Оптимизация коагуляционной обработки воды

Аннотация

Приведены результаты экспериментальных исследований по электрокоагуляционной обработке донской воды для организации централизованных систем водоснабжения. Электрокоагуляционный метод обработки природных вод отличается от реагентного тем, что является более экологически и экономически эффективным. Проведенные исследования подтверждают целесообразность более широкого использования электрокоагуляции при подготовке водопроводной воды.

Ключевые слова

мутность , цветность , коагуляция , поверхностные воды , централизованная система водоснабжения , электрокоагуляция , анодная плотность тока , электрокинетический потенциал

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Большинство современных систем хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения в качестве водоисточника используют поверхностные водные ресурсы – реки, каналы, водохранилища, пресные озера. Для таких водоисточников характерно повышенное содержание примесей неорганического и органического происхождения, присутствующих в воде в мелкодисперсном, коллоидном и растворенном виде. Последнее придает поверхностным водам повышенную мутность и цветность, неприятные запахи и привкусы. Поэтому использование такой воды для водоснабжения требует ее осветления и обесцвечивания с одновременным обеззараживанием и дезодорацией.

Поскольку частицы примесей природных вод имеют крайне малые размеры, выделение и удаление их из воды известными методами (отстаиванием, фильтрованием через зернистую загрузку, флотацией, центрифугированием и др.) крайне не эффективно. Поэтому принято предварительно укрупнять частицы примесей с увеличением их собственного веса и силы тяжести для последующего удаления из воды одним из перечисленных выше методов [1; 2].

Укрупнение частиц примесей, находящихся в воде, называется коагуляцией. Существует множество различных способов коагуляции: объемная, контактная, электрохимическая, реагентная и безреагентная, перекинетическая, ортокинетическая и др. [2].

В настоящее время преимущественно используется реагентная контактная коагуляция, которая проводится в свободном или стесненном объеме (зернистом слое). При таком способе в обрабатываемую природную воду вводится электролит – раствор коагулирующего вещества (коагулянта). В качестве электролитов-коагулянтов применяются соли алюминия или железа.

Современные коагулянты, используемые в технологиях водоочистки, выпускаются в виде порошков, кусков с размерами 3–10 см и гранул. При этом активная часть коагулянтов по содержанию диоксида металла составляет в среднем 15–20%. Для повышения эффективности процесса коагуляции зачастую в обрабатываемую воду дополнительно добавляют флокулянты – синтетические органические соединения, например 8-процентный гель полиакриламида или его производные и др.

На территории водоочистной станции размещается реагентное хозяйство – специальные складские помещения для 30-дневного (не менее) хранения запасов коагулянтов, флокулянтов, а иногда и дополнительных реагентов для корректирования и повышения эффективности процесса коагуляции (известь, активированный уголь и др.).

Технология коагуляционной обработки воды предусматривает приготовление рабочих растворов вводимых в воду реагентов (коагулянта, флокулянта, извести и др.). Для этой цели используются достаточно объемные сооружения: смесители, камеры реакции, дозаторы. Эксплуатация этих сооружений требует дополнительного расхода электроэнергии. Таким образом, реагентное хозяйство на водопроводных станциях представляет собой крупномасштабный, энергоемкий, материально затратный комплекс.

При приготовлении рабочих растворов коагулянта протекают сопутствующие химические реакции с присутствующими в обрабатываемой воде примесями. При этом образуются нежелательные неорганические и органические соединения, ухудшающие условия коагуляции и дополнительно загрязняющие воду.

Транспортные, погрузоразгрузочные работы и стоимость коагулянтов и вспомогательных реагентов имеют высокую стоимость (сернокислый алюминий – более 8 тыс. руб. за 1 тонну, «АКВА-АУРАТ™30» – около 30 тыс. руб. за 1 тонну).

Для технико-экономической оптимизации коагуляционной обработки природных вод, используемых для водоснабжения, были проведены исследования. Проанализированы существующие и перспективные способы коагуляционной обработки воды и водных растворов. Особое внимание обращено на кинетику и особенности различных способов коагуляционной обработки, технико-экономическую характеристику разновидностей коагулянтов и режимов процесса, включая электрокоагуляцию и контактную коагуляцию на скорых контактных фильтрах.

В результате проведенного анализа установлено, что основными путями оптимизации современных способов коагуляционной обработки природных вод, используемых для водоснабжения, является модернизация и расширение применения электрохимической и контактной коагуляции на скорых контактных фильтрах с модернизированной двухслойной зернистой загрузкой.

