Решение проблемы питьевой водоподготовки в условиях сохранения ледниковой памяти

Водоснабжение города Риддера объемом 30-40 тыс. м³ воды в сутки осуществляется из открытого водотока реки Громотуха, которая входит в акваторию бассейна реки Иртыш. Истоки воды образуются за счет таяния снежно-ледникового покрова гор Алтайского хребта. В обычных условиях исходная талая вода обладает высокими качествами, соответствующими нормативным показателям для питьевой воды. Зимой с периодичностью в 2-4 года в течение 10-30 дней при сходе снежных лавин в русло реки попадают коллоидные частицы белой и рыжей глины, мелкого кварца и др. В паводковый период (март-апрель) цветность возрастает в 3-4 раза (до 62 градусов), а мутность в 20-30 раз (до 35 мг/дм³ , иногда до 65-100 мг/дм³). При этом суспензия не дает нормативного осаждения в отстойниках коридорного типа и при фильтровании в скорых фильтрах.

Ранее (в 2000 году) на очистных сооружениях водопровода ГКП «Водоканал» города Риддер были проведены исследования по применению коагулянта – сернокислого алюминия Al₂(SO₄)₃ от 40 до 200 мг/дм³ и более, а также флокулянтов марки ПАА и серии “Magnafloc” (LT-20; 24; 25; 26; 27; 30; LT-22S) в количестве от 10 до 300 мг/дм³ и более. Наблюдалось слабое хлопьеобразование, но после отстаивания в течение 2 часов снижения мутности не происходило.

В настоящем исследовании поставлена цель: предложить новые экономичные разработки по очистке воды от глинистых взвесей при низкой температуре.

Для выполнения этой цели определены следующие задачи:

- выяснить механизм стабилизации мелкодисперсной водной суспензии в зимний и паводковый период;

- исследовать новые полимерные материалы для коагуляции и флокуляции глинистых взвесей в питьевой воде;

- оптимальные марки и концентрации реагентов;

- сформулировать рекомендации процесса разделения твердой и жидкой фазы для повышения степени очистки питьевой воды;

- обучить персонал лаборатории методике работы с флокулянтами марки Праестол и проведению лабораторных испытаний.

Коллоидные частицы присутствуют практически в любой неочищенной поверхностной воде. Эти частицы могут быть минеральными: осадочные породы, коллоидные глины, гидроксиды и соли металлов (ионы) или органическими: гуминовые и фульвиновые кислоты, образующиеся при разложении растительных и животных остатков, красители, поверхностно-активные вещества и др., а также биологическими: микроорганизмы, включая бактерии, планктон, водоросли и вирусы.

Коагуляция («собрать вместе») играет важную роль в процессах водоочистки для удаления взвешенных коллоидных частиц, которые могут придавать питьевой воде неприятный вкус, цвет, запах или мутность. Под действием коагулянтов очень маленькие, чрезвычайно дисперсные коллоидные частички объединяются вместе в более крупные, которые затем, после флокуляции, можно удалить такими методами разделения твердой и жидкой фазы, как осаждение, флотация и фильтрация.

Каково бы ни было их происхождение, эти коллоидные частицы очень малы – менее 1 микрона в диаметре. Вследствие этого отношение их поверхности к массе становится таким большим, что суммарный отрицательный электрический заряд на их поверхности вызывает взаимное отталкивание частиц. Электростатические силы отталкивания препятствуют самопроизвольному слиянию коллоидных частиц и образованию более крупных масс, легко удаляемых в процессе очистки.

Коагуляция представляет собой комплекс химических и физических взаимодействий между отрицательно заряженными коллоидными частицами и катионами, т.е. положительно заряженными химическими реагентами.

Положительно заряженные коагулянты (например, соли трехвалентных железа или алюминия) нейтрализуют отрицательный заряд. При столкновении частицы соединяются друг с другом, образуя микрохлопья. Энергия перемешивания, применяемая в процессе очистки, увеличивает количество и частоту этих столкновений частиц, дестабилизирует систему и усиливает агломерацию твердого вещества. Образованию хлопьев способствует полимерная природа коагулянта или флокулянта. Их длинные молекулярные цепочки подхватывают агломерированные частицы, связывая вместе отдельные хлопья в крупные, легко удаляемые массы. Иногда нейтрализация заряда играет гораздо более важную роль, чем химическое связывание.

