Опыт разработки и эксплуатации автоматизированных безнапорных станций обезжелезивания серии «Кристалл-Б»

Подавляющее большинство населенных пунктов Беларуси обеспечивается водой из подземных источников. В связи с тем, что в большинстве случаев подземные воды характеризуются повышенным содержанием железа, а, иногда, и других загрязнений (марганец, аммонийный азот, сероводород и др.), основной проблемой обеспечения населения качественной питьевой водой является проблема водоподготовки. Для малых городов эта проблема усугубляется стихийным развитием систем водоснабжения и децентрализацией водозаборных сооружений. Устройство локальных станций обезжелезивания на каждой скважине с использованием типовых технологических решений, предусматривающих строительство резервуаров, насосных и компрессорных станций и других вспомогательных сооружений, требует больших капитальных и эксплуатационных затрат и экономически не выгодно. Также весьма затратно строительство централизованного водозабора с устройством одной станции обезжелезивания в связи с необходимостью бурения новых скважин и существенной реконструкции водопроводной сети, что требует весьма значительных единовременных капитальных вложений.

В последние годы разработаны технологии и конструкции станций обезжелезивания, обеспечивающие возможность их использования в качестве локальных для оборудования одной и группы отдельно стоящих скважин. Основной проблемой устройства локальных станций обезжелезивания является проблема промывки фильтров, так как для этой обязательной операции требуется расход воды в 6-8 раз превышающий дебит скважины. Поэтому возникает необходимость в устройстве специальных резервуаров или водонапорных башен для накопления необходимого объема промывной воды.

Эта проблема может быть решена путем применения фильтров с плавающей загрузкой, в которых фильтрование воды происходит в восходящем потоке и в надфильтровом пространстве аккумулируется необходимый объем промывной воды. При этом промывка фильтрующей загрузки производится путем пропуска этого объема в обратном направлении (сверху вниз) без применения специальных промывных насосов. Эта операция легко автоматизируется путем устройства сифона или других простейших устройств. Применение плавающей загрузки в 2-3 раза сокращает расход промывной воды в связи с уменьшением необходимой интенсивности промывки (10-12 л/с·м2 вместо 16-18) и ее продолжительности (3-4 мин. вместо 5-7) [1,2].

Такая технологическая схема применяется в безнапорных станциях обезжелезивания производства СООО «Фортекс». Но наряду с указанными достоинствами предлагаемая конструкция обладает рядом недостатков. Основным из них является весьма высокое требуемое давление перед фильтром (не менее 0,45-0.5 МПа) для обеспечения нормальной работы аэратора-дегазатора и сифона гидроробота, что существенно повышает расход электроэнергии и эксплуатационные затраты. Изменение давления исходной воды нарушает работу гидроробота и режима автоматической промывки фильтра. Кроме того, большая высота гидроробота (5,2-5,5 м) увеличивает габариты помещения [3].

В значительной степени эти недостатки устранены в конструкции станции обезжелезивания серии «Кристалл – Б» производства УП «Полимерконструкция». Потребное давление воды на входе в станцию не превышает 0,1 МПа, а путем весьма простого решения обеспечивается принудительного сработка сифона гидропромывки по заданной программе. Это гарантирует полную автоматизацию работы фильтров, независимо от возможных изменений режима работы скважинных насосов.

На основным принципиальным и весьма существенным отличием и преимуществом станций обезжелезивания серии «Кристалл – Б» является включение в технологическую схему биореактора. Основанием для такого решения послужили ряд исследований, доказывающих, что применение аэрационных технологий обезжелезивания практически всегда сопровождается развитием биологических процессов. Присутствие железобактерий существенно ускоряет процессы окисления железа, повышает устойчивость и эффективность очистки воды сложного состава, а также способствует снижению концентраций других загрязнений (марганца, аммонийного азота, сероводорода, цветности, окисляемости и др.) [4,5,6].

