№8|2011

ПИТЬЕВОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ

bbk 000000

УДК 628.162.53:66.081

Скрябин А. Ю., Педашенко Д. Д., Божко Л. Н., Поповьян Г. В.

Влияние коагуляционной обработки воды на равновесие форм угольной кислоты

Аннотация

Приводятся результаты определения показателей стабильности (индекс насыщения, эмиссия диоксида углерода в атмосферу) донской воды с использованием результатов полных химических анализов, выполняемых лабораториями на водопроводных станциях. На примере Ростовского водопровода показано преимущество использования коагулянтов полиДАДМАХ как самостоятельно, так и совместно с полиоксихлоридом алюминия «АКВА-АУРАТТМ10», которые не повышают (по сравнению с традиционной обработкой сульфатом алюминия) коррозионную активность обработанной воды и не способствуют эмиссии диоксида углерода в атмосферу.

Ключевые слова

, , , , , ,

 

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

 

При очистке поверхностных вод одной из основных задач является достижение стабильности обработанной воды в отношении форм угольной кислоты. Соотношение форм угольной кислоты в воде зависит от водородного показателя рН и изменяется по известной закономерности. При рН 3,7–4 вся угольная кислота, находящаяся в воде, представлена только диоксидом углерода (СО2). По мере увеличения рН доля СО2 уменьшается, но одновременно увеличивается доля бикарбонатов НСО3. При рН 8,3–8,4 практически вся присутствующая в воде угольная кислота находится в форме бикарбонатных ионов.

Донская вода, используемая для хозяйственно-питьевого водоснабжения многих населенных пунктов и городов, практически во все периоды года имеет рН 8–8,3. Следовательно, основная масса углекислоты в ней находится в форме бикарбонатных ионов НСО3, концентрация которых, по многолетним наблюдениям, находится в пределах 171–256 мг/л, а на долю СО2 приходится незначительная часть – в среднем 6,7 мг/л. Таким образом, с учетом повышенной величины рН донской воды без значительной ошибки можно принять, что ее щелочность определяется только наличием бикарбонатов (подтверждено лабораторными исследованиями). В переводе на мг-экв/л величина щелочности составляет 2,8–4,2.

В природной воде существует динамическое равновесие между различными формами угольной кислоты. Если количество находящейся в воде свободной окиси углерода превышает равновесную концентрацию, то избыток ее способен вступать в реакцию с СаСО3, вызывая его растворение. Разницу между свободной и равновесной углекислотой называют агрессивной. Она разрушающе действует на бетонные конструкции [1], вызывает электрохимическую коррозию металла.

В традиционной технологии водоочистки углекислотное равновесие нарушает обработку воды неорганическим коагулянтом и хлором. При введении в воду 1 мг сульфата алюминия выделяется 0,77 мг/л СО2, что стехиометрически определяется из уравнения реакции:

Аl2(SO4)3 + 3Са(НСО3)2 = 2Аl(ОН)3 + 3СаSО4 + 6СО2.

Концентрация СО2 в воде повышается за счет разложения бикарбонатов. Хлорирование жидким хлором (не гипохлоритом натрия) снижает рН воды за счет гидролиза хлора, что вызывает дополнительное разложение бикарбонатов с выделением СО2:

Н+ + НСО3 = Н2О + СО2.

В табл. 1 представлена количественная оценка нарушения углекислотного равновесия воды при следующих вариантах коагуляционной обработки, применяемых на Ростовских водоочистных сооружениях:

Вариант 1. Обработка воды сульфатом алюминия (проектный вариант), среднегодовая доза 26 мг/л по товарному продукту. Технология использовалась до конца 1995 г.

Вариант 2. Обработка воды только органическим коагулянтом полиДАДМАХ (до 2006 г.), доза реагента 0,18 мг/л по активному веществу. Дозирование осуществлялось на водозаборах.

Вариант 3. Обработка воды полиоксихлоридом алюминия «АКВА-АУРАТТМ10» дозой 0,5 мг/л по Аl2О3 совместно с полиДАДМАХ дозой 0,2 мг/л. Дозирование коагулянтов осуществлялось на водозаборах.

Во всех случаях хлорирование проводилось жидким хлором (доза ~ 4,2 мг/л).

Отклонение углекислотной системы донской воды от равновесного состояния оценено путем сравнения фактической величины рН питьевой воды с водородным показателем равновесного насыщения воды карбонатом кальция (рНs), т. е. по методике Ланжелье [2]. Вычисления выполнены на основе результатов химического анализа воды по показателям: рН, температура, концентрация кальция, щелочность, солесодержание с использованием методик и графиков для определения рНs [2; 3].

Условия стабильности воды характеризуются индексом насыщения:

J = рН – рНs.

При J > 0 вода не коррозионная, при J < 0 – коррозионная, при J = 0 – стабильная.

