Удосконалення технології підготовки питної води з застосуванням високоефективних коагулянтів і бактерицидного флокулянту

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

УДК 628.16

05.17.21 - Технологія водоочищення

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ПІДГОТОВКИ ПИТНОЇ ВОДИ З ЗАСТОСУВАННЯМ ВИСОКОЕФЕКТИВНИХ КОАГУЛЯНТІВ І БАКТЕРИЦИДНОГО ФЛОКУЛЯНТУ

Хижняк

Ольга Олександрівна

Київ

2008



ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана на кафедрі екології та біохімії харчових виробництв в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор

Запольський Анатолій Кирилович,

Національний університет харчових технологій;

професор кафедри біохімії та екології харчових виробництв

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Хоружий Петро Данилович,

Науково-дослідний інститут гідрології і меліорації Аграрної академії наук України;

завідувач лабораторії водопостачання та водовідведення

Кандидат технічних наук,

Мітченко Андрій Олександрович,

директор спільного підприємства "ІНАКВА-УКРАЇНА"

Захист відбудеться " 17 " вересня 2008 року о 14³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут", 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корпус 4, велика хімічна аудиторія.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"; 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано "___" серпня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Т.І.Мотронюк



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема підготовки питної води є надзвичайно актуальною, оскільки якість води не завжди задовольняє вимоги споживача, особливо, за такими показниками як залишковий алюміній та хлорорганічні сполуки, які є канцерогенними для людини. Крім того, їх наявність у воді створює серйозні проблеми для екології водойм, в які вони потрапляють.

Одним із сучасних напрямків вирішення вказаних проблем є використання нових високоефективних реагентів - високоосновних коагулянтів та водорозчинних полімерів у якості флокулянтів. Найбільш перспективними коагулянтами є основні солі алюмінію, флокулянтами - катіонні поліелектроліти і серед них - полігуанідини. До основних солей алюмінію належать основні сульфати алюмінію та дигідроксосульфат алюмінію, до полігуанідинів - змішана сіль полігексаметиленгуанідин хлориду та фосфату.

Для обґрунтування розробки простої та ефективної технології підготовки води за допомогою основних солей алюмінію та полігексаметиленгуанідину (ПГМГ) потрібне вивчення їх коагуляційних та біоцидних властивостей на природній воді, оскільки вони в значній мірі залежать від концентрації коагулянту та флокулянту в очищуваній воді. Тому встановлення закономірностей очищення природної води має наукову та практичну цінність.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалась за час навчання здобувача в аспірантурі Національного університету харчових технологій по договору з Міністерством освіти і науки України № Дз/23-2004 від 30 березня 2004 року за темою "Розроблення технології отримання високоефективного коагулянту для підготовки води та розділення суспензій в харчовій промисловості" (№ держ.реєстрації 0104U007605).

Особистий внесок автора полягає у проведенні лабораторних та промислових випробувань, безпосередній участі в опрацюванні, аналізі та узагальненні експериментальних даних, а також у написанні та оформленні наукових публікацій і звітів по темі роботи, розробленні відповідної документації.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення способу отримання коагулянтів - основних сульфатів і дигідроксосульфату алюмінію та їх застосування для удосконалення технології підготовки питної води в композиції з сумішшю солей полігексаметиленгуанідину.

Відповідно до поставленої мети були сформульовані такі завдання досліджень:

- визначити оптимальні параметри синтезу основних сульфатів та дигідроксосульфату алюмінію;

- вивчити деякі важливі фізико-хімічні властивості основних сульфатів алюмінію;

- дослідити їх коагуляційну здатність щодо природних вод за різних кліматичних умов;

- визначити реагенти з найефективнішими коагуляційними властивостями щодо очищення природної води;

- провести дослідження коагуляційної та бактерицидної ефективності "коагулянт-флокулянт" на природних водах;

- на основі експериментальних досліджень розробити принципову технологічну схему підготовки питної води.

Об'єкт дослідження - процес підготовки питної води з використанням коагулянтів та флокулянтів.

Предмет дослідження - основні сульфати алюмінію (Мо 2,3; 2,5; 2,7) та дигідроксосульфат алюмінію (Мо 2,0); солі полігексаметиленгуанідину; природна вода рр. Десна та Дніпро.

Методи дослідження - традиційні та спеціальні фізико-хімічні, мікробіологічні, технологічні та математично-статистичні методи.

Наукова новизна одержаних результатів. В даній роботі:

удосконалено технологію отримання основних сульфатів алюмінію та дигідроксосульфату алюмінію з використанням металічного алюмінію та сульфату алюмінію;

показана можливість щодо застосування коагулянтів певної основності для очищення природної води в залежності від її фізико-хімічного складу та кліматичних умов;

вперше використано композицію дигідроксосульфату алюмінію (або основних сульфатів алюмінію) з сумішшю солей полігексаметиленгуанідину для очищення питної води за мікробіологічними показниками;

обґрунтовано доцільність удосконалення технології підготовки природної води за фізико-хімічними та бактеріологічними показниками з використанням дигідроксосульфату алюмінію та суміші солей ПГМГ.

представлено еколого-техніко-економічне обґрунтування та розрахунки використання запропонованих коагулянтів ДГСА та ОСА Мо 2,3; 2,5; 2,7.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень, одержаних в роботі, дозволили удосконалити технологію підготовки питної води - варіювати використання коагулянтів певного модуля основності в залежності від періоду року та стану природних вод. Отримана питна вода мала високу якість за фізико-хімічними і мікробіологічними показниками.

