Совершенствование очистки воды от ПАВ для оборотного водоснабжения (на примере плавательного бассейна)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет

Совершенствование очистки воды от ПАВ для оборотного водоснабжения (на примере плавательного бассейна)

Доскина Э.П., Юрьев Ю.Ю., Игнаткина Д.О., Батманов В.П., Сидякин П.А., Кузьмина Т.А.

Волгоград

Аннотация

Рассматривается очистка воды в плавательных бассейнах, от неионогенных и анионных ПАВ с применением специальных адсорбентов. Очистка воды плавательныx бассейнов уникальна, прежде всего потому, что в воде содержатся различные типов загрязнений, которым она подвержена. Большинство этих загрязнений вносятся самими пользователями плавательного бассейна и они должны быть удалены или разрушены (бактерии, вирусы, органика, пот, волосы, косметика, и т.д.). Обработка воды бассейна намного более сложная из-за необходимости проводить ее многократно, чем очистка питьевой воды, которая проводится единоразово. На основе проведенных исследований, дано технологическое решение повышения эффективности очистки оборотных вод в плавательных бассейнах, обеспечивающее высокие эколого-экономические показатели водоочистки.

Ключевые слова: очистка воды, оборотное водоснабжение, плавательные бассейны, поверхностно-активные вещества (ПАВ), азотоаммонийные органические соединения (АОС), экспресс-метод анализа.

Существующие системы очистки воды в бассейнах, использующие последние новейшие достижения отечественных и зарубежных ученых показали, что в ходе эксплуатации, их эффективность, не достигнув запланированного рабочего ресурса, падает до 20-26%. Руководствуясь конечным результатом, в плавательных бассейнах увеличивают объемы потребляемой воды [1, 2].

В представленной статье исследуется и решается ряд вопросов, касающихся повышения эффективности очистки воды в плавательных бассейнах, что подтверждает ее актуальность.

Цель исследования - разработка метода очистки воды плавательных бассейнов от поверхностно-активных веществ.

Сформулированная цель предопределила постановку следующих задач:

- теоретически и экспериментально обосновать, что для очистки воды плавательных бассейнов от неионогенных и анионных ПАВ необходимо использовать специальные адсорбенты;

- экспериментально установить значения сорбционных характеристик, которыми должен обладать сорбент для очистки водных сред от ПАВ;

- изучить физико-химические свойства природного минерала - опоки и установить параметры проведения процесса модификации;

- определить параметры фильтрования воды плавательных бассейнов через модифицированную опоку для удаления неионогенных и анионных ПАВ.

На первом этапе исследования проведен анализ современного состояния водоочистки в плавательных бассейнах, рассмотрены новейшие технологии на основе сорбционных процессов, автокатализа, предполагающие многократное использование очищенной воды. Большой вклад в развитие данной темы внесли ученые отечественных научных школ: С.Н. Линевич, В.Н. Швецов, В.Л. Драгинский, Б.Р. Мишуков, О.Г. Примин, Л.В. Гандурина, В.И. Кичигин, Н.С. Серпокрылов, В.И. Аксенов, Б.П. Садковский и многие другие.

Проработка литературных источников показала, что проблема содержания ПАВ в водах общественных плавательных бассейнов изучена весьма фрагментарно, полученные результаты отличаются заметной противоречивостью и разбросом величин. Особенно это касается исследования неионогенных азотоаммонийных ПАВ (НПАВ). Имеются лишь единичные работы, посвященные их биотрансформации.

На сегодняшний день отсутствуют рекомендации по очистке воды в бассейнах от органических веществ, учитывающих их состав, функциональные группы в молекуле и способ получения.

Необходима разработка, удобных в эксплуатации экспресс-методов анализа «типичных» органических загрязнителей в воде бассейнов, искусственных водоемах. Полученные данные позволят, с учетом химических особенностей рассматриваемых веществ-загрязнителей, подбирать более гибкие, экономически выгодные водоочистные технологии.

Исследования выполнялись на лабораторных и пилотных установках в производственных условиях - плавательных бассейнах г. Волгограда и Волгоградской области с целью отработки технологических параметров в реальных условиях. Пилотные установки изготавливались ОАО компанией «Амазон». бассейн сорбционный фильтрование

Физико-химические свойства растворов исследовали: методом обратного гидростатического взвешивания - плотность растворов; вязкость - на вискозиметре типа «Реотест»; удельная электропроводность - на кондуктометре типа Марк 603/1; сталагмометрически - измерением поверхностного натяжения.

Состав и свойства продуктов взаимодействия адсорбента и адсорбата изучали с использованием рентгенофазового анализа [3-5].

Производственной площадкой для испытаний и последующего внедрения полученных результатов на реальных водах, являлись общественные плавательные бассейны в г. Волгограде и Волгоградской области (4 бассейна).

Вода бассейнов при относительно высокой постоянной температуре (28-30°С) является химически и биологически особой средой, отличной от природной. В водах бассейна обязательно появляются поверхностно-активные вещества (ПАВ) - органические вещества, снижающие поверхностное натяжение (поверхностную энергию) вследствие адсорбции на границе раздела фаз [6,7]. Такие соединения являются составной частью шампуней, гелей и других косметических средств.

