Метод утилизации осадка станции подготовки питьевой воды, обеспечивающий минимальное воздействие на природную среду

На водопроводных станциях — предприятиях по производству питьевой воды, образуются большие объемы концентрированных промышленных сбросов, называемых водопроводными осадками. Состав гидроксидных осадков определяется химической природой загрязнений речной воды и природой применяемых коагулянтов [ 1 ].

В настоящее время основными методами обработки этих осадков в отечественной практике является их естественная сушка в оврагах или иловых картах, либо сброс осадков в водоисточники [5 ].

Обработка большого количества осадка при соблюдении существующих правил охраны поверхностных вод от загрязнений и при ограниченных площадях земельных участков для естественной сушки осадков является одной из наиболее актуальных проблем в технологии подготовки питьевой воды [7].

В крупных российских городах, таких как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород осадок сбрасывается в канализационные сети. В городах, где пропускная способность городских очистных сооружений ограничена, осадок сбрасывается непосредственно в окружающую среду [3 ].

Водоканал г. Ульяновска сбрасывает осадок в необработанном виде в реку Каменка (приток р. Свияга). Ежегодно в природные воды реки попадает: взвешенных веществ — свыше 3,5 тыс. тмеди и цинка — по 1 талюминия — 730 тжелеза -12 т.

Кроме экологического ущерба, происходит потеря дорогостоящих коагулянтов.

Наиболее целесообразным представляется комплексное рассмотрение технологической схемы подготовки питьевой воды, включающей утилизацию алюминийсодержащих осадков методом регенерации коагулянта, использование регенерированного коагулянта для улучшения качества очистки воды, предотвращение сброса осадка в окружающую среду.

Цель работы: Разработать и обосновать метод утилизации осадка станции подготовки питьевой воды способом регенерации, обеспечивающий улучшение качества питьевой воды и значительное уменьшение объемов осадков, поступающих в окружающую среду.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать и научно обосновать способ регенерации коагулянта из осадка раствором сульфата алюминия;

• определить и математически обосновать параметры процесса регенерации, обеспечивающие минимальное воздействие очистных сооружений на окружающую среду;

• исследовать влияние регенерированного коагулянта на качество питьевой воды по химическим, бактериальным и технологическим показателям;

• провести производственный эксперимент по регенерации алюминийсодержащего коагулянта из осадка, проверить экологическую безопасность регенерированного коагулянта в промышленных условиях с получением всех основных показателей очищенной воды;

• рассчитать экономический эффект от внедрения предлагаемого метода утилизации осадка.

Объектом исследования явились реальные осадки станции водоподготовки из отстойников МП «Ульяновскводоканал» и полученный в процессе их переработки алюминийсодержащий регенерированный коагулянт.

При проведении исследований использовались физико-химические методы: фотоколориметрия, полярография, потенциометрия, седиментационный анализ, микробиологические методы, стандартные методики определения качества природных, сточных вод и осадков. Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработан и получил физико-химическое обоснование новый метод утилизации водопроводного осадка способом регенерации коагулянта раствором сульфата алюминия;

• определены оптимальные условия проведения процесса регенерации алюминийсодержащего коагулянта и разработан алгоритм их математического расчета;

• доказана экологическая безопасность регенерированного коагулянта применительно к очистке маломутных цветных вод и вод средней мутности и цветности по химическим, бактериальным и технологическим показателям.

Практическая значимость. Предложенный способ регенерации коагулянта прошел проверку в производственных условиях на станции подготовки питьевой воды МП «Ульяновскводоканал», проведены промышленные испытания регенерированного коагулянта на 3-ей очереди данного предприятия. Разработана технологическая схема реконструкции очистных сооружений МП «Ульяновскводоканал». Экономический эффект от внедрения составит 47,9 млн руб /год. На защиту выносятся:

• разработка метода утилизации осадка станции подготовки питьевой воды способом регенерации коагулянта раствором сульфата алюминия;

• результаты экспериментальной оценки технологических параметров процесса регенерации и их влияние на степень извлечения алюминийсодержащего коагулянта из осадка раствором сульфата алюминия;

• расчет оптимальных условий проведения процесса регенерации, обеспечивающих минимальное поступление осадков в окружающую среду;

• результаты оценки экологической безопасности регенерированного коагулянта по химическим, бактериальным и технологическим параметрам.

