CC BY
2
УДК 628.16
ао1:10.55287/22275398_2023_4_127
СО I-
и
ш
ОПТИМИЗАЦИЯ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ УСИЛЕННОЙ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ
и
Ж. М. Говорова У. С. Канивец В. О. Говоров
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
Источники питьевого водоснабжения подвергаются постоянному загрязнению, в том числе и антропогенному, что приводит к трансформации качества очищаемой воды. В неблагоприятные периоды сложной задачей, стоящей перед службой эксплуатации, является обеспечение оптимального режима работы водоочистного комплекса. Статья посвящена анализу эффективности работы сооружений, реализующих классическую реагент-ную технологию с повторным использованием промывных загрязненных вод. На основании обобщения показателей работы сооружений получены расчетные формулы для оценки накопления загрязнений (остаточного алюминия и др.) в очищенной воде в зависимости от входных параметров. Созданы структурная схема и математическая модель технологии очистки воды для расчета режимов работы станции и получения рекомендаций по оптимизации показателей ее работы при различных режимах.
Ключевые слова
природные воды, антропогенные загрязнения, технология, промывные воды, остаточный алюминий, очистка природных вод, водоисточник
Дата поступления в редакцию
02.12.2023
Дата принятия к печати
05.12.2023
Введение
Применяемые в практике технологические схемы очистки природных вод поверхностных водоисточников и принимаемые управленческие решения не всегда позволяют оперативно перейти на оптимальный режим водоподготовки в наиболее неблагоприятные и сложные периоды года, связанные с изменением качественного состава и свойств исходной воды [1 - 4].
Служба эксплуатации водопроводных очистных сооружений (ВОС) зачастую не может проанализировать сложившуюся обстановку и принять квалифицированные решения для обеспечения степени очистки воды до нормативных требований [5 - 6]. Неординарные ситуации возникают при значительном понижении температуры воды, интенсивном развитии фитопланктона или увеличении концентрации органических загрязнений в обрабатываемой воде [1, 7 - 13].
03
г
м О
-I
м
Э СО
со х
О к
й *
О о
|_ >
л И
° ч
03 § *
ш Л
00 £
5 а
< 5
* а . с
и 5
* ?
, О
< т 81 8 I
Й «
О «ч
. 2
^ ¡Е
^ с
* о
Существующие системы обработки информации о процессах водоочистки и принятия управленческих решений, а также прогнозирования входных и выходных параметров работы ВОС чаще функционируют малоэффективно и с большим запозданием, на уровне форм отчетности по данным диспетчерской службы или лабораторий без учета детального анализа влияния всех составляющих качества исходной воды, обоснованного выбора вида реагента, условий перемешивания и хлопьеобразо-вания, оптимизации режимов отстаивания и фильтрования и поиска методов глубокой очистки воды от побочных продуктов, например, хлорирования. По этой причине происходят отклонения по качеству очищенной воды от действующих норматив по таким показателям как остаточный алюминий, мутность и хлорорганические соединения. Недостаток специалистов с соответствующей подготовкой по эксплуатации ВОС в современных условиях, отсутствие средств на модернизацию технологии еще более увеличивают вероятность управленческих ошибок [1].
Разработки последних лет позволили внедрить на крупнейших водопроводах автоматизированные информационно-моделирующие системы для технологической подсистемы комплекса водоснабжения. Они предназначены для оперативного расчета режимных параметров и рекомендаций по технологическим и экологическим параметрам, а также экономических показателей работы водопроводного комплекса. Автоматизация управления водоочистной технологией базируется на предварительном решении информационных, оптимизационных и управленческих задач.
Поэтому в условиях интенсивного антропогенного загрязнения водоисточников актуальной задачей служб эксплуатации станций подготовки природной воды для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения является: разработка системы сбора и обработки информации о технологическом режиме; оптимизации технологического процесса очистки воды; прогноз функционирования ВОС; принятие оперативных решений на основании автоматизированной обработки оперативных данных (программная поддержка принятия решений); перспективное планирование технологии очистки природных вод на основе материального баланса загрязнений; комплексное управление технологическими процессами.
Методы и материалы
Наиболее совершенной является информационная составляющая системы, состоящая из подсистем диспетчерского и лабораторного контроля, сбора и первичной обработки информации. Моделирующая составляющая системы состоит из структурной и математической модели технологической схемы ВОС [2, 14], позволяющих оперативно рассчитать параметры процессов очистки, разрабатывать адаптированные к конкретным условиям рекомендации для текущего управления и прогнозирования.
