Некоторые тенденции развития современных водохозяйственных комплексов

Виктор Головин,
кандидат технических наук, заместитель директора по научной работе ФГУП «ДальНИИГиМ»,
профессор строительного института Дальневосточного государственного технического университета

В настоящее время в отечественной практике водоподготовки контроль технологических параметров в большинстве случаев осуществляется посредством лабораторных анализов. Основ­ные недостатки этого метода - длительность и трудоемкость про­цесса. Следует отметить и практически полное отсутствие на действующих водоочистных комплексах систем автоматизиро­ванного регулирования запорной арматуры и средств дозирования реагентов. Это зачастую лишает возможности службы эксплуатации оперативно управлять процессами водоподготов­ки, приводит к неоправданному перерасходу реагентов, снижает надежность работы сооружений, не гарантируя при этом ста­бильной и достаточной степени очистки воды.

Так, на Дальнем Востоке только в Хабаровске на комплексе водоподготовки используется система ав­томатизированного контроля качест­ва воды с элементами централизо­ванного управления режимом работы очистных сооружений. При этом в развитых странах основные направ­ления совершенствования систем водоснабжения в настоящее время оп­ределяются быстро развивающимися средствами автоматизации техноло­гических процессов, возможностями современных средств программиро­вания, постоянно обновляющимся высокоточным приборным оборудо­ванием, созданием высокоэффектив­ных химических реагентов, используемых при очистке природных вод. Ска­жем, системы водоснабжения и, в частности, комплексы очистки при­родных вод некоторых городов в шта­тах Калифорния и Невада (США) во многом отражают общемировые за­кономерности развития технологий и технических средств водоподготовки. Особенности совершенствования та­ких систем, опыт эксплуатации со­временных водоочистных сооруже­ний и тенденции развития технологий должны учитываться в том числе и в практике отечественного водоснаб­жения.

В целом следует отметить, что, как и во многих других странах, в США развитие систем водоснабжения обусловлено процессами агломера­ции городов, довольно быстрым уве­личением численности их населения, прежде всего, за счет объединения с пригородами. Такое укрупнение сис­тем водоснабжения вызывает необ­ходимость долгосрочного планирова­ния их развития, обеспечения доста­точными водными ресурсами и создания резервов мощности. Этим вопросам действительно уделяется серьезное внимание, и резерв мощ­ности многих систем, в частности, очистных сооружений вполне доста­точен на ближайшую перспективу, а на некоторых комплексах водоподго­товки, например, на комплексе Фейрнберн (г. Сакраменто), и без то­го имеющем достаточный резерв, в настоящее время ведется строитель­ство дополнительной линии очистки. Такая же тенденция прослеживается и в ряде других государств. Напри­мер, в Южной Корее водоочистной комплекс г. Дайджона (Daejeon) имеет проектную производительность 600 тыс. м³/сут., в то время как фактичес­ки требуемая подача составляет не более 420 тыс. м³/сут. Причем в г. Дайджоне с численностью населе­ния более 1,5 млн. человек имеется три подобных комплекса водоподго­товки.

В условиях постоянно увеличива­ющегося общего объема водопотребления и при возрастающем дефиците водных ресурсов вполне закономер­но, что основными источниками во­доснабжения являются зарегулиро­ванные реки. Однако стремление ис­пользовать подземные воды, более защищенные в санитарном отноше­нии и более стабильные по многим по­казателям качества, хотя бы для час­тичного покрытия потребности в воде тоже наблюдается как общая тенден­ция. Здесь важно отметить, что ис­пользование ресурсов зарегулиро­ванных рек имеет свою особенность, связанную со стремлением сохранить естественный облик рек как природ­ных объектов. С этой целью благо­приятные с точки зрения работы водо­заборных сооружений гидрологичес­кие условия в створе водоотбора обеспечиваются попусками воды по руслам рек из систем водохранилищ. Причем режим попусков проводится обязательно с учетом интенсивности их наполнения и сработки, что контро­лируется специальной диспетчерской службой и управляется в зависимости от состояния всего водохозяйствен­ного комплекса.

