Интенсификация обесцвечивания воды заболоченных местностей Белоруссии электрохимическим методом

ХХУ1 съезд КПСС четко определил курс на повышение эффективности общественного производства, его интенсификацию [ I].

Основное внимание партия уделяет ускорению научно-технического прогресса, всемерной экономии всех видов ресурсов, росту производительности труда, достижению наилучших конечных результатов при наименьших затратах [2].

Реализация Продовольственной программы требует дальнейшего роста производительных сил сельского хозяйства, развития агропромышленного комплекса. Перевод сельского хозяйства на промышленную основу сопровождается бурным социальным развитием села, строительством культурно-бытовых, жилищных и промышленных сельскохозяйственных объектов. Все это требует резкого увеличения темпов развития водопроводного хозяйства и значительного улучшения качества воды, подаваемой потребителям.

Водоснабжение сельских населенных пунктов осуществляется в основном за счет использования подземных источников, однако их запасы не всегда достаточны, качество воды зачастую не отвечает требованиям ГОСТа, кроме того, бурение скважин экономически бывает нецелесообразно в связи с периодическим характером работы, непостоянством месторасположения того или иного объекта и т. д. В этих случаях используют воды поверхностных источников водоснабжения, которые перед подачей потребителю необходимо подвергать очистке. При этом в силу специфических условий строительства и эксплуатации водоочистные сооружения сельской местности, имеющие небольшую производительность, должны удовлетворять следующим требованиям: возможность полного изготовления в заводских условиях, компактность, минимальные затраты при монтаже, простота эксплуатации, простейшая технология обработки воды, минимальное количество или полное отсутствие обслуживающего персонала.

Применение реагентных методов очистки воды для небольших автономных объектов, расположенных в сельской местности, связано с рядом трудностей. Строительство водоочистных станций приходится вести на месте эксплуатации, зачастую удаленном от промышленных центров, что увеличивает объем капиталовложений за счет доставки строительных материалов и оборудования на значительные расстояния. Эксплуатация таких станций часто осложняется, так как не обеспечивается своевременная доставка реагентов, появляется необходимость в организации складов, большие объемы составляют погрузочно-разгрузочные работы, требуются устройства для механического или пневматического перемешивания растворов реагентов при их приготовлении и т. д. Кроме того, применение химических коагулянтов для обесцвечивания поверхностных вод заболоченных местностей Белоруссии зачастую не дает требуемых результатов и приводит к их неоправданному перерасходу [167]. Это обусловлено тем, что цветность указанных вод вызвана присутствием значительного числа трудносорби-руемых истиннорастворенных апокреновых кислот, которые недостаточно удаляются химическими коагулянтами.

Наиболее полно вышеперечисленным требованиям удовлетворяет электрохимический метод обработки воды. Возможность изготовления установок в заводских условиях, простота их монтажа, автоматизация всех технологических процессов прл эффективном удалении загрязнений делает этот метод наиболее перспективным при подготовке воды для небольших автономных объектов, расположенных в сельской местности.

Диссертационная работа является составной частью комплексной научно-исследовательской темы № 1 821 063 663: «Исследование и разработка оптимальных систем водоснабкения, водоот-ведения и обработка отходов предприятий Белоруссии», выполняемой^ соответствии с координационным планом НИР АН БССР, кафедрой водных ресурсов и систем Брестского инженерно-строительного института.

Работа выполнена под руководством заслуженного деятеля науки и техники УССР, академика АН УССР, д.т.н., профессора Л. А. Кульского. Автор выражает глубокую признательность доценту кафедры водных ресурсов и систем Брестского инкенерно-стро-ительного института, кандидату технических наук П. П. Строкачу за научные консультации и замечания, высказанные при подготовке рукописи.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

I.1. Современное состояние технологии обесцвечивания воды в электролизере с растворимым анодом.

Электрохимический метод обработки воды в силу высокой эффективности, компактности, простоты регулирования технологических параметров давно привлекал внимание исследователей как у нас в стране, так и за рубежом.