Для одной из водопроводных станций очистки маломутных цветных вод с повышенной перман-ганатной окисляемостью разработана специализированная математическая модель с минимальным объемом исходной информации, реализованная при помощи стандартного программного приложения «Microsoft Excel», которая включает основные функциональные и расчетные зависимости, выражающие процессы реагентной обработки и водоочистной технологии. Данная модель может быть усовершенствована в зависимости от стоящих оперативных задач, внедрения новых технологических методов водоочистки, после расширения базы лабораторно-технологического контроля, выполняемого на ВОС.
Технология обработки воды в рассматриваемом случае является классической. Она включает этапы первичного хлорирования с подачей в трубопровод сырой воды хлора, обработки раствором коагулянта в гидравлических смесителях вихревого типа и камерах хлопьеобразования зашламленного типа, осветления и обесцвечивания в горизонтальных отстойниках и скорых фильтрах и вторичного хлорирования с целью обеззараживания очищенной воды перед подачей в распределительную сеть населенного пункта. Производительность ВОС составляет 50,0 тыс. куб.м/сут.
Как правило на ВОС предусматривается обработка и повторное использование промывных вод [15]. Однако возврат в «голову» сооружений промывных вод фильтров в каждом конкретном случае должен обосновываться результатами текущего контроля качества поступающей на очистку воды.
На рассматриваемых очистных сооружениях были запроектированы и построены сооружения повторного использования промывных вод фильтров с резервуарами-усреднителями без дополнительной очистки воды отстаиванием.
Основной причиной отказа от повторного использования загрязненных промывных вод явилась проблема ухудшения качества очищенной воды в периоды низких температур, малого содержания взвешенных веществ в исходной воде и повышение, особенно в летние месяцы, перманганатной окис-ляемости природной воды.
Опыт обработки маломутных вод со значительным содержанием органических загрязнений выявил рост концентрации побочных продуктов хлорирования в очищенной воде [3, 16 - 19] и гигиеническую опасность повторного использования промывных вод.
03
Результаты и обсуждение
Структурная модель ВОС показана на рис. 1 и состоит из основных и вспомогательных параме- ^ тров и функциональных зависимостей технологических процессов на ВОС. ^
В результате обобщения эксплуатационных показателей работы ВОС по качеству воды были полу- СО чены зависимости, характеризующие эффективность очистки на различных стадиях обработки воды. Отбор проб воды и определение лимитируемых показателей качества осуществлялся на выходе из каждого сооружения (см. рис. 1). Данные очистные сооружения работают в нестабильных условиях: мутность обрабатываемой воды изменяется в пределах от 2 до 14 мг/л, значительная часть которых приходится на органические вещества природного и антропогенного происхождения в коллоидной форме с лиофильными свойствами; при пониженных температурах их коагулирование происходит неэффективно и это нередко становится причиной недостаточной очистки воды.
Рис. 1. Структурная модель технологии очистки маломутных природных вод на основе материального баланса загрязнений (условные обозначения: М1.. ..п—мутность, С1.. ..п—алюминий, Q1.. ..п—расход)
СО X
о К
Й *
О о
|_ >
л И
° ч
03 § *
ш л
00 £
5 а
< 5
* а . с
и 5
* £ , о
< т 81 8 I
Й «
О «ч
. 2
* ^
^ С
* О
В результате статистической обработки ежесуточных данных производственных параметров режима реагентной обработки и очистки, полученных в течение года, составлена расчетная модель технологии очистки маломутных поверхностных вод на основе материального баланса загрязнений ВОС и выведено соответствующее ей уравнение эффективности очистки воды в горизонтальных отстойниках при малых значениях мутности исходной воды.
,
(1)
где Мб — мутность исходной воды, мг/л.
Решение данного уравнения позволяет рассчитать конечную мутность воды после горизонтальных отстойников при различных значениях загрязненности воды, поступающей на ВОС. После расчета эффективности по уравнению (1) можно определить количество осадка, образующегося в горизонтальных отстойниках соответствующее производительности станции Q и мутности исходной воды.
Процесс накопления токсичных загрязнений в очищенной воде, в данном случае остаточного алюминия, может быть представлен в виде следующей цепочки уравнений.
(2)
(3)
(4)
где С1, С2, С3 — концентрация остаточного алюминия соответственно в очищенной воде, в воде после отстойника и фильтра соответственно, мг/л; Эотс и Эф — эффект снижения остаточного алюминия в отстойниках и скорых фильтрах соответственно, %; М^ М2 — мутность воды в фильтрованной и отстоянной воде, мг/л.
где 04, 0^—расход воды раствора коагулянта перед смесителем соответственно; С4, С^—концентра-ция алюминия в воде перед смесителем и в растворе коагулянта соответственно, мг/л.
С4 =
Сс =
; ;
; ;
(6) (7)
где С5, Сб — концентрация алюминия в исходной воде и в загрязненной промывной воде, мг/л; 05, Об — расход загрязненной промывной воды и исходной воды.
