Повышение эффективности работы водопроводных станций

Аннотация

Рассмотрены вопросы интенсификации процессов коагуляционной очистки низкотемпературных маломутных высокоцветных вод поверхностных источников водоснабжения с использованием реакторов-осветлителей новой конструкции. Реактор-осветлитель сочетает в себе достоинства осветлителей со взвешенным слоем осадка и зернистых фильтров, обладает низкой эксплуатационной стоимостью, высокой производительностью и надежностью. Представлена разработанная на основе экспериментальных исследований эффективная комплексная технология подготовки питьевой воды из поверхностных источников. Технология повышает эффективность работы реконструируемых водопроводных станций при минимальных эксплуатационных затратах. Качество очищенной питьевой воды соответствует нормативным требованиям.

Качество воды практически всех поверхностных источников не соответствует нормативным требованиям, так как большинство из них в последние годы подвергается антропогенному загрязнению. Устаревшая нормативно-техническая база препятствует разработке организационных и технических решений в области подготовки воды для питьевого водоснабжения. Вода из поверхностных источников в основном проходит традиционную двухступенчатую очистку с отстаиванием или осветлением в слое взвешенного осадка и на скорых фильтрах. До 10% воды обрабатывается по одноступенчатой схеме на контактных осветлителях [1].

При очистке маломутных цветных вод работа сооружений первой ступени очистки (отстойников, осветлителей со взвешенным осадком) недостаточно надежна и эффективна. Это обусловлено вялым протеканием процесса коагуляции, связанным с малой мутностью речной воды в течение большей части года и отсутствием необходимых центров конденсации для продуктов гидролиза коагулянта, а также условий для возникновения зародышей твердой фазы в свободном объеме камер хлопьеобразования отстойников и в осветлителях со слоем взвешенного осадка. Ослаблено и флокулирующее действие полиэлектролитов.

Кроме того, воды открытых водоемов Сибирского региона большую часть года (а подземных источников постоянно) имеют низкую температуру. При высокой вязкости, обусловленной низкой температурой воды, снижается кинетическая подвижность и частота соударений образующихся в процессе гидролиза коллоидных частиц, в связи с чем их агрегация не происходит. Образующиеся хлопья – легкие, рыхлые, обводненные, с малой гидравлической крупностью – плохо осаждаются в отстойниках и не образуют слоя взвешенного осадка в осветлителях. В результате основная нагрузка по очистке воды приходится на вторую ступень осветления – скорые фильтры, которые не всегда обеспечивают требуемую эффективность очистки. Осадок, образующийся при этом в фильтрующей загрузке, имеет малую прочность на сдвиг, легко разрушается под действием касательных напряжений на поверхности зерен загрузки и выносится из фильтров. Сокращается продолжительность фильтроцикла.

Коагуляционные процессы интенсифицируются в контактных средах за счет введения в обрабатываемую воду минеральных замутнителей (например, глин) или сорбционных материалов (порошкообразных активных углей и др.). Механические примеси способствуют достижению критической концентрации, необходимой для хлопьеобразования, и позволяют снизить относительную величину дозы коагулянта. При этом происходит изменение характера структурообразования в результате адсорбции гидроксида алюминия на частицах механических примесей, увеличение плотности и гидравлической крупности хлопьев коагулированной взвеси. Однако существуют проблемы с поставкой замутнителей, отвечающих санитарным требованиям, высокой стоимостью используемых порошковых сорбционных материалов и утилизацией больших объемов образующегося шлама промывных вод, что значительно увеличивает стоимость эксплуатации водоочистных сооружений.

В качестве многократно используемой промываемой контактной среды для первой ступени водоподготовки перед скорыми фильтрами широко используются стационарные зернистые фильтрующие загрузки контактных префильтров, обеспечивающие высокую эффективность предварительной очистки воды. Применение контактных осветлителей с одноступенчатой схемой очистки или контактных префильтров перед скорыми фильтрами по двухступенчатой схеме обработки высокоцветных вод решает проблему образования плотного структурированного осадка, поскольку хлопьеобразование происходит в замкнутом поровом пространстве зернистых загрузок, в котором увеличивается вероятность взаимного столкновения, агрегации частиц гидроксидов и сорбции примесей воды. Кроме того, высокая поверхностная энергия самих зерен загрузки способствует интенсивному образованию и прилипанию к ним частиц осадка. Однако применение контактных префильтров связано с большим расходом промывной воды (до 15% объема очищенной воды), что снижает полезную производительность водоочистных сооружений и увеличивает эксплуатационные затраты.

