Интенсификация реагентной дефосфатизации бытовых и промышленных сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Интенсификация реагентной дефосфатизации бытовых и промышленных сточных вод

Дудченко М.И.,

Шокурова Е.Е.,

Миронов В.В.

ДВГУПС, г. Хабаровск, Россия

Абстракт

В статье кратко описывается роль фосфатов в очистке сточных вод и подчеркивается необходимость контроля за их содержанием на канализационных очистных сооружениях. Помимо бытовых фосфатных загрязнений, авторами изучено содержание фосфатов в промышленных сточных водах на примере водяных систем охлаждения тепловозов. Наиболее подробно рассмотрен реагентный метод дефосфатизации с помощью алюминиевого коагулянта. Кроме распространенного коагуляционного метода очистки, в данной статье затронут вопрос магнитной интенсификации удаления фосфатов. Экспериментально изучены два возможных варианта: обработка алюминиевого коагулянта и отдельно самого модельного раствора слабыми магнитными полями, которые создавались с помощью постоянного магнита и магнитного аппарата. В работе установлено, что магнитная обработка применяемых при дефосфатизации реагентов примерно на 20% менее эффективна, чем активация очищаемой воды. В статье показано, что после магнитной активации получается более рыхлый и размытый осадок, чем в контрольных пробах.

Ключевые слова: сточные воды, очистка воды, коагуляция, фосфаты, магнитное поле. сточный вода очистка

INTENSIFICATION OF REAGENT PHOSPHATES REMOVAL FROM HOUSEHOLD AND INDUSTRIAL WASTEWATERS

Dudchenko M. I., Shokurova E. E., Mironov V. V.

FESTU, Khabarovsk, Russia

The article briefly describes the role of phosphates in wastewater treatment and emphasizes the need for their concentration controlling at wastewater treatment plants. In addition to household phosphate pollution, the authors studied the phosphates contamination in industrial wastewaters by the example of water from diesel locomotives cooling systems. Chemical dephosphatization (with aluminum coagulant) method is shown in more details. In addition to widespread coagulation treatment method, this article discusses magnetic intensification of phosphates removal. The authors experimentally studied two possible options of this exercise: activation of both aluminum coagulant and the model solution with using of weak magnetic fields created by a permanent magnet and a magnetic machine. The work established that magnetic activation of reagents, using during the dephosphatization, is about 20% less efficient than activation of purified water. The article shows that the sludge becomes more bulking and eroded after magnetic activation than in control samples.

Keywords: wastewaters, water treatment, coagulation, phosphates, magnetic field.

1. Общие сведения. Фосфаты относятся к числу соединений, которые как необходимы, так и нежелательны при очистке сточных вод. Их присутствие требуется для правильного протекания всех биологических процессов, происходящих на очистных сооружениях канализации. Вместе с тем, когда они содержатся в воде в избыточном количестве, возникают экологические проблемы, связанные с загрязнением водоемов этими соединениями. В подобных случаях возможен интенсивный рост водных растений. В частности, фосфаты ускоряют развитие бентосных и планктонных водорослей, а также бактерий, которые приводят к вторичному загрязнению воды [1, с.31]. Оба указанных аспекта подчеркивают неоднозначную роль фосфора в окружающей среде.

В городских сточных водах содержание фосфатов обычно превышает необходимое для биоочистки количество, и это вызывает эвтрофирование водоемов, принимающих эти стоки. Хотя технологические схемы многих очистных сооружений канализации в России не предусматривают удаление избытка фосфора, можно их модифицировать или добавить специальные установки для решения этой задачи. Следует особо отметить, что подобные мероприятия не требуют значительных материальных затрат. По мнению швейцарских специалистов, стоимость сооружений для удаления фосфатов составляет всего 2% общей стоимости очистки городских сточных вод. Попутно назовем стандарты Швейцарии для условий выпуска очищенных сточных вод в водоем: они должны содержать ортофосфат-ионы в концентрации не более 2 мг/л. Именно при таких количествах ученые отмечали улучшение качества воды в эвтрофированных водоемах. По мнению канадского лимнолога Д. Валлентайна, для предотвращения цветения водных объектов достаточно и 80% удаления фосфора в сточных водах на выходе из очистных сооружений. Эта цифра была им экспериментально установлена на примере Великих озёр.

Итак, удаление избыточных соединений фосфора из бытовых и промышленных стоков имеет определяющее значение для предотвращения эвтрофикации водоемов и борьбы с ухудшением качества питьевой воды.

