Особенности коагулирования маломутных цветных вод реки Вычегды в условиях низких температур

Аннотация

Приведены результаты реагентной обработки маломутной цветной воды реки Вычегды с целью выбора эффективного метода ее осветления. Процесс коагуляции характеризуется образованием мелких, плохо оседающих хлопьев. Низкие температуры воды требуют увеличения оптимальных доз коагулянта почти вдвое, флокулянта – более чем в два раза. Показано, что обесцвечивание воды до 5–10 град и наибольшая степень осветления достигаются в зоне оптимальных значений рН. Приведены эмпирические зависимости дозы коагулянта от цветности исходной воды с учетом ее температуры. Эффективность очистки низкотемпературных вод существенно зависит от процесса хлопьеобразования, длительность которого возрастает в несколько раз в период низких температур воды. В этих условиях наиболее целесообразным и эффективным методом осветления является напорная флотация.

Ключевые слова

осветление , цветность , хлопьеобразование , коагулянт , флокулянт , коагулирование , подщелачивающий реагент , температура воды , напорная флотация

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

В 1970-х годах на водоочистной станции г. Сыктывкара для подготовки питьевой воды использовалась традиционная двухступенчатая схема очистки, включающая вертикальные смесители, камеры хлопьеобразования со слоем взвешенного осадка, горизонтальные отстойники и скорые фильтры. Для коагулирования воды применяли очищенный сульфат алюминия, флокулянт ПАА, соду для подщелачивания. Проводилось первичное и вторичное хлорирование в обычных режимах и в режиме повышенных доз в период низких температур воды, когда коагулирование исключалось из процесса водоподготовки.

Очистка маломутной цветной воды реки Вычегды в этих условиях проходила неэффективно, требуемое качество воды не обеспечивалось по ряду показателей, нормируемых ГОСТ 2874-73 «Вода питьевая», прежде всего по мутности, цветности, железу. Зачастую поступающая к точкам водоразбора очищенная вода содержала хлопья коагулянта вследствие ее нагрева и других процессов, происходящих после вторичного хлорирования и указывающих на неоптимальность режима коагулирования воды, вероятно, на стадии пробной коагуляции.

В 1980-е годы с введением ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» перечень первостепенных критериев очищенной воды расширился включением обязательного контроля остаточного алюминия (до 0,5 мг/л). В этот период на водоочистной станции была внедрена технология двухступенчатого фильтрования, основанная на контактной коагуляции. Необходимо было обеспечивать оптимальные дозы коагулянта для схемы очистки с коагуляцией в свободном объеме и для сооружений с контактной коагуляцией в условиях сезонно изменяющегося качества и температуры исходной воды. Содержание остаточного алюминия являлось одним из основных показателей, позволяющих оценивать результаты пробного коагулирования наряду с мутностью, цветностью, перманганатной окисляемостью, содержанием железа (Fe²⁺, Fe³⁺), рН и щелочностью.

В настоящее время на станции с целью контроля за эффективностью проведения коагулирования учитывается показатель растворенной части остаточного алюминия в период одновременного использования двух видов коагулянта (сульфат алюминия + оксихлорид алюминия) и в случае ухудшения качества очищенной воды.

Известно, что после коагуляционной обработки в воде может содержаться от 0,05 до 0,5 мг/л остаточного алюминия в виде растворенных соединений [1; 2]. С целью снижения концентрации остаточного алюминия необходимо учитывать возможные источники образования растворенных соединений и основные принципы регулирования процесса коагулирования маломутных цветных вод. На конкретных примерах оптимизации реагентной обработки воды различных источников в работе [3] раскрываются особенности процесса коагуляции маломутных цветных вод, в том числе и реки Вычегды. Основные из них:

коагуляция должна проходить в области оптимальных значений рН (5,2–7) [2; 4] для обеспечения минимальных концентраций остаточного алюминия в очищенной воде;
для полноты гидролиза коагулянта воду с низким щелочным резервом необходимо подщелачивать для обеспечения хлопьеобразования и минимизации растворенной части остаточного алюминия;
остаточная щелочность должна быть не ниже 0,2–0,5 мг-экв/л;
в некоторых случаях при низкой щелочности воды эффективно предварительное подщелачивание;
необходимо учитывать влияние интенсивности перемешивания реагентов с водой;
оптимальную дозу реагентов следует выбирать не только по остаточным значениям цветности и мутности, но и с учетом достижения нормативов по другим показателям качества воды.

