Река Тобол является самым большим и многоводным притоком реки Иртыш, образуется при слиянии реки Бозбие с рекой Кокпектысай на границе восточных отрогов Южного Урала и Тургайской столовой страны. Хозяйственное значение реки велико. На Тоболе стоят промышленные города Рудный, Костанай, Лисаковск (Казахстан), Курган, Ялуторовск, Тобольск (РФ). Для обеспечения горнорудных предприятий Казахстана водой, а также для регулировки уровня воды в верховьях Тобола были сооружены несколько ГЭС, результатом постройки которых стало появления водохранилищ, среди которых самыми крупными являются Верхнетобольское и Каратомарское, оказывающие влияние на режим годового стока.
Наибольшие значения мутности наблюдаются в весенний период с апреля по май. Колебания мутности в данный период составляют от 8 мг/л до 26 мг/л со скачками до 75-100 мг/л в течение нескольких часов в отдельные годы. В июне-июле происходит постепенное снижение мутности до 4-8 мг/л. В осенний период происходит более плавное снижение мутности. К моменту начала ледостава она становится равной 3-6 мг/л и остается с этими значениями до вскрытия реки. Таким образом, можно выделить 3 сезона с разным интервалом значений по мутности (весенний – 8-26 мг/л; летне-осенний – 5-10 мг/л; зимний – 3 - 6 мг/л) (рисунок 1). .
Водопроводная станция города Кургана построена в семидесятых годах прошлого века по типовому
Рисунок 1 - Изменение качества воды в реке Тобол (в створе водозабора г. Курган) по периодам года
1- мутность, мг/л; 2 – цветность, град; 3 – температура, град.
Рисунок 2 - Технологическая схема станций водоподготовки г. Курган
проекту и предусматривает традиционную двухступенчатую технологию очистки воды (рисунок 2).
На станции, запроектированной в середине 70-х годов, не предусмотрена обработка промывных вод фильтров и осадка горизонтальных отстойников.
В настоящее время используется несколько способов утилизации промывных вод. Сброс промывных вод в естественную природную среду – водоемы и водотоки, естественные понижения рельефа, закачивание в подземные горизонты – приводит к загрязнению окружающей среды. Промывные воды фильтров могут быть сброшены на городские очистные сооружения канализации [6]. При этом увеличивается нагрузка на КОС, затраты на транспортировку сточных вод, так как водопроводные и канализационные очистные сооружения, как правило, располагаются на значительном расстоянии друг от друга. Нормативные документы [5] рекомендуют отстаивание промывной воды с предварительным выделением песка в песколовке и дальнейшую перекачку в начало сооружений. После доочистки на фильтрах и обеззараживания отстоянная вода может быть направлена в РЧВ [3] или использована для промывки скорых фильтров [2]. Для интенсификации процесса очистки промывной воды могут быть использованы реагенты. Для природных вод в холодные периоды года, когда из-за низкой температуры воды процесс коагулирования протекает вяло, эффективно применение оксихлорида алюминия (ОХА) или совместное применение сернокислого алюминия (СА) и оксихлорида алюминия [1]. При обработке промывных вод фильтровальных сооружений станций водоподготовки рекомендовано использовать смесь коагулянтов СА и ОХА в соотношении 2:1 по Al2O3 [4].
В задачу исследования входило: определение эффективности осветления воды в безреагентном режиме; выбор наиболее эффективных реагентов для обработки промывной воды и определение оптимальных доз реагентов; определение минимального необходимого времени осветления воды после обработки реагентами.
Исследовались следующие реагенты: сернокислый алюминий (СА); оксихлорид алюминия (ОХА); флокулянт ПАА; флокулянт ПРАЕСТОЛ 650; флокулянт FO4140SH (фирма SNF France) и смеси указанных реагентов. Исследования проводились непосредственно на станции водоподготовки. Показателем для контроля эффективности обработки промывных вод различными реагентами была определена мутность, определяемая прибором спектрофотометром ПЭ-5400ви «Экрос». Одновременно с определением оптимальной дозы исследовалась кинетика отстаивания промывной воды.
В зимний период (рисунок 3) при отстаивании без реагентов происходило медленное снижение мутности с незначительным эффектом осветления. При введении реагентов через 10-20 минут произошло резкое увеличение мутности воды до 14,5 мг/л. Это явление объясняется тем, что при добавлении коагулянта начинается формирование хлопьев, сопровождающееся резким увеличением мутности. На этом этапе идет процесс формирования макроструктур, состоящих из коллоидных частиц с адсорбированными на них труднорастворимыми хлопьями гидроокиси алюминия.
