Жмурко И. Е. Методы улучшения качества воды питьевого назначения Автореферат

Автореферат по теме:

"Методы улучшения качества воды питьевого назначения"

Составитель: Жмурко И. Е.

Биография Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальное задание

Актуальность темы.

Актуальность работы заключается в нахождении эффективных методов очистки воды от взвешенных веществ в процессах подготовки воды для питьевого водоснабжения. При этом одной из важных составляющих является использование широкого спектра коагулянтов и флокулянтов, способных обеспечить высокую степень очистки независимо от источника воды, природы загрязнителей, климатических условий и т. п.

В настоящее время на водоочистных станциях применяют в качестве флокулянта полиакриламид, который обладает высокой флокулирующей способностью, доступностью, сравнительно низкой стоимостью, малой токсичностью и требует обязательного применения коагулянта.

Целью работы явилось изучение процесса осветления воды с помощью флокулирования для выбора оптимального флокулянта.

Задачи:

- изучить существующие методы осветления воды;

- изучить свойства известных флокулянтов;

- методом пробного коагулирования изучить флокулирующие свойства различных веществ;

- выбрать оптимальный флокулянт;

- анализ и обработка полученных результатов.

Научная новизна и практическая ценность.

Применение флокулянтов наряду с повышением эффективности очистки воды от органических и минеральных веществ, способствует удалению растворимых фосфатов, облегчению последующей очистки сточных вод в биофильтрах, фильтрах с загрузкой песка или ионообменных материалов, адсорберах с активным углём. В настоящее время ПФ применяют для очистки питьевой воды, природных и промышленных сточных вод, разделения, концентрирования и обезвоживания дисперсных систем в угольной, горнодобывающей, нефтяной, химической, целлюлозно-бумажной, текстильной, микробиологической и пищевой промышленности.

В результате данной работы будут получены данные, позволяющие определить оптимальный, с учётом производственных условий, флокулянт. Таким образом, станет возможным повышение эффективности работы очистных сооружений и улучшения качества питьевой воды для потребителя.

Аналитический обзор существующих методов осветления воды питьевого назначения

Осветление воды - вид (этап) очистки природной воды, заключающийся в ее освобождении от взвешенных частиц, ограничивающих или исключающих возможность использования ее для питья, хозяйственно-бытовых или технических целей.

В другом случае под флокуляцией понимают процесс хлопьеобразования с помощью высокомолекулярных веществ, который в отличие от процесса коагуляции протекает без изменения электрических свойств частиц (двойного электрического слоя ионов).

Осветление воды, т.е. устранение из неё взвешенных примесей, может быть достигнуто разными методами (в зависимости от требуемой степени осветления): удалением взвешенных веществ осаждением (отстаиванием), фильтрованием через фильтры (грубая очистка на сетчатых фильтрах, осветлительное фильтрование, сорбционное фильтрование), использованием гидроциклонов, флотацией, коагуляцией, флокуляцией.

ОТСТАИВАНИЕ ВОДЫ

- процесс выделения из неё под действием гравитационных сил взвешенных веществ; при этом частицы с плотностью, большей плотности воды, движутся вниз, с меньшей - вверх. Сооружения, в которых осуществляется этот процесс, называются отстойниками.

В настоящее время в практике коммунального водоснабжения широко применяются технологические схемы очистки воды, в состав которых входят отстойники и фильтры, осветлители и фильтры, а также контактные осветлители. Первые две схемы являются двуступенной очисткой, последняя - одноступенной. Применяются различные типы отстойников: горизонтальные, вертикальные, радиальные.

Вертикальный отстойник представляет собой круглый резервуар с коническим дном, имеющим уклон к центру. Осветляемая вода подается по центральной трубе сверху вниз, протекает в собственно отстойник снизу вверх и после осветления переливается через бортик. Осадок скапливается в нижней части отстойника и периодически выпускается. Для выпадения частиц в осадок скорость движения воды должна быть меньше скорости осаждения частиц, что практически возможно только при ускорении осаждения частиц коагулянтом. Скорость движения воды в вертикальном отстойнике составляет 0,5 - 0,7 мм/с.

