Моделювання комбінованих процесів очищення води на основі ультрафільтрації

Більшість традиційних способів отримання питної води на основі флотації, хлорування, коагуляції,  відстоювання і фільтрування мають низку недоліків, серед яких – значне коливання якості очищеної води, великі габарити устаткування; можливість утворення небезпечних канцерогенів при знезараженні хлоровмісними реагентами, споживання великих кількостей дорогих хімічних реагентів, а також необхідність в організації їх зберігання і приготування [1–3].

Зокрема, методи осадження і фільтрування з попередньою коагуляцією ефективні переважно при видаленні домішок природного походження; за останні десятиліття значно зросла кількість техногенних забруднюючих речовин, які не завжди можуть бути видалені з води відстоюванням і фільтруванням [4].

Вказаних недоліків позбавлений мембранний метод ультрафільтраційного очищення води, що використовується для отримання питної води в промисловості і комунальному господарстві безпосередньо з поверхневого джерела. При попередній коагуляції ефект освітлення і ступінь вилучення органічних сполук істотно збільшується. Такий метод малочутливий до змін дози коагулянту, оскільки пластівці, що утворюються, піддаються фільтруванню незалежно від їх розміру. При цьому формування крупних пластівців не вимагає тривалого часу, тобто немає необхідності у використанні камери пластівцеутворення. Якість очищеної води після обробки на ультрафільтраційній мембрані стабільна незалежно від складу початкової води; очищена вода безпечна за мікробіологічними показниками [5].

Загальнопоширене тонке очищення природної води механічними методами перед бутелюванням подекуди не дозволяє досягти належного ступеню очищення. Цієї вади позбавлений перспективний метод поліпшення якості води методом стерилізуючої ультрафільтрації [5].

Також ультрафільтрація дає змогу використовувати зворотньоосмотичні системи для очищення води, яка має дуже високий потенціал біозаростання [7].

Комбінована технологія «коагуляція-ультрафільтрація» – новий та перспективний для дослідження спосіб кондиціонування води. Дана технологія досліджується для використання як при очищенні природних поверхневих вод, так і при очищенні стічних вод. Дана технологія передбачає використання різноманітних органічних та неорганічних коагулянтів, а також можливість дозувати коагулянт безпосередньо у потік, необхідність встановлення попередніх ємностей для формування пластівців [8].

Оскільки основний використовуваний показник вмісту органічних речовин у воді – перманганатна окиснюваність, – не завжди адекватно не відображає дійсної якості води (зокрема, через те, що техногенні органічні сполуки дуже важко окиснюються перманганатом калію), виникають труднощі у виборі оптимальної дози коагулянту. Результатом є нестабільна робота освітлювачів і додаткового навантаження на подальші стадії очищення. Введення додаткових стадій очищення (озонування, сорбція активованим вугіллям і ін.) призводить до збільшення експлуатаційних витрат і, відповідно, собівартості очищеної води.

Отже, важливим етапом дослідження комбінованої технології «коагуляція-ультрафільтрація» є визначення оптимальної дози коагулянту. На даний час, в основному, використовуються лише емпіричні методи визначення оптимальної дози коагулянту, що засновані на так званих «пробних коагуляціях». У деяких випадках дозу коагулянту Аl2(SО4)3, FеСl3, FеSО4 або Al2(OН)nCl6-n для забарвлених вод можна орієнтовно визначити за формулою:

де Ц– кольоровість води, град; Д – доза коагулянту, мг/дм3.

Зі зменшенням температури оброблюваної води доза коагулянту значно зростає, особливо у разі каламутних вод. Із зменшенням каламутності води вплив температури менший. Доза коагулянту зростає зі збільшенням вмісту у воді завислих речовин, особливо для тонкодисперсних зависей. При значному вмісті завислих речовин вони, вкриваючись "кожухом" колоїдних часточок гідроксиду алюмінію, коагулюють, запобігаючи утворенню довгих ланцюгових містків з кулястих часточок [9]. У результаті цього потрібна менша доза коагулянту. Для високозабарвлених вод з підвищенням їх лужності доза коагулянту збільшується, для каламутних – зменшується.

