Повторное использование промывных вод и утилизация осадка на станциях очистки подземных вод (ч1)

Необходимой и неотъемлемой операцией в технологиях обезжелезивания подземных вод, использующих в качестве основной ступени очистки фильтровальные сооружения различных типов, является регенерация последних, как правило, отмывка чистой водой (иногда в сочетании с воздухом), в результате чего образуется значительное количество загрязненных вод.

Согласно нормам [1], количество резервируемой для промывки фильтров воды составляет 10–14 % от производительности станции без системы повторного использования воды и 3–4 % при повторном использовании промывной воды.

Действующие экологические нормы запрещают сброс загрязненных промывных вод в открытые водные источники, а действующие правила приема сточных вод ограничивают их прием в сети водоотведения. Опыт эксплуатации большинства действующих станций обезжелезивания показывает, что системы повторного использования промывных вод либо работают не эффективно, либо отсутствуют вовсе, особенно на небольших станциях, где этому вопросу, как правило, не уделяется должного внимания. Типовые решения, предусматривающие очистку загрязненных промывных вод с целью их повторного использования для промывки фильтровальных сооружений обычно в качестве основного приема их очистки включают метод гравитационного отстаивания в различных вариациях его инженерного и конструктивного оформления.

Качество воды, подаваемой на промывку фильтровальных сооружений, должно практически соответствовать качеству питьевой воды, поэтому системы повторного использования промывных вод, включающие сооружения их очистки, должны удовлетворять этим требованиям [1]. В противном случае (это, как правило, самый распространенный вариант) загрязненные промывные воды сбрасываются станциями в различные приемники (сети водоотведения, водоемы и т. д.) безвозвратно. Таким образом, 10–14 % непрерывно очищаемой и резервируемой станциями воды питьевого качества в настоящее время в большинстве случаев расходуется неэффективно, повышая в конечном итоге себестоимость производства питьевой воды.

В табл. 1 представлены некоторые результаты анализа качественного состава промывных вод, сбрасываемых на станциях обезжелезивания подземных вод г. Томска и г. Стрежевого (Томская обл.) в близлежащие водные протоки. Видно, что концентрации основных показателей качественного состава, характеризующих загрязненность промывных вод, отводимых от фильтровальных сооружений станций с аналогичными технологиями обезжелезивания, вполне сопоставимы и не соответствуют качеству воды для ее повторного использования, но по некоторым второстепенным (сопутствующим) ингредиентам промывные воды удовлетворяют требуемому качеству.

В ходе исследований на станции обезжелезивания Томского подземного водозабора (ПВЗ) установлено, что в процессе промывки фильтровальных сооружений изменяется во времени суммарная концентрация ингредиентов (по показателю – мутность) в отводимых промывных водах, при этом кинетика изменения зависит от интенсивности и способа промывки. При водовоздушной промывке максимальная концентрация достигалась, как правило, на 2–4 мин. и составляла 500–650 мг/л, при водяной промывке пиковая величина 900–1200 мг/л наблюдалась сразу после начала подачи воды. К завершению процесса промывки концентрация загрязнений в отводимой воде не превышала 8–10 мг/л. Полученные результаты свидетельствуют о крайне неравномерном поступлении отмываемых загрязнений с фильтровальных сооружений (от максимальных в начальный период промывки до минимальных к окончанию промывки) и поступающих с промывными водами на сооружения их обработки для повторного использования. Иными словами, на станциях, где промывные воды от фильтровальных сооружений непосредственно поступают в сооружения их очистки, последние должны работать в условиях крайне неравномерных нагрузок.

Авторами были проведены лабораторные исследования гравитационного отстаивания загрязненных промывных вод, отводимых от фильтровальных сооружений станции обезжелезивания Томского ПВЗ. Исследования проводились в статических условиях на загрязненных водах, с различными концентрациями отмытых с фильтров загрязнений, при этом высота слоя отстаивания очищаемой воды составляла 500 мм.

По результатам исследований [2] установлено, что загрязненные промывные воды, отводимые от фильтровальных сооружений станции обезжелезивания, весьма плохо расслаиваются. В первые 1,5–2 часа наблюдается заметное осветление поверхностного слоя воды на глубину 45–50 мм, затем процесс расслаивания резко замедляется и в дальнейшем происходит лишь улучшение качества воды поверхностного слоя. Значительное увеличение продолжительности отстаивания (что в конечном итоге приведет к непроизводительному завышению объемов сооружений) не дало положительных результатов. Осадок, занимающий основную часть объема отстаивания, уплотняется плохо и его объем с течением длительного времени практически не изменяется.

Результаты исследований [3] по уплотнению осадков станций обезжелезивания показали, что после 24-часового уплотнения снижение влажности осадка не превышает 2–3 %.

