Традиционные технологии очистки подземных вод для питьевых целей от соединений железа и марганца включают две основных стадии: окисление растворенных форм (различные способы аэрации) и выделение их из воды в виде нерастворимых осадков, как правило, фильтрованием.
Зачастую системы водоснабжения отдельно-стоящих объектов (жилые дома, санатории, дома отдыха и т. п.) включают гидропневматические установки различных типов, устраиваемые для поддержания давления в системе водоснабжения и работающие в автоматическом режиме.
При использовании гидропневматических установок легко можно автоматизировать включение и выключение насосных агрегатов, задействованных в данной системе. Кроме того, их стоимость невысока и они не требуют капитальных затрат при установке.
Известно, что гидропневматические установки могут быть переменного и постоянного давления. В общем виде любая гидропневматическая установка состоит из герметичного водяного бака, насосного агрегата, каких-либо устройств пополнения запаса воздуха (компрессор или струйный регулятор воздуха), воздушного бака, комплекта приборов автоматического управления. В типовых гидропневматических установках запас воздуха, если наблюдается его потеря, периодически пополняется – в соответствии с количеством теряемого воздуха.
Принцип работы установок заключается в следующем: вначале в водяной бак подается сжатый воздух (или запасается в воздушном баке) под большим давлением по сравнению с рабочим. В процессе водоразбора в водопроводной сети давление в водяном баке будет снижаться. В момент, когда давление снизится до допустимого минимума, с помощью реле давления и шкафа автоматического управления включается насосный агрегат, который начинает подавать воду в бак. Во время подачи воды давление в баке будет возрастать до прежних пределов. При достижении максимального значения давления насосный агрегат также автоматически отключается. Таким образом, гидропневматическая установка работает циклически с промежутками между включениями насосов тем большими, чем меньше водопотребление в водопроводной сети.
Основным элементом комплекта гидропневматической установки являются водовоздушный бак и насос, определяющие режим работы установки. Как правило, гидропневматические установки должны быть оборудованы подающей, отводящей и спускной трубами, а также предохранительными клапанами, манометром, датчиками уровня воды и устройствами для пополнения и регулирования запаса воздуха. Объем гидропневматического бака и параметры других элементов автоматики в основном зависят от производительности установленного насосного агрегата, что определяет режим работы установки в целом и дает возможность независимо от многообразия типов насосов нормализовать подобные установки.
Автономные (отдельно-стоящие) объекты (жилые дома, дома отдыха, санатории, оздоровительные центры и т. п.), расположенные вне населенных пунктов, как правило, имеют самостоятельную систему водоснабжения. В Сибирском регионе такие объекты снабжаются водой из подземных источников и имеют одну или несколько (в зависимости от масштабов объекта) водозаборных скважин, объединенных в единую систему, либо образующих несколько обособленных друг от друга систем забора, накопления и распределения воды. Традиционные системы водоснабжения подобных объектов из подземных источников, как правило, в своем составе имеют (должны иметь) водонапорную башню, играющую роль аккумулятора воды или (чаще одновременно) регулятора напора в системе водоснабжения. Строительство и эксплуатация водонапорных башен в системах водоснабжения отдельно-стоящих объектов не во всех случаях является оправданным техническим решением, однако, как правило, всегда увеличивает стоимость строительства и эксплуатации системы водоснабжения объекта. Альтернативой подобному варианту служит система с гидропневматическими установками, выполняющими функцию водонапорной башни и имеющими значительно меньшую стоимость. Кроме того, такие установки могут устанавливаться на системах водоснабжения достаточно малой производительности, например, одного индивидуального жилого дома.
В Сибирском регионе подземные воды, используемые для хозяйственно-питьевого водоснабжения, должны подвергаться очистке в той или иной степени – в зависимости от качества забираемой из подземных источников воды. Как правило, подземную воду необходимо очищать от железа и, реже, марганца с доведением их остаточных концентраций до требуемых норм.
Опыт эксплуатации гидропневматических установок в системах водоснабжения объектов из подземных источников показывает, что, несмотря на стабильную и удовлетворительную работу установок в техническом плане, качество подаваемой воды в систему водопровода не соответствует нормам. Наблюдения за работой типовых установок показали, что в гидропневматическом баке со временем образуется осадок. Он свидетельствует о том, что растворенные в воде железо (Fe2+) и марганец (Mn2+) в баке частично (не полностью) окисляются кислородом, содержащимся в воздушной подушке бака, и в процессе гидролизации выпадают в оса-док. Следует отметить, что степень окисления растворенного железа и марганца зависит от частоты подкачки воздуха в гидропневмобак, однако во всех случаях ограниченный объем воздушной подушки и недостаточная степень обогащения ее атмосферным кислородом не позволяют достичь полного окисления растворенных в воде железа и марганца. Поэтому практически всегда вода поступает в систему водопровода объекта для хозяйственно-питьевых нужд ненадлежащего качества.