При очистке воды в бассейнах труднейшей задачей является ликвидация всех ПАВ и, особенно, НПАВ.

ПАВ ориентированно адсорбируясь, образуют новый поверхностный слой с особыми физико-химическими свойствами, которые практически не учитываются в технологическом цикле очистки [8].

В данном исследовании выявлялась причина преждевременного снижения эффективности используемых сорбентов, требовалось выявить компоненты в водной среде, снижающие прикладной аспект сорбции [9].

В эксперименте, в качестве «рабочих» соединений в модельных растворах выбраны:

I - анионный ПАВ - додецилбензолсульфонат (сульфанол) - ДБС.

II - неионогенный ПАВ: - п-метиламинофенол (метол).

Анионные ПАВ, обладая высокой эмульгирующей и смачивающей способностями, могут присутствовать в водной среде в предельно-минимальной концентрации и при этом достигать желаемого эффекта, если в равной концентрации с ними будут присутствовать молекулы неионогенного ПАВ, например, метола.

Для разработки технологии очистки пресной воды в бассейнах, обеспечивающей стабильное нормативное качество, рассматривались варианты усовершенствования фильтрующих загрузок [10 -12]. В результате в качестве фильтрующей загрузки было предложено использовать модифицированный природный минерал - опоку.

Исследовали влияние температуры, начальной концентрации загрязнителей в растворе на процесс фильтрования через опоку.

Влияние температуры модельного раствора на интенсивность процесса фильтрования изучали при высоте слоя 100 мм. Удельный расход воды, проходящей через колонку, был 6,5 м³ /(м² ·ч). Изучение влияния температуры модельных растворов и реальной воды на интенсивность процесса фильтрования показало, что при снижении температуры возрастает эффективность удаления неионогенного ПАВ.

Также выявлено, что с повышением начальной концентрации загрязнителей - ПАВ и размеров фракций эффективность очистки увеличивается. При температуре 20 ⁰С и начальной концентрации ПАВ в воде до 5 мг/л и размере частиц фракции сорбента, не превышающим 1-5 мм, степень очистки воды составляет более 95 % (рис. 1,2).

Рис. 1 - Зависимость остаточной концентрации неионогенного ПАВ (№1) в отфильтрованной воде от температуры при использовании различных фракций сорбента.

Рис. 2 - Зависимость остаточной концентрации смеси (НПАВ:АПАВ=1:1) от температуры очищаемой воды

Изучение интенсивности процесса фильтрования модельных растворов через слой сорбента, показало, что степень очистки меняется в зависимости от удельного расхода воды.

Значения показателей очистки достигались при комнатной температуре спустя определенное время после начала работы фильтра.

При применении мелких фракций сорбента степень извлечения неионогенных поверхностно-активных веществ выше. Так, концентрации рассматриваемого НПАВ в очищенной воде после фильтрования через слой сорбента высотой 100 мм для смеси фракций 0,1-0,5 мм уложились в интервал 0,03-0,12 мг/л, для смеси фракций 1,0-5,0 мм - в интервал 0,1-0,3 мг/л, а для смеси фракций 5-10 мм соответствующий показатель очистки меняется в пределах 1,1-1,9 мг/л при тех же удельных расходах воды. Степень очистки при этом составляет соответственно, не менее 98,8%, 96,9% и 81,0%.

При удельных расходах модельного раствора до 6,5 м³/(м²·час) и температуре 20^оС снижение концентрации НПАВ в фильтрате до практически «отсутствия» может достигаться увеличением площади и времени связи загрязненной воды со смешанным реагентом, то есть, применением фракции с малыми размером частиц и увеличением высоты слоя сорбента в фильтре.

Измерения гидравлического сопротивления слоя сорбента показали, что с возрастанием удельного расхода загрязненной воды оно возрастает. Согласно табличным данным, применение загрузок с разным фракционным составом не слишком влияет на перепад давления. Видимо, вследствие того, что при указанных расходах линейные скорости воды в адсорбере малы и гидродинамический режим потока - ламинарный (Re<2300). Но, с увеличением дисперсности используемого сорбента гидравлическое сопротивление растет.

С увеличением удельного расхода до 6,0 м³/(м²·ч) наблюдается уменьшение эффективности, поэтому оптимальным можно считать расход воды 5-5,5 м³/(м²·ч).

В работе исследовали влияния высоты фильтрующего слоя на процесс очистки через сорбент.

Варьируя высоту загрузки (фракция 1,0-5,0 мм) при постоянном значении удельного расхода воды 5,5 м³/(м²·ч), удостоверились в том, что по истечение некого промежутка времени профиль фронта адсорбции оказывается практически неизменным и передвигается по направлению потока.