Таким образом, анализ имеющихся данных и результаты проведенных исследований показали, что очистка загрязненных промывных вод станций обезжелезивания методом обычного отстаивания малоэффективна и не обеспечивает требуемого качества очищенной воды, допускающего ее повторное использование.

Образующиеся при промывке фильтровальных сооружений промывные воды, представляют собой тонкодисперсную смесь, содержащую нерастворимые частицы различных размеров, в основном, окисленного и гидратированного железа. На основании проведенных исследований и наблюдений [4] отмечено, что в начальный период промывки фильтровальных сооружений в промывной воде наблюдаются наиболее крупные и плотные «агрегаты», а по мере отмывки фильтров их размеры уменьшаются. Гранулометрический анализ частиц загрязнений микроскопированием на световом микроскопе в промывных водах фильтровальных сооружений Томского подземного водозабора показал присутствие шарообразных включений размером до 2 мкм, игловидных включений длиной до 15 мкм, равноосных – размером до 50 мкм, а также нитевидных длиной 20–300 мкм и толщиной до 3 мкм. Анализ состава промывных вод показал, что содержащиеся в них загрязнения весьма разнообразны по своим размерам и геометрической форме.

В ходе исследования [5] барабанных вакуум-фильтров с традиционными нейлоновыми типами тканей установлено, что можно достигнуть определенного эффекта обезвоживания осадков станций обезжелезивания, выделяемых из промывных вод, однако низкое качество получаемого при этом фильтрата не позволяет использовать его повторно для промывки фильтров обезжелезивания.

Эффективность процесса вакуум-фильтрования зависит от ряда факторов и определяется комплексом конструктивных и технологических параметров, при этом большое значение имеет тип и качество применяемого фильтровального полотна (ткани).

Исследования традиционно применяемых на вакуум-фильтрах капроновых и нейлоновых тканей для очистки загрязненных промывных вод станций обезжелезивания показали их достаточно низкую эффективность. Традиционно применяемые фильтровальные ткани имеют объемное плетение с величиной ячейки (проходного отверстия) 50–60 мкм, поэтому в процессе очистки загрязненных промывных вод станций обезжелезивания при обычных параметрах вакуум-фильтрования происходит изъятие лишь наиболее крупных механических включений, в то время как более мелкие агрегаты не задерживаются на фильтровальной ткани. Следует отметить, что при увеличении продолжительности вакуум-фильтрования (достигается снижением частоты вращения барабана) происходит постепенное нарастание слоя отфильтровываемого осадка, который начинает играть роль фильтрующего материала, но во время регенерации (промывки) фильтровальной ткани не происходит полного ее восстановления, поскольку тонкодисперс-ные нитеобразные агрегаты, проникая в объемное плетение ткани, достаточно прочно удерживаются там и не удаляются при промывке и продувке ткани. Для эффективной регенерации фильтровальной ткани, в данном случае, необходимо использовать достаточно сложные технологические приемы, часто подразумевающие реагентную обработку ткани, что ведет к большему расходу ресурсов.

В процессе экспериментальных исследований авторами опытным путем была подобрана фильтровальная ткань (рис. 1) плоского плетения с ячейкой 14х14 мкм, которая позволяет достаточно быстро образовывать на своей поверхности слой осадка, который в дальнейшем играет основную грязеемкую функцию. Ткань марки starqueen, european style, poliester tafetta plain dyed, 58/60'' x 54 yds, (ширина полотна 150 см, производство Ю. Кореи) является синтетическим шелком, легко регенерируется при перегибании, не меняет геометрических размеров плетения после намачивания или высушивания [6].

Разработанный [7] и изготовленный для промышленных исследований пилотный ленточный вакуум-фильтр (рис. 2) с намывным слоем осадка имеет две независимых друг от друга камеры фильтрования различной длины, при этом конструкция вакуум-фильтра позволяет изменять скорость движения фильтровального полотна частотой вращения натяжных валиков в интервале от 4,32 до 11,52 м/ч. В процессе исследований изменялись длины камер «грубой» очистки от 1,5 до 0,05 м и «тонкой» очистки от 0,15 до 0,03 м, при этом ширина камер оставалась постоянной. В каждой камере создавалось разряжение от 684 до 380 мм рт. ст. центробежными насосами, при этом контроль разряжения в камерах вакуум-фильтра осуществлялся мановакууметрами.

Камеры в ленточном вакуум-фильтре располагаются так, что при движении фильтровальная ткань последовательно перемещается сначала по поверхности камеры «грубой» очистки, а затем – камеры «тонкой» очистки. Узел регенерации и лентопротяжный механизм между собой объединены, фильтровальная ткань проходит между двумя подпружиненными прорезиненными натяжными валиками.