Электрокоагуляция воды и водных растворов заключается в анодном растворении металлов (в основном алюминия или железа) под действием постоянного электрического тока. Перешедшие таким образом в раствор катионы Al³⁺ или Fe²⁺ гидролизуются, образуя в обрабатываемой воде гидроокиси алюминия или железа с повышенными сорбционными свойствами. Образовавшиеся нерастворимые гидроокисные осадки и играют главную роль в процессе сближения и укрупнения мелкодисперсных и коллоидных частиц примесей воды – коагуляции [2; 3].

В отличие от объемной коагуляции с помощью солей алюминия или железа при электрокоагуляции вода не обогащается анионами SO₄^2–, Cl^– и др., что положительно сказывается на обработке воды, содержащей загрязняющие воду примеси, присутствующие в растворенном состоянии. В то же время при электролизной обработке воды происходит образование и выделение газов в значительном количестве: водорода – на катоде и кислорода – на аноде, которые при определенных условиях способствуют флотации образующихся хлопьев. Процесс электрокоагуляции осуществляется в специально предназначенных для этих целей аппаратах – электролизерах.

Для экспериментального подтверждения преимуществ электрокоагуляции в сравнении с объемной коагуляцией был изготовлен опытный образец электролизера (рис. 1). Электролизер-электрокоагулятор состоит из корпуса прямоугольной формы (60Ч60 мм, высота 100 мм). В корпусе размещены два алюминиевых пластинчатых электрода (анод и катод), подключенные к источнику постоянного электрического тока.

В процессе исследований менялась анодная плотность тока (мА/см²) с целью определения оптимальной дозы поступающего в воду алюминия, а также продолжительность каждого отдельного опыта. В опытах этой серии использовалась вода из реки Дона в условиях водоочистной станции Новочеркасского центрального городского водопровода.

Для сравнительного анализа эффективности электрокоагуляционной обработки воды в процессе исследований одновременно проводилась коагуляция донской воды реагентными методами с широко применяемыми в настоящее время коагулянтами: сернокислым алюминием, полиоксихлоридом алюминия («АКВА-АУРАТ™30») и композитным коагулянтом «СКИФ™180». Основные результаты выполненных исследований приведены в табл. 1 и 2.

Для более наглядного представления эффективности электрокоагуляционной обработки воды были построены графические зависимости качественных показателей исследуемой донской воды (мутности, цветности, остаточного алюминия и ОМЧ) от анодной плотности тока на электродах (рис. 2).

С позиции электрокинетической теории, такой фактор, как электрокинетический потенциал (-потенциал), является одним из определяющих показателей эффективности процесса коагуляции. Поэтому в ходе исследований были установлены изменения величины -потенциала при использовании различных видов коагулянтов и в режиме электрокоагуляции. Результаты исследований представлены на рис. 3. Измерение -потенциала осуществлялось микроэлектрофоретическим методом [3].

Выводы

При сравнении технико-экономической эффективности обработки донской воды в режиме объемной коагуляции с помощью коагулянтов Al₂(SO₄)₃, «АКВА-АУРАТ™30», «СКИФ™180» в сочетании с отстаиванием (40 мин) и в режиме электрокоагуляции совместно с отстаиванием (40 мин) установлен следующий ряд по возрастающей:

Al₂(SO₄)₃

В процессе электрокоагуляции и последующего отстаивания (40 мин) донской воды достигается снижение мутности на 98–98,5% и цветности на 44–45%, что полностью отвечает требованиям СанПиН. Электрокинетический потенциал при электрокоагуляции донской воды снижается быстрее и эффективнее, чем при объемной коагуляции реагентами Al₂(SO₄)₃, «АКВА-АУРАТ™30». Для первого этапа коагуляции – дестабилизации системы требуется добавление алюминия в количестве 5 мг/л (по Al₂O₃).

Коагуляция донской воды объемным способом с применением коагулянта «СКИФ™180» и электрокоагуляция по своей эффективности близки между собой. При электрокоагуляционной обработке донской воды с последующим отстаиванием (40 мин) происходит одновременно существенное обеззараживание воды.

Значительным преимуществом электрокоагуляции в сравнении с обычными реагентными методами обработки воды является исключение из технологической схемы громоздкого реагентного хозяйства (склады реагентов, смесители, камеры хлопьеобразования), занимающего большие производственные площади. Электрокоагуляционные процессы легко поддаются автоматизации.

Список цитируемой литературы

Линевич С. Н., Гетманцев С. В. Коагуляционный метод водообработки. Теоретические основы и практическое использование. – М.: Наука, 2007.
Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977.
Кульский Л. А., Строкач П. П., Слипченко В. А., Сайгак Е. И. Очистка воды электрокоагуляцией. – Киев: Будивельник, 1978.