2. Методика исследований. В данной работе экспериментальные исследования проводились по нескольким взаимосвязанным направлениям: анализ реальных бытовых и промышленных стоков на содержание фосфатов, реагентная дефосфатизация этих вод с использованием оксихлорида алюминия (ОХА), а также интенсификация удаления фосфатов из модельных растворов разного солевого состава.

Очистка воды от растворенных фосфатов происходила методом коагуляции с отстаиванием в лабораторных условиях в стеклянных цилиндрах объёмом 500 мл, выполненных по ГОСТ 1770-74. В качестве коагулянта использовался ОХА производства ООО "Даль-ОХА" (Хабаровск) с дозой, которая варьировалась в зависимости от начальной концентрации фосфатов и в среднем составила 36 мг/л. Для подщелачивания воды служил аммиачный буферный раствор, приготовленный по ГОСТ 31954-2012.

После добавления реагентов пробы находились 15 минут на перемешивающем устройстве ЛАБ-ПУ-01 [1, с.88] со средней частотой вращения 120 об/мин, не нарушавшей хлопьеобразование. После такого вялого перемешивания образцы отстаивались в течение трех часов, а затем отправлялись на химический анализ для определения остаточного содержания фосфора. Более наглядно методика исследований показана в учебном видеоролике О.В. Клинниковой, размещенном на известном видеохостинге и доступном через поисковое слово "дефосфатизация".

Для измерения концентраций фосфатов в образцах до и после очистки воды использовалась методика 8048 спектрофотометра HACH LANGE модели DR 2800 и реагент "PhosVer3" фирмы HACH [1, с.38]. Методика позволяет измерять содержание фосфатов в концентрациях 0,02-2,5 мг/л, поэтому при превышении исходных концентраций производилось 5-кратное разбавление образцов дистиллированной водой. Концентрации общего железа определялись на том же приборе, при этом использовалась методика 8008 и фирменный реагент "FerroVer". Параллельно содержание фосфатов контролировалось с помощью аквариумной тест- системы "Tetra Test Фосфаты".

Для моделирования процессов дефосфатизации был создан экспериментальный стенд, состоящий из циркуляционного насоса фирмы Wilo марки NO 25/2 с накопительным пластмассовым баком объемом 60 л (рис. 1). Насос имеет три ступени работы, которые позволяют варьировать расход воды в диапазоне 0,1 -0,3 л/с. Это дает возможность достичь оптимальной скорости движения омаг- ничиваемой воды, не превышающей 1 м/с, что установлено исследованиями Л.А. Кульского.

Модельный раствор фосфатов готовился на основе однозамещенного фосфата калия (он указан в ГОСТ 31952-2012), растворенного в дистиллированной воде, отвечающей ГОСТ 6709-72. Для корректировки солевого состава дистиллированной воды в некоторых опытах c активацией ОХА использовался хлорид железа (III) квалификации "хч", а также таблетки глюконата кальция производителя ЗАО "ПФК Обновление" (Россия).

Рис. 1. Общий вид экспериментальной установки

Измерение высоты слоя осадка, выпавшего в мерных цилиндрах в результате коагуляции, выполнялось с помощью деревянной линейки ЛП-200 ГОСТ 17435-72. При измерениях учитывалось расстояние от дна мерного цилиндра до наивысшей точки расположения образовавшихся хлопьев.

Для омагничивания воды использовались седлообразные магниты в двух вариантах: 1) два сомкнутых магнита, расположенных перпендикулярно трубопроводу с обрабатываемой водой (при этом величина магнитной индукции В в центре сечения трубы равна 53 мТл); 2) аппарат "МАГ" разработки Федуна А.Н., состоящий из двух секций магнитных зон. В каждой секции расположено по 4 магнита, образующих две взаимно перпендикулярные плоскости. Секции магнитов развернуты на 45° относительно друг друга, а показания В находились в диапазоне 6-20 мТл в зависимости от точки замера внутри магнитного аппарата. Измерение значений В производилось миллитесламетром Ф 4355.

3. Анализ источников фосфора. Известно, что источниками поступления соединений фосфора в бытовые сточные воды является фекальный сток (30-50%) и фосфатные компоненты синтетических моющих средств (50-70%) [1, с.31]. Кафедра "Гидравлика и водоснабжение" ДВГУПС в течение нескольких лет примерно в одно и то же время производила в инициативном порядке измерения содержания фосфатов в городских сточных водах Хабаровска, прошедших биологическую очистку. Как видно из табл. 1, концентрация фосфатов не подвержена значительным колебаниям и примерно соответствует данным многолетних наблюдений Швецова В.Н. Такое постоянство состава бытовых сточных вод по фосфору можно отчасти объяснить устоявшейся схемой биоочистки, а также стабильным пищевым рационом населения Хабаровска и сложившимся укладом по использованию в быту синтетических моющих средств (СМС).

