грубодисперсных примесей, происходит укрупнение и удаление тонкодисперсных загрязнений (коллоидных соединений, органических примесей). После реагентной обработки вода через задвижки АВК поступает на очистку в фильтры с зернистой загрузкой.
На сегодняшний момент известны типы фильтрации:
- медленная
- скорая.
Медленная фильтрация представляет собой процесс прохождения воды через слой насыпной загрузки со скоростью не более 1-2 м/ч [1]. Как правило, используется слой высотой до 1 м, который состоит из одного типа загрузки: антрацид, гидроантрацит, кварцевый песок.
Медленная фильтрация может использоваться с и без применения реагентов для высокомутной воды: до 1500 мг/л с цветностью до 50 град.
Процесс медленной фильтрации основан на двух механизмах фильтрования: пленочном, когда сама загрузка является барьером, и объемном, когда загрязнения задерживаются в объеме загрузки. При пленочном фильтровании в порах загрузки за счет задержанных примесей формируется дополнительный фильтрующий слой, который по мере нарастания создает дополнительный барьер для более мелких примесей.
Скорая фильтрация базируется на том же процессе прохождения воды через слой насыпной загрузки, но со скоростью более 5 м/ч [1]. Процесс скорой фильтрации также включает в себя механизмы пленочного и объемного фильтрования.
Скорая фильтрация применяется, как самостоятельная ступень очистки при мутности до 30 мг/л и цветности до 50 град. Эффективно использовать скорую фильтрацию после осветлителей для улавливания не осевших в осветлителе тонкодисперсных примесей.
Для повышения эффективности фильтрации в схемах очистки поверхностных вод используют предварительную обработку коагулянтом и флокулянтом. Долгое время процесс коагуляции рассматривался исключительно в свободном объеме. Для данного процесса были разработаны специальные устройства – осветлители, которые позволяли осуществлять седиментацию.
Коагуляция в объеме
Коагуляцией называется метод очистки от коллоидных примесей в присутствии диссоциированного коагулянта, который позволяет укрупнять коллоидные примеси под действием сил межмолекулярного притяжения в макрофазы.
Агрегативная устойчивость коллоидной системы характеризуется показателем поверхностной энергии G [2]. Любая коллоидная система стремиться снизить эту поверхностную энергию за счет снижения поверхностного натяжения. Для этого коллоидная система адсорбируют другие частицы из раствора, которые являются потенциалообразующими. Частица с адсорбированным слоем – гранула – в виду наличия заряда притягивает противоионы. Толщина слоя противоионов характеризуется показателем λ, который зависит от температуры, концентрации и заряда ионов.
При тепловом (броуновском) движении воды коллоидные частицы также движутся, и из диффузионного слоя часть противоионов выходят за границы скольжения, что вызывает образование электрокинетического потенциала - ξ – потенциала . При определенной концентрации противоионов ξ – потенциал может стать равным нулю. Водородный показатель – рН, при котором ξ = 0 называют рН изоэлектрической точки. Экспериментально доказано, что коллоидные частицы природных вод имеют ξ =
70 мВ, рН изоэлектрической точки порядка 3,5-4,5. Таким образом, при рН природных вод порядка 6,8-8,0 коллоидные частицы органических соединений диссоциируют с приобретением гранулой отрицательного заряда.
При дозировании коагулянта гранулы коллоидных веществ, имеющие отрицательный заряд, притягивают положительные противоионы диссоциированного коагулянта. Таким образом, образуются мицеллы. Образующеюся хлопья сцепляются, захватывают тонкодисперсные примеси и образуют макрофазу, способную к осаждению.
В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия, полиоксихлориды, оксихлориды алюминия, сульфат железа, хлорид железа и др. вещества.
Процесс коагуляции организуется в специальных емкостях – осветлителях, конструктив которых подразумевает подачу воды снизу. В результате медленного движения воды снизу вверх образующиеся хлопья осаждаются под действием сил гравитации в шламоприемном устройстве . Осветлители могут иметь модификации внутреннего устройства, которые направленны на повышение эффективности процесса осаждения: организация взвешенного осадка, установка тонкослойных модулей, дозирование песка.
Осветлители имеют ряд недостатков:
- зависимость эффективности работы от температуры обрабатываемой воды;
- сильная инерционность системы;
- зависимость качества осветленной воды от нагрузки;
- непригодность для очистки маломутных вод.
Контактная коагуляция
Исследование проблем фильтрации внесло новые решение в процесс фильтрации – использование контактной коагуляции, что является совмещением процесса скорой фильтрации с коагуляцией. Контактная коагуляция позволила сократить площадь, занимаемую осветлителями, за счет установки скорых фильтров – контактных осветлителей.
Коагуляция на загрузке имеет другой механизм действия. В данном случае фильтрующая загрузка является местом интенсификации процесса роста мицелл, т.к. частицы загрузки фильтра являются центрами коагуляции. Дополнительно с коагулянта снимается задача образовывать «ядра» для флокуляции. В результате снижается зависимость дозы коагулянта от количества взвешенных веществ или мутности исходной воды. Таким образом, мы можем получать более стабильное качество осветленной воды в меньшей степени зависящее от качества исходной воды по сравнению с осветлителями.
Особенностью контактной коагуляции является необходимость ввода коагулянта непосредственно перед фильтром, но при этом коагулянт должен быть уже предварительно хорошо растворен в потоке.
Российский норматив, регламентирующий правила проектирования установок водоподготовки СП 31.13330.2012, ограничивает скорость фильтрации при контактной коагуляции – 5-6 м/ч, а качество обрабатываемой воды – до 70 мг/л мутности, 70 град цветности.