Данная цепочка аналитических уравнений позволила создать математическую модель водопроводных очистных сооружений, при помощи которой были проанализированы характерные режимы работы станции. Расчеты производились с учетом таких факторов, как качество исходной воды по мутности, температуре, перманганатной окисляемости. По результатам расчетов устанавливалась оптимальная доза реагентов и производительность сооружений.
После расчета различных вариантов трансформации загрязняющих веществ в сооружениях водопроводной очистной станции установлено, что увеличение мутности очищенной воды до 1,5 мг/л приводит к увеличению концентрации остаточного алюминия, что коррелирует с эксплуатационными данными. Так в условиях работы водопроводных сооружений концентрация остаточного алюминия начинает
превышать предельно допустимую концентрацию алюминия (0,2 мг/л) в очищенной воде при исходной мутности 4 мг/л и остаточной мутности 1,5 мг/л уже после трёх суток работы системы возврата грязных промывных вод в «голову» сооружений. Из этого следует, что невозможно в полном объеме повторно использовать грязную промывную воду по санитарно-гигиеническим соображениям.
Проанализировав изменение концентрации взвешенных веществ в грязной промывной воде в течение 10 минут промывки установили, что в первые три минуты промывная вода содержит до 80% загрязнений от общей массы загрязнений, вымытых из фильтра за весь период промывки. Поэтому было принято решение о направлении первой трехминутной порции грязной промывной воды на очистные сооружения городской канализации, а второй семиминутной порции грязной промывной воды со средней концентрацией взвешенных веществ менее 10 мг/л — на повторное использование в «голову» очистных сооружений. Данная схема позволяет вернуть в оборот и использовать 60 - 70% грязной промывной воды без увеличения концентрации остаточного алюминия и хлорорганических соединений в очищенной воде.
Заключение
В результате обобщения показателей работы водоочистной станции получены формулы, позволяющие рассчитать и быстро оценить уровень накопления остаточного алюминия и других загрязнений в очищенной воде в зависимости от продолжительности повторного использования грязных промывных вод и таких факторов, как загрязненность исходной воды, дозы добавляемых в воду коагулянта и хлора. В работе обоснован отказ от повторного использования всего количества грязных промывных вод на водоочистной станции по санитарно-гигиеническим требованиям, предъявляемым к очищенной воде (концентрация остаточного алюминия).
Созданы структурная схема и математическая модель технологии очистки воды станции для расчета характерных режимов работы станции и получения рекомендаций по оптимизации показателей ее работы при различных режимах.
Внедрение системы оптимизации технологических процессов обеспечит сокращение эксплуатационных затрат, оперативное прогнозирование параметров и управление режимом водоочистного комплекса и более высокую надежность его функционирования.
Библиографический список
1. Журба М. Г. Водоснабжение: проблемы развития / М. Г. Журба // Коммунальный Комплекс России. 2011. № 2 (80). с. 48 - 53.
2. Говорова Ж. М. Обоснование и разработка технологий очистки природных вод, содержащих антропогенные примеси : дис. ...д-ра : 05.23.04 : защищена 2004-05-12 : утв. 2004-10-08 / Ж. М. Говорова. 2004. 422 с.
3. Верещагина, Л. М. Анализ критериев выбора систем очистки ливневых сточных вод / Л. М. Верещагина, О. Г. Примин, Д. Д. Худякова // Системные технологии. — 2022. — № 3(44). — С. 29 - 36. — Б01 10.55287/22275398_2022_3_29.
4. Ружицкая, О. А. Анализ физико-химических методов удаления фосфора из сточных вод с целью получения струвита / О. А. Ружицкая, В. С. Липатов, А. В. Жолобова // Системные технологии. — 2023. — № 2(47). — С. 84 - 92. — БОТ 10.55287/22275398_2023_2_84.
03
СО
со х
О к
й *
О о
|_ >
Л И
° ч
03 § *
ш л
00 £
5 а
< 5
* а . с
и 5
* ?
, О
< т 81 8 I
Й «
О и
. 2
^ ¡Е
^ с
* о
5. Джангидзе, З. У Опыт применения водосберегающих водоразборных приборов в системах внутреннего водопровода / З. У. Джангидзе, И. И. Павлинова, А. О. Душко // Системные технологии. — 2023. — № 1(46). — С. 51 - 54. — DOI 10.55287/22275398_2023_1_51.
6. Павлинова, И. И. Обеспечение бесперебойной работы водозаборных сооружений из поверхностных источников / И. И. Павлинова, О. Л. Банцерова, Л. И. Хохлова // Системные технологии. — 2023. — № 1(46). — С. 72 - 75. — DOI 10.55287/22275398_2023_1_72.
