В данной работе содержится: сравнительный анализ и принцип действия современных коагулянтов и флокулянтов, используемых в практике очистки природных и сточных вод; лабораторные исследования основанные на процессах очистки промывных вод скорых фильтров водопроводных очистных станций городов Тюмени и Кургана с подбором наиболее эффективных коагулянтов и флокулянтов.
Научная новизна работы
Предложена реагентная очистка промывных вод скорых фильтров станции водоподготовки городов Тюмени и Кургана.
Практическая значимость работы
Произведен выбор современных реагентов, определены их дозы для снижения мутности промывных вод скорых фильтров с целью их оборотного использования.
Водопроводные очистные станции городов Кургана и Тюмени – самые крупные в регионе Среднего и Южного Зауралья, следовательно, их влияние на экосистемы рек Тура, Тобол, Иртыш значительно в результате привноса в водные объекты несвойственных им химических веществ [1,2].
Практическая цель работы – усовершенствование станций водоподготовки, построенных в 70-х годах. Предложение – не сбрасывать промывную воду фильтров в реку, а возвращать ее на доочистку.
Принцип действия современных коагулянтов и флокулянтов, используемых для обработки промывных вод скорых фильтров
Коллоидно-дисперсные примеси удаляются из воды методом коагулирования с последующим осаждением и фильтрованием. Коллоидные частицы относятся к ультрамикрогетерогенным примесям, имеющим размер частиц от 10–7 до 10–9 м, обладающих высокой агрегативной устойчивостью за счет одноименного заряда.
Механизм коагулирования рассмотрим на примере, когда в воде присутствует глинистая взвесь, состоящая из алюмосиликатов общей формулы Al2O3 ∙ ySiO2 ∙ zH2O или в простейшем виде Al2O3 ∙ ySiO2 ∙ zH2O. С химической точки зрения, глина состоит из молекул алюмокремниевой кислоты примерного вида H4Al2Si2O9 способной диссоциировать H4Al2Si2O9 ↔ 4H+ + Al2Si2O9–4 на катион водорода и кислотный остаток алюмокремниевой кислоты.
Представим один из вариантов строения мицеллы коллоидного раствора алюмокремниевой кислоты.
Рис. 1. Технологическая схема станций водоподготовки г. Тюмень и г. Курган
Сооружения: 1 – насос I-го подъема; 2 – смеситель; 3 – горизонтальный отстойник; 4 – скорый фильтр; 5 – РЧВ; 6 – насос II-го подъема; 7 – хлораторная; 8 – реагентное хозяйство; 9 – промывной насос; 10 – камера хлопьеобразования. Технологические трубопроводы: В0 – подача воды в сеть; В1 – подача исходной воды; В2 – фильтрованной воды; В4 – подача промывной воды; К3 – сброс осадка из отстойника; К4 – отвод промывных вод; Cl2 – хлорная вода.
Анионы алюмосиликата образуют основу отрицательно заряженной глинистой частицы, окруженной сферой положительных ионов. При подкислении происходит нейтрализация отрицательного заряда коллоидной частицы, частицы потерявшие заряд слипаются, утяжеляются и под действием силы тяжести выпадают в осадок (т.е. коагулируют). Зависимость устойчивости дисперсной системы от величины ʓ-потенциала частиц, характерна для гидрофобных коллоидов. Однако в практике очистки природных и сточных вод нередко приходиться иметь дело с коллоидами гидрофильными, которые менее чувствительны к добавлению электролитов [3].
В практике же очистки природных и сточных вод, как правило, используются коагулянты.
Чаще всего, это соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой, попадая в воду подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимых гидроокисей. Образующиеся хлопья гидроокисей адсорбируют частицы примесей из воды и выпадают вместе с ними в осадок. В нашей работе, мы использовали именно такие коагулянты: Al2(SO4)3 ∙ 18H2O и Al2 (OH)5Cl [4].
Сульфат алюминия – Al2(SO4)3 ∙ 18H2O
При внесении его в воду происходит гидролиз по катиону:
Поскольку Al2 (OH)3 – амфотерная гидроокись, получить стабильный осадок, исходя из константы гидролиза, удастся при рН = 6,5-7,5. С целью получения наиболее устойчивого осадка применяют подщелачивание содой или известью.
Процесс нейтрализации водородных ионов за счет расходования бикарбонатной щелочности воды можно представить уравнением:
Количество извести и соды, необходимой для нейтрализации водородных ионов и создания резервной остаточной щелочности подсчитывается по эмпирическим формулам [5].
Преимущества использования сульфата алюминия: при увеличении рН > 4, 0 – 4, 5 выпадает хлопьевидный осадок гидрата окиси алюминия, весьма заметный в растворе и сигнализирующий о необходимости подкисления электролита; позволяет избежать изменения окраски стока при обработке, является доступным и экономичным.
Оксихлорид алюминия Al(OH)x ⋅ Cly ⋅ nH2O, другие названия гидроксихлорид алюминия (по международной номенклатуре не патентованное название РАС).
