Состав водного гумуса реки Вычегды в створе водозабора г. Сыктывкара

Аннотация

Река Вычегда является основным источником водоснабжения г. Сыктывкара. Вода характеризуется малой мутностью и высокой цветностью, содержит железо, имеет низкую щелочность и минерализацию. В осенне-зимний период вода, поступающая на очистные сооружения, имеет температуру ниже 1°C. На формирование водного гумуса существенное влияние оказывает заболоченность бассейна реки. Изучен состав гуминовых веществ, придающих цветность воде. Установлено, что значительную часть их представляют фульвокислоты. Определены значения коэффициентов цветности для основных фракций гуминовых веществ. Обосновано влияние сезонности состава, свойств гуминовых веществ и температурных условий на коагулирование воды.

Ключевые слова

взвешенные вещества , цветность , флотация , гумус , коагулянт , фильтрование , речная вода

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Показатели качества воды большинства поверхностных источников в течение года изменяются в широких пределах. Эти колебания оказывают существенное влияние на процесс очистки. При выборе технологии, в соответствии с [1], зачастую состав очистных сооружений, зависящий от цветности и содержания взвешенных веществ в обрабатываемой воде, оказывается неоправданным. В ряде случаев очистные сооружения не соответствуют характеристикам источника водоснабжения. Типичным примером является водоочистная станция г. Сыктывкара (построена в 1970-е годы), в составе которой было два блока отстойников на 15 и 30 тыс. м³/сут воды. Очевидно, в тот период трудно было выбрать более приемлемую технологию, поскольку по диапазону колебаний основных показателей качества воды реки Вычегды не подходила ни одна из традиционно применяемых схем очистки.

В последующие годы с развитием технологий, совершенствованием процессов очистки, появлением новых реагентов и фильтрующих материалов возможности выбора более эффективной технологии подготовки питьевой воды для г. Сыктывкара значительно расширились. Для внедрения интенсифицирующих процесс очистки приемов потребовалось проведение обширных исследований. На водоочистной станции были освоены принципиально новые сооружения двухступенчатого фильтрования, затем напорной флотации, которые сняли проблемы обеспечения качества питьевой воды.

На этапе поиска наиболее эффективной технологии подготовки воды реки Вычегды изучались состав и свойства гуминовых веществ, придающих цветность речной воде, а также их влияние на режим коагулирования воды в условиях низких температур.

Характеристика качества воды реки Вычегды. Бассейн реки отличается равнинным рельефом, высокой степенью залесенности (95%), заболоченностью, влияющей на летне-осенний сток реки, продолжительность паводка, а также качество воды в реке. Максимальное содержание взвешенных веществ (до 60 мг/л) наблюдается в период весеннего паводка, чаще всего в мае. В это же время достигают максимальных значений цветность (до 150 град), окисляемость (до 40 мг/л) и содержание железа (до 2 мг/л).

Высокие значения цветности и окисляемости отмечаются в течение продолжительного времени и после спада уровня в реке. Второй пик резкого увеличения этих показателей воды наблюдается в период осенних дождей (сентябрь–октябрь). Оттепель (например, в декабре) сопровождается резким повышением цветности, окисляемости, содержания железа при меньшем количестве взвешенных веществ по сравнению с паводком. В зимний меженный период показатели цветности, окисляемости, концентрации железа наиболее низкие. В то же время уменьшается количество органических соединений, возрастает содержание солей. Например, максимальное количество хлоридов (до 12 мг/л) наблюдается в предпаводковый период (март или апрель) и второй пик – в летнюю межень (август). Минимальные значения хлоридов приходятся на пики весеннего и осеннего паводков, причем самое низкое содержание хлоридов отмечено во время максимального стока весной (1–1,5 мг/л).

Содержание сульфатов в течение года изменяется от 5 до 48 мг/л. Наименьшая жесткость воды имеет место во время паводка (май) – 0,54 мг-экв/л и осенью в период поднятия уровня воды в реке (октябрь, ноябрь) – 0,9–1,3 мг-экв/л. Зимой жесткость находится в пределах 2–3,6 мг-экв/л, в летнюю межень – 1,2–2,9 мг-экв/л. Общая щелочность в паводок снижается до 0,2–0,36 мг-экв/л. Минимальные значения общей щелочности осенью – 0,5–1 мг-экв/л. В зимний период щелочность воды достигает 2,5 мг-экв/л.

Водородный показатель рН воды изменяется от 6,8 до 7,9, меньшие значения приходятся на время паводка. В незначительных количествах в воде присутствуют марганец (0,009–0,2 мг/л) и медь (0,01–0,59 мг/л). Около семи месяцев в году температура воды может быть ниже 1 С (октябрь–апрель). Наибольшее прогревание воды отмечено в июне–августе, температура воды в этот период поднимается до 17–22 С.