Особистий внесок здобувача полягає в отриманні наукових результатів, викладених в дисертаційній роботі та в постановці конкретних досліджень, плануванні та проведенні експериментів, аналізі літератури за темою досліджень, обробці експериментальних даних, публікації одержаних результатів та апробації результатів роботи на наукових конференціях. Визначення завдань та обговорення результатів досліджень виконано спільно з науковим керівником, д.т.н., професором А.К. Запольським (Національний університет харчових технологій). Експерименти з дослідження коагуляційної та бактерицидної ефективності проводили в хіміко-бактеріологічних лабораторіях Деснянської та Дніпровської водопровідних станцій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідали на 73-ій і 74-ій наукових конференціях молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, НУХТ, 2006-2007рр.); ІІІ Українській науково-технічній конференції з технології неорганічних речовин "Сучасні проблеми технології неорганічних речовин" з міжнародною участю (м. Дніпропетровськ 2006 р.); V Міжнародній науковій конференції студентів і аспірантів "Техника и технология пищевых производств" (м. Могильов, 2006 р.); ІІІ-ІV Міжнародному водному форумі АКВА Україна (м. Київ, 2005, 2006 рр.); 8-мій Міжнародній науково-практичній конференції "Актуальні проблеми токсикології. Безпека життєдіяльності людини" (Київ, 2007р.)

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 15 друкованих праць, з них 5 статей у наукових виданнях, затверджених ВАК України, 8 тез доповідей на наукових конференціях, 2 деклараційні патенти.

Об'єм і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновку, списку використаної літератури, який включає 144 найменування вітчизняних та зарубіжних джерел. Робота викладена на 130 сторінках основного тексту та в 7 додатках, містить 37 рисунків та 22 таблиці.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі, представлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі наведено огляд літератури за темою дисертації, в якому проаналізовано сучасний стан проблеми підготовки питної води, проведений аналіз сучасних реагентних способів знезаражування природної води, їх недоліки та переваги. Основним недоліком таких методів є утворення канцерогенних та токсичних речовин в очищеній воді. Для запобігання їх появі рекомендовано застосування сумісної дії високоефективних коагулянтів та бактерицидних флокулянтів. Науково обґрунтована перспективність використання коагулянтів - основних сульфатів алюмінію з модулем основності 2,0 - 2,7 та сучасних біоцидних флокулянтів на основі полігуанідинів - змішаної солі фосфату та хлориду полігексаметиленгуанідину, структурні формули яких подано нижче:

Молекулярна маса полімеру: 8 000 - 40 000.

Структурна формула дигідроксосульфату алюмінію:

Al₂(OH)₂(SO₄)₂·11Н₂О

У другому розділі визначено об'єкти досліджень - металічний алюміній, дигідроксосульфат та основні сульфати алюмінію (Мо 2,3, 2,5, 2,7), сульфат алюмінію, оксихлорид алюмінію, флокулянти - суміш солей полігексаметиленгуанідину (Валеус), полідиалілдиметиламоній хлорид (поліДАДМАХ), штам бактерій Escherihia coli 1257, наведено опис приладів та методів дослідження.

Для отримання коагулянтів дигідроксосульфату (ДГСА) та основних сульфатів алюмінію (ОСА) використовували методику синтезу основних сульфатів алюмінію, для визначення основних характеристик коагулянтів використовували методики визначення масової частки SO₄^2- та Al₂O₃, модуля основності, диференціально-термічний та рентгенофазний методи аналізу.

Для визначення коагуляційної й бактерицидної ефективності коагулянтів та флокулянтів використовували метод пробних коагуляцій. Для визначення фізико-хімічних параметрів природної та очищеної води використовували методики відповідно ГОСТу 2874-82 "Вода питьевая".

Мікробіологічні дослідження проводили згідно методики визначення кількості бактерій методом прямого посіву на тверде селективне середовище. Наведена методика планування експерименту.

У третьому розділі наведено результати визначення оптимальних параметрів синтезу основних сульфатів та дигідроксосульфату алюмінію.

Детально вивчено залежність інтенсивності синтезу основних сульфатів та дигідроксосульфату алюмінію від температури, концентрації розчину сульфату алюмінію та тривалості процесу. Вивчено кінетику розчинення стехіометричної та надлишкової кількості металічного алюмінію в розчині сульфату алюмінію різної концентрації - 10…40% та за різних температур - 60…90 °С. Визначено енергію активації та швидкість перебігу реакції при стехіометрично розрахованій кількості металічного алюмінію.

Визначили, що для отримання коагулянту Мо 2,7 потрібний 20%-й ступінь розчинення металічного алюмінію від стехіометрично розрахованої кількості в розчині сульфату алюмінію, для ОСА Мо 2,5 - 40%, для ОСА Мо 2,3 - 60% (рис. 1).

Повне 100%-ве розчинення алюмінію потрібне для отримання ДГСА Мо 2,0.

Визначили, що при надлишковій кількості металічного алюмінію, зміна концентрації розчину сульфату алюмінію від 10 до 40% майже не впливає на тривалість синтезу коагулянтів (рис. 2). Підвищення температури від 60 до 90 °С зумовлює зменшення тривалості на 1,5-2,0 год/10 °С. При надлишковій кількості металічного алюмінію в порівнянні з стехіометричною за однакових умов загальна тривалість синтезу скорочується на 60…70 хв. Це свідчить, що при збільшенні площі поверхні взаємодії прискорюється швидкість синтезу коагулянтів.

Рис. 2. Залежність тривалості синтезу від концентрації сульфату алюмінію при надлишковій та стехіометричній кількостях металічного алюмінію.

Дослідили кінетику розчинення металічного алюмінію в розчині сульфату алюмінію різної концентрації (10…40%) та в інтервалі температур 60…90 °С. Швидкість реакції прискорюється на 20-25% при підвищенні температури на кожні 10 °С. При збільшенні концентрації сульфату алюмінію на 10% швидкість реакції збільшується приблизно на 8 …10 %, що вказує на незначний вплив зміни концентрації на інтенсивність протікання реакції.

