Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСТОЧНИКА С ПРИМЕНЕНИЕМ АНИОННЫХ И КАТИОННЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ

Гришин Б.М. 1 Гарькин И.Н. 1 Салмин С.М. 1 Янова С.Г. 2
1 ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»
2 ООО «Горводоканал»
Приведены данные лабораторных исследований по эффективности действия катионных и анионных полиэлектролитов (флокулянтов), используемых для реагентной обработки воды р. Суры в период паводка совместно с коагулянтом – сернокислым алюминием. В экспериментах были исследованы 2 анионных полиэлектролита (К-4043 и ПАА) и 3 катионных (ВПК-402, К-6735 и К-6841), флокулирующая способность которых оценивалась по показателям мутности, перманганатной окисляемости, остаточной концентрации ионов алюминия и цветности воды после двухступенчатой очистки отстаиванием и фильтрованием. Наиболее значимые результаты по качеству очистки природной воды от органических и минеральных примесей были получены при использовании катионных полиэлектролитов с высокой молекулярной массой, позволяющих снизить требуемые дозы коагулянта на 30 % по сравнению с опытами, где применялись сернокислый алюминий и полиакриламид. Результаты приведенных в статье лабораторных исследований могут быть использованы на практике, на объектах по очистке воды в г. Пензе и Пензенской области. Методы по определению результатов исследований успешно внедрены в учебный процесс и используются в курсовых и дипломных работах при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство».
природная вода
органические и минеральные примеси
коагуляция
полиэлектролиты
флокуляция
отстаивание
фильтрование
эффективность очистки
1. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Недра, 1977. 356 с.
2. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Гетманцев С.В. Коагуляция в технологии очистки природных вод. М.: Науч. изд., 2005. 576 с.
3. Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Камбург В.Г., Алексеева Т.В., Ширшин И.Б. Моделирование процессов флотационной очистки сточных вод // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 2. С. 91–99.
4. Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1984. 201 с.
5. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества / СанПиН 2.1.4.1074 01. М.: Минздрав России, 2002. 111 с.
6. Федотов Р.В., Щукин С.А., Степаносьянц А.О., Чепкасова Н.И. Современные технологии очистки природных вод от антропогенных загрязнений // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 9–3. С. 452–456.
7. Гришин Б.М., Бикунова М.В., Ласьков Н.Н., Вилкова Н.Г., Перелыгин Ю.П. Применение вихревых смесительных устройств в технологиях механической и физико-химической очистки сточных вод // Региональная архитектура и строительство. 2016. № 2 (27). С. 112–117.
8. Андреев С.Ю., Гарькина И.А., Шеин А.И., Князев В.А. Математическая модель определения равновесной концентрации извлекаемых в процессе сорбционной очистки загрязняющих веществ // Региональная архитектура и строительство. 2017. № 1 (30). С. 118–123.
9. Андреев С.Ю., Петрунин А.А. Повышение эффективности флотационной очистки сточных вод за счет использования гидродинамических устройств // Энциклопедия инженера-химика. 2014. № 10. С. 30–34.

На большинстве водоочистных станций Российской Федерации, работающих на воде поверхностных источников, в качестве коагулянта используется сернокислый алюминий (СА). Коагуляция примесей воды происходит за счёт образования в процессе гидролиза СА малорастворимого основания Al(OH)3 [1, 2].

Грубодисперсные и коллоидные примеси, содержащиеся в воде, адсорбируются на поверхности частиц Al(OH)3 с образованием хлопьев и затем удаляются из воды при осветлении и фильтровании. В периоды низких температур (зимнее время или паводок) процессы хлопьеобразования и осаждения примесей в воде, обработанной СА, замедляются. Образующиеся хлопья становятся мелкими, а в воде после очистки появляются повышенные концентрации коллоидных веществ и остаточного алюминия [3]. Это объясняется тем, что при низких температурах подвижность коллоидных частиц замедляется за счёт увеличения вязкости воды. Кроме того, в период паводка резко увеличивается содержание в воде органических примесей, препятствующих образованию агломератов коллоидных примесей с продуктами гидролиза сернокислого алюминия.