Состав гуминовых веществ, обусловливающих цветность воды реки Вычегды, изучался по методике [2], рекомендованной для анализа природных вод с содержанием гуминовых веществ, значительно превосходящим все другие органические соединения. Метод состоит в разделении водного гумуса на три фракции (гуминовые кислоты, апокреновые и креновые фульвокислоты) и определении их бихроматной окисляемости.

При разделении гуминовых веществ используются различные свойства гуминовых и фульвокислот. Гуминовые кислоты в кислой среде образуют осадок, способный растворяться в щелочной среде. Коллоидная фракция фульвокислот – апокреновые – выделяется в осадок совместно с хлопьями гидроксида алюминия, образованными при рН 5–5,2. После отделения этой фракции в растворе остается истинно растворенная часть фульвокислот – креновые. Для каждой фракции определялась ее цветность, бихроматная окисляемость, массовое содержание и коэффициент цветности.

Исследование состава водного гумуса проводилось в различные сезоны года. Установлено, что цветность воды преимущественно обусловлена коллоидной фракцией фульвокислот, содержание ее по цветности составляет в среднем 83% (рис. 1).

Сезонность изменения количества и свойств гуминовых веществ воды реки Вычегды, характеризуемая коэффициентом цветности K_ц, представляющим собой интенсивность окраски гуминовой органики окисляемостью 1 мг/л, показана на рис. 2. Наиболее окрашенной является коллоидная часть фульвокислот – апокреновые кислоты, их коэффициент цветности самый высокий (K_ц = 4,5–7,4). Интенсивность окраски гуминовых кислот значительно ниже, в течение года коэффициент цветности изменяется от 2,1 до 4. Истинно растворенная часть фульвокислот – креновые кислоты – представляет собой мало окрашенные вещества с K_ц = 0,37–0,74.

Гуминовые фракции различаются не только интенсивностью окраски, но и цветовыми оттенками. Для креновых фульвокислот характерен прозрачно-желтый цвет, апокреновые фульвокислоты окрашены в более темный цвет, раствор гуминовых кислот имеет медный оттенок. Кроме того, для гуминовых кислот свойственно изменение интенсивности окраски при изменении рН их раствора. С увеличением рН от 1 до 12 цветность раствора повышается примерно на 30%. В растворе фульвокислот при изменении рН в сторону увеличения образуются хлопья окрашивающего вещества, которые при отстаивании выпадают в осадок. В растворах с большей цветностью происходит более интенсивное образование хлопьев. Остаточная цветность при этом превышает цветность, обусловленную креновыми фульвокислотами. Это означает, что при изменении рН растворов не все апокреновые фульвокислоты самокоагулируют в силу неоднородности их состава и свойств.

Сезонное изменение содержания отдельных фракций (гуминовых, апокреновых, креновых фульвокислот), выраженное в процентах от общей их концентрации, а также распределение стока реки представлены на рис. 3. В зимний период максимальная доля (более 65%) малоокрашенных креновых фульвокислот снижается до 40% в период паводка при наибольшем стоке реки. Следующий пик ее роста (до 50%) отмечается в меженный период. Наибольшая концентрация апокреновых фульвокислот (46–51%) в речной воде наблюдается в паводковый и послепаводковый периоды, наименьшее (29–35%) – в зимние месяцы. В период увеличения стока реки доля гуминовых кислот в составе гуминовых веществ повышается до 12–14%.

В рекомендуемой формуле определения содержания взвеси (СНиП 2.04.02-84, п. 6.65), поступающей в отстойник, при коагулировании воды следует учитывать количество взвеси, обусловленное цветностью исходной воды из расчета, что 1 град цветности соответствует 0,25 мг/л. Такое же среднее удельное количество вещества (в мг/л) рекомендуют принимать в работах [3; 4]. По другим данным, этот показатель составляет 0,27–0,31 мг/л [5]. В исследованиях [6] было получено более высокое значение удельной массовой концентрации цветных веществ – 0,88 мг/л. Для маломутной цветной воды реки Вычегды эта величина составила 0,29 мг/л. С учетом полученных результатов концентрацию взвеси (C, мг/л), обусловленную цветностью (Ц, град ПКШ), для данного типа вод следует определять по формуле: C = 0,29Ц.

Влияние состава гуминовых веществ на процесс обесцвечивания коагулянтом (сульфатом алюминия) изучалось в лабораторных условиях на растворах гуминовых и фульвокислот с различной цветностью (20, 40, 80, 160 град). Известно влияние условий залегания и типа болот на химический состав их вод [7]. В связи с тем, что в бассейне реки Вычегды расположены болота различного типа, для получения фракций водного гумуса бралась речная вода, а не торфяная вытяжка, чаще всего используемая в исследованиях.