При дозуванні коагулянту значення рН води залишається важливим фактором. Так при низьких рН утворені в процесі коагуляції флокули, «деградують», що призводить до додаткового забруднення мембрани.

Метою даної роботи було дослідження залежності ступеню очищення води від температури, виду та дози коагулянту. Для очищення води були обрані три коагулянти: хлорид заліза (III), сульфат алюмінію і гідроксид алюмінію. При використанні комбінованої технології коагуляції-ультрафільтрації найбільш доцільним є діапазон доз коагулянту від 1 до 10 мг/дм3. В умовах промислового застосування значне збільшення дози коагулянту, призведе до невиправданого збільшення витрат на обслуговування. Крім того, при дозі коагулянту більше 10 мг/дм3 спостерігається швидке закупорювання пор мембрани, що призводить до зменшення продуктивності. При проведенні експериментів доза коагулянту становила 1, 5 і 10 мг/дм3. Діапазон температур 15 – 30°С обумовлений технологічними параметрами процесу. Отриманий фільтрат аналізували за такими показниками: колірність і перманганатна окиснюваність (ПО).

План експерименту і результати реалізації цього плану представлені в табл. 1 і табл. 2 (значення перманганатної окиснюваності та кольоровості, відповідно).

На основі отриманих експериментальних даних була проведена параметрична ідентифікація поліноміальних моделей. Так, залежності перманганатної окиснюваності від температури і дози коагулянту для досліджуваних коагулянтів (Al2(SO4)3, FeCl3 и Al2(OН)nCl6-n, відповідно) мають вигляд:

Y1 = 11,178 – 1,5938x1 + 0,2024x2 + 0,00593x1x2 + 0,05746x1x1 – 0,00469x2x2
Y2 = 14,77 – 0,55689x1 – 0,25625x2 + 0,00309x1x2 + 0,00539x1x1 + 0,00602x2x2
Y3 = 12,242 – 0,43321x1 – 0,06979x2 + 0,000102x1x2 – 0,05120x1x1 + 0,00151x2x2
Таблиця 1 – Залежність значень ПО фільтрату від температури і дози коагулянту

Темпер. (°С)

Al2(SO4)3

FeCl3

Al2(OН)nCl6-n

Доза коагулянту (мг/дм3)

1

5

10

1

5

10

1

5

10

15

11,81

6,94

3,90

11,81

9,78

7,75

11,02

8,10

2,12

20

11,81

7,75

4,10

11,41

9,99

7,55

11,02

8,00

2,00

25

11,81

7,35

4,91

11,61

9,99

7,75

10,97

8,00

2,00

30

11,81

7,35

4,51

12,20

9,99

8,57

11,00

8,10

2,10

Таблиця 2 – Залежність значень колірності фільтрату від температури і дози коагулянту

Темпер. (°С)

Al2(SO4)3

FeCl3

Al2(OН)nCl6-n

Доза коагулянту (мг/дм3)

1

5

10

1

5

10

1

5

10

15

114,24

47,12

19,28

114,00

85,00

61,40

92,11

44,00

7,20

20

110,67

57,12

24,99

112,00

86,00

59,30

92,11

42,13

7,14

25

117,81

51,41

24,28

110,00

80,00

59,30

92,11

42,15

7,14

30

110,67

54,26

27,13

115,00

85,00

58,50

92,08

44,00

7,20

Експериментально-статистичні моделі залежності колірності води від температури і дози коагулянту для зазначених вище коагулянтів можуть бути представлені у вигляді:

Y4 = 114,05 – 22,849x1 + 1,9589x2 + 0,05749x1x2 + 1,0562x1x1 – 0,04517x2x2
Y5 = 137,3 – 8,4344x1 – 1,528x2 – 0,01624x1x2 + 0,26865x1x1 + 0,03416x2x2
Y6 = 113,3 – 15,649x1 – 0,5771x2 + 0,000225x1x2 + 0,56426x1x1 + 0,01278x2x2

де Y1, Y2, Y3, – величина перманганатної окиснюваності фільтрату при використанні коагулянтів Al2(SO4)3, FeCl3 и Al2(OН)nCl6-n, відповідно, а Y4, Y5,Y6 – колірність фільтрату при використанні тих же коагулянтів; x1 – доза коагулянту, x2 – температура.