Табл. 1. Среднее содержание фосфатов в очищенных городских сточных водах Хабаровска

Дополнительно были проведены исследования по оценке содержания фосфатов в бытовых стиральных и моющих средствах, которые вносят свой существенный вклад в общее содержание фосфора в городском стоке. Химический анализ был проведен только среди наиболее популярных и доступных торговых марок СМС (табл. 2), лидирующих в социологических опросах Интернета. Отметим, что в опытах не учитывались возможные мешающие влияния других компонентов порошков.

Табл. 2. Содержание фосфатов в бытовых СМС

Из табл. 2 видно, что максимальные концентрации фосфатов характерны для СМС торговых марок "Ариэль-Автомат" и "Фри Тайм". Остальные образцы не показали высоких результатов по данному виду загрязнения.

Многие промышленные сточные воды также содержат фосфор, поскольку он может быть неотъемлемой частью производимых продуктов, например, пищевых. Кроме того, на промышленных предприятиях тоже используются фосфатсодержащие моющие средства, например, при проведении уборок производственных помещений. В качестве промышленного стока нами исследована охлаждающая вода первого и второго контура системы охлаждения тепловозов марки ТЭМ 18ДМ и ТЭ 10МК, в которую обычно вносят антиокислительные нитритно-фосфатные присадки [2, с.313]. Перед началом опытов все образцы избавлялись от взвешенных веществ фильтрованием через бумажные фильтры "красная лента". Результаты анализов фильтратов указанных проб сведены в табл. 3.

Табл. 3. Качество охлаждающей воды тепловозов

Как видим, использование нитритно-фосфатных присадок в системе охлаждения тепловозов привело к образованию еще одного источника фосфатосодержащих стоков, мало упоминаемого в научной литературе. Вследствие этого встает вопрос о разработке технологии их локальной очистки от фосфора.

2. Удаление фосфатов на примере реальных стоков. Проведены две серии экспериментов: для бытовых сточных вод, отобранных после вторичных отстойников очистных сооружений канализации Хабаровска, и для промышленных сточных вод, взятых из контура охлаждения тепловоза.

Суть реагентной дефосфатизации сводится к следующему. При обработке сточных вод ОХА удаление соединений фосфора происходит вследствие выпадения в осадок нерастворимых фосфатов алюминия и сорбции других соединений фосфора на хлопьях гидроксидов, образовавшихся в результате гидролиза коагулянта [3, с.113].

В ходе эксперимента с бытовыми сточными водами было исследовано влияние подщелачивания на эффект очистки от фосфатов. О необходимости этой технологической операции говорится в работе [3, с.115], указывающей на характерную низкую щелочность биологически очищенных сточных вод. В три экспериментальных образца при одинаковой концентрации коагулянта добавлялось различное количество щелочи (Щ). Эффект очистки в каждом из образцов представлен на рис. 2. Выявлено оптимальное значение для подщелачивания, равное 0,5 мл, а также определено, что вне оптимальных значений щелочности воды происходит снижение эффекта примерно на 10% очистки от взвешенных веществ и фосфатов. Данные результаты сопоставимы со значениями, полученными в Пенсильвании Дж. Несбиттом в экспериментах по удалению фосфора с осаждением с ионами алюминия [3, с.115].

Рис. 2. Зависимость эффекта очистки бытовых стоков от количества щелочи

Для исследования эффективности реагентной очистки промышленных сточных вод от фосфатных загрязнений использовалась проба из второго контура охлаждения тепловоза марки ТЭМ 18ДМ, так как в этой воде наблюдалось наибольшее содержание ортофосфат-ионов (см. табл. 3). Для сопоставимости полученных результатов рабочие дозы ОХА и щелочного буфера рассчитывались на основе данных, полученных для бытовых стоков. Дозы реагентов и результаты дефосфатизации указанных образцов сведены в табл. 4. Пробы под номерами 1 и 2 отличались только режимом подщелачивания.

Табл. 4. Дозы реагентов и результаты дефосфатизации охлаждающей воды ТЭМ 18ДМ

Из данных табл. 4 можно сделать вывод, что для промстока требуются повышенные дозы коагулянта ОХА для более глубокого удаления фосфатов, а подщелачивание пробы ухудшает процесс коагуляции. Таким образом, в промышленных стоках в отличие от бытовых ситуация с дефосфатизацией значительно усложнена, видимо, из-за наличия в первых ионов тяжёлых металлов, например, железа.

