Система выбора эффективных технологий очистки природных вод с применением алюмосодержащих коагулянтов

Аннотация

Накопленный экспериментальный материал по использованию алюмосодержащих коагулянтов для очистки природных вод нашел отражение в многочисленных публикациях и монографиях. Результаты этих исследований позволяют судить об эффективности применения сернокислого алюминия и полиоксихлоридов алюминия для очистки поверхностных вод разного состава, а также оценить влияние различных показателей качества воды на эффективность использования коагулянтов. Систематизированы и обобщены данные и результаты собственных исследований по применению коагулянтов марки «АКВА-АУРАТ™», которые позволили выявить определенные закономерности. Разработан алгоритм выбора коагулянтов серии «АКВА-АУРАТ™» и технологии их применения в зависимости от показателей качества природных вод и характеристик коагулянтов. Предложенная система, реализованная в виде программного модуля, может служить практическим инструментом для выбора реагента и определения технологических параметров очистки природных вод на существующих или вновь проектируемых очистных сооружениях.

Ключевые слова

мутность , цветность , коагуляция , природные воды , алюмосодержащий коагулянт , эффективность очистки

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Обработка воды минеральными коагулянтами впервые была применена на рубеже XIX–XX веков. С тех пор этот метод с успехом используется для очистки природных вод. После того как было установлено, что эффективность коагуляции повышается в кратное число раз с увеличением валентности коагулирующего иона, трехвалентные соли алюминия и железа стали применяться для коагуляции дисперсных загрязнений практически во всех водоочистных системах.

Классическим коагулянтом для очистки природных вод, который до последнего времени использовался на водопроводных станциях России, является сернокислый алюминий [1–4]. Это обусловлено высокой коагулирующей, адсорбционной и осаждающей способностью данного реагента и продуктов его гидролиза в отношении большинства загрязнений природных вод, доступностью и низкой стоимостью. Однако сернокислый алюминий имеет и ряд недостатков: низкая эффективность и высокое содержание остаточного алюминия при низких температурах воды, значительное снижение рН воды и необходимость корректировки этого показателя.

В последние годы с ужесточением санитарных требований к воде в практике очистки природных вод большое внимание уделяется применению новых коагулянтов: оснвных солей алюминия, железосодержащих, смешанных и органических коагулянтов [4–7] преимущественно для улучшения работы очистных сооружений.

Первое место среди этих реагентов принадлежит полиоксихлориду алюминия [5–7], который в настоящее время производится не только зарубежными, но и отечественными фирмами. Благодаря ряду особых свойств, не характерных для обычных солей (практически неограниченная растворимость, широкий интервал основности, высокая коагулирующая способность), полиоксихлориды алюминия (ПОХА) нашли широкое применение. Появление на российском рынке крупных отечественных производителей полиоксихлоридов алюминия [5] во многом способствовало изучению их эффективности на разных поверхностных водоисточниках, проведению промышленных испытаний и внедрению в практику очистки воды [6–13].

К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по использованию алюмосодержащих коагулянтов для очистки природных вод, который нашел отражение в многочисленных публикациях и монографиях [6–20]. Результаты этих исследований (табл. 1) могут служить информационной основой, которая позволяет, во-первых, получить знания об эффективности применения сернокислого алюминия и ПОХА для очистки поверхностных вод разного состава, во-вторых, оценить влияние различных показателей качества воды на эффективность использования коагулянтов.

Систематизация и обобщение представленных данных и результатов собственных исследований по применению коагулянтов марки «АКВА-АУРАТ™» [11–16] позволили выявить следующие закономерности.

1. Коагулянты марки «АКВА-АУРАТ™» по возрастанию молекулярных масс ПОХА можно расположить в ряд: «АКВА-АУРАТ™10»

2. В присутствии сульфат-ионов в растворах ПОХА образуются малорастворимые полигидросульфаты алюминия. Состав основных сульфатов зависит от степени полимеризации ионов алюминия в исходном ПОХА, к раствору которого добавляют сульфат. Отношение Al³⁺/SO₄^2– в осадках выделенных из растворов соединений алюминия с высокой и крайне низкой степенью полимеризации изменяется от 3–4 до 1,5.

3. Определяющими стадиями при коагуляции дисперсных загрязнений с использованием сернокислого алюминия являются гидролиз и гетерокоагуляция, а с применением ПОХА – адсорбция и агрегация частиц. В присутствии сульфат-ионов и солей гуминовых кислот возрастает роль химических взаимодействий.

