PRACTICAL APPLICATION OF THE SORPTION PROCESS DURING FINAL WATER TREATMENT AT FOOD ENTERPRISES

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СОРБЦИОННОГО ПРОЦЕССА ПРИ ДООЧИСТКЕ ВОДЫ НА ПИЩЕВЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Научная статья

Горелкина А.К.^1, *, Тимощук И.В.², Юстратов В.П.³, Ананьев В.А.⁴, Альтшуллер О.Г.⁵, Останина Е.В.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-3782-2521;

² ORCID: 0000-0002-1349-2812;

^1-6 Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия

* Корреспондирующий автор (alengora[at]yandex.ru)

Аннотация

Источники водоснабжения имеют высокий уровень контаминации, что определяет необходимость глубокой очистки воды на водоподготовительных станциях. В представленной работе предлагается адсорбционное извлечение, как одна из стадий водоподготовки с целью удаления галогенорганических соединений (трихлорэтилен (ТХЭ), хлороформ, хлорфенол), образующихся на стадии обеззараживания. Рекомендуемые марки активных углей - АГ-3, СКД-515. Схема водоподготовки, предложенная в работе, позволит обеспечить безопасность и высокое качество воды, в том числе по органолептическим показателям, что особенно актуально в весенний период.

Ключевые слова: адсорбция, активные угли, галогенорганические соединения, водоподготовка.

PRACTICAL APPLICATION OF THE SORPTION PROCESS DURING FINAL WATER TREATMENT AT FOOD ENTERPRISES

Research article

Gorelkina A.K.^1, *, Timoshchuk I.V.², Yustratov V.P.³, Ananyev V.A.⁴, Altshuller O.G.⁵, Ostanina E.V.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-3782-2521;

² ORCID: 0000-0002-1349-2812;

^1-6 Kemerovo State University, Kemerovo, Russia

* Corresponding author (alengora[at]yandex.ru)

Abstract

Water supply sources have a high level of contamination, which determines the need for deep water purification at water treatment plants. The current study presents adsorption extraction as one of the stages of water treatment with the goal of removing organohalogen compounds (trichloroethylene (TE), chloroform, chlorophenol) formed at the disinfection stage. Recommended brands of active coals are AG-3, SKD-515. The water treatment scheme proposed in the article will ensure the safety and high quality of water, including organoleptic indicators, which is especially important in the spring period.

Keywords: adsorption, activated carbons, organohalogen compounds, water treatment.

Введение

Пресноводные экосистемы, являющиеся средой обитания для большого числа организмов и источником питьевой воды для человека, претерпевают значительную деградацию, обусловленную не рациональным использованием данного ресурса. Поверхностные и подземные воды загрязнены твердыми отходами, сточными водами, в результате чего, в гидросферу вносят широкий спектр контаминантов, к числу которых относятся и галогенорганические соединения (трихлорэтилен, хлороформ, хлорфенол и др.).

Опасность галогенорганических соединений и для человека, и для экосистемы в целом заключается в их токсическом, канцерогенном и мутагенном действии на живые организмы:

 – Хлороформ оказывает общетоксическое и канцерогенное действие, т.е. относится к группе 2Б – возможно канцерогенное для человека вещество (потенциально опасное).

 – Трихлорэтилен проявляет острую токсичность, которая увеличивается с присутствием этанола, четыреххлористого углерода, углеводов, обнаружено его канцерогенное влияние. ТХЭ поражает центральную нервную систему, раздражает кожу и глаза, обладает аллергенным, мутагенным действием.

 – Хлорфенол токсичен для биоценозов, проявляет канцерогенные свойства, ухудшает органолептические характеристики питьевой воды, а также является предшественником образования диоксинов.

Очевидно, что необходимо снижать концентрацию хлорорганических загрязнителей в воде до питьевых нормативов, по этим веществам в соответствии с СанПиН 1.2.3685-21, в представленной работе предлагается адсорбционное извлечение одно из перспективных направлений.

Возможность излечения, описанных выше, соединений изучена авторами и представлена в работах [5], [6], [7], в которых описаны механизмы и закономерности адсорбционного извлечения галогенорганических соединений. Целью данных исследований является разработка технологической схемы очистки воды, оснащенной дополнительной установкой для извлечения галогенорганических соединений.

