Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ МАЛОМУТНЫХ ЦВЕТНЫХ ВОД С ВВЕДЕНИЕМ ДОБАВОК-УТЯЖЕЛИТЕЛЕЙ

Хиршиева И.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
Одним из способов интенсификации процесса коагуляции маломутных цветных вод является введение в обрабатываемую воду добавок-утяжелителей. Применение добавок-утяжелителей позволяет значительно ускорить процесс осаждения хлопьев коагулянта, повысить эффективность процесса коагулирования примесей воды, сократить время отстаивания. В статье приведены результаты исследований по определению оптимальных параметров коагулирования маломутных цветных вод с применением в качестве добавок-утяжелителей кварцевого песка и железного порошка, в частности, дозы и фракционный состав вводимых добавок-утяжелителей, место их ввода в обрабатываемую воду. При введении добавок-утяжелителей в воду вместе с коагулянтом в момент смешения наблюдалось высокое качество осветленной воды после отстаивания, что является наиболее эффективным условием интенсификации процесса коагуляции воды
коагуляция; добавки-утяжелители хлопьев коагулянта
водоподготовка; очистка маломутных цветных вод
1. Водоснабжение Санкт-Петербурга / под общ. ред Ф.В. Кармазинова. – СПб. : Новый журнал, 2003. – 687 с.
2. Драгинский В.Л. Коагуляция в технологии очистки природных вод / В.Л. Драгинский, Л.П. Алексеева, С.В. Гетманцев. – М., 2005. – 571 с.
3. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.20-84. – М., 2012.
4. Технический справочник по обработке воды : в 2 т. / пер. с фр. – СПб. : Новый журнал, 2007. – 1696 с.
5. Феофанов Ю.А. Результаты исследований по применению добавок-утяжелителей для интенсификации процесса коагуляции / Ю.А. Феофанов, И.В. Хиршиева // Вестник гражданских инженеров. – 2013. - № 3 (38). – С. 129-134.
6. Booker N.A. Sewage clarification with magnetite particles / Booker N.A., Keir D., Priestley A.J., Ritchie C.B., Sudarmana D.L., Woods M.A. // Water Science and Technology. – 1991. - Vol. 23. – P. 1703-1712.

При коагуляционной обработке маломутных цветных вод поверхностных водоемов образуются мелкие рыхлые хлопья, которые обладают малой гидравлической крупностью и не полностью задерживаются в отстойниках. В холодное время года процесс хлопьеобразования ухудшается, и эффективность осветления воды значительно снижается [1; 3].

Для интенсификации процесса коагуляции таких вод, ускорения осаждения образующихся хлопьев и повышения эффективности осветления применяют введение в обрабатываемую воду добавок-утяжелителей. В качестве таких добавок используют ранее образованный осадок [1], микропесок [4], магнетит [6] и др. Введение этих добавок, которые становятся центрами хлопьеобразования, способствует утяжелению хлопьев и быстрому их выпадению в осадок. Интенсификация процесса коагуляции заключается в повышении скорости формирования хлопьев, их адгезионной способности, в сокращении времени выделения хлопьев вместе с примесями обрабатываемой воды, что в конечном итоге играет решающую роль для повышения эффективности осветления и обесцвечивания воды.

Целью исследований являлось изучение способа интенсификации процесса коагуляции маломутных цветных вод путем применения различных добавок-утяжелителей и определение оптимальных параметров этого процесса.

Исследования проводились в лабораторных условиях на модельных растворах, приготовленных при добавлении в водопроводную воду торфяной вытяжки. Качество исследуемой воды характеризовалось следующими показателями (характерными для поверхностных вод Северо-Западного региона): цветность - 65 ± 5 град., мутность - 24 ± 5 мг/л, щелочность - 0,65 ± 0,05 мг-экв/л. В качестве добавок-утяжелителей хлопьев коагулянта применялись: кварцевый песок, железный порошок ПЖР 3.200.28 и магнетит Fe3O4 [5]. Для достоверности полученных результатов опыты проводились в 3-кратной повторяемости.

