Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,976

Введение

Город Белоярский является административным центром Белоярского района, расположенного на берегу р. Казым, впадающей в Обь. Отличительной чертой реки является короткое по длительности половодье, протекающее в мае и июне. После половодья река сильно мелеет, из-за этого вскрываются широкие песчаные косы, ближе к истокам. Река замерзает в середине осени, лед начинает свое движение лишь в конце весны. Судоходна до г. Белоярский.

В 1980-х гг. в связи с освоением нефтегазовых месторождений начал активно развиваться г. Белоярский, в течение нескольких лет население города выросло до 20 тыс. чел. Одновременно с этим развивалась и система водоснабжения, по истечении 40 лет качество воды, подаваемой потребителям, ухудшилось, возникла необходимость проанализировать и принять новую схему водоочистки природной воды р. Казым с целью улучшения ее качества1,2.

Цель исследования – разработка рекомендаций для модернизации технологического процесса водоподготовки на водоочистных сооружениях г. Белоярский ОАО «ЮКЭК-Белоярский», в основу которых заложен расчет эффективных порций разнотипных коагулянтов и флокулянтов, а также внедрение завершающей ступени сорбционной доочистки.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились в научно-исследовательской неаккредитованной лаборатории кафедры общей и специальной химии Тюменского индустриального университета. При выборе коагулянтов на основе анализа применяемых коагулянтов, по многим показателям лучшим оказался оксихлорид алюминия Al2(OH)5Cl·6H2O (ОХА) торговой марки «Аква-Аурат 30», с которым в дальнейшем проводился эксперимент. В настоящее время он является современным эффективным коагулянтом, применяемым для очистки и подготовки воды хозяйственно-питьевого назначения, а также очистки сточных вод. Основным действующим компонентом «Аква-Аурат 30» является полиоксихлорид алюминия (30 % по Al2O3), который гораздо более эффективен, чем сульфат алюминия, и, по сравнению с ним, обладает рядом преимуществ. Содержание остаточного алюминия после обработки вод ОХА значительно ниже, чем при использовании сульфата алюминия [1]. ОХА обладает низкой кислотностью и используется при большом диапазоне рН. Параметр рH воды при использовании оксихлорида алюминия не изменяется, что позволяет не применять дополнительные средства для ее нейтрализации. Высокая эффективность и, как следствие, низкий расход коагулянта (1 т «Аква-Аурат 30» по эффективности эквивалентна 4 т сульфата алюминия). Коагулянт готовился в виде растворов с концентрацией 5 %.

Для проведения анализа определены 6 наилучших флокулянтов для очистки природной воды [2–4]. Выбрали флокулянты различных типов: анионные, катионные, неиногенные. Флокулянты Praestol 2531 TR и жидкое стекло (Na2O·mSiO2· nH2O) относятся к анионным. Praestol 650 TR, Flopam 4115 SH, Flopam 4140 SH выступают в качестве катионных, полиакриламид-гель (ПАА) является неиногенным. Эффективность действия флокулянтов зависит от типа выбранного флокулянта [5, 6]. Флокулянты марки Praestol TR подходят именно для обработки питьевых вод. Флокулянты готовились в виде растворов с концентрацией 0,1 %.

Сорбционная доочистка проводилась с загрузкой КФГМ-7, представляющего собой керамический, фильтрующий материал в виде гранул коричневого цвета, относящийся к композиционному типу [7–9].

Методы определения физических и химических показателей качества исходной воды: при отборе проб для анализа воды пользовались ГОСТ Р 59024-2020 [10]. При проведении первичного анализа воды на определение исходных показателей (цветность, прозрачность, запах, вкус, плотность, жесткость, рН, щелочность, окисляемость) были использованы методики: ГОСТ 31868-2012, РД 52.24.496-2018, ГОСТ 18995.1-73, ГОСТ 31954-2012, ПНД Ф 14.1:2:3:4.1, ГОСТ 31957-2012, ГОСТ Р 55684-2013.

Метод определения мутности: использовали спектрофотометрический метод согласно ГОСТ Р 57164-2016. Оптическую плотность вод измеряли на фотометре КФК-3-01- «ЗОМЗ» при длине волны падающего излучения 530 нм с кюветами с толщиной поглощающего свет слоя 50 мм [11]. Для перевода оптической плотности в мутность строили калибровочный график по стандартному образцу мутности (формазиновая суспензия) ГСО 7271-96 [12].

Метод определения содержания железа в природной воде: содержание железа, а также приготовление растворов для анализа было выполнено согласно ПНД Ф 14.1:2.50-96 [13]. 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 на спектрофотометре ПЭ-5400ВИ.

Метод адсорбционной доочистки: процесс адсорбции проводили в динамике, в качестве сорбента использовали КФГМ-7. Для проведения исследования сорбционного процесса собрали установку, состоящую из адсорбционной колонки с адсорбентом, стаканчика для фильтрата. Опираясь на рекомендуемую, оптимальную скорость для фильтрования через сорбент КФГМ-7, равную 4 м/ч, для удобства проведения эксперимента установили скорость 3,3 м/ч. Высоту загрузки сорбента выбрали, исходя из минимально рекомендованной высоты 0,7 м. Пробы анализируемой воды объемом 60 мл заливали в колонку и фильтровали [14].