Принципы исследований

Изучение адсорбционного извлечения органического компонента в лабораторных условиях проводилось на модельных колонках в динамических условиях и заключалось в «пропускании с заданной скоростью фильтрации водного раствора с известным содержанием извлекаемых компонента через слой сорбирующего материала, загруженного в колонку. В порции фильтрата отбираемой через фиксированные промежутки времени определяется содержание извлекаемого компонента. Анализ процесса поглощения проводят по выходным кривым». С помощью математического моделирования рассчитаны параметры промышленных адсорбционных колон [6], [7].

Результаты и их обсуждение

Для более глубокой степени отработки слоя загрузки сорбента и его емкости (в момент проскока в растворе на выходе из колонки извлекаемых компонентов, отработана только часть адсорбционного слоя) целесообразным является аппаратурное оформление из последовательно соединённых аппаратов. Очищаемая вода, через аппараты проходит последовательно и первый по ходу аппарат при полном насыщении слоя загрузки извлекаемым компонентом, отключается для регенерации сорбента, при этом колонка, накануне прошедшая регенерацию, включается в цепь, что и обеспечивает постоянство условий процесса извлечения компонентов в потоке из жидких сред.

Количество фильтрующих колон в сорбционном блоке может быть различным, при этом эффективность будет выше, если количество колон будет от трех и более, две колонны находятся в режиме адсорбционного извлечения (т.е. «в работе»), а одна отключена на регенерацию.

Установки с последовательно подключенными адсорберами трех или более колонн увеличивают объем очищаемой воды в 1,3 – 1,7 раз.

Пооперационную схему, возможно, представить в виде адсорбционной установки представленной на рисунке 1. Адсорбционные колонны или фильтры заполняются активным углем определенной марки, выбор которой зависит от адсорбционных характеристик марки угля по отношению к извлекаемым контаминантам, ранее проведенные исследования показали, что адсорбционная емкость углеродных адсорбентов по отношению к ТХЭ, хлороформу и хлорфенолу различная, при этом для для ТХЭ на уменьшается в ряду АГ-3 > КАУ ,СКД-515 > КАД-йодный ≥ АБГ > АГ-ОВ-1 > БАУ ≥ Пуролат-Стандарт., для хлороформа КАУ > СКД-515 > БАУ > АГ-3 > АГ-ОВ-1 > ПФС >АБГ > Поролас Т, для хлорфенола БАУ > АГ-ОВ-1 >АГ-3, СКД-515> ПФС >АБГ > Поролас Т; выбор марки сорбента также определяется его стоимостью, доступностью и возможностью регенерации, с учетом этого можно рекомендовать к использованию активный уголь марок АГ-3, СКД-515.

На базе наиболее распространенных технологических схем водоподготовки, используемых для подготовки воды системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, предложена технология очистки воды, предусматривающая сорбционную ступень доочистки воды от органических контаминантов. Ее целесообразно реализовывать на заключительных этапах водоподготовки, это объясняется тем, что в процессе подготовки воды существует вероятность образования более опасных вторичных токсичных контаминантов при обеззараживании воды хлорсодержащими реагентами, так как хлор взаимодействует с природными органическими веществами, образуя галогенорганические соединений. Применение предложенной сорбционной ступени возможно как на водоподготовительных сооружениях, так и на предприятиях пищевой отрасли.

Рис. 1 – Схема непрерывной адсорбционной установки: 1 – усреднитель; 2 – насос; 3 – фильтр; 4 – адсорбционные колонны; 5 – емкость

 

На рисунке 2 показана технологическая схема водоподготовки с адсорбционной доочисткой. В существующую технологическую схему производства дополнительно включено три последовательно соединенных фильтра высотой 2–4 м, диаметром колонн 1–2 метра, заполненных активным углем марки СКД-515 или АГ-3.

