Использование комбинированных коагулянтов-флокулянтов для очистки городских сточных вод
- Авторы: Кирюшина Н.Ю.1, Старостина И.В.1, Макридина Ю.Л.1, Локтионова Е.В.1, Хапугина А.Е.1
-
Учреждения:
- ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»
- Выпуск: № 2 (2024)
- Страницы: 25-36
- Раздел: ЭКОЛОГИЯ
- URL: https://ogarev-online.ru/1990-9047/article/view/278246
- DOI: https://doi.org/10.17277/voprosy.2024.02.pp.025-036
- ID: 278246
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Рассмотрено использование алюмокремниевого коагулянта-флокулянта (АКФ) для очистки городских сточных вод, отобранных на стадии механической очистки после песколовок. Показано, что применение АКФ сопровождается снижением величины рН очищенных стоков до 4,39 при расходе 2,0 г/дм3. Представлено использование в качестве регуляторов кислотности тонкодисперсных порошков бентонитовой глины и отсева дробления известняка цеха получения металлургической извести. Показано, что наиболее эффективным является использование известняка в количестве 0,8 г/дм3 совместно с АКФ (1 г/дм3), что обеспечивает максимальную эффективность очистки сточной воды 73,7 % и рН среды 6,78, и совместное использование АКФ, известняка и глины в количестве по 0,4 г/дм3 каждого, что обеспечивает эффективность очистки 75,4 % и рН среды 6,94.
Полный текст
Введение
Загрязнение городских сточных вод представляет собой одну из наиболее острых экологических проблем современного мира, причины которой многочисленны и связаны как с быстрым ростом городского населения, так и интенсификацией промышленной деятельности и увеличением объемов бытовых отходов. В результате водные ресурсы подвергаются значительному негативному воздействию, что влечет за собой целый ряд экологических, социальных и экономических последствий [1, 2].
Один из основных источников загрязнения – сток различных промышленных предприятий, содержащий тяжелые металлы, токсичные химические соединения и другие вредные вещества. Такое загрязнение оказывает непосредственное влияние на водные экосистемы, ухудшая качество воды и нарушая биологическое разнообразие. Дополнительные проблемы возникают при использовании загрязненной воды для сельскохозяйственных и бытовых нужд.
Ситуация усугубляется неэффективностью существующих систем очистки сточных вод. Многие методы очистки либо недостаточно эффективны для удаления определенных типов загрязнителей, либо требуют значительных капитальных вложений и операционных расходов. Кроме того, в некоторых регионах отсутствует необходимая инфраструктура или ресурсы для адекватной очистки сточных вод.
В свете данных проблем поиск новых, более эффективных и экономически выгодных методов очистки сточных вод становится критически важным для устойчивого развития городов и защиты окружающей среды. В данном контексте применение инновационных технологий, таких как комбинированные коагулянты-флокулянты, представляет собой перспективное направление, которое может способствовать решению этой сложной экологической задачи.
Алюминий- и железосодержащие коагулянты являются распространенными реагентами при осуществлении коагуляционно-флокуляционных процессов при очистке воды. Они эффективны при удалении различных загрязнителей, включая мелкие частицы, коллоиды и некоторые типы бактерий, поэтому часто используются на начальных этапах обработки для удаления взвешенных твердых частиц и уменьшения мутности воды. Их применяют в сочетании с другими методами очистки, такими как флотация и фильтрация, для более результативного процесса очистки.
