Стратегия развития направления внедрения биологических методов очистки подземных вод

Очистка воды от железа на городских водопроводах применяется с конца 19-го века. Первая станция обезжелезивания была построена в Германии в 1868 (г. Галле, а в 1910 г. только в Германии и Голландии их было уже около 130. В настоящее время станции очистки воды от железа эксплуатируются и строятся в большинстве стран мира.

До 70-х годов 20-го столетия строились в основном станции обезжелезивания предусматривающие аэрацию воды на градирне, окисление двухвалентного железа в контактном резервуаре и фильтрование. В технологических схемах применялись и другие методы аэрации воды, а также отстойники, в которых осаждалась основная масса трехвалентного железа. При этом методе фильтры работают как осветлительные, задерживая лишь не выпавшие ранее в осадок окисленное железо. Они загружались в основном песком крупностью 0,5−1,2 мм. Скорость фильтрования не превышала 5−6 м/час.

С 70-годов прошлого столетия в бывшем СССР и ряде других стран начала применяться очень простая технологическая схема обезжелезивания по методу упрощенной аэрации и фильтрования. По этому методу вода, обогащенная кислородом в результате аэрации, сразу направляется на фильтр и реакция окисления двухвалентного железа происходит в толще фильтрующего материала, а не в свободном объеме. При этом процесс интенсифицируется настолько, что короткого времени пребывания воды в загрузке (4−7 минут) оказывается достаточным для практически полного окисления железа.

Увеличение скорости окисления железа в десятки раз по сравнению с окислением в свободном объеме объясняется тем, что в течение первых 2−4 суток работы фильтра поверхность зерен фильтрующего материала покрывается несмываемой пленкой из соединений железа, которая и интенсифицирует процесс.

Несмотря на достаточно большой опыт эксплуатации станций обезжелезивания в том числе и работающих по методу упрощенной аэрации с фильтрованием, и обширные исследования, выполненные в разных странах, до сих пор процессы, протекающие при обезжелезивании, нельзя признать полностью изученными. Причина, видимо, заключается в многообразии форм железа, содержащегося в воде. Кроме этого, вода, являясь хорошим растворителем, содержит большой спектр веществ и соединений в различных комбинациях, установить влияние которых на процесс обезжелезивания достаточно сложно.

1. Исследования, выполненные при наладке и запуске в эксплуатацию станции обезжелезивания г. Новополоцка.

Проектирование станции обезжелезивания водозабора «Окунево» велось на основании результатов пробного обезжелезивания, выполненного НПО «Жилкоммунтехника», результаты которого подтвердили возможность применения метода упрощенной аэрации и фильтрования. Однако, при наладке станции, выполняемой с начала 1991 г., выяснилось, что рекомендованный проектом технологический режим в принятом конструктивном решении не позволяет получать воду с допустимым содержанием железа.

Вопреки теории о «зарядке» фильтрующей (песчаной) загрузки в течение нескольких суток, предшествующих началу эффективной работы фильтров, получить воду с допустимым содержанием железа (0,3 мг/дм³} не удалось в течение многих месяцев. Даже при малой скорости фильтрования (до 3−4 м/ч) содержание железа снижалось только до 1 мг/дм³

В связи с неудовлетворительной работой фильтров было проведено пробное обезжелезивание в свободном объеме и в модельном фильтре, загруженном песком крупностью 1−2 мм при высоте слоя 130 см.

В первой серии опытов вода на модельный фильтр подавалась непосредственно со скважины № 7. Концентрация железа в воде составляла 3,7 мг/дм³. В течение первых суток работы была достигнута очень высокая степень очистки. При скорости фильтрования до 8 м/ч в очищенной воде обнаруживались лишь следы железа. Заметный вынос железа (0,11 мг/дм³) появился при скорости фильтрования 10,04 м/ч. При увеличении скорости фильтрования до 13,8 м/ч содержание железа в фильтрате достигло 0,41 мг/дм³. Модельный фильтр промывался водой со скважины. Заметного увеличения железа в фильтрате после промывки не наблюдалось. Общее время работы фильтра составило около месяца.

После окончания исследований непосредственно на водозаборе модельный фильтр после замены песка свежим был установлен в станции обезжелезивания. Вода от скважинного водозабора на станцию обезжелезивания подавалась по стальным трубопроводам протяженностью около 25 км. Вода на фильтр с содержанием железа около 9 мг/дм³ подавалась из приемной камеры. При скорости фильтрования 4,34 м/ч к концу первых суток работы содержание железа снизилось до 0,04 мг/дм³ После этого скорость фильтрования была повышена до 8,43 м/ч, т. е. установлена скорость, близкая к расчетной для производственных фильтров. В течение нескольких фильтроциклов содержание железа в фильтрате снизилось с 0,2 мг/дм³ до следов. При скорости фильтрования около 11 м/ч фильтр работал 8 суток. К концу периода содержание железа в фильтрате составило 0,3 мг/дм³.

Высокий эффект очисти был получен и при загрузке модельного фильтра песком из малоэффективно работающего производственного фильтра.

