Окислительные и коагуляционные методы очистки воды для питьевого водоснабжения

УДК 628.162.52

ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ И КОАГУЛЯЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ ДЛЯ ПИТЬЕВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Ю. Л. Сколубович1, Е. Л. Войтов2, А. Ю. Сколубович3

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), 630008, г. Новосибирск, ул. Ленинградская, 113.

Рассмотрены процессы окисления и коагуляционной очистки природных вод в технологиях подготовки питьевой воды из поверхностных источников. Анализ литературных и экспериментальных данных позволил сделать оценку различных реагентов и рекомендовать для использования наиболее эффективные из них. Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: окисление; коагуляция; загрязнения; хлор; озон; гипохлорит; перманганат.

OXIDATIVE AND COAGULATION METHODS OF TREATING WATER FOR DRINKING WATER SUPPLY Yu. L. Skolubovich, E. L. Voitov, A. Yu. Skolubovich

Novosibirsk State Architectural and Building University (Sibstrin) 113 Leningradskaya St., Novosibirsk, 630008.

The authors examine the processes of oxidation and coagulation treatment of natural waters in the technologies for drinking water preparation from surface springs. The analysis of literary and experimental data allowed to make an assessment of various reagents and recommend to use the most effective ones. 3 figures. 1 table. 5 sources.

Key words: oxidation; coagulation; pollutions; chlorine; ozone; hypochlorite; permanganate.

Окислители применяют в практике подготовки питьевой воды для обеззараживания и улучшения ее органолептических показателей. Однако в последние годы в связи с прогрессирующим загрязнением водоисточников химическими и органическими соединениями антропогенного происхождения значение окислителей в практике очистки питьевой воды существенно возросло, так как многие загрязняющие вещества, присутствующие в воде, разрушаются в той или иной степени под действием окислителей. Образующиеся продукты трансформации могут значительно отличаться от исходных веществ-загрязнителей не только по своей химической структуре и физико-химическим свойствам, но и по токсичности.

Опыт токсиколого-гигиенической и технологической оценки эффективности использования окислителей показывает, что наиболее важным является выбор окислителя для очистки питьевой воды от химических и органических загрязнений.

При этом необходимо учитывать не только величину окислительно-восстановительного потенциала каждого окислителя, но также и другие факторы, оказывающие существенное влияние на эффективность коагуляционной очистки воды: ее состав; степень и характер загрязнения; наличие природных соедине-

ний, таких как гуминовые и сложные фенолы, способные окисляться; величину рН воды и т.д. При этом должна учитываться способность некоторых окислителей к реакциям замещения с включением молекул окислителя в образующиеся химические вещества, в результате чего в воде могут появиться нежелательные и даже опасные соединения. Так, при обработке хлором воды, содержащей фенолы, могут образовываться хлорфенолы, придающие ей резкий неприятный запах. Известны также и токсичные хлороргани-ческие соединения (ХОС). В практике водоподготовки в основном применяют следующие окислители: озон, перманганат калия, хлор и его производные.

Коагуляция является наиболее распространенным методом очистки воды от мутности, цветности, органических и неорганических, природных и антропогенных загрязнений (взвешенных, коллоидных и растворенных). От эффективности коагуляционной очистки в основном зависит качество питьевой воды.

Окислительные и коагуляционные методы очистки вод поверхностных и подземных источников водоснабжения с повышенным природным и антропогенным загрязнением в Сибири еще недостаточно изучены и требуют проведения специальных исследований.