Авторами [3] разработана технология получения железоалюминиевого коагулянта из железосодержащих отходов в виде шламов и растворов травления. При гидролизе FeCl3 высвобождаются ионы Cl–, которые являются депассиваторами и вытесняют либо частично замещают на поверхности металла пассивирующий кислород с образованием поверхностного комплекса. Также хлорид-ионы участвуют в кинетической стадии ионизации алюминия. Окисление алюминия сопровождается восстановлением доноров протонов (водородная деполяризация), а также окислителя – ионов железа. Процесс завершается растворением алюминия и образованием поливалентных полиядерных гидроксоаквакомплексов. Проведена сравнительная оценка эффективности использования очистки природной воды р. Казанки данным коагулянтом, расход которого составил 0,5 мл/дм³. Установлено, что нормы расхода разработанного коагулянта и промышленного «Аква-аурат 10» не отличаются при содержании алюминия (III) в промышленном коагулянте 5,3 %, алюминия (III) и железа (III) в предлагаемом – 1,2 и 0,1 % соответственно, что представляется важным в плане повышения экономичности процесса водоочистки.
Одним из коагулянтов нового поколения является алюможелезосодержащий коагулянт (Al2O3×0,28FeCl3×25H2O), получаемый в результате смешения растворов хлорного железа и сульфата алюминия. Однако у такой технологии существуют значительные недостатки – трудность подбора и поддержание определенных пропорций, а также применение реагентов в виде кислых растворов [4].
Использование комбинированных коагулянтов-флокулянтов в очистке сточных вод является инновационным подходом, обеспечивающим более эффективное удаление загрязнителей по сравнению с традиционными методами. Данный подход сочетает в себе два процесса: коагуляцию и флокуляцию, которые традиционно применяются последовательно, но в случае комбинированных препаратов работают более синергетически [5, 6].
Комбинированные коагулянты-флокулянты представляют собой препараты, в которых приведенные две функции объединены в одно вещество, что позволяет оптимизировать процесс очистки, сократить время обработки и уменьшить количество добавляемых реагентов.
Ученые Цзилинского университета (Чанчунь, Цзилинь, КНР) разработали новый экологичный и высокоэффективный композиционный флокулянт – полимерный алюмокремниевокрахмальный (PSiAl-St). Представленные результаты показали, что при введении крахмала в состав алюмокремниевого флокулянта происходит взаимодействие солей кремниевой кислоты с гидроксильными группами молекул крахмала. Это обеспечивает увеличение длины молекулярной цепи получаемого флокулянта, формирование крупнозернистой структуры с нерегулярной пористостью, что способствует повышению эффективности процесса коагуляции [7].
Практический интерес представляет разработка и применение неселективных, то есть удаляющих большинство загрязняющих веществ минеральных композиционных реагентов, получаемых из относительно недорогого алюмокремниевого сырья. Такие неселективные реагенты сочетают в себе коагуляционные и сорбционные свойства за счет возможного образования в различных условиях (рН, температура и т.д.) мезопористых мезоструктурных материалов, обладающих порами одинаковой формы и размера и кристаллографически упорядоченных в пространстве [8].
Использование кремнезема в виде полисиликатов существенно улучшило эффективность удаления из стоков неорганических и органических частиц и патогенных микроорганизмов [9].
Алюмокремниевые коагулянты-флокулянты представляют собой относительно новый класс химических веществ, используемых в процессе очистки воды. Эти соединения комбинируют в себе свойства алюминия и кремния, благодаря чему обладают улучшенными коагуляционными и флокуляционными характеристиками по сравнению с традиционными коагулянтами и флокулянтами.
Основной механизм действия алюмокремниевых коагулянтов-флокулянтов заключается в образовании полимерных структур, которые эффективно связывают и удаляют загрязнители из воды. Эти соединения способствуют агломерации и осаждению частиц, тем самым улучшая процесс очистки. Присутствие кремния в составе данных коагулянтов помогает формировать более стабильные и крупные флокулы, что улучшает процесс отделения осадка от очищенной воды.
Одним из ключевых преимуществ алюмокремниевых коагулянтов-флокулянтов является способность эффективно работать в широком диапазоне видов и концентраций загрязнителей, что делает их пригодными для использования в различных условиях очистки сточных вод. Кроме того, они обладают хорошей способностью к удалению органических загрязнителей, тяжелых металлов и других токсичных веществ, что делает их особенно ценными в современных технологиях очистки воды.
