Оборудование для осадительных методов очистки воды. Наиболее эффективные зарубежные решения.

А.А. Пантелеев, Б.Е. Рябчиков, С.Ю. Ларионов, А. В. Жадан , М.М. Шилов

За рубежом разработано большое число типов и вариантов аппаратов для коагуляционной очистки воды. Все они основаны на применении вспомогательного оборудования (насосов, мешалок, регуляторов и т.п.) и оптимизации процессов введения реагентов, созревания осадка и его осаждения. Благодаря этому они обеспечивают высокие технологические параметры очистки при небольшом объеме оборудования и занимаемой площади.

НПК "Медиана-фильтр" представляет современные системы очистки воды и водоподготовки:

В зарубежной практике используется большое разнообразие установок для осадительных методов очистки воды [1-3]. В основном применяются аппараты, включающие статические смесители и механические мешалки для предварительного смешения реагентов и мешалки на стадии созревания осадка. Поскольку в большинстве аппаратов раствор с реагентами проходит через взвешенный слой осадка, такие аппараты можно классифицировать как отстойник-осветлитель. Повсеместно применяются тонкослойные модули на стадии осветления воды.

Используемые горизонтальные и радиальные отстойники, как правило, снабжены камерами предварительного смешения с реагентами и созревания осадка с механическими перемешивающими устройствами, как, например, показано на рис. 1. Такие установки имеют более широкий интервал по производительности, при котором обеспечивается стабильное качество очистки, чем те, в которых используется гидравлическое смещение.

Рис. 1. Горизонтальный отстойник с камерами предварительного смешения с реагентами, а — схема и б — вид на камеры

По мнению специалистов Инженерно-технологического центра МГУП «Мосводоканал», наиболее перспективным представляется переоборудование горизонтальных отстойников в блоки осветления путем организации в коридорах отстойников механических камер хлопьеобразования, оснащенных тихоходными мешалками с вертикальным штоком и регулируемой скоростью вращения, и собственно отстойной части, оборудованной тонкослойными модулями, системой поверхностного сбора отстоянной воды и системой гидравлического удаления осадка [3-5].

Отстойники такого типа использованы на одной из технологических линий экспериментальной станции очистки воды на Рублевской станции водоподготовки. Многолетняя, с 2001 г., работа блока показала его гибкость, экономичность, отличные эксплуатационные качества и высочайшую технологическую эффективность [3-5]. Дополнительно улучшить показатели работы подобных аппаратов позволяет рециркуляция шлама (рис. 1, б). Это ускоряет процесс его образования и несколько повышает производительность за счет большего размера его флокул.

Значительно лучшие показатели по производительности и качеству очистки имеют установки компании «Degremont» типа «ACCELERATOR» [1-3, 6, 7]. Они обеспечивают дельную производительность до 5 м 3 /м 2 ч при переработке воды содержащей до 500мг/л взвесей. Это достигается разделением зон смешения с реагентами и созревания осадка, имеющих разную интенсивность перемешивания и использование рециркуляции шлама (рис. 2).

Интересным решением является достаточно распространенный отстойник-осветлитель, разработанный компанией Degremont (Дегремонт), т. н. «пульсатор» «Pulsator» и его развитие — «суперпульсатор» и «ультрапульсатор» (рис. 3) [1-3, 6-8]. В этих конструкциях реализован оригинальный принцип действия. Он заключается в том, что исходная вода, уже смешанная с коагулянтом, подается вначале в пульсационную камеру (6), из которой она равномерно вводится под слой взвешенного осадка через распределительную систему в горизонтальный или радиальный отстойник, проходит через него и через перелив выводится из процесса (рис. 3, а). В пульсационной камере (6) вакуум-насосом (7) создается разряжение, и уровень воды в ней постепенно становится выше, чем в отстойной зоне. Поэтому скорость воды в отстойнике оказывается меньше, чем без пульсации и из нее интенсивно выпадает осадок. Затем открывается клапан (8), соединяющий пульсационную камеру с атмосферой, и вода из камеры резко устремляется вниз. При этом она приподнимает слой шлама, верхняя часть которого переваливается в сборный карман. Изменяя частоту пульсации, регулируют скорость разгрузки шлама и устраняют каналообразование в нем. В усовершенствованном варианте в отстойной зоне устанавливаются сотоблоки (рис. 3, в), они могут также дополняться эжекторами, циркулирующими шлам и сотоблоками специальной конструкции в зоне флокуляции (рис. 3, б, в). При этом производительность по сравнению с традиционными отстойниками увеличивается для «пульсатор» в 3-4 раза, а для «суперпульсатор» доходит до 8-12 м/ч.