Оптимизация режима коагулирования является центральной технологической задачей, от решения которой зависит эффективность подготовки питьевой воды в целом. Поэтому в период исследования возможности использования напорной флотации в качестве первой ступени очистки воды реки Вычегды одновременно с изучением природы гуминовых веществ и их влияния на процесс очистки определялась эффективность коагулирования воды.

Выбор эффективного коагулянта и его оптимальной дозы. В поисковый период наряду с сульфатом алюминия, применяемым в производственных условиях, исследовалась эффективность железосодержащих коагулянтов (хлорное железо, сульфат железа) и смеси хлорного железа и сульфата алюминия методом пробного коагулирования. В период проведения пробной коагуляции речная вода характеризовалась следующими показателями: высокая цветность 120 град, низкая температура 1°С, щелочность 1,2 мг-экв/л, содержание железа 1,06 мг/л, мутность не более 13 мг/л, перманганатная окисляемость 28 мг/л.

По результатам пробного коагулирования при использовании железосодержащих коагулянтов наблюдался значительный расход соды, в 1,5–2 раза бльший, чем при сульфате алюминия, и во всех пробах происходило всплывание хлопьев на поверхность. При этом в некоторых случаях отмечалось дополнительное окрашивание коагулируемой воды, что связано с образованием внутрикомплексных соединений железа с гуминовыми веществами, которые имеют более темный оттенок по сравнению с окраской гуминовых веществ. Это предположение вызвано тем, что приобретаемый водой цвет имеет схожесть с оттенком фульвокислот, выделенных из речной воды, во фракции которых находится преобладающая часть содержащегося в воде железа. Интенсивность окрашивания комплексных соединений гуминовых веществ с окислами железа изучена в [4]. Возможность образования солей фульвокислотами с двухвалентным железом отмечается и в работе [5].

Проведение пробного коагулирования воды показало, что применение железосодержащих коагулянтов для обработки данного типа вод нецелесообразно. В связи с этим в дальнейшем оптимальные режимы коагулирования отрабатывались с использованием сульфата алюминия (позднее на водоочистной станции был испытан ряд новых коагулянтов и флокулянтов и, как установлено многими исследователями, из них предпочтение отдается коагулянту полиоксихлориду алюминия и флокулянту Праестол 650, но сульфат алюминия остается основным реагентом). Цель пробного коагулирования – определение степени максимально возможного снижения цветности воды коагулированием, а также эффективности метода напорной флотации как первой ступени очистки в сравнении с отстаиванием.

На рис. 1 показано изменение цветности воды реки Вычегды при коагулировании сульфатом алюминия в зависимости от дозы коагулянта в характерные периоды года, когда вода отличалась количественно цветностью, мутностью, температурой. Кривые снижения цветности показывают, что в зависимости от исходной величины и других сезонно изменяющихся показателей качества воды цветность очищенной воды находится в пределах 4–10 град. Оптимальные дозы коагулянта следует принимать с учетом достижения нормируемых значений других показателей: содержания железа, остаточного алюминия, перманганатной окисляемости, мутности [2].

Доза коагулянта может быть снижена за счет оптимизации режимов коагулирования, а также путем совершенствования технологических процессов. Установлено, что механическое перемешивание не только улучшает качество очищенной воды, но и сокращает расход коагулянта на 10–20% [6]. Например, получено снижение расхода коагулянта до 25% за счет применения в технологической схеме очистки высокоцветных вод реакторов-осветлителей с контактной массой [7]. Известны и другие способы интенсификации коагуляционной очистки цветных вод, позволяющие снизить дозу коагулянта [8].