Вначале полимеры использовались как добавка к неорганическим коагулянтам для более интенсивного образования хлопьев. Сегодня они применяются как основные, полностью или частично заменяя неорганические.

По сравнению с неорганическими коагулянтами, полимерные коагулянты обладают следующими преимуществами:

- обеспечивают такой же или лучший результат при значительно меньших количествах (в 10 и более раз);

- работают в широком диапазоне рН и щелочности (жесткости);

- не изменяют рН очищаемой воды;

- не боятся хлорирования;

- не добавляют в очищаемую воду ионы растворенных металлов (такие как алюминия, железа или кальция);

- увеличивают скорость разделения жидкой и твердой фазы;

- увеличивают срок службы фильтров прямой фильтрации;

- удаляют одноклеточные водоросли (иногда микробы);

- минимизируют объем образуемого осадка, легче обезвоживают осадок;

- сокращают расходы на обработку и удаление осадка;

- они более удобны в приготовлении и использовании.

Использование вслед за коагуляцией очень малых количеств полимерных флокулянтов (0,01-0,5 мг/дм³) максимально увеличивает захват частиц, ускоряет образование хлопьев, делает хлопья более плотными и быстро осаждаемыми. Применение флокулянта позволяет уменьшить дозировку коагулянта для дестабилизации коллоидной суспензии, поскольку не потребуется избыточного количества коагулянта для образования суспензии, способной выпасть в осадок.

Флокулянты позволяют:

- максимально улучшить качество воды при минимальном времени отстаивания и исключить перенос частиц;

- повысить эффективность системы фильтрации и увеличить срок службы фильтров;

- увеличить производительность без капитальных затрат;

- минимизировать расходы, трудоемкость и проблемы, связанные с удалением отходов.

Полимерные флокулянты марки Праестол в широком ассортименте используются в технологиях очистки: питьевой воды, промышленных, сточных, шахтных и др. вод в горнорудной, металлургической, химической промышленности и в теплоэнергетике, коммунальном хозяйстве. Они применяются в таких странах Европы и Азии, как Германия, Россия, Казахстан и другие государства. В Казахстане флокулянты применялись в г. Астане, г. Караганде, г. Усть-Каменогорске, г. Риддере, г. Зыряновске, в посёлках Белоусовка, Усть-Таловка, Огневка.

Для повышения эффективности процесса возможно применение флокулянтов марки Праестол для подготовки поверхностных и грунтовых вод:

- водоподготовка в контактных сооружениях взвешенного слоя, а также в гравийных и многослойных фильтрах;

- декарбонизация воды в контактных сооружениях взвешенного слоя;

- очистка и уплотнение возвратной промывной воды фильтров и гидроксидного ила из контактных сооружений взвешенного слоя (при отстаивании);

- машинное обезвоживание уплотненных осадков из контактных сооружений взвешенного слоя, а также возвратной промывной воды фильтров (при фильтровании);

- обработка марками Праестол качества TR поверхностных и грунтовых вод до получения питьевой воды.

При промышленном применении органических полимеров для очистки питьевой воды необходимо учитывать такие свойства очищаемых поверхностных вод, как рН, мутность, цветность, щелочность, жесткость, температура, содержание органических веществ и некоторые другие.

Химическую обработку воды можно разделить на 2 стадии. Первая стадия заключается в дестабилизации коллоидов и образовании хлопьев, а вторая – в разделении твердой и жидкой фазы. Перемешивание должно быть быстрым для коагуляции (мгновенное смешение) и медленным для флокуляции (созревание хлопьев и их сравнительно быстрое осаждение). Интенсивное перемешивание снова разбивает флокулы – агломераты. Изменчивость неочищенной воды во времени означает, что процесс водоподготовки питьевой воды должен быть достаточно долгим, чтобы обеспечить необходимую эффективность в наиболее сложные периоды очистки.