Чтобы решить эту проблему, для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения из подземных источников автономных объектов были разработаны и апробированы вариантные решения технологической схемы комплекса очистки воды на базе гидропневматической установки переменного давления (рис. 1). Комплекс работает в автоматическом режиме и не требует обязательного постоянного присутствия обслуживающего персонала.
Свежий воздух докачивается циклически в гидропневмобак компрессором, когда давление в нем падает до критического значения, несколько превышающего минимальное давление, при котором происходит включение скважинного насоса. При этом в баке имеется достаточный запас воды для обеспечения потребителя. Компрессор включается в работу автоматически системой (4). Одновременно система автоматики (4) открывает калиброванный клапан, через который в течение определенного периода времени (на это время в баке имеется запас воды и давления) происходит стравливание воздуха из бака, а компрессор в это время докачивает в бак свежий воздух, обогащенный кислородом. При достижении минимального давления в баке происходит включение скважинного насоса, а система автоматики закрывает стравливающий клапан и выключает компрессор. Подача воды из скважины в гидропневмобак (1) осуществляется через перфорированный трубопровод, который расположен выше уровня воды в баке на момент включения скважинного насоса. Разбрызгивание подаваемой из скважины воды происходит в воздушной подушке, за счет чего достигается необходимая аэрация воды и обогащение ее кислородом, необходимым для окисления растворенных форм железа и марганца.
Под избыточным давлением внутри гидропневмобака вода подается на фильтр (2) обезжелезивания воды, работой которого управляет система автоматики (5). В режиме нормального фильтрования вода из бака подается на фильтр сверху и отводится потребителю снизу. В режиме промывки фильтрующего материала вода подается снизу, обеспечивая взрыхление материала и его отмывку от нерастворимых соединений железа и марганца. Промывка фильтра осуществляется, как правило, в ночное время (управляется таймером), когда водоразбор минимален или отсутствует вовсе. Для промывки фильтра вода может подаваться непосредственно от скважины, для чего система (4) закрывает отсекающие задвижки (7) и (12) и открывает задвижку (9) для подачи воды на промывку фильтра. Грязная промывная вода от фильтра сбрасывается в канализацию. По окончании промывки (управляется таймером) система приводится в исходное состояние. Промывка фильтра также может осуществляться водой из гидропневмобака. Поскольку промывка осуществляется во время минимального водоразбора, в баке находится максимальное количество воды – достаточное для обеспечения потребителя и промывки фильтра под максимальным давлением. Система (5) переводит фильтр в режим промывки, а по ее окончании фильтр переводится в режим нормального фильтрования и вся система работает в обычном порядке.
2 вариант
Гидропневмобак оборудуется эжекторным узлом ввода воды из скважины, поэтому в данном варианте отпадает необходимость установки компрессора для закачки свежего воздуха. Эжектор снабжен воздушным клапаном, через который осуществляется эжекция свежего воздуха в момент подачи воды в бак. Аналогично 1-му варианту, при работе эжекторного узла система (4) включает на определенное время в работу стравливающий клапан для сброса обедненного кислородом воздуха воздушной подушки. Эжектор играет одновременно и роль смесителя подаваемой в бак воды и эжектируемого воздуха, что приводит к насыщению воды кислородом.
Через определенное время система (4) закрывает стравливающий клапан, и дальше работает так же, как в 1-м варианте.
3 вариант
Помимо гидропневмобака (1) с системой автоматического управления (4) насосным агрегатом скважины от реле давления и набором необходимых элементов для наблюдения и эксплуатации бака, напорного фильтра (2) очистки подземной воды с системой (5) автоматического управления его работой, комплекс оборудуется баллоном с чистым кислородом, снабженным редуктором давления, который подключен к эжекторному узлу (8) ввода воды в гидропневмобак. Комплекс целесообразно применять при повышенных концентрациях железа (до 15 мг/л) и марганца (до 0,5 мг/л), когда кислорода атмосферного воздуха, вводимого по технологии 1-го и 2-го вариантов, недостаточно для окисления их растворенных форм. Система аналогична 2-му варианту, но с той лишь разницей, что к воздушному клапану эжектора присоединена линия от баллона (3) с чистым кислородом. При работе скважинного насоса в воду эжектируется кислород, стравливаемый через редуктор из баллона. Чистый кислород способствует интенсивному окислению железа и марганца, которые в гидратированном виде выделяются на фильтре. Опыт работы аналогичной гидропневматической установки в системе водоснабжения индивидуального жилого дома с водопотреблением до 5 м3/сут и при содержании железа и марганца 8 мг/л и 0,3 мг/л соответственно показал, что запаса кислорода одного баллона хватает на 6–8 месяцев при нормальной культуре эксплуатации и обслуживания водоочистного комплекса.
