М. В. Кевбрина1, Д. В. Гаврилов2, Е. А. Столярова3, Ю. В. Стрихар4, А. М. Агарев5, Н. Н. Климова6
1 Кевбрина Марина Владимировна, кандидат биологических наук, начальник отдела очистки сточных вод, Инженерно-технологический центр Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-50, e-mail: kevbrina_mv@mosvodokanal.ru
2 Гаврилов Дмитрий Валерьевич, начальник Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-93-64, e-mail: gavrilov_dv@mosvodokanal.ru
3 Столярова Елена Александровна, начальник отдела – главный технолог Управления водоснабжения, АО «Мосводоканал»
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 2, тел.: +7 (499) 263-92-04, e-mail: stoliarova_ea@mosvodokanal.ru
4 Стрихар Юлия Владимировна, главный специалист Управления водоснабжения, АО «Мосводоканал»
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., 2, тел.: +7 (499) 263-91-89, e-mail: strikhar_yv@mosvodokanal.ru
5 Агарев Антон Михайлович, начальник Инженерно-технологического центра Управления новой техники и технологий, АО «Мосводоканал»
115487, Россия, Москва, проспект Андропова, 38, корп. 4, тел.: +7 (499) 263-16-51, e-mail: agarev_am@mosvodokanal.ru
6 Климова Наталия Николаевна, начальник отдела главного технолога Рублевской станции водоподготовки, АО «Мосводоканал»
121500, Россия, Москва, ул. Василия Ботылева, 1, тел.: +7 (499) 727-32-15, e-mail: klimova_nn@mosvodokanal.ru
В АО «Мосводоканал» проведены испытания автоматического самопромывного дискового ворсо-волоконного микрофильтра DynaCloth на москворецкой воде. Испытания проводились в периоды интенсивного развития фитопланктона без использования реагентов. Площадь фильтрующей поверхности фильтра составляла 0,45 м2. При расходе воды 4–8 м3/ч гидравлическая нагрузка составляла 9–18 м/ч. На промывку расходовалось воды в объеме 1,1 – 3,3% от расхода воды на установку в зависимости от типа фильтровальной ткани. В москворецкой речной воде в разные периоды преобладали разные виды водорослей. В целом в пик численности диатомовых водорослей снижение их концентрации при фильтровании составило не более 53%. Снижение численности зеленых водорослей в пик их развития происходило на 56–60%, сине-зеленых водорослей – на 36%. Клетки диатомовых водорослей и ценобии зеленых водорослей имеют более крупные размеры, чем сине-зеленые клетки, поэтому эффективность их задержания на фильтре была выше, чем сине-зеленых водорослей. Результаты исследований, проведенных на москворецкой воде, показали, что микрофильтрация на дисковых фильтрах с ворсо-волоконной фильтротканью может быть перспективным методом удаления фитопланктона (около 50%) из маломутных эвтрофицированных вод.
Ключевые слова: речная вода, фитопланктон, микроводоросли, дисковая фильтрация, дисковый ворсо-волоконный микрофильтр.
Сезонное развитие микроводорослей в Москворецком и Волжском водоисточниках существенно осложняет работу московских станций водоподготовки. Жизнедеятельность микроводорослей приводит к появлению у воды различных неприятных и трудноудаляемых привкусов и запахов, в борьбе с которыми требуется применение современных дорогостоящих реагентов (повышенные расходы коагулянта, флокулянта, порошкообразного активированного угля), специальных технологий и методов озоносорбции. Использование порошкообразного угля затрудняет работу стадии осветления, требуется более частый сброс водопроводного осадка из отстойников и сокращение длительности фильтроцикла, также необходимы повышенные дозы коагулянтов и флокулянтов. Все это приводит к дополнительным затратам и в целом к увеличению себестоимости питьевой воды.
Одним из перспективных методов удаления микроводорослей является механическая ситовая микрофильтрация. Перед поступлением на очистные сооружения вода проходит через фильтры, на которых задерживается большая часть фитопланктона. Оставшееся количество удаляется на основных этапах водоподготовки. Такой подход позволяет максимально эффективно и с минимальными затратами снижать количество фитопланктона в питьевой воде. Автоматизированные установки микрофильтрации характеризуются высокой производительностью, повышенной грязеемкостью, надежностью и экономичностью (количество промывной воды составляет 1–3% от объема фильтрата).
