Введение
На территории населенных пунктов образуется большое количество отходов, представляющих серьезную экологическую проблему для городов. Подготовка хозяйственно-питьевой воды также сопровождается образованием отходов: осадка отстойников или осветлителей и промывных вод фильтров. Объем промывных вод фильтров составляет до 10 % от производительности очистных сооружений.
В настоящее время используется несколько способов утилизации промывных вод. Сброс промывных вод в естественную природную среду приводит к ее загрязнению. Очистка воды поверхностных источников для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения осуществляется с применением реагентов, поэтому промывная вода содержит несвойственные для источника водоснабжения загрязнения. При подаче промывных вод на городские очистные сооружения канализации увеличиваются нагрузка на КОС, затраты на транспортировку сточных вод [7]. После обработки вода может быть подана в начало очистных сооружений [1], направлена в РЧВ [4] или использована для промывки скорых фильтров [3].
Объекты и методы
Выбранные для исследований реки Западно-Сибирской равнины: Ишим, Тобол и ее приток Тура, являющиеся наиболее протяженными и многоводными левыми притоками Иртыша, имеют большое хозяйственное значение для Уральского федерального округа и Казахстана. Водопроводные очистные станции городов Ишим, Курган, Тюмень – самые крупные в регионе, следовательно, их влияние на экосистемы рек значительно в результате привноса в водные объекты несвойственных им химических веществ и изъятия из водных объектов водных ресурсов на хозяйственно-питьевые нужды населенных пунктов. Станции построены в семидесятых годах прошлого века по типовым проектам, предусматривающим традиционную двухступенчатую технологию очистки воды. Обработка промывных вод фильтров и осадка из сооружений первой ступени очистки: осветлителей и горизонтальных отстойников, в технологические схемы не включена.
В задачу исследования входило: определение эффективности осветления воды в безреагентном режиме; выбор наиболее эффективных реагентов для обработки промывной воды и определение оптимальных доз реагентов в разные периоды года; исследование влияния количества и качества промывных вод, подаваемых в начало очистных сооружений, на последующий процесс очистки воды.
Исследовались следующие реагенты: сернокислый алюминий (СА); оксихлорид алюминия (ОХА); полиакриламид (ПАА); ПРАЕСТОЛ 650; FO4140SH (фирма SNFFrance) и смеси указанных реагентов. Показателем для контроля эффективности обработки промывных вод различными реагентами была определена мутность. Одновременно с определением оптимальной дозы исследовалась кинетика отстаивания промывной воды.
Результаты
Для станций водоподготовки, использующих воды поверхностных источников, состав и свойства промывных вод фильтров зависят от качества исходной воды, которое изменяется по сезонам года, и от технологии очистки. Для рек региона можно выделить 3 сезона с разным интервалом значений по мутности и цветности: весенний, летне-осенний, зимний. По сложившейся на станциях практике в начале паводка (апрель – май) при первом скачке мутности используется оксихлорид алюминия или повышенные дозы СА. В зимний период переходят на режим без коагуляции или используют непостоянный режим подачи коагулянта.
В зимний период при невысокой мутности воды источников и, как правило, невысокой мутности промывных вод, в условиях низких температур добавление к промывной воде реагента одноговида – сернокислого алюминия, дало незначительный эффект осветления даже при высоких дозах коагулянта. Для природных вод в холодные периоды года, когда из-за низкой температуры воды процесс коагулирования протекает вяло, эффективно применение оксихлорида алюминия или совместное применение сернокислого алюминия и оксихлорида алюминия [2]. При добавлении смеси коагулянтов СА и ОХА в соотношении 2:1 по Al2O3 [5] на верхней границе слоя взвеси образовался слой белесого осадка, толщина которого уменьшалась с увеличением дозы коагулянтов. При отстаивании без реагентов белых хлопьев и белого осадка на дне не наблюдалось. Химический анализ белого осадка со дна цилиндра показал содержание кремния 7,4 мг/дм3 при этом же показателе в исходной промывной воде 4,2 мг/дм3.
