Оптимизация процесса водоочистки на Волжском водозаборе г. Казани. Сообщение 1

УДК 614.7

Ю. А. Тунакова, А. Р. Галимова, Г. Н. Габдрахманова ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВОДООЧИСТКИ НА ВОЛЖСКОМ ВОДОЗАБОРЕ Г.КАЗАНИ.

СООБЩЕНИЕ 1.

Ключевые слова: водоочистка, водозабор, коагуляция, коагулянт, оптимальная концентрация.

Экспериментальным путем показана эффективность предлагаемого коагулянта для водоочистки на водозаборе г.Казани, по сравнению с используемым. Определена достаточная концентраций коагулянта, обеспечивающая высокую степень осветления при хорошей скорости коагуляции, меньшем расходе коагулирующею агента, а также низкой остаточной концентрации катиона соли коагулянта.

Key words: water treatment, water intake , coagulation , coagulant, the optimum concentration .

By experiment shows the effectiveness of the proposed coagulant for water treatment at the water intake of Kazan , in comparison with the used . Sufficient concentrations of coagulant picked providing a high degree of clarification with good coagulation rate of less than a coagulating agent flow , and low residual salt concentration of the cation coagulant.

Введение

В ранних публикациях [1,2] нами выявлены нарушение требований ГОСТа «Вода питьевая» по содержанию ряда металлов в воде питьевого качества, производимой на Волжском водозаборе, что требует оптимизации процесса водоочистки. Процесс оптимизации водоочистки особенно значим, если учесть тот факт, что Волжский водозабор является самым крупным поставщиком питьевой воды в городе Казани. На Волжском водозаборе принят реагентныйметод очистки воды -коагуляция. В качестве коагулянта применяется сульфат алюминия, флокулянта - полиакриламид.

Для разработки рекомендаций по совершенствованию системы водоочистки рассмотрим технологическую схему, реализуемую на водозаборе. Технологическая схема очистки воды на водозаборе, согласно [3-5] является двухступенчатой с одинаковым набором состава сооружений. На первой ступени - смесители, камеры хлопьеобразова-ния игоризонтальные отстойники; на второй ступени - скорые фильтры. Приведенная схема водоочистки имеет существенные недостатки в условиях резкого ухудшения качества воды в водоисточнике, так как не обеспечивает удаление из воды соединений металлов, а также СПАВ, пестицидов, фенолов. Для эффективной работы очистных сооружений и снижения расхода реагентов необходимо внедрять современные виды коагулянтов и реали-зовывать другие методы водоочистки.

Согласно [6], упрощенно процесс коагулирования сернокислым алюминием при обработке природных вод можно описать двумя механизмами:

а) взаимодействием положительно заряженных растворенных гидрокомплексовалюми-ния с отрицательно заряженными частицами загрязняющих веществ - механизм нейтрализационно-адсорбционной коагуляции;

б) захватом или обволакиванием частиц загрязняющих веществосаждающимся гидро-ксом алюминия-механизм «захватной» коагуляции.

Принято считать, что первый из указанных механизмов коагуляции преобладает в диапазоне рН 4-6 или 4,5-6,5, а второй — при более высоких зна-

чениях рН. Возможна также коагуляция за счет комбинации этих механизмов.

Из практики водоочистки известно, что наилучшее снижение цветности происходит обычно в диапазоне рН 5-6. Этот диапазон соответствует зоне нейтрализационно-адсорбционной коагуляции, которая происходит за счет взаимодействия отрицательно заряженных функциональных групп макромолекул гумусовых веществ с положительно заря-женнымигидроксокомплексами алюминия. Для этого процесса характерна пропорциональность между концентрацией органических веществ и дозой коагулянта. Эффективное снижение цветности при низких значениях рН связано с уменьшением степени диссоциации в этих условиях функциональных групп гумусовых веществ, а также с тем, что при этих значениях рН велика доля промежуточных гидроксокомплексов алюминия в общем количестве продуктов гидролиза.

«Захватная» коагуляция гумусовых веществ при рН=7-8 происходит за счет их адсорбции на положительно заряженных частицах твердой фазы гидроксида алюминия. Это процесс требует больших доз коагулянта.

