Современные волшебные технологии для чистой воды

Рис. 1 Макет территории ВОС

А вы знали, что на Руси централизованные системы водоснабжения возникли раньше, чем в Европе. Связано это было с необходимостью обеспечения питьевой водой городов и крепостей при ведении боевых действий, во время осады. Проведенные на территории бывшего Советского Союза археологические раскопки обнаружили остатки водопроводов на Кавказе и в Средней Азии, в России и на Украине. На территории Великого Новгорода были найдены остатки канализации с деревянными и гончарными трубами.

В XVII в. появились первые напорные водопроводы, естественно, для кремлевских дворцов в Москве. Вода из Москва-реки забиралась машиной на конной тяге и под напором подавалась в бак на башне, а оттуда по свинцовым трубам (свинец - причина раковых заболеваний) поступала во дворец.

Вода, как и сегодня, бралась из подземных и поверхностных источников, которые собирали все с тех мест по которым протекали, все минеральные и биологические загрязнения. Не смотря на это, первое в России обеззараживание воды хлорированием было выполнено только в 1918 г. в Нижнем Новгороде после крупной вспышки брюшного тифа. Эпидемия пошла на убыль, а хлорирование зарекомендовало себя как надежный способ обеззараживания. Из книги "Чистая вода" Миклашевский Н.В. Королькова С.В.

С тех пор постепенное усложнение систем подачи воды и ее очистки происходило довольно быстрыми шагами. Водозаборные и очистные сооружения стали устанавливаться сначала в крупных городах, а затем и в мелких населенных пунктах.

Таким типичным городком стал пригород Ленингада – г. Кингисепп. История Кингисеппского Водоканала берет начало в 1963 году. В то время Водоканал был одним из объектов, входивших в структуру градообразующего предприятия - «Фосфорит». 

К этому времени принимается решение использовать реку Луга как источник водоснабжения. На момент проектирования водоочистных сооружений (ВОС), качество воды реки Луга отвечало требованиям ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения», т.е. цветность -  60-80 градусов, окисляемость -  6-10 мг/л и только в паводок цветность поднималась до 100 градусов. На основании таких качественных характеристик исходной воды была выбрана одноступенчатая схема очистки, существующая и поныне: механическая очистка на сетках барабанного типа, коагулирование на контактных осветлителях с применением сернокислого алюминия и обеззараживание жидким хлором.

С начала 80-х годов стало наблюдаться резкое ухудшение качества воды в р. Луга, особенно в части цветности, которая достигает в отдельные периоды 110 - 295 градусов. А в 1996 году вводятся в действие еще и новые СанПиН, которые ужесточили требования к качеству очистки воды. Требовалось переоборудование существующих очистных сооружений. Однако, те изменения, которые коснулись водоканала, так и не смогли существенно поправить сложившуюся ситуацию. И главным государственным санитарным врачом по Ленинградской области было принято Постановление "О временных отклонениях от гигиенических нормативов качества питьевой воды, подаваемой в г. Кингисепп после ВОС «Сережино» ОАО «Кингисеппский водоканал»", на основании которого установлены нормативы ка­чества питьевой воды по показателям химического состава. 

До недавнего времени ситуация никак не менялась. Когда-то разработанная технология - односту­пенчатая очистка воды на контактных осветлителях с коагулированием и обеззараживанием «в трубе», и природные особенности реки Луга, с трудом позволяли достигать норм. Только чудом, работникам водоканала удавалось поставлять в город чистую воду.

Город развивался, потребление воды росло, а, следовательно, вопрос об изменениях технологии водоочистки на водоканале становился как никогда очень острым. Но ввиду сложной экономической ситуации, сложившейся в стране за последние два года, связанной с пандемией, эту проблему возможно было устранить только минимальными вложениями.

Решение было найдено благодаря вовремя подоспевшим новым технологиям изготовления фильтрующих засыпок. Такой привычный песок должен был «отправиться на заслуженный отдых». Сегодня все чаще в качестве барьера для загрязнителей находят применение высокопористые инновационные материалы, позволяющие получить значительно больше кубометров воды с качеством, соответствующем новым СанПиН, а не «исключительным» для данного объекта постановлениям.

Рис. 2 Обсуждение новой технологии

В сентябре 2020 года был проведен экспериментальный запуск фильтра с новым материалом «Диамикс Аква» взамен Подпорожского кварцевого песка. Вся технология оставалась прежней. Все так же приходилось бороться с высокой цветностью реки Луга, добавляя в трубу перед фильтрами коагулянт – сульфат алюминия. Огромное количество хлопьев оседало на фильтрующих загрузках, однако такое положение вещей ничуть не «смущало» Диамикс Аква. Напротив, скорость получения чистой воды на этом фильтре была в 2 раза выше, чем на традиционной загрузке.

В чем же главный секрет работы такого материала? В его особой структуре. Диамикс Аква – фильтрующий материал, изготовленный из природного минерала диатомита. Это горная порода, сложенная из ажурных панцирей микроскопических водорослей. Благодаря особым технологиям натуральный пористый материал приобрёл высокую прочность и функциональность. В отличие от песка, имеющего гладкую поверхность, Диамикс Аква обладает высокой пористостью и способна удерживать загрязнения снаружи и внутри, сохраняя при этом проницаемость в течение всего времени работы и обрабатывая значительно большее количество воды.