Вода в соответствии со схемой насосами I подъема подается в контактную камеру 1, куда одновременно подаются химические соединения, называемые реагентами (коагулянты, флокулянты, реагенты-дезинфектанты (первичное обеззараживание)), приготовленные в реагентном цехе РЦ. После смешения с агентами вода поступает в камеру хлопьеобразования 2 (камеру реакции), где происходит физико-химический процесс агломерации взвешенных и коллоидальных частиц в крупные хлопья. Затем вода поступает в отстойники 3, в которых движется с малой скоростью. При этом основная масса образовавшихся хлопьев отделяется от обрабатываемой воды и выпадает в осадок (на дно отстойников). Из отстойников вода подается на фильтры для глубокого осветления путем пропускания через толщу фильтрующего материала (песчаная загрузка или дробленые горелые породы). В процессе очистки в толще фильтров накапливаются загрязнения. Для их удаления фильтры выключаются из работы, промываются и затем вновь вводятся в работу.

Рис. 2 – Технологическая схема водоподготовки с применением отстойников и фильтров: 1 – контактная камера; 2 – камера реакции (хлопьеобразования); 3 – отстойники; 4 – фильтр; 5 – сорбционные фильтры; 6 – резервуар отстойник; 7 – РЧВ

 

Для окончательной очистки от взвешенных веществ и растворенных примесей, в том числе – галогенорганических, образовавшихся на предшествующих стадиях процесса водоподготовки. осветленная вода подается на сорбционные фильтры 5, загруженные гранулированным активным углем. Поскольку вода предназначена для хозяйственно-питьевых целей, то перед подачей в резервуары чистой воды 7 (РЧВ) ее подвергают обеззараживанию. Обеззараживание завершается в резервуарах чистой воды, где обеспечивается необходимый контакт воды с дезинфекторами (гипохлоритом натрия). Потребителям воду подают насосами II подъема.

Реализация предлагаемой ступени доочистки воды на пищевых производствах позволит повысить качество вырабатываемой продукции, что может показать сравнительная оценка воды, очищенной в соответствии с традиционной схемой и дополнительно обработанной на сорбционных фильтрах (предлагаемая схема).

Для оценки эффективности разработанной технологии была проведена сравнительная товароведная оценка питьевой воды, для сравнения была взята вода, выработанная по разработанной технологии, предусматривающей этап доочистки и системы централизованного водоснабжения, произведенная по традиционной технологии (в период максимальной контаминации воды с июня по август).

Контролируемые органолептические показатели сопоставляли с ГОСТ Р 57164-2016 «Вода питьевая. Методы определения запаха, вкуса и мутности» Оценку запаха, привкуса, цветности образцов питьевой воды проводили по балльной системе в соответствии с ГОСТ 31986-2012 «Услуги общественного питания. Метод органолептической оценки качества продукции общественного питания (Переиздание)» Исследования проводили на протяжении 12 месяцев с периодичностью не реже одного раза в 30 дней.

Результаты исследований представлены в таблице 1. Их анализ позволяет сделать вывод об эффективности предлагаемого способа доочистки в отношении органолептических показателей (соответствуют нормативам СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания»). Питьевая вода, выработанная по традиционной технологии, имела худшие органолептические показатели особенно в апреле–мае (отмечалось изменение запаха и цветности).

 

Таблица 1 – Органолептические показатели питьевой воды за исследуемый период

Показатели	Норма по СанПиН 1.2.3685-21 не более	Показатели качества питьевой воды, очищенной в соответствии с:
		традиционной схемой			предлагаемой схемой
		февраль	апрель-июнь	август	февраль-август
Запах при 200, баллы	2	1	3	2	0
Привкус, баллы	2	0	0	0	0
Цветность, градусы	20	7	12	10	2

Примечание: шкала оценки запаха и привкуса, баллы: 0 – нет, 1 – очень слабый, 2 – слабый, 3 – заметный, 4 – отчетливый, 5 – очень сильный; цветность, градусы: 0 – 70

 

Таблица 2 – Показатели безопасности химического состава питьевой воды, подготовленной по традиционной схеме и по предлагаемой

Показатели	ПДК по СанПиН 1.2.3685-21 не более, мг/л	Содержание хлороформа/хлорфенола/трихлорэтилена (в отношении к ПДК) после ее очистки соответствии с:
		традиционной схемой			предлагаемой схемой
		февраль	апрель-июнь	август	февраль-август
Хлороформ	0,060	0,5 ПДК	1,2 ПДК	1,5ПДК	следа
Хлорфенол	0,004	0,5 ПДК	1,1 ПДК	1,3ПДК
Трихлорэтилен	0,005	0,5 ПДК	1,3 ПДК	1,2ПДК