Проведено дослідження термографічних характеристик отриманих коагулянтів ДГСА та ОСА. Виявили ендоефекти, які свідчать про ступеневе видалення води. Кінцевим продуктом розкладання ДГСА та ОСА є г-Al₂O₃.

Аналіз рентгенографічних характеристик отриманих коагулянтів ДГСА та ОСА показав, що дифрактограма ДГСА має наступні міжплощинні відстані (d/n): 0,495, 0,485, 0,391, 0,336, 0,298, що відповідають даним з літератури. Дифрактограма ОСА включає піки, які є характерними для ДГСА та СА. Отримані результати вказують на те, що ОСА представлені сумішшю ДГСА та СА.

Методом математичного планування визначено оптимальні умови синтезу дигідроксосульфату алюмінію (Мо 2,0), які підтверджують дані, отримані експериментально: при концентрації розчину СА 20% температура синтезу повинна підтримуватися 84…90 °С, тривалість процесу 3,8…4,0 год. Також отримано математичну модель процесу взаємодії металічного алюмінію з розчином сульфату алюмінію.

Таблиця 1

Оптимальні параметри синтезу коагулянтів ОСА та ДГСА

Масова частка сульфату алюмінію, %	10
Температура синтезу, °С	84-90
Тривалість процесу, год	3,8-4,2

У четвертому розділі наведено результати коагуляційного очищення з використанням основних сульфатів алюмінію Мо 2,3, 2,5, 2,7 (композитних коагулянтів) та дигідроксосульфату алюмінію Мо 2,0 в порівнянні з традиційним коагулянтом сульфатом алюмінію (Мо 3,0) за умови дестабілізації домішок природних вод рр. Десна та Дніпро в чотири пори року (зимову, весняну, літню та осінню).

Як видно з отриманих результатів (табл. 2), зменшення модуля основності композитних коагулянтів зменшує оптимальну дозу і покращує процес пластівцеутворення. На це вказують низькі значення каламутності та залишкового алюмінію в очищуваній воді. Так, за оптимальних доз зразків з Мо 2,0, 2,3, 2,5, 2,7 величина Al_ЗАЛ менша в 1,5-2,5 рази ніж для СА.

Дослідження коагуляційної активності коагулянтів на природній воді р. Десна в весняну пору року здійснювали в два етапи температур: 5,1 - 8,0 єС і більше 8,0 єС. Це було необхідним для з'ясування впливу високої мутності і температури на процес коагуляції з використанням композитних коагулянтів.

Отримані для даного періоду року (5,1 - 8,0 єС) результати наглядно демонструють виявлену раніше закономірність - зменшення модуля основності зразків в діапазоні 3,0...2,0 зміщує оптимальну дозу коагулянту в область менших значень. При цьому величини Al_ЗАЛ (рис. 3) менші, ніж для сульфату алюмінію, навіть за умовно прийнятої оптимальної дози (12,0 мг/дм³) останнього, значно більшої від такої для композитних коагулянтів. Тому неможливо досягти якості питної води, отриманої у випадку застосування основних сульфатів алюмінію - композитів. Для всіх кривих спостерігається мінімум, що відповідає оптимальним дозам кожного коагулянту. Так, якщо для ДГСА оптимальна доза становить 4,0 мг/дм³, то для сульфату алюмінію вона становить біля 12,0 мг/дм³.

Таблиця 2

Коагуляційна ефективність СА, ДГСА та композитних коагулянтів при очищенні Деснянської води Вихідна вода р. Десна мала наступні показники: каламутність - 2,4 мг/дм³, кольоровість - 26 град, лужність - 4,85 ммоль/дм³, рН - 7,75, t - 2,0 °С.

Коагулянт (тип, модуль)	Доза мг/дм3	Параметри очищеної води	Пластівце-утворення, осадження
		Лужність, ммоль/дм3	Каламут-ність, мг/дм3	Кольоро-вість, град	Al ЗАЛ, мг/дм3
ДГСА МОС = 2.0	3,0	3,95	1,75	18	0,82	поч.осад
	4,5	3,85	1,60	17	0,68	осад.
	6,0	3,75	1,40	16	0,61	осад.
	7,5	3,65	1,30	15	0,57	зн.осад
	9,0	3,55	1,25	14	0,51	зн.осад
КК МОС = 2.3	3,0	3,85	1,90	19	0,91	поч.осад
	4,5	3,75	1,80	18	0,81	осад.
	6,0	3,65	1,65	17	0,73	осад.
	7,5	3,55	1,55	16	0,68	осад.
	9,0	3,45	1,45	15	0,56	зн.осад
КК МОС = 2.5	3,0	3,80	1,90	21	0,95	поч.осад
	4,5	3,70	1,80	20	0,89	осад.
	6,0	3,60	1,75	19	0,83	осад.
	7,5	3,50	1,56	18	0,78	осад.
	9,0	3,40	1,55	17	0,70	зн.осад
КК МОС = 2.7	3,0	3,75	1,95	22	0,97	поч.осад
	4,5	3,65	1,85	21	0,90	поч.осад
	6,0	3,55	1,75	20	0,84	осад.
	7,5	6,45	1,65	19	0,90	осад.
	9,0	6,40	1,55	18	0,71	зн.осад
СА	3,0	3,70	2,00	22	1,11	поч.осад
	4,5	3,60	1,95	21	1,05	поч.осад
	6,0	3,50	1,85	20	0,99	поч.осад
	7,5	3,40	1,75	19	0,95	осад.
	9,0	3,30	1,65	18	0,81	осад.

