Городские сточные воды представляют собой жидкие среды, которые формируются как результат использования воды в бытовых, промышленных и коммерческих целях, включая атмосферные осадки. В состав сточных вод входят различные загрязнители, представляющие собой опасность для окружающей среды и здоровья человека, поэтому очистка сточных вод перед возвращением в природную среду или использованием повторно обязательна.
Городские сточные воды могут быть очень разнообразными по своему составу, в зависимости от характеристик конкретного города, его инфраструктуры, населения и промышленных предприятий, уровня потребления воды и уровня инфильтрации [1]. Общий состав и содержание основных компонентов и загрязнителей, которые часто присутствуют в составе городских сточных вод, представлены в табл. 1.
Процесс очистки городских сточных вод включает в себя несколько этапов – механический, физико-химический, биологический и обеззараживание. Среди физико-химических методов широкое распространение получили коагуляционные и флокуляционные процессы. Коагуляция основана на агрегации дисперсных частиц, которая происходит в результате изменения их структуры и заряда под влиянием электролитов. В качестве коагулянтов используют алюминий- и железосодержащие соединения, которые в результате гидролиза взаимодействуют с коллоидными или грубодисперсными загрязняющими веществами, образуя хлопья. В роли флокулянтов выступают высокомолекулярные соединения, например полиакриламид ПАА, полиамин ПА, способствующие образованию агрегатов за счет объединения нескольких частиц через флокулы химически связанного полимера. Безусловным преимуществом использования коагулянтов является высокая эффективность, широкий спектр применения для обработки разных видов жидких сред, включая питьевую воду, ливневые и промышленные сточные воды.
Известна технология концентрированного коагулирования с использованием высокоградиентного перемешивания сульфата алюминия и полиоксихлорида алюминия [3]. Смешение воды, обработанной коагулянтами, со сжатым воздухом размерами 1,5–2 мм осуществляли с перепадом давления от 0,3*105 до 4,0*105 Па. Экономия сульфата алюминия составляет 30 %. В процессах очистки питьевой и промышленных вод положительно зарекомендовали себя коагулянты, полученные солянокислотным разложением алюмосодержащего сырья – красноцветной глины Гиссарского месторождения и содержащие в своем составе Al2O3 – 31,5–32,1%, Fe2O3 – 95,4–96,7 % [4].
Современные исследования показывают, что с целью увеличения эффективности процесса и снижения эксплуатационных затрат все большее применение находят комбинированные коагулянты-флокулянты [5–8].
Основной тенденцией использования коагулянтов-флокулянтов в России является переход на алюмокремниевые коагулянты-флокулянты (АКФК).
Таблица 1
Типичный средний состав загрязнений в коммунальных стоках [2]
|
Параметр |
Значение |
|
Полное биологическое потребление кислорода (БПКПОЛН.), мг О2/дм3 |
230–530 |
|
Химическое потребление кислорода (ХПК), мг О/дм3 |
320–740 |
|
Общий органический углерод, мг С/дм3 |
90–210 |
|
Углеводы, мг/дм3 |
15–40 |
|
Белки, мг/дм3 |
11–25 |
|
Жирные кислоты, мг/дм3 |
25–65 |
|
Жиры, мг/дм3 |
11–25 |
|
Взвешенные вещества, мг/дм3 |
190–450 |
|
Медь, мг/дм3 |
40–100 |
|
Железо, мг/дм3 |
600–1500 |
|
Марганец, мг/дм3 |
60–150 |
|
Цинк, мг/дм3 |
130–300 |
АКФК представляют собой класс химических реагентов, которые объединяют в себе свойства как алюминиевых коагулянтов, так и кремниевых флокулянтов. Согласно [9] активная кремниевая увеличивает молекулярную массу образующихся хлопьевидных продуктов гидролиза соединений алюминия за счет слабого электростатического взаимодействия и взаимной конденсации гидроксида алюминия и мономеров кремнекислоты с образованием крупных агломератов, связанных кислородными мостиками типа Si-O-Al. Это способствует ускорению осаждения сформировавшихся конгломератов, образованию осадка и очистки сточных вод.
Эти реагенты используются в системах водоподготовки и водоотведения для улучшения коагуляции и флокуляции, что позволяет обеспечить более высокое качество очищенной воды и является ключевым фактором в поддержании здоровья человека и экологической стабильности. Кроме того, их применение может снизить затраты на химические реагенты и снизить общую себестоимость процессов очистки воды.