Рассмотрим механизм действия коагулянта на примере сернокислого алюминия (СА). Взаимодействие коагулянта с водой происходит по типу гидролиза, протекающего в 3 ступени с образованием труднорастворимой гидроокиси алюминия:
AI2(SO4)3 + 6H2O = 2AI(OH)3↓ + 3H2SO4
I AI2(SO4)3 + H2O = (AIOH)SO4 + H2SO4
II (AIOH)SO4 + H2O = [AI(OH)2 ]2SO4 + H2SO4
III [AI(OH)2 ]2SO4 + H2O = AI(OH)3↓ + H2SO4.
Образовавшиеся хлопья гидроокиси алюминия, адсорбируясь на коллоидных частицах, утяжеляют их и выводят в осадок.
Анализы и визуальные наблюдения показали, что лучший результат дает оксихлорид алюминия. При использовании ОХА образовались мелкие белые хлопья (рисунок 3 б). При введении флокулянтов хлопьев не наблюдалось, так как идет обычное осаждение, флокулянт увлекает за собой частицы за счет разности зарядов, осадок на дне имел вид скрученных жгутов (рисунок 3 в).
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
а) |
в) |
Рисунок 3 - Влияние вида и дозы реагентов на эффективность осветления промывной воды в зимний период
1 – без реагентов; 2 – FO4140SH; 3 – ПАА; 4 – ОХА
Анализы и визуальные наблюдения показали, что лучший результат дает оксихлорид алюминия. При использовании ОХА образовались мелкие белые хлопья (рисунок 3 б). При введении флокулянтов хлопьев не наблюдалось, так как идет обычное осаждение, флокулянт увлекает за собой частицы за счет разности зарядов, осадок на дне имел вид скрученных жгутов (рисунок 3 в).
В летний период исследовалась кинетика отстаивания промывной воды с добавлением реагентов, используемых на станции: коагулянт сернокислый алюминий (СА); анионный флокулянт ПРАЕСТОЛ 650 (аналог ПАА); смесь СА и ПРАЕСТОЛа 650 (рисунок 4).
При добавлении коагулянта и флокулянтов уже через 10 минут отстаивания мутность резко снижается. Самые крупные хлопья и плотный осадок дал флокулянт ПРАЕСТОЛ 650. Осадок, полученный при введении ОХА, был менее плотным, чем при введении флокулянта. Оптимальной дозой флокулянта ПРАЕСТОЛ 650 является 0,2 мг/л, так как при этой дозе образуется малый объемом осадка с плотными и крупными хлопьями и наблюдается хороший эффект осветления.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 4 - Влияние вида и дозы реагентов на эффективность осветления промывной воды в летний период
а) 1 – без реагентов; 2 – СА (40 мг/л); 3 -ПРАЕСТОЛ 650 (0,8 мг/л);
4 - СА (20 мг/л)+ ПРАЕСТОЛ 650 (0,2 мг/л);
б) внешний вид осадка при введении праестола 650.
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.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 5 - Кинетика отстаивания промывной воды в летний период при добавлении
а) ПРАЕСТОЛа 650 с дозой 0,8 мг/л; б) при добавлении смеси реагентов с дозами СА 20 мг/л и ПРАЕСТОЛа 650 0,2 мг/л
1 – опытные данные; 2 – линия тренда
В целом введение реагентов в промывную воду фильтров приводило к снижению мутности. Вид реагента и его дозы должны выбираться на основании предварительных испытаний, проведенных в характерные периоды года.
Введение в технологическую схему обработки промывных вод фильтров позволит исключить сброс в водные объекты промывных вод, содержащих нехарактерные для природных водоемов загрязнения, сократить объемы воды, используемые для собственных нужд станции, и уменьшить дозы вводимых реагентов, так как очищенная промывная вода содержит остаточные реагенты. Уменьшение количества воды на собственные нужды (на 40-50 %) в свою очередь сокращает объемы речной воды, поступающей на очистку, что ведет к уменьшению подачи насосной станции первого подъема и экономии электроэнергии, а также к сокращению изъятия из водных объектов водных ресурсов.