Дипломная работа: Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод
ГЛАВА 1. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод
Очистка природных и сточных вод тесно связана с охраной окружающей среды и является актуальной проблемой современности. В последние десятилетия отмечено значительное повышение в водах открытых водоемов содержания тяжёлых металлов, нефтепродуктов, трудноокисляемых органических соединений, синтетических поверхностно-активных веществ, пестицидов и других загрязнений вследствие сброса промышленными и коммунальными предприятиями недостаточно очищенных сточных вод.
Несмотря на большое число разработок, отраженных в литературе [1 – 4], проблему очистки природных и сточных вод нельзя считать решенной. Это вызывает необходимость совершенствования технологии очистки воды, которая существенно зависит от интенсификации реагентной и, в частности, флокуляционной её обработки. Для этих целей используются водорастворимые высокомолекулярные соединения, среди которых наиболее распространенными и универсальными являются полиакриламидные флокулянты [5 – 10]. В результате их применения достигается эффективность удаления тяжёлых металлов на 95%, соединений фосфора более 90%, взвешенных веществ более 80%, органических веществ более 75% [7]. Кроме того, флокуляционная очистка воды характеризуется низкими капитальными и эксплуатационными затратами по сравнению с другими методами водоочистки [1]. Вопросам флокуляции модельных и реальных дисперсных систем с использованием полиакриламидных флокулянтов посвящены монографии [2 – 4, 6, 9] и обзоры [10 – 14]. С учетом этой информации и наиболее значимых данных последних лет в настоящем литературном обзоре приводятся основные закономерности очистки природных и сточных вод полиакриламидом (ПАА) и его анионными и катионными производными в отсутствие и в присутствии минеральных коагулянтов, а также рассмотрены наиболее эффективные способы интенсификации водоочистки.
1.1 Очистка природной воды коагулянтами и флокулянтами
Природная вода является сложной коллоидной системой, содержащей органические и неорганические вещества, а также тонкодиспергированные компоненты. Кроме того, качество природных вод может меняться в зависимости от времени года, химического и дисперсионного состава. Поэтому при производственных испытаниях необходимо учитывать качество исходной воды и индивидуальные особенности водоочистных станций. Влияние этих факторов на водоочистку охарактеризовано в монографиях [1, 3, 4, 15], а влияние коагулянтов – в монографиях [16, 4]. Одной из основных задач в технологии водообработки является выбор оптимальных видов реагентов для конкретного водоисточника, определение условий их применения и необходимых доз. Для очистки природной воды от взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ на отечественных водопроводных станциях до последнего времени применялись в основном коагулянт – сульфат алюминия (СА) и флокулянт – ПАА. Отдельные сведения по реагентной обработке воды поверхностных источников с использованием коагулянтов и флокулянтов приведены в работах, опубликованных в последние годы [17 – 19].
Использованная технология очистки воды р. Дон на водопроводной станции г. Новочеркасска предусматривает применение бинарных реагентов – высокомолекулярного флокулянта Феннопола А-321 с коагулянтами - гидроксохлоридом алюминия (ГОХА) и СА (сульфатом алюминия) [20]. Влияние коагулянтов на мутность очищенной воды при отстаивании показано на рис. 1.1.
Рис. 1.1 - Зависимость мутности воды N (мг·л–1 ) от времени t (мин) при применении гидроксохлорида алюминия (1, 2, 3) и сульфата алюминия (1¢, 2¢, 3¢).
Как видно, в широком интервале концентраций ГОХА обеспечивает более полное осветление воды и его оптимальная доза меньше, чем СА. Добавки Феннопола (доза 0.15-0.2 мг·л–1 ) эффективно осветляли воду при температуре 200 С и снижали дозу коагулянта до 2-4 мг·л–1 . Аэрирование воды на стадии её смешения с реагентами ускоряло процесс десорбции углекислоты, образующейся вследствие гидролиза коагулянта, и увеличивало завершённость гидролиза. Удаление углекислого газа из сферы реакции гидролиза способствовало образованию плотных хлопьев, быстрому их осаждению и осветлению воды.
Сопоставление действия СА (К1 ) и ГОХА (К2 ) в отсутствие и присутствии ПАА при очистке воды р. Волги на водопроводной станции КУП “Водоканал” г. Казани показано в работе [21]. Результаты испытаний, проведенных в летний период 1999 г., показаны в табл. 1.1.
