Эффективность микрофильтрации на дисковых фильтрах с тканевым фильтрополотном при очистке воды поверхностных водоисточников от фитопланктона

Кевбрина М.В., Гаврилов Д.В., Столярова Е.А., Стрихар Ю.В., Агарев А.М., Климова Н.Н.

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

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

Столярова Елена Александровна, начальник отдела - главный технолог Управления водоснабжения, АО «Мосводоканал»,
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., д. 2, тел.: +7 (499) 263-92-04, e-mail: stoliarova_ea@mosvodokanal.ru

Стрихар Юлия Владимировна, главный специалист Управления водоснабжения, АО «Мосводоканал»,
105005, Россия, Москва, Плетешковский пер., д. 2, тел.: +7 (499) 263-91-89, e-mail: strikhar_yv@mosvodokanal.ru

Агарев Антон Михайлович, начальник Инженерно-технологический центр 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

Климова Наталия Николаевна, начальник отдела главного технолога Рублёвской станции водоподготовки, АО «Мосводоканал»,
121500, Россия, Москва, ул. Василия Ботылёва, д.1, тел.: +7 (499) 727-32-15, e-mail: klimova_nn@mosvodokanal.ru

В АО «Мосводоканал» проведены испытания пилотной установки микрофильтрации на базе дискового фильтра с тканевым фильтрополотном, предоставленной АО «НПК Медиана-Фильтр». Испытания проводились без использования реагентов на москворецкой воде. Результаты исследований показали, что микрофильтрация на дисковых фильтрах с фильтротканью может быть перспективным методом снижения фитопланктона (до 50%) из маломутных эвтрофицированных вод.

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 и технологий – порошкообразного активированного угля и методов озоносорбции. Использование порошкообразного угля затрудняет работу стадии осветления: необходимы повышенные дозы коагулянтов и флокулянтов, более частый сброс водопроводного осадка и уменьшение длительности фильтроцикла, что приводит к дополнительным затратам.

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/час, гидравлическая нагрузка составляла 3,5 – 9,3 м/час. 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%). При этом расход промывной воды понижался с уменьшением содержания фитопланктона в исходной воде, а эффективность удаления фитопланктона увеличивалась. 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 хоть и увеличивало эффективность фильтрации, однако повышало стоимость процесса очистки [1].

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, увеличивая эффективность задержания взвеси. Принцип объемного фильтрования реализован в фильтровальных установках, предлагаемях 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 фильтре с тканевым фильтрополотном без добавления реагентов.

В 2021 году на Рублевской станции водоподготовки (РСВ) были проведены испытания на автоматизированной пилотной установке дисковой фильтрации АО «НПК Медиана-Фильтр» (Россия) с тканевым фильтрополотном от фирмы Mecana Umwelttechnik GmbH (Швейцария). Фильтрующая возможность установки сопоставима по своей производительности с фильтрами с порами до 10 микрон, 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 фильтрополотна реализован принцип объемного фильтрования. Схема установки и внешний вид приведены на рисунках 1, 2.

Вода, подлежащая фильтрованию, в самотечном режиме поступала в фильтр и проходила от внешней стороны диска во внутреннюю через тканевое полотно. Взвешенные и другие загрязняющие вещества накапливались на внешней стороне ткани, и уровень воды внутри фильтра начинал расти. Процесс обратной промывки запускался датчиком уровня воды. Во время процесса обратной промывки диск вращался, а твердые частицы удалялись всасыванием насоса. Собранные загрязнения отводились через систему сбора взвесей. Во время обратной промывки, установка работала без остановки фильтрации. Твердые вещества, которые оседали на дне резервуара, накапливались и выгружались насосом в заданные циклы. Во время процесса сброса осадка, установка работала без остановки фильтрации. Площадь фильтрации – 2 м². При среднем расходе воды на установку 5 м³/час фильтроцикл составлял 24 часа, время промывки - 35 минут, гидравлическая нагрузка - 2,5 м/ч. Расход воды на промывку фильтра с тканевым фильтрополотном составлял 0,31 % от расхода воды на фильтр.