К недостаткам использования железо- и алюминийсодержащих коагулянтов в системе очистки сточных вод относится значительное снижение уровня рН очищенных стоков, что связано с процессом их гидролиза и выделением в жидкую фазу соответствующих кислот. Это особенно важно в тех случаях, когда очищенные стоки направляют на последующую стадию – биологическую очистку, где снижение уровня рН может привести к гибели биоценоза активного ила, поэтому рН среды строго контролируется в интервале 6,5–8. Кроме того, согласно литературным данным [10, 11], образование слабокислого раствора приводит к торможению самого процесса коагуляции, в результате чего соединения алюминия не участвуют в образовании осадка и остаются в растворе в ионной форме. В случае применения комбинированных реагентов – коагулянтов-флокулянтов в слабокислой среде в качестве осадкообразователя выступает преимущественно кремниевая кислота.
Поэтому корректировка составов порошкообразных коагулянтов-флокулянтов с целью обеспечения нейтрального уровня рН очищенных вод является актуальной задачей.
Материалы и методы исследования
Для очистки сточных вод использовали порошкообразный алюмокремниевый комплексный коагулянт-флокулянт (далее АКФ), предоставленный ООО «Промышленная компания «Юго-Запад-Химпром»», г. Белгород. Химический состав и физико-химические свойства АКФ представлены в табл. 2 и 3.
В качестве водных сред использовали реальные сточные воды (СВ), отобранные на станции канализации городских очистных сооружений (ОС) ГУП «Водоканал» (г. Белгород). Отбор проб осуществляли 05.12.2023 г. на стадии механической очистки, после решеток (№ 1) и песколовок (№ 2), в объеме по 50 дм3 каждого вида с исходными показателями: мутность 146,5 NTU и 161 NTU, рН 7,56 и 7,54 соответственно. Отобранные пробы в течение 1 ч были доставлены в лабораторию БГТУ им. В.Г. Шухова, где производили опытные испытания.
Эффективность использования реагентов для осветления проб городских сточных вод оценивали по снижению мутности и значениям рН очищенной воды. Мутность анализируемых проб воды определяли на портативном турбидиметре-мутномере HANNA H1 98307.
Таблица 2
Химический состав АКФ, мас. %
|
SiO2 |
Al2O3 |
Na2O |
K2O |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO32- |
п.п.п. |
|
25,43 |
16,47 |
9,51 |
3,04 |
1,25 |
0,70 |
0,24 |
43,10 |
0,26 |
Таблица 3
Физико-химические свойства АКФ
|
№ п/п |
Технологическая характеристика |
Значение |
|
1 |
Преобладающий размер частиц, мкм |
40–100 |
|
2 |
Остаток, нерастворимый в воде, мас. % |
не более 2,2–2,7 |
|
3 |
Плотность (истинная) частиц АКФ, кг/м3 |
2580 |
|
4 |
Насыпная плотность, кг/м3 |
1210–1310 |
Экспериментальные исследования по реагентной очистке проб городских сточных вод проводили следующим образом: в стеклянный стакан помещали 1000 см3 воды и навеску используемых материалов. Полученную смесь перемешивали с помощью магнитной мешалки при температуре 20 °С: время интенсивного перемешивания со скоростью 300 мин-1 – 3 мин, медленного со скоростью 60 мин-1 – 12 мин. Далее пробы переливали в цилиндры и отстаивали в течение 1 ч. Исследования проводили в трехкратной повторности. Эффективность очистки рассчитывали по формуле
Э = ((Мн и Мк) / Мн) ∙ 100%,
где Мн и Мк – мутность сточной воды до и после очистки соответственно, NTU.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследования по эффективности очистки проб сточных вод проводили методом пробного коагулирования, который заключался в обработке очищаемой воды разными составами и расходами реагентов в специально откалиброванных цилиндрах при одинаковом стандартном режиме смешения и хлопьеобразования. После отстаивания системы в течение 1 ч из верхней, очищенной части образца отбирали пробу для анализа на содержание основных параметров. Мутность – один из важных критериев качества воды, поэтому в ходе эксперимента эффективность использования коагулянта-флокулянта оценивали по изменению показателей мутности и рН среды. Результаты эксперимента представлены в табл. 4.
Установлено, что при увеличении расхода реагента мутность сточной воды уменьшается, что является результатом наращивания когуляционно-флокуляционной или сгустительной активности реагента, а также увеличению количества связей коагулянта со взвешенными веществами. Увеличение дозы АКФ не обеспечивает требуемого значения рН, то есть при расходе АКФ с 0,4 до 2,0 г/дм3 рН очищенных проб сточных вод, отобранных как после решеток, так и после песколовок, снижается с 6,54 до 4,16 и с 6,5 до 4,19, при этом эффективность очистки снизилась с 81,7 до 68,00 % и с 82,9 до 75,0 % соответственно.
Поскольку в состав АКФ входит сульфат алюминия и кремниевая кислота, то после его введения в сточную воду и растворения происходит гидролиз сульфата алюминия с образованием хлопьевидных продуктов по схеме
Al2SO4 + HOH = Al(OH)3 + H2SO4.
