№7|2010

ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ

bbk 000000

УДК 628.16.081

Ивкин П. А., Латышев Н. С.

Совершенствование технологии очистки высокоцветных и маломутных вод

Аннотация

Определяющим природным загрязнителем высоко- и среднецветных речных вод являются гуминовые вещества. В НИИ ВОДГЕО проводились исследования по изучению действия неорганических и органических коагулянтов в сочетании с высокомолекулярными флокулянтами. В ходе исследований сравнивалась эффективность обработки вод оксихлоридом алюминия и Полисептом. Для повышения эффективности очистки применялись флокулянты марки Praestol. Изучалось молекулярно-массовое распределение гуминовых кислот в исходной и обработанной реагентами воде. Результаты экспериментов на природных водах были подтверждены на модельных растворах, приготовленных на основе гумата натрия, а также препаратов гуминовых веществ, выделенных из почвы, торфа, речной воды.

Ключевые слова

, , , , , , , ,

 

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Реагентная обработка является неотъемлемой частью процесса очистки маломутных высокоцветных вод. Успешность ее проведения зависит в первую очередь от правильности подбора реагентов и определения оптимального режима перемешивания с потоком воды и последующего хлопьеобразования. Эффективность действия реагентов зависит от состава воды, рН, щелочности, природы обусловливающих цветность органических веществ, перманганатной окисляемости, температуры [1; 2].

Основной целью исследовательской работы авторов было изучение эффективности реагентной обработки в зависимости от природы органических загрязнений. В задачи исследований входило определение основных показателей состава воды до и после обработки реагентами, оптимальных условий перемешивания, условий хлопьеобразования и осветляемости, фильтруемости.

Эксперименты проводились по разработанной программе с использованием нормативных методик и рекомендаций [3; 4] на воде рек Волхов, Орши, Березины и искусственно приготовленных модельных растворах в лабораториях НИИ ВОДГЕО, МГУ им. М. В. Ломоносова, а также в ведомственных лабораториях водопроводных станций. При приготовлении модельных растворов использовались: гумат натрия и препараты гуминовых веществ (табл. 1); нефракционированная смесь гуминовых и фульвокислот (ГФК); фракции гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК), выделенные из почвы, торфа, речного гумуса, а также принятое в качестве международного стандарта гуминовое вещество SR DOM (растворенное органическое вещество реки Сувани, США) [5].

07-06_tabl_01

Изучение эффективности реагентной обработки проводилось на установке «Капля» [4; 6] и гель-хроматографе, а также на экспериментальной установке, представленной на рис. 1. Для обработки полученных хроматограмм использовалось программное обеспечение «Geltreat» (МГУ им. М. В. Ломоносова).

07-06_ris_01

В табл. 2 приведены показатели состава, природа цветности воды (гуматная, фульватная), тип реагентов, обеспечивающих наибольшую эффективность очистки (оксихлорид алюминия «АКВА-АУРАТТМ18», РАХ-18 и флокулянты Praestol), и их оптимальные дозы. На рис. 2 показано снижение цветности и перманганатной окисляемости при обработке воды р. Березины РАХ-18 в сочетании со среднекатионным флокулянтом Praestol 650 ВС.

07-06_tabl_02

Известно, что гуминовые вещества, обусловливающие цветность и перманганатную окисляемость воды, делятся на две группы – гуминовые и фульвокислоты. Высокая дифференциация гуминовых кислот по молекулярным массам и специфическим свойствам затрудняет процесс реагентной очистки воды [7; 8]. Повышенной устойчивостью к действию сорбентов и окислителей обладают окрашенные фульвокислоты (креновые и апокреновые), находящиеся в воде в растворенном или коллоидном состоянии.

07-06_tabl_03

Изучение эффективности выбранных реагентов осуществлялось при следующих схемах обработки (табл. 3):

схема 1: оксихлорид алюминия + флокулянт;

схема 2: Полисепт + флокулянт;

схема 3: оксихлорид алюминия + Полисепт + флокулянт.

07-06_ris_02

Для более глубокого представления об извлечении органических веществ различными реагентами с помощью эксклюзионной гель-проникающей хроматографии были изучены молекулярно-массовые распределения (ММР) и соотношения гуминовых и фульвокислот в природных водах. Результаты хроматографических исследований проб воды рек Волхов и Орши до и после обработки реагентами и последующая обработка полученных хроматограмм позволили получить информацию о полных кривых ММР гумусовых кислот. Например, при обработке воды р. Орши наиболее эффективна схема 1 (рис. 3, а).

07-06_ris_03

В результате исследований установлено, что по эффективности и степени удаления высокомолекулярных фракций схемы обработки располагаются в следующий ряд: схема 3 <  < схема 2 < схема 1.