Конструкция радиальных отстойников такая же, как у вертикальных, однако отличается изменением скорости движения воды от максимального значения в центре до минимального - на периферии при незначительной глубине. Это дает возможность применять радиальные отстойники для вод с повышенной мутностью.

Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный бассейн, в котором вода движется в продольном направлении, а частицы в силу их тяжести - по наклонной.

Соотношение силы тяжести и ее скорости с одной стороны, а с другой - высоты и длины отстойника таковы, что оптимальными условиями для выпадения взвеси в осадок являются увеличение длины отстойника и уменьшение его высоты. Вследствие этого в конструкции отстойников часто встречаются приспособления, увеличивающие длину пробега воды (продольные коридоры). Днище отстойника конструируется с продольным уклоном, обеспечивающим сползание и накопление осадка в приямке. Скорость движения воды в горизонтальном отстойнике принимается без коагулирования 5 мм/с, с коагулированием - 10 мм/с.

Схема с горизонтальным отстойником используется на очистных станциях производительностью более 30 тыс.м3/сут. При этом мутность исходной воды не должна превышать 2500 мг/л, цветность не ограничивается.

Технологические схемы обработки воды определяются в каждом конкретном случае в зависимости от предъявляемых требований и включают следующие этапы работы:

- технологические исследования и предварительные лабораторные испытания применяемых реагентов;

-·подбор и расчет оборудования для дозирования и смешивания реагентов;

-·выбор оборудования для тонкослойного осветления и уплотнения взвеси;

-·выбор и расчет скорых фильтров с зернистой загрузкой, как напорного, так и открытого типа;

-·выбор технологии и оборудования для обезвоживания шлама с последующей утилизацией;

-·выбор оборудования по обеззараживанию путем дозирования раствора хлорреагента (гипохлорит натрия) и контролю качества обработанной воды.

Цветность и мутность воды не устраняется естественным путем, т.к. коллоидные частицы в неочищенной воде несут отрицательный поверхностный заряд, который вызывает их отталкивание и препятствует агломерации.

Правильное использование коагулянта нейтрализует этот заряд и вызывает образование небольших хлопьев.

На скорость коагуляции в значительной степени влияют характер и концентрация коллоидов и температура неочищенной воды.

Теплая мутная вода коагулирует в течение секунд, тогда ка для коагуляции холодной, но не очень мутной воды может потребоваться 7-10 минут.

После коагуляции вводится флокулянт с целью увеличения размера хлопьев, и тем самым, интенсификации отделения загрязнений путем осветления и фильтрации.

При обработке высокомутных вод возможно применение флокулянта без коагулянта. Процесс флокуляции зависит от температуры в меньшей степени и основным требованием является хорошее диспергирование в потоке воды.

Высокие дозы флокулянтов, особенно при недостаточном перемешивании, также могут вызвать плохой захват мелкой взвеси и последующий унос загрязнений из осветлителя или их проскок через фильтр. При использовании флокулянтов для обработки сточных вод следует избегать передозировки, поскольку это не экономично.

Флокулянты широко используются в различных процессах осветления, при этом наибольшее распространение имеет осветление восходящим потоком жидкости. Характерные уровни дозирования флокулянтов при их использовании в процессах осветления находятся в пределах 0,05-0,2 г/м3, в зависимости от качества неочищенной воды.

Флокулянты также обеспечивают высокую эффективность процесса седиментации и систем флотации растворенным воздухом.

При применении флокулянтов в процессах осветления, воду необходимо сначала коагулировать соответствующим образом. Для этого потребуется время контакта между введением дозы коагулянта и дозы флокулянта.

Для обеспечения соответствующего диспергирования флокулянта концентрация раствора составляет порядка 0,001 %, при том, что чаще применяются концентрации 0,005-0,01%.

Характерные уровни дозирования флокулянтов при их использовании в процессах осветления находятся в пределах 0,05-0,2 г/м3 в зависимости от качества неочищенной воды.