Испытания пилотного фильтра АО «НПК Медиана-Фильтр» с тканевым фильтрополотном проводились в течение 2-х недель в сентябре 2021 года на москворецкой воде из водоводов насосной станции 1-го подъема на РСВ. Об эффективности фильтрации судили по снижению уровня фитопланктона и мутности.

В этот период москворецкая вода характеризовалась цветностью 16 градусов, перманганатной окисляемостью 4,5 мгО/л, содержанием взвешенных веществ 5 мг/л и мутностью 3,4 мг/л. В период испытаний установки в воде р. Москвы не было интенсивного цветения водорослей и содержание клеток фитопланктона было зафиксировано порядка 10 тысяч кл/см³.

В процессе фильтрации снижение взвешенных веществ происходило на 56,4%, мутности на 57,7%. Снижение общей численности фитопланктона во время фильтрации происходило в среднем на 20 - 30 % и в отфильтрованной воде составляло порядка 6-8 тысяч кл/см³ (таблица 1). В отдельные моменты максимальная эффективность составляла 50%. Среди всех групп фитопланктона основное количество в этот период было представлено сине-зелеными водорослями, составляющими 69-84% от общего количества клеток. Основным преобладающим видом являлся Aphanizomenon flosaquae Ralfs ex Bornet ₰Flahailt. Зеленые водоросли составляли 10 - 16 % общей численности, диатомовые – 5 - 15%. Среди видов диатомовых водорослей преобладали виды рода Stephanodiscus. Золотистые водоросли и прочие (в том числе евгленовые) были в очень небольшом количестве и составляли 0,8 - 1 и 1-1,5% от общей численности. Расчет эффективности удаления (% снижения концентрации) при фильтрации проводился только диатомовых, зеленых и сине-зеленых водорослей, так как при подсчете численности золотистых и прочих водорослей велика ошибка из-за малой численности клеток.

Таблица 1. Численность и эффективность удаления разных групп фитопланктона во время фильтрации

Наилучшим образом удалялись клетки диатомовых водорослей Диатомовые водоросли рода Stephanodiscus имеют крупные размеры клеток от 7 до 14 мкм [2], поэтому они лучше других групп задерживаются на фильтрующем полотне. Эффективность удаления составила 38-59%.

Зеленые водоросли мельче диатомовых, их эффективность задержания была ниже и составляла 37 – 46%.

Самыми мелкими по размеру клеток являются сине-зеленые водоросли. Эффективность их удаления в испытаниях установки была низкая и составила 10- 28%. У преобладающего в воде во время испытаний установки вида Aphanizomenon flosaquae Ralfs ex Bornet & Flahault клетки цилиндрические с размерами в длину 4-12,1 мкм и в ширину 3,6-5,6 мкм, объединены в трихомы, которые заканчиваются более узкими, чем посередине, но не волосковидно-заостренными клетками. Толщина трихома до 5 мкм, длина может достигать 100 мкм. Акинеты (покоящиеся споры) могут достигать 80 мкм в длину (в среднем 30 – 62 мкм), шириной 5,2-7,5 мкм. Гетероцисты (утолщенные клетки клетки, где происходит фиксация атмосферного азота) имеют размеры в длину 6,6-8,5 и в ширину 5-8,5 мкм [3, 4, 5]. В поверхностных водах данный вид вегетирует в форме прямых, редко слегка изогнутых неразветвлённых нитей длиной преимущественно от 35 до 250 мкм. После прохождения насосов I-го подъёма длинные нити частично дробятся на нити меньшей длины [1]. При этом короткие нити могут легко проходить через поры фильтроткани, а длинные нити – нет.