Исследования окислительного и коагуляционного

1Сколубович Юрий Леонидович, доктор технических наук, профессор, проректор по научной работе, тел.: (3832) 2662581, e-mail: prorektor-nr@sibstrin.ru

Skolubovich Yury Leonidovich, Doctor of technical sciences, professor, Pro-Rector for Research, tel.: (3832) 2662581, e-mail: prorektor-nr@sibstrin.ru

2Войтов Евгений Леонидович, кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, тел.: (3832) 2663970, e-mail: negiel@yndex.ru

Voytov Evgeny Leonidovich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Water Supply and Drainage, tel.: (3832) 2663970, e-mail: negiel@yndex.ru

3Сколубович Алексей Юрьевич, аспирант кафедры водоснабжения и водоотведения, тел.: (3832) 2663970, e-mail: negiel@yndex.ru

Skolubovich Alexey Yurievich, postgraduate student of the chair of Water Supply and Drainage, tel.: (3832) 2663970, e-mail: negiel@yndex.ru

метода очистки поверхностной природной воды проводились в лабораторных и полупроизводственных условиях на насосно-фильтровальных станциях городов: Новосибирска, Куйбышева, Искитима Новосибирской области, Ачинска Красноярского края, Кемерово, Киселевска, Березовского и поселка Красный Брод Кемеровской области. Ниже приводятся результаты исследования очистки наиболее сложных по составу и концентрациям загрязнений поверхностных вод р. Омь в г. Куйбышеве Новосибирской области.

Предварительные лабораторные исследования проведены в летний период максимальной цветности и окисляемости речной воды р. Омь. В качестве оборудования использована лабораторная озонаторная установка, включающая: насос подачи речной воды;

озонатор; эжектор для перемешивания исходной воды с озоновоздушной смесью и реагентами; контактный бак; емкость для сбора озонированной воды; электролизер для приготовления раствора электролизного гипохлорита натрия; стеклянные мерные цилиндры емкостью 1000 мл; проточный бак холодильника для цилиндров и др. В качестве химических реагентов исследованы: окислители - гипохлорит натрия электролитический и химический, озон, перманганат калия, перекись водорода и хлорнокислый аммоний; коагулянты -сульфат алюминия (СА), оксихлорид алюминия (ОХА) и сульфат железа III; флокулянты - полиакриламид и Праестол 650 ТР. Щелочи в данных опытах не применялись в связи с достаточным щелочным резервом и отсутствием необходимости подщелачивания воды.

Результаты характерных опытов по окислению и коагуляции воды р. Омь

Опыт Реагенты - доза, мг/л Показатели качества очищенной воды Объем осадка, % от объема воды

Окислитель Коягулянт Флокулянт Мутность, мг/л Цветность, градусы Окисля-емость, мг О2/л А1ост, мг/л pH