Коагулирование растворов гуминовых и фульвокислот проводилось методом пробной коагуляции. Выбор оптимальной дозы коагулянта определялся по наибольшей степени обесцвечивания и интенсивности хлопьеобразования. Так, для гуминовых кислот необходимы бльшие дозы коагулянта (рис. 4). При увеличении количественной цветности растворов от 20 до 160 град удельная доза коагулянта снижалась для гуминовых кислот с 3,5 до 0,75 мг/град, для фульвокислот – с 2 до 0,62 мг/град. При анализе результатов обесцвечивания следует учитывать, что величина остаточной цветности фульвокислот выше, чем у гуминовых, поскольку в данном случае фракция фульвокислот содержала истинно растворенные креновые кислоты.

Аналогичным образом проводилось коагулирование смешанных растворов цветностью 40, 80, 160 град, в которых доля гуминовых кислот по цветности изменялась от 10 до 80%. Для всех значений цветности отмечалась тенденция роста дозы коагулянта при повышении концентрации гуминовых кислот в смешанном растворе. По отношению к исходному значению остаточная цветность раствора составляла постоянную величину, снижающуюся по мере роста доли гуминовых кислот. Остаточная цветность равнялась 12% при процентном соотношении гуминовых и фульвокислот 10:90; 9,4% – при соотношении 50:50; 7,5% – при соотношении 80:20.

Влияние рН на степень обесцвечивания гуминовых веществ коагулянтом изучалось на растворах цветностью 80 град, имеющих различные процентные соотношения гуминовых и фульвокислот: 10:90, 50:50 и 80:20. Обесцвечивание проводилось оптимальными дозами коагулянта, установленными в предыдущей серии опытов, при различных значениях рН – от 5 до 9. Изменение остаточной цветности в зависимости от рН показано на рис. 5.

Известно, что сульфат алюминия эффективен в диапазоне рН 5–7,5 [8]. При этом на значение рН оказывает влияние жесткость, повышение которой сдвигает оптимальное значение рН в сторону увеличения. В наших исследованиях оптимальную зону рН определяла совокупность свойств речной воды, состав ее гумуса и вид используемого коагулянта. По данным рис. 5, для всех растворов, имеющих разное соотношение концентраций гуминовых и фульвокислот, зона оптимальных рН обесцвечивания растворов находится в пределах от 5 до 6,5. Коагулирование при рН более 6 приводит к росту остаточной цветности при тех же дозах коагулянта. При рН более 7 происходит резкое увеличение остаточной цветности, и при рН 7,8 все кривые пересекаются в одной точке, что связано с началом растворения продуктов гидролиза коагулянта. По данным разных авторов, этот процесс наступает в зоне рН 7,8–9. При рН более 7,8 кривые остаточной цветности показывают ухудшение процесса обесцвечивания. Более глубокое обесцвечивание в этой зоне происходит в растворе фульвокислот. С увеличением доли гуминовых кислот в смешанных растворах степень обесцвечивания их снижается. При значениях рН, меньших этой величины, имеет место обратное явление.

С целью изучения влияния состава гуминовых веществ и температурных условий на процесс коагулирования проводилась реагентная обработка воды в различные сезоны года. Из полученных данных следует, что доза коагулянта (сульфата алюминия) на 1 град цветности составляет от 0,4 до 1,4 мг/л, что превышает в 1,2–1,9 раза расчетное значение, определяемое по формуле СНиП 2.04.02-84. Превышение дозы коагулянта выражено коэффициентом K₁ как отношение опытной дозы коагулянта к расчетной. Для установления степени влияния состава гуминовых веществ и температуры воды на величину K₁ определялось соотношение количества креновых и апокреновых фульвокислот K₂. Динамика этих коэффициентов отражена на рис. 6, где также приведены показатели цветности и температуры воды.

Сопоставляя изменение рассматриваемых показателей (рис. 6), можно отметить их тесную взаимосвязь. Ход кривой K₁ почти в течение всего года соответствует динамике показателя K₂, отражающего соотношение креновых и апокреновых фульвокислот. Значение коэффициента K₁ повышается с ростом K₂. Несоответствие отмечается осенью в период повышения цветности и увеличения стока реки; в результате этих явлений содержание креновых фульвокислот снижается, а рост K₁ продолжается. Это объясняется влиянием температуры воды на процесс коагуляции, обычно замедляющийся при пониженных температурах. Так, в период падения температуры воды с 10 до 0,2 С при высокой цветности коэффициент K₁ увеличивается с 1,25 до 1,54, в дальнейшем температура воды снижается до 0,1 С и держится на этом уровне до паводка. Но рост K₁, несмотря назначительное снижение количественной цветности воды, продолжается и достигает максимальной величины 1,89 в зимнюю межень, что соответствует пиковому содержанию креновых фульвокислот, при котором K₂ = 2,27.