С целью повышения эффективности работы и усовершенствования сооружений для предварительной реагентной очистки низкотемпературных маломутных цветных поверхностных вод в НГАСУ разработаны реакторы-осветлители новой конструкции [2], работающие по принципу контактной коагуляции. Очистка воды в них происходит во взвешенном слое промываемой и многократно используемой контактной массы, выполняющей функцию замутнителя и фильтрующего материала. Реактор-осветлитель сочетает в себе достоинства осветлителей со взвешенным слоем осадка и зернистых фильтров, имеет низкую эксплуатационную стоимость, высокую производительность и надежность.

Реакторы-осветлители входят в состав разработанной в НГАСУ комплексной технологической схемы очистки поверхностных вод (рисунок) [3]. Технологическая схема реагентной очистки поверхностных вод предусматривает первичное хлорирование, обработку воды коагулянтом и флокулянтом, осветление в слое взвешенной контактной массы реактора-осветлителя, фильтрование на скором фильтре с загрузкой из горелых пород, адсорбцию в слое загрузки гранулированного активного угля сорбционного фильтра и обеззараживание. Отработанная промывная вода осветлителей и фильтров очищается и используется повторно, водопроводный осадок обрабатывается и утилизируется.

Первичное хлорирование обеспечивает обеззараживание исходной воды и хорошее санитарное состояние сооружений очистки, а также повышает эффективность последующей коагуляции разрушением гидрофильных органических соединений, стабилизирующих дисперсные примеси воды. В качестве окислителя рекомендуется гипохлорит натрия. Из коагулянтов возможно применение оксихлорида алюминия или сульфата алюминия в зависимости от температуры обрабатываемой воды, в качестве флокулянта – «Праестол 650 ТR».

Реактор-осветлитель служит для предварительной коагуляционной очистки воды. В контактной массе реактора-осветлителя увеличивается степень гидратации, ускоряется процесс коагуляции, повышается эффективность извлечения примесей воды при меньших дозах коагулянта. При этом имеет место контактная коагуляция – адсорбция цепочек (хлопьев) гидроксида алюминия поверхностью зерен контактной массы, являющихся центрами коагуляции и обладающих большой поверхностной энергией притяжения адсорбируемого вещества. После заполнения всей поверхности зерен адсорбента сверху наращиваются последующие слои гидроксидного осадка и происходит так называемая полимолекулярная адсорбция. В свою очередь образующийся в межзерновом пространстве контактной массы осадок гидроксида алюминия адсорбирует коллоидные и мелкодисперсные примеси природного и антропогенного происхождения, в том числе соли жесткости, металлоорганические комплексы, фенолы, нефтепродукты, поверхностно-активные вещества, хлорорганические соединения, диоксины и др.

Экспериментальные исследования, выполненные в натурных условиях водоподготовительных сооружений, показали, что эффективность контактной коагуляции повышается по мере сокращения интервала между вводом коагулянта в обрабатываемую воду и ее поступлением в слой контактной массы реактора-осветлителя. За этот короткий промежуток времени (до 30 с) в обрабатываемой воде успевают образоваться микроагрегаты слипшихся первичных частиц. Далее коагуляция идет за счет когезии этих микроагрегатов на макроповерхности зерен контактной массы. Поэтому в рекомендуемой технологической схеме камеры хлопьеобразования отсутствуют.

В летний период при максимальной цветности воды рационально проводить дробное введение коагулянта в трубопровод перед реактором-осветлителем (75%) и перед скорым фильтром (25%), что обеспечивает более эффективное обесцвечивание и снижение концентрации остаточного алюминия. Применение реактора-осветлителя для очистки поверхностных вод позволяет снизить дозу коагулянта на 30–50%. Значительная часть образовавшегося гидроксидного осадка задерживается в контактной массе реактора-осветлителя, соответственно снижаются нагрузки по взвешенным веществам на скорые фильтры, продолжительность фильтроцикла увеличивается до 3 раз.

Скорый фильтр предназначен для выделения из воды не задержанных на реакторе-осветлителе мелких хлопьев гидроксида алюминия с сорбированными на них природными и антропогенными примесями. Для повышения эффективности работы скорых фильтров в качестве фильтрующего материала рекомендуется использование дробленых горелых пород производства ООО «Аргеллит» (г. Киселевск Кемеровской области), при этом производительность фильтров повышается до 35%.

Для удаления остаточных растворенных химических и органических соединений рекомендуемая технологическая схема дополнена сорбционным фильтром, загруженным гранулированным активированным углем марки АГ, имеющим высокую сорбционную емкость и механическую прочность.