1 0 СА - 100 ПРС - 0,05 1,4 18 7,2 0,17 6,3 9

2 0 СА - 100 0 1,6 22 7,6 0,20 6,4 10

3 0 ОХА - 100 ПРС - 0,05 1,5 58 13,2 0,14 6,9 15

4 ГХНэл - 5 СА - 100 0 0,9 12 4,9 0,11 6,2 8

5 ГХНэл - 5 СА - 100 ПРС - 0,10 0,7 8 4,5 0,09 6,1 5

6 ГХНэл - 10 СА - 60 ПРС - 0,05 1,5 58 13,2 0,14 6,9 15

7 ГХНХ- 5 СА - 100 ПРС - 0,05 0,8 10 5,0 0,12 6,8 6

8 ГХНэл - 5 ОХА - 100 ПРС - 0,05 0,5 16 6,5 0,07 7,3 17

9 ГХНэл - 10 ОХА - 60 ПРС - 0,10 1,3 46 9,0 0,13 7,6 25

10 ГХНХ- 5 ОХА - 100 ПРС - 0,05 1,6 19 6,9 0,08 7,3 19

11 Озон - 10 СА - 100 ПРС - 0 1,5 18 7,4 0,15 7,0 20

12 Озон - 10 СА - 100 ПРС - 0,05 1,2 11 5,1 0,12 6,9 7

13 Озон - 10 СА - 60 ПРС - 0,10 2,5 72 14,2 0,16 7,2 17

14 Озон - 10 ОХА - 100 ПРС - 0,05 0,8 33 7,8 0,09 7,5 20

15 Озон - 10 ОХА - 60 ПРС - 0,10 1,4 48 9,4 0,11 7,6 27

16 ПМК - 10 СА - 100 ПРС - 0,05 0,8 10 4,9 0,13 7,0 10

17 ПМК - 5 СА - 100 ПРС - 0,10 2,1 67 13,9 0,16 6,9 18

18 ПМК - 10 ОХА - 100 ПРС - 0,05 0,6 28 6,9 0,14 7,5 21

19 ПМК - 10 ОХА - 60 ПРС - 0,10 1,3 45 8,8 0,13 7,6 28

Примечание: ГХНэл - гипохлорит натрия электролизный; СА - сульфат алюминия; ГХНх - гипохлорит натрия химический;

ОХА - оксихлорид алюминия; ПМК - перманганат калия; ПРС - Праестол 650 ТР.

Доза коагулянта, мг/л Доза коагулянта, мг/л

Рис.1. Зависимость основных показателей качества очищенной воды от доз коагулянтов (качество исходной речной воды: температура 22°С; мутность 2,6 мг/л; цветность 430 град; перманганатная окисляемость 39 мгО2/л; рН=7,8;

щелочность 3,2 ммоль/л)

Окисление примесей (кроме озонирования) и коагуляция воды производились в цилиндрах. Окисление воды озоном проводилось на озонаторной установке. После одночасового отстаивания обработанной воды фиксировался объем гидроксидного осадка, а осветленная вода отбиралась с помощью сифона и фильтровалась через бумажный фильтр. В лаборатории станции производился анализ качества отстоянной и

100

80

о й- 60

и о

20

0

/ /

ц/ / V

о/у м

2,5

2,0

1,5 £

1,0

0,5

0 0,1 0,2 0,3 0,и 0,5

Концентрация остаточного алюминия, мг/л

Рис. 2. Связь концентрации остаточного алюминия с цветностью и мутностью очищенной воды

фильтрованной воды по мутности, цветности, перман-ганатной окисляемости, рН и содержанию остаточного алюминия.

Качество исходной воды р. Омь на период лабораторных исследований (24-28 июля 2004 г.) было следующим: мутность 2,4-2,8 мг/л; цветность 420-440 град; рН = 7,7-7,9; щелочность 3,1-3,3 ммоль/л; перманганатная окисляемость 38-40 мг О2/л.

Результаты наиболее характерных опытов пред-

; 0,4

о,з

0.2

0,1

\ /

\ /

\

4.5 Б,О

5,5

6,0 рН

6.5

7,0

7,5

Рис. 3. Зависимость концентрации остаточного алюминия от показателя рН воды

ставлены данными в таблице, а также графиками на рис.1-3.

В результате лабораторных экспериментальных исследований установлено:

1. Предварительная обработка воды растворами окислителей с высокими дозами приводит к образованию в воде токсичных антропогенных вторичных продуктов окисления: при окислении хлором - комплексных хлорорганических соединений, в первую очередь, хлороформа; при окислении озоном - альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и др. соединений. Присутствие соединений, относящихся к группе антропогенных загрязнений, в воде создает дополнительные проблемы в водоподготовке. В связи с указанной проблемой вторичного загрязнения воды дозы окислителей в лабораторных исследованиях не превышали 10 мг/л. Дозы хлорреагентов и перманганата калия в практике водоочистки ограничиваются также нормами на остаточное содержание свободного хлора и марганца в питьевой воде (0,5 и 0,1 мг/л соответственно) [1].

2. В интервале доз до 10 мг/л сами по себе окислители существенного снижения цветности и перман-ганатной окисляемости, интегрально характеризующих содержание органических веществ в воде, не дают. Однако предварительная обработка воды окислителями повышает эффективность последующей коагуляции. Это связано с разрушением окислителями гидрофильных органических соединений, стабилизирующих дисперсные примеси воды, и созданием условий благоприятствующих процессу коагуляции. Особенно эффективно, как в данном случае применение окислителей при обработке маломутных цветных вод. При этом возрастает гидравлическая крупность хлопьев взвеси и интенсифицируется осветление воды (см. таблицу).