Наиболее распространённым способом ускорения процессов коагуляции является дополнительная обработка воды полиэлектролитами – полимерами, в состав молекул которых входят группы, способные к ионизации в водной среде. Обработка воды полиэлектролитами (флокулянтами), как правило, производится через некоторое время после введения в неё раствора коагулянта.

Результатом совместной обработки воды коагулянтом и полиэлектролитом является быстрое объединение микрохлопьев в крупные, хорошо осаждающиеся в воде флокулы, образующиеся за счёт создания высокомолекулярных полимерных «мостиков» между агрегатами первоначально скоагулированных частиц примесей [4].

Наиболее широко распространенным флокулянтом, применяющимся на водоочистных станциях, является полиакриламид (ПАА) – слабоанионный полиэлектролит с молекулярной массой порядка 106. В период паводка для обеспечения качества очищенной воды нормативным требованиям требуется увеличение дозы СА и ПАА, что приводит к значительному удорожанию процесса водоподготовки. В последние годы на рынке реагентов появились новые эффективные анионные и катионные полиэлектролиты, которые с успехом применяются для очистки природных и сточных вод и могут рассматриваться в качестве замены полиакриламида.

Целью настоящих исследований являлась сравнительная оценка эффективности использования различных полиэлектролитов при коагуляционной обработке и последующей очистке природной воды поверхностного источника в период паводка.

Материалы и методы исследования

Объектом исследований являлась вода р. Суры, отобранная в районе водозаборного узла г. Пензы. Основные показатели качества речной воды были следующие:

– температура 2,6÷3,5 °С;

– мутность 77÷84 мг/л;

– щелочность 0,95÷1,1 ммоль/л;

– цветность 40 град;

– перманганатная окисляемость 6,7÷7,5 мгО2/л;

– рН 7,16÷7,18;

– алюминий 0,043÷0,047 мг/л.

Программа лабораторных исследований предусматривала обработку исходной сырой воды раствором коагулянта СА (с содержанием Al2O3 16 %), ввод полиэлектролитов для ускоренного хлопьеобразования с последующим отстаиванием и фильтрованием исследуемых проб очищаемой воды.

Перемешивание воды с реагентами осуществлялось лабораторной механической мешалкой со следующими режимами: при вводе коагулянта – с градиентом скорости G = 150 с-1 в течение 1 мин, а при вводе полиэлектролитов – с градиентом G = 20 с-1 в течение 5 мин.

В экспериментах исследовались 5 видов флокулянтов, технические характеристики которых представлены в табл. 1.

Техническая характеристика полиэлектролитов

Наименование

Товарная форма

Ионный заряд

Степень ионного заряда

Молекулярная масса

ПАА

гель

анионный

низкая

2,3·106

ВПК-402

гель

катионный

высокая

3·105

К-4043

порошок

анионный

средняя

14·106

К-6735

порошок

катионный

средняя

9·106

К-6841

порошок

катионный

высокая

11·106

Флокулянты ПАА и ВПК-402 выпускаются отечественными производителями, а флокулянты серии К являются продукцией компании «Kolon Life Science Inc» (Южная Корея).

После обработки реагентами пробы исследуемой воды переливались в литровые стеклянные цилиндры, где отстаивались в течение 1 часа. Далее осветленная после отстаивания вода отбиралась из верхней части каждого цилиндра и фильтровалась через бумажный фильтр. Дозы коагулянта СА (Дк) в различных сериях экспериментов принимались равными 40 и 60 мг/л, дозы полиэлектролитов (Дп) были одинаковыми и составляли 0,15 мг/л. В соответствии с рекомендациями [2] эффективность коагуляционной обработки с применением различных флокулянтов оценивалась по показателям мутности (М), цветности (Ц), перманганатной окисляемости (ПО) и концентрации ионов алюминия в очищенной воде. Кроме того, в каждой серии опытов определялись рН и щелочность фильтрата.