До сих пор в разных литературных источниках можно найти разную информацию по границам применения процесса контактной коагуляции и допустимой скорости фильтрации.
Европейские производители контактных осветлителей показывают, что граница применения контактной коагуляции в многослойных фильтрах – мутность воды до 100 NTU.
Особенности работы контактного осветлителя (фильтра)
Применение многослойной загрузки, повышение высоты слоя загрузки позволило повысить скорость фильтрации в фильтре при контактном способе коагуляции. Многослойная загрузка позволяет более эффективно использовать объем фильтра, увеличивая его грязеемкость. Слои имеют убывающий гранулометрический состав и увеличивающуюся насыпную плотность.
Многослойная загрузка позволяет в большей степени обеспечивать объемную фильтрацию. Уникальность многослойных фильтров состоит в том, что даже после обратной промывки слои занимают свои места согласно насыпной плотности, при этом обеспечивая снижение гранулометрического состава по ходу движения воды при процессе фильтрации, Многослойная загрузка позволяет эффективно осуществлять коагуляцию и фильтрацию при скорости фильтрации в фильтре до 16-20 м/ч.
Введенные в эксплуатацию системы водоподготовки с многослойными контактными фильтрами доказывают надлежащего качества при этом, что новый подход к контактной коагуляции позволяет получать осветленную воду значительно экономить на капитальных и эксплуатационных затратах.
Экономия капитальных затрат достигается за счет снижения числа единиц основного фильтровального оборудования и минимизации числа вспомогательного оборудования, необходимого для промывки фильтров. Многослойные фильтры можно мыть исходной обрабатываемой водой. Таким образом, можно не устанавливать дополнительную группу насосов для промывки, достаточно будет предусмотреть насосы исходной воды с большей производительностью с частотным регулированием для возможности подачи дополнительного потока во время промывки фильтра.
Экономия эксплуатационных затрат достигается за счет увеличения фильтроцикла и сокращения дозы коагулянта. Экономия реагентов по сравнению с традиционным осветлением может достигать до 30-100%. Загрузка, находящаяся внутри фильтра, практически не истирается, поэтому ежегодная дозагрузка не требуется. Практика показала, что досыпка производится не чаще одного раза в пять лет. Выносу загрузки также препятствуют клапаны, имеющие специальную конструкцию.
В отличие от классического осветлителя контактный осветлитель имеет следующие преимущества:
- меньше занимаемая площадь;
- возможность варьировать гидравлической нагрузкой без ущерба качеству очищенной воды;
- возможность очищать воду с низкой мутностью и высокой цветностью;
- меньший расход коагулянта.
Выбор оборудования для проведения коагуляции.
Коагуляция и флокуляция хорошо известные процессы, без них не обходится ни одна схема очистки воды поверхностного источника водоснабжения.
Контактная коагуляция в фильтре позволяет получить осветленную воду при меньших габаритах очистных сооружений и меньших затратах реагента. Применение контактной коагуляции ограничивается мутностью исходной воды 200 NTU и максимальной дозой коагулянта 15 мг/л. Однако воды с минимальной мутностью могут также обрабатываться на контактных осветлителях, тогда как классические осветлители здесь не применимы. Промывочные воды после контактного осветлителя необходимо собирать и направлять на дополнительное сгущение и далее обезвоживание.
Коагуляция в объеме хорошо используема для мутных вод – до 1500 мг/л, т.к. большое количество образующегося шлама повышает эффективность осаждения. Преимуществом классических осветлителей является маленькое количество продувки шлама – порядка 1,5-3%, что позволяет иметь достаточно концентрированный шлам, который по концентрации может быть уже достаточным для подачи его на оборудование для обезвоживания.
Классические осветлители и контактные осветлители могут совмещаться в одной схеме очистки. Например, воды поверхностных источников, как правило , не отличаются высокой мутностью, поэтому здесь вполне применимо использование только контактного осветлителя (фильтра). Образующиеся воды от промывки механических фильтров содержат большое количество шлама, соответственно, их можно обрабатывать в осветлителях.
Вывод
Процесс коагуляции может иметь различное аппаратное исполнение. Опыт эксплуатации и того, и другого способа коагуляции показали свою эффективность.
Выбор того или иного оборудования для организации коагуляции должен определяться технологическими исследованиями и экономическим расчетом, включающим оценку капитальных и эксплуатационных затрат.
Литература
- СП 31.13330.2012. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения.
- C. Копылов, В.М. Лавыгин, В. Ф. Очков. Водоподготовка в энергетике. Москва. Изд-во МЭИ, 2003. -310 с.: ил.
- Л. А. Кульский. Основы химии и технологии воды. – Киев: Изд-во Наукова думка, 1991. – 568 с.
- Кострикин Ю.М., Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления – Москва. Издательство: Энергоатомиздат , 1990 г. – 254 с., ил.
- M. Wegelin "Roughing Filters as Pre-treatment for Slow Sand Filtration" Water Supply N. 1 - pp 67-73 - 1983.
- G.T. Tilahun "Direct Filtration with Horizontal Roughing Filter as Pretreatment" Thesis, Tampere University of Technology (1984).
- V. Georgekopoulos: T.D. Lekkas & A. Fragiskos."How a Deep Bed Filter Behaves When Used as a Flocculator/Clarifier". Filtration & Separation, March/April 1988, pp. 123-126
Автор: Устимова Ирина Георгиевна, Начальник технологического отдела АО «Ионообменные технологии»