ОЧИСТКА ВОДЫ ОТ ВЗВЕШЕННЫХ ВЕЩЕСТВ WATER CLEANING FROM SUSPENDED SOLIDS

 Источниками водоснабжения в большин­стве регионов страны являются поверхност­ные воды рек и озер, на долю которых прихо­дится 65-68 % от общего объема водозабора [11]. В поверхностных водах наряду с при­родной составляющей все в большем количе­стве присутствуют техногенные загрязнения. Состав таких вод зависит от многих факторов: времени года, количества осадков, наличия притоков, режима работы промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

Повсеместное загрязнение примесями ан­тропогенного и техногенного происхождения обусловлено поступлением в них неочищен­ных и недостаточно очищенных сточных вод, хозяйственно-бытовых и промышленных, та­лых и ливневых вод с водосборов. Большую долю загрязнений поверхностных вод состав­ляют взвешенные вещества. Это, как прави­ло, частицы минерального и органического происхождения, находящиеся в воде во взве­шенном или коллоидном состоянии. Взвеси попадают в воду в результате смыва с бере­гов дождевыми и талыми водами песчаных и глинистых частиц и в результате размыва русла рек. Они ухудшают качество воды, не­благоприятно сказываются на режиме пере­мещения потока, материале трубопроводов, приводя к их заиливанию [10].

Для очистки воды от взвешенных ве­ществ используют механические и физико- химические методы. К первым относятся процеживание, отстаивание, центрифугиро­вание и фильтрование, ко вторым — коагуля­ция и флотация.

Фильтровальные сооружения могут ис­пользоваться в качестве второй ступени ос­ветления в схеме с отстойником или осветли­телем или как самостоятельное сооружение в схемах безотстойного фильтрования [9]. Применяемые на сегодняшний день в россий­ской практике водоочистки традиционные фильтровальные материалы характеризуют­ся большим удельным весом, значительным гидравлическим сопротивлением, приводя­щим к большим затратам энергии, а также эксплуатационными затратами. А в ряде слу­чаев они не способны обеспечивать требуе­мый эффект очистки. Многие применяемые загрузки, например, полистирол, плохо реге­нерируются [5]. В связи с этим поиск новых фильтровальных материалов, пригодных к внедрению в технологические схемы произ­водства, является весьма актуальным.

Основными источниками загрязнения по­верхностного стока взвешенными вещества­ми являются пыль, аэрозоли, промышленные выбросы, частицы несгоревшего топлива, продукты разрушения дорожных покрытий, мусор и т. д. Так, например, удельный внос взвешенных веществ с дождевыми стоками из городов Европы плотностью населения около 100 чел./га составляет 2500 кг/(га • г) [3].

По солесодержанию поверхностные сточ­ные воды можно отнести к слабоминерали­зованным, в осеннее-весенний период ха­рактерной их особенностью является низкая температура от 1 °С до 10 °С. Из специфи­ческих загрязнений наиболее часто в по­верхностных сточных водах присутствуют поверхностно-активные вещества, соедине­ния азота, фосфора, соли тяжелых метал­лов [6].

Взвешенные вещества, содержащиеся в поверхностном стоке, большей частью имеют минеральное происхождение (песок, глина, глинистые частицы, частицы руд и шлаков, нерастворимые соли). К органической части взвесей можно отнести коллоидные гумино- вые соединения, продукты распада органиче­ского вещества [10]. В поверхностном стоке содержится от 60 до 85 % частиц с гидравли­ческой крупностью от 0,3 до 0,45 мм/с [4].

Присутствующие в исходной воде вирусы весьма малого размера под влиянием элек­тростатических сил сорбируются на мелких глинистых частицах и вместе с ними пере­носятся с током воды. Кроме того, эти части­цы сорбируют ионы растворенных веществ, вступая в ряде случаев с ними в ионообмен­ные реакции. При поступлении в организм со взвешенными веществами вирусы начинают играть роль инфекционного агента. Также, посредством взвесей, десорбируются и всту­пают во взаимодействие с внутренней средой организма и ионы растворенных веществ. Этим объясняются высокие гигиенические требования к содержанию взвешенных ве­ществ в питьевой воде. Следует также отме­тить, что в России, в соответствии с гигиени­ческими требованиями к качеству питьевой воды, содержание взвешенных веществ не должно превышать 1,5 мг/дм³ (в период па­водка до 2,0 мг/л) [13].

