CLARIFICATION OF RIVER WATER IN WATER TREATMENT PROCESS

Куликов М.А.

ORCID: 0000-0001-8944-9522, кандидат химических наук, Березниковский филиал Пермского национального исследовательского политехнического университета

ОСВЕТЛЕНИЕ РЕЧНОЙ ВОДЫ В ПРОЦЕССЕ ВОДОПОДГОТОВКИ

Аннотация

Статья посвящена вопросам водоподготовки в части осветления речной воды. Актуальность работы продиктована повышением требований к качеству промышленной воды для химического производства. Представлены результаты исследований по определению оптимальных доз реагентов по осветлению речной воды в период паводка, на основании которых высказаны соответствующие рекомендации. Также приведены сравнительные испытания флокулянтов «Праестол 2510» и AN901 для осветления воды. По результатам исследований сделан вывод о возможности замены флокулянта «Праестол 2510» на AN901.

Ключевые слова: водоподготовка, доза реагента, флокулянт, «Праестол 2510», AN901

Kulikov M.A.

ORCID: 0000-0001-8944-9522, PhD in Chemistry, State National Research Politechnical University of Perm, Berezniki branch

CLARIFICATION OF RIVER WATER IN WATER TREATMENT PROCESS

Abstract

The article is devoted to water treatment issues regarding clarification of river water. Relevance of the work dictated by the increasing quality requirements of industrial water for the chemical industry. The results of studies to determine the optimal dose of reagents for clarification of river water during floods, on the basis of which made appropriate recommendations. comparative tests of flocculants "Praestol 2510" and AN901 for water clarification is also given. According to the research concluded that the possibility of replacing flocculant "Praestol 2510" on the AN901.

Keywords: water treatment, reagent dosage, flocculant, «Praestol 2510», AN901

С каждым годом промышленные предприятия потребляют все большее количество воды. Это связано как с увеличением объемов действующих производств, так и с внедрением новых технологических процессов. При этом к промышленной воде предъявляются все более жесткие требования по качеству. Для решения этой проблемы разрабатываются и внедряются новые методы подготовки воды [1-5].

Современная водоподготовка включает в себя целый комплекс различных процессов, одной из стадий подготовки природной воды является ее осветление. Цель этого процесса заключается в удалении из воды механических примесей. Грубодисперсные примеси удаляются достаточно легко под действием гравитационных сил. Сложнее всего удалить коллоидные частицы, которые имеют одноименный отрицательный заряд и вследствие взаимного отталкивания сохраняют свою устойчивость. Для разрушения коллоидных систем используются различные реагенты [6-9].

Одним из методов осветления воды является метод известкования совместно с коагуляцией и последующим вводом флокулянта. В качестве коагулянта используется сульфат железа (II). Наиболее оптимальной считается доза коагулянта 0,25-0,75 ммоль/дм³ FeSO₄. Оптимальная доза известкового молока подбирается в зависимости от дозы коагулянта таким образом, чтобы в осветленной воде всегда присутствовала гидратная щелочность в пределах 0,05-0,20 ммоль/дм³. В паводковый период в исходной воде повышается щелочность за счет увеличения содержания силикатов, органических и взвешенных веществ. При осветлении воды в паводковый период рекомендуется увеличение дозы сульфата железа (II) и уменьшение дозы известкового молока. Повышение дозы коагулянта способствует удалению органических веществ, являющихся стабилизирующими коллоидами по отношению к продуктам известкования.

Целью представленной работы является изучение процесса осветления речной воды в различных условиях. Исследование включало два этапа. На первом этапе изучено осветление речной воды в паводковый период. Второй этап посвящен поиску альтернативных флокулянтов для обеспечения потребностей процесса химводоподготовки в действующем производстве азотных удобрений. В настоящее время на предприятии используется «Праестол 2510». Необходимость поиска альтернативных вариантов обусловлена обеспечением бесперебойной работы производства в случае прекращения поставок «Праестола 2510». Для испытаний выбран флокулянт AN910 производства фирмы SNF FLOERGER, как наиболее близкий флокулянту «Праестол 2510». Флокулянты этой фирмы хорошо зарекомендовали себя при очистке воды [10].