Наихудшие результаты в ходе первичных опытов получены с применением в качестве окислителей перекиси водорода и хлористого аммония, поэтому эффективность данных реагентов в дальнейших исследованиях не оценивалась.

Наиболее сильным окислителем показал себя гипохлорит натрия, особенно полученный путем электролиза поваренной соли.

Предварительное озонирование и марганцевание воды при дозах до 10 мг/л дали несколько худшие результаты по сравнению с хлорированием.

3. Применение оксихлорида алюминия (ОХА) при летних температурах воды имеет преимущество по сравнению с сульфатом алюминия (СА) в отношении эффекта осветления (снижения мутности воды) во всем диапазоне доз реагентов.

При обесцвечивании и дозах свыше 80 мг/л, необходимых для достижения нормативной цветности (20 град), ОХА уступает СА (рис.1).

ОХА при дозах свыше 80 мг/л уступает также СА по перманганатной окисляемости и не обеспечивает снижения окисляемости до ПДК (5 мг О2/л). Использование же сульфата алюминия при концентрации около 100 мг/л позволяет снижать окисляемость до нормативной величины (см. рис.1).

При дозах свыше 70 мг/л применение в качестве коагулянта СА дает некоторое преимущество по содержанию остаточного алюминия в очищенной воде. Концентрация его в прямой пропорции зависит от остаточной мутности и цветности воды (рис. 2.).

Во всем диапазоне доз коагулянтов (от 0 до 100 мг/л) концентрация остаточного алюминия в воде не превышала нормативной величины (0,5 мг/л) [1].

Более высокая эффективность очистки воды по цветности, окисляемости и остаточному алюминию с использованием СА при повышенных дозах коагулянтов связана с коагуляцией в зоне оптимальных значений рН, с лучшими условиями для выделения из воды органических загрязнений (рис. 3).

4. Применение ОХА связано с образованием большего объема осадка (до 30% от объема обрабатываемой воды), менее плотного по сравнению с осадком, получаемым при использовании СА (см. таблицу). Большие объемы гидроксидного осадка ведут к снижению полезной производительности водоочистных станций и осложняют обработку и утилизацию.

Полученные экспериментальные данные согласуются с опытом применения окислителей и коагулянтов на волжских водоочистных станциях московского водопровода [2, 3]. Волжская вода, как и вода многих сибирских рек, имеет большое содержание органических веществ в основном природного и частично антропогенного происхождения, характеризуемое показателями перманганатной окисляемости и цветности, низкую мутность (до 2 мг/л), постоянное присутствие колифагов при относительно небольшом бактериальном загрязнении. В условиях сложной ситуации в водоснабжении Москвы выработаны технологические режимы с увеличением использования окислителей, в основном хлора. МГУП «Мосводоканал» в ближайшие 20-25 лет не откажется от хлорирования воды. Осуществляется постепенный переход на применение гипохлорита натрия, безопасного при транспортировке в отличие от жидкого хлора [4, 5]. На восточной водопроводной станции применяется также озон.

Окислители используются не только для обеззараживания, но и для обесцвечивания воды. «Базовым» коагулянтом в системе московского водопровода остается сульфат алюминия, показывающий достаточно высокую технологическую эффективность. Доля оксихлорида алюминия в общем потреблении коагулянтов составляет около 20%. Эффективность ОХА зависит от качества воды, поступающей на очистку. При невысоком содержании органических веществ необходимые дозы ОХА меньше доз СА на 15-20%. При худшем качестве речной воды (перманганатная окисляемость более 11 мг/л, цветность выше 50 град) очистка с применением ОХА идет менее эффективно. Учитывая эти особенности, на волжских станциях используют режимы совместного применения СА и ОХА, что позволяет достичь выполнения нормативных требований по цветности и окисляемости при сезонном изменении качества исходной воды. Применение фло-кулянта «Праестол 650 ТР» существенно улучшает качество очищенной воды по мутности, окисляемости и остаточному алюминию [2, 3].