Кроме того, запрещен спуск сточных вод, содержащих взвешенные вещества, со скоро­стью их выпадения более 0,4 мм/с для про­точных водоемов и более 0,2 мм/с для непро­точных.

Требования, предъявляемые к качеству воды, используемой на промышленных пред­приятиях, иногда бывают более строгими, чем для воды, используемой для хозяйствен­ных нужд. Поэтому для производственного водоснабжения может потребоваться допол­нительная более тонкая очистка воды.

Очистку вод от основной массы грубоди- сперсных примесей осуществляют в соору­жениях, принцип работы которых основан на действии гравитационных сил. К ним отно­сят отстойники, песколовки, гидроциклоны, осветлители. Для более тщательной очистки применяют фильтры различной конструк­ции [8].

Помимо механических методов очистки воды (процеживание, отстаивание, фильтро­вание, центрифугирование) применяют так­же физико-химические, например, коагуля­ция, флокуляция и флотация

Отстаивание применяют для выделения из сточных вод твердых или жидких примесей под действием гравитационных сил. Для это­го используют различные аппараты и соору­жения: песколовки, первичные и вторичные отстойники, нефтеловушки, илоуплотните- ли и др.

Современные конструкции сооружений по отстаиванию являются, как правило, проточ­ными, и осаждение взвесей в них происходит при непрерывном движении воды от входа к выходу. Скорости движения воды при этом малы, а поток почти полностью лишен транс­портирующей способности. Осаждение взве­си в таком потоке подчиняется с известным приближением законам осаждения в непод­вижном объеме жидкости.

Как правило, сточные воды, содержащие взвешенные примеси, имеют частицы раз­личной формы и размера. На характер осаж­дения частиц влияют их размеры, форма, плотность, степень шероховатости их поверх­ности, режим движения воды и ее вязкость, условия обтекания и сопротивления среды и др. [8].

Сточные воды представляют собой поли­дисперсные агрегативно-неустойчивые си­стемы, в которых наблюдается стесненное осаждение, сопровождающееся столкнове­нием частиц, трением между ними, измене­нием их формы, плотности и других физичес­ких свойств.

Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения вследствие возникновения восходящего потока жидко­сти и большей вязкости среды.

Песколовки предназначены для удаления из воды тяжелых минеральных примесей (главным образом песка); обычно улавлива­ют частицы размером от 0,15 до 0,30 мм. Пе­сколовки подразделяют на:

• горизонтальные (с прямолинейным или круговым движением воды);

• вертикальные;

• песколовки с винтовым (поступательно- вращательным) движением воды.

Отстойники являются основными соору­жениями механической очистки сточных вод, используются для удаления оседающих или всплывающих грубодисперсных веществ органического происхождения.

В зависимости от назначения в технологи­ческой схеме очистной станции отстойники подразделяются на первичные, устанавлива­емые в начале технологической схемы перед сооружениями биологической или физико- химической очистки, и вторичные — в конце схемы после биологической очистки.

По режиму работы различают отстойни­ки периодического действия (контактные) и непрерывные (проточные). Первые приме­няются для очистки малых объемов сточных вод, вторые — для очистки любых объемов загрязненных вод.

По направлению движения воды отстой­ники подразделяют на:

• горизонтальные,

• вертикальные,

• радиальные.

Часто в обычных отстойниках устанавлива­ют тонкослойные блоки различной конструк­ции с элементами полочного и трубчатого типа, изготавливаемые, например, из профи­лированного листа. Применение тонкослой­ных элементов дает возможность сократить продолжительность отстаивания и, следова­тельно, объем отстойников. Тонкослойные отстойники позволяют значительно интен­сифицировать процесс осаждения взвесей, на 60 % уменьшить площадь застройки и на 25-30 % повысить эффект осветления воды по сравнению с обычно применяемыми от­стойниками.

К отстойникам относят и осветлители, где одновременно с отстаиванием сточная вода фильтруется через слой взвешенного осадка, а также комбинированные сооружения — осветлители — перегниватели и двухярусные отстойники, в которых наряду с осветлением воды осуществляется сбраживание и уплот­нение выпавшего осадка.

Эффект отстаивания определяют по фор­муле:

С - С Э = — ^100,

с

н

где С , С_к — начальная и конечная концен­трация примесей в воде соответственно.