Оптимальные условия коагулирования воды р. Вычегды определялись с учетом влияния на эффективность очистки воды факторов, рассмотренных выше. Исходная вода характеризовалась следующими показателями: цветность 100 град; содержание железа 0,78 мг/л; мутность 12,2 мг/л; щелочность 1,28 мг-экв/л; pH 7,53; температура 12,7°С. На рис. 2 показано изменение качества очищенной воды при разных дозах сульфата алюминия – 40, 50 и 60 мг/л (по безводной части) в зависимости от дозы подщелачивающего реагента (соды), которая изменялась от 0 до 50 мг/л. По характеру кривых остаточной цветности можно отметить, что максимальное снижение цветности 5 град достигается большей дозой коагулянта (60 мг/л) без подщелачивания воды, что соответствует рН 5,2. С подщелачиванием и увеличением дозы соды происходит рост остаточной цветности до 8 град. Аналогичная тенденция отмечается при коагулировании дозами 40 и 50 мг/л.

В то же время во всех режимах обработки воды с увеличением дозы соды происходит снижение содержания остаточного алюминия и железа. При дозе коагулянта 40 мг/л снижение концентрации железа составляет 11%, остаточного алюминия – 37%; при дозе 50 мг/л снижение железа – 22%, остаточного алюминия в 2 раза; при дозе 60 мг/л снижение железа в 2 раза, остаточного алюминия в 3 раза. Снижение содержания железа и остаточного алюминия до нормативного уровня происходит при дозе коагулянта 60 мг/л в условиях подщелачивания воды (доза соды 30–40 мг/л), что соответствует зоне pH 6,4–6,5, при этом остаточная цветность повышается с 5 до 7–8 град. При дозе коагулянта 50 мг/л и соды30–40 мг/л не достигается необходимое снижение содержания железа. При дозе коагулянта 40 мг/л обеспечивается норматив только по цветности. Остаточная щелочность в режиме обработки без подщелачивания составляла от 0,12 до 0,3 мг-экв/л, с подщелачиванием – от 0,28 до 1,17 мг/л.

В серии опытов с добавлением ПАА дозой 0,3 мг/л цветность исходной воды составляла 85 град, содержание железа 0,84 мг/л, мутность 13 мг/л, щелочность 1,15 мг-экв/л, pH 7,58, температура 12,5°С. Показатели очищенной воды представлены на рис. 3.

Величина щелочности активно влияет на глубину гидролиза коагулянта, определяя состав, заряд и структуру формирующихся хлопьев. Также известно, что на структуру и плотность частиц из продуктов гидролиза коагулянта и ПАА влияет порядок добавления реагентов. При введении ПАА раньше коагулянта хлопья имеют более рыхлую структуру и пониженную плотность. В работе [9] отмечается, что плотность осадка, состоящего из гидроксида алюминия и гумусовых веществ, также зависит от порядка добавления ПАА. Опытами установлено, что для исследуемых цветных вод ПАА следует вводить после образования мути, которая появляется через 1–2 минуты после введения коагулянта. Введение ПАА до коагулянта или одновременно с ним ухудшает процесс хлопьеобразования, который протекает вяло, при этом образуются более мелкие частицы, способные продолжительное время находиться во взвешенном состоянии.