Заключительный этап обеззараживания воды – введение раствора гипохлорита натрия в трубопровод перед резервуаром чистой воды. Применение гипохлорита натрия позволяет снизить дозу хлора при предварительном хлорировании до 30%. Аналогичное снижение имеет место и при вторичном хлорировании.

Промывка загрязненной контактной массы реактора-осветлителя производится с помощью эжектора по истечении времени ее защитного действия и при ухудшении качества осветляемой воды. Очищенная промывная вода подается в эжектор промывным насосом из наполненной секции отстойника промывной воды. Сброс отработанной промывной воды осуществляется в пустую секцию отстойника. В сбрасываемую промывную воду вводится коагулянт – оксихлорид алюминия или сульфат алюминия [4]. Контактная взвешенная масса используется в процессе очистки многократно.

Две секции отстойника служат для приемки, очистки и хранения промывной воды поочередно. Повторное использование промывной воды для промывки осветлителя и скорого фильтра обеспечивает увеличение полезной производительности очистных сооружений за счет сокращения расходов воды на собственные нужды, что способствует защите водоема от загрязнения. Осадок гидроксида алюминия, выделившийся в отстойнике в результате коагуляции отработанной промывной воды, обезвоживается на фильтр-прессе и утилизируется – может быть использован в производстве строительных изделий, дорожном строительстве и т. п.

Экспериментальные исследования разработанной технологии очистки поверхностных вод проводились на водопроводных станциях Кемеровской и Новосибирской областей [4]. Результаты исследований показали высокую степень очистки при минимальных затратах (таблица).

В соответствии с рекомендованной технологией очистки в настоящее время ведется реконструкция насосно-фильтровальной станции г. Куйбышева Новосибирской области. Производственные испытания смонтированных на станции реакторов-осветлителей новой конструкции подтвердили их эффективность.

Выводы

Предложенная комплексная технология очистки маломутных высокоцветных вод поверхностных источников водоснабжения повышает эффективность работы реконструируемых водопроводных станций. Качество очищенной питьевой воды удовлетворяет требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01.

Водоканал: опыт повышения эффективности

Среди прочих организаций, относящихся к сфере жилищно-коммунального хозяйства, крупные городские водоканалы стоят особняком. И, в отличие от других «собратьев» по ЖКХ, где износ основных фондов достигает порой и запредельных 90 %, положение у этих компаний достаточно устойчивое. Это понятно — являясь, с одной стороны, стратегическими объектами, они даже в нестабильные времена ощущали поддержку государства. С другой стороны, именно водоканалы являются поставщиками жизненно необходимых и населению, и бизнесу услуг — водоснабжения и водоотведения. Но сама по себе стабильность — вовсе не панацея от всех бед. Сегодня, как в знаменитой детской сказке, «для того чтобы просто оставаться на месте, нужно бежать изо всех сил», непрерывный рост тарифов на энергию просто не дает другого выбора.

Рис. 1. Динамика измения удельной нормы энергопотребления за счет модернизации оборудования

Ч тобы не отстать навсегда, даже просто остаться в рамках рентабельности, любому предприятию необходимо постоянно и достаточно быстро развиваться — снижать издержки, повышать эффективность производства. Все это невозможно без применения новейших технологических разработок. Как показывает опыт ведущих российских водоканалов, даже самые крупные вложения окупаются сторицей.

Несколько лет назад в Башкирии успешно прошла реконструкция системы водоснабжения трех промышленно развитых городов республики — Салавата, Стерлитамака и Ишимбая. Их групповой водозабор обслуживает ГУП «Салаватводоканал». Как и практически всюду в подобных структурах, львиная доля расходов приходится на электроэнергию. Причем насосное оборудование потребляет до 70 % от энергозатрат всего предприятия. Большая их часть (до 80 %) приходится на станции второго и последующего подъемов.

Около 6 лет назад, когда началась модернизация водоканала, на предприятии были установлены насосы Grundfos типа SP. За годы работы выяснилось, что удельное энергопотребление снижено почти на 8 %, утечки — на 11 %. Кроме того, за счет применения современных электронных шкафов управления насосы были сведены в единую диспетчерскую сеть. Это позволило аудировать городскую распределительную сеть, попутно обеспечив постоянный мониторинг работы модернизированных водяных скважин.

