Очищення води від бактерій за допомогою коагулянтів – основних сульфатів алюмінію

До основних екологічних проблем у світі відноситься проблема отримання води питної кондиції. Невпинне скорочення об’єму прісних вододжерел, підвищення середньорічної температури навколишнього середовища та багато інших факторів зумовлюють підвищення кількості мікроорганізмів у природних джерелах, а особливо, привертає до себе увагу підвищення кількості патогенної мікрофлори.

Основними реагентами, які застосовуються для підготовки води в Україні є коагулянти – сульфат алюмінію та знезаражуючі реагенти на основі хлору. Головним недоліком хлору є його канцерогенність, а сульфату алюмінію – малоефективність. Тому при підготовці води постає проблема щодо ефективних і безпечних для здоров’я людини реагентів [3].

Запропоновані коагулянти, а саме, основні сульфати алюмінію (ОСА) з Мо 2,3; 2,5; 2,7 та дигідроксосульфату алюмінію (ДГСА) з Мо 2,0, мають ряд переваг перед традиційними коагулянтами – сульфатом алюмінію (СА) та гідроксохлоридом алюмінію (ГХА) [3, 4, 5].

Оскільки більшість бактерій мають негативний заряд, то можна зробити припущення, що основні сульфати алюмінію будуть зумовлювати зниження кількості мікроорганізмів при очищенні природних вод.

Одним з нормативних показників за ГОСТ 2874-82 “Вода питьевая” в Україні є кількість бактерій групи кишкової палички (показник забруднення води виділеннями людини і теплокровних тварин) в 1 дм3, тому в якості модельних мікроорганізмів використовували лабораторний штам бактерій Escherihia coli 1257.

Вивчення коагуляційної ефективності ДГСА і ОСА (Мо 2,3; 2,5; 2,7) проводили в порівнянні з традиційним коагулянтом сульфатом алюмінію та гідроксохлоридом алюмінію. Результат видалення бактерій з води представляли як логарифм відношення бактерій, що вижили у воді (Nt), до вихідної кількості бактерій (No): 

Рис. 1. Ефективність видалення бактерій різними видами коагулянтів

Попередніми дослідженнями на модельній здистильованій та водопровідній воді підібрали оптимальні параметри очищення води від мікроорганізмів. З метою підбору раціональних параметрів досліджували вплив концентрації коагулянтів, тривалості контакту реагентів з мікроорганізмами, вихідного навантаження бактерій на процес знезаражування.

Наступним етапом було вивчення впливу різної концентрації коагулянтів на ефективність видалення бактерій. Тривалість контакту коагулянтів з бактеріями становила 60 хв., вихідне навантаження було 105 КУО/см3.

Діапазон зміни доз коагулянтів становив від 1,5 до 9,0 мг/дм3 (по Al2O3), що відповідає концентраціям, які застосовують на водоочисних станціях м. Києва. З рис. 1 видно, що основна кількість мікроорганізмів видаляється вже при концентрації 1,5 мг/дм3, яка є мінімальною. Подальше видалення бактерій є незначним. Крім того, невелика концентрація коагулянтів знижує ризик привнесення коагулянтами алюмінію, що покращує показники безпеки води, в очищувану воду та її каламутність. А використання в її подальшому очищенні флокулянтів покращить якість води за фізико-хімічними показниками. Тому при виборі концентрації коагулянту потрібно орієнтуватися на якість фізико-хімічних показників. В подальших дослідженнях на здистильованій воді використовували концентрацію коагулянтів 1,5 мг/дм3.

Наступним етапом було дослідження впливу тривалості контакту реагентів з мікроорганізмами. Коагулянти дозували в кількості 1,5 мг/дм3, тривалість контакту становила 10, 20, 30, 40, 50, 60 хв (рис. 2.). Основна кількість мікроорганізмів видалялася  коагулянтами протягом 10 хв.  –  96-98%. Збільшення тривалості контакту до 60 хв. збільшувало ступінь видалення бактерій коагулянтами до 98,0-99,1% (ступінь видалення 2 порядки з 5). Подальше збільшення тривалості контакту майже не змінювало ефективність видалення мікроорганізмів, тому для  досліджень тривалість контакту складала 60 хв.

Наступним кроком було вивчення впливу вихідного навантаження на ефективність очищення води коагулянтами (рис. 3). Діапазон варіювали від 103 до 106 КУО/см3.

