Использование промывных вод

Повторное использование промывных вод и утилизация осадка на станциях очистки подземных вод

Л. И. Алферова, инженер

Е. Ю. Курочкин, канд. техн. наук

В. В. Дзюбо, канд. техн. наук, Томский государственный архитектурно-строительный университет

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.

Рисунок 1. Общий вид отфильтрованного осадка на ткани

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.

Рисунок 2. Принципиальная схема ленточного вакуум-фильтра с намывным слоем осадка 1 – перегибной валик; 2 – натяжные валики; 3 – плавающий нож; 4 – резервуар загрязненных промывных вод; 5 – камера тонкой очистки; 6 – камера грубой очистки; 7 – трубопровод фильтрата тонкой очистки; 8 – трубопровод подачи загрязненной промывной воды; 9 – трубопровод фильтрата грубой очистки; 10 – фильтровальная ткань

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.

При протягивании фильтровальной ткани между натяжными валиками на один из них накатывается задержанный осадок, при этом происходит прессование и обезвоживание осадка. Затем отпрессованный осадок с валика снимается плавающим ножом. Габаритные размеры пилотной установки вакуум-фильтра – 1150х600х900 мм.

Проведенными экспериментальными исследованиями установлено, что основными факторами, влияющими на процесс очистки загрязненных промывных вод вакуум-фильтрованием в исследуемой конструкции фильтра являются: разряжение в камере «грубой» очистки (Р1, мм рт. ст.), разряжение в камере «тонкой» очистки (Р2, мм рт. ст.), исходная концентрация примесей в промывных водах (Сисх, мг/л), скорость перемещения ткани (Vленты, м/ч), длина камер «грубой» и «тонкой» очистки (L1 и L2 соответственно, м).

В табл. 2 приведены числовые значения исследуемых параметров процесса вакуум-фильтрования.

Экспериментальные исследования на полупромышленной установке ленточного вакуум-фильтра в реальных условиях очистки загрязненных промывных вод были направлены на определение: динамики изменения эффекта очистки загрязненных промывных вод, удельного объема фильтрата, производительности камер «грубой» и «тонкой» очистки вакуум-фильтра в зависимости от основных параметров процесса вакуум-фильтрования.

При установившемся режиме вакуум-фильтрования, когда эффективность очистки по суммарному содержанию нерастворенных (показатель – мутность) примесей составляла 99–99,8 %, производительность пилотного вакуум-фильтра по сухому веществу при различной исходной концентрации примесей и разряжении 532 мм рт. ст. составляла 6,8–8 кг/м²•ч.

В табл. 3 и на рис. 3 представлены выборочные результаты исследований эффективности очистки промывных вод вакуум-фильтрованием с использованием подобранного типа ткани. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высоком качестве получаемого фильтрата и о возможности его повторного использования, в частности, для промывки скорых фильтров обезжелезивания подземных вод.

Рисунок 3. Динамика изменения эффективности очистки промывных вод вакуум-фильтрованием

Исследования показали, что продолжительность подготовительного периода фильтрования (предфильтрование в камере «грубой» очистки) на подобных тканях, в ходе которого образуется слой осадка для эффективной очистки фильтруемой жидкости, зависит от концентрации примесей и от разряжения в камере «грубой» очистки. Большое влияние на унос твердой фракции примесей с фильтратом оказывает концентрация примесей в загрязненных промывных водах. Поскольку максимальный унос наблюдается в период формирования слоя осадка на поверхности фильтровальной ткани, то при малой концентрации примесей в фильтруемой суспензии продолжительность формирования слоя осадка на поверхности ткани больше, чем при высоких концентрациях, а содержание примесей в отходящем фильтрате выше (рис. 3).

Отфильтрованный осадок, образующийся на фильтровальной ткани, имеет влажность 73–75 %, а после прессования на натяжных валиках его влажность уменьшается до 55–65 %.

Очистка промывных вод станций обезжелезивания вакуум-фильтрованием, как показали проведенные исследования, может осуществляться без предварительного отстаивания, при этом процесс вакуум-фильтрования достаточно устойчив к колебанию концентраций примесей в поступающих на очистку промывных водах.

На основании полученных результатов разработана технологическая схема очистки загрязненных промывных вод, образующихся при промывке скорых фильтров (рис. 4).

Рисунок 4. Технологическая схема очистки загрязненных промывных вод вакуум-фильтрованием

Загрязненные промывные воды поступают в усреднитель, а затем усредненные по расходу и концентрации загрязненные промывные воды подвергаются очистке на ленточных вакуум-фильтрах с намывным слоем отфильтровываемого осадка. Очищенные вакуум-фильтрованием промывные воды могут использоваться на станциях обезжелезивания подземных вод на собственные нужды, в частности, для промывки (регенерации) фильтров обезжелезивания, т. к. качество очищенных вакуум-фильтрованием вод соответствует требованиям, предъявляемым к воде для промывки фильтров [1]. Образующийся при вакуум-фильтровании осадок может утилизироваться [8].

Результаты выполненных технико-экономических расчетов для разработанной технологической схемы в сравнении со схемой, где в качестве основных сооружений очистки промывных вод приняты отстойники с тонкослойными модулями для станции обезжелезивания подземных вод производительностью 200 тыс. м³/сут приведены в табл. 4.