Как отмечалось, правильное использование флокулянтов ведет к улучшению пропускной способности очистных сооружений и повышению качества очищенной воды.

ФИЛЬТРАЦИЯ.

Флокулянты являются высокоэффективными реагентами для фильтрации. Правильное применение оптимальной дозы флокулянта позволит уменьшить проскок загрязнений, связанных с разрушением хлопьев в фильтре. Продукт рекомендуется применять и дозировать с некоторой осторожностью, т.к. неправильное его использование может привести к чрезмерному забиванию фильтров и потере напора. В некоторых случаях использование флокулянтов в сочетании с фильтрацией через крупнозернистый песчаный слой может привести к гораздо большему увеличению пропускной способности, чем в случае традиционно применяемых мелкозернистых песчаных фильтров.

Флокулянты являются эффективным реагентом, использующимся при сгущении промывных стоков процессов осветления. В этом случае дозы колеблются в широких пределах, но обычно составляют 1-2 кг/т сухих веществ, особенно если за этим следует процесс обезвоживания.

Основные процессы обезвоживания осадков очистных сооружений - фильтрование на пресс-фильтрах и центрифугирование.

В случае фильтрования на пресс-фильтрах наиболее экономичным способом введения флокулянтов является предварительное сгущение с использованием дозы до 2 кг/т, чтобы получить максимально сгущенный осадок, удобный для обработки, а затем обеспечить прессование без дополнительного введения флокулянта.

Для обезвоживания осадков очистных сооружений с помощью центрифугирования расходы колеблются в широких пределах в зависимости от источника воды. Осадки вод, имеющих низкую мутность, могут обрабатываться гораздо труднее.

Использование новых эффективных технологических процессов, реагентов и оборудования позволяет существенно увеличить производительность, повысить качество очистки при минимальном использовании производственных мощностей.

Физико-химические основы процесса флокуляции.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков [4].

Процесс адсорбции протекает в две ступени: сначала каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной частице (первичная адсорбция), затем свободные сегменты закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками (вторичная адсорбция).

Рисунок 1 – Процесс флокуляции. Рисунок анимирован (8 составляющих).

Возможны различные механизмы закрепления макромолекул флокулянтов на поверхности частиц. Неионогенные полиэлектролиты закрепляются на частицах с помощью полярных групп (чаще всего гидроксильных) благодаря образованию водородных связей между водородом гидроксила и кислородом, азотом и другими атомами, находящимися на поверхности частиц. Наличие водородных связей установлено экспериментально с помощью инфракрасной спектроскопии. Хотя энергия водородной связи значительно меньше энергии химической связи, большое количество гидроксильных групп способствует прочному закреплению молекул флокулянта.

Анионные флокулянты способны закрепляться на поверхности частиц не только с помощью водородных связей, но и благодаря химическому взаимодействию (хемосорбции) анионов с катионами, находящимися на поверхности частиц.

Катионные полиэлектролиты, помимо образования агрегатов по механизмам, аналогичным вышеизложенным, способствуют флокуляции благодаря нейтрализации отрицательного заряда частиц.

Многочисленные опыты показывают, что введение в воду, содержащую отрицательно заряженные частицы коллоидных примесей, анионных полиэлектролитов (например, полиакриламида) не приводит к хлопьеобразованию независимо от дозы флокулянта и условий флокуляции (рН, температуры и т.д.). Для успешной флокуляции необходимо предварительное снижение агрегативной устойчивости дисперсной системы путем коагуляции электролитами, гетерокоагуляции и т.п.

Катионные флокулянты способны снижать агрегативную устойчивость дисперсных систем и в ряде случаев могут обеспечить их коагуляцию без введения коагулянтов [2].

Классификация флокулянтов.