В системе водоснабжения города проведен анализ гидравлического режима работы сетей, и по его итогам были установлены шесть подкачивающих насосных станций, четыре регулятора давления, что позволило снизить общее давление в городской сети на 1,5 атм. Уже через три года экономический эффект (рис. 1) от внедрения этого мероприятия составил 1717 тыс. руб.Обобщая, стоит сказать, что логика модернизации Салаватского водоканала вполне укладывается в давно проверенную временем и опытом схему, которая базируется на «трех китах»:

• современном оборудовании — насосах, запорной арматуре, КИП. Выбор комбинации насосов и способа регулирования в зависимости от характеристики сети позволяет оптимизировать текущее энергопотребление по каждому насосу и характеристики насосной станции в целом. Для этого необходима постоянная обратная связь каждого агрегата с центром управления диспетчерской сетью;
• диспетчеризации распределяющих сетей. Эта мера дает возможность уменьшить непроизводительную работу насосных станций и сберечь до половины потребляемой насосами электроэнергии;
• паспортизации сетей и составлении регулярно обновляемых баз данных, где должны быть учтены все особенности. Достоверная информация об узлах сети позволяет выполнить корректный гидравлический расчет и дает возможность дополнительной экономии — за счет существенного снижения аварийности и сокращения объема ремонтных работ (до 15 %).

По подобной же схеме идет модернизация и других водоканалов. Например, Ярославский водоканал, один из наиболее крупных в России, уже несколько лет назад начал программу поэтапной реконструкции, включающей замену устаревшего и неэкономичного оборудования и диспетчеризацию насосных станций. В результате на сегодняшний день большую часть насосных станций первого, второго и третьего подъемов здесь представляют установки типа Hydro MPC и 2000.

Такие повысительные установки с каскадным и частотным регулированием, состоящие из нескольких вертикальных многоступенчатых насосов, обладают высочайшим КПД. Современные контроллеры и системы удаленного доступа позволяют управлять насосной станцией без присутствия персонала, а также обеспечивают хранение и передачу необходимой информации, например, по отключениям электроэнергии и другим нештатным ситуациям.

В комплексе все это не только обеспечивает ощутимую экономию электроэнергии, но и дает возможность существенно снизить трудозатраты — для обслуживания коммуникаций и насосных станций теперь требуется минимальный штат, ведь к системе подключены и датчики охранно-пожарной сигнализации, и вся информация о работе насосных станций в городе выводится на единый диспетчерский пульт в режиме реального времени.

Базовой задачей водоканалов является не просто поставка воды, но и подготовка ее до заданных нормативами параметров. Однако в связи с очевидным ухудшением экологической обстановки практически повсеместно в России (по некоторым данным загрязненность поверхностных вод достигает 70 %), очистка и кондиционирование воды становится все более сложной технической проблемой.

До недавнего времени основной технологией водоподготовки была механическая очистка с последующим прямым хлорированием. Однако обработка газообразным хлором по старым схемам представляет очевидную угрозу не только окружающей среде, но и безопасности в целом (из-за транспортировки и хранения ядовитого газа). Поэтому сегодня эти способы постепенно отступают на второй план и ведущие водоканалы страны обращаются к современным, менее опасным методам.

Своеобразной «первой ласточкой» модернизации водозаборов стала Юго-Западная водопроводная станция (ЮЗВС) Мосводоканала, введенная в эксплуатацию в декабре 2006 г. Ее особенность в том, что, обладая сравнительно небольшой мощностью (около 250 тыс. м3 воды в сутки), она ориентирована, прежде всего, на получение воды нового качества.

Это объясняется спецификой технологической схемы очистки воды ЮЗВС, разработанной и смонтированной компанией WTE (Германия).Методика, кроме традиционных стадий осветления и обеззараживания, включает двухступенчатое озонирование с использованием активированногоугля и — впервые в России — мембранное фильтрование. Эта полностью автоматизированная система позволяет исключить попадание в питьевую воду токсичных веществ, болезнетворной микрофлоры и обеспечить полную дезодорацию (удаление запаха).

Речная вода на этой станции проходит обработку флокулянтами (полиалюмогидрохлорид) при помощи установок Polydos (Grundfos/Alldos). Перед первичной очисткой на фильтрах вода попадает на станцию углевания, где происходит адсорбция примесей суспензией активированного угля. Она также готовится на базе установки Polydos с последующим дозированием при использовании шнековых насосов Seepex.

Обеззараживание производится путем введения точного количества гипохлорита натрия в подготавливаемую воду при помощи станций дозирования. В данном случае высококонцентрированный (15–18 %) раствор NaClO на вводе в водопровод разбавляется до 1 % полностью автоматизированной системой разбавления. Это позволяет исключить расходы на организацию растворного узла, существенно снижает риск аварии, дает возможность полностью диспетчеризовать весь процесс и кардинально снижает трудозатраты.