Анализ сложившейся ситуации, когда модельные фильтры работают высокоэффективно, а производственные совершенно неудовлетворительно, привел к предположению, что в модельных фильтрах превалирует биологическое окисление железа, а в промышленных фильтрах биологические процессы подавляются хлором, вносимым в загрузку во время промывки. Было решено промывать фильтры водой с минимально возможной концентрацией хлора. В результате удалось добиться устойчивой работы фильтров (спустя 9 месяцев после пуска станции). При этом содержание железа в фильтрате снизилось до санитарной нормы, а на ряде фильтров было в пределах 0,08−0,15 мг/дм³.

В период выполнения пусконаладочных работ было обращено внимание на то, что часть поверхности фильтрующей загрузки покрыта тонким слоем гранул шарообразной формы, которые не удаляются при промывке фильтров. Не удавалось их размыть и сильной струей воды. С течением времени этими гранулами была полностью покрыта вся поверхность загрузки фильтров и высота слоя их постепенно увеличивалась.

Анализ, выполненный в НИИ КВОВ, показал, что в смыве с 1 г верхнего слоя загрузки фильтров содержится 3.8×10⁹ кл железобактерий в виде сильно орудненных кокков. Данное обстоятельство подтвердило предположение о существенной роли биологических процессов при обезжелезивании воды.

Спустя около 6 месяцев после выхода фильтров на устойчивый режим работы содержание железа в очищенной воде увеличилось до 2−2,5 мг/дм³. При этом оно преимущественно все было двухвалентным. Проведенные анализы показали полное. отсутствие растворенного кислорода в фильтрате.

Стало очевидно, что в толще загрузки фильтров помимо биологического окисления железа развились и другие биологические процессы (в частности, нитрификация), приведшие к полному поглощению растворенного кислорода.

В сложившейся ситуации было решено подавить все биологические процессы в загрузке фильтров путем обработки ее высокими дозами хлора (до 220 мг/дм³) с длительной экспозицией, что и было сделано.

Таким образом, возникший естественным путем неуправляемый биологический процесс очистки воды от железа оказался неустойчивым, что и привело к решению о проведении более глубоких исследований, которые в течение длительного времени проводились на промышленных и модельных фильтрах станции г. Новополоцка, а в дальнейшем и на других станциях Беларуси и России.

2. Железобактерии в подземных водах Железобактерии являются автотрофами, окисляющими двухвалентное железо, находящееся в растворенном состоянии в виде неорганических или органических комплексных соединений, в трехвалентное с образованием нерастворимых веществ. В качестве источника углерода они используют углекислый газ или углеводороды.

Одни железобактерии требуют для своего развития более низкого рН, другие, использующие органическую часть гуматов железа, встречаются в более щелочной среде.

Многообразие форм железобактерии, существенные трудности в излучении их строения и физиологии, неудачи с выделение чистых культур — все это заставляет рассматривать железобактерии как недостаточно разработанную группу. Поэтому и систематика их не может считаться естественней.

В настоящее время большинство микробиологов к железобактериям относят все микроорганизмы, способные осаждать окислы железа и марганца из растворенных соединений этих элементов.

Три основных рода железобактерий — Leptothrix, Gallionella, Crenothrix интенсивно развиваются при температуре от 2° до 32° и значениях рН среды 5,3−7,6 при концентрации двухвалентного железа 0,1−0,3 мг/дм³ и растворенного кислорода 0,5 мг/дм³ и выше. Максимальное развитие железобактерий наблюдается в воде, где концентрация закисного железа превышает 2,5 мг/дм³, диоксид углерода — не менее 12,5 мг/дм³ и кислорода — не менее 2 мг/дм³.

Железобактерии, окисляя закисное железо, выделяют гидроокись железа, которая откладывается на поверхности клеток, образуя слизистый чехол, который препятствует сообщению клеток с внешней средой. Когда чехол становится достаточно плотным, клетки покидают его и приступают к выработке нового. Пустые чехлы, содержащие окисное железо, накапливаются в загрузке и при промывке вымываются.

Анализ воды из скважин водозабора «Окунево», выполненный НИИ КВОВ, показал, что количество клеток железобактерий в 1 дм³ воды колеблется от 1,2×10⁸ до 8,1×10⁸. Все они представлены мелкими неорудненными кокками.

3. Исследования на производственных фильтрах водозабора г. Новополоцка Целью исследований являлось:

выяснение преимуществ биологического метода обезжелезивания воды;

уточнение технологии эксплуатации фильтров, обеспечивающей реализацию преимуществ биологического метода и гарантирующей устойчивость процесса;

исследование условий и механизма образования гранул биологически активной загрузки;

определение возможности наращивания биологически активной загрузки и использование ее для загрузки других фильтров.

Растворенный в воде в процессе аэрации кислород расходуется на окисление железа, нитрификацию аммонийных солей и другие химические и биологические процессы. На окисление 1 мг двухвалентного железа требуется всего 0,143 мг кислорода. Нитрификация аммонийных солей связана со значительным потреблением кислорода, а именно: нитрифицирующие бактерии потребляют 4,57 мг кислорода на 1 мг азота аммонийных солей. Упрощенной аэрацией можно довести концентрацию растворенного кислорода в воде до 8−10 мг/л.