Для определения оптимальных доз реагентов в паводковый период были проведены исследования, результаты которых отражены в таблице 1.

Таблица 1 – Экспериментальные данные

Результаты испытаний от 27 апреля
	1*	2*	3*	4*
FeSO4, ммоль/дм3	1,65	1,65	1,41	1,41
СаО, ммоль/дм3	3,22	3,36	3,22	3,36
Праестол, мг/дм3	0,11
Результаты испытаний через 30 минут					Исходная вода
	Вода во всех цилиндрах прозрачная
рН	10,70	10,80	10,86	10,98	7,6
Мутность, мг/дм3	2,18	1,26	1,92	2,07	14,54
Щелочность, ммоль/дм3	1,20	1,33	1,46	1,79	0,58
ОН-, ммоль/дм3	0,47	0,49	0,48	0,71	-
СО32-, ммоль/дм3	0,73	0,84	0,98	1,79	-
Feобщ., мг/дм3	0,28	0,22	0,22	0,21	3,37
Жесткость, ммоль/дм3	3,20	3,41	3,36	3,56	0,89
Результаты испытаний от 28 апреля
	1*	2*	3*	4*
FeSO4, ммоль/дм3	1,41	1,41	1,41	1,34
СаО, ммоль/дм3	2,80	2,94	2,80	2,94
Праестол, мг/дм3	0,11
Результаты испытаний через 30 минут					Исходная вода
	Вода во всех цилиндрах прозрачная, но в 1 и 3 зависают мелкие хлопья
рН	10,75	10,95	10,85	11,07	7,55
Мутность, мг/дм3	2,07	1,87	2,12	2,02	11,50
Щелочность, ммоль/дм3	1,02	1,45	1,20	1,42	0,55
ОН-, ммоль/дм3	0,17	0,45	0,35	0,57	-
СО32-, ммоль/дм3	0,85	1,00	0,85	0,85	-
Feобщ., мг/дм3	0,20	0,18	0,19	0,15	2,90
Жесткость, ммоль/дм3	3,16	3,41	3,26	3,61	0,95
Результаты испытаний от 02 мая
	1*	2*	3*	4*
FeSO4, ммоль/дм3	1,41	1,41	1,41	1,41
СаО, ммоль/дм3	2,66	2,52	2,38	2,24
Праестол, мг/дм3	0,11
Результаты испытаний через 30 минут					Исходная вода
	Во всех цилиндрах немного зависших мелких хлопьев
рН	10,65	10,40	10,33	10,21	7,64
Мутность, мг/дм3	3,54	2,02	3,04	3,24	10,78
Щелочность, ммоль/дм3	1,02	1,00	0,90	0,90	0,50
ОН-, ммоль/дм3	0,22	0,10	0,10	0	-
СО32-, ммоль/дм3	0,80	0,90	0,80	0,90	-
Feобщ., мг/дм3	0,24	0,26	0,26	0,30	3,20
Жесткость, ммоль/дм3	3,16	3,41	3,26	3,61	0,95
Результаты испытаний от 03 мая
	1*	2*	3*	4*
FeSO4, ммоль/дм3	1,41	1,34	1,38	1,31
СаО, ммоль/дм3	2,52	2,52	2,52	2,52
Праестол, мг/дм3	0,11
Результаты испытаний через 30 минут					Исходная вода
	Незначительное количество зависших мелких хлопьев
рН	10,32	10,49	10,41	10,50	7,72
Мутность, мг/дм3	2,38	2,12	2,89	3,49	7,70
Щелочность, ммоль/дм3	0,95	1,10	0,98	1,02	0,50
ОН-, ммоль/дм3	0,15	0,20	0,13	0,22	-
СО32-, ммоль/дм3	0,80	0,90	0,85	0,80	-
Feобщ., мг/дм3	0,24	0,27	0,24	0,24	2,17
Жесткость, ммоль/дм3	2,66	2,71	2,61	2,64	0,85
* – номер цилиндра с пробой

Согласно технологическим требованиям цеха химводоподготовки, качество известково-коагулированной воды должно соответствовать следующим нормам:

- жесткость общая, ммоль/дм³ – не более  4,0;

- щелочность общая, ммоль/дм³ – не более 1,0;

- щелочность гидратная, ммоль/дм³ – 0,05-0,20;

- железо общее, мг/дм³ – не более 0,3;

- мутность, мг/дм³ – не более 10,0;

- рН – 8,5-10,5.