                           а)                                                                                   б)

Рис. 3. Структура поверхности а) Диамикс Аква и б) песка

Работа с материалом на водоканале начиналась с его гидрозагрузки в фильтр. На дне фильтра для защиты распределительной системы был намыт поддерживающий слой Диамикс Аква высотой в 50 см с размером частиц от 1 до 4 мм. Затем произвели гидрозагрузку основного материала – диатомитовых гранул размером 0,8-2,0 мм до высоты 200 см. Материал залили водой с обеззараживающим компонентом и оставили на сутки для полного пропитывания и дезинфекции. Такая практика хлорирования любого фильтрующего материала перед началом его использования была принята еще в 50-х года прошлого столетия. Уже на этом этапе появились первые расхождения с песком. Для заполнения необходимого фильтрующего пространства потребовалось 62 т загрузки из диатомита, в то время как традиционной загрузки уходило всегда около 150 т.

Для чистоты эксперимента в аналогичный фильтр был загружен свежий кварцевый песок, который по обыкновению тоже залили хлорированной водой на сутки.

Для введения в эксплуатацию любого фильтрующего материала требуется его первоначальная промывка от технологической пыли. И тут, уже стало понятно, что для нового материала не требуется такого большого напора воды как для песка, чтобы достичь необходимого взрыхления.Песок на данном водоканале промывается при скорости 14-15 л*с/м², в то время как для Аквы потребовалось всего 9 л*с/м².

Далее началась ежедневная, ежечасная работа по очистке от загрязнений. Вода из реки Луги отличается высокой цветностью за счет содержания соединений гуминовой природы вследствие болотного питание реки.На момент начала испытаний цветность и мутность были не высокими для данного водозабора – 75-80 град и 0,8-0,9 мг/дм³, однако, уже через месяц эти показатели значительно подросли до 150-200 град и 3,5-5 мг/дм³, при этом так же росла перманганатная окисляемость с 18 до 35 мгО₂/дм³ при pH 7,5–8,2.В качестве коагулянта использовали сульфат алюминия, который подавали в трубу.

Несколько раз в день водоканал проводил оценку качества подаваемой в город воды. Главной задачей в период испытаний было оценить эффективность работы фильтрующей загрузки Диамикс Аква. Оценка проводилась по основным загрязнителям, характерным для данного источника воды: цветности и мутности. И сколько бы ни замерялись показатели, вода после диатомитового фильтра соответствовала всем требованиям СанПиН.

Рис. 4. Чистая вода после фильтрации через Диамикс Аква

Интересно то, что эффективность (снижение мутности относительно исходного значения) Диамикс Аква всегда оказывалась выше, чем сорбционная эффективность песка, даже в случае низкой активности обеих загрузок.

Рис. 5. Эффективность очистки воды по мутности при использовании Диамикс Аква и кварцевого песка (показатель мутности в исходной воде находился в пределах 0,81–4,21 мг/дм³; среднее значение 2,30 мг/дм³).

Рис. 6. Эффективность очистки воды по цветности при использовании Диамикс Аква и кварцевого песка(показатель цветности в исходной воде находился в пределах 75–150 град цв.; среднее значение 113 град цв.)

Положительные значения эффективности очистки воды загрузкой Диамикс Аква по мутности достигали 92%, по цветности –93 %, но в любом случае, значения укладывались в пределы допустимых концентраций.

Интересным оказалось и то, что скорость получения чистой воды на диатомитовом фильтре была значительно выше, чем на песке.

Так за одно и то же время через Диамикс Аква проходит в 2,2 раза больше воды, чем через песок.

Рис. 7. Высокая скорость фильтрации обеспечивает максимальную наполненность всей системы чистой водой

Рис. 8. Сравнение производительности процесса фильтрации  через Диамикс Аква и кварцевый песок

Полученные результаты, представленные на графике наглядно демонстрируют преимущество инновационной загрузки.

Не хитрые подсчеты – умножение объема пропущенной через фильтр за сутки воды на количество загрязнителя, оставшегося в загрузке, показывают, что (при расчете по мутности) песок задерживает 0,69 кг загрязнителя, а диатомит 1, 138 кг.

Такой эффект достигается за счет высокой проницаемости Диамикс Аква на любых этапах фильтровального цикла, а так же его значительной грязеемкости.

После накопления загрязнений в межчастичном и поровом пространстве требовалось проводить промывку. Отмечалось, что для Диамикс Аква межпромывочный интервал удлинялся в 1,2-2,1 раза. Т.е. можно было промывать фильтр не каждый день, а один раз за двое суток. А поскольку промывка производится чистой водой из накопительного резервуара, то это существенный плюс в экономии энергоресурсов.

Рис. 9. Промывка Диамикс Аква от загрязнений.

Кроме того, не смотря на существенную грязеемкость и пористость, полная промывка фильтра с Диамикс Аква осуществлялась за то же время, что и фильтра с песком, стой лишь разницей, что объем воды, затрачиваемой на одну промывку для Диамикс Аква, составил (188±18) м³, а для кварцевого песка – (204±18) м³. Это связано с меньшим напором воды, необходимым для расширения слоя диатомитовой загрузки.

Следовательно, совместив производительность и расходы, обнаруживаем, что для получения 1 м³ чистой воды, при использовании Диамикс Аква, на промывку требуется 188 / 1180 = 0,16 м³ очищенной воды, а при использовании кварцевого песка – 204 / 529 = 0,39 м³, т.е. удельный расход промывной воды для Диамикс Аква в 2,4 раза меньше, чем для кварцевого песка.

Если сложить повышенную скорость фильтрации и, как следствие, производительность, меньшее количество промывок и меньший расход воды на этот процесс, более высокую грязеемкость и меньшую массу новой фильтрующей загрузки,  высокое качество отфильтрованной воды, то получим научно-технический прорыв, способный изменить историю чистой воды.

Диамикс Аква – новая фильтрующая загрузка, способная решать различные проблемы, не только устранять мутность и цветность, но и снижать содержание железа, марганца, тяжелых металлов, нефтепродуктов, взвешенных веществ и т.д. при увеличении производительности водоканалов.