Збільшення температури вище 8 °С за підвищеної каламутності Деснянської води позитивно відображається на пластівцеутворювальній здатності і сульфату алюмінію (доза якого зменшується до 12,0 мг/дм³), і композитних коагулянтів та ДГСА. Оптимальні дози для композитних коагулянтів підвищеної основності в цих же умовах для Мо 2,0; 2,3; 2,5 і 2,7 значно менші і становлять відповідно 6,0; 7,5; 9,0; 10,5 мг/дм³.

Дослідження коагуляційної ефективності композитних коагулянтів та ДГСА в порівнянні з сульфатом алюмінію показали таку ж тенденцію: при зменшенні модуля основності ефективність коагулянтів покращувалася.

Дослідження, виконані на Деснянській та Дніпровській водопровідних станціях, показали, що у весняний і зимовий періоди, особливо, паводковий, композитні коагулянти з підвищеною основністю є більш ефективними коагулянтами ніж сульфат алюмінію. Використання останнього за температур нижче 8 °С і підвищеній мутності є недоцільним.

В результаті коагуляційного очищення Дніпровської води, зменшення модуля основності реагенту при заміні сульфату алюмінію композитами з Мо = 2,7; 2,5 і 2,3 та ДГСА практично не впливає на якість очищеної води р. Дніпро. Тобто, на відміну від весняно-зимового періоду (температура до 0,2...14 °С), в літню пору року коагуляційна активність композитів не має різкої відмінності від такої для сульфату алюмінію. Це стосується процесу водопідготовки Дніпровської води. При очищенні ж води р. Десна в цей період (високі температури) зберігаються переваги найбільш ефективного зразка ДГСА з Мо = 2 порівняно з сульфатом алюмінію.

В осінній період року зберігається тенденція, яка була виявлена в попередні періоди, підвищення коагуляційної ефективності в ряду коагулянтів зі зменшенням модуля основності.

В результаті досліджень коагуляційної ефективності композитних коагулянтів з підвищеною основністю порівняно з сульфатом алюмінію при дестабілізації домішок природних вод (рр. Десна і Дніпро) впродовж року встановлено оптимальні дози реагентів.

Отже, проведені дослідження коагуляційних властивостей основних сульфатів алюмінію на природних водах рр. Десна та Дніпро в різні періоди року вказують на доцільність використання їх для підготовки питної води. Якщо коагулянт представлений основним сульфатом алюмінію Мо 2,3; 2,5; 2,7, то його коагуляційна ефективність тим вища, чим основнішим є реагент. Найбільш ефективним коагулянтом серед досліджених є ДГСА Мо 2,0.

У п'ятому розділі наведено результати досліджень коагуляційної ефективності коагулянту ДГСА в порівнянні з традиційними коагулянтами сульфатом алюмінію та гідроксохлоридом алюмінію (ГХА) й знезаражуючої дії флокулянту Валеус в порівнянні з поліДАДМАхом на тест-мікроорганізмах E.coli дистильованої води. Досліджено динаміку видалення бактерій. Основна маса мікроорганізмів видаляється коагулянтами протягом перших 10 хв. та 20 хв. - флокулянтами. Максимальна ступінь видалення забезпечується впродовж 60 хв. контакту реагентів з бактеріями. Показано, що ефективність основних солей алюмінію є вищою, ніж сульфату алюмінію і ГХА. Це пояснюється тим, що ДГСА є більш гідролізованим коагулянтом, і продукти його гідролізу мають більший заряд, ніж такі ГХА і тим більше СА. Ефективність знищення бактерій флокулянтами поліДАДМАХом і Валеус є кращою у останнього, що пояснюється поєднанням бактерицидних та флокуляційних властивостей.

Видалення бактерій з водопровідної води (попередньо контамінованої E.coli) коагулянтами і флокулянтами відбувалося за такою ж динамікою як з дистильованої. Відмінність полягала в збільшеній кількості видалених бактерій з водопровідної води, що пояснюється присутністю у воді дисперсних часточок, які зумовлюють краще пластівцеутворення й осідання.

Дослідження з видалення бактерій E.coli флокулянтами з природних вод рр. Десна та Дніпро показали, що тенденція зберігається: при збільшенні дози флокулянту ефективність знезаражування підвищується. Але порядок видалення мікроорганізмів дещо інший. Так, при застосуванні поліДАДМАХу в природних водах його ефективність зменшується в порівнянні з видаленням бактерій з водопровідної води. Бактерицидний ефект Валеусу збільшується при очищенні природних вод, оскільки крім його катіонних властивостей, він має ще й знезаражуючий ефект. Тому сумарна дія цих двох властивостей покращує процес звільнення природних вод від мікроорганізмів.

Встановили, що основний ефект видалення мікроорганізмів відбувається за дози флокулянтів 1 мг/дм³ і становить 99,5% для Валеусу та 93,0% для поліДАДМАХу. Подальше знищення мікроорганізмів відбувалося дещо з меншим ефектом і при 5 мг/дм³ становило 99,99% (що відповідає 4,3 порядки з 5) для Валеусу та 99,3-99,5% (2,15 та 2,3 порядки з 5 відповідно) для поліДАДМАХу (рис. 4).

Наступним етапом було дослідження ефективності видалення тест-мікроорганізмів за допомогою композиції "коагулянт+флокулянт". В контаміновану воду вносили спочатку коагулянт, а потім флокулянт. Дози коагулянтів були 6 мг/дм³ (оптимальна доза коагулянтів для очищення природної води при температурі 18 °С), флокулянту поліДАДМАХ - 3 мг/дм³, Валеусу - 0,5 мг/дм³, тривалість контакту реагентів з бактеріями 60 хв. Вихідне навантаження мікроорганізмів 10⁵ КУО/см³.