Первую попытку использовать электрический ток для очистки сточной шщкости предпринял Вебстер в 1887 году С 3].

В 1903 году в Германии был выдан патент на обработку воды электрическим током с применением растворимых электродов [ 4].

В СССР первые исследования по применению электрохимического метода подготовки воды были проведены в 1921 году А.Д.Абран-киным на Шатурской электростанции. При расходе электроэнергии о.

I кВт. ч, келеза — 2 г/м обрабатываемой воды происходило полное обесцвечивание и обезкелезивание воды, а при повышении расхода электроэнергии до 20 кВт. ч качество очищенной воды было настолько высоким, что ее моз:-но было использовать для питания паровых котлов [5,6].

В 1943 году в Голландии запатентован метод обработки воды электрокоагулированием с одновременным использованием железных и алюминиевых электродов С 7].

В работах [ 8-II] приводятся результаты исследований, проведенных в 1946;1947 годах в США Ф. Стюартом и Ч. Бониллой по электрохимической очистке воды реки Потомак. При силе тока 5 А, на-прякении 13,6 В потребляемая мощность составляла 0,3 кВт. ч на I м3 воды, расход алюминия — 7 г. Цветность снижалась с 70 до 14 градусов. Авторы отмечают, что важным преимуществом электрохимического метода перед коагулированием солями является его высокая эффективность для очистки воды с низким щелочным резервом и высокой цветностью.

В работах [12,13], выполненных в 1947;1948 годах А.И.Изыо-ровой и И. П. Овчинкиным, представлены результаты по электрохимической очистке с применением алюминиевых и железных электродов. При расходе алюминия 15 мг/л цветность воды снижалась с 72 до 6 градусов.

В 1949;1955 годах Л .А .Кульскнй, А", М. Когановский, И.Т.Горо-новский разработали метод очистки воды путем коагулирования под током. Вода с небольишпдозами коагулянта пропускалась между неподвижными или вращающимися алюминиевыми электродами, подключенными к источнику постоянного или переменного тока. Обработка еоды таким образом приводила к формированию крупных адсорбционно активных хлопьев оксида алюминия. При этом значительно ускорялся процесс коагуляции и снижалась доза коагулянта, экономия последнего достигала 30−40%. При плотности тока 0,1 мА/см^, напряжении 1 В расход электроэнергии составил 0,003−0,010 кЗт. ч на I м3 воды [14,15],.

В 1957;1958 гг. Н. М. Авдпевич и Г-П.КУДРяшов исследовали способ электрохимического обесцвечивания воды /с применением в качестве анодов железных пластин/ на Северной водопроводной станции г. Москвы. При расходе электроэнергии 0,047−0,500 кВт. ч, железа р

6−7 г на I м обрабатываемой воды, плотности тока 0,3 мА/см и напряжении 2,1 В было получено снижение цветности с 50 до 15 градусов. При этом рН воды повышалась, индекс стабильности был равен 1,00−1,02 [16].

В 1963;1965 гг. 3.Я.Ярославским были выполнены значительные экспериментальные исследования по осветлению и обесцвечиванию воды р. Яхромы и болот ее поймы электрокоагуляцией с исходной цветностью от 60 до 700 градусов. Автор установил, что коагулирование гидроксидом алюминия, полученным электрохимическим методой, эффективно снижало мутность, высокую цветность, содержание железа и число бактерий [17,187].

В 1972;1974 гг. в Институте коллоидной химии и химии воды /ИКХХВ/ АН УССР П. П. Строкачем.были проведены обширные исследования влияния физико-химических, электрических и гидродинамических факторов на обезжелезивание и обескремнивание воды, удаление бактерий и синезеленых водорослей, найдены оптимальные условия процесса, при которых достигается практически полное удаление этих загрязнений из воды [ 19,20].