При удельном расходе 5-5,5 м³/(м²·ч) до проскока ПАВ в фильтрат отфильтровано 25 л модельной сточной воды через ряд последовательно расположенных слоев сорбента. Дистиллированная вода пропускалась сверху вниз, перед разборкой слоев через фильтр. Анализ указал отсутствие в ней ПАВ (менее 0,01%), что свидетельствует о достаточной прочности связывания ПАВ с сорбентом. Далее разобрав фильтр, слои сорбента были извлечены, отдельно взвешены и подвергнуты экстракции.

В результате получено, что при высоте слоя загрузки сорбента (фракция 1,0-5,0 мм) в фильтре более 100 мм, расходе загрязненной воды 5-5,5 м³/(м²·ч) время защитного действия фильтра составляет более 175 мин, достигается степень очистки от ПАВ более 98 % при достаточно высокой прочности связывания веществ в слое сорбента, что подтверждает выводы о хороших сорбционных свойствах рассматриваемого сорбционного материала (опоки) по ПАВ.

На основе теоретических и полученных экспериментальных данных разработана схема очистки воды в бассейнах с пресной водой (рис. 3.)

Рис. 3 - Блок-схема очистки и повторного использования воды бассейна: 1-бассейн; 2-фильтр; 3-озонирование; 4-УФО; 5- хозяйственно-питьевой водопровод; 6 - блок очистки промывной воды.

Ее реализация предполагает решение главной задачи для всех плавательных бассейнов: гарантированное качество воды, включающее содержание ПАВ и, прежде всего, неионогенных ПАВ в пределах ПДК.

Основные выводы

Теоретически обосновано и экспериментально доказано: при очистке водных сред и, в частности, в плавательных бассейнах, от неионогенных и анионных ПАВ необходимо использовать специальные адсорбенты, способные обеспечить максимальную адаптацию названных загрязнителей.

Такими свойствами, исходя из величин энергии образования адсорбционных комплексов, обладают пористые структуры, имеющие в составе оксиды и гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов.

Экспериментально доказано, что высокими сорбционными характеристиками при поглощении из водных сред ПАВ могут обладать природные минералы-опоки.

Изучены физико-химические свойства и характеристики природного минерала-опоки, определены закономерности ее модификации окислителем.

Определены параметры фильтрования с использованием опоки в качестве загрузки: при высоте слоя загрузки (фракция 1,0-5,0 мм) не более 100 мм, расходе загрязненной воды 5-5,5 м³/(м²·ч) время защитного действия фильтра составляет 175 мин., степень очистки более 98 %.

Применение модифицированной опоки для очистки от неионогенного и анионных ПАВ позволяет получать более стабильное нормативное качество воды в бассейнах круглый год с незначительными затратами на обработку (модифицирование) опок и регенерацию обработанного сорбента.

Литература

1. Колесников, В. П., Вильсон, Е. В. Современное развитие технологических процессов очистки сточных вод в комбинированных сооружениях / Под ред. Академика ЖКХ РФ В. К. Гордеева-Гаврикова// Ростов-на-Дону: «Изд-во «Юг», 2005. - 212 с.

2. Dell'Erba, A., Falsanisi, D., Liberti, L, Notarnicola, M. & Santoro, D. 2007, disinfection by-products formation during wastewater disinfection with peracetic acid», Desalination, vol. 215, no. 1-3, pp. 177-186.

3. Гиззатова Г. Л., Храмов В. А., Горлов И. Ф., Гурина Е. Ю.Способ контроля чистой воды -2008.Патент 2322670 С1 РФ, МПК G01N 33/18, G01N 31/22, G01N 21/78.

4. Безрогова, Е. В., Немодрук, А. А. Фотохимические реакции в аналитической химии. М.: «Химия»,1972. Образовательный журнал. 1998. №4. С. 39 - 44.

5. Young, D. M. Physical adsorption of gases / D. M. Young, A. D. Crowell. - London, 1962. - 181 p.

6. European Parliament 2006, Directive 2006/7/EC of the European parliament and of the council concerning the management of bathing water quality and repealing Directive 76/160/EEC, EU directive edn, Brussels.

7. Де Бур, Я. Динамический характер адсорбции: пер. с англ./Я. де Бур. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. - 290 с.

8. Титов, Г. В., Титова, Е. В., Кожин, С. В. // Ассоциация плавательных бассейнов, 2006. №28. - М.: Водолей вест. С. 26-27.

9. Гиззатова, Г. Л. Экстракция аминосоединений из проб воды водоемов Волгоградского региона// Материалы Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2006». Секция «Химия», т. 1. М.: 2006. - с. - 16.

10. Hawort, S., Zawlor, F., Mortemans, K. et. al. Salmonella mutagenicity results for 250 chemicals / Environ. Mutagen, 1983. Vol. 5, Suppl. 1 - pp. 3 - 142.

11. Серпокрылов Н.С., Щербаков С. A. Доочистка шахтных вод на фильтрах с песчаной загрузкой // Инженерный вестник Дона, 2011, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2011/434/.

12. Лаптев А.Г., Бородай E. Н. Математическая модель процесса адсорбции при очистке сточных вод ТЭС от нефтепродуктов // Инженерный вестник Дона, 2010, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2010/261/.

Размещено на Allbest.ru