 

Таблица 3 – Органолептические показатели воды, очищенной по традиционной и предлагаемой технологии

Показатели	Единицы измерения	Норма по СанПиН 2.1.4.1074-01 не более	Показатели качества питьевой воды, очищенной по технологии
			традиционной			предлагаемой
			февраль	апрель-май	август	февраль-август
Запах при 200С	Баллы	2	1	3	2	0
Привкус	Баллы	2	0	0	0	0
Цветность	Градусы	20	7	12	10	0

Примечание: шкала оценки запаха и привкуса, баллы: 0 – нет, 1 – очень слабый, 2 – слабый, 3 – заметный, 4 – отчетливый, 5 – очень сильный; цветности: 0 – 70

 

Таблица 4 – Показатели безопасности химического состава питьевой воды, подготовленной по традиционной и предлагаемой технологии

Показатели	ПДК по СанПиН 1.2.3685-21, не более	Содержание хлороформа/трихлорэтилена (в отношении к ПДК) после ее очистки по технологии
		традиционной			предлагаемой
		февраль	апрель-май	август	февраль - август
Хлороформ	0,060	0,5 ПДК	1,2ПДК	1,5ПДК	следы
Трихлорэтилен	0,005	0,5ПДК	1,3ПДК	1,2ПДК	следы

  Заключение

Данные Роспотребнадзора, (из ежегодного Государственного доклада «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации»), отражают сезонное ухудшение ряда показателей воды в водоисточниках, что вероятно служит причиной и ухудшения качества воды системы хозяйственно-питьевого водоснабжения прошедшей классическую очистку на водоподготовительных станциях. Исследования, приведенные в работе, также демонстрируют сезонность изменения органолептических показателей, и необходимость дополнительных мероприятий по повышению качества и биологической безопасности, что позволяет сделать предлагаемая схема с дополнительной сорбционной доочисткой.

Благодарности Статья подготовлена в рамках комплексной научно-технической программы «Чистый уголь – Зеленый Кузбасс».

Acknowledgement The article was prepared within the framework of the comprehensive scientific and technical program "Clean coal - Green Kuzbass".

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. 1. Itoh S. Regulations and perspectives on disinfection by-products: importance of estimating overall toxicity / S. Itoh, Gordon, P. Callan // Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua. – 2011. –Vol. 60(5). – P. 261–274. DOI:10.2166/aqua.2011.068
2. Baytak D. Seasonal variation in drinking water concentrations of disinfection by-products in IZMIR and associated human health risks / D. Baytak, A. Sofuoglu, F. Inal et al. // Science of The Total Environment. – 2008. –Vol. 407(1). – P. 286-296. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2008.08.019
3. Jeong C. Occurrence and toxicity of disinfection byproducts in European drinking water in relation with the HIWATE epidemiology study / C. Jeong, E. Wagner, V. Siebert // Еnvironmental Science & Technology. – 2012. –Vol.46(21). – Р. 12120-12128. DOI:10.1021/es3024226
4. Парфит Г. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / Г. Парфит, К. Рочестер. – М.: Мир, 1996. – 488 с.
5. Краснова Т. А. Адсорбционные технологии очистки воды при производстве фруктово-сывороточных напитков / Т. А. Краснова, И. В. Тимощук, А. К. Горелкина и др. // Экология и промышленность России. – 2018. – Т.22, № 10. – С.4–10. DOI: 10.18412/1816-0395-2018-10-4-10.
6. Krasnova T. A. The choice of sorbent for adsorption extraction of chloroform from drinking water / T. A. Krasnova, I. V. Timoshсhuk, A. K. Gorelkina et al. // Foods and Raw materials. – 2017. – Vol.5(2). – P.189–196. DOI 10.21603/2308-4057-2017-2-189-196
7. Горелкина А.К. Научное обоснование и прикладные аспекты формирования качества и обеспечения безопасности восстановленных продуктов предприятий молочной отрасли / А.К. Горелкина: дис. д-ра тех. наук – Кемерово, 2021. – 340 с.
8. Когановский А. М. Адсорбция органических веществ из воды / А. М. Когановский, Н. А. Клименко, Т. М. Левченко и др. –Л.: Химия, 1990. – 256 с.
9. CorwinC. J. Adsorption and desorption of trace organic contaminants from granular actiated carbon adsorbers after intermittent loading and thoughout backwash cycles / C. J. Corwin, R. S. Summers // Water research. -– 2011. – № 45(2). – P. 417–426. DOI: 10.1016/j.watres.2010.08.039
10. Krasnova T. A. Adsorption processes in solving environmental problems in water sources of Urban Territories Development / T. A. Krasnova, M. P. Kirsanov, O. V. Belyaeva and other // MATEC Web of Conferences. – 2018. –Vol. 170, – Art. 04005. – 10 p. DOI: 10.1051/matecconf/201817004005