Рис. 3. Отстойник фирмы Дегремон «пульсатор» «Pulsator» — а; схема развития аппаратов — б и «суперпульсатор» — в; 1 — ввод исходной воды; 2 — вывод осветленной воды; 3 — удаление осадка; 4 — распределители потока; 5 — верхний уровень осадка; 6 — пульсационная камера; 7 — вакуумный насос; 8 — клапан сброса давления; 9 — распределительная система; 10 — сборный карман для осадка; 11 — подвод

СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОТСТОЙНИКОВ-ОСВЕТЛИТЕЛЕЙ

Особую новую группу аппаратов представляют собой установки с оптимизированными условиями смешения с коагулянтом и флокулянтом с использованием механических перемешивающих устройств и либо с рециркуляцией осадка, либо с введением специальных утяжелителей.

Так компания Degremont предлагает ряд технических решений такого рода, называемые DensaDeg® [1-3, 6, 9-13]. Они позволяют существенно повысить эффективность процесса и его производительность. Аналогичные установки производит компания «Veolia Water Solutions & Technologies» (VWS) Multiflo™ Mono, Multiflo™ Mono Plus, Multiflo™ Duo, Multiflo™ Trio [6,7,14,15]. Эти установки используют эффект резкой интенсификации процесса коагуляции на сформировавшихся хлопьях, как это происходит в осветлителях. Однако в данных конструкциях осадок вводится прямо в подающий трубопровод и основное внимание уделяется организации такой гидродинамической обстановки в аппарате, при которой время пребывания всех порций воды и частиц взвеси одинаково. В аппаратах используется механическое перемешивание воды с раствором коагулянта или с известковым молоком и флокулянтом. При этом растворы вводятся в смеситель, который представляет собой трубчатое устройство, в котором обе фазы двигаются вместе, и находятся в нем одинаковое время. В нижней его части происходит подсос уже частично скоагулированной воды, которая вторично проходит через смеситель. Рециркулирующий шлам также участвует во всех операциях. Его наличие существенно ускоряет процесс коагуляции и утяжеляет хлопья осадка. Раствор со сформированными хлопьями перетекает в отстойник, снабженный на выходе тонкослойным сото-блоком. Шлам из нижней зоны выгружается с помощью радиального скребка. Преимуществом такой конструкции является то, что она значительно более устойчива к изменению расхода и температуры воды, поскольку поддержание осадка во взвешенном состоянии производится не за счет скорости обрабатываемой воды, а с помощью мешалок. Кроме того, мешалки обеспечивают значительно лучшее перемешивание реагентов, чем любые водоворотные камеры.

В результате установки имеют производительность в 2-3 раза выше, чем обычные отстойники и осветлители. Такие установки позволяют, кроме коагуляции, проводить процессы известкования и содоизвесткования.

Установка типа DensaDeg состоит из камеры предварительного смешения воды с коагулянтом и отработанным шламом, камеры хлопьеобразования со специальной мешалкой, помещенной в цилиндрический стакан и камеры разделения образованной пульпы, снабженной механической системой выгрузки осадка и тонкослойными модулями. Исходная вода вместе с коагулянтом подается в камеру смешения воды с коагулянтом с интенсивным перемешиванием, время пребывания смеси в камере 2-3 минуты. По каналу коагулированная вода перетекает в камеру хлопьеобразования, в нее добавляется часть сформированного осадка, после чего она направляется прямо под мешалку в цилиндрический стакан, в который также подсасывается уже частично скоагулированная вода с частичками шлама. В результате ламинарного движения в стакане время пребывания всех порций воды и частиц взвеси одинаково, что обеспечивает оптимальные условия для начала процесса коагуляции. Общее время пребывания воды в камере хлопьеобразования составляет 8-10 минут, что оказывается вполне достаточным для формирования крупных флокул. Полученная пульпа переливается в камеру отстаивания, представляющую собой горизонтальный или радиальный отстойник с тонкослойными модулями и механической системой выгрузки осадка. Время пребывания воды в отстойнике составляет 25-30 минут. Его хватает для полного осаждения частиц взвеси. Полученный осадок имеет концентрацию до 30 г/л твердого и может обезвоживаться на фильтр-прессах без дополнительного уплотнения. Скорость воды в зоне отстаивания достигает 20-25 м/ч. Установка типа DensaDeg применяется для коагуляционной очистки воды, для содового умягчения, очистки металлсодержащих отходов, переработки вод взрыхления механических фильтров и отмывочных вод установок ультрафильтрации.