Наличие водохранилищ, объеди­ненных в единую систему, для водо-обеспечения, например, крупных го­родов США (Сакраменто, Сан-Фран­циско, Рино) и Южной Кореи ( Дайд-жон и Сеул) предопределяет повы­шенную устойчивость систем водо­снабжения к непредвиденным ситуа­циям, в частности,при неблагоприят­ных климатических условиях (продол­жительные бездождевые периоды ле­том, обильные осадки зимой и пр.). При этом регулируется не только гид­рологический режим рек, но и качест­во воды в месте водоотбора - на во­доочистные сооружения она поступа­ет уже с существенно сниженной мут­ностью (см. рис. 1). Такой способ эксплуатации водохранилищ снижает нагрузку на очистные сооружения по основным загрязняющим компонен­там, например, большую часть года мутность исходной воды, подаваемой на комплексы водоподготовки, не превышает 50 мг/дм³, что в конечном итоге упрощает задачу поддержания их высокоэффективной работы.

Кроме того, в США непосред­ственно у плотин на относительно ко­ротких участках трубопроводов уста­навливаются гидротурбины - созда­ются малые электростанции, которые объединены с общей системой энер­госнабжения городов, хотя и принад­лежат службам водоснабжения. Это позволяет существенно снижать зат­раты на водоподготовку. Примером такого оптимального решения водо-обеспечения с помощью системы больших и малых водохранилищ мо­жет служить водохозяйственный комплекс в Сан-Франциско. Основ­ным источником водоснабжения (80%

Из всего объема водоподачи) является водохранилище Хетч-Хетчи на реке Тулом. Водосборная площадь зани­мает значительную часть горного массива Сьерра-Невада, занимая практически большую часть террито­рии национального парка «Yosemite». Водохозяйственный комплекс вклю­чает 5 плотин и 4 гидроэлектростан­ции, обеспечивающие электроэнер­гией городские и пригородные ком­мунальные предприятия, железную дорогу и международный аэропорт.

Водообеспечение г.Дайджона (Южная Корея) осуществляется из системы четырех водохранилищ. Причем на р.Кымган применяется каскадное регулирование стока с ма­лыми водоподпорными плотинами на притоках. При высоте гребня плотины свыше 45 м забор воды производится крибом и по трубопроводу под гид­ростатическим давлением подается на водоочистной комплекс. Каскад­ное регулирование стока также спо­собствует существенному улучшению качества воды в месте водоотбора. Такой же тип водозаборных сооруже­ний применен на реках Сакраменто и Американ в г. Сакраменто.

В сферу деятельности водохозяй­ственных департаментов городских администраций Калифорнии входит обеспечение водой населения, эксплуатация системы канализации, а также сетей отвода ливневых и па­водковых вод. Например, в г. Сакра­менто штат сотрудников, работающих совместно с другими службами горо­да и с соответствующими органами регионального и государственного уровня, составляет более 490 чело­век. В г. Сакраменто с численностью населения более 380 тыс. человек имеется два водоочистных комплекса общей производительностью более 170 млн. м3 в год с водозаборными уз­лами на реках Американ и Сакрамен­то. Общая протяженность водопро­водных сетей составляет более 2400 км. Вода в систему подается как для питьевых целей, так и для бытового, производственного и коммерческого использования, а также для противо­пожарных и ирригационных нужд.

Климатические условия штатов Калифорния и Невада во многом оп­ределяют некоторые режимные осо­бенности работы системы водоснаб­жения. В частности, в летний засуш­ливый период года почти вдвое уве­личиваются объемы водопотребле-ния, поскольку существенная часть воды используется в ирригационных целях на орошение зеленых насажде­ний и гольфовых полей. Это приводит к соответствующему увеличению наг­рузки по расходу на сооружения во-доподготовки. В то же время для это­го периода характерно улучшение по­казателей качества, в частности, сни­жение мутности исходной воды в ре­ках. В холодный период года, когда температура воздуха, например, в г. Сакраменто не опускается ниже +10 °С, наблюдается обратная карти­на: повышается мутность речной во­ды в связи с выпадением обильных осадков, но сокращается водопо-требление. Эту ситуацию характери­зуют, например, изменения доз пер­вичного хлорирования на очистных сооружениях, (весной и летом они составляют 1,5-1,7 единиц на милли­он, осенью и зимой - 1,7-1,9).

Климатическими условиями опре­деляется и то, что практически все во­допроводные очистные сооружения в США и в Южной Корее выполняются открытыми способами (см. рис. 2), что существенно упрощает их конструкцию и снижает стоимость строительства. Хотя при этом атмос­ферные осадки и пыль в определен­ной степени могут влиять на ухудше­ние качества воды в сооружениях. От­сутствие промерзания грунтов также упрощает конструкцию сооружений и определяет минимальную глубину за­ложения труб, упрощает прокладку водопроводных сетей, их ремонт и замену, что существенно снижает эксплуатационные затраты.