При використанні в якості флокулянту поліДАДМАХ максимальне знищення бактерій спостерігали при використанні композиції "ДГСА+поліДАДМАХ", яке становило 99,96% (3,4 порядки з 5), що відповідало вимогам до питної води, а саме, в 1 см³ води менше 100 клітин E.coli. Щодо композицій "СА+поліДАДМАХ" та "ОХА+поліДАДМАХ", то їх дози ще потрібно було збільшувати, оскільки межа 100 мікроорганізмів в 1 см³ не була досягнута. Для першої композиції вона перевищувала в три рази, а для другої майже вдвічі, хоча ефективність знищення бактерій була досить високою 99,78% і 99,87% відповідно (рис. 5).

При використанні композицій "коагулянт+Валеус" найкращу здатність до очищення води від бактерій проявила композиція "ДГСА+Валеус". Ефект знезаражування становив 99,99%, що підтверджує високу коагуляційну ефективність дигідроксосульфату алюмінію з біоцидним флокулянтом на основі полігексаметиленгуанідину.

Видалення бактерій E. coli з природної води, попередньо контамінованої ними, відбувається за такою ж динамікою, що і з водопровідної та дистильованої води. Порівняльні дослідження знезаражуючої дії СА, ДГСА та композитів "СА і ПоліДАДМАХ" та "ДГСА і Валеус" представлено в табл. 3. Ступінь видалення мікроорганізмів коагулянтами СА та ДГСА становить 98,0 і 99,0% відповідно. Використання композицій - СА і ПоліДАДМАХ та ДГСА і "Валеус" дозволяє більш ефективно знищувати бактерії. Це пов'язано з катіонними властивостями флокулянту, оскільки відомо, що бактерії E.coli, як і більшість мікроорганізмів, мають від'ємний заряд. Ступінь видалення мікроорганізмів становить 99,8% при використанні "СА і поліДАДМАХу" і 99,99% - "ДГСА і Валеусу".

Наступним кроком було дослідження фізико-хімічних показників води, очищеної води за допомогою композицій "коагулянт+флокулянт". Дані табл. 3 свідчать про ефективність застосування запропонованої композиції з метою отримання питної води високої якості.

Застосування композиції ДГСА з Валеусом забезпечує більш повне прояснення води і зменшує привнесення в очищувану воду залишкового алюмінію в 3-5 разів. Зменшення дози коагулянту дозволяє економити реагент на 30-40%. Застосування катіонного флокулянту підсилює ефект очищення.



Таблиця 3

Вплив коагулянтів СА і ДГСА та їх композицій з флокулянтами поліДАДМАХ і Валеус на очищення води за фізико-хімічними показниками Вихідна вода р. Десна мала наступні показники: каламутність - 4,2 мг/дм³, кольоровість - 25 град, лужність - 3,95 ммоль/дм³, рН - 8,15, t - 18 °С.

Коагулянт	Флокулянт	Кольо-ровість, град	Каламут-ність, мг/дм3	Залишковий алюміній, мг/дм3
Тип	Доза, мг/дм3	Тип	Доза, мг/дм3
СА	4.5			21	1,3	1,41
	6.0			20	3,0	1,30
	7.5			18	1,1	1,22
	9.0			17	1,0	1,10
СА	4.5	ПоліДАДМАХ	2.5	18	0,9	1,15
	6.0		2.5	17	0,8	1,06
	7.5		2.5	16	0,7	0,94
	9.0		2.5	15	0,6	0,85
ДГСА	4.5			15	0,45	0,56
	6.0			13	2,0	0,49
	7.5			12	0,35	0,38
	9.0			11	0,3	0,30
ДГСА	4.5	Валеус	2.5	13	1,05	0,44
	6.0		2.5	12	0,93	0,36
	7.5		2.5	11	0,82	0,30
	9.0		2.5	9	0,71	0,23

Відповідно до отриманих результатів запропоновано апаратурно-технологічну схему, в якій виключено стадію первинного хлорування. Відповідно до технології для знезаражування повинен використовуватися біоцидний флокулянт Валеус.

Принципова технологічна схема підготовки питної води

Очищувана вода під тиском насосів першого підйому подається на барабанні сітки для вилучення крупних зависей (рис. 6). Потім вона надходить у змішувач, у який додають коагулянт та флокулянт. Після змішування з реагентами вода надходить до камери пластівцеутворення, вмонтованої у відстійнику. Утворені великі агрегати випадають в осад. Потім вода надходить на швидкий фільтр, перед яким за потреби додають реагенти для дезодорації, фторування чи інтенсифікації процесу фільтрування. Профільтровану воду знезаражують (хлорвмісними сполуками) і направляють у резервуар чистої води, звідки насосом другого підйому вона подається в мережу водоспоживача.

Еколого-техніко-економічне обґрунтування свідчить про доцільність впровадження у виробництво запропонованої технології підготовки питної води. Забезпечується високий екологічний рівень питної води (зниження концентрації хлорвмісних сполук, залишкового алюмінію, забезпечення бактеріологічної безпеки отриманої питної води). Економічними розрахунками показано, що період повернення інвестицій з врахуванням фактору часу (за життєвого циклу проекту 5 років) - 1,71 роки.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В результаті виконаних досліджень:

1. Вивчили кінетику розчинення металічного алюмінію в розчині сульфату алюмінію різної концентрації - 10…40% в температурному інтервалі - 60…90 °С. Визначили оптимальні умови синтезу дигідроксосульфату та основних сульфатів алюмінію та підтвердили обрані оптимальні умови синтезу коагулянтів за допомогою математичної обробки - при концентрації розчину сульфату алюмінію 20%, температура синтезу - 84…90 °С, тривалість - 3,8…4,0 год. За допомогою математичного планування створили модель процесу, що досліджувався. При дослідженні термографічних характеристик отриманих коагулянтів ДГСА та ОСА виявили ендоефекти, які свідчать про ступеневе видалення води. Кінцевим продуктом розкладу ДГСА та ОСА є г-Al₂O₃. Аналіз рентгенографічних досліджень показав, що ОСА є сумішшю ДГСА та СА.