При реагентной обработке среднецветной воды р. Волхов (табл. 3) применение Полисепта (8 мг/л) в сочетании с Praestol 650 ВС (1 мг/л) при температуре обрабатываемой воды 7–10 С оказалось эффективнее для снижения цветности и мутности (до 14 град БКШ и 2,4 мг/л соответственно). Железо в очищенной Полисептом воде отсутствовало. Применение оксихлорида алюминия (8 мг/л) в сочетании с Praestol 650 (1 мг/л) позволило эффективнее Полисепта снизить перманганатную окисляемость – до 9,7 мг/л. Средневесовая и среднечисловая молекулярные массы уменьшились вдвое (табл. 4).

07-06_tabl_04

Сравнение кривых ММР исходной и обработанной воды р. Волхов (рис. 3, б) показало, что при обработке Полисептом совместно с флокулянтом (схема 2) удаляется значительное количество тяжелых высокомолекулярных органических веществ: массовый пик приходится на 1,5 кДа и смещен левее, чем при обработке другими сочетаниями реагентов. Средневесовая молекулярная масса при этом уменьшилась на треть по сравнению с исходной (табл. 4).

07-06_ris_04

На рис. 4 представлены зависимости цветности модельного раствора от концентрации гумусовых кислот. Для сравнения были выбраны порошкообразный гумат натрия на основе бурых углей (ТУ 2189-004-00507868-00) и выделенные из реки Сувани (США) фульвокислоты. При концентрации гуматов натрия 20 мг/л цветность раствора превышает 200 град БКШ, а при такой же концентрации фульвокислот – составляет около 50 град БКШ, т. е. при одной и той же цветности концентрация фульвокислот в воде гораздо выше, чем гуминовых. Таким образом, для удаления гумусовых кислот разной природы требуются различные дозы реагентов.

07-06_ris_05

Экспериментально установлено, что для снижения цветности раствора, обусловленной фульвокислотами, требуются более высокие по сравнению с растворами гумата натрия дозы неорганических и органических коагулянтов (рис. 5). Полученные результаты обусловлены более низкой молекулярной массой фульвокислот и большей их растворимостью в модельной воде жесткостью 3,5 мг-экв/л. При такой жесткости гуматы натрия могут переходить в нерастворимые гуматы кальция, которые удаляются из воды легче и при меньших дозах реагентов.

В результате экспериментов по обработке модельного раствора гумата натрия коагулянтами в сочетании с высокомолекулярными флокулянтами было установлено следующее:

по сравнению с оксихлоридом алюминия Полисепт эффективнее снижает цветность модельного раствора гумата натрия – до 8,8 град БКШ;

применение оксихлорида алюминия совместно с Полисептом позволяет снизить дозу последнего вдвое без снижения качества очищенной воды;

применение флокулянтов в сочетании с Полисептом практически не оказывает влияния на снижение цветности независимо от заряда и количества ионогенных групп.

В серии экспериментов с использованием препаратов гуминовых веществ (табл. 1) обработка растворов (7–10 С) реагентами осуществлялась по следующим схемам (табл. 5):

схема 1: оксихлорид алюминия + флокулянт;

схема 2: Na2CO3 + Полисепт + флокулянт.

07-06_tabl_05

Применение водопроводной воды для приготовления модельных растворов привело бы к нежелательному осаждению гуминовых веществ солями жесткости, поэтому модельные растворы готовились на основе дистиллированной воды. Для проведения коагуляции при обработке Полисептом модельные растворы подщелачивались до значений рН 9,3–9,5, поскольку солевой состав и примеси в растворе отсутствовали. В противном случае реакция не наблюдалась.

Результаты исследований подтверждают, что гуминовые вещества различной природы удаляются из модельного раствора одними и теми же реагентами с различной эффективностью.

07-06_ris_06

На рис. 6 представлена зависимость дозы оксихлорида алюминия от типа препарата. Гуминовые кислоты почвы и торфа с высокой эффективностью удаляются из воды при наименьших дозах оксихлорида алюминия, равных 15–20 мг/л. При удалении из воды фульвокислот эффективность очистки резко падает даже с увеличением дозы оксихлорида алюминия. Для достижения высокой эффективности очистки воды рек Истры и Сувани необходимы дозы оксихлорида алюминия до 40–50 мг/л.

07-06_tabl_06

Сравнение кривых ММР проб модельных растворов показало, что наименьшие дозы оксихлорида алюминия требуются для препаратов с большим содержанием высокомолекулярных веществ (гуминовых кислот), которые легче удаляются ввиду большей массы и большего содержания функциональных групп, реагирующих с оксихлоридом алюминия. Полученные результаты хорошо коррелируются с данными по обработке высокоцветных вод рек Орши и Березины.