Краткое содержание диссертационной работы.

Первая глава представляет собой анализ современного состояния проблемы обработки осадков, образующихся на станциях водоподготовки.

Вторая глава содержит результаты исследования закономерностей процесса растворения гидроксида алюминия из осадка раствором сульфата алюминия в температурном интервале 3 — 85 °C. В третьей главе приведены результаты исследования токсикологических, бактериальных и технологических свойств регенерированного коагулянта.

В четвертой главе дано описание технологической схемы подготовки питьевой воды, включающей регенерацию коагулянта из осадка. Представлены результаты процесса регенерации коагулянта и очистки воды регенерированным коагулянтом, достигнутые в ходе промышленных испытаний.

ВЫВОДЫ.

1. Разработан экологически безопасный метод утилизации алюминийсодержащих осадков станции водоподготовки способом регенерации коагулянта раствором сульфата алюминия.

2. Определены параметры процесса регенерации коагулянта: соотношение п (отношение количества алюминия в сульфате алюминия к алюминию в осадке) равно 1,3−2,0- начальная концентрация сульфата алюминия в исходной смеси- 6−9%. Разработан алгоритм расчета оптимальных условий проведения процесса регенерации коагулянта раствором сульфата алюминия, обеспечивающий минимальное количество осадков, образующихся в цикле водоочистки.

3. Доказана экологическая и технологическая безопасность регенерированного коагулянта на основании его химических, бактериальных, технологических характеристик. Применение регенерированного коагулянта не приводит к появлению бактериального загрязнения очищенной воды (со//-индекс, ОМЧ), позволяет снизить содержание ионов токсичных металлов в очищенной воде значительно ниже уровня ПДК, а так же уменьшает содержание органических веществ (ХПК) на 30% по сравнению с использованием сульфата алюминия. Применение регенерированного коагулянта (особенно при низких температурах) улучшает качество очищенной воды по всем технологическим показателям по сравнению с сульфатом алюминия (мутность, цветность, рН, остаточный алюминий).

4. Разработанный технологический процесс регенерации коагулянта прошел проверку в промышленных условиях. Полученный регенерированный коагулянт был использован в качестве коагулянта для очистки воды на третьей очереди МП «Ульяновскводоканал». Было подтверждено, что он обладает улучшенными технологическими свойствами. Установлено, что при использовании регенерированного коагулянта в процессе очистки воды применение флокулянта не обязательно.

5. Полученные результаты позволяют рекомендовать разработанный метод утилизации осадка для внедрения на станциях подготовки питьевой воды, где применяются алюминийсодержащие коагулянты. Расход коагулянта в рабочем цикле сократится на 40%- объёмы осадков уменьшатся на 50%. Экономия от внедрения составит 47.9 млн руб./год на станции водоподготовки производительностью 250 тыс. м3/ сут (цены 2004 г).

Заключение

.

Разработана комплексная технология утилизации осадков, образующихся на станциях водоподготовки, с учётом критериев экологической безопасности и экономичности.

По разработанной схеме до 50% образующихся осадков подвергается процессу регенерации коагулянта раствором сульфата алюминия. Количество осадка, направляемого на регенерацию, ограничивается собственной потребностью цикла водоподготовки в коагулянте. При этом расход сульфата алюминия в цикле водоочистки сокращается до 40%. Можно подвергать обработке и 100% осадка, чтобы реализовать регенерированный коагулянт другим промышленным предприятиям, где применяется процесс коагулирования для очистки сточных вод.

Изучение механизма растворения гидроксида алюминия при низких температурах показало наличие двух последовательных стадий: пептизация и химическая реакция. Регенерированный коагулянт представляет собой раствор смеси солей — сульфата алюминия и гидроксосульфата алюминия.