Л.А.Кульский, П. П. Строкач, В. А. Слипченко, Е. И. Сайгак показали высокую эффективность электрокоагуляции при осветлении и обесцвечивании воды, удалении сине-зеленых водорослей и бактерий, обезжелезивании, обескремнивашш, обе скисл ороггаванин н де-серебрении воды. Авторами показано, что удаление загрязнений из воды электрогоагуляцией зависит главным образом от дозы электрохимически полученного реагента. В работе пригодятся удельные расходы алюминия и электроэнергии для удаления бактерий и водорослей, снижения мутности и цветности, обзскремнивания, обезжелезиванпя, обескислороживания воды. Рекомендуемая плотность тор ка составляла 1−4 мА/см Ц21−26].

В Ленинградском инженерно-строительном институте Е.Н.Ани-симовой были проведены экспериментальные исследования по очистке цветных маломутных природных вод оз. Разлив электрохимическим методом. Автор показал, что электрокоагуляция эффективно удаляет креновые. кислоты, ухудшающие процесс обесцвечивания при реагентной обработке. Выявлены оптимальные значения плотностей тока при содержании в исходной воде креновых кислот менее 65%-1= 0,5−0,75 мА/см. Если количество последних больше, то Е. Н. Анисимова рекомендует увеличить плотность тока до 2,5 мА/см2. Показано, что при обесцвечивании несколько повышается рН и щелочность обрабатываемой воды, что позволяет получить воду с индексом насыщения, равным нулю [27].

А.Н.Кривчук, П. С. Цыганков [28−31] показали, что прудовая вода, содержащая органические загрязнения, очищенная электрокоагу-ляционным п электрофлотационным методом, по технологическим достоинствам не уступает артезианской. Авторы отмечают, что степень очистки прудовой воды методом электрокоагуляции и электрофлота-цин изменяется на протяжении года. При этом снижение ХПК и пер-манганатной окисляемости в январе-сентябре составляет 40−65%. Зф-фект дезодорации и обеззараживания еоды мало зависел от величины этих показателей в исходной воде и соответственно составлял 80−96 и 98−100%. Причем, содержание общего числа бактерий было значительно ниже предельной нормы ГОСТа. С помощью электрокоагу-ляционного и электрофлотационного способа очистки достигается, удаление значительной части фульвокислот, не осаждаемых солями алюминия. Установлено, что оптимальное значение рН при обесцвечивании воды электрокоагуляцией и электрофлотацией находится в пределах 5,0−6,5. Время освобождения воды от примесей зависит от температуры и плотности тока. При температуре воды более 20 град. о и плотности тока 20 мА/см оптимальное время очистки составляет 20 мин.

Течение процесса электрохимического обесцвечивания поверхностных вод в значительной степени зависит от природы органических веществ, вызывающих их окраску. В. Д. Дмитриев с сотрудниками [32] показал, что при электрохимическом коагулировании цветность воды оз. Разлив снижалась со 112,5 до 12,5 градусов и сопровождалась снижением содержания гуминовых и фульвокислот /апо-креновых и креновых/. Удалению последних по мнению авторов способствовали атомарный и молекулярный кислород, образующийся при электролизе воды и являющийся хорошим окислителем.

Исследования [ 33 I], проведенные с целью оптимизации процесса электрохимического обесцвечивания на опытной полупромышленной установке производительностью 12 м3/сутки в электрокоагуляторе с алюминиевыми электродами, показали, что минимальный рас9 ход электроэнергии составлял при плотности тока 0,64 мА/см и расходе воды 0,33 м3/ч.

Высокая эффективность электрохимических методов для интенсификации процессов водоподготовкк отмечается авторами работ [34,351! Показано, что электрохимические методы обработки являются перспективными для подготовки воды небольшим автономным объектам.

В.И.Кичигик, исследуя влияние активной реакции среды на процесс электрохимической очистки природной воды от глинистых частиц, пришел к выводу, что обработку щелочных и кислых вод целесообразно проводить до их нейтрализации, и установил, что при значениях рН 3−10 предпочтительнее анод из дюралюминия, а при рН менее 3 — из нержавеющей стали. В сильнощелочной среде выбор материала анода диктуется экономическими соображениями [36].