Термин «флокуляция» различные авторы трактуют по-разному. В одном случае под флокуляцией понимают процесс хлопьеобразования – взаимодействие высокомолекулярных веществ с частицами, находящимися в воде, с образованием агрегатов (хлопьев, комплексов), имеющих трехмерную структуру. Это определение, охватывая практически все случаи взаимодействия высокомолекулярных веществ с частицами, не раскрывает механизма процесса.

Флокуляция получила практическое применение для отделения твердых частиц от жидкости в различных технологических процессах в 30-е годы. В настоящее время флокуляция широко используется в технологии очистки природных и сточных вод.

Флокулянты представляют собой растворимые в воде линейные полимеры, состоящие из большого числа групп, с длиной цепочки до 1 мкм. Молекулярная масса флокулянтов может достигать нескольких миллионов, степень полимеризации 500-5000 и более [2].

Обычно флокулянты применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре), повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, снижают расход коагулянтов, повышают надежность работы и пропускную способность очистных сооружений.

При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:

- неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные группы: —ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

- анионные — полимеры, содержащие анионные группы: — СООН, — S0₃Н, —0S0₃Н (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

- катионные — полимеры, содержащие катионные группы: —NН₂, =NН (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.);

- амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др [3].

При диссоциации полиэлектролитов образуется сложный высокомолекулярный поливалентный ион и простой маловалентный ион. Флокулянты анионного типа дают сложный полимерный органический или неорганический анион, а флокулянты катионного типа – сложный полимерный органический катион. Флокулянты амфотерного типа в зависимости от рН среды диссоциируют по кислотному или основному механизмам [2].

Флокулянты, применяемые для очистки.

В настоящее время для очистки сточных вод применяется значительное число различных флокулянтов как неионогенных, так и полиэлектролитов. Много новых марок испытано и внедряется в промышленность.

При подборе наиболее приемлемого флокулянта следует учитывать природу частиц дисперсной фазы и свойства макромолекул флокулянта.

Флокулянты обычно подразделяют на три группы:

1) неорганические;

2) природные органические;

3) синтетические органические.

Неорганические флокулянты. Основным неорганическим высокомолекулярным флокулянтом является активная кремниевая кислота (АК). АК представляет собой частично структурированный коллоидный раствор (золь) диоксида кремния и отвечает общей формуле xSiO₂*yH₂O.

АК не является промышленным продуктом, ее приготовляют на месте применения. Сырьем служит силикат натрия (жидкое стекло) и активирующий агент – минеральные кислоты, хлор, диоксид углерода или серы, сульфат или оксихлорид алюминия, алюминат натрия и др.

Флоккулирующая способность золей АК зависит преимущественно от образования в процессе их созревания агрегатов коллоидных размеров, представляющих собой цепеобразные, разветвленные структуры, способные взаимодействовать с коллоидными частицами и грубодисперсными взвесями гидроксидов алюминия, железа, магния и других металлов с образованием крупных, прочных и тяжелых хлопьев.

АК является анионным полиэлектролитом и отрицательный заряд макроиона АК облегчает адсорбционное и адгезионное взаимодействие АК с положительно заряженными частицами.

Природные органические флокулянты.К природным высокомолекулярным органическим флокулянтам относятся: крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы.

Растворимый в воде крахмал является смесью линейного полимера – амилозы и разветвленного полимера – амилопектина и относится к неионогенным флокулянтам. Флоккулирующая способность крахмала зависит от его молекулярной массы и содержания амилозы и амилопектина, которые определяются видом растения (например, картофель, кукуруза), из которого получен крахмал.

Декстрины получают кислотной обработкой крахмала при различных температурах, концентрациях кислоты и т.д. Получаемые анионные полиэлектролиты обладают значительной флоккулирующей способностью.

За рубежом выпускают флокулянты на основе крахмала: Виспрофлок 20, Виспрофлок 75, Флокгель, Азим и др.

Альгинат натрия – полиэлектролит анионного типа, получаемый из морских водорослей. Молекулярная масса 15-170 тыс. Применяют в Японии, Англии, США под названием: Велгум, Келкзоль, Келджин W.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) – полиэлектролит анионного типа, получаемый путем обработки щелочной целлюлозы хлоруксусной кислотой. В воде растворяется со степенью этерификации более 40%. Молекулярная масса 40-110 тыс. За рубежом КМЦ выпускается под названиями: Флокулес, СМС.