С увеличением расхода реагента АКФ до 2 г/дм3 рН очищаемого образца снижается, то есть происходит процесс закисления, часть алюминия остается в ионной форме и не участвует в процессе коагуляции, что отражается на снижении эффективности очистки по мутности до 68 и 75 % для проб после решеток и песколовок соответственно.
Следовательно, в состав АКФ необходимо введение корректирующих материалов, имеющих щелочной показатель, которые способны принять избыточные ионы водорода (H+) и увеличить концентрацию ионов гидроксида (OH-), что приведет к реакции нейтрализации и повышению pH.
Далее, в качестве корректирующей добавки рассматривали использование отсева дробления известняка (размер частиц 0–20 мм) цеха обжига извести АО «Оскольский электрометаллургический комбинат им. А.А. Угарова» (г. Старый Оскол Белгородской области). Химический состав отсева известняка: (CaCO3 + MgCО3) – 96,5 %, в том числе MgСO3 – не более 3,0±0,1; SiO2 – не более 3,5 %. Отсев измельчали до порошкообразного состояния, гранулометрический состав характеризовался остатком на сите 0,14–5 мас. %.
Таблица 4
Влияние расхода АКФ на некоторые характеристики осветленной воды
|
№ п/п |
Расход АКФ, г/дм3 |
рН среды |
Мутность, NTU |
Эффективность, % |
|||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
||
|
1 |
0,4 |
6,54 |
6,50 |
26,81 |
27,53 |
81,7 |
82,9 |
|
2 |
0,6 |
6,45 |
6,42 |
29,08 |
28,66 |
80,15 |
82,2 |
|
3 |
0,8 |
6,18 |
6,19 |
29,88 |
29,30 |
79,6 |
81,8 |
|
4 |
1,0 |
5,70 |
5,71 |
44,1 |
35,26 |
69,9 |
78,1 |
|
5 |
2,0 |
4,16 |
4,19 |
46,88 |
40,25 |
68,00 |
75,0 |
Таблица 5
Влияние состава реагента на параметры очищенной сточной воды
|
№ п/п |
Расход АКФ, г/дм3 |
Расход известняка, г/дм3 |
рН среды |
Мутность, NTU |
Эффективность очистки, % |
|||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
|||
|
1 |
1,0 |
0,4 |
6,76 |
6,73 |
42,30 |
50,30 |
71,13 |
68,76 |
|
2 |
1,0 |
6,87 |
6,72 |
42,90 |
38,60 |
70,72 |
76,40 |
|
|
3 |
2,0 |
0,4 |
6,42 |
6,48 |
52,50 |
46,00 |
64,16 |
68,60 |
|
4 |
1,0 |
6,48 |
6,52 |
46,00 |
38,90 |
68,60 |
75,84 |
|
|
5 |
3,0 |
0,4 |
4,94 |
4,85 |
53,16 |
55,21 |
63,71 |
65,71 |
|
6 |
1,0 |
5,41 |
5,35 |
30,90 |
33,90 |
78,91 |
78,94 |
|
Результаты использования известняка в составе АКФ (опыт № 2 по табл. 5) для очистки сточных вод: 1, 2 – после решеток до и после очистки; 3, 4 – после песколовок до и после очистки
Полученный порошок известняка в различных количествах вводили в очищаемые образцы сточной воды совместно с АКФ. Полученные результаты представлены в табл. 5 и на рис. 1.
Представленные результаты показали, что использование в качестве корректирующей добавки измельченного отсева известняка является перспективным, поскольку способствует повышению уровня рН очищенных проб. В качестве оптимальных расходов рассматриваемых компонентов – АКФ и известняка, для сточных вод ГУП «Белводоканал», отобранных на стадии механической очистки, можно рекомендовать 1,0 и 0,4 г/дм3 соответственно. Это обеспечивает значения эффективности очистки по величине мутности – 71,13 и 68,76 % при значениях рН 6,76 и 6,73 для стоков, отобранных после решеток и песколовок соответственно. Повышение дозы известняка до 1,0 г/дм3 обеспечивает незначительное увеличение эффективности очистки – до 76,4 % для стоков после песколовки, что, учитывая значительный расход материала, является нецелесообразным.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования показали перспективность использования тонкодисперсного известняка в качестве регулятора кислотности очищенных стоков в составе порошкообразных комбинированных алюмокремниевых коагулянтов-флокулянтов. Использование известняка в количестве 0,4 г/дм3 совместно с АКФ (1 г/дм3) обеспечивает эффективность осветления – 71,13 и 68,76 % при значениях рН 6,76 и 6,73 для городских сточных вод, отобранных на этапе механической очистки, после решеток и песколовок, станции канализации городских очистных сооружений (ОС) ГУП «Водоканал» (г. Белгород) соответственно.