Для небольших населенных пунктов и автономных объектов (санатории, базы отдыха, кемпинги и др.) характерны следующие схемы водоснабжения:

• вода из скважины подается непосредственно в водопроводную сеть;
• вода из скважины поступает в промежуточный резервуар, откуда насосной станцией 2-го подъема подается в сеть;
• вода из скважины подается в водонапорную башню, и далее в водопроводную сеть.

Традиционно считается, что для станций обезжелезивания небольшой производительности наиболее целесообразно применение напорных фильтров [7]. Но если такое решение можно считать достаточно обоснованным для схемы водоснабжения с наличием водонапорной башни вблизи скважины (использование остаточного напора после фильтров и возможность их промывки из башни), то в других случаях оно весьма спорно. И не только поэтому, что напорные фильтры дороже и сложнее безнапорных, но по причине лучших технологических и эксплуатационных свойств последних. В безнапорных фильтрах, в отличие от напорных, весьма просто регулировать и поддерживать постоянные и одинаковые во всех фильтрах скорости фильтрования независимо от гидравлического сопротивления фильтрующей загрузки, которое меняется в течение фильтроцикла. При использовании самопромывающихся фильтров с плавающей загрузкой и современного насосного оборудования, преимущества напорных фильтров теряется и в других случаях.

Безнапорные станции обезжелезивания серии «Кристалл – Б» разработаны применительно для всех рассмотренных схем водоснабжения. Их принципиальная технологическая схема приведена на рис.1, а общий вид одной из действующих станций на рис. 2

 

Рис.1. Технологическая схема станции обезжелезивания серии «Кристалл-Б»

1 – подача воды из скважины;
2 – аэрационное устройство;
3 – биореактор;
4 – полимерная загрузка;
5 – газоотделитель – распределитель потока между фильтрами;
6 – фильтр;
7 – плавающая загрузка;
8 – запас промывной воды;
9 – сифон;
10 – отвод очищенной воды в резервуары чистой воды (РЧВ);
11 – сброс промывной воды;
12 – сброс осадка;
13 – регулирующий резервуар;
14 – насосная станция 2-го подъема;
15 – подача воды в водопроводную сеть или в водонапорную башню.
 

Станции выпускаются в двух комплектациях. Блок А (рис.1) – основная комплектация, поставляется для оборудования скважин при наличии резервуаров чистой воды и насосной станции 2-го подъема. Дополнительным блоком Б станция комплектуктся при необходимости подачи воды непосредственно в водопроводную сеть или водонапорную башню. В этом случае входящая в комплект поставки насосная станция 2-го подъема может комплектоваться насосами с частотно-регулируемым приводом для поддержания заданного давления в водонапорной сети.

В основу технологии положена двухступенчатая схема, предусматривающая усиленную аэрацию исходной воды, окисление железа в биореакторе и последующее фильтрование на фильтрах с плавающей загрузкой. Такая схема обеспечивает наиболее устойчивую работу станции в широком диапазоне состава обрабатываемой воды в связи с включением биологической составляющей процесса окисления железа и эффективного удаления растворенных газов (диоксида углерода, сероводорода и др.) В нижней части биореактора предусмотрена отстойная зона для выделения избыточной биопленки и других продуктов процесса окисления, что существенно снижает нагрузку на фильтр и увеличивает продолжительность фильтроцикла.

Необходимо отметить также конструктивные особенности станций обезжелезивания серии «Кристалл – Б». В первую очередь то, что практически все ее  элементы (корпусные элементы, загрузочные материалы, трубопроводы и др.) выполняются из конструкционных полимерных материалов, обеспечивающих их коррозионную стойкость и гарантированный срок эксплуатации не менее 30 лет.