Однако для эффективной работы алюмокремниевых коагулянтов-флокулянтов необходимо поддерживать определенный уровень pH воды, что может потребовать добавления корректирующих добавок [10].
Кроме того, в настоящее время для очистки водных сред коагулянты и флокулянты традиционно применяются в виде растворов или суспензий. При этом необходимо отметить целый ряд недостатков: растворы имеют низкий уровень рН и, как следствие, являются реакционно активными средами, что приводит к коррозии оборудования; для хранения и транспортирования необходимы специальное оборудование – емкости, дозаторы и т.д.; ограниченная дальность перевозок готовых реагентов; изменение физико-химических свойств в результате длительного хранения реагентов и т.д.
Использование композиционных реагентов в сухом порошкообразном или гранулированном виде обеспечивает ряд преимуществ: упрощение их транспортирования, хранения и дозирования; возможность автоматизирования процесса введения реагентов и в итоге – снижение себестоимости процесса водоочистки.
Объекты и методы исследования
В качестве комбинированного реагента использовали коагулянт-флокулянт алюмокремниевого состава (АКФ) в порошкообразном виде, предоставленный ООО «Промышленная компания “Юго-Запад-Химпром”» (Белгород, Россия). Химический состав АКФ представлен содержанием следующих оксидов, масс.%: SiO2 – 25,43; Al2O3 – 16,47; Na2O – 9,51; K2O – 3,04; Fe2O3 – 1,25; CaO – 0,70; MgO – 0,24; SO₃²⁻ – 43,10. Внешний вид и процесс коагулирования взвешенных веществ при использовании АКФ представлены на рис. 1.
Рис. 1. Внешний вид АКФ (а) и процесс коагулирования взвешенных веществ (б) при использовании АКФ
Очистка сточных вод проводили на реальных стоках очистных сооружений (ОС) ГУП «Водоканал» (Белгород, Россия), отобранных на стадии механической очистки – после решеток с исходными показателями: мутность 194 NTU и рН 7,06. Эффективность очистки оценивали по снижению мутности и величине рН среды. Мутность водной среды до и после очистки определяли на портативном турбидиметре-мутномере HANNA H1 98307.
В качестве регуляторов кислотности очищенных стоков использовали бентонитовую глину и отсев дробления известняка цеха обжига извести АО «Оскольский электрометаллургический комбинат им. А. А. Угарова» (Старый Оскол, Белгородская обл.). Химический состав бентонитовой глины представлен содержанием следующих оксидов, масс. %: SiO2 – 64,29; Al2O3 – 11,51; Na2O – 0,44; K2O – 2,33; Fe2O3 – 4,7; CaO – 2,24; MgO – 1,5; потери при прокаливании составили 11,65 %. Химический состав отсева известняка: (CaCO3 + MgCО3) – 96,5 %, в том числе MgСO3 – не более 3,0 ± 0,1; SiO2 – не более 3,5 %. Материалы подвергали дополнительному помолу в шаровой мельнице до порошкообразного состояния, дисперсность которых характеризовалась остатком на сите № 014 – 5 масс. %.
Экспериментальные исследования по использованию АКФ для осветления проб городских сточных вод проводили следующим образом: в стеклянный стакан помещали 1000 см3 воды и навески АКФ и регуляторов кислотности. Полученную смесь перемешивали с помощью магнитной мешалки: время быстрого перемешивания – 3 мин, медленного – 12 мин. Далее пробы переливали в цилиндры и отстаивали в течение 1 ч. Эффективность очистки рассчитывали по формуле
,
где Мн, Мк – мутность сточной воды до и после очистки соответственно, NTU.