4. Главным параметром, определяющим эффективность и качество очищенной воды по таким показателям, как рН, щелочность, мутность, цветность, содержание остаточного алюминия, является вид и доза коагулянта, выбор которых зависит от температуры и исходных характеристик воды.

5. С понижением температуры уменьшается скорость гидролиза коагулянтов и увеличивается вязкость воды.

6. Природные воды обладают буферными свойствами, поэтому для оценки результатов коагулирования более надежным критерием является щелочность исходной и очищенной природной воды, а не величина рН, которая может не меняться из-за буферных свойств воды. Щелочность исходной воды влияет на полноту гидролиза неорганических коагулянтов и физико-химические характеристики природных загрязнений, определяет состав, заряд и структуру формируемых хлопьев. Конечная щелочность должна обеспечивать необходимый щелочной резерв для полного протекания гидролиза коагулянтов и сохранения стабильности очищенной воды и должна быть в пределах от 0,55 до 0,74 мг-экв/л в зависимости от вида и дозы коагулянта.

7. Мутность оказывает влияние на дозу и эффективность осветления воды. Критическая концентрация по мутности составляет 20 мг/л, ниже которой осветление воды отстаиванием малоэффективно даже в оптимальном режиме коагуляции и при использовании «АКВА-АУРАТ™30».

8. Гумусовые кислоты являются основными органическими веществами, определяющими цветность природных вод, и подразделяются на гуминовые и фульвокислоты, которые различаются растворимостью в воде и поэтому могут находиться в коллоидной или растворенной форме. Вследствие разной растворимости в речных водах присутствуют гумусовые кислоты с доминирующей долей фульвокислот. Гуминовые и фульвокислоты являются амфотерными полиэлектролитами, которые содержат преимущественно карбоксильные и гидроксильные группы. Различаются гуминовые и фульвокислоты молекулярной массой и содержанием ионогенных групп.

Для снижения цветности в маломутных природных водах при коагуляции полиоксихлоридами алюминия из-за низкой плотности образующихся хлопьев более эффективным методом является фильтрование с использованием «АКВА-АУРАТ™30».

9. Эффективность коагуляции зависит от вида и дозы реагента, условий коагуляции, метода осветления природной воды, содержания загрязнений в исходной воде.

10. Технологическая схема очистки природных вод отстаиванием с применением коагулянтов, как правило, включает стадии смешения и хлопьеобразования; фильтрованием через мелкозернистую загрузку – только стадию смешения; фильтрованием через двухслойные фильтры – стадии смешения и хлопьеобразования.

11. Эффективность коагуляционной очистки воды выбранным реагентом при найденной оптимальной дозе будет зависеть только от технологических параметров смешения, хлопьеобразования и осветления природной воды.

Оптимальные условия смешения реагента с очищаемой водой практически не зависят от типа реагента и достигаются при средней величине градиента скорости перемешивания 300–500 с^–1 и продолжительности30–60 с.

Условия хлопьеобразования зависят от исходной мутности и цветности воды. С увеличением этих показателей продолжительность перемешивания сокращается при прочих равных условиях. Интенсивность перемешивания колеблется в пределах 25–100 с^–1, продолжительность перемешивания – 5–30 мин.

Гидравлическая крупность сфлокулированных загрязнений, поступающих на осветление отстаиванием, должна быть не менее 0,2 мм/с. При осветлении воды фильтрованием гидравлическая крупность сфлокулированных загрязнений зависит от крупности загрузки. Гидравлическая крупность выделяемых отстаиванием загрязнений увеличивается с возрастанием полимерности коагулянта, максимальное значение которой имеет «АКВА-АУРАТ™30». Сульфаты в концентрации более 25 мг/л повышают эффективность осветления природных вод отстаиванием.

С учетом вышеизложенного был разработан алгоритм выбора коагулянтов серии «АКВА-АУРАТ™» и технологии их применения в зависимости от показателей качества природных вод и характеристик коагулянтов. Этапы выбора приведены в табл. 2.

Определение характеристик очищаемой воды на первом этапе позволяет отнести ее к конкретной группе в соответствии с данными табл. 3, где представлены наиболее распространенные группы природных вод, отличающиеся цветностью, мутностью, щелочностью и содержанием сульфатов.

Выбор коагулянта и метода осветления воды на втором и третьем этапах осуществляется по табл. 4. Определяющим параметром для выбора метода осветления является величина мутности и цветности природной воды. Для слабомутных, низко- и среднецветных вод рекомендуется использовать фильтрование, для остальных групп природных вод – отстаивание.

