Вода – жизненно важный ресурс, который необходим человеку для выживания. Наличие чистой питьевой воды напрямую влияет на здоровье и благополучие населения, поэтому обеспечение чистой питьевой водой является одной из первостепенных задач [1, 2].
В настоящее время большинство поверхностных водоемов Тюменской области относятся к категории грязных и очень грязных, поэтому подача воды для хозяйственно-питьевых нужд из них без предварительной очистки невозможна, так как концентрация химических веществ и значения органолептических показателей превышают нормативно установленные значения, в связи с чем вопрос о разработке новых способов очистки встает более остро [3, 4].
Очистка воды осложняется сезонными изменениями качества воды. В осенний период это связано с поступлением большого количества дождевых вод, а в весенний талых, вследствие чего увеличивается содержание взвешенных частиц и загрязняющих веществ [5]. Также снижение температуры в зимний период, в результате чего увеличивается вязкость воды, что приводит к использованию большей дозы реагентов и повышенному содержанию остаточных веществ в очищенной воде [6].
Не менее важной проблемой существующих методов химической очистки воды является образование вторичных продуктов реакции, зачастую негативно влияющих на здоровье человека. В целях снижения цветности воды на действующих станциях Тюменского региона применяется метод первичного хлорирования. Содержание остаточного хлора в воде, с одной стороны, препятствует повторному загрязнению воды в процессе транспортировки, но с другой, приводит к образованию галогенорганических соединений. Основными побочными продуктами хлорирования являются тригалогенметаны – хлороформ или трихлорметан (CHCl3), бромдихлорметан (CHBrCl2), дибромхлорметан (CHBr2Cl) и трибромметан (CHBr3). Также побочными продуктами хлорирования являются галогензамещённые уксусные кислоты, галонитрилы, галокетоны, альдегиды и хлоралгидрат [7, 8]. Побочные эффекты поступления этих веществ связаны с увеличением риска развития рака, аллергических реакций, воспаления слизистых, развития сердечно-сосудистых заболеваний, а также увеличением риска неправильного развития плода при беременности [9, 10].
Основной целью данного исследования является разработка комплексного коагулянта, в состав которого будут входить естественные компоненты и проверка его эффективности на примере воды из водоема, используемого для хозяйственно-питьевых нужд.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования является вода р. Туры, являющейся основным поверхностным источником водоснабжения г. Тюмени.
Вода реки имеет гидрокарбонатно-кальциевый [11] химический состав и отличается повышенной окисляемостью и цветностью, а также малой мутностью. В зависимости от сезона и объемов поступления в реку дождевых и талых вод значение показателей может изменяться в широком диапазоне.
На рис. 1 представлены минимальные и максимальные значения качественных показателей речной воды.
Рис. 1. Качественные показатели воды р. Туры
Жесткость воды находится в пределах 1,94–3,6 ммоль/дм3, среднее значение водородного показателя составляет чуть больше 7. Значения перманганатной окисляемости колеблются от 14,28 до 28,86 мгO2 / дм3. Цветность и мутность воды изменяются в зависимости от сезона и находятся в пределах 40–260 градусов цветности и 3,09–10,16 мг/ дм3 соответственно [12].
Отбор проб проводился в весенний и зимний периоды 2017–2018 гг.. Все пробы были отобраны в соответствии с требованиями [13].
Места отбора проб представлены на рис. 2.
Рис. 2. Точки отбора проб
Контроль качества воды и измерение основных показателей были выполнены в соответствии с методиками [11].
Для измерения показателей качества воды до и после очистки был использован фотометр КФК-3-01.
В ходе исследования изучались следующие комбинации реагентов: сернокислый алюминий (СА), активированный уголь марки БАУ-А (АУ), полиакриламид (ПАА), каолинитовая глина (К), монтмориллонитовая глина (ММТ). Дозы замутнителей (АУ, К, ММТ), представленных в таблице, находились в пределах 1–3 мг/дм3, дозы коагулянта (СА) – в пределах 30–50 мг/дм3, доза флокулянта (ПАА) – 0,5–1,5 мг/дм3.
Характеристики замутнителей
|
Наименование замутнителя |
Эквивалентный диаметр, мм |
Пористость |
Удельная площадь поверхности пор, м2/м3 |
|
БАУ-А |
2,2 |
0,82 |
4800 |
|
Каолинит |
0,52 |
0,9 |
1420 |
|
Монтмориллонит |
0,8 |
0,78 |
1680 |
Процесс коагуляции проводился на основании [14]. Процесс коагуляции длился 30 минут с последующим фильтрованием через бумажный фильтр.
Полученные результаты после очистки воды сравнивались с нормативными значениями, установленными в [15].
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведения процесса коагуляции с помощью проб комплексного коагулянта с использованием активированного угля в качестве замутнителя были получены следующие данные (рис. 3, 4).
Рис. 3. Значения технологических показателей работы станции водоподготовки после использования замутнителей
а) б)
Рис. 4. Эффективность очистки разрабатываемой и существующей технологий: а) по мутности, б) по цветности
Рис. 5. Результаты исследования осадка с применением электронного спектрометра
Использование активированного угля в качестве замутнителя на пробах природной воды с исходным показателем мутности, равным 1,92 мг/дм3, и цветности, равным 108 градусов, позволяет достигнуть в среднем 90 % эффекта очистки, что превосходит используемую на Метелёвской водоочистной станции систему на 10–15 %.
Активированный уголь продемонстрировал лучшие показатели по снижению цветности, являющейся характерной особенностью тюменских природных вод. При исследовании образовавшегося в результате коагуляции с участием БАУ-А осадка на электронном спектрометре были получены следующие результаты (рис. 4).
Как видно из полученных данных, осадок имеет пористую структуру, что позволяет сорбировать содержащиеся в воде загрязняющие вещества. Так как основным химическим веществом в составе осадка является углерод, это позволяет произвести регенерацию при помощи прокаливания и, в последующем, повторно использовать его в качестве замутнителя.
Выводы
В результате работы установлены эффекты внедрения природных замутнителей. Произведена сравнительная оценка эффективности природных материалов, входящих в состав комплексного коагулянта, по отношению друг к другу. Получены предпосылки для исследования сорбционной способности разрабатываемых материалов.
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о пригодности к использованию исследуемых комбинированных коагулянтов для очистки воды из поверхностного источника. Полученные данные служат поводом для дальнейшего исследования оптимальной концентрации реагентов и подбора формы использования коагулянта в качестве конечного продукта.