Результаты и обсуждение
Результаты, представленные на рис. 2, показали, что с увеличением расхода АКФ мутность очищенной сточной воды уменьшается, что является результатом наращивания когуляционно-флокуляционной или сгустительной активности реагента, а также увеличения числа связей коагулянта со взвешенными веществами. Максимальные значения эффективности очистки сточных вод находятся в интервале 80,88 – 82,16 % при расходе АКФ 0,4…0,8 г/дм³. При этом рН осветленной воды снижается с 7,06 в исходной воде до 4,39 при расходе 2,0 г/дм³. Такое резкое снижение рН связано с гидролизом Al2(SO4)3. В условиях закисления среды затормаживается процесс формирования Al(OH)3, часть алюминия остается в ионной форме, не участвует в процессе коагуляции, что отражается на снижении эффективности очистки по мутности до 75 %. Следовательно, необходима корректировка состава реагента, обеспечивающая доведение рН среды после использования АКФ до нормативных показателей рН = 6,5…8,0.
Рис. 2. Влияние расхода АКФ на эффективность очистки по мутности (а) и рН очищенного стока (б)
Согласно литературным данным, для получения требуемых значений рН очищенного стока в качестве регуляторов кислотности среды используют различные материалы: гидроксиды, карбонаты или гидрокарбонаты натрия, калия, кальция в виде растворов, суспензий и твердых материалов.
Так, в работах [11, 12] для повышения эффективности процессов коагуляции в качестве регулятора рН добавляют раствор гидроксида натрия – как к индивидуальным алюминийсодержащим коагулянтам, так и к композиционным реагентам на их основе. Введение NaOH рассматривается как одностадийное и трехстадийное. Показано, что коллоидно-химические характеристики коагуляционных агрегатов, получаемых из сульфата алюминия при трехстадийном введении регулятора pH, сопоставимы с параметрами агрегатов, образующихся при гидролизе высокоосновного пентагидроксохлорида. Такое техническое решение увеличивает коагулирующую способность сульфата алюминия и способствует снижению стоимости процесса очистки, но усложняет технологическую схему и не позволяет использовать регулятор в составе реагента на основе сульфата алюминия.
Для корректирования рН очищенных стоков использовали регуляторы кислотности – бентонитовую глину и отсев дробления известняка цеха обжига извести, которые вводили в очищаемую воду совместно с АКФ в различных комбинациях.
Рис. 3. Влияние расхода известняка в качестве регулятора кислотности на эффективность очистки стоков по мутности (а) и величину рН среды (б)
Результаты оценки влияния различного количества вводимого известняка при фиксированном расходе АКФ – 1,0 и 2,0 г/дм³ на эффективность очистки и величину рН очищенного стока представлены на рис. 3. Введение тонкодисперсного известняка в количестве 0,8 г/дм³ совместно с АКФ обеспечивает максимальную эффективность очистки сточной воды 73,7 и 81,2 % и рН среды 6,78 и 6,40 при расходе АКФ 1,0 и 2,0 г/дм³ соответственно. Необходимо отметить, что рН очищенного стока 6,78 достигается при расходе АКФ = 1 г/дм³, что можно выбрать в качестве оптимального.
Далее в качестве регулятора кислотности рассматривали использование бентонитовой глины и смеси глины и известняка.
Таблица 1
Влияние состава и расхода композиционного реагента на характеристики очищенной воды
Номер варианта | Расход, г/дм³ | рН воды | Мутность, NTU | Эффективность очистки по мутности, % | ||
АКФ | бентонит | известняк | ||||
1 | 1,0 | 0,2 | – | 6,01 | 36,2 | 81,3 |
2 | 0,4 | 6,03 | 36,7 | 81,1 | ||
3 | 0,6 | 6,08 | 41,5 | 78,6 | ||
4 | 0,8 | 6,11 | 39,6 | 79,6 | ||
5 | 1,0 | 6,12 | 36,4 | 81,2 | ||
6 | 0,4 | 0,4 | 0,4 | 6,94 | 47,8 | 75,4 |
7 | 0,6 | 6,85 | 58,3 | 70,0 | ||
8 | 0,8 | 6,78 | 49,2 | 74,6 | ||
9 | 1,0 | 6,56 | 45,1 | 76,8 |
Рис. 4. Результаты использования в качестве регулятора кислотности бентонитовой глины (а) и смеси известняка и глины (б) (номера вариантов в соответствии с табл. 1)
Результаты, представленные в табл. 1 и на рис. 4, показали, что использование бентонитовой глины, несмотря на то что обеспечивает высокие значения эффективности очистки по величине мутности – от 78,6 до 81,3 %, но рН очищенных стоков находится у нижнего предела нормативных значений – от 6,01 до 6,12.