2. Проведено дослідження коагуляційних властивостей дигідроксосульфату та основних сульфатів алюмінію в порівнянні з традиційним коагулянтом - сульфатом алюмінію. Визначили, що чим основнішим є коагулянт, тим кращу коагуляційну активність він проявляє. Таким коагулянтом є дигідроксосульфат алюмінію Мо 2,0. Показано переваги використання таких коагулянтів в холодну пору року та в весняно-осінній паводковий період. Запропонували можливість варіювати використання коагулянтів різного ступеню основності для кожної пори року для отримання питної води високої якості та значно зменшити вартість процесу очищення. Якщо для очищення природної води р. Десна в весняний період року потрібна доза СА 12,0 мг/дм³, то при очищенні за допомогою ДГСА доза становить 4,5 мг/дм³, ОСА Мо 2,3 - 6,5 мг/дм³, для ОСА Мо 2,5 і 2,7 - 7,5 мг/дм³. При очищенні Дніпровської води зберігається така ж тенденція. Для СА оптимальна доза становить 19,5 мг/дм³, для ДГСА - 12,0 мг/дм³, для ОСА Мо 2,3 - 13,5 мг/дм³, для ОСА Мо 2,5 і 2,7 - 15,0 мг/дм³. Внаслідок цього зменшуються витрати коагулянту на 40…55 %, що зумовлює зменшення вартості процесу підготовки питної води. Визначили, що найефективнішим коагулянтом є ДГСА з Мо 2,0.

3. Дослідили динаміку видалення бактерій традиційними коагулянтами та дигідроксосульфатом алюмінію на дистильованій та водопровідній водах. Коагулянти здатні видаляти бактерії E.coli з води на 95-99,3%. Причому основну масу бактерій вони видаляють протягом перших 10 хв. ДГСА очищає воду від бактерій на 99,3% (2,2 порядки з 5,0), тоді як СА видаляє всього 97,9% (1,67 порядки з 5,0). Визначили, що коагуляційна динаміка видалення мікроорганізмів з водопровідної води для коагулянтів та флокулянтів така ж як і для дистильованої води, з тою різницею, що ступінь видалення бактерій дещо підвищився.

4. Визначили, що при очищенні природної води від бактерій флокулянтами поліДАДМАХом та Валеусом, кращі знезаражуючі властивості притаманні останньому. За однакових параметрів очищення природної води знищення бактерій Валеусом є ефективнішим на 1,5 порядки з 5,0 (що відповідає 0,4-0,5%) ніж поліДАДМАХом. Така здатність Валеусу пояснюються поєднанням біоцидних та флокуляційних властивостей. Ефективність знищення бактерій E.coli для Валеусу дозою 0,5 мг/дм³ становить 99,5%. Для досягнення такого ефекту поліДАДМАХом потрібна доза 2,0 мг/дм³.

5. Дослідили ефективність очищення природної води композиціями "коагулянт+флокулянт". В якості коагулянтів використовували ДГСА, СА, ГХА, флокулянтів - поліДАДМАХ, Валеус. Серед 6-ти композицій відзначили "ДГСА+Валеус" як таку, що має найкращий бактерицидний ефект 99,999%. Дослідили динаміку видалення бактерій за допомогою цієї композиції та різну послідовність введення реагентів в порівнянні з традиційною композицією "СА+поліДАДМАХ". Визначили, що запропонована композиція покращує якість води за бактеріологічним та фізико-хімічними показниками. При використанні такої композиції зменшується кількість залишкового алюмінію в очищуваній воді на 30-40%, кольоровість на 2 - 3 град, каламутність - 50 %. При сумісному використанні коагулянту ДГСА і флокулянту Валеус доза коагулянту зменшується на 25-30%.

6. На основі проведених досліджень запропоновано принципову технологічну схему підготовки питної води, в якій немає стадії первинного хлорування. Запропоновано використовувати в якості коагулянтів ДГСА або ОСА Мо 2,3; 2,5; 2,7 та флокулянту Валеус, який забезпечує знезаражування води, з наступним фільтруванням та хлоруванням з метою запобігання забруднення води мікроорганізмами у водопровідній мережі.

7. При обсязі виробництва рідкого коагулянту підвищеної основності у натуральному вираженні 50000 т/рік період повернення інвестицій з врахуванням фактору часу (при життєвому циклу проекту 5 років) - 1,71 роки. Еколого-техніко-економічне обґрунтування та розрахунки економічної ефективності проекту свідчать про високу економічну ефективність запропонованого заходу та про безперечну доцільність впровадження його у життя.



СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ільчик О.О. Для очищення води / Ільчик О.О. (Хижняк), Запольський А.К. // Харчова та переробна промисловість. - 2006 р. - №3 - С. 26-27.

Здобувачем розглянуто переваги та недоліки існуючих коагулянтів для очищення природних вод.

2. Хижняк О.О. Ефективність алюмінієвих коагулянтів різної основності при очищенні природної води / Хижняк О.О., Запольський А.К., Демченко В.Я., Голюк П.В. // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2007 р. - № 2. - С. 48-52.

Здобувачем представлено результати коагуляційного очищення природних вод рр. Десна та Дніпро в зимову пору року.