Эффективность удаления взвесей из гори­зонтальных и радиальных отстойников до­стигает 60 %, вертикальных от 40 до 50 %.

Для повышения эффективности осажде­ния в воду вводят коагулянты и флокулянты.

Сущность метода фильтрования заклю­чается в пропускании жидкости, содержа­щей мелкодиспергированные примеси, че­рез фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых частиц. Кроме тонкодиспергированных ве­ществ на фильтрационных установках из­влекают масла, нефтепродукты, смолы и др. При этом движущей силой процесса является разность давлений до и после фильтрующей перегородки [8]. Частицы задерживаются поверхностью зерен под действием молеку­лярных, электростатических или сил хими­ческого сродства и адсорбции.

Механизм извлечения частиц из воды мо­жет включать следующие составляющие: ме­ханическое процеживание, гравитационное осаждение, инерционное захватывание, хи­мическую и физическую адсорбцию, адгезию, коагуляционное осаждение и биологическое выращивание. В общем случае указанные со­ставляющие могут действовать совместно, а процесс фильтрования состоит из трех стадий:

• 1. перенос частиц к поверхности филь­трующего слоя;

  2. прикрепление к поверхности;

  3. отрыв от поверхности.

Процесс фильтрования сопровождается значительными затратами энергии, и в боль­шинстве случаев является последним этапом осветления воды, который производится по­сле ее предварительного отстаивания в отстой­никах, осветлителях или других сооружениях.

Фильтры с зернистой загрузкой можно классифицировать по ряду основных при­знаков:

• 1. 1. по скорости фильтрования: медленные (от 0,1 до 0,3 м/ч), скорые (от 5 до 12 м/ч) и сверхскоростные (от 36 до 100 м/ч);

     2. по давлению, под которым они работа­ют: открытые (безнапорные), закрытые (на­порные);

     3. по направлению фильтрующего по­тока: однопоточные (обычные скорые филь­тры), двухпоточные (фильтры АКХ, ДДФ), многопоточные;

     4. по крупности фильтрующего материа­ла: мелкозернистые, среднезернистые, круп­нозернистые;

     5. по числу фильтрующих слоев: одно­слойные, двухслойные, многослойные.

По характеру механизма задержания взве­шенных частиц различают два вида фильтро­вания:

• фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности фильтрующего слоя;

• фильтрование без образования пленки загрязнений.

В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а за­тем образуется слой загрязнений, который также является фильтрующим материалом. Такой процесс характерен для так называе­мых медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования.

Во втором случае фильтрование (объем­ное) происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зер­нах фильтрующего материала силами прили­пания, величина которых зависит от свойств фильтрующего материала, скорости потока, температуры воды, свойств примесей. Такой процесс характерен для скорых фильтров [8].

Для скорых фильтров используют откры­тые (самотечные) или закрытые (напорные) резервуары с восходящим или нисходящим потоком. В скорых безнапорных фильтрах в качестве фильтрующей загрузки кроме пе­ска применяют пенополистирол, керамзит, горелые породы. Их применяют как при реа- гентных, так и безреагентных методах обра­ботки воды. Напорные скорые фильтры пред­ставляют собой стальные вертикальные или горизонтальные резервуары, загруженные кварцевым песком слоем 1 м и работающие под давлением 0,6 МПа.

Перспективным направлением в технике является разработка фильтров с плавающей загрузкой [7]. В них используются гранулы вспененного пенополистирола с очень низ­кой плотностью. Вспененные гранулы об­ладают достаточной механической прочно­стью, стойки к действию кислот и щелочей. Они позволяют работать с более загрязнен­ной водой и с большей скоростью фильтро­вания, упростить регенерацию загрузки и отказаться от использования дополнитель­ных насосов и емкостей для промывной воды.

У крупной загрузки меньше удельная по­верхность, чем у мелкой, поэтому у нее слабее поверхностная энергия, способная удержи­вать загрязнения.

На процесс осветления оказывает большое влияние заряд взвешенных частиц. Если они заряжены одноименно с зарядом поверхно­сти зерен фильтрующего слоя, то частицы бу­дут плохо задерживаться фильтром.

При накоплении осадка гидравлическое сопротивление зернистого слоя увеличивает­ся, и потери напора растут. По мере фильтро­вания наступает момент, когда потери напора в фильтрующей загрузке достигают макси­мально возможных.