Рис. 1. Река Казым, северная река в ХМАО-Югре, правый приток Оби

Таблица 1

Исходные показатели качества исследуемой воды

Примечание: составлена автором на основании полученных данных в ходе исследования.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты анализа исходных показателей качества природной воды р. Казым представлены в табл. 1.

Показатели качества исследуемой воды реки Казым в месте водозабора средние за год. Мутность по наблюдениям, как правило, была меньше 40,0 ЕМФ.

Эффективность действия различных доз коагулянта на снижение мутности природной воды показана в табл. 2. Эксперимент проводился в пяти различных дозировках. В 5 цилиндров объемом 250 мл наливали исследуемую воду р. Казым. При помощи пипетки отбирали необходимую дозировку коагулянта и добавляли к исследуемой воде. После перемешивания (25–35 с) по истечении 5 мин на протяжении 4,5 ч отбирали каждые 30 мин пробы для фиксирования результатов по оптической плотности, которые затем были переведены в мутность.

В соответствии с СанПиН 1.2.3685-21 нормативный показатель мутности для питьевых вод не более 2,6 (3,5) ЕМФ [15]. Анализ полученных данных показал, что после коагуляции мутность воды превышает нормативный показатель, что говорит о необходимости использования флокулянтов.

Исследована эффективность действия различных доз флокулянтов на снижение показателя мутности воды, выявлены оптимальные дозы флокулянтов. Методика исследования процесса флокуляции аналогична методике исследования процесса коагуляции. На рис. 2 показано изменение оптической плотности воды (при длине волны падающего излучения 530 нм) в процессе флокуляции оптимальными дозами флокулянтов во времени.

Таблица 2

Эффективность действия различных доз коагулянта на снижение мутности природной воды

Примечание: составлена автором на основании полученных данных в ходе исследования.

Рис. 2. Зависимость оптической плотности воды от времени отстаивания в присутствии различных флокулянтов в оптимальных дозах Примечание: составлен автором по результатам данного исследования

Величины оптической плотности и мутности при введении оптимальных доз коагулянта и флокулянтов приведены в табл. 3.

Как видно, минимальная мутность при использовании коагулирования с последующим флокулированием выше нормативного показателя мутности для питьевых вод в 1,7–2,8 раза, что обусловило необходимость использования процесса сорбционной доочистки природной воды.

Таблица 3

Значения оптической плотности и мутности воды при оптимальных дозах исследуемых коагулянта и флокулянтов

Примечание: составлена автором на основании полученных данных в ходе исследования.

*Оптическая плотность (ОП) – безразмерная величина.

Рис. 3. Величины концентраций общего железа в пробах после коагуляционно-флокуляционной обработки до и после адсорбции Примечание: составлен автором по результатам данного исследования

Сорбционная доочистка воды является глубоким очищением с высокой эффективностью, цель достигается путем соединения на молекулярном уровне частиц химических веществ с примесями. Данным методом удаляются даже органические соединения, которые невозможно вывести другими способами.

Пробы воды пропускали через собранную установку, далее исследуемая вода проверялась на содержание общего железа и значениям мутности. На рис. 3 представлены концентрации общего железа в пробах, подвергшихся коагуляционно-флокуляционной обработке до и после сорбции. Общее содержание железа в исходной воде 3,28 мг/л, что превышает нормативный показатель в 10 раз. По содержанию общего железа после адсорбции высокие результаты дали следующие реагенты: Аква-Аурат 30, Flopam 4140 SH, Praestol 2531 TR, жидкое стекло. На рис. 3 отражена зависимость концентрации общего железа при использовании коагулянта Аква-Аурат 30, флокулянтов: Flopam 4140 SH, Praestol 2531 TR, жидкое стекло в соответствующих дозировках до и после адсорбции.

Рис. 4. Мутность воды после коагуляции-флокуляции до и после адсорбции Примечание: составлен автором по результатам данного исследования

Проведены исследования по влиянию сорбционной доочистки на мутность природной воды. Величины мутности в анализируемых пробах воды, после коагуляционно-флокуляционной обработки до и после адсорбции показаны на рис. 4.

По степени уменьшения мутности воды высокие результаты также показали следующие реагенты: Аква-Аурат 30 (350 мг/л), Flopam 4140 SH (1,5 мг/л), Praestol 2531 TR 2,5 мг/л), жидкое стекло (2,0 мг/л) после коагуляционно-флокуляционной обработки с последующей сорбционной доочисткой.

Заключение

При действующем технологическом режиме в ОАО «ЮКЭК-Белоярский» вода, подаваемая потребителю после очистки, не соответствует требованиям ГОСТ Р51232-98 по показателям мутности и общего железа. Опираясь на результаты исследования, рекомендуем в процессе водоподготовки воды для снабжения г. Белоярский следующие дозы коагулянта и флокулянтов: Аква Аурат 30 (350 мг/л); Praestol 2531 TR (2,5 мг/л); Flopam 4140 SH (1,5 мг/л); жидкое стекло (2 мг/л), а также введение заключительной стадии фильтрования через адсорбент КФГМ-7. Рекомендуемые дозы были выбраны исходя из показателей концентрации общего железа и мутности после сорбционной доочистки. На выходе очищенная вода по показателям мутности и общего железа соответствует существующим санитарным правилам и нормам.