3. Хижняк О.О. Застосування основних сульфатів алюмінію для ефективного очищення природної води / Хижняк О.О., Запольський А.К. // Наукові праці НУХТ. - 2007 р. - № 20. - С. 7-11.

Здобувачем наведено результати коагуляційного очищення природних вод в весняно-паводковий період року.

4. Хижняк О.О. Проблема знезаражування природної води / Хижняк О.О. // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2007. - №.5 - С. 129-135.

Здобувачем розглянуто проблему знезаражування природних вод та недоліки хімічних дезінфектантів, які використовують для підготовки питної води.

5. Хижняк О.О. Знезаражування води / Хижняк О.О., Запольський А.К. // Харчова та переробна промисловість. - 2008 р. - №2. - С. 28-30.

Здобувачем представлено результати коагуляційно-флокуляційного очищення вод від бактерій E.coli.

6. Патент України на корисну модель №25556, UA, МПК С02 F 1/52. Спосіб очищення природної та доочищення питної води / Хижняк О.О., Запольський А.К. - № u200704069; заявл. 13.04.2007; опубл. 10.08.2007, бюл. № 12.

Здобувачем запропоновано використовувати для підготовки питної води за фізико-хімічними показниками композицію "коагулянт+флокулянт".

7. Патент України на корисну модель №27355, UA, МПК С02 F 1/52. Спосіб очищення природної та доочищення питної води: Хижняк О.О., Запольський А.К., Ковтун Ю.Л. - № u200707138; заявл. 25.06.2007; опубл. 25.10.2007, бюл. № 17.

Здобувачем запропоновано використовувати для знезаражування природної води композицію "коагулянт+флокулянт".

8. Саприкіна М.М., Хижняк О.О. Використання процесів коагуляції та флокуляції для знезараження питної води / Актуальні проблеми токсикології. Безпека життєдіяльності людини: 8-ма Міжнародна науково-практична конференція / Під ред. М.Г. Проданчука; 4-7 червня 2007, Київ. - С.47.

Здобувачем представлено результати знезараження води з використанням процесів коагуляції та флокуляції.

9. Ільчик О.О. (Хижняк), Запольський А.К Очищення питної води за допомогою високоефективних коагулянтів / Матеріали науково-практичних конференцій ІІІ Міжнародного водного форуму "АКВА Україна - 2005". 4-7 жовтня 2005р. - С. 270-271.

Здобувачем наведено результати порівняльної коагуляційної здатності високо основного коагулянту в порівнянні з традиційним - сульфатом алюмінію.

10. Ільчик О.О. (Хижняк), Запольський А.К Використання композитних реагентів для підготовки високоякісної питної води / Матеріали науково-практичних конференцій ІV Міжнародного водного форуму "АКВА Україна - 2006". 19-21 вересня 2005р. - С. 369-370.

Здобувачем розглянуто знезаражування природної води різними композиціями реагентів - коагулянтами та дезінфектантами.

11. Ільчик О.О. (Хижняк), Запольський А.К Исследование эффективности очистки природной воды коагулянтами на основе алюминия / Техника и технология пищевых производств: тез. докл. V Междунар. науч. конф. студентов и аспирантов 26-27 апреля 2006 г., Могилев / УО "Могилевский государственный университет продовольствия"; редкол.: А.В. Акулич (отв. ред.) [и др.]. - Мог.: УО "МГУП", 2006. - С. 51.

Здобувачем встановлено ефективність коагуляційної здатності реагентів в залежності від основності коагулянту.

12. Запольський А.К., Ільчик О.О. (Хижняк) Синтез нових ефективних коагулянтів для підготовки питної води / Сучасні проблеми технології неорганічних речовин: Тези доповідей ІІІ Української науково-технічної конференції з технології неорганічних речовин, 20-22 вересня 2006р., Дніпропетровськ: УДХТУ, 2006 р. - С. 268 -269.

Здобувачем представлено удосконалену технологію отримання високоосновних коагулянтів.

13. Хижняк О.О., Запольський А.К Порівняння ефективності очищення природної води в зимову пору року композитними коагулянтами та сульфатом алюмінію / Програма і матеріали 72-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів "Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті", 23-24 квітня 2007р. - К.: НУХТ, 2007. - Ч. ІІ. - С. 96.

Здобувачем наведено результати коагуляційної здатності високоосновних коагулянтів різної основності в холодну пору року.

14. Ільчик О.О. (Хижняк), Запольський А.К Порівняння ефективності очищення природної води композитними коагулянтами / Програма і матеріали 73-ї наукової конференції молодих учених, аспірантів і студентів "Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХІ столітті", 17-18 квітня 2006 р. - К.: НУХТ, 2007. - Ч. ІІ. - С. 89.

Здобувачем розглянуто ефективність знезаражування природних вод композицією дигідроксосульфат алюмінію та флокулянт на основі полігексаметиленгуанідину.

15. Хижняк О.О., Запольський А.К. Путь решения проблемы обеззараживания питьевой воды / Социально- медицинские аспекты экологического состояния Центрального экономического района России: Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием, г. Тверь, 25-26 октября 2007 г. / Под ред. Б.Н. Давыдова, А.Ф. Цыба, В.А. Сольвьев и др. - Тверь: ООО "Издательство "Триада", 2007. - С. 491-493.

Здобувачем запропоновано вирішення проблеми знезаражування природних вод з використанням коагулянту та бактерицидного флокулянту.



АНОТАЦІЯ

Хижняк О.О. Удосконалення технології підготовки питної води з застосуванням високоефективних коагулянтів і бактерицидного флокулянтом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.21 - Технологія водоочищення. - Національний університет харчових технологій, Київ, 2008.

