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

индекс насыщения , коагуляция , коррозионность , питьевая вода , стабильность , углекислотное равновесие , эмиссия диоксида углерода

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-АУРАТ^ТМ10» 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 (рН_s), 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 рН_s [2; 3].

Условия стабильности воды характеризуются индексом насыщения:

J = рН – рН_s.

При J > 0 вода не коррозионная, при J 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.

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:

Э_СО₂ = СО₂_р – СО₂_в + 0,72∆НСО₃^–,

где СО₂_р, СО₂_в – 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-АУРАТ^ТМ10» питьевая вода остается практически не коррозионной и стабилизационной обработки не требует. Эмиссия СО₂ в атмосферу многократно ниже.