Таким образом, разработанная технология и технологическая схема очистки загрязненных промывных вод с использованием разработанной конструкции ленточных вакуум-фильтров с намывным слоем осадка позволяют решить следующие задачи:

– очистка загрязненных промывных вод и использование их в обороте для промывки фильтровальных сооружений;

– получение осадка с достаточно низкой влажностью, обеспечивающей его удобную утилизацию и использование.

Применение вакуум-фильтров в составе очистной станции позволяет более рационально и эффективно решать проблему очистки загрязненных промывных вод по сравнению с существующими технологическими схемами и применяемым оборудованием.

В практике очистки природных вод известны различные способы утилизации осадков, дающие определенный экономический эффект, например, использование осадка для создания жаростойкого покрытия при изготовлении поддонов и изложниц или в качестве добавок при выпуске портландцемента. Возможно также использование таких осадков при производстве строительных материалов, например, керамзита. Использование железосодержащих осадков в качестве опудривателя гранул керамзита позволяет повысить качество последнего и увеличить его выпуск при том же расходе сырья взамен дорогостоящих высокоогнеупорных опудривателей (глинозема). Гидроокисный осадок водопроводных станций можно применять при изготовлении шпатлевок и мастик, заменяя им мел или меловую пасту.

Возможно использование железосодержащих осадков в качестве вяжущего (до 50 %) в кладочных растворах М 4, 10, 25, 50 и бетонах марки 50, 70 (до 30 %). При изготовлении гипсолита или сухой штукатурки допустимо в состав вяжущего вводить гидроокисный осадок до 40–45 % по сухому веществу.

После обработки железосодержащего осадка станций обезжелезивания серной либо соляной кислотой можно получить коагулянт – Fe₂(SO₄)₃ или FeCl₃, при этом наблюдается изменение структуры осадка и сокращение его объема.

Использование хлорида железа более разнообразно: в радиотехнической промышленности – для травления печатных плат, в коммунальном хозяйстве – для очистки сточных вод, на станциях обезжелезивания – для повышения эффективности и скорости окисления ионов двухвалентного железа. Проведенные расчеты показывают высокую экономическую эффективность этих путей переработки.

Одним из наиболее перспективных является направление по получению пигментов для лаков и красок на масляной основе (сурик) [8].

Авторами проведены поисковые исследования и получены положительные результаты для изучения возможности использования железогидроокисных осадков (Fe-осадок) для получения красящего пигмента – сурика.

Технологическая схема включает два основных цикла:

– очистка грязных промывных вод и извлечение гидроокисного железа в концентрированном влажном виде методом вакуум-фильтрования;

– обработка влажного Fe-осадка и получение на его основе красящего пигмента.

Технология получения густотертой краски на основе предлагаемого пигмента заключается в его тщательном перемешивании и растирании с олифой в специальных машинах-краскотерках до получения однородной суспензии. Количество олифы, необходимое для достижения малярной консистенции, составляет не более 70 %.

Свойства пигмента удовлетворяют основным требованиям ТУ 6–10–1216–72 (табл. 5).

Хотя некоторые показатели и уступают свойствам пигмента, получаемого по традиционной химической технологии, данная технология значительно проще и экономичнее. Более того, предлагаемая технология (рис. 5) может быть максимально упрощена при выполнении условия получения пигментов с удовлетворительными характеристиками и краски на их основе.

Рисунок 5. Принципиальная схема получения сурикоподобных пигментов (на основе Fe-осадка)

Выводы

1. Вакуум-фильтрование загрязненных промывных вод станций обезжелезивания является достаточно эффективным методом очистки промывных вод, обеспечивающим требуемое для повторного использования качество очищенной воды, а также получение осадка с низкой влажностью, пригодного для дальнейшей утилизации в качестве вторичного сырья.

2. Эффективная очистка загрязненных промывных вод на станциях обезжелезивания позволяет полностью исключить их сброс и улучшить экологическую обстановку в местах расположения станций.

Литература

1. СНиП 2.04.02–84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой России. М. , 1997.

2. Курочкин Е. Ю. Очистка загрязненных промывных вод, образующихся на станциях обезжелезивания подземных вод // Вестник ТГАСУ. Томск, 2000.

3. Золотова Е. Ф., Асс Г. Ю. Очистка воды от железа, фтора, марганца и сероводорода. М., 1975.

4. Дзюбо В. В., Алферова Л. И. Кратковременно-импульсная промывка фильтров – путь повышения экономической эффективности работы станций обезжелезивания подземных вод // Сантехника. 2004. № 6.

5. Rummel W. Gewinnung von Eisen (III). Oxydhyrat aus den Grubenabwassern der Lausitz // Wasserwirtschaft-Wassertechnik. 1957. №9.

6. Курочкин Е. Ю. Вакуум-фильтрование – как альтернатива обработки осадков промывных вод станций обезжелезивания // Вестник ТГАСУ. 2000. №2.

7. Патент РФ № 2153914 по заявке № 991703/12 (017833). Фильтр для очистки жидкости / Курочкин Е. Ю., Дзюбо В. В., положит. реш. от 18.02.2000.

8. Саркисов Ю. С., Дзюбо В. В., Алферова Л. И., Курочкин Е. Ю.

Использование железосодержащих осадков водоочистных станций для производства красящих // Проблемы строительного материаловедения: Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции. Томск, 1998.