Таким образом, проблемы повышенных доз коагулянта при обработке воды реки Вычегды обусловлены температурными условиями и изменяющимися во времени составом и свойствами фульвокислот. Выделяются периоды с наибольшей степенью влияния температуры воды на процесс коагуляции и периоды с доминирующим действием креновых фульвокислот.

Изучение состава гуминовых веществ важно прежде всего для водоочистных станций, испытывающих трудности при очистке маломутной цветной воды. Из аналитического обзора исследований [9], проведенных на более чем 150 станциях, следует, что в регионах страны таких водоочистных станций много. Проблема очистки маломутных цветных вод, содержащих железо, обозначена в работе [10]. Острота ее повышается в ситуации, когда осветленная вода, поступающая на установки химического обессоливания, недостаточно очищена по содержанию железа. На основе фракционирования гуминовых веществ реализуются новые подходы к выбору более эффективных коагулянтов для очистки воды [11–14]. Именно с осуществлением некоторых из этих подходов связана перспектива дальнейшего изучения гуминовых веществ реки Вычегды с целью повышения экологической надежности очищенной воды.

Выводы

Исследованиями установлено, что фракции водного гумуса дополняют качественный состав реки Вычегды. Они представляют наибольший интерес с точки зрения технологии обработки воды в условиях Севера. Цветность воды обусловлена преимущественно коллоидной фракцией фульвокислот – апокреновыми кислотами, содержание их по цветности составляет около 83%, коэффициент цветности в течение года изменяется в пределах 4,5–7,4. Интенсивность окраски гуминовых кислот значительно ниже, в течение года коэффициент цветности изменяется от 2,1 до 4. Для истинно растворенной части фульвокислот (креновых кислот) K_ц = 0,37–0,74. Удельное содержание цветности составляет 0,29 мг/л.

Изучение совокупности свойств отдельных фракций водного гумуса и их изменчивости по сезонам года позволило выделить периоды с доминирующим действием креновых фульвокислот и периоды с наибольшей степенью влияния температуры воды на процесс коагуляции. Совокупное действие этих факторов в процессе очистки воды реки Вычегды обусловливает повышенные дозы реагентов и трудности коагулирования в период низких температур воды (0,1–2 C) и высокого содержания креновых кислот. Учет влияния этих факторов на стадии проведения пробного коагулирования позволил оптимизировать процесс коагуляции в производственных условиях на водоочистной станции г. Сыктывкара.

Список цитируемой литературы

СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Нормы проектирования.
Унифицированные методы анализа вод: Под общ. ред. Ю. Ю. Лурье. – М.: Химия, 1971.
Кульский Л. А., Булава М. Н., Гороновский И. Г., Смирнов П. И. Проектирование и расчет очистных сооружений водопроводов. – Киев: Госстройиздат УССР, 1961.
Шуберт С. А., Перлина А. М. Некоторые вопросы проектирования водоочистных станций хозяйственно-питьевых водопроводов / Водоснабжение: Сб. науч. тр. АКХ им. К. Д. Памфилова. Вып. 1. – М., ОНТИ АКХ, 1960.
Кургаев Е. Ф. Основы теории и расчета осветлителей. – М.: Госстройиздат, 1962.
Кенгерли А. Д. Исследование возможности использования осадков отстойников при обработке высокоцветных маломутных вод: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Киев, 1966.
Тюремков С. Н., Ларгин И. Ф. Изменение химического состава вод торфяных болот в зависимости от условий их залегания / Вопросы мелиоративной гидрохимии: Тр. Гос. гидрологического ин-та. Вып. 135. – Л., 1966.
Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977.
Драгинский В. Л., Алексеева Л. П., Гетманцев С. В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. – М., 2005.
Журавлев С. П., Амосова Э. Г., Прохоренко А. С. Особенности коагуляции маломутных цветных вод с низким солесодержанием / Очистка природных и сточных вод: Сб. науч. тр., юбилейный вып. – М., ОАО «НИИ ВОДГЕО», 2009.
Гандурина Л. В. Влияние химического состава природных вод на коагулирующую способность полигексаметиленгуанидин гидрохлорида / Там же.
Ивкин П. А., Латышев Н. С. Эффективность совместного применения коагулянтов и высокомолекулярных флокулянтов для очистки высокоцветных вод / Там же.
Сколубович А. Ю., Войтов Е. Л., Сколубович Ю. Л. Очистка маломутных высокоцветных природных вод / Вода: экология и технология «ЭКВАТЭК–2008». Под ред. Л. И. Эльпинера [электронный ресурс]. – М., «СИБИКО Интернэшнл», 2008.
Латышев Н. С. Эффективность реагентной обработки высокоцветных и маломутных вод в зависимости от природы органических загрязнений: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., ВНИИ ВОДГЕО, 2010.