Определение механизма растворения А1(ОН)з в растворе сульфата алюминия при комнатных температурах позволило установить факторы, влияющие на данный процесс: концентрация А1(ОН)3 в осадке, начальная концентрация A12(S04)3 в растворе, соотношение количества алюминия в растворе сульфата алюминия к количеству алюминия в осадке.

Экспериментально установлены интервалы значений этих параметров для достижения максимального растворения гидроксида алюминия. С использованием константы равновесия получена зависимость между степенью растворения и соотношением количества алюминия в растворе сульфата алюминия к количеству алюминия в осадке (п). С учётом ряда условий и ограничений, полученных эмпирическим путём, получена математическая зависимость между основными исходными параметрами процесса. Эта зависимость позволила установить, что концентрация А1(ОН)з в осадке определяет дальнейший выбор оптимальных параметров проведения процесса растворения: концентрацию раствора сульфата алюминия и соотношение количества алюминия в растворе сульфата алюминия к количеству алюминия в осадке.

Для выяснения возможности использования в цикле подготовки питьевой воды регенерированного коагулянта были исследованы его бактериальные, химические и технологические свойства. Экспериментально определено, что получаемый регенерированный коагулянт бактериологически безопасен вследствие высокой концентрации в нем соли. Была изучена динамика перехода тяжелых металлов и органических веществ в регенерированный коагулянт в процессе регенерации, на основании чего сделан вывод о сокращении времени контакта осадка с раствором сульфата алюминия при температуре 20 °C до 0,5 часа.

Для исследования процесса накопления примесей в регенерированном коагулянте разработана математическая модель расчёта, основанная на эмпирических данных о степени перехода каждой i— той примеси, во-первых, в процессе коагуляции из воды в осадок, во-вторых, в процессе регенерации — из осадка в раствор регенерированного коагулянта. Использование данной методики позволяет рассчитывать количество осадка, направляемого на регенерацию, чтобы не происходило накопление примесей в цикле водоочистки.

Исследование технологических свойств регенерированного коагулянта, по сравнению с применением сульфата алюминия, показало улучшение процесса очистки воды по следующим показателям: скорости осаждения и осветления, полноте осаждения, снижению оптимальной дозы коагулянта. Особенно существенны преимущества регенерированного коагулянта при температурах ниже 10 градусов.

Анализ технологических свойств показал, что использование регенерированного коагулянта в процессе водоочистки позволит дополнительно сократить расход коагулянта на 20%, а за счёт интенсификации процесса коагуляции (уменьшение времени осветления в отстойниках) увеличить производительность очистных сооружений.

Результаты всех лабораторных исследований отражены в опубликованных работах [76−90] и отчетах НИР по договорам с МП «Ульяновскводоканал».

Проведённый производственный эксперимент в условиях реального процесса водоочистки на станции водоподготовки г. Ульяновска показал применимость результатов полученных в лабораторных условиях для производственных целей. Установлено, что при использовании регенерированного коагулянта применение флокулянта не обязательно.

Полученный в производственных условиях регенерированный коагулянт был использован в качестве коагулянта для очистки воды на третьей очереди станции водоподготовки г. Ульяновска. Было подтверждено, что он обладает улучшенными технологическими свойствами по сравнению с сульфатом алюминия по основным показателям очистки воды, что полностью совпадает с выводами лабораторных экспериментов.

Таким образом, внедрение в существующую технологию водоподготовки процесса регенерации коагулянта повышает экологическую безопасность производственного процесса очистки воды, сокращает расход сульфата алюминия до 40%. Рекомендуемая технология приведёт к экономии более 48 млн. рублей в год на станции водоподготовки производительностью 250 тыс. м /сут (Приложение 4).

Проведен сравнительный анализ существующих способов регенерации коагулянтов по литературным данным [4,28,31,33] и полученным экспериментальным данным (табл.4.6).