Аппараты могут изготавливаться из стали или бетона. Стальные имеют 12 типоразмеров с площадью отстаивания от 4 до 44 м2 и единичной производительностью до 1300 м3 /ч. Бетонные имеют 14 типоразмеров с площадью отстаивания от 6 до 180 м2 и единичной производительностью до 5400 м3 /ч. В мире эксплуатируются сотни таких аппаратов [6,9-12].

Другим перспективным направлением повышения эффективности очистки и производительности является ввод во время коагуляции специальных утяжеляющих добавок, например, глины, порошков перлита, мелкой фракции кварцевого песка. Они становятся центрами коагуляции и способствуют сепарации образующегося шлама, что позволяет увеличить роизводительность и качество очистки, но повышает расходы на реагенты и увеличивает объем отходов. Лабораторные опыты с такими присадками проводились в 70-е годы прошлого века.

Наиболее эффективным решением, дающим возможность резко увеличить производительностьи эффективность процесса, является система, обеспечивающая проведение интенсивной контактной коагуляции и быстрое осаждение её продуктов за счет ввода микропеска с последующим его отделением от полученного шлама и с возвратом в процесс.

Впервые такой процесс предложен в 50 гг. в Венгрии [16], но промышленное применение в современном аппаратурном оформлении нашел в 2000-е годы в Европе.

На рис. 3 показана схема аппарата типа Циклофлок. Очищаемая вода с введенным коагулянтом подается в центральную часть аппарата, где смешивается с флокулянтом и микропеском, имеющим размеры частиц 20-140 мкм. Полученная смесь поступает в камеру созревания — зону коагуляции и флокуляции. Полученный шлам собирается на дне и скребком собирается к центру, откуда через шламосборник откачивается насосом, который подает его в гидроциклоны. В гидроциклоне происходит отделение чистого песка от шлама. Песок возвращается в аппарат, а шлам выводится из системы.
В отстойной зоне, имеющую вид конуса, расширяющегося кверху, скорость воды при ее подъеме снижается, что обеспечивает лучшее разделение фаз. Осветлённая вода собирается водосборными лучами 5 и выводится потребителю.

Возможная вертикальная скорость воды — 8-9 м/ч, что в три раза больше обычных значений. После прохождения гидроциклона с верхним сливом уходит шлам (от 2 до 10 г/л), а с нижним сливом — отмытый песок. Таким образом, суммарное потребление песка сокращается до 1-2 г на кубометр очищенной воды.

Компания « Kruger » ( Veolia ) разработала усовершенствованную систему под названием Актифло ( Actiflo ) с вводом микропеска для утяжеления осадка ( Sand - Ballasted Flocculation Technology ), в которой стадии смешения реагентов, коагуляции и флокуляции разделены и оптимизированы по времени контакта и интенсивности перемешивания [17-29]. По данным фирмы по производительности эти установки превышают в 10 раз традиционные. Основная идея процесса Актифло состоит в использовании микропеска заданного фракционного состава, который оптимален для ускорения процессов коагуляции и отстаивания, в подаче всей полученной пульпы на гидроциклон, отделяющий песок от осадка и возврат песка в процесс. Для процесса используют специальный кварцевый микропесок ( Actisand ™) в качестве затравочных зерен для хлопьеобразования. Он обеспечивает развитую поверхность, которая усиливает флокуляцию и одновременно является балластом или весом, ускоряющим осаждение. Это обеспечивает проведение интенсивной контактной коагуляции и быстрое осаждение её продуктов. Хлопья, утяжеленные микропеском, обладают уникальной характеристикой осаждения: вертикальная скорость для питьевой воды достигает 40-80 м/ч.