Подобные технологии уже в ближайшем будущем будут применяться повсеместно. Генеральная схема развития водоснабжения города предусматривает, что к 2020 г. объемы питьевой воды, полученной по новым методикам, превысят 80 %.

Третьей главной целью водоканалов, помимо водоснабжения и водоподготовки, является водоотведение. Сегодня можно сказать, что без качественной канализации и обработки стоков выполнение двух первых задач может стать проблематичным — из-за загрязнения окружающей среды и вод. Именно поэтому модернизация систем водоотведения становится первоочередной проблемой для многих городов.

Причем в данном случае в качестве инвесторов выступают в том числе зарубежные организации и компании. Характерный пример такого взаимовыгодного сотрудничества — история модернизации очистных сооружений на о. Белом (Санкт-Петербург). Городские стоки, промышленные и канализационные, еще четверть века назад просто сливались в Неву. Система очистки таких вод (Центральные очистные сооружения) начала работу лишь в 1978 г. и, к сожалению, за прошедшие годы перестала справляться с возрастающей нагрузкой Северной столицы.

Все это привело к загрязнению не только реки, но и вод Финского залива и Балтики. В 1996–1998 гг., благодаря трехсторонней программе (Россия-Дания-Финляндия), была проведена реконструкция Центральных очистных сооружений с установкой на них новых энергоэффективных насосов, позволивших существенно снизить расходы на электроэнергию и создать новые возможности для дальнейшей модернизации.

Одним из наиболее успешных в рамках сотрудничества стал проект по совершенствованию технологии очистки сточных вод на Центральных очистных сооружениях (их производительность составляет 1500 тыс. м3/сутки, что делает этот объект одним из крупнейших в Европе). Он осуществился благодаря поддержке Фонда Джона Нурминена (Финляндия) и программе «Чистое Море».

Нужно заметить, что, помимо очевидной пользы для экологической ситуации на Севере Европы, город получил и очевидную экономию: до реконструкции станция очистки была оснащена 12 пропеллерными насосами, по 125 кВт каждый. Их сменило такое же количество насосов Grundfos серии S с двукратно меньшим энергопотреблением. Кроме того, значительно снизились затраты на обслуживание, во многом благодаря применению запатентованного узла SmartTrim, который позволяет регулировать зазор рабочего колеса без разборки насоса.

Количество простоев, таким образом, было кардинально снижено.Столь же показательна ситуация на менее крупных сетях — в г. Курске. Изза особенностей рельефа — холмистости — местная система канализации является одной из самых сложных в ЦФО России и включает в себя более 30 КНС.КНС № 32 «Горелый Лес», построенная более четверти века назад, входит в состав МУП «Курскводоканал» и перекачивает стоки из крупного района — Железнодорожного округа (с населением порядка 80 тыс. человек) — на главную насосную станцию (ГНС).

КНС обслуживает не только жилищно-коммунальный сектор, но и крупные промышленные предприятия, обрабатывая стоки в объеме около 1800 м3/ч. Изначально на КНС были установлены насосы советского производства, каждый с расходом 2700 м3/ч при напоре 25 м. Мощность каждого высоковольтного агрегата составляла 400 кВт. За годы работы это оборудование устарело и перестало соответствовать потребностям города.

Поэтому МУП приняло решение о поэтапной замене насосов, причем критерием подбора являлась надежность и энергоэффективность. В результате после совместного обследования и замеров параметров КНС были смонтированы два современных низковольтных канализационных насоса Grundfos серии S по 160 кВт (один — в работе, другой — в резерве), напором 23 м и расходом 1800 м3/ч (проект разработан институтом «Курскгражданпроект»).

Кроме того, КНС была полностью автоматизирована. Оптимизация режимов работы КНС, предложенная инженерами Grundfos, позволила более чем в четыре раза снизить расход электроэнергии и существенно сократить затраты на обслуживание КНС. Дополнительным аргументом в пользу современных насосов стала возможность выбора вертикальной или горизонтальной компоновки агрегатов.

В результате были применены вертикальные насосы, благодаря чему не пришлось проводить большого объема строительно-монтажных работ и менять конструкцию самой станции — оборудование идеально вписалось в существующую КНС. Также стоит отметить, что высокий профессионализм всех служб водоканала позволил произвести замену оборудования без остановки КНС. Сегодня использование передовых энергосберегающих технологий позволяет не только качественно повысить отдачу от работы водоканалов и сделать их экономически эффективными.

Модернизация также дает возможность ускорить развитие и их клиентов — муниципальных структур и коммерческих организаций — всех тех, кто заинтересован в получении качественных коммунальных услуг по разумным ценам. А значит, в конечном счете, всего населения в целом.