При очистке питьевой воды катионные органические полиэлектролиты могут применяться в качестве основных коагулянтов или совместно с минеральными коагулянтами, если в воде есть ионы цветных или тяжелых металлов. Такой способ применяется на Карагандинском «Водоканале», где очистке подвергаются поверхностные воды канала «Иртыш-Караганда» с высокой цветностью и мутностью, особенно в летний период. Если поверхностные воды мягкие и содержат мало минеральных солей, то в некоторых случаях органические полиэлектролиты могут сократить или исключить применение традиционных минеральных коагулянтов – солей металлов (например, «Водоканал» г. ). Сразу можно сделать вывод, что введение минеральных коагулянтов (солей алюминия, железа и др.) для осаждения твердых частиц резко ухудшит качество исходной воды, так как возникнет проблема удаления лишнего объема осадка гидроксидов металлов, ионов многовалентного алюминия или железа, кислотных (SO₄^-2 или CL^-1) и щелочных (ОН^-1)групп, влияющих на рН, жесткость, мутность, цветность и химический состав воды. Это приведет к резкому повышению стоимости процесса очистки.

Добавление флокулянта после коагуляции может оказаться необходимым в зависимости от времени осаждения. Чем меньше необходимо время для осаждения, тем нужнее оказывается применение флокулянта. Применение флокулянта может заметно увеличить входной поток, не снижая качества воды.

Праестолы флокулируют любые твердые частицы и коллоиды, но не используются для выделения веществ, растворимых в водной среде, и эффективны в системах с низкой электролитной концентрацией вплоть до насыщенных солевых растворов. Они покрывают полный температурный диапазон, в котором «водная суспензия» является жидкостью, т.е. от 0⁰ С до ~100⁰ С (~ 4 - 95⁰ С), и эффективны в диапазоне рН от < 1 до > 14.

Хотя флокулянты марки Праестол (Pr) (Praestol-TR) полностью растворимы в воде, порошкообразные полимеры имеют некоторые особенности, которые требуют особой осторожности при приготовлении растворов, чтобы обеспечить полное растворение без потери свойств:

- частицы порошкообразного или гранулированного полимера гигроскопичны и имеют тенденцию слипаться при смачивании, если они плохо диспергированы;

- эти высокомолекулярные полимеры могут механически разрушаться (разрываться) при интенсивном или длительном перемешивании;

- полученные растворы, даже при разбавлении, имеют значительную вязкость.

Полное смачивание отдельных частиц – главное требование при приготовлении растворов из твердых полимеров. Перемешивание раствора должно производиться до полного растворения.

Для правильного проведения флокуляционных тестов на лабораторном уровне необходимо иметь достаточное количество исходной воды, чтобы провести серию тестов. Различные (индивидуальные) образцы воды (суспензии) могут привести к разным результатам. Все важные характеристики образца воды должны оставаться постоянными в течение всего испытательного периода (содержание твердых веществ, рН, жесткость, мутность, температура, гомогенность, размер частиц). Если образцы содержат материалы, которые склонны к относительно быстрому изменению важнее вести тщательные записи параметров и учитывать их в оценке результатов. Количество реагента, которое следует добавлять, обычно дается как часть на миллион (ррm). Для исследуемых вод (с плотностью 1 г/см³)

1 ррm равен 1 мг/дм³ или 1 г/м³ Н₂О. 1 ррm соответствует добавлению 1 см³ 0,1%-ого раствора Pr к 1,0 дм³ (литру) исследуемой воды.

В период форс-мажорных обстоятельств в марте – апреле 2004 года выбор условий и марки полимерного флокулянта сильно осложнены из-за высокой степени чистоты исходной горной воды (см. Таблица 1). Содержание органических и минеральных примесей сведено к минимальному количеству. Водородный показатель вода рН практически соответствует дистиллированной воде – около 6 - 7. Ионы металлов составляют десятые, сотые части мг/дм³ или вообще не обнаруживаются. Жесткость воды в 10-15 раз ниже нормативного показателя – 7 ммоль/дм³. Температура в зимний период колеблется от + 1 до +3 градусов Цельсия. Исходная цветность воды (14,6-16,0⁰) ниже нормы. Единственный показатель, который составляет проблему питьевой водоподготовки – это мутность, показатель которой колеблется от 14,6 до 15,1 при норме 1,5 мг/дм³. Содержание сухого остатка в 10-50 раз ниже нормативного показателя, как и наличие кислотных остатков. Даже при форс-мажорных обстоятельствах в период массового схода снежных лавин со склона гор в ущелье реки Громотуха питьевая вода после прохождения очистных сооружений ГКП «Водоканал» г. Риддер подобна дистиллированной воде с незначительной примесью белой коллоидной глины в виде легкой дымки при перемешивании.

