В.М. Ульченко,

главный специалист Технической Дирекции АО «Май Проект»,

Н.О. Татьянко,

Инженер АО «Май Проект»,

В статье рассмотрена напорная флотация и основные направления в водоподготовке, где напорная флотация будет наиболее эффективной, а также наиболее распространенный тип напорных флотаторов для водопроводных очистных сооружений большой производительности. При рассмотрении возможности использования флотации главным вопросом должна быть технико-экономическая эффективность. Большая энергоемкость флотационных сооружений может быть успешно компенсирована снижением потребления очищенной воды водопроводными очистными сооружениями на собственные нужды. Показано, что флотаторы могут быть хорошей альтернативой седиментационным сооружениям при очистке вод из эвтрофных водоемов, цветных и маломутных вод. Напорная флотация, в силу компактности, может быть успешно применена при реконструкции водопроводных очистных сооружений, построенных по одноступенчатой схеме.

Ключевые слова: маломутные и цветные воды, напорная флотация, отстаивание, префильтры, цветность, мутность, перманганатная окисляемость, бессточные схемы.

Что такое напорная флотация

Напорная флотация - один из традиционных и испытанных методов извлечения взвешенных и волокнистых частиц, нефтепродуктов и жиров из сточных вод посредством агрегирования их с всплывающими пузырьками воздуха. Эффективность процесса может достигать 99% и более.

Принцип напорной флотации (НФ) был позаимствован из горнодобывающей и рудообогатительной промышленности и впервые был применен в водоподготовке в 1960 г. в Южной Африке и Скандинавии. На сегодняшний день НФ часто применяется в Швеции, Нидерландах, Великобритании, США, Австралии и др. странах [1]. В России широкое применение напорная флотация находит только в технологиях локальной  очистки стоков  промышленных предприятий. В водоподготовке такой метод очистки применяется пока редко, на большинстве сооружений на первом этапе очистки в основном используются седиментационные сооружения. Исключение составляют ВОС г. Сыктывкар (2008 г), где отмечается хорошая эффективность работы флотаторов на первой ступени очистки по сравнению с префильтрами [2,3].

Практика использования флотации

Опыт АО «Май Проект», полученный в последние годы, свидетельствует, что непопулярность флотации в водоподготовке в России во многих случаях лишена оснований. Особенно эффективно применение флотационных сооружений при осветлении вод поверхностных источников, с небольшим количеством мелкодисперсных взвешенных веществ и повышенной цветностью. Для такой воды использование флотации в качестве первой ступени очистки позволит достаточно эффективно справиться как с цветностью, так и окисляемостью, и обеспечить минимальную нагрузку на последующие стадии очистки. На рисунках 1 и 2 представлена данные по сравнительной эффективности отстаивания и флотации, полученные в ходе экспериментальных испытаний на ВОС-2 г. Северодвинск.

Рисунок 1 Сравнительная эффективность отстаивания и флотации по снижению цветности. Здесь и на рис. 2: вход -  вода из реки Солза,  отстойники – действующие промышленные сооружения, флотация -  результаты лабораторного исследования на непроточной модели напорного флотатора

 

Лабораторные исследования флотации проводили на воде с реагентами после смесителя водопроводных очистных сооружений, с дозой флокулянта Flopam 4590 – 0,15 мг/л (при отстаивании доза флокулянта составляла 0,1 мг/л, при этом увеличение дозы флокулянта не влияло на эффективность отстаивания). Для сатурации при давлении 6 бар использована очищенная вода в объеме 10-12%. При лабораторных исследованиях использовалось механическое перемешивание на этапе хлопьеобразования, в то время как на очистных сооружениях в технологическом процессе предусмотрена камера хлопьеобразования зашламленного типа. Температура воды при выполнении работ составляла 10-11 ºС.

Рисунок 2 Сравнительная эффективность отстаивания и флотации по снижению мутности

Результаты полученные при флотационной очистке воды оказались лучше, чем при отстаивании как по цветности, так и по мутности. Разница по показателю цветности между отстаиванием и флотацией составила до 55%, а по мутности – до 60%, в пользу технологии с флотацией. Это может быть связано с лучшими условиями хлопьеобразования и отсутствием негативного влияния выделяющейся в процессе реагентной обработки свободной углекислоты на процесс флотации.  На рис. 3 на фотографии скорого фильтра виден слой хлопьевидного осадка (коагулюма), вынесенного из отстойника в результате флотации углекислым газом, создающего значительную нагрузку на фильтровальные сооружения.