Библиографический список

1. СанПин 2.1.4.1074-01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. М.: Федеральный центр госсанэпидемнадзора Минздрава России. 2002. 103 с.

2. Храменков С.В., Коверга А.В., Благова О.Е. Использование современных коагулянтов и флокулянтов в системе московского водопровода // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. № 3. С. 4-6.

3. Волков В.З., Столярова Е.А., Никольская Е.А. Новые коагулянты в практике московского водопровода // Водоснабжение и санитарная техника. 2003. № 2. С. 2-6.

4. Храменков С.И. Москва не откажется от хлорирования питьевой воды // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2008. № 10. С.70-71.

5. Усольцев В.А. [и др.]. Подготовка воды питьевого качества в городе Кемерове. М.: Изд-во ВИМИ,1996. 116 с.

УДК 633.15.033

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ГАЗООЧИСТКИ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

А.А. Тур1, И.И. Киселева2, В.В. Усов3

1Ангарская государственная техническая академия, 665835, г. Ангарск, ул. Чайковского,60.

2,3Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83;

В последнее время все большее внимание уделяется охране окружающей среды. Одна из наиболее острых проблем - загрязнение атмосферного воздуха. С целью исследования эффективности новых систем очистки воздуха от микроорганизмов при их выращивании в ферментаторах авторами предложена установка со сменными барботажными аппаратами газоочистки различных конструкций. Результаты исследования позволяют выполнить сравнительный анализ очистки воздуха от микрофлоры и определить наиболее эффективный аппарат газоочистки.

Ил. 5. Табл. 1. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: воздух; очистка; аппарат; эффективность.

MODERN PROCESSES OF GAS TREATMENT IN BIOTECHNOLOGICAL PRODUCTION A.A. Tur, I.I. Kiseleva, V.V. Usov

1 Angarsk State Technical Academy, 60, Chaikovsky St., Angarsk, 665835. 2, National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

In recent years, increasing attention is paid to environmental protection. One of the most pressing problems is the air pollution. In order to study the efficiency of new systems of air purification from microorganisms in their cultivation in fermenters, the authors propose the installation with removable bubbling devices of different designs for gas treatment. The study results allow to perform a comparative analysis of air purification from microflora and determine the most efficient apparatus for gas treatment. 5 figures. 1 table. 3 sources.

Key words: air; purification (treatment); device; efficiency.

Современные биотехнологические процессы характеризуются большими выбросами отработанного в биореакторах воздуха, содержащего живые клетки микроорганизмов, что вызывает заболевания обслуживающего персонала и населения близлежащего региона.

Поэтому создание нового газоочистного оборудо-

вания является актуальной задачей, связанной с оптимизацией и экологической безопасностью биотехнологических производств.

Авторы статьи провели исследования по определению эффективности очистки загрязнённого микроорганизмами воздуха на барботажных аппаратах газоочистки различных конструкций (рис. 1).

1Тур Анатолий Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизации и электроснабжения промышленных предприятий, тел.: 89832471231.

Tur Anatoly, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Automation and Power Supply of Industrial Enterprises, tel.: 89832471231.

2Киселева Ирина Ивановна, кандидат технических наук, доцент кафедры строительно-дорожных машин и гидравлических систем, тел.: 89025786404, e-mail: irinakis2001@mail.ru.пепт

Kiseleva Irina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the chair of Construction, Roadmaking Machinery and Hydraulic Systems, tel.: 89025786404, e-mail: irinakis2001@mail.ru.пепт

3Усов Владимир Владимирович, студент, тел.: 8(3952)405131. Usov Vladimir, student, tel.: 8 (3952) 405131.