Учитывая, что подземная вода водозабора «Окунево» содержит большое количество аммонийных солей (до 3,2 мг/л и выше), было решено максимально усилить аэрацию воды, подаваемой на фильтры. Для этой цели были запроектированы, изготовлены и смонтированы на приемных камерах специальные аэраторы. Кроме этого была изменена схема подачи воды на фильтры. Интенсивность промывки фильтров за счет замены насосов была увеличена до 18 л/см².

С целью изучения процессов, протекающих в загрузке фильтров, был изготовлен специальный вакуумный пробоотборник, который позволил постоянно отбирать воду для анализа из работающего фильтра по всей высоте загрузки с шагом 225 мм.

С помощью пробоотборника был выполнен тщательный анализ режимов работы фильтров, который подтвердил сделанное предположение о сути протекающих в загрузке процессов.

В период, когда в толще песчаной загрузки не накопилось существенного количества железобактерий, а на ее поверхности отсутствует слой биологически активной загрузки (биомассы), преимущественную роль играет химическое окисление железа, при этом:

• — концентрация железа по глубине загрузки снижается медленно;
• — содержание аммонийных солей снижается незначительно;
• — концентрация растворенного кислорода в фильтрате высокая (не менее 5 мг/л);
• — эффективность работы загрузки значительно возрастает к концу фильтроцикла;
• — даже при малых скоростях фильтрования содержание железа в фильтрате превышает допустимую норму.

По мере накопления биомассы на поверхности песчаной загрузки фильтра роль биологических процессов возрастает, при этом:

• — содержание железа в фильтрате снижается до следов;
• — накопление нитрифицирующих бактерий приводит к нитрификации части аммонийного азота;
• — развитие биологических процессов приводит к большому расходу кислорода и снижению его содержания в фильтрате;
• — эффективность удаления железа практически не меняется в течение фильтроцикла.

При накоплении достаточного слоя биомассы все процессы происходят в нем. Песок играет роль поддерживающего слоя для биомассы.

Высокая эффективность работы фильтров обеспечивается наличием хотя бы небольших доз растворенного кислорода в фильтрате. В отдельные периоды растворенный кислород снижался до десятых долей мг/дм³, однако это не привело к заметному снижению эффективности работы фильтров.

Биомасса, состоящая из железобактерий и соединений железа, представляет собой гранулы размером до 5 мм, по форме близкие к шару. В центре каждой гранулы имеется твердая инертная частица размером от сотых долей мм до 1 мм. Плотность биомассы ниже плотности песка, поэтому при промывке фильтра она не смешивается с песком и остается на его поверхности.

Железобактерии способны чрезвычайно плотно прикрепляться к любой поверхности и, размножаясь, образовывать на этой поверхности бактериальную пленку. Очевидно, первоначально они закрепляются на песчинках, содержащихся в исходной воде (скважины водозабора «Окунево» пескуют). Таким образом формируются мелкие гранулы, которые при промывке остаются на поверхности биомассы. Высокая концентрация двухвалентного железа и растворенного кислорода в воде, поступающей в верхний слой загрузки, приводит к интенсивному росту гранул. В связи с гидравлической классификацией загрузки при промывке гранулы по мере увеличения их размера опускаются в нижние слои биомассы, до которых двухвалентное железо не доходит и, следовательно, рост гранул прекращается. Таким образом ограничивается размер гранул и стабилизируется высота слоя биомассе. Исследования показали, что высота слоя биомассы определяется содержанием двухвалентного железа в воде и скоростью фильтрования. При изъятии части биомассы из фильтра высота слоя постепенно восстанавливается.

Из сути процесса ясно, что наибольший эффект может быть получен при поступлении в биомассу воды с максимальной долей двухвалентного железа. Очевидно, это может быть достигнуто сокращением интервала времени между аэрацией воды и входом ее в загрузку. Этому противоречат нормы СНиПа, требующие поддерживать высоту воды над поверхностью загрузки не менее 2 метров. Исследования показали, что при слое воды, равном 2 метрам, доля трехвалентного железа в момент входа в загрузку достигает 37%, в то время, когда в исходной воде его содержание не превышает 5%. Окисленное железо задерживается поверхностью загрузки и ее верхними слоями, что приводит к быстрой их кольматации и резкому сокращению фильтроцикла.

Было решено перевести фильтры на работу с переменным уровнем воды в нем, что было реализовано с помощью разработанного нами поплавководроссельного регулятора с корректором начального открытия дросселя. Регулятор после промывки фильтра поддерживает минимальный уровень воды над загрузкой (20−30 см), достаточный для преодоления небольших потерь напора в промытой загрузке. В процессе работы фильтра регулятором поддерживается минимальный уровень, необходимый для преодоления возрастающих потерь напора и предотвращения образования вакуума в загрузке.

Перевод фильтров на работу с переменным уровнем воды позволил в 3−4 раза увеличить длительность фильтроцикла и во столько же раз сократились затраты воды на промывку.