Сравнительный анализ полученных результатов очистки воды с использованием ПАА показывает, что его добавление повышает эффективность очистки во всех режимах коагулирования воды. Нормативный уровень очистки обеспечивается по всем показателям при разных дозах коагулянта без добавления соды, что соответствует значениям рН 5,6–6,4. При этом цветность очищенной воды составляет 5–8 град, содержание железа 0,2–0,22 мг/л, остаточного алюминия 0,2–0,23 мг/л, остаточная щелочность 0,18–0,33 мг-экв/л. В то же время получены близкие к этим значения содержания железа (0,15–0,2 мг/л) и остаточного алюминия (0,19–0,21 мг/л) при обработке коагулянтом дозой 50–60 мг/л с добавлением соды 20–30 мг/л при рН 6,5–6,7, но при повышении цветности до 7–10 град. Введение бльших доз соды при дозе коагулянта 40 и 50 мг/л приводит к росту в очищенной воде в 1,5–2 раза концентрации остаточного алюминия и остаточного железа, что обусловлено излишней щелочностью воды (остаточная величина 0,8–1,1 мг-экв/л, рН 7–7,5) и образованием растворимых соединений продуктов гидролиза коагулянта [3].

Осветление коагулируемой воды методом напорной флотации. Рассмотренные выше результаты коагулирования воды получены при осветлении седиментацией. Длительность этого процесса обычно составляет 2 ч. С целью интенсификации процесса осветления коагулированной воды применялась напорная флотация [10]. В статических условиях эксперимента качество исходной воды характеризовалось следующими показателями: цветность 95 град; концентрация железа 0,68 мг/л; щелочность 1,15 мг-экв/л; жесткость 1,1 мг-экв/л; мутность 13,2 мг/л; температура 15,6°С. Эффективность осветления напорной флотацией исследовалась при дозах коагулянта 40, 50, 60 мг/л и изменении дозы соды от 20 до 50 мг/л. Во всех опытах добавлялся ПАА в количестве 0,3 мг/л. Водовоздушный раствор в количестве 10% объема обрабатываемой воды подавался в нижнюю часть флотоколонки через 3 минуты после введения ПАА. При этом в начальный момент поступления водовоздушной смеси происходит вихреобразное перемешивание ее с объемом коагулированной воды, затем наблюдается направленное вверх движение пузырьков вместе с частицами. На флотируемых хлопьях взвеси визуально просматриваются мельчайшие пузырьки воздуха. По мере подъема комплексов пузырьков-частиц ближе к поверхности наблюдается ускорение их движения.

В результате флотации на поверхности образуется монолитный коричневый слой пены, способный сохраняться более суток. Отбор осветленной воды производился после процесса выделения основной массы пузырьков, который заканчивался через 10 мин. Показатели очищенной воды с использованием напорной флотации в рассматриваемых условиях показаны на рис. 4. Более глубокое обесцвечивание воды, как и при отстаивании, происходит без подщелачивания в области более низких значений рН. Очистка по остальным показателям наблюдается при большей дозе коагулянта с подщелачиванием содой дозой 20–30 мг/л.

Сравнительный анализ результатов осветления коагулированной воды при отстаивании и напорной флотации в статических условиях показал, что эффективность осветления в значительной мере определяется оптимально выбранными дозами реагентов. При этом напорная флотация имеет существенное преимущество, заключающееся в повышении скорости процесса очистки до 4–5 раз.

Влияние температуры воды. По данным многолетних наблюдений, температура рассматриваемых вод в течение года колеблется в пределах 0,1–22°С. Причем длительность периода с температурой воды ниже 1°С может составлять до 7–8 месяцев. Самая высокая температура отмечена в июле (15–22°С). Исследования по определению степени влияния температуры на эффективность обесцвечивания и осветления рассматриваемых вод проводились в лабораторных условиях на воде с определенным составом гуминовых веществ в различных температурных условиях. На рис. 5 приведены зависимости доз коагулянта (сульфата алюминия) и флокулянта (ПАА) от температуры воды, изменяемой в диапазоне 0,1–18°С.

При увеличении температуры коагулируемой воды с 0,1 до 18°С оптимальная доза коагулянта уменьшается в 1,8 раза, соответственно доза флокулянта снижается в 2,7 раза. Известно влияние температуры воды на расход коагулянта при очистке воды, содержащей 300 мг/л глинистой взвеси, в диапазоне температур 3–28°С [5]. При низкой температуре потребовалось увеличить дозу коагулянта почти в два раза. При меньшем содержании взвеси (25 мг/л) влияние температуры проявляется в меньшей степени – доза коагулянта при температуре 2°С увеличивалась только на 25% по сравнению с результатом при 20°С. Сравнивая последнее с данными, приведенными на рис. 5, можно отметить их сопоставимость. Так, в интервале изменения температур 0,1–2°С при очистке маломутной цветной воды доза коагулянта снижается на 20%, при дальнейшем повышении температуры с 2 до 18°С – примерно еще на 22%.

Влияние температуры воды при коагулировании маломутной цветной воды реки Вычегды проявляется в удельном расходе коагулянта на 1 град цветности, который в течение года изменяется в пределах 0,4–1,4 мг/л. С учетом характера расположения точек удельного расхода коагулянта (рис. 6) было решено описать изменение дозы коагулянта в зависимости от цветности исходной воды двумя кривыми, соответственно для воды с температурой выше и ниже 2°С (рис. 7).

В первом исследуемом интервале величин цветности и температуры воды (до 2°С) взаимосвязь дозы коагулянта и цветности исходной воды аппроксимируется с достоверностью R² = 0,96, во втором (более 2°С) R² = 0,92. Эмпирические зависимости дозы коагулянта от цветности исходной воды реки Вычегды, учитывающие температурный режим воды:

при температуре менее 2°С

Д_к = 10,4Ц^0,4; (1)

при температуре более 2°С

Д_к = 4,7Ц^0,52, (2)

где Д_к – доза коагулянта, мг/л; Ц – цветность исходной воды, град.

От температуры воды существенно зависит скорость формирования хлопьев и скорость их оседания, что связано с изменением вязкости и плотности воды. В работе [9] отмечается, что в среднем при понижении температуры на 5°С скорость оседания частиц вследствие увеличения вязкости воды замедляется на 12–15%, а при коагулировании цветных вод скорость оседания частиц при температуре ниже 10°С только в результате изменения плотности воды может быть в 2–3 раза меньше, чем при 20–25°С.

Это находит отражение в определении оптимальной длительности хлопьеобразования, которую необходимо обеспечить в очистных сооружениях. Она должна устанавливаться применительно к используемому методу осветления. Мелкие легкие хлопья, образующиеся при коагулировании маломутной цветной воды в результате гидролиза коагулянта, имеют плотность, близкую к плотности воды. Поэтому процесс седиментации мелкодисперсной взвеси может быть успешно заменен процессом флотации, при котором осуществляется флотирование частиц взвеси на поверхность с помощью пузырьков воздуха, выделенных из пересыщенного водовоздушного раствора при снижении давления до атмосферного.

Зависимость оптимальной длительности хлопьеобразования от температуры исходной воды при использовании напорной флотации представлена на рис. 8.

Зависимость эффективности очистки напорной флотацией от длительности хлопьеобразования в полупроизводственных условиях исследовалась при температуре исходной воды 0,15 и 15,5°С. При температуре 0,15°С цветность исходной воды составляла 138 град, оптимальная доза коагулянта 70 мг/л при добавлении ПАА. При 15,5°С цветность воды составляла 95 град, доза коагулянта 40 мг/л. Длительность хлопьеобразования составляла от 2 до 15 мин. Осветление коагулированной воды производилось при постоянных параметрах флотации: время пребывания во флотаторе 40 мин, количество подаваемой водовоздушной смеси 10% объема обрабатываемой воды, скорость дросселирования 26,3 м/с. Результаты эффективности осветления коагулированной воды напорной флотацией представлены на рис. 9.

Эффективность осветления обрабатываемой реагентами воды методом напорной флотации зависит от оптимально установленного режима коагулирования и хлопьеобразования, на которые существенно влияют температурные условия. Так, при температуре 15,5°С и хлопьеобразовании в течение 2–5 мин после флотатора мутность воды составляла 5 мг/л, в период низких температур воды такая степень осветления достигалась при хлопьеобразовании в течение 10–15 мин.

С учетом длительного периода низких температур воды при разработке технологической схемы очистки маломутных цветных вод реки Вычегды с использованием напорной флотации были предусмотрены механические смесители с целью интенсификации хлопьеобразования. Как показывают исследования на других водоочистных станциях, они значительно улучшают процессы очистки [6]. В качестве реагентов проектом предусматривалось применение сульфата алюминия, соды и ПАА. С появлением новых видов коагулянтов и флокулянтов возможности выбора эффективных реагентов расширились. Так, в лаборатории водоочистной станции было испытано несколько видов коагулянтов и флокулянтов нового поколения. В настоящее время применяется оксихлорид алюминия в дополнение к сульфату алюминия, а в качестве флокулянта – Праестол 650. За многие годы поиска наилучших вариантов реагентной очистки воды сотрудниками лаборатории водоочистной станции г. Сыктывкара накоплен огромный практический опыт по реагентной очистке маломутной цветной воды реки Вычегды. Существенная помощь в этом оказывалась сотрудниками НИИ КВОВ при выполнении работ по теме «Технологические изыскания по реагентной обработке речной воды и промывных вод фильтров».

Выводы

На этапе поиска эффективного метода очистки маломутных цветных вод реки Вычегды установлено, что при их коагулировании, наряду с качественным составом воды, на процесс очистки оказывают влияние температурные условия, при этом дозы реагентов при низких температурах воды увеличиваются. Влияние этого фактора учитывается в предложенных формулах определения дозы коагулянта в зависимости от температуры воды. Применение реагентов в оптимально установленных дозах позволяет достичь снижения цветности воды до 5–10 град, при этом обеспечиваются нормативные уровни других показателей, в том числе минимально возможные остаточные концентрации алюминия и железа в очищенной воде.

Экспериментально установлено, что осветление коагулированной воды методом напорной флотации по сравнению с отстаиванием имеет преимущество, заключающееся в повышении скорости очистки до 4–5 раз. При этом длительность хлопьеобразования в условиях низких температур составляет 10–15 мин, что учтено при разработке технологической схемы очистки маломутных цветных вод реки Вычегды.

Список цитируемой литературы

Апельцина Е. И., Агапова Е. И., Кольцова З. М. Методы снижения концентрации остаточного алюминия при коагулировании природных вод / Повышение надежности подготовки питьевой воды из поверхностных источников: Тез. докл. Всесоюзной науч.-техн. конф. (24–26 сентября 1985 г., г. Сыктывкар). – М., 1985.
Драгинский В. Л., Алексеева Л. П., Гетманцев С. В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. – М., 2005.
Алексеева Л. П., Драгинский В. Л., Видер Б. Л. Применение щелочных реагентов для оптимизации реагентной обработки маломутных цветных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2006. № 8.
Бабенков Е. Д. Очистка воды коагулянтами. – М.: Наука, 1977.
Клячко В. А., Апельцин И. Э. Очистка природных вод. – М.: Стройиздат, 1971.
Алексеева Л. П., Дружинина Г. В. Основные методы интенсификации процессов очистки воды на водопроводных станциях // Водоснабжение и канализация. 2009. № 3.
Сколубович А. Ю., Войтов Е. Л., Сколубович Ю. Л. Очистка маломутных высокоцветных природных вод / Вода: экология и технология: Сб. докл. 8-го Междунар. конгресса «ЭКВАТЭК–2008». Под ред. Л. И. Эльпинера [электронный ресурс]. – М., «СИБИКО Интернэшнл», 2008.
Курбатов П. В. Интенсификация коагуляционной очистки маломутных высокоцветных вод водохранилищ в условиях Севера: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Новосибирск, НГАСУ, 2001.
Вейцер Ю. И., Минц Д. И. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. – М.: Стройиздат, 1964.
Фомина В. Ф. Очистка маломутных цветных вод в условиях Севера с использованием напорной флотации: Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Л., ЛИСИ, 1981.