Рисунок 3 Скорый фильтр на ВОС-2  г.Северодвинск

В подобных случаях  напорная флотация позволяет значительно снизить нагрузку на фильтровальные сооружения и ее применение, по нашему мнению, целесообразно.

Данные другой работы, проведенной на воде аналогичного водоисточника (на ВОС г. Сыктывкар) [5]  показывают преимущество напорной флотации перед префильтрами как по цветности, так и по мутности.

В последние годы в связи с повышением среднегодовой температуры и антропогенным загрязнением водных объектов наблюдается тенденция массового развития во многих водоисточниках фитопланктона (цианобактерий, диатомовых водорослей и др.) – см. рис. 4. [4] Фитопланктон недостаточно эффективно задерживается на первой ступени и проходит на скорые фильтры, в результате наблюдается сокращение продолжительности фильтроцикла. Это приводит к тому, что нагрузка на фильтры не превышает 6 м³/(м²×час), а потребление воды на водопроводных сооружениях на собственные нужды повышается в 1,5-2 раза. В результате, если не принимать мер,  в очищенной воде снижается прозрачность, изменяется окраска, ухудшаются органолептические показатели (появляется специфический привкус и запах), наблюдается увеличение содержания хлорорганических соединений.

Рисунок 4 Рост количества фитопланктона в Ижевском водохранилище

 

Используя двухступенчатую схему с седиментационными сооружениями, очень не просто справляться с таким ростом нагрузки на водопроводные сооружения (более чем 20-кратным, как в приведенном случае).

Для решения  этой задачи может быть успешно применена технология флотации. Флотаторы значительно превосходят седиментационные сооружения по эффективности удаления фитопланктона: если эффективность отстойников по удалению фитопланктона находится в пределах 60-90%, то флотаторов 90-99% [1].

Высокую эффективность напорных флотаторов по удалению фитопланктона получена на водопроводных очистных сооружениях г. Мостиште (Чехия), где количество клеток водорослей в очищаемой воде изменяется от 357 000 кл/мл, а после флотации 16100 кл/мл, со средней эффективностью равной 95,5% [9].  На этих сооружениях с помощью напорной флотации также успешно решена проблема снижения перманганатной окисляемости воды (эффективность составила в среднем 63,5%) – см. рис. 5.

Рисунок 5 Среднемесячная перманганатная окисляемость входящей и очищенной воды г. Мостиште

Схема осветления воды с использованием напорного флотатора

Рассмотрим наиболее распространенную схему осветления воды, основанную на использовании напорного флотатора и конструкцию самого флотатора, чаще всего используемую на крупных водопроводных очистных сооружениях.

Технология осветления воды с использованием напорного флотатора состоит из смесителя, камеры хлопьеобразования (флокуляции), флотатора, циркуляционного насоса, сатуратора и системы сбора и отвода флотошлама (на рис. 6 – один из примеров). На флотатор вода поступает предварительно обработанная коагулянтом и флокулянтом после смесителя и камеры хлопьеобразования (лучше если это будут сооружения с встроенными механическими мешалками). Формирование потока и равномерность нагрузки по сечению сооружений на этой стадии обеспечивается за счет полупогружных перегородок и затопленных стенок.

Рисунок 6 Напорный флотатор для водопроводных очистных сооружений Xylem (Leopold Clari-Daf Systems)

Сам флотатор можно разделить на зоны: контактную и разделения. Контактная зона выполняется по принципу гидравлической камеры хлопьеобразования – с расширением по ходу движения воды для постепенного снижения скорости потока. В ней устанавливается распределительное устройство (1) для ввода сатурированной воды в поток. В качестве распределительного устройства может использоваться перфорированный трубопровод с установленным защитным козырьком [6], но лучше, если для ввода сатурированной воды будут использованы специальные форсунки [7].

В зоне разделения следует выделить еще несколько функциональных зон (см. гидравлическую модель флотатора с обозначенным распределения потоков на рис. 7) – сверху вниз это зона флотошлама (A), зона сепарации (B) и зона осветленной воды (C).

Рисунок 7 Схема моделирования потоков в напорном флотаторе

Зона сепарации – центральная зона, расположенная между зоной осветленной воды и шлама, имеет глубину 800-1500 мм в зависимости от нагрузки на сооружения, давления сатурации, а также от объема рециркуляции сатурированной воды и других факторов. С ростом нагрузки на флотатор, давления в сатураторе, и рецикла глубина зоны сепарации увеличивается. Зона сепарации совпадает с границей распространения пузырьков воздуха, а точнее того воздуха, который является «движущей силой» флотации.