Табличные данные свидетельствуют об улучшении нормативных показателей очищенной воды при замене СА на ГОХА.
Таблица 1.1 - Влияние сульфата алюминия (К1 ) и гидроксохлорида алюминия (К2 ) в сочетании с ПАА на качество очищенной воды в различные дни испытаний [С(AI) = 4 мг·л-1 , С(ПАА)=0.15 мг·л-1 ]. Флокулянт вводили после коагулянта через 2 мин
| Цветность, град. | Мутность, мг·л-1 | Концентрация, мг·л-1 | ||
| Al | Fe | Mn | ||
| Исходная вода | ||||
| 62 | 2,5 | 0 | 0,9 | 0,16 |
| (46)* | (3,8) | (0) | (0,8) | (0,14) |
| Требования СанПиН | ||||
| 20 | 1,5 | 0,5 | 0,3 | 0,2 |
| Очищенная вода. Коагулянт К2 | ||||
| 20 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,06 |
| (20) | (0,5) | (0,1) | (0,18) | (-) |
| 15 | 0,1 | 0,1 | 0,15 | 0,08 |
| (23) | (0,4) | (0,1) | (0,22) | (0,05) |
| 17 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,07 |
| 20 | 0,3 | 0,2 | 0,2 | 0,05 |
| Коагулянт К1 | ||||
| 22 | 0,9 | 0,2 | - | - |
| (18) | (0,2) | (0,1) | (0,15) | (0,05) |
| 21 | 0,7 | 0,4 | - | - |
| (20) | (0,2) | (0,2) | (0,3) | (0,04) |
| 21 | 1,1 | 0,3 | -- | - |
| 21 | 0,8 | 0,1 | - | - |
| 22 | 0,7 | 0,2 | - | - |
| 20 | 0,7 | 0,2 | 0,25 | 0,04 |
Дополнительное введение после коагулянтов ПАА не эффективно сказывалось на водоочистке, поскольку исходная вода в июле 1999 г. не характеризовалась большой загрязнённостью.
На Рублевской водопроводной станции «Мосводоканала» (москворецкий источник) испытана пилотная установка компании «Дегремон» для очистки воды с применением бинарных реагентов - коагулянтов СА и оксихлорида алюминия (ОХА) с анионным флокулянтом ASP25 [сополимер акриламида (АА) с акрилатом натрия (Na-АК) с содержанием ионогенных звеньев α = 5 мол.%] [18]. Испытания проводились в 1997-1998 гг. в течение всех сезонных изменений качества исходной воды. СА оказался более эффективным в период теплой исходной воды, а в зимний период более эффективным являлся ОХА.
Совместное использование коагулянтов и флокулянта эффективно снижало основные характеристики загрязненности воды после отстаивания: мутность - на 80-85%, цветность – на 50-60%, перманганатная окисляемость – на 40-50%, содержание железа – на 90%, аммония – до 0,1 мг·л–1 и содержание фитопланктона - на 97-98% (даже в период бурного цветения воды).
Влияние интервала между моментом введения СА и анионного флокулянта Магнафлок LT27 на очистку воды рассмотрено в работе [22]. При малой дозе флокулянта (0,02 мг·л–1 ) и дозе коагулянта 5 мг·л–1 интервал времени 30-120 с между дозировкой реагентов не влиял на цветность воды, а при большой дозе флокулянта (0,30 мг·л–1 ) и той же дозе коагулянта с увеличением интервала времени между дозировками реагентов цветность воды снижалась. Увеличение интервала до момента ввода флокулянта способствовало более полной сорбции гумусовых веществ частицами гидроксида алюминия и последующей сорбции флокулянта (см. табл. 1.2).
В настоящее время в г. Перми компанией ЗАО «Москва-Штокхаузен-Пермь» по немецкой технологии налажено производство высокоэффективных флокулянтов Праестолов, которые имеют высокую молекулярную массу (ММ), 100%-ное содержание основного вещества, а также широкий спектр марок неионного, анионного и катионного полимеров, адаптированных к различным видам суспензий и процессам их разделения. Рассмотрим результаты применения Праестолов в отсутствие и в сочетании с коагулянтами для обесцвечивания и очистки природной воды.