Модельные растворы SHA Pw-98 и PHA-T4H98 – растворы типичных почвенных и торфяных гуминовых кислот средней полосы России, PHF-T4H98 – раствор нефракционированной смеси гуминовых и фульвокислот торфяной вытяжки. Таким образом, природа гуминовых веществ обусловливает схожесть результатов при очистке указанных модельных растворов и высокоцветных вод рек Орши и Березины, имеющих ярко выраженное болотное питание и содержащих большое количество высокомолекулярных органических веществ.

При обработке растворов SHA Pw-98, PHF-T4H98 и PHA-T4H98 органическим коагулянтом Полисепт совместно с флокулянтами эффективность снижения цветности возросла до 98,5%, а эффективность снижения перманганатной окисляемости резко упала (табл. 5). Таким образом, эксперименты на модельных растворах высокоцветных вод показали, что Полисепт хорошо удаляет ароматическую составляющую органики, но при этом в отличие от оксихлорида алюминия хуже действует на алифатическую, трудноизвлекаемую составляющую гумусовых веществ. При самостоятельном использовании эффективные дозы Полисепта составили 20–25 мг/л, а при совместной обработке с оксихлоридом алюминия – снижались до 5–10 мг/л (при аналогичных дозах оксихлорида алюминия).

07-06_ris_07

При удалении почвенного гумуса более эффективен катионный флокулянт Praestol 650 ВС (рис. 7, а), а при удалении торфяного гумуса – флокулянты Praestol 853 и Praestol 2640 (рис. 7, бвг).

Сравнение кривых молекулярно-массового распределения исходных и обработанных реагентами модельных растворов подтвердило предположение о том, что высокомолекулярные вещества с массой от 30–40 кДа легко удаляются из растворов, а вещества с молекулярной массой до 10 кДа остаются в растворе. Полученные результаты подтверждают данные по обработке речных вод.

При обработке растворов SFA Pw-98 и AHF-IsX2-04 оксихлоридом алюминия совместно с флокулянтом Praestol 650 BC эффективная доза оксихлорида алюминия составила 25–30 мг/л, флокулянта – 1 мг/л (табл. 5). В результате обработки цветность и перманганатная окисляемость воды (при исходных показателях 40–55 град БКШ и 7,5–9 мг/л соответственно) снижались незначительно и не удовлетворяли нормативным требованиям.

Модельный раствор SFA Pw-98 – раствор фульвокислот дерново-подзолистых почв средней полосы России, AHF-IsX2-04 – водный гумус р. Истры. Истра, как и река Волхов, имеет смешанное питание, протекает по району с преобладанием дерновых слабо- и среднеподзолистых почв. Полученные результаты сопоставимы с данными по обработке среднецветных вод р. Волхов.

Для модельных растворов (табл. 3, 5) эффективные дозы оксихлорида алюминия (25–30 мг/л) в несколько раз выше, чем для очистки воды р. Волхов (8 мг/л). Это можно объяснить тем, что модельные растворы готовились на основе дистиллированной воды, что в свою очередь исключает минеральный состав и неорганические примеси в растворе, повышающие эффект коагуляции оксихлоридом алюминия.

При сравнении эффективности очистки растворов SFA Pw-98 (почвенные фульвокислоты) и AHF-IsX2-04 (речной гумус) оксихлоридом алюминия совместно с флокулянтом видно, что перманганатная окисляемость снижается одинаково. Эффективность снижения цветности при обработке раствора SFA Pw-98 практически в 4 раза выше, чем при обработке AHF-IsX2-04 (рис. 8).

07-06_ris_08

При обработке модельного раствора AHF-IsX2-04 и воды р. Волхов Полисептом совместно с Praestol 650 BC результаты по дозам реагентов и эффективности очистки близки (рис. 9), при этом эффективность очистки по цветности была значительно выше (80–85%), чем при обработке оксихлоридом алюминия.