На рис. 4 показано, как ускоряется процесс хлопьеобразования и их осаждения при добавке флокулянта и микропеска. Видно, что скорость увеличивается в десятки раз.

Рис. 4. Проведение процесса осаждения в условиях: 1 — только коагулянт; 2 — с добавкой флокулянта; 3 — то же с микропеском.

Спецификация на Actisand производства компании « Universal Mineral Supplies Ltd » с размером (63-250 мкм) приведена в таблице:

Процесс отличается от традиционного осветления тем, что он предусматривает на стадии хлопьеобразования добавление микропеска в качестве балластного агента. В технологическом процессе микропесок выполняет несколько важных функций:

высокое отношение удельной поверхности к объёму частиц микропеска служит предпосылкой для формирования хлопьев;
«присадка» из микропеска и флокулянта способствует сцеплению взвешенных веществ и приводит к формированию больших устойчивых хлопьев;
относительно высокий удельный вес микропеска (-2,65 кг/л) служит балластом для образования хлопьев высокой плотности;
высокая концентрация микропеска в технологическом процессе эффективно снижает влияние изменений качества исходной воды;
химически нейтральный микропесок не вступает в реакцию с химическими веществами, участвующими в процессе, что обеспечивает его эффективное удаление из химического ила и повторное использование в процессе.

Эти факторы в совокупности обеспечивают получение процесса, который эффективен при очистке «сложных» вод, устойчив к изменениям качества исходной воды.

В целом использование микропеска приводит к образованию хлопьев, значительно более плотных и устойчивых, чем хлопья, получающиеся при использовании обычных технологий осветления. Эти хлопья обладают значительно более высокой скоростью осаждения, что позволяет значительно увеличить производительность. Это ведет к сокращению объема установок, занимаемой системой площади и снижению затрат на общестроительные работы.

Исходная вода поступает в первую камеру быстрого смешения (камера коагуляции). Здесь для дестабилизации взвешенных и коллоидных веществ в воду, поступающую на очистку, добавляется коагулянт. Интенсивное перемешивание, предусмотренное на этой стадии процесса, служит для полного равномерного введения коагулянта в исходную воду. Обычно время пребывания в камере коагуляции составляет около двух минут. После коагуляции вода поступает во вторую камеру быстрого смешения (камера ввода микропеска), в которой происходит добавление микропеска. Он служит в качестве «присадки» для образования хлопьев и развития процесса на следующем этапе технологического процесса. Обычно время пребывания в камере ввода микропеска составляет около двух минут.

Обработка воды продолжается при ее прохождении через нижний канал из камеры ввода микропеска в камеру созревания, в которую вводится флокулянт, необходимый для обеспечения прилипания хлопьев к частицам песка. В камере созревания организовано сравнительно более мягкое смешение, которое обеспечивает идеальные условия для образования полимерных цепочек между микропеском и дестабилизированными взвешенными веществами. Данный процесс усиливается за счет большой удельной поверхности песка, которая увеличивает возможность образования полимерных цепочек и сцепления микропеска и хлопьев, уже присутствующих во взвешенном состоянии. Обычно время пребывания в камере созревания составляет около шести минут.

Рис. 7. Схема установки Actiflo и вид системы типа APW -4, производительностью 2 х 320 м 3 /ч Размеры каждой линии: длина — 8,2 м; ширина — 3,6 м; высота — 3,2 м.

Полностью сформированные и содержащие балластный песок хлопья поступают из камеры созревания в зону отстаивания. Здесь поток разделяется на шлам, оседающий на дно, и восходящий ламинарный поток воды, который проходит через тонкослойные элементы, обеспечивающие быстрое и эффективное удаление остаточных хлопьев микропеска/осадка. Осветлённая вода выходит из системы Actiflo через ряд коллекторных выходов или водосливов.