Таблица 1.2 - Влияние интервала между моментами введения сульфата алюминия и Магнафлока LT27 на качество очистки воды (доза коагулянта 5,0 мг·л-1 , температура воды 4°С)
| Доза флокулянта, мг·л-1 | Интервал времени, с | Очищенная вода | |
| Цветность, град. | Мутность, мг·л-1 | ||
| 0 | 0 | 23,5 | 1,3 |
| 0,02 | 30 | 18,0 | 0,4 |
| 0,02 | 60 | 18,0 | 0,4 |
| 0,02 | 120 | 18,0 | 0,4 |
| 0,30 | 30 | 21,0 | 0,4 |
| 0,30 | 60 | 20,0 | 0,4 |
| 0,30 | 120 | 19,0 | 0,4 |
На основании модельных исследований на суспензии каолина [23, 24] проведено сопоставление качества очистки природной воды различными флокулянтами в сочетании с СА [25]. В качестве флокулянтов применяли аммиачный ПАА производства Завода им. Я.М. Свердлова г. Дзержинск, неионный Праестол 2500 (ПАА), анионные Праестолы 2515 TR, 2530 TR и 2540 TR (сополимеры АА с Na-АК) производства компании ЗАО «Москва-Штокхаузен-Пермь». Характеристики флокулянтов приведены в табл. 1.3.
Образцы частично гидролизованного ПАА (ГПАА) − В (Г), Е и гидролизованного Праестола (И) получали в производственных условиях на установке для растворения полимера щелочным гидролизом образцов Б, А и З соответственно.
Таблица 1.3 - Характеристика флокулянтов
| Образец | Полимер | [h], см3 ·г-1 | Мh ×10-6 | Содержание в сополимере звеньев, мол. % | |
| акриламида | акрилата натрия | ||||
| А | ПАА | 900 | 4,2 | 100 | 0 |
| Б | ПАА | 580 | 2,3 | 100 | 0 |
| В | ГПАА | 580 | 1,3 | 89 | 11 |
| Г | ГПАА | 580 | 1,2 | 82 | 18 |
| Е | ГПАА | 900 | 2,2 | 82 | 18 |
| Ж | Праестол 2500 | 1550 | 8,7 | 97 | 3 |
| З | Праестол 2515 TR | 1500 | 4,4 | 89 | 11 |
| И | Праестол 2515 TR | 1500 | 4,0 | 83 | 17 |
| К | Праестол 2530 TR | 1800 | 4,6 | 80 | 20 |
| Л | Праестол 2540 TR | 1600 | 4,4 | 72 | 28 |
Щелочной гидролиз использовался для частичного замещения амидных групп ПАА на карбоксилатные и проводился в условиях, установленных на основании ранее выполненных исследований [26-31].
С учетом результатов лабораторных исследований на модельной суспензии каолина [32] были проведены опытно-промышленные испытания бинарных реагентов – ПАА (образец Б), ГПАА (образцы В и Г) и анионного Праестола 2515 (образец З) в сочетании с СА по очистке воды р. Волги на водопроводной станции КУП «Водоканал» г. Казани в осенне-зимний периоды 1998 г. [25, 27]. Согласно приведенным в табл. 1.4 данным, применение Праестола 2515 в осенний период года (температура воды 13°С, цветность 50-52 град, мутность 4,2-5,1 мг·л–1 , общая щелочность 1,84-2,00 мг-экв·л–1 ) обеспечивало очистку воды до требуемых норм [33].