3 стадии коагуляции:
1. ОХА – частично гидролизованный хлорид алюминия, попадая в воду, подвергается гидролизу по катиону:
2. На второй стадии процесса коагуляции основная роль отводится адсорбции на коллоидных частицах гидроксидов алюминия.
3. Третья стадия коагуляции происходит в результате столкновения молекул гидроксидов алюминия между собой, коллоидных частиц примесей воды и результирующего укрупнения образовавшихся хлопьев за счет соединения их друг с другом.
На рис. 2 представлена схема образования коагуляционных хлопьев (гетерогенные дисперсные примеси – ГДП) Частицы гидроксида под действием силы тяжести, адсорбируются на коллоидные примеси [6].
Рис. 2. Схема образования коагуляционных хлопьев 1 – частицы ГДП; 2 – частицы гидроксида; 3 – органические вещества; 4 – «клеевые» мостики; 5 – полости, заполненые водой
Преимущества использования оксихлорида алюминия: стабильность процесса коагуляции, в том числе при низких температурах воды; не нужно подщелачивать с целью уменьшения концентрации Н+; обеспечение содержания остаточного алюминия менее 0,2мг/л; при введении в воду практически не снижает щелочность и рН обрабатываемой воды, что способствует уменьшению скорости коррозии металлов в системах водоснабжения и теплоснабжения, за счет исключения образования агрессивной углекислоты [7].
Флокулянты на основе ПАА
Флокулянты – реагенты, способствующие коагуяции. Флокулянты с их зарядом и очень высокой молекулярной массой, адсорбируют дестабилизированные частицы и объединяют их вдоль полимерной цепи. В результате, на этапе флокуляции происходит образование более крупных хлопьев, что приводит к уплотнению осадка. Нами в работе были использованы флокулянты: Flopam – продукция компании SNF Floergerr, которая на сегодняшний день считается одним из ведущих предприятий в мире, в области производства коагулянтов и флокулянтов; Praestol – продукция совместного российско-германского производства ЗАО «Компания «Москва-Штокхаузен-Пермь» »(MSP). Оба эти флокулянта – органические, синтетические, высокомолекулярные соединения на основе полиакриламида.
Флокулянты Flopam и Praestol (существует около 800 различных флокулянтов) могут быть объединены в 3 отдельные категории: неионогенные; анионные; катионные.
Неионогенные марки флокулянтов представляют собой технически чистый полиакриламид. Его вырабатывают путем сополимеризации моноакриламида и солей акриловой кислоты.
Являясь амфотерным полиэлектролитом, ПАА способен диссоциировать в зависимости от рН среды, по кислотному и по основному типу:
где R – углеводородная цепочка молекулы ПАА.
При значениях рН, соответствующих изоэлектрическому состоянию, молекулы ПАА, оставаясь в целом электронейтральными, содержат одновременно положительно заряженные и отрицательно заряженные ионогенные группы. В результате взаимодействия заряженных групп молекулы ПАА в нейтральной среде сворачиваются в клубок, захватывая коллоидные примеси, а в кислой и щелочной среде вытягиваются в цепочку, также захватывая коллоидные примеси.
Механизм действия ПАА заключается в адсорбции его ионогенными группами образующихся при коагуляции микрочастиц. Анионные марки флокулянтов являются сополимерами акриламида с возрастающими долями акрилата, придающими полимерам в водном растворе отрицательные заряды и тем самым анионный характер: за счет чего происходит диссоциация по основному типу, при диссоциации акрилата образуется частица с отрицательным зарядом.
Исходные мономеры – акриламид и акриловая кислота в присутствии каустика, в результате образуется сополимер акриловой кислоты и акрилата натрия. Катионные марки флокулянтов являются сополимерами акриламида с возрастающими долями катионных сомономеров. Внесенные катионные группы обладают в водном растворе положительными зарядами.
Анионные флокулянты особенно эффективны при обработке дисперсных систем с отрицательно заряженными коллоидными частицами. Большинство органических коллоидов имеют отрицательный заряд. Катионные флокулянты – для обработки дисперсных систем с положительным зарядом. Неорганические коллоиды, как правило, имеют положительный заряд, например, коллоидная гидроокись железа. Механизм действия катионных и анионных флокулянтов заключается в фиксировании дестабилизированных частиц (заряженных) и обьединении их вдоль полимерной цепи [8].
Цель исследований: совершенствование технологии реагентной обработки промывных вод станций водоподготовки.
В задачу исследования входило: определение эффективности осветления воды в безреагентном режиме; выбор наиболее эффективных реагентов для обработки промывной воды и определение оптимальных доз в разные периоды года.
Исследуемые реагенты: коагулянты-сернокислый алюминий (СА), оксихлорид алюминия (ОХА); флокулянты – полиакрилоамид (ПАА), праестол 650, флопам (FO414OSH фирма SNF France).
Приборы, используемые при лабораторных исследованиях: флокулятор-модель 8800, спектрофотометр Lovibond PS spektro, спектрофотометр ПЭ-5400ви.