Скорость фильтрования (м/ч) характери­зует интенсивность процесса. По мере загряз­нения загрузки уменьшается ее порозность и увеличивается гидравлическое сопротивле­ние, т. е. потерянный напор, при достижении определенного значения которого, фильтр следует отключать на регенерацию.

Это достигается подачей промывной воды через фильтрующую загрузку снизу вверх со скоростью, превосходящей скорость филь­трования (в 7-10 раз), что вызывает взрых­ление фильтрующей загрузки и приводит к ее отмывке. В целях экономии промывной воды часто отмывку загрузки от загрязнений осу­ществляют с воздухом.

Продолжительность промывки фильтра обычно составляет от 7 до 8 мин. Интенсив­ность подачи промывочной воды принима­ется в зависимости от вида используемого фильтрующего материала [8].

Время, в течение которого определенная загрузка способна осветлять воду до задан­ных показателей, называется временем за­щитного действия фильтрующей загрузки. Количество загрязнений, задерживаемых в процессе фильтроцикла, представляет собой грязеемкость фильтра [8].

Выделяют следующие методы интенсифи­кации фильтрационного процесса на зерни­стых загрузках:

• фильтрование в направлении убываю­щей крупности зерен загрузки, а также ее укрупнение с одновременным увеличением высоты слоя с целью снижения интенсивно­сти прироста потерь напора за счет рассредо­точения загрязнений в возможно большем его объеме;

• применение различных способов пред­варительной обработки воды с целью увели­чения плотности и прочности задерживаемых фильтром загрязнений, более равномерного их распределения в толще фильтрующего слоя;

• применение для загрузки фильтров зер­нистых материалов с высокой межзерновой пористостью и развитой удельной поверхно­стью.

Каждый из методов в зависимости от конк­ретных условий обеспечивает повышение производительности в 1,5-3 раза [2].

Загрузка механического фильтра должна удовлетворять многим требованиям. Наибо­лее важны ее гидравлические характеристи­ки, которые определяются плотностью частиц фильтровального материала, их размерами, формой, фракционным составом. Слой мел­ких частиц имеет большую удельную поверх­ность и малые размеры поровых каналов, поэтому хорошо удаляет загрязнения. В тоже время он оказывает большое сопротивление при фильтрации и быстро забивается взве­сями. Поскольку скорость псевдоожижения мелких частиц незначительна, то оказыва­ется невозможным удалить загрязнения из загрузки. Слой из крупных частиц имеет низкую эффективность, но большую грязе- емкость. Одновременно с этим, чем тяжелее и крупнее загрузка, тем большая скорость и расход воды требуется для промывки.

Кроме этого, загрузка должна быть проч­ной, не измельчающейся при фильтровании и взрыхлении, не выделяющей загрязнений, а также дешевой. Поэтому выбор фильтрую­щего материала и его фракционного состава является компромиссным решением.

Фильтрующие загрузки располагаются на поддерживающих слоях гравия, щебня или пористого материала с тем, чтобы мелкий фильтрующий материал не вымывался из слоя и не уносился вместе с потоком воды [9].

Выделяют следующие виды фильтров:

• зернистые (фильтрующий слой — квар­цевый песок, дробленый антрацит, керамзит, шлак, пенополистирол, магномасса и др.);

• сетчатые (фильтрующий слой — сетка с размером ячеек 40 мкм);

• тканевые (фильтрующий слой — хлоп­чатобумажные, льняные, суконные, стеклян­ные или капроновые ткани);

• намывные (фильтрующий слой — дре­весная мука, диатомит, асбестовая крошка и др. материалы, намываемые в виде тонкого слоя на каркас из пористой керамики, метал­лической сетки или синтетической ткани).

В практике водоочистки наибольшее при­менение находят зернистые материалы. Зер­нистый фильтрующий слой выполняют из отсортированного материала, чаще всего реч­ного кварцевого песка крупностью от 0,5 до 2,0 мм. Зерна фильтрующей загрузки харак­теризуются эффективной величиной зерен и коэффициентом неоднородности загрузки, которые получают в результате ситового ана­лиза. Эффективная величина зерен соответ­ствует калибру сита, через которое проходит 10 % данного песка. Фильтрующий материал, кроме того, должен обладать механической прочностью и химической стойкостью [8].

Традиционными загрузками механиче­ских фильтров являются кварцевый песок и дробленый антрацит. В последние годы оте­чественная промышленность обеспечила вы­пуск материалов более высокого качества — керамзитовый гравий, горелые породы, гидроантроцит, фильтрантрацит, стеклоще- бень.