Таблица 1. Физико-химические показатели состава воды из открытого водотока реки Громотуха, поступающей на очистные сооружения водопровода ГКП «Водоканал» г. Риддер Восточно-Казахстанской области Республики Казахстан

Коллоидные частицы глины из-за низкой плотности и высокой дисперсности стабилизируют систему, не давая осесть осадку при низкой температуре (+1⁰С). Следовательно, остается проблема – снижение мутности питьевой воды до нормальных показателей путем осаждения глины и определение природы последней. Прежде всего, необходимо знать тип, концентрацию и гранулометрический состав суспендированного твердого вещества. Для этого твердая фаза из осадка камеры осаждения и из водной фазы при мягком упаривании были переданы для физико-химического анализа в Институт геологических наук имени К.И. Сатпаева г.Усть-Каменогорска. Мелкодисперсная нейтрально заряженная глина не обладает токсическими свойствами, а может способствовать выведению из организма органических и минеральных (ионы цветных металлов) токсинов.

Марки Праестол являются органическими, синтетическими полиэлектролитами. Они различаются своей молекулярной массой, а, главное, видом и степенью их ионогенности в водном растворе. Неионогенные марки образованы на основе полиакриламида. Серии Праестола класса TR для питьевой воды включают катионные, анионные и неионные флокулянты для использования в технологиях очистки питьевой воды.

Исходя из литературных данных и собственного опыта работы на промышленных предприятиях регионов Республики, можно сделать предварительный отбор Праестол-марок. Так, для минеральных и неорганических суспендированных твердых веществ, например, жидкая глина, гидроксидные осадки, слабый рассол, будут иметь хороший флокуляционный эффект неионные и анионно-активные марки. Для очень мелких коллоидальных твердых частиц суспендированных глин и суглинков, песка и гравия отработанных заводских вод, профильтрованной возвратной воды при очистке питьевой воды наилучшие результаты могут быть получены при использовании катионно-активных марок Праестола. Избыток полимерного электролита из-за своей вязкости снова стабилизирует исследуемую систему и ухудшает результаты процесса осаждения и разделения твердой и жидкой фаз. Исследования проведены в хорошо оснащенной лаборатории ГКП «Водоканал» г. Риддера.

При разработке программы полимерной обработки, которая позволит наиболее эффективно и экономично обеспечить оптимальные результаты очистки в реальных производственных условиях (выбор оптимальной марки реагента при минимальном его расходе), важную роль играют лабораторные испытания. Контрольный анализ позволяет сравнительно быстро и просто проверить и сравнить ряд вариантов обработки и оценить влияние на эффективность и стоимость очистки таких ключевых факторов, как:

Химическая обработка – тип коагулянта, тип флокулянта, концентрация и дозировка, последовательность введения реактивов;

Режимы обработки – интенсивность и продолжительность перемешивания, время осаждения, точки ввода реагентов в технологическую цель и т.д.

Критерии оценки – размер хлопьев: визуальная оценка размера и роста хлопьев в фазах перемешивания, созревания, отстаивания. Также определяется мутность надосадочного слоя в течение всей фазы осаждения (кривые: мутность=функция дозы реагента и мутность= функция времени осаждения).

Выбор марки реагента зависит от рН среды. Так как количество флокулянтов при вводе в нормальных случаях крайне мало, высокое разбавление растворов Праестола важно для хорошего распределения в очищаемой жидкости или в обезвоживаемом осадке. Более высокие количества ввода могут потребоваться: при высоком содержании твердых веществ в жидкости; при возрастающей тонкости суспендируемых твердых частиц; при очень низкой температуре водной суспензии.