07-06_ris_09

Традиционная технология реагентной очистки включает следующие этапы: дозирование реагентов; смешение; хлопьеобразование; осветление; напорная фильтрация. На экспериментальной установке (рис. 1) отрабатывалась технология очистки природной воды р. Березины, используемой для водоснабжения УП «Бумажная фабрика» Гознака (г. Борисов). В речную воду дозировали PAX-18, перемешивали в течение одной минуты, дозировали Praestol 650 ВС, перемешивали и отстаивали в течение 30–40 мин. Далее вода подавалась на фильтрацию. Фильтровальные колонны 7 и 8 (рис. 1) имели двухслойную загрузку. В качестве загрузочного материала использовались Гидроантрацит-А (плотность 1600 кг/м3, крупность 0,8–2 мм) и Сорбент АС (плотность 720 кг/м3, крупность 0,8–2 мм). Цель эксперимента – сравнение эффективности работы инертной загрузки и сорбента в производственных условиях. Применение Сорбента АС (при его относительно высокой стоимости) позволяет увеличить скорость фильтрации и значительно снизить расход воды на промывку, что в сочетании с его высокой эффективностью оказывается экономически выгодным. Изучение эффективности очистки проводилось при скорости фильтрования 8–12 м/ч. В целом Сорбент АС оказался более эффективным за счет более высокой степени очистки воды по цветности, по остаточным концентрациям железа и алюминия в осветленной воде. Это позволяет рекомендовать Сорбент АС в качестве альтернативы инертной загрузке на фильтрах при модернизации очистных сооружений бумажной фабрики с целью снижения эксплуатационных затрат при водоподготовке.

В результате экспериментальных исследований с использованием модельных растворов было установлено, что оксихлорид алюминия по сравнению с Полисептом лучше снижает мутность среднецветной воды, но хуже – цветность (из-за образования в растворе нерастворимых гидроксидов, которые выпадают в осадок). При обработке Полисептом гидроксиды практически отсутствуют, однако образующиеся при этом мельчайшие хлопья зависают в объеме воды, выносятся из осветлителя и, задерживаясь в толще фильтрующей загрузки, приводят к увеличению потери напора и снижению длительности фильтроцикла: при двухслойной загрузке «песок + Сорбент АС» – с 25–28 ч до 11–12 ч и при двухслойной загрузке «песок + Гидроантрацит-А» – с 24–26 ч до 8–9 ч (табл. 6). Установлено также, что при совместном применении Полисепт следует вводить до оксихлорида алюминия или одновременно с ним.

Выводы

Для очистки высокоцветных вод, содержащих преимущественно высокомолекулярные гуминовые кислоты, наиболее эффективно сочетание оксихлорида алюминиия с высокомолекулярным флокулянтом. По эффективности обработки модельных растворов высокоцветных вод действие катионного флокулянта Prestol 650 BC и анионного флокулянта Praestol 2640 аналогично.

Для среднецветных вод рек со смешанным питанием применение Полисепта в сочетании с Praestol 650 BC или оксихлорида алюминия совместно с Полисептом и Praestol 650 BC дает более высокие результаты по цветности, чем применение оксихлорида алюминия в сочетании с Praestol 650 BC. Этот факт объясняется тем, что среднецветные реки характеризуются более высоким содержанием фульватной составляющей растворенного органического вещества, а макромолекула Полисепта лучше по сравнению с оксихлоридом алюминия сорбирует на себя низкомолекулярное растворенное органическое вещество.

Изученные реагенты эффективно снижают гуматную составляющую растворенного органического вещества. Удаление фульвокислот малоэффективно по причине их высокой растворимости, низкой молекулярной массы, а также меньшего заряда по сравнению с высокомолекулярными гуминовыми веществами. Таким образом, для перевода фульвокислот в труднорастворимое соединение и последующего их извлечения из воды в технологии обработки необходимо предусматривать дополнительные методы глубокой очистки (применение сильных окислителей – озона, хлора и другие методы).

 

Список цитируемой литературы

  1. Вощенко З. С. Методика определения гуминовых веществ в природной воде. Инф. письмо № 21 АКХ им. К. Д. Памфилова. - М., 1953.
  2. Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. - М.: Наука, 1977.
  3. Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа вод. - М.: Химия, 1971.
  4. Кичигин В. И. Моделирование процессов очистки воды. - М.: Изд-во АСВ, 2003.
  5. Перминова И. В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот: Автореф. дисс. : д-р техн. наук. - М., 2000.
  6. Драгинский В. Л., Алексеева Л. П., Гетманцев С. В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. - М., 2005.
  7. Аюкаев Р. И., Пет-ров Е. Г., Аюкаев Р. Р. Проблемы удаления гумусовых веществ из поверхностных и подземных вод России // Вода и экология. 2000. № 1.
  8. Левшина С. И. Гумусовые кислоты в речных водах Приамурья // География и природные ресурсы. 2006. № 2.

mvkniipr ru 

ecw18 vst 200

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Конференция итог

VAK2

at19 100х100 stand

Авторизация

Внимание! Рекомендуется просматривать сайт максимально свежими версиями браузеров. Некоторые устаревшие версии (IE 8) не смогут корректно скачать материалы номеров журнала.