Во время помывки фильтрополотна вакуумный насос оттягивает ворсистую часть полотна от основы ткани, в результате чего происходит увеличение размера пор объемного слоя фильтрования и резкое увеличение потока через микрофильтр вследствие создания разрежения внутри фильтровального барабана при промывке. Так как помывка фильтрополотна проходит без остановки фильтрации, то в увеличенные поры просачивается вода и возможно ухудшение качества фильтрации, длящееся до тех пор, пока под давлением воды ворсистая часть полотна снова плотно не приляжет к основе ткани и не образуются маленькие поры в объеме фильтрующего слоя. Поэтому было важно понять, насколько будет происходить во время промывки увеличение в отфильтрованной воде мутности и количества клеток фитопланктона. Для выяснения наличия проскока по мутности и фитопланктону во время помывки проводились отборы проб профильтрованной воды сразу после включения насоса помывки, в конце помывки и через несколько минут после окончания промывки. Было показано, что проскок возникает сразу после окончания помывки, достигает максимума к 5 минутам после промывки (увеличение мутности в 2 - 3 раза до 4,8 мг/мл, увеличение количества фитопланктона в 2,5 - 3,3 раза до 40 000 кл/мл), затем начинает спадать. Через 10 минут после промывки мутность стала ниже в 1,2 раза по сравнению с максимальным значением, количество фитопланктона - в 1,7 раза. Некоторая инерционность процесса нарастания концентрации загрязнений связана с замещением чистого фильтрата в фильтровальном барабане. В связи с тем, что фильтроцикл составляет 24 часа, проскок в течение 10 минут за цикл не будет оказывать значимого влияния на эффективность очистки.

Зависимость эффективности фильтрации от точки фильтроцикла (начало, середина, конец) выявить не удалось. Не было выявлено четкой зависимости между содержанием фитопланктона и временем отбора образцов как внутри одного фильтроцикла, так и между разными фильтроциклами. Эффективность оставалась на уровне 20-30%.

В связи с тем, что во время испытаний в воде была достаточно низкая концентрация фитопланктона, оценить эффективность работы установки на цветущей воде с высоким содержанием водорослей не удалось. Предположительно при высоких концентрациях фитопланктона эффективность удаления клеток водорослей может повышаться за счет создания более плотного фильтрующего слоя в объеме фитльтрополотна.

Сравнение данных с раннее полученными данными для фильтрациии на дисковом на микрофильтре DynaDisc с сеткой 10 мкм [1], где без добавления реагентов было зафиксировано снижение концентрации фитопланктона на 31-45%, показывает, что фильтрация на пилотной установке дисковой фильтрации АО «НПК Медиана-Фильтр» (Россия) с тканевым фильтрополотном без добавления реагентов проходит с аналогичной эффективностью (20-30%, с максимальным значением 50%). Пи этом надо учитывать, что концентрация фитопланктона во время проведения испытаний на микрофильтре DynaDisc была в 2-3 раза выше, чем во время испытаний пилотной установки АО «НПК Медиана-Фильтр», что могло обусловить более высокую эффективность фильтрации. Необходимо отметить, что тканевый фильтр в отличие от сетчатого микрофильтра полностью погружен в воду и фильтрование проходит полной поверхностью, что обуславливает его большую производительность и, соответственно, меньшие габариты. Данные свидетельствуют о том, что принцип объемного фильтрования для удаления фитопланктона не менее перспективен, чем плоское фильтрование на ситах с определенной пористостью (диаметр пор 10 мкм).

Выводы.
Результаты исследований, проведенных на москворецкой воде, показали, что микрофильтрация на дисковых фильтрах с тканевым фильтрополотном (ворсом) может быть перспективным методом снижения фитопланктона (до 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. //ВодаMagazine, Январь 2014, №1 (77), стр. 36-43.

2. Генкал С. И., Бондаренко Н. А.. Диатомовые водоросли горных озер Джергинского заповелника (Прибайкалье). 1. Centrophyceae, //Поволжский экологический журнал, 2011, № 2, стр. 127 – 136.

3. Водоросли : Цианобактерии, красные, зеленые и харовые водоросли : учеб.-метод. пособие / А. Г. Пауков, А. Ю. Тептина, Н. А. Кутлунина, А. С. Шахматов, Е. В. Павловский ; [под общ. ред. А. Г. Паукова] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 204 с.

4. http://nordicmicroalgae.org/taxon/Aphanizomenon%20flos-aquae?media_id=Aphanizomenon%20flos-aquae_2.jpg

5. 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 volume 41, Article number: 6 (2017)