Эффективность реагентной обработки высокоцветных и маломутных вод в зависимости от природы органических загрязнений

Значительное количество природных водоемов на территории РФ, используемых в качестве источников водоснабжения, характеризуется высокой цветностью воды, малой мутностью и низкими среднегодовыми температурами. Высокая цветность воды обуславливается наличием растворенных и коллоидальных органических веществ, главным образом гуминовых, выщелачиваемых водой из торфа и почвы, чем выше их концентрация, тем выше цветность [1−4].

Традиционная технология очистки воды таких источников включает реагентную обработку, отстаивание, осветление, фильтрование и т. д. Строительство действующих водоочистных сооружения осуществлено во второй половине прошлого века и к настоящему времени при возросших требованиях к качеству питьевой воды нуждаются в совершенствовании.

Над совершенствованием технологии очистки высокоцветных вод в пошлом столетии работали лучшие в этой области отечественные и зарубежные ученые, исследователи, технологи, конструкторы, выполнено значительное количество исследований [1-Ю].

До конца 70-х годов осуществлялось интенсивное совершенствование ранее разработанной технологии, уточнялись технологические приемы и нормы проектирования.

Однако, в течение последних 30-ти лет из-за экономических трудностей и по ряду других причин, совершенствованию рассматриваемой технологии уделялось недостаточно внимания. Поэтому технология, разработанная полвека назад, стала отставать от современных требований, несмотря на это строительство водоочистных сооружений с применением устаревшей технологии осуществляется практически до настоящего времени. Имеются разработки и внедрения индивидуальных проектов реконструкции существующей технологии [11, 12], однако, на общем фоне старения технологии они не решают общей картины. Несмотря на то, что многие устаревшие типовые проекты аннулированы, в виде исключения их строительство продолжает осуществляться.

Для повышения эффективности удаления природных органических веществ на многих сооружениях взамен традиционных применяют современные коагулянты и флокулянты [13−16]. Однако, это не всегда приводит к ощутимому эффекту из-за недостаточной изученности процесса реагентной обработки в зависимости от природы органических загрязнений, обуславливающих цветность воды, имеющихся технологических и конструктивных недостатков, которые присущи самому началу процесса очистки, при вводе реагентов и перемешивании с потоком обрабатываемой воды, организации процесса хлопьеобразования. Включение современных реагентов в технологию действующих сооружений требует изучения свойств природных органических загрязнений, обоснования применимости реагентов и их сочетания, определению доз, совершенствования практически всего технологического процесса.

Строительство городских водоочистных сооружений является трудоемким и длительным процессом ввиду значительности размеров и капиталоемкости. Создание новых реагентов и современного оборудования не могут привести к одномоментному изменению существующей технологии, перестройке или замене действующих сооружений на новые. Поэтому вопросы совершенствования технологии действующих водоочистных сооружений являются весьма актуальными.

Цель работы и задачи исследований.

Цель работы: Совершенствование технологии реагентной обработки высокоцветных вод на основе научно обоснованного подхода к выбору и применимости различных типов реагентов в зависимости от свойств органических природных загрязнений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— изучение технологии и опыта очистки высокоцветных природных вод с применением коагулянтов и флокулянтов и определение путей совершенствования;

— разработка методики экспериментальных исследований;

— изучение условий применимости хорошо зарекомендовавших себя при снижении цветности воды коагулянтов: сульфата алюминия (СА), полиоксихлорида алюминия (PAX), оксихлорида алюминия (ОХА), Полисепт (ПС) Метацид, а также высокомолекулярных флокулянтов Праестол 650 ВС (Рг 650), Праестол 853 (Рг 853), Праестол 2640 (Рг 2640), в зависимости от свойств природных органических загрязнений обуславливающих цветность воды;

— проверка результатов применимости выбранных реагентов на искусственно приготовленных модельных растворах в условиях преобладания гуматных фракций или фракций фульвокислот;

— изучение возможности определения применимости реагентов в зависимости от величины коэффициента цветности Кц воды природного источника (Кц — отношение величины цветности к перманганатной окисляемости);

— разработка предложений по совершенствованию технологии реагентной обработки при очистке высокоцветных природных вод.

Методический уровень и достоверность выполненных исследований.

Исследования проводились в лабораторных и производственных условиях на природных водах и модельных растворах. В процессе выполнения экспериментальных работ использовались современные аналитические, спектрофотометрические и гель-хроматографические методы исследований. Достоверность результатов определения качества воды, обеспечивалась за счет соблюдения методик изложенных в правовых нормативных документах (ПНД), оригинальной и апробированной методики эксклюзивной гель-хроматографической программы, разработанной в МГУ им М. В. Ломоносова. Надежность результатов обеспечивается также за счет соблюдения подобия при моделировании гидравлических и технологических процессов, подтверждением результатов, полученных при изучении природных вод, результатами исследований на модельных растворах, применением методов математической статистики при обработке данных экспериментов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— научно обосновано и экспериментально определено молекулярно-массовое распределение растворенных в воде гуминовых и фульфокислот, обуславливающих цветность воды, позволяющее обоснованно осуществить выбор наиболее эффективных реагентов;

— экспериментально подтверждена технологическая целесообразность учета свойств органических загрязнений природного происхождения при выборе реагента для снижения цветности и мутности воды;

— впервые изучены условия применимости и эффективность органического коагулянта Полисепт при очистке высокоцветных вод как при самостоятельном применении, так и в различных сочетаниях;

— определены условия применимости современных реагентов для снижения цветности воды в зависимости от свойств органических веществ, обуславливающих цветность;

— экспериментально доказано подобие коэффициента цветности Кц коэффициенту молярного поглощения SUVA, позволяющее использовать его в качестве дополнительной характеристики свойств органических загрязнений и в качестве критерия при выборе реагентов для снижения цветности воды.