Размеры зоны сепарации могут быть уменьшены при размещении в этой зоне тонкослойных модулей, работающих по перекрестной или прямоточной схеме.

Для того чтобы обеспечить необходимую эффективность очистки воды и предотвратить проскок загрязнений из зоны сепарации в зону осветленной воды, глубина последней должна быть не менее 1000 мм.

Для приема воды в зоне осветления устанавливается перфорированная водоприемная труба (2).

Удаление флотошлама из флотатора может выполняется несколькими способами, которые отличаются по принципу осуществления процесса. Флотошлам может удаляться за счет кратковременного подъема уровня воды и с последующим сбросом в лоток вместе с водой. Этот способ удаления как раз и применен на ВОС г. Сыктывкар. Также может быть использовано постоянное удаление флотошлама с помощью специальных скребковых систем закрепленных на бесконечной цепи (Redox), или скребков с обратно-поступательным приводом (Xylem).

В результате постепенного эволюционирования конструкций флотаторов  удельная нагрузка на эти сооружения возросла с 5-6 м³/(м² ч) на первых установках такого рода до  30-40 м³/(м² ч) на современных модификациях.

Среди негативных сторон использования напорной флотации можно обозначить такие как: энергоемкость технологии и ограничения по содержанию взвешенных веществ во входящей воде. Так, удельный расход электроэнергии для очистки воды с использованием напорной флотации составляет 40-70 Вт/м³ (400-700 кВт-ч/сутки для ВОС на 10 тыс. м³/сутки).  Основная часть энергии приходится на сатурацию воды под высоким давлением. На первый взгляд, это существенный расход электроэнергии, но насколько это так, рассмотрим далее, сравнивая схемы с флотационными и седиментационными сооружениями на первой ступени очистки.

Сравнительная оценка седиментационных и флотационных сооружений для первой ступени водопроводных сооружений

Преимущества флотационных сооружений по сравнению сооружениями предварительного осветления (осветлителями со взвешенным осадком, отстойниками) заключаются в следующем:

-  Компактность - скорость выделения взвеси из воды на флотаторах значительно больше, благодаря чему уменьшается общий объем очистных сооружений;

-  Улучшается состояние сооружений вследствие постоянного удаления выделенных загрязнений;

-  Быстро и эффективно удаляются из воды плавающие и плохо оседающие примеси, в т.ч. фитопланктон, что в большинстве случаев позволяет отказаться от установки микрофильтров;

-  Низкая обводненность образующихся шламов;

-  Нет длительного пребывания воды в сооружении, что позволит проводить первичное хлорирование уже после флотаторов и снизить количество образующихся хлорорганических соединений.

Преимущества седиментационных сооружений заключаются в минимальном энергопотреблении, и отсутствии жестких ограничений по количеству взвешенных веществ в поступающей воде.

В таблице 1 представлены результаты расчета энергозатрат, связанных с работой флотационных сооружений.

Таблица 1

Оценка увеличения энергозатрат связанных с использованием флотации

 

		Значение
1	Производительность, м3/сут	11000
2	Расход электроэнергии, Вт*ч/м3	60
3	Расход электроэнергии, кВт*ч/сут	660
4	Стоимость электроэнергии, руб/кВт*ч	4,59
5	Стоимость дополнительной электроэнергии на флотацию, руб/сут	3029,4
6	Увеличение себестоимости, руб/м3	0,28

 

В таблице 2 представлены результаты расчета затрат на промывку скорых фильтров, работающих после флотации (колонка Ф-СФ), и после отстойника (От-СФ).

Колонки 2-3 отличаются принятой среднегодовой продолжительностью фильтроцикла на скорых фильтрах, в схеме Ф-СФ – 48 часов, От-СФ – 32 (колонка 2) и 24 часа (колонка 3).

Таблица 2

Сравнительная оценка затрат на промывку скорых фильтров работающих в схеме с флотаторами и отстойниками

 

		(Ф-СФ)	(От-СФ)	(От-СФ)
1	Интенсивность промывки СФ, л/с/м2	15	15	15
2	Продолжительность промывки, сек	420	420	420
3	Удельный расход воды на промывку, м3/м2	6,3	6,3	6,3
4	Стоимость воды, руб/м3	32,06	32,06	32,06
5	Удельный расход воды на фильтрование, м3/м2*сут	160	160	160
6	Рабочая площадь фильтров, м2	68,75	68,75	68,75
7	Количество промывок в сутки, раз/сут	0,5	0,75	1
8	Расход воды на промывку, м3/сут	216,56	324,84	433,13
9	Стоимость воды, руб/сут	6943,0	10414,5	13886,0
10	Расход электроэнергии на перекачку, кВт/1000 м3	76	76	76
11	Расход электроэнергии на перекачку воды, кВт/сут	16,46	24,69	32,92
12	Стоимость электроэнергии для промывки, руб/сут	75,55	113,32	151,09
13	Затраты связанные с работой флотатора, руб/сут	3029,4
14	Локальные эксплуатационные затраты, руб/сут	10 047,94	10 527,81	14 037,08
15	Увеличение себестоимости воды, руб/м3	0,91	0,96	1,28
16	Повышение себестоимости от минимальной, %	0	4,6	28