Данные таблицы 1 показывают, что нормам соответствует осветленная вода, полученная в условиях опытов, проведенных 2 и 3 мая. Таким образом, для получения воды с требуемыми показателями качества необходимо работать со следующими дозами реагентов: сульфат железа (II) – 1,31-1,41 ммоль/дм³, известковое молоко – 2,38-2,52 ммоль/дм³. Эти дозы определены в лабораторных условиях при температуре осветления воды 22 °С, именно при этой температуре проходит осветление в цехе химводоподготовки предприятия.

На втором этапе исследования проведены сравнительные испытания флокулянтов «Праестол 2510» и AN910.

В производственных условиях приготовление раствора Праестола с концентрацией 0,1 % проводится путем загрузки порошкообразного флокулянта в заполненный водой бак и дальнейшего перемешивания раствора технологическим воздухом. Затем полученный однородный раствор с помощью центробежного насоса подается в бак приготовления рабочего раствора с концентрацией 0,01 %. Раствор этой концентрации подается в осветлители насосами-дозаторами.

Первоначально провели испытания по определению растворимости флокулянтов в воде, для чего приготовили растворы с концентрацией 0,5 % и 0,1 %.

Приготовление растворов полимеров с концентрацией 0,5 % проводили в стаканах вместимостью 1000 см³. В стаканы наливали дистиллированную воду. При интенсивном перемешивании с помощью магнитной мешалки всыпали навески полимеров таким образом, чтобы частицы падали в воду по отдельности одна за другой. Общее время растворения составило один час. По мере набухания растворы становились вязкими, и интенсивность перемешивания уменьшалась сама собой. При внесении флокулянтов в воду было замечено, что частицы порошкообразного AN910 хуже смачиваются водой и имеют тенденцию слипаться при снижении интенсивности перемешивания. Полученный раствор флокулянта AN910 более вязкий, чем раствор Праестола той же концентрации, и слегка мутный. При перемешивании магнитной мешалкой не представляется возможным установить одинаковую скорость перемешивания обоих растворов. Кроме того, по мере растворения флокулянтов увеличивается вязкость растворов и мешалкой перемешиваются только нижние слои, в то время как верхние слои остаются неподвижными.

При приготовлении растворов с концентрацией 0,1 % воду в стаканах, а затем и растворы, перемешивали стеклянной Z-образной мешалкой с регулируемой интенсивностью перемешивания. Растворение флокулянтов проводили с одной и той же интенсивностью перемешивания в течение часа. За это время оба флокулянта полностью растворились, несмотря на то, что частицы AN910 хуже смачивались водой и после погружения их в воду вначале образовались небольшие слипшиеся комочки. Раствор AN910 с концентрацией 0,1 % также более вязкий и слегка мутный.

Измерение кинематической вязкости полученных 0,1 %-ных растворов проводили с использованием вискозиметра ВПЖ-2 с внутренним диаметром капилляра 0,99 мм. Вязкость раствора Праестола составила 8,6 мм²/с, а раствора AN910 – 11,8 мм²/с (время истечения измеряли при t = 25 °С).

Для сравнения флоккулирующих свойств Праестола и AN910 были проведены пробные коагуляции. Из растворов флокулянтов с концентрацией 0,1 % разбавлением были приготовлены 0,01 %-ные растворы. Растворы сульфата железа (II) и известкового молока были получены в действующем цехе химводоподготовки.