4 вариант
Когда по каким-либо причинам отсутствует возможность установки компрессора или эжекторного узла для подкачки воздуха или кислорода из баллона в гидропневмобак систему можно выстроить в двух вариантах.
4а. Воздушный клапан устанавливается непосредственно на корпусе гидропневмобака и к нему присоединяется линия от баллона с кислородом. Редуктор баллона регулируется таким образом, что воздушный клапан срабатывает под действием выходного давления баллона кислорода, когда давление внутри гидропневмобака несколько превышает минимальное давление, при котором происходит включение скважинного насоса, при этом в баке имеется достаточный запас воды для обеспечения потребителя. Кислород из баллона стравливается в гидропневмобак, одновременно система автоматики (4) открывает на определенное время клапан стравливания воздуха из бака и таким образом воздушная подушка обогащается кислородом, необходимым для процесса окисления. При достижении минимального давления в баке, на которое отрегулировано реле давления системы (4) происходит включение скважинного насоса и закрывается стравливающий клапан. Когда давление внутри бака превышает выходное давление редуктора баллона (3) воздушный клапан запирается и поступление кислорода из баллона в гидропневмобак прекращается. Далее комплекс работает так же, как и в других вариантах.
4б. Систему целесообразно использовать на неглубоких скважинах (до 25 м) и при небольшом диаметре водоподающей трубы (до 40 мм), когда отсутствует возможность установки компрессора или эжекторного узла. Согласно этому варианту, воздушный клапан устанавливается на трубопроводе за обратным клапаном от гидропневмобака. К клапану присоединяется линия от баллона с кислородом.
Когда работает скважинный насос, воздушный клапан заперт давлением воды. При достижении максимального давления в баке скважинный насос отключается, обратный клапан (8) запирается, а вода, находящаяся в подающей трубе (6), «скатывается» в скважину. Воздушный клапан открывается выходным (отрегулированным) давлением баллона с кислородом и в свободный объем водоподъемной трубы стравливается кислород из баллона. В момент очередного включения скважинного насоса воздушный клапан запирается, а богатая кислородом воздушная смесь вытесняется в гидропневмобак, обогащая его воздушную подушку кислородом, который затем используется для окисления железа и марганца в воде, поступающей в бак. Далее комплекс работает аналогично предыдущим вариантам. Следует отметить, что данный вариант не является экономичным в отношении расходования кислорода, т. к. при небольшом водоразборе или при его отсутствии «стравленный» в водоподающую трубу кислород «не работает» и может способствовать коррозии трубопровода. В данном случае желательно использование трубопроводов из коррозионно-стойких материалов.
Во всех разработанных вариантах технологической схемы водоочистного комплекса на базе гидропневматической установки промывка фильтра может осуществляться одним из следующих способов:
- 1 вариант – комбинированная водовоздушная промывка «сырой» (необработанной) водой непосредственно от водозаборной скважины в течение 15 мин. Целесообразна, когда в состав гидропневматической установки входит компрессор;
- 2 вариант – промывка «сырой» (необработанной) водой непосредственно от водозаборной скважины в течение 10–12 мин.;
- 3 вариант – промывка водой (как правило, в ночное время) из гидропневмобака в течение 10–12 мин.;
- 4 вариант (предпочтительный) – кратковременно-импульсная промывка «сырой» (необработанной) водой непосредственно от водозаборной скважины [5] в течение 5–7 мин.
Установлено [5], что кратковременно-импульсная промывка фильтров обезжелезивания подземных вод является наиболее экономичным технологическим приемом, позволяющим экономить до 15–33 % в сравнении с обычной водяной промывкой, а продолжительность промывки при этом сокращается в 1,5–2 раза.
В отличие от традиционных систем водоснабжения со станциями обезжелезивания воды, предлагаемая система очистки подземных вод на базе гидропневматических установок может непосредственно запитываться водой от водозаборных скважин, работа которых автоматизируется. При этом реализуемая технология обезжелезивания-деманганации воды обеспечивает надлежащую очистку подземных вод до требуемых норм питьевого стандарта [4]. Разработанная система позволяет обеспечивать автоматическую работу водоочистного комплекса в условиях неравномерности водоразбора в системе водоснабжения отдельно стоящих объектов.