При нейтрализационно-адсорбционой коагуляции процесс хлопьеобразования протекает медленнее, что может уменьшить преимущества, связанные с использованием малых доз коагулянта в технологических схемах с отстойниками. Изложенный механизм коагуляции объясняет известную из практики возможность уменьшения доз коагулянта при использовании метода контактного осветления воды. Растворимость продуктов гидролиза алюминия определяется в первую очередь значением рН, при котором производится процесс коагуляции, и дозой коагулянта. Так, в зависимости oт количества введенного в воду сернокислого алюминия в диапазонах pН 4,5-5,5 и 7,2-8,0 в воде после коагуляцион-ной обработки может содержатся от 0,05 до 0,5 мг/л остаточного алюминия в виде растворенных соединении. При этом растворимость гидроксидов алюминия в первом из указанных диапазонов возрастает при уменьшении величины рН, а во втором - при ее увеличении [6].

Оценка эффективности коагулянтов и подбор их оптимальной концентрации

Экспериментальные исследования проводились для речной воды, отобранной в районе Волжского водозабора. В результате исследований установлено, что содержание железа и марганца превышает величину ПДК в 1,7 и 2 раза соответственно, согласно [7]. Содержание остальных металлов не превышает ПДК. Также наблюдается превышение значений окисляемости в 2 раза, что свидетельствует о содержании большого количества окисляемых, в первую очередь органических, примесей в воде. Щелочность и жесткость соответствуют норме.

На первом этапе работы был осуществлен подбор оптимального коагулянта и его концентрации, для чего использовали Л12(804)3, БеС13 и смешанный коагулянт БеС13 + Л12(804)3 (1:1). Критериями нахождения оптимальной концентрации коагулянта являлись: степень осветления, время, за которое достигалось максимальное осветление, а также остаточные концентрации железа и алюминия в воде, так как эти металлы при использовании Л12(804)3 и БеС13 в воду вводились дополнительно.

Эффективность коагуляционной очистки оценивалась по изменению оптической плотности с течением времени. Достижение величины оптической плотности 0,1 считается достаточной степенью осветления воды.

Коагуляционные кривые для БеС13 в зависимости от концентрации коагулянта приведены на рис. 1.

-о- 2*10 моль -- 3*10-4 моль --о- 4*10-4 моль -й - 5*10-4 моль

Время

Рис. 1 - График зависимости оптической плотности от времени при коагуляции воды РеС13 при различных концентрациях

Характер коагуляционных кривых несколько изменяется в зависимости от концентрации. Для больших концентраций имеется максимум, который для меньших концентраций явно не выражен. Это можно объяснить тем, что при высоких концентрациях БеС13 образуется большое количество коллоидных частиц, о чем свидетельствует высокое значение оптической плотности. Видимо, эти частицы более устойчивы, и процесс коагуляции растягивается во времени. При более низких концентрациях практически мгновенно идет не только образование мицелл, но также агрегирование и осаждение коагулята.

На основании приведенной зависимости в качестве оптимальной была выбрана концентрация 3 • 10-4 моль/л. Ей отвечает достаточно высокая степень осветления при хорошей скорости коагуляции, меньший расход коагулирующею агента, а также низкая концентрация остаточного железа. При более высоких концентрациях процесс очистки требует большего времени и характеризуется более низким осветлением.

Коагуляционные кривые для Л12(804)3 в зависимости от концентрации коагулянта приведены на рис. 2.

- 2*10 моль/л

- 3* 10-4 моль/л

- 5*10-4 моль/л • 4"10"4 моль/л

Время

Рис. 2 - График зависимости оптической плотности от времени при коагуляции воды сульфатом алюминия при различных концентрациях

Было установлено, что в условиях лабораторного эксперимента для Л12(804)3 и смешанного коагулянта оптимальной является одна и та же самая концентрации 3 • 10-4 моль/л.

Была исследована эффективность коагуля-ционной очистки различными коагулянтами при найденной выше оптимальной концентрации.

На рис. 3. приведены кинетические кривые процесса для всех трех коагулянтов.