Робота присвячена розробці наукових засад технології підготовки питної води з використанням в якості коагулянтів основних сульфатів алюмінію, зокрема, дигідроксосульфату алюмінію (ДГСА) та флокулянту - суміші солей полігексаметиленгуанідину (ПГМГ).

Визначено оптимальні параметри синтезу основних сульфатів алюмінію та дигідроксосульфату алюмінію. Практично отримані результати були підтверджені теоретичними розрахунками за допомогою математичної обробки.

В роботі встановлено, що використання основних сульфатів та дигідроксосульфату алюмінію значно інтенсифікує процес очищення води за фізико-хімічними показниками.

Особливо значимим фактором є зменшення вмісту в очищеній воді вміст залишкового алюмінію.

Досліджено знезаражуючу ефективність флокулянтів полідиалілдиметиламоній хлориду та суміші солей ПГМГ (Валеус) та їх композицій з коагулянтами.

Встановлено композицію "коагулянт+флокулянт", яка має високий знезаражуючий ефект та ефективну коагуляційну здатність. Такою композицєю є "ДГСА+Валеус".

Запропоновано апаратурно-технологічну схему підготовки питної води з використанням композиції "ДГСА+Валеус".

Ключові слова: коагулянт, флокулянт, основні сульфати алюмінію, дигідроксосульфат алюмінію, полігексаметиленгуанідин, полідиалілдиметиламоній хлорид, композиція "ДГСА+Валеус", знезаражуючий ефект.



АННОТАЦИЯ

Хижняк О.А. Усовершенствование технологии подготовки питьевой воды с использованием высокоэффективных коагулянтов и бактерицидного флокулянта. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.17.21 - Технология водоочистки. - Национальный университет пищевых технологий, Киев, 2008.

Робота посвящена разработке научных основ технологии подготовки питьевой воды с использование в качестве коагулянтов основных сульфатов алюминия и дигидроксосульфата алюминия и флокулянта - смеси солей полигексаметиленгуанидина (ПГМГ).

Определены оптимальные параметры - температура, концентрация сульфата алюминия и продолжительность синтеза основных сульфатов алюминия (Мо 2,3; 2,5; 2,7) и дигидрососульфата алюминия (Мо 2,0) при взаимодействии металлического алюминия и раствора сульфата алюминия. Практически полученные результаты были подтверждены теоретическими расчетами с использованием математической обработки.

Установлено, что использование основных сульфатов (ОСА) и дигидроксосульфата алюминия (ДГСА) значительно интенсифицирует процесс очистки воды по физико-химическим показателям. Исследование коагуляционной эффективности проводилось на природных водах рр. Днепр и Десна в течение четырех сезонов года (зимний, весенний, летний, осенний). Особенно важным фактором является уменьшение количества в очищенной воде остаточного алюминия. Кроме того, значительно уменьшается цветность и мутность очищенной воды.

Исследована обеззараживающая эффективность флокулянтов полидиалилдиметиламоний хлорида и смеси солей полигексаметиленгуанидина (Валеус) и их композиций с коагулянтами дигидроксосульфатом, гидроксохлоридом и сульфатом алюминия. Опыты проводили на предварительно контаминированной бактериями E.coli дистиллированной, водопроводной и природной водах. Показано, что среди коагулянтов наибольшую коагуляционную эффективность по отношению к бактериям показал ДГСА, среди флокулянтов - Валеус. Исследованы композиции "коагулянт+флокулянт" из перечисленных реагентов. Установлено, что наиболее эффективная композиция "ДГСА+Валеус".

Предложена аппаратурно-технологическая схема подготовки питьевой воды с использованием в качестве коагулянта дигидроксосульфата или основного сульфата алюминия, в качестве флокулянта - Валеус. В этой схеме не использовалась стадия первичного хлорирования, которая обуславливает появление в очищенной воде хлорорганических веществ.

Ключевые слова: коагулянт, флокулянт, основные сульфаты алюминия, дигидроксосульфат алюминия, полигексаметиленгуанидин, полидиалилдиметиламоний хлорид, композиция "ДГСА+Валеус", обеззараживающий эффект.



SUMMARY

Khizhnjak O. A. Improvement of technology of preparation of potable water with use of highly effective coagulants and bactericidal floculant. - The manuscript.

Thesis for scientific degree of the techniques science in speciality 05.17.21 - Technology of water purification. - National university of food technologies, Kiev, 2008. сульфат алюміній очищення вода

The work deals with developing of scientific bases of technology of preparation of potable water using basic sulphates of aluminium, especially dihydroxosulphate of aluminium (DGSA) and floculant - mixes of salts polygexamethylenguanidine (PGMG) as coagulants. Optimal parameters of synthesis of the basic sulphates of aluminium and dihydroxosulphate of aluminium are determined. Practically received results are confirmed by theoretical calculations with use of mathematical processing.

It is ascertained, that use of the basic sulphates and dihydroxosulphate of aluminium considerably intensifies water treating process on physical and chemical indicators. Quantity reduction in the cleared water of residual aluminium is an especially important factor.

Disinfecting efficiency floculant polydiallildimethylammonium chloride and a mix of salts PGMG (Valeus) and their compositions with coagulants is investigated. A composition "floculant+coagulant" with high disinfecting effect and effective coagulational ability is fixed. The composition is "DGSA+Valeus".

The hardware-technological scheme of preparation of potable water with composition use " DGSA+Valeus " is offered.

Keywords: coagulant, floculant, the basic sulphates of aluminium, dihydroxosulphate of aluminium, polygexamethylenguanidine, polydiallildimethylammonium chloride, composition "DGSA+Valeus", disinfecting effect.

Размещено на Allbest.ru

...