Системы канализации традицион­но включают очистные сооружения глубокой переработки сточных вод, а канализационные сети обычно имеют большую протяженность. Например, в г. Сакраменто общая протяженность сетей составляет около 1800 км, и ра­бота их обеспечивается 50-ю насос­ными станциями перекачки сточных вод. Общая производительность сис­темы составляет 34 млн. м3 в год. Большое количество насосных стан­ций объясняется относительно спо­койным рельефом местности при большой протяженности сети и необ­ходимости прокладки самотечных ка­нализационных коллекторов со зна­чительным уклоном.

Большое внимание в городах уде­ляется ливневой канализации. В г. Сакраменто ливневка представляет собой систему самотечных и напор­ных трубопроводов протяженностью несколько сотен километров, включа­ет 45 тысяч дождеприемных колод­цев, а также более 100 км каналов и более 100 насосных станций, которые позволяют отводить ливневой сток в реки и озера. Особое значение в го­роде придается паводковому контро­лю, который проводится специальной службой водохозяйственного депар­тамента. Защита от затопления тер­ритории города во время сильных дождей и ливней обеспечивается системой дамб и водопонизительных установок - насосных станций.

Объемы финансирования на эксплуатацию, содержание и рекон­струкцию объектов водного хозяй­ства города, а также на реализацию проектов ремонта и расширения этих объектов ежегодно составляют значительные суммы. В частности, в Сак­раменто в 2003-2004 финансовом го­ду они составили около 100 млн. дол­ларов. В том числе на систему водо­снабжения расходы составили почти 54%, систему канализации - 16%, на ливневую канализацию - 29%. По статьям расходования указанных средств предполагалось использо­вать: на эксплуатацию и обслужива­ние примерно 45%, на капитальные улучшения - 18%, на общее управле­ние и административные расходы -19%, долги и займы - 17%.

Финансирование осуществляется преимущественно из бюджетов горо­дов и штатов, на программы развития возможно выделение средств из госу­дарственного бюджета или привлече­ние средств горожан за счет выпуска целевых займов и повышения налогов для строительства и расширения важ­нейших объектов. Примером могут служить проекты улучшения системы водоснабжения и качества воды г. Сакраменто, выполненные в 1957 году, когда целевой заем составил бо­лее 25 млн. долларов, а также строи­тельство нового водозабора на р. Сак­раменто в 2001 году.

Системы подачи и распределения питьевой воды и сети канализации ха­рактеризуются значительной протяженностью, что связано с традициями строительства отдельно стоящего жилья даже в больших городах. Это требует усложнения коммуникаций, в частности, строительства промежу­точных насосных стаций и развития системы напорно-регулирующих ем­костей на водопроводных сетях. Ука­занное обстоятельство соответствен­но усложняет управление такими сис­темами и обеспечение их работоспо­собности. Тем не менее, эти вопросы решаются посредством автоматиза­ции основных технологических про­цессов, включая дистанционное уп­равление запорно-регулирующей ар­матурой, насосными агрегатами, а также посредством оснащения эксплуатационного персонала сред­ствами оперативного ремонта.

Такая весьма важная особенность четко прослеживается на водоподго-товительных комплексах и сооруже­ниях очистки сточных вод, где с по­мощью современных средств контро­ля качества обрабатываемой воды при дистанционном управлении ар­матурой, дозаторами реагентов и де­зинфекторов (см. рис. 3), режимом работы отстойников и скорых фильт­ров достигается высокий технологи­ческий уровень. Оснащение таким оборудованием очистных комплексов позволяет контролировать ход про­цессов очистки на различных стадиях и своевременно реагировать на лю­бые изменения условий обработки воды, что обеспечивает высокую сте­пень очистки водных сред. Высокий технический уровень эксплуатации - замкнутый цикл управления процес­сами позволяет обходиться сравни­тельно небольшой общей численностью обслуживающего персонала. В частности, водоочистной комплекс «Фейрнберн» при производительнос­ти сооружений 350 тыс. м3/сут. обслу­живается двадцатью специалистами, включая персонал лаборатории мони­торинга качества воды.