Бентонит – сложный минерал, состав которого определяется содержанием монтмориллонита, имеющего формулу Si8Al4O20(ОН)4 × nH2O, где кремний может замещаться различными катионами (Al3+,Fe2+, Fe3+, Zn2+, Mg2+, Ca2+, Na+, K+ и др.). Согласно химическому составу используемый бентонит относится к кальциевому типу, обладающему большими значениями порового пространства, которые участвуют в процессе сорбции крупных молекул преимущественно органических веществ. Кроме того, кальциевые бентониты содержат двухвалентные обменные катионы Са2+ и Mg2+ и характеризуются значительным количеством активных центров на поверхности частиц, что в совокупности способствует увеличению их сорбционной активности [13].
Таким образом, в слабокислой среде происходит частичное разрушение поверхности частиц бентонита с выделением в жидкую среду соединений алюминия и кремниевой кислоты, что способствует некоторому увеличению общего количества коагулянтов и флокулянтов. Осуществление сорбционно-коагуляционных процессов обеспечивают высокую эффективность очистки стоков – 81,2 %.
Низкое содержание основных катионов в составе бентонита не обеспечивает достаточной нейтрализации серной кислоты, образующейся в результате гидролиза АКФ, поэтому рН очищенного стока не превышает 6,12.
Тогда как использование в качестве регулятора кислотности смеси известняка и глины уже при минимальных расходах (опыт № 6) обеспечивает эффективность очистки 75,4 % и рН среды 6,94, что является более перспективным.
Заключение
Таким образом, по результатам проведенных исследований можно констатировать следующее. В составе твердых порошкообразных композиционных реагентов на основе алюмокремниевых коагулянтов-флокулянтов в качестве регуляторов кислотности среды возможно использование тонкомолотых материалов – известняка и смеси известняка и бентонитовой глины в соотношении 1 : 1. Использование СаСО3 в количестве 0,8 г/дм³ совместно с АКФ (1 г/дм³) обеспечивает максимальную эффективность очистки сточной воды 73,7 % и рН среды 6,78. Совместное использование АКФ, известняка и глины в количестве по 0,4 г/дм³ обеспечивает эффективность очистки 75,4 % и рН среды 6,94.
Работа выполнена в рамках реализации федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В. Г. Шухова.
Об авторах
Наталья Юрьевна Кирюшина
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»
Email: starostinairinav@yandex.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры экобио-технологии
Россия, БелгородИрина Викторовна Старостина
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»
Автор, ответственный за переписку.
Email: starostinairinav@yandex.ru
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой экобиотехнологии
Россия, БелгородЮлия Леонидовна Макридина
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»
Email: starostinairinav@yandex.ru
старший преподаватель кафедры экобиотехнологии
Россия, БелгородЕкатерина Владимировна Локтионова
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»
Email: starostinairinav@yandex.ru
младший научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории по нанесению и исследованию защитных и функциональных покрытий, аспирант кафедры промышленной экологии
Россия, БелгородАнастасия Евгеньевна Хапугина
ФГБОУ ВО «Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова»
Email: starostinairinav@yandex.ru
студент
Россия, БелгородСписок литературы
- Василенко, Т. А. Применение осадка механической и биологической очистки бытовых и производственных сточных вод в качестве удобрения / Т. А. Василенко, А. Х. Моххамед // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. – 2016. – № 6. – С. 211 – 219.