Таблица 1.4 - Влияние ПАА (образец Б), ГПАА (образцы В и Г) и Праестола 2515 (образец З) в сочетании с сульфатом алюминия на качество очищенной воды
| Дата | Флокулянт | СК , мг·л-1 | СП , мг·л-1 | Мутность, мг·л-1 | Al , мг·л-1 после очистки | |
| до очистки | после очистки | |||||
| 01.10 | Праестол (З) | 13 | 0,014 | 4,4 | 0,7 | 0,3 |
| 02.10 | - // - // - | 13 | 0,012 | 4,9 | 0,9 | 0,2 |
| 03.10 | - // - // - | 17 | 0,014 | 5,1 | 0,8 | 0,3 |
| 04.10 | - // - // - | 17 | 0,014 | 4,2 | 1,0 | 0,2 |
| 02.12 | ПАА (Б) | 35 | 0,15 | 2,1 | 1,7 | 0,8 |
| 21.12 | - // - // - | 34 | 0,15 | 2,2 | 1,2 | 0,8 |
| 28.12 | - // - // - | 34 | 0,15 | 1,9 | 1,2 | 0,4 |
| 03.12 | ГПАА (Г) | 35 | 0,15 | 3,5 | 0,8 | 0,5 |
| 20.12 | - // - // - | 34 | 0,15 | 2,2 | 1,4 | 0,5 |
| 21.12 | ГПАА (В) | 34 | 0,15 | 2,2 | 1,2 | 0,4 |
| 27.12 | - // - // - | 35 | 0,15 | 2,2 | 1,0 | 0,4 |
| 22.12 | Праестол (З) | 34 | 0,014 | 2,2 | 1,2 | 0,5 |
| 23.12 | - // - // - | 34 | 0,019 | 2,8 | 1,4 | 0,5 |
| 25.12 | - // - // - | 34 | 0,022 | 2,0 | 0,7 | 0,4 |
Сопоставление качества очистки воды р. Волги, обработанной неионным Праестолом 2500 (ПР) и его частично гидролизованным производным (ГПР) проведено на водопроводной станции ОАО «Казаньоргсинтез» в летний период 2000 г [34]. Технологическая схема водоочистки состояла из двух линий с одинаковым составом очистных сооружений (камеры хлопьеобразования, горизонтальные отстойники и кварцевые фильтры) с производительностью 1700 м3 ·час–1 . В одну из линий подавали ПР, а в другую – ГПР и определяли в каждой линии основные показатели очищенной воды (табл. 1.5).
Таблица 1.5 - Влияние флокулянтов ПР и ГПР (содержание звеньев Na-АК 19 мол. %) в сочетании с сульфатом алюминия на качество очищенной воды
| Дата | СК , мг·л-1 | СП , мг·л-1 | Очищенная вода | |||
| Мутность, мг·л-1 | Al (III), мг·л-1 | |||||
| ПР | ГПР | ПР | ГПР | |||
| 1.06 | 13 | 0,015 | 1,10 | 0,97 | 0,33 | 0,28 |
| 2.06 | 13 | 0,017 | 1,16 | 1,09 | 0,32 | 0,27 |
| 3.06 | 14 | 0,013 | 1,12 | 1,02 | 0,30 | 0,24 |
| 5.06 | 13 | 0,010 | 1,34 | 1,26 | 0,38 | 0,29 |
| 10.06 | 16 | 0,017 | 1,16 | 1,15 | 0,24 | 0,17 |
| 11.06 | 14 | 0,013 | 1,20 | 1,11 | 0,19 | 0,16 |
| 12.06 | 16 | 0,016 | 1,01 | 0,90 | 0,21 | 0,15 |
| 13.06 | 16 | 0,013 | 1,31 | 0,61 | 0,18 | 0,16 |
Как видно, очистка воды с применением ПР и ГПР обеспечивает качество питьевой воды согласно требований нормативов [33]. Остальные показатели очищенной воды также отвечали нормам. При этом качественная водоочистка обеспечивалось малыми дозами Праестола 2500. Табличные данные подтверждают, что при замене ПР на ГПР мутность воды снижалась на 18%, а содержание в ней Al+3 – на 26%. При этом достигнуто улучшение качества водоочистки и снижение эксплуатационных затрат.
Применение для водообработки на многих водопроводных станциях СА выявило ряд недостатков, таких как малая эффективность при низкой температуре воды, большие дозировки реагента и опасность превышения в питьевой воде ПДК по алюминию и железу [4].
Поэтому заслуживает внимания поиск для водоочистки новых эффективных реагентов. Поскольку коллоидные примеси в природных и сточных водах, а также частицы большинства суспензий заряжены отрицательно, то для их очистки целесообразно применение катионных флокулянтов.
Флокулирующие свойства анионного (А) и катионного флокулянтов (К) изучены при очистке воды (концентрация дисперсной фазы 2,7%), отобранной из отстойников водопроводной станции [35]. Флокулянтом А являлся сополимер АА с Na-АК, а флокулянтом К – сополимер АА с гидрохлоридом диметиламиноэтилметакрилата (ГХ ДМАЭМА). Количественной характеристикой флокулирующего эффекта служил параметр