\ \ \ 1

» ь \

к"*1-. "•-¿¿Вг

0 20 40 60 80

Время

-о- АЬ^Ь

РэС!3 + А!2(Э04)3

Рис. 3 - График зависимости оптической плотности от времени при коагуляции воды различными коагулянтами

График зависимости показывает, что с точки зрения кинетики процесса коагуляции, БеС13и смешанный коагулянт практически не отличаются друг от друга. Коагуляция идет с достаточно высокой скоростью и через 30-40 минут достигается достаточная степень осветления воды. С сульфатом алюминия процесс идет медленнее и

0,45

0,35

0,30

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

аналогичная степень осветления достигается через

1.5 часа.

Кроме скорости коагуляции необходимым показателем, характеризующим действие коагулянтов, является остаточное содержание различных компонентов в воде после очистки. Особенна важно было проследить за остаточной концентрацией алюминия, а также концентрациями железа и марганца, которые в отдельные годы превышали нормативные.

В результате испытаний установлено, что в ходе коагуляционной очистки жесткость практически не меняется, окисляемость уменьшается в

1.6 - 1.9 раз, но не достигает ПДК, что свидетельствует о неудовлетворительном удалении с образующимся осадком органических примесей. Окис-ляемость ближе всего к нормативным значениям при использовании коагулянта РеС13.Что касается остаточных концентраций металлов, то можно заключить, что все коагулянты доводят концентрацию металлов до уровня ПДК. Но следует отметить, что при использовании А12(804)3 концентрация остаточного алюминия увеличивается в 3,5 раза.

Как рассматривалось ранее, качество природной воды значительно ухудшается в период паводка, сброса сточных вод в места водозабора и других причин. Поэтому при подборе коагулянта следует учитывать возможное изменение характеристик природной воды. В этой связи нами предлагается внедрение в практику водоочистки наиболее эффективного из исследуемых коагулянта - РеС13, использование которого не требует применения

флокулянта для интенсификации процесса коагуляции.

Работа выполнена в рамках государственной программы повышения конкурентоспособности Казанского (Приволжского) федерального университета среди ведущих мировых научно-образовательных центров и субсидии, выделенной Казанскому федеральному университету для выполнения государственного задания в сфере научной деятельности.

Литература

1. Тунакова Ю.А., Чудакова О.Г., Галимова А.Р., Габд-рахманова Г.Н.Вестник Казан.технол. ун-та, 16, 1, 54-56 (2013).

2. Ю.А. Тунакова, Ю.А. Шмакова, А.Р. Галимо-ва.Вестник Казанского технологического университета, 15, 19, 76-79 (2012);

3. Водные ресурсы и питьевая вода РТ: гос. доклад / М-во охр.окруж. среды и природ, ресурсов РТ. Казань: Мониторинг, 1997. 169 с.

4. «О санитарно-эпидемиологическойобстановке в Республике Татарстан в 2011 году»: гос. доклад/ Управление Роспотребнадзора по Республике Татарстан. 2012, 275 с.

5. О состоянии природных ресурсов и об охране окружающей среды Республики Татарстан в 2011 г. : гос. доклад / М-во охр.окруж. среды и природ, ресурсов РТ, 2013, 490 с.

6. Баран А.А., Запольский А.К. Коагулянты и флокулян-ты в процессах очистки воды. - М.: Химия, 1987, с. 116.

7. СанПиН 2.1.4.1074-01 « Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

© Ю. А. Тунакова - д-р хим. наук, проф. каф. технологии пластических масс КНИТУ, juliaprof@mail.ru; А. Р. Галимова-старший преподаватель каф общей химии и экологии КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева; Г. Н. Габдрахманова - студентка каф. общей химии и экологии КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева.

© Y. A. Tunakova - doctor of chemical Sciences, Professor, Department of SSTs Kazan national research technological University, juliaprof@mail.ru, A. R. Galimova - Senior Lecturer of Department of General chemistry and ecology, KAZAN state technical University n.a. A.N. Tupolev. G. N. Gabdrakhmanova - 5th year student teaching, students majoring 280202 - Environmental EngineeringDepartment of General chemistry and ecology, KAZAN state technical University n.a. A.N. Tupolev.