Исследования проводились при одинаковой (оптимальной) дозе коагулянта во всех опытах без применения флокулянта, с целью сравнения эффективности применения разных видов добавок. В качестве коагулянта использовали сульфат алюминия. Эффективность осветления определяли по снижению мутности и цветности обрабатываемой воды после ее отстаивания.

Исследования проводили на установке, показанной на рис. 1. Установка состоит из трех сосудов с мешалками пропеллерного типа, имеющими возможность регулирования скорости их вращения (в диапазоне от 50 до 800 об/мин.). В каждом сосуде предусмотрена своя мешалка, с помощью которой происходит смешение вводимых реагентов и добавок-утяжелителей с водой. Температура обрабатываемой воды во время исследований была tводы = 20-23 °С.

Рис. 1. Общий вид установки: 1 – регулирующее устройство; 2 – платформа;

3 – мешалка; 4 – сосуд с обрабатываемой водой; 5 – штатив.

Результаты проведенных исследований представлены на рис. 2 - 4.

Сравнительные данные по кинетике выпадения осадка при коагулировании исходной воды с введением разных видов добавок-утяжелителей и без добавок приведены на рис. 2. Данные получены при одинаковой (оптимальной) дозе коагулянта (Дк) без добавки утяжелителя и с добавкой кварцевого песка фр. 0,05 мм, железного порошка фр. 0,05 мм, магнетита фр. 0,05 мм с их одинаковой дозой 2 г/л.

Из графика (рис. 2) видно, что оптимальное время отстаивания воды после коагуляционной очистки составило: при введении кварцевого песка – 5,0 мин, железного порошка и магнетита – 1,5 мин. Для сравнения: время отстаивания при коагулировании воды без введения добавок-утяжелителей составляло 30 мин.

Рис. 2. Кривые кинетики осаждения коагулированной взвеси:

1 – без добавок с оптимальной дозой реагентов; 2 – с добавкой кварцевого песка;

3 – с добавкой железного порошка;4 – с добавкой магнетита (Дк = 12,2 мг/л по Al2O3)

Опыты по определению размеров фракций вводимых добавок-утяжелителей [5] показали, что оптимальными фракциями добавок-утяжелителей при коагулировании исходной воды являлись: кварцевый песок с размером частиц 0,05-0,14 мм; железный порошок и магнетит крупностью не более 0,05 мм. Более крупные фракции добавок-утяжелителей быстро оседали на дно и не успевали участвовать в процессе хлопьеобразования.

На рис. 3 приведены данные о качестве обрабатываемой воды после ее отстаивания при разных дозах добавляемых утяжелителей (доза добавок-утяжелителей изменялась в пределе от 0,1 до 2 г/л).

Как видно из рис. 3, оптимальной дозой добавок-утяжелителей (кварцевого песка и железного порошка) следует считать дозу 0,7 г/л. При данной дозе добавок и при оптимальном времени отстаивания воды цветность исходной воды снижалась на 55%, мутность - на 53%. С уменьшением дозы вводимых утяжелителей с 0,7 до 0,3 г/л происходит снижение эффекта очистки воды по цветности до 46% и по мутности до 48%. Дальнейшее уменьшение дозы вводимых добавок приводит к значительному ухудшению качества очищенной воды.

В опытах по коагуляции воды с введением в качестве утяжелителя магнетита получены такие же результаты, что и при применении железного порошка. В последующих опытах добавки-утяжелители (кварцевый песок и железный порошок) вводились в воду дозой 0,7 г/л.

Рис. 3. Влияние дозы добавок-утяжелителей на качество обрабатываемой воды после ее отстаивания: 1 – с добавкой кварцевого песка (tотс = 5,0 мин); 2 – с добавкой железного порошка (tотс = 1,5 мин).

На рис. 4 представлены фотографии хлопьев, образованных при коагуляционной обработке исходной воды с введением добавок-утяжелителей (кварцевого песка и железного порошка) оптимальных фракций, из которых видно, что вводимые добавки являются центрами образующихся хлопьев коагулянта.