В АО «Мосводоканал» на Рублевской и Восточной станциях водоподготовки уже проводились работы по изучению микрофильтрации воды поверхностных водоисточников на пилотной установке с дисковым микрофильтром DynaDisc (Nordic Water Products AB, Швеция) [1]. Фильтрация проходила через полиэфирную сетку с диаметром пор 10 мкм, с площадью фильтрующей поверхности 2,8 м2, с расходом воды 10–26 м3/ч, гидравлическая нагрузка составляла 3,5–9,3 м/ч. Эффективность микрофильтрации без применения реагентов была достаточно низкой: мутность снижалась на 19–36%, содержание фитопланктона уменьшалось на 31–45%, цветность и перманганатная окисляемость изменялись незначительно. Достоинством безреагентного режима являлся низкий расход промывной воды (менее 1%), причем этот расход снижался с уменьшением содержания фитопланктона в исходной воде, а эффективность удаления фитопланктона повышалась.
Добавление в воду флокулянта с дозой 0,15–0,3 мг/л повысило эффективность очистки по мутности и фитопланктону до 33–56 и 47–87% соответственно. При этом немного увеличился расход промывной воды (до 1,4%). Добавление флокулянтов и коагулянтов, хотя и повышало эффективность фильтрации, однако увеличивало стоимость процесса очистки [1].
В последнее время появилось новое направление в дисковой фильтрации – использование ворсо-волоконной ткани с объемным принципом фильтрования: микроволокна фильтроткани, расположенные определенным образом, под действием напора воды плотно прижимаются, создавая мелкие поры, позволяющие удерживать взвесь. В объемном фильтровании взвесь удерживается не только на поверхности фильтра, как при плоском фильтровании, но и в его объеме, повышая эффективность задержания взвеси. Принцип объемного фильтрования реализован в фильтровальных установках, предлагаемых компаниями Nordic Water Products AB (Швеция), Huber Technology (Германия), Mecana Umwelttechnik GmbH (Швейцария).
Целью данной работы было оценить эффективность фильтрации фитопланктона москворецкой речной воды на ворсо-волоконном фильтре без добавления реагентов.
В 2019 г. на Рублевской станции водоподготовки были проведены испытания на автоматизированной пилотной установке ворсо-волоконной дисковой фильтрации DynaCloth (Nordic Water Products AB, Швеция). Фильтрующая возможность установки сопоставима по своей производительности с фильтрами с размером пор до 10 мкм, однако фильтрующая поверхность за счет своей структуры волокон способна удерживать и более мелкие частицы (до 5 мкм) по мере нарастания на фильтрующей поверхности более крупных водорослей и взвешенных веществ. В данном типе фильтроткани реализован принцип объемного фильтрования.
Фильтр представлял собой резервуар, внутри которого располагался диск с натянутой на него с двух сторон ворсо-волоконной тканью. Вода, подлежащая фильтрованию, в самотечном режиме поступала в фильтр и проходила через ворсо-волоконную ткань c внешней стороны фильтровальных дисков во внутреннюю и выводилась по трубе из фильтра. Взвешенные и другие загрязняющие вещества накапливались на внешней стороне ворсо-волоконной ткани, увеличивая сопротивление ткани процессу фильтрации, и уровень воды внутри корпуса фильтра начинал расти. Процесс обратной промывки запускался датчиком уровня воды или таймером. Во время обратной промывки диск вращался, а твердые частицы удалялись всасыванием насоса с внешней стороны фильтроткани. Собранные загрязнения отводились через систему сбора взвесей. Во время обратной промывки установка DynaCloth работала без остановки фильтрации. Твердые вещества, которые оседали на дне резервуара, накапливались и выгружались насосом в заданные циклы. Во время процесса сброса осадка установка DynaCloth работала без остановки фильтрации.
Испытания пилотного ворсо-волоконного фильтра DynaCloth проводились с апреля по октябрь 2019 г. на Рублевской станции водоподготовки на москворецкой воде из водоводов насосной станции первого подъема. Эффективность фильтрации оценивали по снижению уровня фитопланктона и мутности.
Испытания проводились на фильтрующей ткани двух типов, отличающихся степенью ворсистости, сначала на типе 1 с мая по август 2019 г., затем в сентябре на типе 2. Внешний вид установки и фильтроткани приведен на рисунке.
Площадь фильтрующей поверхности фильтра составляла 0,45 м2. При расходе воды 4–8 м3/ч гидравлическая нагрузка составляла 9–18 м/ч. Необходимо отметить, что в отличие от сетчатых фильтров на ворсо-волоконных фильтрах фильтрация происходила снаружи внутрь, при этом диск полностью погружен в воду, то есть фильтрация осуществлялась постоянно полной поверхностью, что делает фильтр более компактным по сравнению с частично погруженными фильтрами.
Изучение зависимости продолжительности фильтроцикла от подаваемой нагрузки показало, что при нагрузке 9 м/ч (расход воды на установку 4 м3/ч) длительность фильтроцикла составила 39 минут 10 секунд, при этом промывка заняла 45 секунд. При увеличении нагрузки до 13 м/ч (расход воды 6 м3/ч) длительность фильтроцикла снизилась до 35 минут 45 секунд, а время промывки увеличилось до 1 минуты 10 секунд. Дальнейшее увеличение нагрузки до 16 м/ч (расход воды 7 м3/ч) привело снижению продолжительности фильтроцикла до 26 минут 13 секунд и увеличению времени помывки до 1 минуты 37 секунд. При нагрузке 18 м/ч фильтр так быстро забивался взвесью, что вышел в режим непрерывной промывки. Дальнейшие исследования проводились при гидравлической нагрузке 10–13 м/ч.