Балластная смесь хлопьев с песком и шламом накапливается в нижней части камеры отстойника и удаляется с помощью центробежного гуммированного шламового насоса и подается в гидроциклон для сепарации. В гидроциклоне за счет центробежных сил обеспечивается отделение флокул шлама от микропеска, обладающего более высокой плотностью. После сепарирования микропесок собирается в нижней зоне гидроциклона, откуда он возвращается во вторую камеру установки для повторного использования. Шлам с более низкой плотностью выводится из верхней части гидроциклона и направляется на шламоуплотнители или на захоронение.

Осадок, выходящий из гидроциклона, содержит от 1 до 6 г/л взвешенных твердых частиц и вследствие этого нуждается в последующем сгущении.

При промышленной эксплуатации системы Актифло установлено, что:

производительность осветлителя практически не влияет на эффективность очистки воды;
мутность коагулированной воды и массовая концентрация в ней взвешенных веществ меньше 1 мг/л. Это позволяет надеяться на малый расход воды на собственные нужды механических фильтров, устанавливаемых после осветлителя, и допустить их эксплуатацию с повышенными скоростями фильтрования, в том числе перед противоточными ионитными фильтрами. Кварцевый песок в достаточной степени стоек к истиранию в вихревом слое: затраты микропеска невелики (до 3 г/м 3 обработанной воды).

Опыты со ступенчатым увеличением относительной производительности осветлителя от 75 до 135%, от номинальной, показали сохранение в переходном процессе её высокого качества [17-22]. Недостатками системы Актифло являются его потребность в микропеске и возможность эрозионного износа насосов рециркуляции микропеска. Системы Актифло нашли применение на сотнях зарубежных водоподготовительных установок. В настоящее время ведется строительство нескольких таких установок разной производительности на отечественных ГРЭС и ТЭЦ.

В варианте применения, требующем быстрого переключения режима, Actiflo ® может работать с рециркуляцией песка при высоких скоростях восходящего потока, а также без песка при вертикальных скоростях ниже 20м/ч. Микропесок просто сохраняется в установке при малых расходах до момента, когда потребуется его внесение. В такой конфигурации Actiflo ® работает как стандартный тонкослойный отстойник ( Actiflo ® Duo ).

Рис. 9. Сравнение площадей, занимаемых различными типами отстойников

Проведенные отечественными компаниями исследования на пилотных установках различных вариантов конструкций отстойников-осветлителей показали высокую эффективность предлагаемых решений в плане существенного повышения производительности и улучшения качества очистки, возможности варьирования производительностью в широком диапазоне. При этом установлено, что, как любые интенсифицированные процессы, современные технологии требуют надежной работы всех обслуживаемых их систем. Так при времени пребывания в камере смешения с коагулянтом 2-3 минуты остановка насоса-дозатора и прекращение подачи коагулянта или флокулянта на такое же время приводит к полному проскоку загрязнений в данной порции воды.

Ввод в эксплуатацию первой промышленной установки типа Актифло на ЗАО «Сибурхимпром» производительностью 320 м 3 /ч подтвердил как высокую ее эффективность, так и указанные требования к надежности работы всего вспомогательного оборудования.

Драгинский В.Л., Алексеева П.П., Гетманцев С. В., Коагуляция в технологии очистки природных вод — М.:, Научное издательство, 2005, с. 576.

Технический справочник по обработке воды: в 2т, СПб.: Новый журнал, 2007, с. 1696.

Baudin I. Advanced Training in Drinking Water. Treatment Processes. EuroAquae Course. January 19th, 2009. Читать : http://portail.unice . fr/jahia/webdav/site/myjahiasite/users/audra/public/Suez%20 (Water%20treatment). pdf

Пупырев E . H ., Власова Т.Г., Салоп A . M ., Разработка проекта озоносорбционного блока на резервной территории Юго-Западной водопроводной станции//Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение, 2012, №3, с. 62-67.

Шушкевич Е.В., Бабаев А. В., Смирнов А. В., Сураева Н.О., Григорьев А.С., Совершенствование технологии очистки воды на Западной станции водоподготовки//Водоснабжение и санитарная техника, 2011, №9-2, с. 7-11.