5. Удаление фосфатов из модельных стоков. В качестве исходной воды, подлежащей очистке, применялся модельный раствор однозамещенного фосфата калия со средней концентрацией 2,1 мг/л (в пересчете на кислотный остаток, что примерно соответствует качеству охлаждающей воды тепловоза по требованиям [2], принятых на железнодорожном транспорте).

В первой серии опытов омагничиванию подвергался только модельный раствор фосфатов, до момента добавления в него алюминиевого коагулянта. Продолжительность магнитной активации составила 30 мин. При этом не было выявлено заметного влияния магнитного поля на эффект дефосфатизации. Отсутствие положительного результата, по-видимому, связано с тем, что загрязнения находились в диамагнитном состоянии, а воздействие магнитного поля целесообразно только после образования нерастворимых соединений фосфора, как указано в работе [1, с.33].

Во второй серии экспериментов воздействие магнитными полями осуществлялось не на модельный раствор фосфатов, а на сам раствор коагулянта ОХА. Для этого в 30 литрах дистиллированной воды разбавлялось 0,325 л концентрированного ОХА, что соответствовало его концентрации, которая применялась в первой серии опытов. Полученный раствор ОХА циркулировал в экспериментальной установке, приведенной на рис. 1. Продолжительность активации коагулянта составила 30 мин как в случае использования малого магнита, так и при применении магнитного аппарата.

На рис. 3 приведено графическое сопоставление средних эффектов очистки, полученных в двух сериях модельных экспериментов. Для сравнения добавлены усредненные данные из опытов с реальными фосфатными стоками, а также рекомендация Д. Валлентайна, указанная в разделе 1.

Рис.4. Гистограмма средних измеренных высот осадка

Наиболее высокий эффект очистки от фосфатов достигнут в опытах с магнитной активацией модельного раствора, что полностью удовлетворяет минимальным требованиям Д. Валлентайна. Самый незначительный эффект 49% получен при дефосфатизации охлаждающей воды тепловоза, что описывалось ранее.

На рис. 4 показаны результаты измерений высоты слоя осадка, который образовался в разных случаях данной работы. Как видно из рис. 4, наибольший слой осадка образовался после омагничивания модельного раствора фосфатов, при этом легко заметить размытость его контуров по сравнению с остальными пробами, особенно на фоне реальных стоков. В опытах с активацией ОХА высота слоя осадка была нестабильна, и проследить закономерность, по которой она изменялась, сложно. По этой причине данные результаты исключены из общей гистограммы, приведенной на рис. 4.

В целом модельные исследования показывают, что эффективнее проводить магнитную активацию той воды, которая подлежит дефосфатизации, в сравнении с обработкой применяемого коагулянта. Следует учитывать, что при этом образуется и больший (примерно на 18 %) слой плохо уплотненного осадка по сравнению с контрольными образцами.

Заключение

В работе экспериментально установлено, что в водную среду фосфаты поступают в основном в качестве антропогенного загрязнения. Оно связано со сбросом бытовых и некоторых промышленных сточных вод, использованием содержащих фосфаты моющих средств, производством пищевых продуктов. Если не применять специальных мер по удалению фосфора, большая его часть остается в водной фазе, поскольку он не образует летучих соединений, в отличие от тех же азотных соединений. Такое обогащение водоемов фосфатами не может не оказывать стрессового воздействия на экосистемы, и его отрицательный результат непременно проявляется, в частности, в виде эвтрофикации. Впервые исследован еще один источник фосфатных загрязнений - отработанная вода системы охлаждения тепловозов. Это дает повод для дальнейшего изучения этой проблемы и определения практичных и эффективных способов и схем очистки подобных вод. Приводимые в работе результаты свидетельствуют о весьма эффективном удалении фосфатов только путем коагуляции и отстаивания. Для того, чтобы снизить содержание фосфора строго до минимума, необходимо усиление указанных процессов (например, фильтрованием или другими способами). В экспериментах с магнитным полем получены неоднозначные результаты, которые требуют углубленной проверки выявленных фактов. Например, необходимо исследовать воздействие магнитов с более высокими значениями магнитной индукции, чем были в работе. Также следует изучить применение при дефосфатизации реагентов, обладающих выраженными магнитными свойствами.

Библиографические ссылки на источники

1. Бирзуль А.Н., Абрамец В.С. Теоретические основы очистки воды: сб. лаб. работ. Хабаровск: ДВГУПС, 2012. 96 с.

2. Заболотный Н.Г. Устройство и ремонт тепловозов. Управление и техническое обслуживание тепловозов. М.: УМЦ ЖТ, 2007. 478 с.

3. Лукиных Н.А., Липман Б.Л., Криштул В.П. Методы доочистки сточных вод. М. Стройиздат, 1978. 156 с.

Размещено на Allbest.ru