При выборе конкретного алюминийсодержащего коагулянта определяющим параметром является величина щелочности исходной воды. Для низкощелочных вод эффективнее использовать высокоосновные коагулянты «АКВА-АУРАТ™10» или «АКВА-АУРАТ™105», для среднещелочных вод – среднеосновные коагулянты «АКВА-АУРАТ™18», «АКВА-АУРАТ™30», для высокощелочных вод – сульфат алюминия.

При выборе дозы коагулянта определяющим параметром является величина мутности и цветности исходной воды. При этом следует ориентироваться на данные, представленные в таблицах 1 и 4. При очистке средне- и высокоцветных вод следует учитывать, что доза коагулянта линейно увеличивается с повышением щелочности и цветности.

Определяющими параметрами при выборе технологической схемы коагуляционной очистки воды являются мутность и цветность очищаемой воды. Вид используемого реагента играет роль только при несоблюдении оптимального режима перемешивания.

Выводы

Несмотря на многообразие видов природных вод и коагулянтов для их очистки, представленная система может служить практическим инструментом для выбора реагента и определения технологических параметров очистки природных вод. Предложенная система выбора реагента и технологии коагуляционной очистки природных вод реализована в виде программного модуля (рисунок) и может уточняться и дополняться в ходе ее практического использования. Но в любом случае она позволит оценить правильность выбора реагентов на существующих или вновь проектируемых очистных сооружениях.

Список цитируемой литературы

Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977.
Кульский Л. А., Строкач П. П. Технология очистки природных вод. – Киев: Высшая школа, 1986.
Запольский А. К., Баран А. А. Коагулянты и флокулянты в процессах очистки воды. – Л.: Химия, 1987.
Коагулянты и флокулянты: анализ и оценка современного технологического уровня производства: Аналит. обзор / Черкасский НИИТЭХИМ. – Черкассы, 2001.
Гетманцев С. В. Состояние производства и импорта алюмосодержащих коагулянтов в России // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 2.
Драгинский В. Л., Алексеева Л. П., Гетманцев С. В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. – М., 2005.
Линевич С. Н., Гетманцев С. В. Коагуляционный метод водообработки. Теоретические основы и практическое использование. – М.: Наука, 2007.
Драгинский В. Л. Повышение эффективности реагентной обработки воды на водопроводных станциях // Водоснабжение и сан. техника. 2000. № 5.
Гумен С. Г., Дариенко И. Н., Евельсон Е. А., Русанова П. П. Применение современных химических реагентов для обработки маломутных цветных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2001. № 3.
Храменков С. В., Благова О. Е. Использование современных коагулянтов и флокулянтов в системе Московского водопровода // Водоснабжение и сан. техника. 2001. № 3.
Гетманцев С. В., Сычев А. В., Чуриков Ф. И., Снигирев С. В. Особенности механизма коагуляции и строения полиоксихлорида алюминия «АКВА-АУРАТ™30» // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 9.
Гетманцев С. В., Мясников И. Н., Потанина В. А., Сычев А. В. Использование алюмосодержащих коагулянтов в Северо-Западном федеральном округе. Сообщение 2. Технология применения полиоксихлоридов алюминия для доочистки воды // Вода и экология. 2002. № 2.
Сычев А. В., Гетманцев С. В. Применение оксихлорида алюминия для очистки воды с низким щелочным резервом // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 8.
Сычев А. В., Гетманцев С. В. Некоторые вопросы применения полиоксихлорида алюминия «АКВА-АУРАТ™30» // Водоснабжение и сан. техника. 2004. № 9.
Гетманцев С. В., Линевич С. В., Казанок Л. С. Коагуляционная водообработка на Таманском групповом водопроводе // Водоснабжение и сан. техника. 2004. № 9.
Бара Б., Андриани Э., Гетманцев С. В., Дела Валентина А. Применение коагулянта «АКВА-АУРАТ™30» при водоочистке высокомутных вод Аргентины // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 10, ч. 2.
Чуриков Ф. И., Яруллин Н. Ю., Овчинников В. П. Производственные испытания ПОХА на водопроводных станциях г. Казани // Водоснабжение и сан. техника. 2005. № 8.
Алексеева Л. П. Оценка эффективности применения оксихлорида алюминия по сравнению с другими коагулянтами // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 2.
Сычев А. В., Хасанов Ш. А., Канивец Л. П. и др. Использование полиоксихлорида алюминия при подготовке питьевой воды на Крайнем Севере // Водоснабжение и сан. техника. 2003. № 2.
Лебедева Л. К., Бубенцов В. Н., Белова Е. В., Полянская Л. И. Применение полиоксихлорида алюминия «АКВА-АУРАТ™30» в Красноярском крае // Водоснабжение и сан. техника. 2004. № 10.