При использовании фильтрополотна с менее ворсистой фильтротканью (май–август 2019 г.) на промывку расходуется 1,1% от расхода воды на установку. При фильтрации с более ворсистой фильтротканью (сентябрь 2019 г.) объем промывной воды увеличивается до 3,3%.
В мае 2019 г. москворецкая вода имела мутность 6–8 мг/л, общую численность фитопланктона – в пределах 40000–60000 кл/мл. Среди разных групп водорослей преобладали диатомовые, составляющие 60–80% от общей численности и представленные видом Stephanodiscus hantzschii Grun. В этот период в воде зеленые водоросли составляли 12–16% т общей численности фитопланкотона, золотистые – 2–4%, сине-зеленые – 2–4%. Фильтрация на ворсо-волоконном фильтре DynaCloth позволила снизить в воде содержание общей численности фитопланктона на 34–58%, диатомовых водорослей – на 37–53%, зеленых – на 12–60%. Остальные группы водорослей были представлены низким содержанием (ниже 1000 кл/мл), что дало большой разброс в данных по подсчету клеток и приводило к некорректным расчетам снижения численности. Мутность при фильтрации снижалась на 44–53%.
В июне–июле 2019 г. в воде стали преобладать зеленые водоросли, представленные видом Scenedesmus quadricaudа Chod. Общая численность фитопланктона оставалась в пределах 40000–60000 кл/мл. Зеленые водоросли в этот период составили 56–60% от общей численности фитопланкотона, сине-зеленые – 7–27%, диатомовые – 8–16%. Снижение численности при фильтрации для зеленых водорослей происходило на 56–60%, для сине-зеленых – на 7–27%, для диатомовых на – 8–16%, общей численности – на 46–60%. Мутность при фильтрации снижалась на 47–55%.
В августе 2019 г. в воде стали преобладать сине-зеленые водоросли, представленные видом Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs. В начале августа численность оставалась в таком же интервале 40000–60000 кл/мл, так же, как и мутность 6–8 мг/л. Сине-зеленые водоросли в этот период составили 40–60% от общей численности фитопланкотона, зеленые – 15–35%, диатомовые – 4–8%. Снижение численности при фильтрации для сине-зеленых водорослей происходило на 40–62%, для зеленых – на 8–38%, для диатомовых – на 39–67%, общей численности – на 42–55%. Мутность при фильтрации снижалась на 41–46%.
Во второй половине августа в течение нескольких дней (с 13 по 20 августа) наблюдался всплеск численности фитопланктона (цветение) до 285000 кл/мл. В этот момент значительно (до 8 раз) выросла концентрация сине-зеленых водорослей и составила до 80% от общей численности фитопланктона. Содержание остальных групп водорослей выросло в 1,5–2 раза, но в процентном соотношении осталось на прежнем уровне – 4% для диатомовых, 14% для зеленых. Мутность возросла до 18 мг/л. Процесс фильтрации позволил снизить мутность на 71%. Необходимо отметить, что, несмотря на высокое содержание водорослей, эффективность их удаления при фильтрации в этот момент осталась прежней и не превысила 55%. Численность преобладающих сине-зеленых водорослей снизилась на 36%.
В начале сентября 2019 г. общая численность фитопланктона снизилась и находилась в интервале 22000–47000 кл/мл, далее в конце сентября – начале октября количество клеток фитопланктона колебалось от 13000 до 35000 кл/мл. Преобладающими в составе групп фитопланктона остались сине-зеленые водоросли (до 80% от общей численности), представленные в основном видом Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs. Мутность воды стала 3,6 мг/л. В этот период в течение двух недель установка работала с фильтротканью типа 2. С данным типом фильтроткани было получено снижение общей численности фитопланктона на 59–91% (в среднем 83%), сине-зеленых водорослей – на 77–93%, диатомовых – на 75–87%, зеленых – на 55–87%. Мутность снизилась на 71–88%.
В связи с окончанием цветения водорослей провести испытания фильтра с фильтротканью типа 2 на воде с высокими концентрациями фитопланктона не удалось. Поскольку не было получено статистически достоверной выборки (короткий срок испытаний, низкая численность фитопланктона), данные для фильтроткани типа 2 можно рассматривать как основание для последующего проведения длительных исследований и считать этот тип фильтроткани как потенциально более перспективный для удаления фитопланктона.