Гуаровые смолы получают из семян бобовых растений. Флокулянты на основе гуаровых смол – неионогенные полимеры. Выпускаются за рубежом под названиями: Джагуар WP, MRL, Суперзоль.

Синтетические органические флокулянты. В настоящее время выпускается большое число неионогенных, анионных и катионных синтетических органических высокомолекулярных флокулянтов, которые постепенно вытесняют природные флокулянты.

Полиакриламид (ПАА) получил наиболее широкое распространение. ПАА получают обработкой акрилонитрила 85% раствором серной кислоты с последующей полимеризацией акриламида. Выпускаемый ПАА имеет молекулярную массу (1-6)*10⁶, хорошо растворяется в воде. Концентрированные растворы ПАА представляют собой гелеобразную массу; разбавленные водные растворы имеют значительную вязкость. ПАА в присутствии кислот и щелочей частично гидролизуется с образованием акриловой кислоты и ее солей.

Для очистки воды используют сополимеры акриламида и акрилатов: технический полиакриламид (часто называемый просто ПАА) – сополимер с содержанием акрилатов менее 10% и гидролизованный полиакриламид (ГПАА) – сополимер, содержащий более 10% акрилатов.

Технический ПАА благодаря наличию карбоксильных групп в молекуле является анионным полиэлектролитом, диссоциирующим в водных растворах. Токсичность ПАА очень велика.

ГПАА, являясь амфотерным полиэлектролитом, может диссоциировать в зависимости от рН среды по основному и кислотному механизмам. Применение ГПАА в некоторых случаях дает положительные результаты.

Полиакриламидные флокулянты получили широкое применение для очистки сточных вод химических и нефтехимических производств. ПАА успешно используется в процессах очистки сточных вод от эмульгированных частиц нефтепродуктов и смол, сточных вод производств полистирольных пластмасс, поливинилхлорида, сульфатной целлюлозы идр.

Полиэтиленимин – эффективный катионный флокулянт, хорошо растворимый в воде; молекулярная масса достигает 100 тыс. За рубежом флокулянты на основе полиэтиленимина выпускают под названием: Седипур-КА, Сепаран С-120 и др.

Натриевые соли полиакриловой и полиметакриловой кислот являются анионными полиэлектролитами, эффективными в области рН=3-7. Молекулярная масса этих флокулянтов может достигать нескольких миллионов [2].

Текущие и планируемые результаты.

Для создания мутности и цветности модельной загрязненной системы в водопроводную воду добавляли белую глину и хромат калия. При этом исходная мутность в различных опытах составляла 250-300 мг/дм3. Подбор дозы коагулянта проводился на основаниии СНиП 02.04.01-84 исходя из цветности и содержания взвешенных частиц в исходной воде. Дозу флокулянта варьировали в пределах от 0,0625 до 12,5 мг/дм3. После введения в воду реагентов наблюдали за протеканием процесса флокуляции, при этом в осадок выпадали белые хлопья. После чего фотоколориметрически определяли показатели качества воды. Исследования показали, что мутность изменяется незначительно.

В дальнейшем планируется исследовать флоккулирующие способности других реагентов.

Заключение и выводы.

Я практически освоила процесс очистки воды осветлением с применением реагентов (коагулянта и флокулянта). Изучив свойства флокулянтов, таких как полиакриламид и жидкое стекло сравним их свойства и подберйм оптимальный для данного процесса флокулянт.

Литература:

Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. – Л.: Химия, 1977. – 464 с.
Яковлев С.В., Карелин Л.А. и др. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Яковлева, 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Стройиздат, 1985. – 335 с.
Родионов А.И. и др. Техника защиты окружающей среды: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Химия, 1989. – 512 с.

ДонНТУ> Портал магистров ДонНТУ Биография Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальное задание

Статистика