Результаты вычислений, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о следующем:

донская вода без обработки не коррозионная, однако имеет положительный индекс насыщения, т. е. склонна к выделению СаСО3;

при коагуляционной обработке сульфатом алюминия индекс насыщения во всех случаях отрицательный. При его величине менее 0,3, в соответствии с нормами [3], почти всегда требовалась стабилизационная обработка воды. Однако такая обработка никогда не проводилась, что могло служить причиной не только снижения прочности бетонных конструкций за счет растворения карбоната кальция, но и преждевременного выхода из строя водопроводных стальных трубопроводов, преобладающих в системе водоснабжения города;

при переходе на самостоятельную обработку флокулянтом полиДАДМАХ (в качестве примера приведены данные за 1998 г.) индекс насыщения незначительно колебался около нулевого значения, т. е. вода практически была стабильной, и стабилизационной обработки не требовалось;

то же самое наблюдается и при переходе на технологию очистки совместной обработкой полиоксихлоридом алюминия и полиДАДМАХ. При этом преобладают небольшие, но отрицательные значения индекса насыщения, т. е. после дополнительной обработки полиоксихлоридом алюминия индекс насыщения изменился незначительно. Это объясняется тем, что неорганический коагулянт вводится небольшой дозой – 0,4–0,5 мг/л по Аl2О3, что в несколько раз меньше, чем при введении сульфата алюминия при базовой технологии (в среднем за год 26 мг/л по товарному продукту, или 4 мг/л по Аl2О3). К тому же полиоксихлорид алюминия имеет высокий показатель основности, т. е. достаточно высокий щелочной резерв в составе самого коагулянта.

08_05_tabl_01

При использовании Аl2(SО4)3·18Н2О в качестве коагулянта также имеет место негативное воздействие на окружающую среду – происходит частичная эмиссия СО2 в атмосферу. Из ранее приведенного уравнения, описывающего образование при коагуляции гидроокиси алюминия и диоксида углерода, следует, что последний выделяется за счет разложения части бикарбонатов. Образуется разница между содержанием диоксида углерода, растворенного в донской воде и входящего в состав бикарбонатов, и соответствующим содержанием этих же компонентов углекислоты в очищенной воде. Эта разница и представляет собой эмиссию СО2 в атмосферу. Таким образом, величина эмиссии СО2, мг/л, может быть вычислена по формуле:

ЭСО2 = СО2р – СО2в + 0,72∆НСО3,

где СО2р, СО2в – содержание СО2 соответственно в речной воде и на выходе очистных сооружений, мг/л; 0,72 – доля содержания диоксида углерода в НСО3; ∆НСО3 – разница концентраций бикарбонатов исходной и очищенной воды, мг/л.

Диоксид углерода – парниковый газ, способствующий повышению температуры поверхности Земли. Согласно Киотскому протоколу, правительство РФ приняло обязательства по ограничению выбросов парниковых газов в атмосферу.

Оценка эмиссии диоксида углерода в атмосферу при обработке донской воды сульфатом алюминия приведена в табл. 2 (Ростовский водопровод, данные 1994 г.). До конца 1995 г. для Ростовских водоочистных сооружений производительностью 450 тыс. м3/сут эмиссия СО2 составляла около 960 т/год. Cтабилизационная обработка известкованием не производилась, однако и она в конечном счете не снизила бы выделение в атмосферу парникового газа СО2.

Известь СаО получают обжигом природного известняка по реакции:

СаСО3 + тепло = СаО + СО2.

Из этого уравнения можно определить, что при производстве извести на каждые 56 мг (по СаО) полученного продукта в атмосферу выделяется 44 мг СО2. Кроме того, за счет сжигания теплоносителя (например, угля) выделяется дополнительное количество СО2.

Обработка воды реагентом полиДАДМАХ самостоятельно или совместно с полиоксихлоридом алюминия позволяет добиться многократного уменьшения эмиссии СО2. Она соизмерима с погрешностью определения компонентов углекислотного равновесия и не поддается точному измерению.

Выводы

При очистке донской воды сульфатом алюминия значительно нарушается углекислотное равновесие в питьевой воде. Индекс насыщения воды почти всегда становится отрицательным (вода коррозионная), что требует постоянной стабилизационной обработки. При этом эмиссия СО2 в атмосферу составляет в среднем 5,85 г/м3 обработанной воды. При использовании органического коагулянта полиДАДМАХ самостоятельно или совместно с полиоксихлоридом алюминия «АКВА-АУРАТТМ10» питьевая вода остается практически не коррозионной и стабилизационной обработки не требует. Эмиссия СО2 в атмосферу многократно ниже.

 

Список цитируемой литературы

  1. Degrmont. Технический справочник по обработке воды. – СПб, 2007.
  2. Клячко В. А., Апельцин И. Э. Очистка природных вод. – М.: Стройиздат, 1971.
  3. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. – М., 1985.
 

Российская ассоциация водоснабжения и водоотведения

Banner konferentciia itog 200x100

VAK2

Трубопроводная арматура АБРАДОКС, АБРА, ABRADOX, ABRA

Авторизация

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