На рисунках 1 і 2 наведено, відповідно, залежності зміни перманганатної окиснюваності та колірності фільтрату від виду та дози коагулянту при видаленні гумінових речовин з води ріки Дніпро.


Рис. 1 Залежність зміни перманганатної окиснюваності від дози коагулянту

 
Рис. 2 Залежність зміни колірності від дози коагулянту

Очевидно, що збільшення дози коагулянту від 1 до 10 мг/дм3 призводить до суттєвого зменшення як перманганатної окиснюваності води, так і колірності фільтрату. Слід зазначити, що при не високих дозах (1 мг/дм3) коагулянти показали однаковий ступінь зниження перманганатної окиснюваності та майже однаковий колірності. При зростанні дози коагулянту, використання гідроксихлориду алюмінію дозволяє досягти більш суттєвих результатів по зниженню колірності та перманганатної окиснюваності води.

Дослідження впливу температури на протікання процесу прямоточної коагуляції в умовах ультрафільтрації для всіх розглянутих коагулянтів показало, що в досліджуваному діапазоні температура несуттєво впливає на якість очистки води (рис. 3 та 4).


Рис. 3. Залежність зміни перманагантної окиснюваності від температури для коагулянту гідроксихлориду алюмінію


Рис. 4. Залежність зміни колірності від температури для коагулянту гідроксихлориду алюмінію

Отримані результати свідчать про ефективність комбінованої технології «коагуляція-ультрафільтрація», яка дозволила в 3-5 разів (в залежності від використовуваного коагулянту) покращити очищення води. З досліджуваних коагулянтів найбільш ефективний результат отриманий при використанні гідроксихлориду алюмінію.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Lahoussine-Turcaud V., Wiesner M.R., and others. Coagulation pretreatment for ultrafiltration of a surface water // J.A.W.W.A. – 1990. - № 12. – р. 82 – 87.
2. Xia S., Nan J., Liu R., and others. Study of drinking water treatment by ultrafiltration of surface water and its application to China // Desalination. – 2004.- № 170. – р. 41 – 47.
3. Exall K.N., and vanLoon G.W. Using coagulants to remove organic matter // J.A.W.W.A. – 2000. - № 11. – р. 92 – 102.
4. Андрианов А.П. Получение питьевой воды с помощью мембранного метода ультрафильтрации // Экологические системы и приборы. – 2003. - №4. – с.15 – 18.
5. Ustimova I.G., Parilova O.F., and others. Application of ultrafiltration as water pretreatment for industrial desalination units // Membrane technologies in water and waste water treatment: IWA regional conference. – Moscow, Russia. – 2 – 4 June 2008. – p. 59 – 64.
6. Перов А.Г. Ультрафильтрация - технология будущего // ВСТ. – 2001. - №4.- С. 15 – 18.
7. Sandaramoorthy K., Brugger A., Lerch A., Gimbel R. Studies on the minimization of NOM fouling of MF/UF membranes with the help of a submerged “single” capillary membrane apparatus // Desalination. – 2005 - №179. – р 355 – 367.
8. Ерохина Л.В., Поворов А.А., Шиненкова Н.А., и др. Применение микро-ультрафильтрации для очистки вод поверхностных источников // Критические технологии. Мембраны. – 2005. - №4. – С.21 – 25.
9. Агеев Е.П. Применение процессов мембранного разделения // Критические технологии. Мембраны. – 2001. - №9. – С.5 – 26.

УДК 628.3:66.011:621.9:519.2
Гаршин В.Р. Моделювання комбінованих процесів очищення води на основі ультрафільтрації [Електронний ресурс]  / [Гаршин В.Р., Квітка О.О., Шахновський А.М. та ін.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.54–57. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet