Малогабаритные установки очистки воды хозяйственно-питьевого назначения в северных регионах Сибири
Организовать эффективные системы децентрализованного водоснабжения можно, прибегнув к строительству малогабаритных станций. В процессе их разработки важно учитывать передовые технологии очистки и их применимость к конкретным типам вод
Уровень качества жизни населения определяется качеством подаваемой в города и прочие населенные пункты питьевой воды. Это обуславливает поиск оптимальных решений организации водоснабжения в местах отсутствия ее централизованной подачи. Особое значение при этом уделяется отдаленным регионам и вахтовым поселкам.
В последние годы растет количество предприятий, активно внедряющих опыт применения автономных систем водоснабжения. Этому способствуют популяризация идеи сохранения природных ресурсов и успехи рыночной экономики. На практике процесс нередко представлен случаями использования воды из местных подземных или наземных источников после ее очистки в специальных сооружениях.
Организовать эффективные системы децентрализованного водоснабжения можно, прибегнув к строительству малогабаритных водоподготовительных станций. Данные технические сооружения отличаются простотой эксплуатации и надежностью работы. В процессе подбора оборудования необходимо учитывать специфические особенности воды конкретного района. Так, водам северных регионов Сибири присуще наличие высокого количества железистых, марганцевых, азотных, кремниевых и сероводородных соединений. Их удаление из маломинерализованных вод сопряжено с большими трудностями, обусловленными присутствием в жидкости органики. Такие воды зачастую характеризуются цветностью в 100-120 градусов и запахом в 3-5 баллов, а железо в них представлено коллоидными соединениями, подверженными окислению и устойчивыми к разрушению. Подобные нюансы химического состава водных ресурсов порождают необходимость во внедрении дополнительных технологий по очистке жидкостей.
Большинство малогабаритных разновидностей водоочистных устройств, предлагаемых сегодня на рынке, выполняют исключительно функцию дополнительной очистки воды, пригодной для питья. То есть, они предназначены для финишной обработки жидкости, уже прошедшей этап устранения примесей. Также к их недостаткам относятся невозможность функционирования в условиях отсутствия напора и необходимость часто менять фильтры. Существуют и другие варианты станций, предусматривающие внедрение многоэтапных технологий высокой сложности. Однако реализация данных проектов сопровождается высокими расходами на оборудование и постоянного ведения контроля рабочего процесса. А любые сбои в работе могут быть устранены исключительно привлеченными специалистами.
Целью работы является разработка технологии, позволяющей производить очистку маломинерализованных вод, характеризующихся высокими показателями железа, марганца и органики. Предполагаемое оборудование долго отличаться малыми габаритами, что позволит без труда доставить его в северный регион Сибири и организовать эффективную эксплуатацию в суровых условиях.
Достижение указанной цели требует решения следующих задач: анализ природного состава вод изучаемой области и выявление содержащихся в них загрязняющих компонентов; определение связи между характером загрязнителей и особенностями их очистки; поиск и изучение имеющихся в данной области технологий; выбор наиболее эффективных решений, характеризующихся высокой производительностью и низким ресурсным потреблением; создание системы качественной очистки воды с изготовлением опытного образца; проведение эксперимента по проверке действия малогабаритной станции на примере очистки модельного состава-аналога природной воды и реального образца подземных сибирских вод; обнаружение и устранение выявленных недочетов с принятием действий по совершенствованию оборудования; создание автоматизированной системы выполнения рабочих операций; подготовка серийного производства аналогичных станций.
В рамках проекта были изучены актуальные способы очистки жидкостей – в том числе и технологии, прошедшие модернизацию. За основу взяты варианты, подходящие для децентрализованных систем водоснабжения с учетом возможности их применения на территориях, характеризующихся повышенным количеством железных и марганцевых примесей в природной воде. К числу указанных методов относятся процессы ультрафиолетового воздействия, ультразвуковой кавитации, электрокоагуляции, озонирования, а также АОТ – адвансированные окислительные технологии, относящиеся к активно развивающимся в последние годы и заключающиеся в одновременном воздействии на воду комбинацией из нескольких факторов.
Преимущество АОТ заключается в синергетическом эффекте, образуемом в результате многофункционального воздействия, то есть применения одновременно нескольких методов – к примеру, электрокоагуляции и ультрафиолета. Суммарный итог в этом случае превосходит результат, который может быть получен путем применения каждой из технологий по отдельности. В отношении воды, АОТ подразумевает совокупность методов производства естественных окислителей внутри либо на ее поверхности. Это касается, главным образом, радикалов ОН и комбинаций, состоящих из ионов водорода и кислорода.
Из давно известных классических методов рассмотрению подлежат реакции, получаемые в ходе применения реагентов. Сильными окислителями, вызывающими окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых гибнут микроорганизмы и разрушаются органические вещества, считаются озон, хлор, перманганат калия, диводородпероксид и гипохлорит натрия. В процессе опытов с применением упомянутых окислителей наблюдается также переход аммония азота в нитрат, а ионы металлов преобразуются в прочные соединения, оседающие на дне жидкости.
Однако наряду с преимуществами, реагентные методы в процессах водоподготовки на малогабаритных мобильных станциях сопряжены с рядом ограничений. К ним относится необходимость организации реагентного хозяйства, привлечение квалифицированного персонала, а также решение вопросов с транспортной доступностью и утилизацией. К тому же, приемлемость использования химикатов в отношении воды вызывает сомнения – в процессе протекания реакций могут образовываться дополнительные продукты, обладающие токсичными свойствами.
По этим причинам, в разработке децентрализованных систем водоснабжения, предназначенных для нужд малонаселенных и удаленных территорий, приоритет нужно отдать технологиям, исключающим использование реагентов. Наиболее популярными из них признаны сорбционные методы, основанные на применении активированного угля, цеолитов и иных видов сорбентов. Однако в отношении вод с высоким содержанием железа данные технологии могут оказаться неэффективными – это объясняется быстрым заполнением мелких пор сорбентов загрязняющими частицами и вытекающей отсюда необходимость часто останавливать оборудование для замены картриджей. В результате, бесперебойная работа станций будет зависеть от поставок сорбционных материалов, а сам процесс водоподготовки обойдется существенно дороже.
Споры вызывает и сам термин безреагентных технологий. Данное понятие, по сути, относится к технологиям, исключающим применение в качестве искусственных добавок каких-либо химикатов. Однако под влиянием излучений входящие в состав воды примеси могут проявлять свойства экологически чистых реагентов. Процессы, подразумевающие индуцированное самоочищение, рассмотрим в данной работе, как один из предпочтительных способов очистки воды.
Сложность водоподготовки в Сибири обуславливается высоким количеством растворенной органики и низким содержанием в воде солей. Подземные воды региона Западной Сибири наполнены многочисленными типами органических веществ – углеводородами, углеводами, гумусовыми частицами, карбоновыми кислотами различного молекулярного состава, фенолами, аминокислотами и прочими соединениями. Учитывая этот аспект, очистку воды допускается производить анодным окислением, процесс которого исключает выделение токсических и опасных веществ.
Выбор эффективного метода очистки природной воды должен основываться на понимании химических процессов и особенностях их протекания в определенных условиях. Также важно учитывать специфический состав воды, очищение которой будет осуществляться водопроводными сооружениями. Все приведенные теоретические доводы позволяют избрать оптимальный путь очистки воды. И, по нашему мнению, учитывая экономическую и экологическую составляющие, приоритетным направлением являются технологии ультразвуковой и озоновой обработки, а также метод воздействия электрических полей.
В табл.1 представлены основные процессы, характеризующие реакции взаимодействия компонентов природной воды условиях систем водоподготовки с учетом различных факторов
Таблица 1
|
Процессы, способствующие удалению загрязнителей из воды |
|
Окисление и гидролиз растворенного железа: 4 Fe2+ + 10 H2O + O2 = 4 Fe(OH)3 ¯ + 8 Н+ 4 Fe(НCO3)2 + 2 H2O + O2 = 4 Fe(OH)3 ¯ + 8 CO2 2Fe+2 + Cl2 + 6HCO - = 2 Fe(OH) + 2Cl- + 6CO 3 3 2 4Fe+2 + MnO - +8HCO - + 2H O = 4Fe(OH) + MnO + 8CO 4 3 2 3 2 2 Изоморфизм: Fe(OH)3 ¯ - Н2О → FeОOH ¯ (гетит) |
|
Разрушение фульватных и гуматных комплексов: R–C(O)-O-Fe-O-C(O)-R + Н2О2→ Fe3+ + 2 RCOOH R–C(O)-O-Fe-O-C(O)-R + 2ОН-→ Fe3+ + 2 RCOOH R–C(O)-O-Fe-O-C(O)-R + О3+H2O→ Fe3+ + 2 RCOOH + О2 + 2О2- |
|
Образование зародышей, инициирующих процесс кристаллизации осадка: Mg2+ + 2ОН-→ Mg(ОH)2 ¯ Са(НСО3)2 → СаСО3 ¯ + СО2+ Н2О Са2+ + НСО3 + ОН → СаСО3 ¯ + Н2О - -
Mn(НСО3)2 → MnСО3 ¯ + СО2+ Н2О MgCO3 + H2O « Mg(OH)2 + CO2 |
|
Повышение рН создает лучшие условия для осаждения железа и марганца: 3Са(ОН)2 + 2Fе+3 → 2Fe(OH)3 ¯ + 3Са+2 |
|
Деятельность железо- и марганец-окисляющих бактерий* 2FeСО3+ 1/2 О2+ 3Н2О → Fe(ОН)3 + 2СО2 Mn2+ +H2O2 ¾к¾ата¾л¾аза® MnО2 ¯ + 2H+ |
|
Окисление марганца озоном Mn2+ + О3+H2O→ MnО2 ¯ + H2O2 |
Произведенный анализ научно-технических литературных источников, посвященных изучению проблемы очистки высокожелезистых природных вод, дает основания для поиска способа обработки с обязательным учетом природных особенностей воды. Наиболее эффективным предполагается метод, способный инициировать самостоятельное выделение загрязняющих веществ из воды, то есть, запустить эндогенные процессы адсорбции и осаждения компонентов. Реализацию этой задачи могут выполнить содержащиеся в природной воде соединения кремния с кислородом, а также соли алюминия и железа. Их обработка излучениями, магнитными и электрическими полями призвана активизировать самопроизвольное преобразование растворенных веществ в твердые частицы.
Доведение качества природных вод до существующих нормативов, предъявляемых к питьевой воде, зависит от эффективности перевода примесей в форму структурированного осадка и последующей фильтрации жидкости. Структура предполагает особенности строения вещества, его физические и химические характеристики. В отношении водоочистки важны механические свойства образуемого осадка, то есть, его размеры и способность к осаждению. Работа оборудования должна быть основана на технологиях, преобразующих растворенные и мелкозернистые вещества в крупные фракции. Необходимые условия может создать электрохимическое воздействие и применение озона, являющегося сильным окислителем – использование данных технологий переводит растворенные примеси марганца и железа в труднорастворимые формы осадка квазикристаллической структуры. .
Важно учитывать, что вода является сложной гетерофазной системой, реагирующей на любые влияния извне. Индивидуальность состава воды должна тщательно анализироваться, а, оценивания качество жидкости, не следует прогнозировать ее дальнейшие изменения. В процессе применения технологий обработки особое значение имеют химические характеристики примесей и органических молекул. Они способны разрушаться и образовываться повторно, что следует учитывать при разработке водоочистного оборудования. Примером подобных процессов можно назвать подземные воды, в которых повышение концентрации озона вызывает сначала снижение количества железа и марганца, но в дальнейшем происходит их стабилизация либо, наоборот, временное увеличение.
На рис.1 представлена связь между концентрацией озона и снижением ионов марганца на примере воды, взятой из скважины в п.Сайга Томской области
Рис.1. Зависимость степени удаления марганца от влияния дозировки озона
Воду температуры 6°С подвергли обработке смесью озона с воздухом. Последующее фильтрование осуществлялось загрузкой гранодиорита с высотой слоя в 1,3м и размером зерен в 1,4-1,8м, скорость процесса составляла 10м/ч. Полученный вид кривых схож с изменениями массовой доли железа при анализе окислительной обработки воды.
Происходящее на рисунке объясняется следующим образом. Первыми окисляются диссоциированные ионы Fe2+ и Mn2+, не связанные с органическими фрагментами. При этом указанные ионы преобразуются в оксидные, карбонатные и гидроксидные формы осадка. Одновременно с ними разрушаются и гуминовые органические соединения, а также образуются дополнительные ионы металлов, освобожденные от коллоидной защиты. При повышении концентрации озона осуществляется и их окисление. Наряду с концентрацией озона значение имеет и продолжительность обработки – чем дольше контакт, тем глубже протекают описанные реакции.
Важнейшие параметры технологии очистки воды напрямую зависят от особенностей химического состава жидкости, ее микробиологических свойств и таких интегральных показателей, как PH, степень окисляемости, EH. Владение данными знаниями позволяет организовать эффективную технологическую цепь с оптимальным сочетанием режимов очистки, а также определить модельную систему, которую можно использовать для расчетов процессов, протекающих в схожих ситуациях.
Конкретно в описанном примере все сложные химические реакции завершаются преобразованием металлических примесей в осадочные формы и переходом некоторых неметаллов в газообразные соединения наподобие СО2.
Процесс очистки воды завершается этапом фильтрования, предусматривающим многократную регенерацию зернистой загрузки. Данный способ по эффективности существенно превосходит тканевые или мембранные технологии, характеризующиеся недолговечностью и необходимостью постоянного контроля. В случае с их применением также приходится задействовать дополнительное оборудование и реагенты, обеспечивающие восстановление пористой структуры материалов по мере ее загрязнения отфильтрованными частицами. Все перечисленные операции требуют непосредственного участия человека, что становится препятствием в создании автоматизированной системы операций.
Представленные теоретические доводы и экспериментальные исследования стали основанием в создании малогабаритной модульной станции. Авторами разработано устройство, позволяющее одновременно производить удаление из воды растворенных соединений железа и марганца, а также иных видов тяжелых металлов и органических фрагментов. С помощью данной станции предусматривается очистка природных, в частности, подземных вод.
Вся технологическая цепочка состоит из нескольких взаимосвязанных процессов. Этап предварительной обработки выполняется электрическими импульсами, разрушающими комплексные и коллоидные включения с низкой степенью податливости окислению. Следующий этап подразумевает окисление загрязняющих частиц кислородом либо озоном. Это исключает риск вторичного загрязнения и повышает интенсивность дальнейшего очищения воды. Образование и осаждение частиц, выделяющихся в ходе протекания реакций, требует продолжительного времени – особенно этого касается гетита FeOOH и минералов, содержащих ионы НСО –, СО 2–, Mg2+, ОН–, Mn2+, Ca2+. Конкретный период обработки определяется составом воды, ее температурой и прочими параметрами и требует не менее 30мин. Прохождение операций в требуемом временном диапазоне обеспечивается соответствующим оборудованием и возможностью установить время пребывания очищаемой воды в каждом узле устройства.
Очищающая установка находится в блок-боксе, изготовленном в виде контейнера с применением листовой стали. Данная установка состоит из: электрохимического коагулятора 14, двух камер коагуляции 4 и 5, камеры окисления 1, напорного фильтра 6 и накопителя очищенной воды 7. Внутри станции также расположена система озонирования – она предупреждает заражение чистой воды микроорганизмами и устраняет из накопителя вещества, которые переходят в твердые состояния с опозданием. Действие данной системы сводится к циркуляции воды с определенной скоростью, ее обработке смесью из озона и воздуха и вторичной фильтрации жидкости. Вода поступает в пользование лишь после выпадения железосодержащих осадков. Образуемые твердые вещества можно применить в изготовлении керамического фильтра, обеспечивающего эффективную очистку воды.