Результаты исследования и их обсуждение

Экспериментальные графики зависимости мутности Мо обработанной реагентами природной воды от времени отстаивания t показаны на рис. 1 и 2.

grihin1.tif

Рис. 1. Графики зависимости мутности воды (Мо) от времени отстаивания (t) при обработке коагулянтом СА с дозой Дк = 60 мг/л и полиэлектролитов с дозами Дп = 0,15 мг/л: 1 – ВПК-402; 2 – ПАА; 3 – К-4043; 4 – К-6735; 5 – К-6841

grihin2.tif

Рис. 2. Графики зависимости мутности воды (Мо) от времени отстаивания (t) при обработке коагулянтом СА с дозой Дк = 40 мг/л и полиэлектролитов с дозами Дп = 0,15 мг/л: 1 – ВПК-402; 2 – ПАА; 3 – К-4043; 4 – К-6735; 5 – К-6841

При дозе коагулянта Дк = 60 мг/л наиболее значимое снижение мутности при её исходном значении в речной воде Мисх = 77 мг/л наблюдалось в экспериментах с применением полиэлектролитов К-6735 и К-6841, для которых остаточная мутность Мо отстоянной воды составляла соответственно 1,41 и 1,09 мг/л (графики 4 и 5, рис. 1). В экспериментах с применением ПАА, который является основным флокулянтом на водопроводных очистных сооружениях г. Пензы, остаточная мутность воды была равна 3,62 мг/л (график 2, рис. 1). Анионный флокулянт К-4043 показал более высокую эффективность при использовании по сравнению с ПАА (Мо = 2,64 мг/л, график 3, рис. 1), а наименьшее снижение мутности было получено в опытах с применением катионного полиэлектролита ВПК-402 (Мо = 5,9 мг/л, график 1, рис. 1). Аналогичное распределение полиэлектролитов по эффективности действия (К-6841>К-6735>К-4043>ПАА>ВПК-402) наблюдалось при отстаивании речной воды, обработанной СА с дозой Дк = 40 мг/л (рис. 2). В указанном ряду флокулянтов остаточная мутность Мо отстоянной воды составляла соответственно 2,02; 2,91; 3,05; 4,3 и 6,4 мг/л при мутности исходной воды Мисх = 84 мг/л.

Анализ экспериментальных зависимостей Мо = f(t), представленных на рис. 1 и рис. 2, позволил сделать вывод о том, что наибольшую эффективность при очистке воды отстаиванием имеют анионные и катионные флокулянты серии К с высокой молекулярной массой. Применение этих флокулянтов позволяет снизить дозу коагулянта СА в 1,5 раза (с 60 до 40 мг/л) без ухудшения эффективности отстаивания по сравнению с совместным применением СА и ПАА, в настоящее время имеющим место на водопроводных очистных сооружениях г. Пензы.

На рис. 3–5 изображены диаграммы мутности (Мф), перманганатной окисляемости (ПОф) и остаточных концентраций ионов алюминия (Al3+) в речной воде, прошедшей двухступенчатую очистку отстаиванием и фильтрованием после коагуляционной обработки.

grihin3.tif

Рис. 3. Диаграммы остаточной мутности фильтрата (Мф) при использовании различных полиэлектролитов: grihin3a.wmf – для Дк = 60 мг/л; grihin3b.wmf – для Дк = 40 мг/л

grihin4.tif

Рис. 4. Диаграммы перманганатной окисляемости фильтрата (ПОф) при использовании различных полиэлектролитов: grihin4a.wmf – для Дк = 60 мг/л; grihin4b.wmf – для Дк = 40 мг/л

Наименьшие значения мутности фильтрата при Дк = 60 мг/л (Мф = 0,29–0,34 мг/л) были получены в экспериментах с применением флокулянтов ПАА, К-6735 и К-6841 (рис. 3). При снижении дозы СА до 40 мг/л остаточная мутность профильтрованной воды, обработанной ПАА, весьма значительно увеличилась (до Мф = 0,41 мг/л), в то время как для флокулянта К-6735 качество фильтрата осталось на прежнем уровне (Мф = 0,33 мг/л).