Лабораторные исследования
Для определения оптимальных доз реагентов исследуемую промывную воду разливали в 5 мерных цилиндра объемом 500 мл. Далее назначили дозы реагента для каждого цилиндра. По результатам отстаивания определяли мутность на приборах. На диаграмме показано влияние дозы СА и ОХА на высоту слоя и вид осадка.
На графиках продемонстрированы изменения физического показателя качества воды – мутности во времени.
Как видно, применение коагулянтов в зимний период не эффективно, взвешенных частиц довольно мало, все процессы происходят замедленно.
Скачки происходят, благодаря повышенной мутности, возникшей при добавлении реагента, образования хлопьев продукта гидролиза.
В зимнее время наибольший эффект осаждения проявляет – Флопам (0,5 мг/л), а наименьший эффект – без добавления реагентов.
Рис. 3. Влияние дозы СА и ОХА на высоту слоя и вид осадка
Рис. 4. Влияние дозы СА на эффективность осветления промывной воды в зимний период (январь, р. Тура)
1 – без реагентов; 2 – доза 50 мг/л; 3 – доза 100 мг/л; 4 – доза 150 мг/л; 5 – 200 мг/л
Рис. 5. Влияние вида и дозы реагентов на эффективность осветления промывной воды в зимний период (январь, р. Тобол)
1 – без реагентов; 2 – ПАА; 3 – ОХА ; 4 – FO4140SH
Рис. 6. Влияние доз смешанного коагулянта и FO4140SH на эффективность осветления промывной воды в зимний период (март, р. Тура)
СА (12 мг/л)+ОХА (6 мг/л)+ FO4140SH: 1 – без реагентов; 2 – без флокулянта; 3 – доза FO4140SH 0,25 мг/л; 4 – доза FO4140SH 0,5 мг/л; 5 – доза FO4140SH 0,75 мг/л.
Рис. 7. Влияние вида и дозы реагентов на эффективность осветления промывной воды в весенний период (май, р. Тура):
1 – без реагентов; 2 – СА (12 мг/л)+ОХА (6 мг/л); 3 – СА (12 мг/л)+ОХА (6 мг/л)+ПАА (0,5 мг/л); 4 – СА (12 мг/л)+ОХА (6 мг/л)+ПАА (1 мг/л); 5 – СА (12 мг/л)+ОХА (6 мг/л)+ПАА (1,5 мг/л)
Рис. 8. Влияние вида и дозы реагентов на эффективность осветления промывной воды в летний период (июль, р. Тобол):
1 – без реагентов; 2 – Праестол 650 (0,2 мг/л); 3 – Праестол 650 (0,4 мг/л); 4 – Праестол 650 (0,6 мг/л); 5 – Праестол 650 (0,8 мг/л)
Рис. 9. Кинетика отстаивания промывной воды при добавлении флокулянта ПАА с дозой 0,75 мг/л:
1 – опытные данные; 2 – линия тренда.
Весной же выгодным получается применение смеси реагентов – СА (12) + ОХА (6) + ПАА (1,5)
В летний период, предпочтение лучше отдать Праестолу в дозе 0,4 мг/л
Оценка достоверности полученных экспериментальных данных
Используя методы регрессионного анализа, определили функцию изменения мутности промывной воды в заданные промежутки времени при различных дозах реагента ПАА.
Анализ опытных данных показал, что функция изменения мутности в заданные промежутки времени при различных дозах реагентов является убывающей степенной функцией 3-го порядка и адекватно описывает кинетику отстаивания промывных вод скорых фильтров.
Выводы
• Для летнего периода следует отметить – лучшие результаты дает применение коагулянта с последующим введением флокулянтов. Причем наиболее эффективными оказались дозы – Праестол (0,4 мг/л) и Флопам (0,4 мг/л).
• В зимний период – наибольшее снижение мутности было отмечено при обработке воды только смесью коагулянтов СА (12 мг/л) и ОХА(6 мг/л).
• В весенний период – смесью коагулянтов СА (12 мг/л)+ОХА(6 мг/л) с добавлением флокулянта ПАА(1,5 мг/л).
• При обработке одним сернокислым алюминием, а также смесью коагулянтов СА и ОХА и флокулянтом FO 4140 эта зависимость проявлялась в меньшей степени.
• Введение в технологическую схему очистки промывных вод фильтров, позволит исключить сброс в водные объекты, воды содержащие загрязнения.
• Сократить объемы воды, используемые для собственных нужд станции.
• В результатах представленного исследования заинтересованы представители Тюменского и Курганского водоканалов, для применения на практике усовершенствований схем водоподготовки, построенных в 70-х годах.
Библиографическая ссылка
Настенко А.О., Зосуль О.И. СОВРЕМЕННЫЕ КОАГУЛЯНТЫ И ФЛОКУЛЯНТЫ В ОЧИСТКЕ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-4. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14176 (дата обращения: 23.11.2024).