Работа станции полностью автоматизирована. Надежность системы автоматического управления обеспечивается простотой технологической схемы,  применением современной элементной базы и минимальным количеством запорно-регулирующей арматуры. Причем, автоматизируется не только режим работы самой станции обезжелезивания, но и весь комплекс водопроводных сооружений (водозаборные скважины, регулирующие резервуары и водонапорные башни, насосная станция 2-го подъема). Поэтому введенные в эксплуатацию станции не требуют постоянного обслуживающего персонала, необходим только периодический профилактический осмотр.

Экономичность работы станции обеспечивается минимальными эксплуатационными затратами в связи с низким требуемым давлением воды на вводе в станцию, длительным фильтроциклом (не менее 48 часов при исходной концентрации железа до 15 мг/л) и низким расходом промывной воды (как правило, не более 1,5 % производительности станции).

Учитывая индивидуальность практически каждого объекта водоснабжения, разработке технологической и конструктивной схем станции предшествуют тщательный анализ и натурное обследование объекта, проведение технологических изысканий на пилотной установке и другие предпроектные работы. При этом в зависимости от качества исходной воды, производительности станции и существующей схемы водоснабжения определяются основные технологические и конструктивные параметры отдельных блоков станции (время пребывания, скорости фильтрования, размеры биореактора, фильтров и других элементов). На их основе разрабатывается проектно-сметная документация, изготавливается оборудование в комплекте со всеми узлами и деталями, производится его монтаж, выполняются пуско-наладочные работы и сдача объекта «под ключ». При отсутствии здания для размещения станции, в комплект поставки входит разработанное для этой станции здание из легких металлических конструкций. Срок гарантийного обслуживания введенной в эксплуатацию станции не менее 24 месяцев. Послегарантийное сервисное обслуживание оформляется отдельным договором.

За период 2003-2005 гг. введено в эксплуатацию семь станций обезжелезивания производительностью150-1000 м3/сут. В процессе изготовления, монтажа и наладки находится еще пять станций, в том числе производительностью 10 000 м3/сут. Анализ работы показал высокую их эффективность и надежность. При содержании железа в исходной воде 1,5-3,7 мг/л его остаточная концентрация не превышает 0,15-0,2 мг/л. Приводятся в соответствие с нормативными требованиями и другие показатели, по которым наблюдалось превышение в исходной воде.

Опыт разработки и эксплуатации полимерных безнапорных станций обезжелезивания, выполненных по двухступенчатой схеме с включением биореактора, показал их несомненные преимущества перед напорным вариантом для схем водоснабжения с имеющимися резервуарами и достаточно высокую конкурентоспособность в других случаях, особенно при сложном составе исходной воды. Они могут с успехом применяется в качестве локальных станций обезжелезивания в населенных пунктах с децентрализованными водозаборами, улучшения качества воды в системах водоснабжения баз отдыха, кемпингов и других автономных объектов.

Литература

1. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений. В 3-х т. – Т.2. Очистка и кондиционирование природных вод. Под общ. ред. М.Г. Журбы Вологда – Москва: ВоГТУ, 2001. – 324 с.
2. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М.: Стройиздат, 1986. – 132 с.
3. Безреагентная гидравлическая установка для обезжелезивания подземной воды. Проспект фирмы «Фортекс», 2005.
4. Дегремон. Технические записки по проблемам воды: Пер. с англ. В 2-х т./К. Барак, Ж. Бабен, Ж. Бернар и др. Под ред. Т.А. Карюхиной, И.Н. Чурбановой. – М.: Стройиздат, 1983. – 1064 с.
5. Седлуха С.П., Софинская О.С. Биологический метод очистки подземных вод от железа //Вода и экология, 2001, №1, с. 44-54.
6. Менча М.Н. Роль железобактерий в процессах обезжелезивания подземных вод фильтрованием с упрощенной аэрацией // Вода, 2003, №5, с.6.
7. Амосова Э.П. и др. Опыт проектирования и эксплуатация установок обезжелезивания подземных вод //Водоснабжение и санитарная техника, 2006, №2, с. 40-47.