При использовании сернокислого алюминия с дозой Дк = 60 мг/л для большинства флокулянтов остаточные значения ПОф находились в пределах 2,9–3,2 мгО2/л (рис. 4). Более высокие значения окисляемости в фильтрате наблюдались только при дозировании флокулянта К-6735 (3,7 мгО2/л). Однако в экспериментах с дозой СА 40 мг/л и использованием полиэлектролита К-6735 ухудшения качества фильтрованной воды по окисляемости не происходило (ПОф = 3,6 мгО2/л), в то время как для остальных флокулянтов значения ПОф заметно выросли, а в опытах с флокулянтом К-4043 превысили нормативный показатель для питьевой воды (5 мгО2/л), требуемый СанПиН [5].

grihin6.tif

Рис. 5. Диаграммы концентраций остаточного алюминия в фильтрате (Al3+) при использовании различных полиэлектролитов: grihin6a.wmf – для Дк = 60 мг/л; grihin6b.wmf – для Дк = 40 мг/л

Что касается остаточных концентраций алюминия в очищенной воде, то при Дк = 60 мг/л лучший результат (Al3+ = 0,032 мг/л) был показан в опытах с использованием флокулянта ВПК-402 (рис. 5). Коагулянты серии К показали примерно одинаковую эффективность очистки (Al3+ = 0,037÷0,038 мг/л). При снижении дозы СА до 40 мг/л незначительный эффект очистки воды от ионов алюминия наблюдался только в экспериментах с применением флокулянтов ВПК-402 и К-6841 (Al3+ = 0,04÷0,042 мг/л), а наибольшие остаточные концентрации Al3+ (до 0,085 мг/л) имели место в опытах с полиэлектролитом К-4043. Что касается опытов с вводом флокулянта ПАА, то при всех исследуемых дозах коагулянта СА концентрации остаточного алюминия в очищенной воде были выше его исходных значений до очистки, что говорит о недостаточной селективной адсорбции ионов Al3+ молекулами ПАА в условиях низких температур воды.

Анализ диаграмм на рис. 3–5 показал, что катионные флокулянты с высокой молекулярной массой позволяют получить достаточно стабильное качество двухступенчатой очистки речной воды по мутности, перманганатной окисляемости и ионам алюминия даже при снижении дозы коагулянта СА с 60 до 40 мг/л.

Экспериментальные данные по цветности очищенной воды показали одинаковую эффективность действия полиэлектролитов. При Дк = 60 мг/л остаточная цветность фильтрата во всех пробах составляла 5 град, а при Дк = 40 мг/л цветность воды после очистки поднималась до 8 град.

Наименьшие значения рНф очищенной воды имели место при использовании ПАА (при Дк = 60 мг/л, рНф = 6,44, а при Дк = 40 мг/л, рНф = 6,62). Катионные флокулянты К-6735 и К-6841 обеспечили более высокую стабильность воды по концентрациям ионов Н+. При Дк = 60 мг/л рНф снижалась до 6,6, а при Дк = 40 мг/л значения рНф составляли 6,75–6,77.

Заключение

1. Для реагентной обработки сурской воды в период паводка более предпочтительным является совместное применение с сернокислым алюминием катионных полиэлектролитов, которые по сравнению с анионными флокулянтами обеспечивают высокое качество очистки даже при снижении дозы коагулянта на 30 % [6].

2. Эффективность удаления примесей из воды с применением высоких доз коагулянта и катионных полиэлектролитов зависит как от силы заряда, так и от молекулярного веса флокулирующих реагентов. В то же время при двухступенчатом удалении из воды мутности и перманганатной окисляемости с её обработкой пониженными дозами коагулянта весьма эффективен катионный флокулянт К-6735 с высокой молекулярной массой и средней силой заряда.

3. По результатам экспериментов катионные полиэлектролиты К-6735 и К-6841, которые показали наиболее высокую адгезионную способность в отношении к минеральным и органическим примесям, могут быть рекомендованы для реагентной обработки сурской воды в период паводка на водопроводных очистных сооружениях г. Пензы.

4. Полученные результаты являются логическим продолжением работ [7–9].


Библиографическая ссылка

Гришин Б.М., Гарькин И.Н., Салмин С.М., Янова С.Г. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ВОДЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ИСТОЧНИКА С ПРИМЕНЕНИЕМ АНИОННЫХ И КАТИОННЫХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ // Современные наукоемкие технологии. – 2019. – № 3-2. – С. 155-160;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37457 (дата обращения: 22.05.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674