Пробные коагуляции проводили с дозами, соответствующими цеховым, а также с дозами, подобранными ранее для осветления речной воды в паводковый период, в этой связи качество осветленной воды не соответствует регламентированным нормам. Дозы реагентов и показатели осветленной воды приведены в таблице 2. Исходная речная вода имела следующие показатели:

- рН – 7,5;

- мутность, мг/дм³ – 6,38;

- щелочность, ммоль/дм³ – 0,6;

- общее железо, мг/дм³ – 1,9.

Таблица 2 – Сравнительные результаты пробных коагуляций

Температура воды 30 °С
	1*	2**	3*		4**
FeSO4, ммоль/дм3	0,89	0,89	1,27		1,27
СаО, ммоль/дм3	5,50	5,50	2,64		2,64
Праестол 2510, мг/дм3	0,08	-	0,08		-
AN910, мг/дм3	-	0,08	-		0,08
Результаты испытаний осветленной воды через 30 минут
	Вода прозрачная в обоих цилиндрах		Мелкая взвесь зависает в обоих цилиндрах
рН	11,3	11,4	10,7	10,7
Мутность, мг/дм3	1,40	1,56	2,43	1,82
Щелочность, ммоль/дм3	4,1	4,0	1,35	1,4
ОН-, ммоль/дм3	3,1	3,3	0,45	0,5
СО32-, ммоль/дм3	1,0	0,7	0,9	0,9
Feобщ., мг/дм3	-	-	0,36	0,32
* - коагуляция с добавлением Праестола 2510 ** - коагуляция с добавлением AN910

Пробные коагуляции проводились в цилиндрах вместимостью 1000 см³ при перемешивании воды вручную стеклянными палочками. После введения реагентов и окончания перемешивания осуществлялось визуальное наблюдение за образованием и осаждением хлопьев. Осветление речной воды с добавлением Праестола и AN910 происходило одинаково без существенных различий.

На основании проведенных сравнительных испытаний были сделаны следующие выводы.

1. Продолжительность растворения флокулянтов «Праестол 2510» и AN910 при приготовлении растворов с концентрацией 0,1% является одинаковой.
2. При визуальном наблюдении за процессом осветления речной воды в цилиндрах с добавлением Праестола 2510 и AN910 не выявлено различий в образовании и осаждении хлопьев.
3. Частицы порошкообразного полимера AN910 хуже смачиваются водой и имеют тенденцию слипаться при недостаточном перемешивании. Для растворения таких полимеров в производственных условиях рекомендуется использовать растворные баки с высокоскоростными мешалками. В связи с этим при приготовлении растворов этого флокулянта в действующем цехе химводоподготовки возможно образование комков из-за несовершенства конструкции мешалки, а также низкого давления технологического воздуха, используемого для перемешивания. Образовавшиеся комки повлекут залипание распределительной решетки технологического воздуха.
4. Полученные растворы флокулянта AN910 концентраций 0,1 % и 0,01 % более вязкие, чем растворы Праестола тех же концентраций. В цехе водоподготовки при перекачивании более вязких растворов усложнится работа всего оборудования и, прежде всего, насосов-дозаторов.

Список литературы / References

1. Лаптев А.Г., Сергеева Е.С. Водоподготовка и водоочистка в энергетике. Часть 1 // Вода: химия и экология. 2011. №3. С.33-40.
2. Касимова Ф.И., Стефаненко В.К. К вопросу об энергосбережении при водоподготовке // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. № 1 (102). С. 236-241.
3. Gray N.F. Water Technology. – Elsevier Science. 2010. 768 p.
4. Кофман В.Я. Напорная флотация в водоподготовке (обзор зарубежных изданий) // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. №. 5. С. 44-48.
5. Носырев М.А., Комляшев Р.Б., Вешняков А.В., Ильина С.И., Терпугов Г.В. Водоподготовка на химическом предприятии с использованием мембранных модулей неэквивалентного переноса // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т.26. № 1(130). С. 105-108.
6. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П. Особенности применения коагулянтов для очистки природных цветных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2008. № 1. С. 9-15.
7. Музыченко О.В., Мандрик Т.С. Современные коагулянты // Вологдинские чтения. 2009. № 76. С. 82-84.
8. Гречанков А.В., Платонов А.П., Ковчур С.Г., Ковчур А.С. Новые коагулянты и флокулянты в процессах водоподготовки // Вестник Витебского государственного технологического университета. 2012. № 2 (23). С. 102-107.
9. Даминев Р.Р., Асфандияров Р.Н., Фаткуллин Р.Н., Асфандиярова Л.Р., Юнусова Г.В. Синтетические полиэлектролиты отечественного производства – области применения, перспективы использования // Нефтегазовое дело. 2015. № 6. С. 431-442.
10. Реагенты для питьевой воды – URL http://snf-group.ru/wp-content/uploads/2015/05/FLOQUAT-FLOPAM-reagentyi-dlya-pitevoi---vodyi.pdf (дата обращения 24.09.2016 г.).