За время испытаний фильтра в разные периоды преобладали разные группы водорослей, характеризующиеся разными размерами клеток. В мае 2019 г. было отмечено преобладание диатомовых водорослей, представленных видом Stephanodiscus hantzschii Grun. Диатомовые водоросли рода Stephanodiscus имеют крупные размеры клеток – от 7 до 14 мкм [2]. При этом, по многолетним наблюдениям гидробиологов Рублевской станции водоподготовки, в р. Москве наиболее характерно преобладание крупных размеров клеток (до 30 мкм) S. hantzschii в начале весенней вспышки численности (конец апреля – май), а значительное измельчание – в начале июня [1]. Зеленые водоросли преобладали в воде р. Москвы в июне–июле 2019 г. Клетки Scenedesmus quadricaudа имеют толщину 3,5–7 мкм, длину 11–18 мкм [3; 4], при этом часто срастаются в ценобии (пластинки из 4–8 клеток), которые всегда в двух измерениях из трех имеют размер значительно больше 10 мкм. В августе 2019 г. в воде р. Москвы преобладали сине-зеленые водоросли, представленные видом Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs. Клетки этого вида имеют толщину порядка 4–6 мкм и длину 4–12 мкм [5; 6]. В поверхностных водах данный вид вегетирует в форме прямых, редко – в форме слегка изогнутых неразветвленных нитей длиной преимущественно от 35 до 250 мкм. После прохождения насосов первого подъема длинные нити в значительной степени дробятся на нити меньшей длины [1]. При этом короткие нити могут легко проходить через поры фильтроткани, а длинные нити – нет.
Таким образом, в москворецкой речной воде в разные периоды преобладали водоросли, имеющие крупные размеры клеток или конгломератов, что позволяет им задерживаться на фильтрополотне при фильтрации. В целом в пик численности диатомовых водорослей снижение их концентрации при фильтровании на фильтрополотне типа 1 составило не более 53%. Снижение численности зеленых водорослей в пик их развития происходило на 56–60%, сине-зеленых водорослей – на 36%. Клетки диатомовых водорослей и ценобии зеленых водорослей имеют более крупные размеры, чем сине-зеленые клетки (толщина нитей 5 мкм), поэтому эффективность их задержания на фильтре выше, чем сине-зеленых водорослей.
Сравнение данных с раннее полученными данными для фильтрации на дисковом микрофильтре DynaDisc с сеткой с размером пор 10 мкм [1], где без добавления реагентов было зафиксировано снижение концентрации фитопланктона на 31–45%, показывает, что фильтрация на ворсо-волоконном дисковом микрофильтре DynaCloth без добавления реагентов проходит более эффективно (до 53%). При этом ворсо-волоконный фильтр, в отличие от сетчатого микрофильтра, полностью погружен в воду, и фильтрование проходит полной поверхностью, что обусловливает его большую производительность и, соответственно, меньшие габариты. Данные свидетельствуют о том, что принцип объемного фильтрования для удаления фитопланктона более перспективен, чем плоское фильтрование на ситах с фиксированной пористостью (диаметр пор 10 мкм).
Выводы
Результаты исследований, проведенных на москворецкой воде, показали, что микрофильтрация на дисковых фильтрах с ворсо-волоконной фильтротканью может быть перспективным методом удаления фитопланктона (около 50%) из маломутных эвтрофицированных вод.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козлов М. Н., Арутюнова И. Ю., Ягунков С. Ю., Арбузов Р. Ю., Абрамов С. В., Басихин П. В. Перспективный метод удаления фитопланктона. Эффективность микрофильтрации на дисковых фильтрах при очистке воды поверхностных водоисточников // Вода Magazine. Январь 2014. № 1 (77). С. 36–43.
2. Генкал С. И., Бондаренко Н. А. Диатомовые водоросли горных озер Джергинского заповелника (Прибайкалье). 1. Centrophyceae // Поволжский экологический журнал. 2011. № 2. С. 127–136.
3. Пауков А. Г., Тептина А. Ю., Кутлунина Н. А., Шахматов А. С., Павловский Е. В. / Под общей редакцией А. Г. Паукова. Водоросли: Цианобактерии, красные, зеленые и харовые водоросли. – Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2017. 204 с.
4. http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Chlorophyta/Scenedesmus/quadricauda/quadricauda_division.html#:~:text=Species%20%5B%20var.,%2Dwater%20Algae%2C%201977 (10.11.2021).
5. http://nordicmicroalgae.org/taxon/Aphanizomenon%20flos-aquae?media_id=Aphanizomenon%20flos-aquae_2.jpg (10.11.2021).
6. Hui Seong Ryu, Ra Young Shin, Jung Ho Lee. Morphology and taxonomy of the Aphanizomenon spp. (Cyanophyceae) and related species in the Nakdong River, South Korea // Journal of Ecology and Environment. 2017. V. 41. Article number: 6.