Е.М.Гериенович и В. Я. Вульшин [ 37], изучая процэсс осветления воды р. Неман электролитическим коагулированием, отмечают, что наилучшие результаты были получены при дозе алюминия 7,8 мг/л. Окисляемость исходной воды снижалась на 50%, жесткость — на 18,7%, железо удалялось полностью. Авторы констатируют, что при производительности установки 120 м3/ч экономический эффект электрохимической коагуляции по сравнению с реагентной обработкой составлял 8,8 тыс.рублей.

В работе [38] приведены результаты исследований по кондиционированию питьевой воды на судах методом электрообработки, включающим обработку импульсный электрическим полем и разрядом малой мощности. Авторами установлено, что процессы коагуляции частиц происходят под воздействием силового электрического поля. В результате электрического воздействия обеспечивается осветление /с 3,7 до 0,1 мг/л/, обесцвечивание /с 60 до I град./ и удаление железа /с 3,4 до 0,07 мг/л/, а такие снижение концентрации серебра.

Исследования С39] токсикологической оценки воды после электрообработки показали, что электрические воздействия не оказывают на нее вредного влияния.

Наряду с электрокоагуляцией для очистки цветных маломутных вод с преобладающим содержанием фульвокислот успешно применяется электрореагентная коагуляция, впервые разработанная Л. А. Кульскиы, А. М. Когановским, И. Т. Гороновским [ 14,15]. Указанный метод позволяет значительно уменьшить затраты на реагенты, сократить объем сооружений, интенсифицировать процесс очистки воды, обрабатывать воду в широком диапазоне цветности и мутности независимо от температуры исходной воды. В работах [40−43] показано, что электрореагентная обработка, предшествующая фильтрованию как на электродах графит-графит, так и на электродах ОРТА-нержавеющая сталь, улучшает работу контактных осветлителей и снижает расход коагулянта на 50%. При этом наблюдается снижение рН, щелочности, окисляемэсти /до 4,0−4,3 мг/л 02/.

В [44] исследована технологическая схема подготовки природных вод двухступенчатым фильтрованием с применением электрокоагуляции. Авторами установлено, что в процессе очистки эффект осветления воды на 1-ой и П-ой ступени соответственно составлял 90−92% и 98−99%. Цветность воды снижалась на 85−90%. Применение двухпластинчатого коагулятора с вращающимся катодом обеспечивает снятие с анода пассивирующей пленки. При межэлектродном зазоре 0,5−1,0 мм производительность установки увеличивается в 6−10 раз.

В работах [45,461] показана конструктивная и технологическая предпочтительность длинномерных электродов по сравнению с плоскими и найдены математические зависимости токовой нагрузки по длине электрода при торцевом токоподводе. Авторами показано, что производительность электрокоагуляционного блока может быть увеличена путем развития поверхности электродов в пределах рабочего объема аппарата. В результате уменьшается плотность тока без снижения силы тока, благодаря этому длинномерные, спиральные электроды растворяются без пассиващш.

Электрокоагуляция интенсифицирует процессы сгущения и фильтрования водопроводных осадков [47].

Машиностроительном фирмой Mitsu.6i.slii Несиу Зпс (и.8(Не5 /Япония/ разработана и введена в эксплуатацию установка нового типа для электрохимической очистки производственных сточных вод, содержащих масла, а также бытовых сточных вод. Указывается, что образующийся гидроксид алюминия обладает высокой коагулирующей способностью и обеспечивает адсорбцию растворимых эмульгированных, взвешенных и плавающих примесей в сточных водах. К середине 1974 года в промышленной эксплуатации находилось уже шесть подобных установок [48].

В ряде работ [49−62] приводится описание малогабаритных установок для электрохимической очистки природных и сточных вод п новые способы их обработки, разработанные в Японии.