Список литературы латинскими символами / References in Roman script

1. Laptev A.G., Sergeeva E.S. Vodopodgotovka i vodoochistka v jenergetike. Chast' 1 [Water and waste water treatment in the energy sector. Part 1] // Voda: himija i jekologija [Water: chemistry and ecology]. 2011. №3. S.33-40. [in Russian]
2. Kasimova F.I., Stefanenko V.K. K voprosu ob jenergosberezhenii pri vodopodgotovke [On the issue of energy efficiency in water treatment] // Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki [Southern Federal University. Technical science]. 2010. № 1 (102). Pp. 236-241. [in Russian]
3. Gray N.F. Water Technology. – Elsevier Science. 2010. 768 p.
4. Kofman V.Ja. Napornaja flotacija v vodopodgotovke (obzor zarubezhnyh izdanij) [The pressure flotation in water treatment (review of foreign publications)] // Vodosnabzhenie i sanitarnaja tehnika [Water Supply and Sanitary Equipment]. 2013. №. 5. Pp. 44-48. [in Russian]
5. Nosyrev M.A., Komljashev R.B., Veshnjakov A.V., Il'ina S.I., Terpugov G.V. Vodopodgotovka na himicheskom predprijatii s ispol'zovaniem membrannyh modulej nejekvivalentnogo perenosa [Water at a chemical plant using membrane modules unequal transfer] // Uspehi v himii i himicheskoj tehnologii [Advances in chemistry and chemical technology]. 2012. Vol. .26. № 1(130). Pp. 105-108. [in Russian]
6. Draginskij V.L., Alekseeva L.P. Osobennosti primenenija koaguljantov dlja ochistki prirodnyh cvetnyh vod [Features of the application of coagulants for the purification of natural colored water] // Vodosnabzhenie i sanitarnaja tehnika [Water Supply and Sanitary Equipment]. 2008. № 1. Pp. 9-15. [in Russian]
7. Muzychenko O.V., Mandrik T.S. Sovremennye koaguljanty [Modern coagulants] // Vologdinskie chtenija [Vologdinskie reading]. 2009. № 76. Pp. 82-84. [in Russian]
8. Grechankov A.V., Platonov A.P., Kovchur S.G., Kovchur A.S. Novye koaguljanty i flokuljanty v processah vodopodgotovki [New coagulants and flocculants in water treatment processes] // Vestnik Vitebskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Vitebsk State Technological University]. 2012. № 2 (23). Pp. 102-107. [in Russian]
9. Daminev R.R., Asfandijarov R.N., Fatkullin R.N., Asfandijarova L.R., Junusova G.V. Sinteticheskie polijelektrolity otechestvennogo proizvodstva – oblasti primenenija, perspektivy ispol'zovanija [Synthetic polyelectrolytes domestic production - application, use prospects] // Neftegazovoe delo [Oil and gas business]. 2015. № 6. Pp. 431-442. [in Russian]
10. Reagenty dlja pit'evoj vody [Reagents for drinking water] – URL http://snf-group.ru/wp-content/uploads/2015/05/FLOQUAT-FLOPAM-reagentyi-dlya-pitevoi---vodyi.pdf (Accessed 24.09.2016). [in Russian]