Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Город Тюмень снабжается питьевой водой из двух водозаборов: 40 % – вода из подземных источников Велижанского водозабора и 60 % – вода Метелевского водозабора, источником для которого служит р. Тура. Тура – самый длинный приток р. Тобол (1030 км), берет начало на восточном склоне Среднего Урала.

В створах Тюмени качество воды соответствует классу «чрезвычайно грязная». В р. Тура со стоками металлургических предприятий Свердловской области поступают свинец, олово, кадмий, хром, никель, медь, мышьяк, цинк. Содержание тяжелых металлов в 15–30 раз превышает ПДК. Содержание нефтепродуктов превышает ПДК в 10–30 раз [1].

Исследовали природную воду р. Тура в устье притока Тюменки. Издавна Тюменка была полноводной рекой с кристально чистой водой. По данным истории на левом берегу Тюменки была построена татарская крепость Чимги-Туру, а затем на высоком мысу между Турой и Тюменкой был возведен русский острог. Загрязнять Тюменку начали очень давно: в XIX в. – навозом, падалью, мусором; позже – мазутом со стороны железной дороги; с обоснованием на берегу Тюменки завода пластмасс – химикатами, аналогично происходит сброс сточных вод в реку другими предприятиями. Вид Тюменки в наше время представлен на рис. 1, вода превратилась в зловонную жижу темного цвета, испорченную городскими нечистотами.

Рис. 1. Устье р. Тюменка

Цель исследования – выбрать наиболее эффективные коагулянты и флокулянты в определенных дозах для очистки воды р. Тура (в устье р. Тюменка) от взвешенных и коллоидных частиц, общего железа с последующей доочисткой методом динамической сорбции.

Материалы и методы исследования

Основываясь на предыдущих исследованиях в качестве коагулянта выбрали полиоксихлорид алюминия Аl2(OH)5Cl·6H2O торговой марки Аква-Аурат 30 (производитель ОАО «Аурат», г. Москва (Россия), пять флокулянтов, являющихся представителями разных типов [2, с. 43]. Анионный флокулянт Prаestol 2531 TR, катионные флокулянты – Prаestol 650 TR (производитель компания Solenis, г. Пермь (Россия)), Flopаm 4140 SH (продукция компании SNF Floergerr, Франция), полиакриламид-гель ПАА (производитель компания ХИМПЭК, г. Москва (Россия)) – амфотерный полиэлектролит, жидкое стекло Nа2O·mSiO2· nH2O (производитель ООО «ГИДРОПАРТНЕР», г. Екатеринбург (Россия)) – полиэлектролит анионного типа, представляющий собой водный раствор силиката натрия, содержащий 22,9–39 % SiO2 и 8,6–14,6 % Nа2O. Prаestol 2531 TR – проявляет среднюю анионную активность, а Prаestol 650 TR – среднюю катионную активность. Катионный флокулянт Flopаm FO 4140 SH получают путем сополимеризации мономеров акриламида и метилхлорида – флокулянт с низкой и средней плотностью заряда. Флокулянты Flopаm позволяют сократить дозировку коагулянтов, которые необходимы для дестабилизации коллоидной смеси, значительно повышают уровень очистки вод. Выбор флокулянта (анионный или катионный) зависит от природы дестабилизированных частиц, которые присутствуют в воде [3].

Динамическая сорбционная доочистка проводилась с загрузкой сорбента КФГМ-7 (производитель ООО «Керамические сорбенты», г. Кыштым (Россия)) – керамического фильтрующего гранулированного материала, изготовленного из высококачественного каолина марки КАХ-2, который подвергается грануляции, дегидратации и специальной обработке.

В процессе работы были применены следующие методы и методики: методика проведения процесса коагулирования и флокулирования, метод измерения массовой концентрации общего железа и мутности (фотоколориметрический метод), метод динамической сорбционной доочистки на сорбенте марки КФГМ-7 [4].

Методики определения физических и химических показателей качества исходной воды

Для определения цветности был применен метод сравнительной оценки, выбор бихромат-кобальтовой шкалы обусловлен цветностью природных вод, характерной для заболоченных территорий Тюменской области [5, с. 22]. Прозрачность определяли методом шрифта – чтение стандартного шрифта через столб исследуемой воды [5, с. 23]. Плотность – ареометром [5, с. 17]. Общую жесткость – комплексонометрическим титрованием Трилоном-Б синдикатором эриохромом черным в присутствии аммонийной буферной смеси [5, с. 29]. Щелочность воды – титрованием соляной кислотой последовательно с индикатором фенолфталеином и метилоранжем [5, с. 32]. Общую кислотность – титрованием щелочью NаOH с индикатором фенолфталеином [5, с. 46].