- Порожнюк, Л. А. Интегральная оценка водных сред, обработанных зоокомпостом с использованием Аllium сера / Л. А. Порожнюк, Н. С. Лупандина, А. В. Непоменко // Chemical Bulletin. – 2020. – Т. 3, № 3. – С. 5 – 14.
- Сорокина, И. Д. Синтез и оценка эффективности использования железоалюминиевого коагулянта для очистки воды / И. Д. Сорокина, А. Ф. Дресвянников // Вестник Казанского технологического университета. – 2009. – № 4. – С. 146 – 158.
- Горелая, О. Н. Сорбент для очистки нефтесодержащих сточных вод на основе отходов станций обезжелезивания / О. Н. Горелая, В. И. Романовский // Водоснабжение и санитарная техника. – 2020. – № 10. – С. 48 – 54.
- Настенко, А. О. Современные коагулянты и флокулянты в очистке природных и сточных вод / А. О. Настенко, О. И. Зосуль // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 3-4. – С. 531 – 537.
- Vinogradov, S. A. Improvement of Nepheline Speck Leaching Technology Based on the Use of Combined Coagulants-Flocculants of the Carboaluminate-Alklar Type / S. A. Vinogradov // Journal of Mining Institute. – 2004. – Vol. 159, No. 1. – P. 142 – 144.
- Flocculant Containing Silicon, Aluminum, and Starch for Sewage Treatment / R. Wang, H. Zhang, L. Lian [et al.] // Journal of Chemical Engineering of Japan. – 2020. – Vol. 53, No. 10. – P. 592 – 598. doi: 10.1252/jcej.17we009
- Investigation of the Water Treatment Process Using a Hybrid Alumosilicic Reagent / R.A. Alexandrov, D.Yu. Feklistov, V. Salomasov [et al.] // Journal of Water Chemistry and Technology. – 2018. – Vol. 40, No. 3. – P. 136 – 142. doi: 10.3103/S1063455X18030049
- Очистка сточных вод от нефтепродуктов на модифицированном диатомите и регенерация сорбента / М. В. Бузаева, Е. М. Булыжев, И. Т. Гусева, Е. С. Климов // Известия Высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. – 2011. – № 4. – С. 125 – 127.
- Chemical and Electro-Сoagulation Techniques in Coagulation-Floccculation in Water and Wastewater Treatment – A Review / L. N. Ukiwe, I. Ikechukwu, D. Chidi [et al.] // Journal of Advances in Chemistry. – 2014. – Vol. 9, No. 3. – P. 1988 – 1999. doi: 10.24297/jac.v9i3.1006
- Анушко, Р. А. Изучение процесса коагуляции алюминийсодержащими соединениями и композиционными реагентами на их основе / Р. А. Анушко, А. В. Зыгмант, Д. Д. Гриншпан // Водоснабжение, химия и прикладная экология : материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Гомель, 22 марта 2021 г.) / под общ. ред. Е. Ф. Кудиной. – Гомель, 2021. – С. 8 – 11.
- Коллоидно-химические характеристики дисперсий, образуемых высоко- и низкоосновными коагулянтами при различных условиях коагулирования / Р. А. Анушко, А. В. Зыгмант, Т. А. Савицкая [и др.] // Свиридовские чтения : сб. ст. / редкол.: О. А. Ивашкевич (пред.) [и др.]. – Минск, 2020. – Вып. 16. – С. 9 – 19.
- Махкамова, Д. Н. Бентонитовая глина, ее физико-химическая характеристика и применение в народном хозяйстве / Д. Н. Махкамова, Ш. А. Содикова, З. Т. Усмонова // UNIVERSUM: Технические науки. – 2019. – № 6(63). – С. 95 – 98.
Дополнительные файлы