Сайт компании « Degremont ». http :// www . degremont - technologies . com

Dyson J. D., High Rate Pulsed Sludge Blanket Clarifier Performance on Rivers and Reservoirs with Widely Different Raw Water Characteristics in Texas and United States. Читать: http://www.infilcodegremont.com/images/pdf/TEXASP_1 . pdf

Superpulsator® Clarifier. Читать : http://www.wateronline.com/doc . mvc/Superpulsator-Clarifier-0002

DensaDeg® High-Rate Clarifier and Thickener 4 p. Читать : www.infilcodegremont.com

Technology Evaluation and Preliminary Engineering for Chemically Enhanced Clarification of Wet-Weather Flows. Contract N M03022P01 26 p. February 2007. Читать : http://v3.mmsd.com/AssetsClient/documents/procurement/rfp/rfp_20100323131758 . pdf

DensaDeg High-Rate Clarifier/Thickener. Читать: http :// www . wateronline . com / doc / DensaDeg - High - Rate - ClarifierThickener -0001

DENSADEG pilot testing — results add discussions. 31 p. http://www.sandiego.gov/mwwd/pdf/baf/4_sec5sec7 . pdf

Secondary Treatment Alternatives Evaluation. 51 p. http://www.sandiego.gov/mwwd/pdf/baf/5_appendixa_c . pdf

MULTIFLO SERIES . Улучшенное осветление и тонкослойный отстойник. Читать : http://www.veoliawaterst.com/vwst- russia/ressources/documents/1 /14300, Multiflo. pdf

Скирдов И. В., Очистка сточных вод в гидроциклонах, М., 1975, с. 176.

ACTIFLO Совершенный осветлитель www.actiflo.com.www.veoIiawaterst.com http://www.veoliawaterst.ru/vwst- russia/ressources/files/1 /18227,14280, ACTIFLO_RUS. pdf

Презентация фирмы Veolia: Claus D. Introduction to The Actiflo® and Actifloc™ Package Plants, p. 57.

ACTIFLO® Process For Drinking Water Treatment. Читать : http://www.krugerusa.eom/kruger-usa/ressources/documents/1/25603 , Drinking- Water-Brochure. pdf

Enhanced High Rate Clarification Actiflo® Turbo. Читать : http://www.veoliawaterst.com .aU /vwst-australia/ressources/files/1/16921 , VWS- Australia-Actiflo-Turbo-Brochu. pdf

Enhanced High Rate Clarification Actiflo® Turbo 8 p. Читать : www.veoliawaterst.co.nz

George Budd Ballasted Flocculation (Actiflo) Process at the Passaic Valley Water Commission. 20 October, 2004, P. 33. Читать: http://www . njawwa.org/njpdf/nj9072e. pdf

Ballasted Clarification Drinking Water Package Plants for First Nations BCWWA//Annual Conference Whistler, ВС May 3,2010, 45 p.

Шемякин Ю. В., Подковыров В. П., СтрихарЮ.В. и др. .Технология высокоскоростного осветления воды с использованием микропес- ка//Водоснабжение и санитарная техника, 2011, №10, с. 12-19

Виноградов В.Н., Жадан А. В., Смирнов Б.А. и др., Исследование эффективности осветлителя с рециркулирующим микропес- ком//Вестник ИГЭУ, 2009, Вып. 9, с. 182-187. Читать: http://region-business.com/wp-content/uploads/2011/11/teplo_1 . pdf

Actiflo™: a very high rate settling process with low footprint. Читать: http :// www . veoliawaterst . com / actiflo / en /

Budd G. Ballasted Flocculation (Actiflo) Process at the Passaic Valley Water Commission. Читать: http://www.njawwa.org/njpdf/nj9072e . pdf

Виноградов B . H ., Смирнов Б.А., Жадан А. В., Аван В.К., Повышение эффективности осветлителей для коагуляционной обработки воды//Теплоэнергетика, 2010, №8, с. 14-16

Frank D.A., Arcadis Р . Е ., Smith T.F., The Evaluation of Three High Rate Process Technologies for Wet Weather Treatment. Читать: http:// www.environmental-expert.com/Files/5306/articles/1 3914/530 . pdf

Современные системы водоподготовки для медицины и фармпроизводств

Оборудование для осадительных методов очистки воды. Наиболее эффективные зарубежные решения.