На водопроводных очистных комп­лексах Южной Кореи технологичес­кий уровень также можно считать достаточно высоким, хотя при авто­матизированном управлении режи­мом работы сооружений не использу­ется мониторинг степени очистки во­ды на каждой ступени, а дозирование реагентов осуществляется на основе лабораторных анализов показателей качества после фильтров. Однако, например, на водоочистном комплек­се в г. Дайджоне при стабильно низ­кой мутности воды, подаваемой из системы водохранилищ, такого мони­торинга, как считают специалисты эксплуатирующей организации, не требуется. Это объясняется тем, что уже после седиментационной обра­ботки воды в горизонтальных отстой­никах качество ее оказывается впол­не удовлетворительным и по большин­ству показателей соответствует тре­бованиям, принятым в мировой прак­тике водоподготовки.

Водоочистной комплекс в г. Дайд­жоне (Южная Корея) представляет собой три типовых блока сооружений общей производительностью по 200 тыс. м3/сут. (см. рис. 4). В состав каж­дого из этих блоков входят миксеры с горизонтальным валом, горизонталь­ные отстойники с камерами хлопье-образования и скорые фильтры с зернистой загрузкой.

Большие объемы ежегодного строительства и ремонта водопро­водных сетей и очистных сооружений в США естественно требуют значи­тельных финансовых вложений, и та­кие средства всегда находятся, при­чем источники финансирования раз­нообразны. Уже наработанные прак­тикой схемы изыскания финансовых средств на развитие систем водо­снабжения и канализации, конечно же, во многом решают проблемы со­вершенствования и создания резер­вов мощности этих систем. Но здесь важно другое, а именно: программы развития систем водоснабжения и водоотведения всегда остаются чуть ли не самыми важными для админи­страций всех уровней.

Таким образом, комплексное ис­пользование рек, в том числе и для организации централизованного во­доснабжения наряду с отрицатель­ным антропогенным воздействием на их водность и качество воды приводят к необходимости определенных из­менений принципов водоотбора и ре­гулирования стока. В этой связи при развитии водохозяйственных комп­лексов в США большое внимание уде­ляется сохранению экологии рек как важнейших природных объектов. С этой целью аккумулирование воды осуществляется, например, в районе г. Сан-Франциско в системе водохра­нилищ, располагаемых в верховьях рек - основных притоков реки Тулом. Так же обеспечивается водоснабже­ние г. Сакраменто (Калифорния) и г. Рино (Невада). Водохранилища эксплуатируются в режиме попусков, при этом на протяжении продолжи­тельных засушливых периодов сохра­няется средняя водность рек, доста­точная для обеспечения оптимальных условий водоотбора, а качество воды, в частности, по содержанию взве­шенных веществ существенно улуч­шается за счет отстаивания воды в водохранилищах.

Технологические схемы, исполь­зуемые на комплексах водоподготов­ки в Калифорнии и Неваде (США), а также в Южной Корее, в целом можно считать классическими для мировой практики водоснабжения. Традицион­но в США (см. таблицу 1) такие схемы включают сооружения, обеспечиваю­щие седиментацию предварительно коагулированной взвеси, стабилиза­ционную обработку (поскольку при­родные воды имеют преимуществен­но низкий щелочной резерв) и фильт­рование через зернистую загрузку. При этом нельзя не отметить, что конструктивные решения водоочист­ных сооружений зачастую весьма оригинальны, например, на станции водоподготовки в г. Арнольд, где ис­пользуются фильтры с плавающей загрузкой.

На водопроводных очистных комп­лексах Южной Кореи технологичес­кий уровень также можно считать достаточно высоким, хотя при авто­матизированном управлении режи­мом работы сооружений не использу­ется мониторинг степени очистки во­ды на каждой ступени, а дозирование реагентов осуществляется на основе анализа показателей качества после фильтров. Однако, например, на во­доочистном комплексе в г. Дайджоне при стабильно низкой мутности воды такого мониторинга не требуется.

На комплексах водоподготовки различной производительности в Ка­лифорнии и Неваде прослеживается тенденция применения тонкослойно­го отстаивания как наиболее эффек­тивного, прежде всего в отношении возможности оперативного регули­рования степени очистки. Прогрес­сивные решения конструкции фильтровальных сооружений определяют­ся, в первую очередь, тем, что зер­нистая загрузка выполняется с убы­вающей по ходу движения очищае­мой воды крупностью. Общей тенден­цией совершенствования и развития технологий водоподготовки можно считать и применение мембранного фильтрования при обработке природ­ной воды.

Вопросам обеспечения надежной подачи воды высокого качества и обеспечения нормальной работы очистных сооружений при любых нештатных ситуациях также уделяет­ся достаточное внимание, в частнос­ти, все водопроводные комплексы ос­нащены резервными дизель-генера­торами в дополнение к обычно прак­тикуемому двухстороннему питанию электроэнергией. Перерывы в подаче воды считаются абсолютно недопус­тимыми, что для наших условий оста­ется лишь декларативным, редко ис­полняемым требованием норматив­ных документов.