В России имеются большие запасы естест­венных пористых материалов: туфа, пемзы, шлаков. В отличие от кварцевого песка при­родные цеолиты (клиноптилолит, морденит, эрионит, шабазит) обладают несколько мень­шей плотностью (около 2 г/см³), большими пористостью и удельной поверхностью [2].

Также используется фильтрующий ма­териал из горелых пород. Горелые породы имеют плотность около 2,4 г/см³ и поэтому могут быть использованы в сооружениях как с нисходящим, так и с восходящим потоком воды. По грязеемкости и скорости фильтра­ции, продолжительности фильтроциклов она существенно превосходит кварцевую загруз­ку [2].

Перспективным является применение в качестве фильтровальных загрузок различ­ных полимерных материалов, обладающих достаточной механической прочностью, хи­мической стойкостью, высокой пористо­стью. Уже длительное время довольно ши­роко применяются фильтры с плавающей пенополиуретановой загрузкой [7]. Важным преимуществом фильтрующей среды из пе­нополиуретана является возможность регу­лирования его структурных характеристик путем предварительного сжатия или рас­тяжения материала. Удельная поверхность материала изменяется при этом обратно про­порционально изменению его объема, пори­стость же остается практически постоянной.

Механическая очистка фильтрованием воды через вертикальную жесткую полимер- бетонную пористую перегородку обеспечи­вает наибольшую степень очистки жидко­сти от взвесей различного происхождения

Литература при малом гидравлическом сопротивлении. Полимербетонные перегородки при малых габаритах и массе имеют высокую грязеем- кость и легко очищаются при обратном токе жидкости. Применение фильтров с полимер- бетонной загрузкой позволяет значительно уменьшить размеры станций очистки стоков, в большинстве случаев они могут успешно заменить традиционные устройства механи­ческой очистки, такие, как песколовки, кон­тактные осветлители и отстойники [7].

• 1. Аракчеев, Е. П. Очистка сточных вод тепловых электростанций / Е. П. Аракчеев, В. Н. Пок­ровский. — М.: Энергия, 1980. — 256 с.

  2. Аюкаев, Р. И. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды: Справ. пособие / Р. И. Аюкаев, В. З. Мельцер — Л.: Стройиздат, Ленинград. отделение, 1985. — 120 с.

  3. Алексеев, Л. С. Контроль качества воды / Л. С. Алексеев. — М.: ВШ, 2004. — 153 с.

  4. Журба, М. Г. Разработка и внедрение водоочистных комплексов поверхностного стока / М. Г. Журба, Ж. М. Говорова, О. Б. Говоров и др. // Водоснабжение и сан. техника. — 2003. — № 3. — С. 25-29.

  5. Зильберман, Р. Р. Очистка поверхностного стока / Р. Р. Зильберман, В. Г. Понамарев, И. С. Чучалин // Вода и экология: проблемы и решения. — 2004. — № 2. — С. 16-22.

  6. Кичигин, В. И. Исследование физико — химических характеристик поверхностного стока населенных пунктов / В. И. Кичигин // Водоснабжение и сан. техника. — 2002. — № 11. — С. 28-32.

  7. Кореневский В. И. Полимербетонные фильтры для очистки сточных вод / В. И. Кореневский, Г. В. Кореневский // Экология и промышленность России. — 2002. — № 10. — С. 6-8.

  8. Комарова, Л. Ф. Инженерные методы защиты окружающей среды / Л. Ф. Комарова, Л. А. Кор- мина. — Барнаул: ГИПП Алтай, 2000. — 391 с.

  9. Кульский, Л. А. Основы химии и технологии воды / Л. А. Кульский. — Киев: Наукова Думка, 1991. — 568 с.

  10. Молоков, М. В. Очистка поверхностного стока с территорий городов и промышленных площадок / М. В. Молоков, В. Н. Шифрин. — М.: Сройиздат, 1977. — 104 с.

  11. Рябчиков, Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б. Е. Рябчиков — М.: ДеЛи принт, 2004. — 301 с.

  12. СНиП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения. — М.: Стройиздат, 1986. — 72 с.

  13. СНиП 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества.

      А. А. Зайберт

      Институт водных экологических проблем СОРАН, Россия

      zaybert_83@mail.ru