Для исследования брались образцы воды (по 500 см³) из различных точек технологической цепи – входящая вода, вода после отстойников и до фильтров, вода на выходе, с мутностью от 6,6 до 14,9 мг/дм³, при температуре +1 - +3,5⁰С и рН=6,0-6,5. Промывная вода с фильтра № 3 после двойного центрифугирования имела цветность 21⁰ , мутность 48 мг/дм³.

Утром мутность достигала 14,6-14,9 мг/дм³, в 14-15 часов снижалась до 6,6-6,2 мг/дм³. Этот факт, вероятней всего, связан именно с изменением температуры самой природной воды, которая проходит систему очистки на очистных сооружениях водопровода ГКП «Водоканал» г. Риддер в течение не менее двух часов. Снижение температуры воды от +4⁰С до +1⁰С способствует переходу воды в состояние «жидких кристаллов», при этом меняется ассоциативность молекул воды в сторону увеличения, что, в свою очередь уменьшает относительную плотность коллоидных частиц, стабилизирует систему, уменьшает скорость выпадения осадка. В таком случае возникает два варианта решения проблемы:

1) либо повысить температуру воды до +4⁰С - +7⁰С, чтобы разрушить систему «жидких кристаллов»;

2) либо повысить плотность (размер хлопьев) коллоидальных частиц, представляющих собой глинистые образования. Для этого следует мутность водной суспензии поднять до 45-60 мг/дм³ и увеличить скорость осаждения коллоидных частиц за счет использования флокулянтов марки Праестол (Praestol) для питьевой воды с анионными или катионными свойствами или возможно их последовательное применение. Эти выводы подтверждаются экспериментальными данными. При утреннем водозаборе температура равна +1⁰ С, а при дневном водозаборе – она выше (+ 3⁰ С).

Если концентрация коллоидных частиц мала, то повышается необходимая концентрация флокулянтов, что приводит к возрастанию экономических затрат. Проведенными в лаборатории исследованиями с промывной водой с фильтра № 3 (которая после двойного центрифугирования имела цветность 21⁰ и мутность 48 мг/дм³) было установлено, что применение 0,5-1,0мг реагента на 1 дм³ такой суспензии привело к хорошему хлопьеобразованию и выпадению осадка в течение пяти минут. Следовательно, расход реагента составит:

0,5мг/дм³ = 0,5г/м³ = 0,5кг/1000 м³.

Качество питьевой воды соответствовало нормативным показателям. С учетом более продолжительного времени отстаивания в отстойниках коридорного типа расход реагента для улавливания коллоидных частиц в промышленных условиях может быть гораздо меньше. Это должно быть установлено в период полупромышленных испытаний. Лабораторные исследования показали, что при мутности 14,6-14,9 мг/дм³ потребуется не менее 2,5-3,0 мг/дм³ воды, а при мутности 6,2-6,6 мг/дм³ – не менее 8-10 мг/дм³. Значит, чем меньше коллоидных частиц и чем тоньше их дисперсность, тем выше расход реагента. Поэтому необходимо искусственно поднять содержание дисперсных частиц в исходной воде. Эта проблема требует дальнейших исследований. В зимний и ранний весенний период температура горной воды составляет +1⁰С, а при температуре ниже +4⁰С вода находится в состоянии «жидких кристаллов» и стабилизирует водную систему. Эта одна из главных, объективных, природных причин повышения стабильной мутности в паводковый период бурного таяния снегов, ледников, возникновения снежных оползней. Образование хлопьев из коллоидных частиц является важнейшей ступенью для успешного разделения твердой и жидкой фаз. Для этого в технологической цепи необходимо выбрать точку ввода реагента при хорошем и быстром перемешивании, и затем зоны спокойного хлопьеобразования и отстаивания. Желательно улучшить качество фильтрации. Необходимо отметить, что сотрудники лаборатории в период лабораторных испытаний прошли обучение по усвоению методики эксперимента, работе с флокулянтами марки «Праестол» и анализу полученных результатов.