Методика определения мутности

Был использован спектрофотометрический метод – ГОСТ Р 57164-2016. Измеряли оптическую плотность вод на фотометре ЗОМЗ КФК-3-01 при длине волны падающего излучения 530 нм с кюветами с толщиной поглощающего свет слоя 50 мм [6]. Оптическую плотность переводили в показатель мутности в связи с тем, что она не является показателем качества воды. Калибровочный график строили по стандартному образцу мутности (формазиновая суспензия) ГСО 7271-96.

Методика исследования эффективности различных доз коагулянта и флокулянтов

В 5 мерных цилиндров наливали по 250 мл исследуемой воды, в каждый из которых приливали мерной пипеткой различные объемы полиоксихлорида алюминия Аl2(OH)5Cl·6H2O торговой марки Аква-Аурат 30 и тщательно перемешивали, по истечении 5 мин добавляли рассчитанные дозы флокулянтов. Коагулянт готовился в виде 5 % раствора, флокулянты – в виде растворов с концентрацией 0,1 %. В течение 4 ч каждые 30 мин отбирались пробы на глубине ниже уровня жидкости на 3–5 см, с последующим измерением в каждой пробе значений оптической плотности. Оптическую плотность переводили в показатель мутности с помощью калибровочного графика, строились зависимости изменения оптической плотности (мутности) от времени с целью анализа.

Методика определения содержания железа в природной воде

Определение содержания общего железа и приготовление растворов для анализа было выполнено согласно ПНД Ф 14.1:2.50-96 [7]. Оптическую плотность полученных растворов измеряли на спектрофотометре ПЭ-5400ВИ при фиолетовом светофильтре при длине волны 410 нм и кювете с толщиной оптического слоя 5 см. Массовую концентрацию общего железа находили по градуировочному графику, построенному автоматически на спектрофотометре ПЭ-5400ВИ.

Методика проведения сорбционной доочистки

Процесс сорбции проводили в динамических условиях, в качестве сорбента использовали КФГМ-7. Для проведения исследования сорбционного процесса собрали установку, состоящую из стеклянной колонки, загруженной слоем адсорбента, емкости для слива фильтрата. Исходя из оптимальной скорости для фильтрации через сорбент КФГМ-7 – до 4 м/ч, задались скоростью капания 3,3 м/ч. Высоту загрузочного слоя выбрали, исходя из минимальной рекомендованной высоты – 0,7 м. Отбирались пробы исследуемой воды объемом 60 мл и пропускались через сорбент.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 представлены физические и химические показатели качества воды р. Тура в устье притока Тюменки.

Определены оптимальная доза коагулянта Аl2(OH)5Cl·6H2O торговой марки Аква-Аурат 30 и максимально возможное уменьшение оптической плотности воды. Выявлена оптимальная дозировка: 0,75 мл (150 мг/л). Результаты представлены на рис. 2.

Таблица 1

Физические и химические показатели исходной воды

Рис. 2. Зависимость оптической плотности от времени отстаивания при добавлении коагулянта – Аква-Аурат 30

Для оптимальной дозы коагулянта оптическая плотность была переведена в показатель качества воды – мутность и составила 0,5 ЕМФ. Допустимое значение мутности для питьевых вод составляет 2,6 ЕМФ [8].