 

Как видно при сравнении данных табл. 1 и 2, разница в затратах на более частую промывку фильтров выше для отстойников по сравнению с флотаторами, чем дополнительные затраты электроэнергии на флотацию. Таким образом, флотация, как метод, исключающий повышенную нагрузку по фитопланктону и коагулюму на скорые фильтры, может быть с экономической точки зрения быть более выгодной, чем отстойники. Так, при двукратном увеличении фильтроцикла в схеме флотатор – скорые фильтры, применение флотации будет оправданным и позволит снизить себестоимость воды.

Мы не рассматривали разную производительность и состав оборудования для обезвоживания осадка из отстойника и флотошлама от флотатора, при создании бессточных водопроводных сооружений, когда преимущество использования флотационной очистки будет бесспорным. При напорной флотации значительно сокращается объем осадка по сравнению с отстаиванием. Влажность осадка после отстойников редко снижается ниже 99%, а после флотатора влажность флотошлама не будет превышать 97%. А это значит, что после флотации объем осадка ниже в 3 раза, поэтому использование на первой ступени водопроводных очистных сооружений флотационной очистки значительно сокращает затраты на дальнейшую обработку осадка: сгущение и обезвоживание.

В сумме по результатам работы водопроводных очистных сооружений производительностью 11000 м³/сут в результате перехода с седиментационных сооружений на напорную флотацию среднесуточное потребление воды на собственные нужды сократится с 1000 м³/сут до 275 м³/сут, и составит 2-2,5% от производительности очистных сооружений.

Выводы:

1. Напорная флотация на территории РФ незаслуженно редко рассматривается как альтернатива  седиментационным сооружениям на первой ступени технологии водоподготовки.
2. Наиболее эффективно применение флотационных сооружений при осветлении вод поверхностных источников, с небольшим количеством мелкодисперсных взвешенных веществ и повышенной цветностью, или для эвтрофированных источников подверженных массовому «цветению».
3. Главный недостаток флотационных сооружений - высокая энергоемкость процесса, поэтому решение об использовании метода для первой ступени очистки необходимо принимать на основании технико-экономического анализа с учетом, как капитальных, так и эксплуатационных затрат.
4. Использование напорной флотации будет особенно эффективно при организации бессточной схемы работы водопроводных сооружений, что связано с минимальным количеством и влажностью получаемого флотошлама.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. James K. Edzwald Dissolved air flotation and me. Water Research, №44, 2010.
2. И.Н. Мясников, А.Н. Горшенин, М.П. Нетреба, В.А Воропаев, А.Г. Фетисов. Модернизация очистки питьевой воды методом напорной флотации // Водоснабжение и санитарная техника, 2004, №9;
3. Фомина В. Ф., Фомин В. П. Эффективность очистки маломутной цветной воды в напорных флотаторах // Водоснабжение и санитарная техника, 2012, №4;
4. Дудкин Е. В., Самсонова С. П. Удаление фито- и зоопланктона методом микрофильтрации. // Водоснабжение и санитарная техника, 2014, № 2;
5. В.Ф. Фомина, А.В. Фомин Эффективность внедрения напорной флотации для подготовки питьевой воды в республике Коми. //Известия Коми научного центра УрО РАН. Выпуск 4(16). Сыктывкар, 2013;
6. Запольский А.К. Водоснабжение, водоотведение и качество воды. :К, Высшая школа, 2005;
7. Y. Zhang, D. M. Leppinen and S. B. Dalziel. A new nozzle for dissolved air flotation. WSTWS, Vol.9,№ 6, 2009;
8. Mooyoung Han, Tschung-il Kim, Dongheui Kwak. Measurement of bubble bed depth in dissolved air flotation using a particle counter.- Journal of Water Supply Research and Technology, Vol. 58, № 1, 02/2009
9. Doc. Ing. Petr Dolejš. Návrhové parametry a separační účinnost flotace - ověření v provozu první vodárenské flotace v ČR na ÚV Mostiště. - W&ET Team.