Список литературы на английском языке / References in English

1. Itoh S. Regulations and perspectives on disinfection by-products: importance of estimating overall toxicity / S. Itoh, Gordon, P. Callan // Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua. – 2011. –Vol. 60(5). – P. 261–274. DOI:10.2166/aqua.2011.068
2. Baytak D. Seasonal variation in drinking water concentrations of disinfection by-products in IZMIR and associated human health risks / D. Baytak, A. Sofuoglu, F. Inal et al. // Science of The Total Environment. – 2008. –Vol. 407(1). – P. 286-296. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2008.08.019
3. Jeong C. Occurrence and toxicity of disinfection byproducts in European drinking water in relation with the HIWATE epidemiology study / C. Jeong, E. Wagner, V. Siebert // Еnvironmental Science & Technology. – 2012. –Vol.46(21). – Р. 12120-12128. DOI:10.1021/es3024226
4. Parfit G. Adsorbcija iz rastvorov na poverhnostjah tverdyh tel [Adsorption From Solutions on Surfaces of Solids] / Parfit, K. Rochester // – M.: Mir, 1996. – p. 488 [in Russian]
5. Krasnova T. A. Adsorbcionnye tehnologii ochistki vody pri proizvodstve fruktovo-syvorotochnyh napitkov [The Choice of Sorbent for Adsorption Extraction of Chloroform From Drinking Water] / T. A. Krasnova, I. V. Timoshhuk, A. K. Gorelkina et al. // Jekologija i promyshlennost' Rossii [Foods and Raw Materials]. – 2018. – Vol.22, № 10. – pp. 4–10. DOI 10.18412/1816-0395-2018-10-4-10 [in Russian]
6. Krasnova T. A. The choice of sorbent for adsorption extraction of chloroform from drinking water / T. A. Krasnova, V. Timoshshuk, A. K. Gorelkina and other // Foods and Raw materials. – 2017. – Vol.5(2). – P.189–196. DOI 10.21603/2308-4057-2017-2-189-196 [in Russian]
7. Gorelkina A.K. Nauchnoe obosnovanie i prikladnye aspekty formirovanija kachestva i obespechenija bezopasnosti vosstanovlennyh produktov predprijatij molochnoj otrasli [Scientific Substantiation and Applied Aspects of the Formation of Quality and Safety of Restored Products of Dairy Industry Enterprises] / A.K. Gorelkina // Dissertation of the Doctor of Technical Sciences – Kemerovo, 2021. – p. 340 [in Russian]
8. Koganovskij A. M. Adsorbcija organicheskih veshhestv iz vody [Adsorption of Organic Substances From Water] / M. Koganovskij, N. A. Klimenko, T. M. Levchenko et al. // –L.: Himija, 1990. – p. 256 [in Russian]
9. Corwin C. J., Summers R. S. Adsorption and desorption of trace organic contaminants from granular actiated carbon adsorbers after intermittent loading and thoughout backwash cycles / C. J. Corwin, R. S. Summers // Water research. -– 2011. – № 45(2). – P. 417–426. DOI: 10.1016/j.watres.2010.08.039
10. Krasnova T. A. Adsorption processes in solving environmental problems in water sources of Urban Territories Development / T. A. Krasnova, M. P. Kirsanov, O. V. Belyaeva and other // MATEC Web of Conferences. – 2018. –Vol. 170, – Art. 04005. – 10 p. DOI: 10.1051/matecconf/201817004005