Для флокулянта Prаestol 650 TR максимально возможное уменьшение оптической плотности вод наблюдается при следующих дозах: 0,625 и 0,750 мл. Для дозы Prаestol 2531 TR 0,625 мл мутность составила 3,5 ЕМФ, 0,75 мл – 2 ЕМФ, показатель мутности для дозировки 0,75 мл находится в норме. Для флокулянта Prаestol 2531 TR оптимальные дозировки: 0,25; 0,375 и 0,75 мл. Мутность для данных доз составила: 13,0; 12,0;13,0 ЕФМ соответственно. Показатели мутности превышают норму в 4–5 раз, действие данного флокулянта неэффективно. Для флокулянта Flopаm FO 4140 SH оптимальные дозировки – 0,25; 0,375 и 0,5 мл. Мутность для данных доз составила: 0,5; 3,0; 1,0 ЕФМ соответственно. Показатели мутности для дозы 0,25 и 0,5 мл находятся в норме. Для флокулянта полиакриламида оптимальные дозировки – 0,5 и 0,625 мл. Мутность для данных доз составила 12,0 ЕФМ. Показатели мутности для данных доз превышают норму в 4,6 раз, действие данного флокулянта неэффективно. Для флокулянта жидкое стекло (Nа2O·mSiO2· nH2O) оптимальные дозировки – 0,25 и 0,625 мл. Мутность для данных доз составила: 10 и 10,5 ЕФМ соответственно. Показатели мутности для данных доз превышают норму в 3,8–4 раза, действие данного флокулянта неэффективно.

Таким образом с точки зрения снижения мутности природной воды наиболее эффективными оказались флокулянт Prаestol 2531 TR – доза 0,75 мл и флокулянт Flopam FO 4140 SH для дозировок 0,25 и 0,5 мл

Общее содержание железа в исходной воде составило 3,28 мг/л. Концентрация железа в воде для разных доз с добавлением коагулянта и различных флокулянтов представлена в обобщающих табл. 2, 3.

Были выбраны оптимальные дозировки реагентов на основании наилучших показателей изменения оптической плотности и наименьшей концентрации железа.

Таблица 2

Концентрация общего железа в воде с добавлением коагулянта Аква-Аурат 30

Таблица 3

Концентрация общего железа в воде с добавлением различных флокулянтов

Рис. 3. Концентрации железа в воде до и после сорбционной очистки

Коагулянт Аква-Аурат 30, дозировка 0,75 мл. Флокулянты: Prаestol 2531TR – 0,625 и 0,75 мл, Prаestol 650 TR – 0,25; 0,375 и 0,75 мл, Flopаm FO 4140 SH – 0,25; 0,375 и 0,5 мл, ПАА – 0,5 и 0,625 мл, жидкое стекло (Nа2O·mSiO2· nH2O) – 0,25 и 0,625 мл.

Сорбционной доочистке подверглись только образцы с оптимальными дозировками. Отбирались пробы исследуемой воды объемом 60 мл и пропускались через сорбент, очищенная вода повторно измерялась на концентрацию железа и оптическую плотность с дальнейшим переводом в показатель мутности. Сравнительные концентрации железа в исследуемых пробах воды до и после сорбционной очистки представлены (рис. 3).

Наглядно видно на диаграмме, какой реагент и при какой дозировке дал существенный результат. Незначительное изменение концентрации общего железа после сорбции показали флокулянт жидкое стекло (0,625 мл) и Prаestol 2531 TR (0,625 мл). Максимальное снижение содержания общего железа показал флокулянт Prаestol 650 TR (0,75 мл).

Рис. 4. Мутность воды до и после сорбции

Также сравнительная диаграмма составлена по показателю мутности (рис.4).

Незначительное изменение по показателю мутности после сорбции показали флокулянты – жидкое стекло (0,625 мл) и Prаestol 2531 TR (0,625 мл). Максимальное понижение мутности – Prаestol 650 TR (0,75 мл).

Заключение

На основании проведенных исследований с точки зрения понижения мутности природной воды наиболее эффективными после коагулирования с последующим флокулированием оказались следующие реагенты: коагулянт Аl2(OH)5Cl·6H2O доза – 0,75 мл, флокулянт Prаestol 650 TR – доза 0,75 мл и флокулянт Flopаm FO 4140 SH для дозировок 0,25 и 0,5 мл.

После сорбционной доочистки с точки зрения понижения мутности и содержания общего железа наиболее эффективными оказались: коагулянт Аква-Аурат 30 – 0,75 мл, флокулянты: Prаestol 2531 TR – 0,625 и 0,75 мл, Prаestol 650 TR – 0,25; 0,375 и 0,75 мл, Flopаm FO 4140 SH – 0,25; 0,375 и 0,5 мл, ПАА – 0,5 и 0,625 мл, жидкое стекло (Nа2O·mSiO2· nH2O) – 0,25 и 0,625 мл.

Максимальное снижение концентрации общего железа до 0,13 мг/л и мутности до 0,125 ЕФМ наблюдалось при введении флокулянта Prаestol 650 TR – дозировкой 0,75 мл.