Применение дефицитных доз оксихлорида алюминия в сочетании с флокулянтом FO 4140 позволяет обеспечить хороший эффект при обработке речной воды [6]. Лучший результат отстаивания промывной воды был получен при дозах коагулянтов СА 50 мг/дм3 и ОХА 25 мг/дм3. Поэтому к дефицитным дозам смеси коагулянтов: 38 и 19 мг/дм3, 25 и 12 мг/дм3, 12 и 6 мг/дм3 был добавлен флокулянт ПАА с дозами 0,25; 0,5; 0,75 мг/дм3. Последовательное введение коагулянтов и ПАА при перемешивании во флокуляторе «Экрос» позволило получить хлопья среднего размера и плотный слой осадка при относительно высоком эффекте осветления промывной воды при дефицитных дозах коагулянтов. При добавлении к дефицитным дозам СА и ОХА флокулянта FO4140 были получены крупные хлопья, при дозах 0,25 и 0,5 мг/дм3 всплывающие на поверхность воды крупными агломератами и снова оседающие, при невысоком эффекте осветления воды (рисунок 1).
В период паводка при отстаивании промывной воды без реагентов через час после начала эксперимента в воде наблюдалось значительное количество мелкой взвеси, равномерно распределенной в объеме воды; осадок – плотный, тяжелый. При введении смеси коагулянтов полученный осадок имел чуть более рыхлую структуру; мелких частиц в объеме воды было значительно меньше. При добавлении к смеси коагулянтов флокулянта ПАА выпавший осадок имел рыхлую структуру; с повышением дозы флокулянта увеличилось содержание мелких частиц. При отстаивании без реагентов высота слоя осадка постепенно увеличивалась; с реагентами – в первые 10 минут происходило резкое выпадение взвеси в виде крупных пушистых хлопьев, далее осадок уплотнялся при одновременном осаждении мелких частиц (рисунок 2).
Рисунок 1. Влияние видов и доз реагентов на эффективность осветления промывной воды при добавлении смешанного коагулянта: СА (25 мг/дм3) + ОХА (12 мг/дм3) и флокулянтов
(р. Тура, март 2013 г.)
Рисунок 2. Влияние видов и доз реагентов на эффективность осветления промывной воды при добавлении смешанного коагулянта: СА (12 мг/дм3) + ОХА (6 мг/дм3) и флокулянтов
(р. Тура, май 2013 г.)
Отдельные результаты экспериментов, проведенных в характерные периоды годы, приведены в таблице 1.
Таблица 1. Влияние вида и дозы реагента на эффективность очистки промывной воды
|
Река (город) |
Дата проведения экспериментов |
Исходная мутность промывной воды, мг/дм3 |
Мутность промывной воды при отстаивании без реагентов, мг/дм3 |
Вид реагента |
Доза реагента, мг/дм3 |
Мутность промывной воды при реагентном отстаивании, мг/дм3 |
|
р.Ишим (г.Ишим) |
9.08.2012 г. |
38 |
8 |
СА |
10 |
5,5 |
|
38 |
8 |
ПАА |
0,25 |
5,2 |
||
|
38 |
8 |
FO 4140 |
2,0 |
6,2 |
||
|
р.Тура (г.Тюмень) |
13.03.2013 г. |
44 |
18 |
СА+ОХА |
25+12 |
4 |
|
44 |
18 |
СА+ОХА +ПАА |
25+12+0,25 |
6 |
||
|
р.Тура (г.Тюмень) |
14.03.2013 г. |
44 |
18 |
СА+ОХА |
12+6 |
8 |
|
44 |
18 |
СА+ОХА +FO4140 |
12+6+0,5 |
10 |
||
|
р.Тура (г.Тюмень) |
25.05.2013 г. |
180 |
17 |
СА+ОХА |
12+6 |
13 |
|
180 |
17 |
СА+ОХА +ПАА |
12+6+0,5 |
8 |
||
|
180 |
17 |
СА+ОХА +FO4140 |
12+6+0,5 |
8 |
||
|
р.Тобол (г.Курган) |
19.07.2013 г. |
8 |
2,4 |
СА |
20 |
4,2 |
|
8 |
2,4 |
Праестол |
0,2 |
2,2 |
||
|
8 |
2,4 |
СА+ Праестол |
10+0,1 |
4,5 |
В летний период при добавлении реагентов уже через 10 минут отстаивания мутность резко снижается. Крупные хлопья и плотный осадок дали флокулянт полиакриламид и его аналог ПРАЕСТОЛ 650. Оптимальнойдля данного вида флокулянтов является доза 0,2-0,25 мг/дм3, так как при этом образуется малый объем осадка с плотными и крупными хлопьями и наблюдается хороший эффект осветления.