Исследования по электрохимической очистке воды ведутся в США. Так, в [63] приведены результаты исследований по осветлению речной воды методом электрокоагуляции с применением медных и алюминиевых электродов. Вода в результате обработки осветлялась, а такие происходило уменьшение ее солености и щелочности.

Плотность тока на медных электродах составляла 0,15 А/см, на р алюминиевых — 0,12 А/см, время обработки, соответственно, составляло 2,0 и 2,5 мин.

В последние годы в США запатентован ряд электрохимических способов обработки природных и сточных вод, а такие конструкций аппаратов для их осуществления [64−69].

Исследования по изучению электрохимических методов обработки воды проводятся во Франции [70−72], Великобритании [73,75], Швеции [76].

5.6. Выводы и рекомендации.

1. Установлено, что заболоченные районы Белоруссии обладают значительными запасами водных ресурсов, 78% которых приходится на поверхностные источники.

2. Произведен систематический анализ загрязнений, содержащихся в водах заболоченных местностей Белоруссии на основании классификации примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию, предложенной Л. А. Кульским.

3. Установлено, что воды региона относятся к маломутным, мягким, сильпоокрашенным, гумусово-гидрокарбонатно-кальциевым, с болотным типом питания.

4. Выявлено, что цветность указанных вод обусловлена присутствием коллоиднорастворенных гуминовых и истинно^растворен-ных апокреновых кислот. Креновые кислоты в формировании цветности принимают незначительное участие. На основании данных многолетних наблюдений построены гистограммы распределения вероятностей цветности и коэффициента цветности вод заболоченных местностей Белоруссии.

5. Исследовано влияние дозы алюминия, плотности тока на нерастворимых электродах и времени электроокисления на процесс комплексного обесцвечивания воды поверхностных источников водоснабжения. На основании опытных данных получена экспериментально-статистическая модель комплексного элегсгрохимического обесцвечивания природных вод заболоченных местностей Белоруссии:

У 19 +5,76-Х, +2,16Лг '0,69X,-1,18 ЛХг ~ -1,59 -X, К, * 1,87-ХгХ3 -4,29Х?-4,51-Х! 4,36X1.

Приведенная зависимость позволяет рассчитать эффект обесцвечивания воды при комплексной электрохимической очистке, а также выявить оптимальные технологические параметры обработки воды.

6. На основании экспериментальных данных построена номограмма для определения основных технологических параметров процесса /дозы алюминия, плотности тока на нерастворимых электродах, продолжительности обработки/, обеспечивающих требуемый эффект удаления органических загрязнений комплексным: электрохимическим методом.

7. Применение указанного вышз способа обесцвечивания воды позволяет значительно сократить расход металлического алюминия /с 10−18 мг/л до 1,5−6,5 мг/л/ по сравнению с электрокоагуляцией.

8. Вода до требований ГОСТа 2874−73 «Вода питьевая» очищается дозой алюминия 1,5−4,0 мг/л., при плотности тока соотр ветственно 21−15 мА/см за 10 минут.

9. Предложены технологические схемы обработки воды с применением комплексного электрохимического метода и методика расчета аппарата комплексного электрохимического обесцвечивания.

10. Производственные испытания, проведенные в натурных условиях на Брестской ТЭЦ, полностью подтвердили данные лабораторных исследований и показали, что наряду с обесцвечиванием при комплексном электрохимическом методе достигается практически полное удаление соединений железа и извлекается до 63% кремниевой кислоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании данных многолетних наблюдений за качеством воды в поверхностных источниках водоснабжения заболоченных местностей Белоруссии выявлено, что воды указанного региона относятся к сильноокращенным маломутным, гумусово-гидрокарбонатно-кальциевым с болотным типом питания.

2. Установлено, что цветность вод обусловлена црисутстви-ем гуминовых и апрокреновых кислот. Креновые кислоты принимают незначительное участие в формировании окраски исследуемых вод.