7. Алексеева Л. П. Оценка эффективности станций с контактными осветлителями при очистке маломутных цветных вод / Л. П. Алексеева, Г. В. Дружинина // Водоснабжение и канализация. 2013. № 11 - 12. с. 54 - 63.
8. Канивец У. С, Говорова Ж. М., Назаров Д. Я. Влияние факторов на наличие различных побочных продуктов обеззараживания в питьевой воде // Системные технологии. 2022. № 3 (44). С. 86 - 90.
9. Говорова Ж. М., Рудич У. С., Говоров В. О. Обоснование применения аммонизации природной воды, содержащей органические вещества // Системные технологии. 2020. № 1 (34). С. 17 - 20.
10. Андрианов А. П., Ефремов Р. В., Хургин Р. Е. Проблемы современного водоснабжения // Системные технологии. 2022. № 3 (44). С. 5 - 13.
11. Фомина В.А. Опыт эксплуатации напорных флотаторов при очистке маломутных цветных вод реки Вычегды / В.А. Фомина, А.В. Фомин // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 5. с. 9 - 16.
12. Лебедева Е. А. Влияние качества природной воды на динамику формирования тригалоген-метанов в процессе водоподготовки / Е. А. Лебедева, Ж. М. Говорова, А. О. Родина, О. Б. Говоров // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2018. № 11. с. 18 - 21.
13. Говорова Ж. М. Обоснование водоочистных технологий и их инвестирования. / Ж. М. Говорова, М. Г. Журба—Москва: Научное издание, 2012. 176 с.
14. Кузнецов П. Н. Оптимизация систем водоснабжения и водоотведения / П. Н. Кузнецов, В. С. Игнатчик // Вода и экология: проблемы и решения. 2016. № 4 (68). с. 26 - 35.
15. Быкова П. Г. Повторное использование воды от промывки фильтров / П. Г. Быкова, А. К. Стрелков, Ж. В. Занина, М. А. Занин, А. П. Поняева // Водоснабжение и санитарная техника. 2015. № 12. с. 14 - 17.
16. Ивкин П. А. Совершенствование технологии очистки высокоцветных и маломутных вод / П. А. Ивкин, Н. С. Латышев // Водоснабжение и санитарная техника. 2010. № 7. с. 38 - 40.
17. Poleneni. Sandhya Rao Recent research trends in controlling various types of disinfection byproducts in drinking water: detection and treatment / Sandhya Rao Poleneni. // Disinfection By-products in Drinking Water. 2020.№ 464. p. 337 - 370.
18. Говорова Ж. М. Влияние качества природной воды на динамику формирования тригало-генметанов в процессе водоподготовки / Ж. М. Говорова, У. С. Рудич, О. Б. Говоров // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2020. № 1. с. 17 - 20.
19. Medeiros L. C. Toxicological aspects of trihalomethanes: a systematic review / L. C. Medeiros, F. L. Alencar, J. Navoni, A. Araújo, V. S. Amara // Environmental Science and Pollution Research. 2019. № 26. p. 5316 - 5332.
OPTIMIZATION OF NATURAL WATER TREATMENT UNDER CONDITIONS OF INCREASED ANTHROPOGENIC LOAD
Zh. M. Govorova U. S. Kanivets V. O. Govorov
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The sources of drinking water supply are constantly polluted, which leads to the transformation of the quality of the treated water In unfavorable periods, a difficult task facing the service of operation is to ensure the optimal mode of operation of the water treatment complex. The article is devoted to the analysis of the efficiency of the facilities implementing the classical reagent technology with the reuse of polluted washing waters. Based on the generalization of the performance indicators of the structures, calculation formulas were obtained to assess the accumulation of contaminants (residual aluminum, etc.) in purified water, depending on the input parameters. A block diagram and a mathematical model of water purification technology have been created to calculate the operating modes of the station and obtain recommendations for optimizing its performance under various modes.
The Keywords
natural waters, anthropogenic pollution, technology, washing water, residual aluminum, natural water purification, water source
Date of receipt in edition
02.12.2023
Date of acceptance for printing
05.12.2023
ID Z
H Û -I H
D
CÛ
Ссылка для цитирования:
Ж. М. Говорова, У. С. Канивец, В. О. Говоров. Оптимизация очистки природных вод в условиях усиленной антропогенной нагрузки. — Системные технологии. — 2023. — № 4 (49). — С. 127 - 133.
СО X
о К Й
О о
i_ >
л И
° а
а g
J *
ш л
00 £
S Ч
Ï а
< s
* а . с
и s
* Ï , о
< т
§ S
о I
Й «
О m
i_ s
. Z
s ¡Е
^ с
* о