Комплексный процесс очистки воды с применением мобильной станции предполагает следующие этапы. Через вентиль 3 загрязненная жидкость поступает из реки, пруда или скважины. Далее она проходит сквозь сетчатый фильтр 2, где выполняется удаление грубодисперсных включений – и попадает внутрь электрохимического коагулятора 14. В этом узле разрушаются органические загрязнители, далее вода перетекает в камеру 1, обуславливающую этапы окисления и разрушения. Следующим этапом выступает подача воды с помощью насоса в эжектор – и обратно в камеру 1 для насыщения кислородом. Процедура предусмотрена для проведения окислительных реакций с ионами низкой валентности и органическими частицами. Здесь же происходит высвобождение образующихся в ходе окисления газов. По завершении окислительных и деструктивных процессов в камерах 4 и 5 насос перекачивает воду в напорный фильтр 6. Он освобождает жидкость от осадка и направляет ее к накопителю чистой воды. В нем установлен дезинфицирующий озонатор 8, подключенный к блоку питания 11 и фильтру 12, очищающему воздух. Также в данном накопителе находится кавитатор, образующий циркуляционный контур с эжектором 9 и насосом 10. Движение воды, в которую поступает кислород и озон, способствует разрушению всех биоорганических структур.
В целях соблюдения экологической безопасности накопитель соединен с блоком 13, осуществляющим распад остаточного озона. Процесс разложения озона обеспечивается материалом гопталюмом. Его применение способствует снижению концентрации озона, содержащегося в воздухе в момент выхода из устройства. Конечный показатель озона не достигает установленной нормы в 0,1мг/м3.
Рис.2. Мобильная станция по очистке воды
Удаление загрязняющих частиц, скапливающихся в напорном фильтре, выполняется путем его промывки. При этом грязная промывная вода сбрасывается в конце цикла. Длительность цикла может занимать от суток до 50 часов в зависимости от степени и характера загрязнения обрабатываемой воды. Промывная вода берется насосом из накопителя, ее слив вместе с удалением жидкостей из остальных емкостей осуществляется через отверстия в нижней части блок-бокса.
Применение установки в условиях сурового климата рекомендуется утеплять стены и пол блок-бокса минеральной ватой с ее закрытием оцинкованной листовой сталью. Облегчить обслуживание блок-бокса позволят двухстворчатые двери, а упростить его подъем и опускание во время транспортировки поможет оснащение крыши монтажными петлями. Также можно дополнительно оборудовать станцию микроконтроллером – это позволит организовать автоматическое управление процессами по очистке воды.
Выполнять сборку и проводить первичные испытания устройства следует на производстве. В месте эксплуатации станции осуществляется ее монтаж с технологической проверкой. Электрические узлы мобильной установки могут как питаться от сети, так и работать от автономного источника электроснабжения.
Проведенные в условиях производства испытания станции эффективность очистки воды от железистых и марганцевых примесей, удалению различных органических структур. После обработки содержание перечисленных веществ снижается втрое, показатель цветности – в 3-8 раз.
Таблица 2.
К достоинствам станции относятся ее мобильность, а также долгое сохранение качественных показателей воды, прошедшей очистку, при ее малом расходе. Установка позволяет очищать маломинерализованные и цветные воды с высокой массовой долей органики.
Разработка рекомендуется к применению в следующих областях: серийное производство автоматических установок для безреагентной очистки питьевых вод с показателем суточной производительности в 1-6 м3; подходит для сельских школ, больниц и столовых; может эксплуатироваться в вахтовых поселках и покрывать нужды проживающих в них людей; допускает установку в местах случившихся чрезвычайных ситуаций, повлекших разрушение систем водоснабжения.
Положительные стороны описанной технологии:
- универсальность установок, их применимость для удовлетворени бытовых и общественных нужд потребителей;
- высокие показатели эффективности по устранению железа, марганца и прочих загрязнителей;
- качественное уничтожение бактериальных и вирусных микроорганизмов;
- низкие затраты на приобретение расходных компонентов;
- возможность применения в отношении различных объемов воды, подлежащей обработке;
- компактные размеры, допустимость транспортировки автомобилем, вертолетом или вездеходом;
- возможность организации автоматизированного процесса очистки;
- простота эксплуатации и обслуживания;
- долгий срок службы оборудования;
- низкая энергоемкость, возможность работать от сети и автономного источника питания;
- минимальное количество образуемых отходов, их соответствие экологическим нормам.