При невысокой мутности в зимний и летний периоды при добавлении коагулянтов в первые десять минут происходило увеличение мутности, связанное с началом формирования хлопьев. На этом этапе идет процесс формирования макроструктур, состоящих из коллоидных частиц с адсорбированными на них труднорастворимыми хлопьями гидроокиси алюминия.
Лучшие результаты получены при использовании смеси коагулянтов сернокислого алюминия и оксихлорида алюминия. При использовании анионных флокулянтов осветление промывных вод происходит глубже. Но в целом введение флокулянтов не оказывает существенного влияния на процесс отстаивания промывных вод.
Построение математической зависимости мутности от времени отстаивания в виде эмпирического уравнения регрессии по выборке ограниченного объема проводилось с помощью методов регрессионного анализа. Из приведенных графиков видно, что кинетика отстаивания промывных вод скорых фильтров может быть описана уравнением убывающей степенной функции 2-го порядка с достаточно высокой точностью (рисунок 3).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рисунок 3. Кинетика отстаивания промывной воды при добавлении смешанного коагулянта: СА (12 мг/дм3) + ОХА (6 мг/дм3) и флокулянтов:
а – ПАА (р. Тура, март 2013 г.); б –FO 4140 (р. Тура, май 2013 г.)
Коэффициенты эмпирического уравнения регрессии b0, b1, b2 определялись на ПК с помощью функции ЛИНЕЙН() в программе MicrosoftExcel, которая кроме оценок коэффициентов регрессии выдает значения их стандартных ошибок, коэффициента детерминации, стандартную ошибку уравнения регрессии. Стандартные ошибки оценок коэффициентов исследуемых уравнений регрессии близки к 0, что показывает их статистическую значимость. Коэффициент детерминации изменяется от 0,95 до 0,98.
Для установления влияния количества промывной воды на процесс осветления к исходной речной воде добавляли промывную воду, прошедшую предварительное отстаивание с установленной ранее оптимальной для данного периода года дозой реагента. Обычно количество промывных вод составляет 5–10 % от общей производительности водопроводных станций. Поэтому количество подмешиваемой промывной воды было принято от 0 до 10 % (рисунок 4).
Рисунок 4. Влияние количества промывной воды на эффективность осветления речной воды при отстаивании (р. Ишим)
Анализы и визуальные наблюдения показали, что лучший результат дает оксихлорид алюминия при подмешивании к исходной речной воде 10 % промывной воды: мутность снизилась, в пробах видны мелкие хлопья, эффект осветления составил 71,8 %.
Выводы
Вид реагента и его дозы должны выбираться на основании предварительных испытаний, проведенных в характерные периоды года.
Утилизация промывных вод фильтров путем возврата ее в начало сооружений не нарушает процесса очистки воды, позволяет уменьшить дозы вводимых реагентов, так как очищенная промывная вода содержит остаточные реагенты.
Внедрение предложенного метода обработки и утилизации промывных вод скорых фильтров в технологические схемы действующих водопроводных станций региона позволит исключить сброс в водные объекты промывных вод, содержащих нехарактерные для природных водоемов загрязнения, сократить объемы воды, используемые для собственных нужд станции, что в свою очередь сокращает объемы речной воды, поступающей на очистку, и ведет к уменьшению подачи насосной станции первого подъема и экономии электроэнергии, а также к сокращению изъятия из водных объектов водных ресурсов.
Рецензенты:
Миронов В.В., д.т.н., профессор, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет», г. Тюмень.
Скипин Л.Н., д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет», г. Тюмень.