3. Поляризационные исследования, проведенные на электронном потенциостате ПИ-50−1 с полуавтоматической компенсацией^{-погрешности} анодного и катодного поведения алюминия позволили выявить оптимальные плотности тока, при которых электроды растворяются в гумусово-гидрокарбонатно-кальциевых водах без р пассивации: при анодной поляризации Ьй = 2,9−3,2 мА/см, при 2 катодной поляризации 1К — 1−2 мА/см .

4″, Изучено совместное влияние плотности тока, температуры, активной реакции среды на выход алюминия по току при анодной и катодной поляризации, получены экспериментально-статистические модели процессов растворения алюминиевого анода и катода в виде уравнений регрессии, позволяющих рассчитать выход металла по току. При анодной поляризации:

У = т, 54 -6,79 Х&bdquo— -2,00−0,73 Хз -1,11XХг +0,681 -Х3 —0,34 Х2 -Хз '6,82X^-2,36X1 +0,54Х3 при катодной поляризации у'22,50~16,23X⁴, 54Х2 +3,02Х3 +0,87Х1Хг, +130Х2Х-+.

— Хз + ЩХ<*-3,02К+ № х!

6. Исследовано влияние температуры, концентрации металла, активной реакции среды на кинетику удаления гуминовых и апокреповых кислот электрокоагуляцией. Температура оказывает незначительное влияние на удаление ГК и АК в электролизере с растворимыми электродами. Повышение температуры воды от 5 до 30 °C увеличивает эффект удаления ГК и АК на 4−6%.

7с Установлено, что ГК весьма эффективно удаляются электрокоагуляцией. Дозой алюминия 3 мг/л извлекается до 92% гуминовых кислот, цветность воды при этом снижается с 200 до 18 градусов. Эффективнее процесс протекает при рН 5,7−5,9.

8. Кинетика удаления апокреновых кислот эле ютрокоагуляцией зависит от концентрации металла и активной реакции среды. Дозой алюминия 15 мг/л удаляется 75% АК. Предел рН, з котором лучше протекает процесс, составляет 5,5−6,5.

9. Исследовано влияние времени обработки, плотности тока на нерастворимых электродах, активной реакции среды на кинетику удаления гуминовых и апокреновых кислот в электролизере с инертными электродами. Установлены оптимальные значения указанных факторов:? = 7−10 минут, плотность тока I = 16,5−22,0 р мА/см, рН 5−7. При этом эффект удаления ГК достигает 88,5%, а АК — 82%.

10. Разработан высокоэффективный комплексный электрохимический метод обесцвечивания воды заболоченных местностей Белоруссии, позволяющий снизить расход металлического алюминия в 3−4 раза по сравнению с электрокоагуляцией. На основании исследований, проведенных на крупномасштабной установке производительностью 3 м3/сутки, получена экспериментально-статистическая зависимость, описывающая процесс обесцвечивания воды комплексным электрохимическим методом:

У — 84,19 + 3, 76 +2, 16 -Хг -0,69 -Х3 -1,18 -/2 -1,59 * * 1,87-Х2 Х3 -4,29X?-4,51-X?-4,36-/1.

Построена номограмма для определения основных технологических параметров процесса, обеспечивающих требуемый эффект удаления веществ, вызывающих цветность воды.

11. Вода до требований ГОСТ 2874–73 комплексным электрохимическим методом обесцвечивается дозой алюминия 1,5−4,0 мг/л 9 при плотности тока на нерастворимых электродах 25−15 мА/см и при продолжительности обработки 10 минут.

12. Разработана и предложена методика расчета аппарата для комплексного электрохимического метода обесцвечивания воды и рекомендованы технологические схемы очистки высокоцветных маломутных вод для небольших автономных объектов.

13. Производственные испытания, проведенные в натурных условиях на Брестской ТЭЦ, показали высокую эффективность предлагаемого метода для удаления органических загрязнений, соединений железа, а также частичного удаления кремниевой кислоты, и подтвердили правильность выбора технологических параметров. Экономический эффект от внедрения одной установки составляет 8,73 тыс.рублей.