Для многих водопроводных сис­тем Калифорнии и Невады характер­на высокая санитарная надежность водоочистных комплексов при том, что источники водоснабжения - во­дохранилища и реки непосредствен­но у водозаборных сооружений оста­ются популярными местами отдыха населения, вполне доступными для широкой публики. На водохранилище Поллок Пайнса располагается, нап­ример, лодочная станция (см. рис.1), а водозабор на р. Сакраменто осна­щен велосипедной дорожкой. Вокруг водохранилища г. Дайджона (Южная Корея) проложен популярнейший экскурсионный автобусный маршрут. Для публики оказывается достаточ­ным наличие предупреждающих над­писей о правилах поведения на таких объектах, чтобы исключить появление мусора на берегу. Жесткие же сани­тарные требования действуют только непосредственно на водоочистных комплексах. В то же время на этих комплексах в США и Южной Корее систематически проводятся ознакомительные экскурсии, выпускаются буклеты, широко популяризирующие вопросы очистки природных и сточ­ных вод.

Важнейшим элементом техноло­гии очистки природных вод для целей хозяйственно-питьевого водоснаб­жения на комплексах водоподготовки в Калифорнии и Неваде является ав­томатизированный контроль показа­телей качества воды. Проведение та­кого непрерывного контроля основ­ных технологических параметров на каждом этапе водообработки позво­ляет поддерживать требуемую сте­пень очистки, в том числе и при рез­ких изменениях концентрации загряз­нений в исходной воде. Такие изме­нения качества воды по сезонам года характерны для многих систем, в частности, в Калифорнии, что связано с климатическими условиями, опре­деляющими состояние источников водоснабжения. Прослеживание ди­намики изменения содержания ос­новных загрязнителей в ходе очистки воды обеспечивает возможность централизованного управления (за счет высокоточного дозирования реа­гентов и дезинфекторов) процессами как водоподготовки так и обработки сбросных вод и осадка. Что касается оснащения систем водоподготовки приборным оборудованием,позволя­ющим контролировать ход процес­сов, в отдельных сооружениях, и во всем комплексе в целом, то оно явля­ется общемировой тенденцией со­вершенствования этих систем.

Дистанционное автоматизирован­ное управление процессами водоот­бора и очистки на комплексах водо­подготовки в Калифорнии и Неваде обеспечивается оснащением их сов­ременной, достаточно надежной запорно-регулирующей арматурой и дозаторами реагентов. В частности, на комплексах г. Сакраменто центра­лизованное управление водоотбором из рек и очисткой на всех сооружени­ях осуществляется с помощью компью­терной программы системой наблю­дения, контроля, сбора и обработки данных (SCADA supervisory, control and data acquisition), созданной спе­циально для таких целей.

Расходные параметры очистных сооружений и режимы их работы ре­гулируются запорными органами (по­воротными клапанами). Дозирование реагентов и хлора также производит­ся централизованно регулированием работы насосов-дозаторов в зависи­мости от показаний приборов опера­тивного контроля качества обрабаты­ваемой воды, установленных на каж­дой ступени очистки. Кроме того, эпизодически эффективность очист­ки воды по основным показателям ка­чества контролируется химической лабораторией, имеющейся на каж­дом водоочистном комплексе. Нап­ример, на комплексе Фейрнберн имеется центральная химическая ла­боратория водопроводного хозяй­ства г. Сакраменто (крупнейшая в штате), обеспечивающая контроль качества воды. Лаборатория, осна­щенная необходимым приборным оборудованием,позволяет оператив­но и с достаточной точностью прово­дить детальные химические и биохи­мические анализы воды. Такие анали­зы проводятся ежедневно (до 150 тестов) в отношении проб воды после каждого водоочистного сооружения, дублируя и уточняя показания прибо­ров, установленных на них, а также проб, отбираемых в системе водора-спределения города.

Возвращаясь к проблемам водо­подготовки в нашей стране, следует отметить, что внедрение систем ав­томатизированного управления рабо­той очистных сооружений при обес­печении контроля показателей каче­ства воды в режиме реального време­ни должно осуществляться повсеме­стно - это необходимое условие, поз­воляющее обеспечить соблюдение современных требований к питьевой воде.

Журнал Вода Magazine, №9 (13) сентябрь 2008 г.