Практическая значимость работы.

Использование результатов настоящей работы в условиях действующих водоочистных сооружений позволяет обоснованно подойти к совершенствованию технологии процесса очистки высокоцветных и маломутных вод.

Использование результатов настоящей работы в условиях действующих водоочистных сооружений позволяет:

— в условиях ведомственных лабораторий сократить трудоемкость определения свойств органических веществ, обуславливающих высокую цветность воды;

— произвести выбор реагентов или их сочетания, определить дозы реагентов и технологические параметры процесса обработки для эффективного снижеиия цветности и мутности воды;

— повысить эффективность действующих водоочистных сооружений за счет совершенствования технологии реагентной обработки при снижении цветности воды.

Внедрение результатов работы.

Результаты исследований внедрены:

— в Пермской обл., на Краснокамской бумажной фабрики «Гознака», «Реконструкция системы технического водоснабжения КБФ „Гознака“ -2000 м3/ч», 2005 г;

— в Якутии, «Станция питьевого водоснабжения поселка Алмазный о.

1200 м /сут", при разработке рабочего проекта, источник водоснабжения река Малая Ботуобия, 2006 г;

— в Республике Беларусь, УП «Бумажная фабрика» Гознака, город Борисов, при разработке рабочего проекта «Модернизация системы технического водоснабжения — 240 м /ч», источник водоснабжения река Березина, 2007 г.

Публикации. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы доложены автором на Международном конгрессе «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2008.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13-ти печатных изданиях, в том числе: 6 статей, из них 2 статьи — в издании по перечню ВАК РФ — журнале «Водоснабжение и санитарная техника», тезисы докладов — б, один патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка использованной литературы, насчитывающего 63 источника.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе проведенного аналитического обзора и данных экспериментальных исследований установлено, что высокоцветные речные воды Европейской части РФ по содержанию растворенных органических веществ можно отнести к двум основным типам высокоцветные и среднецветные:

— с преобладанием в воде легкоудаляемых высокомолекулярных (торфяных и почвенных) гуминовых кислот, имеющих высокий отрицательный заряд, хорошо реагирующих с коагулянтами типа ОХА и образующих с ним нерастворимые комплексы;

— с преобладанием в воде более нейтральных низкомолекулярных фульватных фракций, имеющих незначительный отрицательный заряд и плохо вступающих в реакцию с коагулянтами типа ОХА.

2. Выполненные экспериментальные исследования подтвердили технологическую и экономическую целесообразность учета свойств органических загрязнений природного происхождения при выборе реагентов для снижения цветности и общего качества воды до требований СанПиН 2.1.4.1074−01.

3. Для высокоцветных вод наиболее целесообразно сочетание ОХА и среднекатионного флокулянта РгаеэЫ 650ВС, повышающее эффективность очистки, хорошо снижающее содержание высокомолекулярной части (гуматная составляющая).

4. Внедрение разработанной технологии для снижения цветности воды реки Кама на Краснокамской бумажной фабрике подтвердило высокую эффективность обработки воды полиоксихлоридом алюминия в сочетании с катионным флокулянтом РгаезЫ 650, обеспечивающих стабильное снижение цветности и общее качество воды при последующем осветлении;

5. Для среднецветных вод рек со смешанным питанием, с высоким содержание фульвокислот, целесообразно применение Полисепта в сочетании с РгаеэЫ 650ВС или ОХА+Полисепт+РгаеБШ! 650ВС, стабильно обеспечивающих эффективное снижение цветности при последующем осветлении.

6. Экспериментально доказано подобие коэффициента цветности Кц коэффициенту молярного поглощения SUVA, позволяющее использовать его в качестве дополнительной характеристики свойств органических загрязнений и в качестве критерия определения свойств растворенных органических загрязнений и выборе типа реагентов для снижения цветности воды.

7. Экспериментально установлено, что для извлечения фульвокислот необходимы большие дозы реагентов, чем для извлечения гуминовых кислот. Для извлечении гуминовых кислот оптимальные удельные дозы ОХА составили 15+20 мг/л, для фульвокислот — 25-+30 мг/л.

8. Для определения содержания ароматической составляющей углерода растворенного органического вещества, ведомственным лабораториям рекомендуется использовать коэффициент цветности Кц = Ц/ПО.

9. Для практического применения, при определении свойств растворенных органических веществ по величине показателя цветности Кц, установлены границы преобладания (пример):

— значение величины Кц = Ц/ПО, составляет менее 7,5, (Кц воды, из реки Волхов — 4,7, из Истры — 4,43) свидетельствует о преобладании в воде более нейтральных низкомолекулярных фульватных фракций, имеющих незначительный отрицательный заряд и плохо вступающих в реакцию с ОХА;

— значение величины Кц = Ц/ПО, составляет более 7,5, (Кц воды, из реки Орши — 11,25) свидетельствует о преобладании в воде легкоудаляемых высокомолекулярных (торфяных и почвенных) гуминовых кислот, имеющих высокий отрицательный заряд, хорошо реагирующих с ОХА и образующих с ним нерастворимые комплексы.