                            а)                                                                              б)

Рис. 4. Коагулирование воды с использованием в качестве добавок-утяжелителей кварцевого песка фр. 0,05-0,14 мм (а) и железного порошка фр. до 0,05 мм (б).

Важным этапом успешного проведения процесса коагуляции воды является установление порядка ввода реагентов и добавок. Выбор точки ввода реагентов и добавок, а также интервал времени между введением реагентов и утяжелителей определяются экспериментально для каждого конкретного источника водоснабжения [2].

При исследовании влияния места ввода добавок-утяжелителей и реагентов в обрабатываемую воду на качество осветленной воды были рассмотрены следующие варианты.

1) введение утяжелителя во время быстрого перемешивания (смешения):

а) после добавления коагулянта в начале перемешивания внизу;

б) после добавления коагулянта в начале перемешивания сверху;

в) через 1 мин после добавления коагулянта и еще 1 мин быстрого перемешивания;

г) через 40 сек после добавления коагулянта, затем еще 20 сек. перемешивание).

2) во время медленного перемешивания (хлопьеобразования):

а) ввод утяжелителя в начале медленного перемешивания;

б) ввод утяжелителя через 1 мин после начала медленного перемешивания.

Качество исследуемой воды в этом цикле опытов было следующим: цветность 55 ± 1,0 град., мутность – 23,1 ± 1,0 мг/л, Щ0 = 0,2 мг-экв/л, tводы = 20-23 °С, рН = 6,3. Введение коагулянта во всех вариантах осуществляли в начале быстрого перемешивания.

Результаты по изучению влияния места ввода утяжелителя (кварцевого песка) в обрабатываемую воду на качество очищенной воды приведены на рис. 5.

Рис. 5. Влияние места ввода в обрабатываемую воду утяжелителя – кварцевого песка

(дозой 0,7 г/л) на качество осветленной воды, после отстаивания (tотс = 5 мин).

Как видно из рис. 5, наиболее эффективное осветление воды наблюдалось в вариантах № 1а, № 1б, где утяжелитель вводился в воду в начале перемешивания вместе с коагулянтом. Через 5 мин после начала отстаивания в осадок выпадало 80-90% хлопьев.

Введение утяжелителя сверху или снизу в цилиндр не оказывает существенного влияния на процесс коагулирования примесей и осветления обрабатываемой воды. Во всех других изученных вариантах порядка ввода добавок-утяжелителей качество осветленной воды ухудшалось (рис. 5).

При использовании в качестве утяжелителя железного порошка эффективное место его ввода в обрабатываемую воду так же в начале быстрого перемешивания вместе с коагулянтом, как и при добавке кварцевого песка.

Выводы

1. Результаты проведенных исследований показывают возможность значительного сокращения времени осаждения хлопьев при коагулирования маломутных цветных вод с применением добавок-утяжелителей. Оптимальное время отстаивания при применении кварцевого песка составляло – 5,0 мин, при применении железного порошка и магнетита - 1,5 мин, а при обычной коагуляции без введения добавок – 30 мин.

2. Установлено, что оптимальными дозами добавок-утяжелителей при коагуляции воды как с применением кварцевого песка, так и при применении железного порошка и магнетита является доза 0,7 г/л. Увеличение этой дозы вводимых утяжелителей при коагулировании воды не приводило к существенному улучшению качества воды.

3. Определено, что наиболее высокое качество осветленной воды достигалось при введении добавок-утяжелителей в воду вместе с коагулянтом в начале быстрого перемешивания.

Рецензенты:

Мишуков Б.Г., д.т.н., профессор кафедры водопользования и экологии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.

Васильев В.М., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой водопользования и экологии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Хиршиева И.В. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА КОАГУЛЯЦИИ МАЛОМУТНЫХ ЦВЕТНЫХ ВОД С ВВЕДЕНИЕМ ДОБАВОК-УТЯЖЕЛИТЕЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 2. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=12394 (дата обращения: 27.09.2021).

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 = 1.074