Рис. 2. Вплив тривалості контакту бактерій Е.coli 1257 з коагулянтами на ступінь їх видалення (вихідне навантаження 105 КУО/см3)

Рис. 3. Вплив вихідного навантаження на ефективність видалення мікроорганізмів коагулянтами

При кількості бактерій у вихідній воді 104, їх видаляється на ≈ 10% менше, ніж при навантаженні 105. Оскільки мікроорганізми є часточками з від’ємним зарядом, і в здистильованій воді немає крім них більше будь-яких домішок, тому вихідне навантаження 104 КУО/см3 є недостатньою кількістю для утворення розгалуженої структури глобул і вони не випадають в осад. При 106 КУО/см3 видаляється всього на 0,2 - 0,3 % більше, ніж для 105. Пояснення цьому недостатня концентрація коагулянтів для видалення бактерій при вихідному навантаженні 106 КУО/см3. Така динаміка видалення мікроорганізмів спостерігається у всіх коагулянтів, але ступінь видалення мікроорганізмів ДГСА є вищим на 1,1% в порівнянні з СА і на 0,35 – з ГХА. Це пояснюється тим, що ДГСА є більш гідролізованим коагулянтом, і продукти його гідролізу мають більший заряд, ніж такі ГХА і тим більше СА.

Для зручнішого підрахунку в подальших дослідженнях використовували вихідне навантаження модельної води 105 мг/см3. Проведені дослідження, показали ефективність використання ДГСА в порівнянні з СА. Ступінь видалення бактерій ГХА знаходиться між СА та ДГСА, тому наступним етапом було дослідження видалення бактерій ОСА (Мо 2,3, 2,5, 2,7), щоб визначити яким з цих коагулянтів замінити ГХА при очищенні води.

Як видно з даних табл. 1, динаміка видалення мікроорганізмів з водопровідної води коагулянтами така ж як і для дистильованої води, з тою різницею, що ступінь видалення бактерій дещо підвищився. Це пояснюється тим, що водопровідна вода вміщає дрібнодисперсні частини колоїдних розмірів, що сприяє осадженню пластівців, які утворюються при коагуляції мікроорганізмів.

Таблиця 1 – Вплив тривалості контакту коагулянтів з бактеріями Е.coli 1257 на ступінь їх видалення з водопровідної води

Вода в якості основної чи допоміжної сировини використовується в більшості технологічних процесів одержання харчових продуктів.

В ряді виробництв, пов’язаних з виготовленням бутильованої води, води для лікеро-горілчаної продукції, для соків, для дитячого харчування, виникають проблеми, пов’язані з недостатньою якістю вихідної води. Вимоги до якості води на таких підприємствах є жорсткішими. Тому воду питної кондиції потрібно доочищати. Подальші дослідження були пов’язані з видаленням бактерій з води водопровідної мережі.

Ступінь знезаражування підвищується при очищенні водопровідної води в порівнянні з дистильованою. Тому наступним дослідом було визначення яким з ОСА можна замінити ГХА при доочищенні водопровідної води. Інтенсивність видалення бактерій коагулянтами підвищується в ряду СА, ОСА Мо 2,7, ОСА Мо 2,5, ГХА, ОСА Мо 2,3, ДГСА (рис. 4). Ступінь видалення бактерій ГХА дещо вищий за ОСА Мо 2,5, як і при очищенні дистильованої води. Це пояснюється тим, що підвищення фізико-хімічних показників водопровідної води (в порівнянні з дистильованою) позитивно впливає на коагуляційну ефективність і основних сульфатів алюмінію, і ГХА.  Використання ОСА Мо 2,5 для доочищення водпровідної води буде повноцінною заміною гідроксохлориду алюмінію.

Рис. 4 Залежність ступеня видалення бактерій E.coli різними типам коагулянтів

Рис. 5. Залежність ступеня видалення бактерій від типу води і коагулянту

Серед запропонованих коагулянтів найкращу здатність видаляти бактерії має ДГСА, тому його застосування для часткового очищення природних вод від мікроорганізмів є досить ефективним.

На рис. 5 представлені порівняльні результати очищення різних типів вод від бактерій Е.сoli. Ступінь видалення з застосуванням ДГСА становить біля 90 % з природних вод рр. Десна та Дніпро. Цей показник є достатньо високим як для коагулянту, що немає знезаражуючих властивостей.

Висновок
З отриманих результатів досліджень, можна зробити висновок, що всі коагулянти в тій чи іншій мірі ефективні.  Але існує небезпека при використанні ГХА через вміст хлору, а СА як малоефективним коагулянтом по відношенню до фізико-хімічних і мікробіологічних показників. При використанні в якості коагулянтів ОСА та ДГСА спостерігається покращення фізико-хімічних показників води та ефективність видалення бактерій зумовить зменшення дози знезаражуючого агенту, який зазвичай використовують після коагуляційного очищення природних вод.

Список літератури

1. Душкин С.С. Способ подготовки воды с использованием в качестве коагулянта соли алюминия / Душкин С.С., Сорокина К.Б., Аль А.М., Благодарна Г.М. – Харьков, 2001. – 45 с.
2. Гончарук В.В. Коллоидно-химические аспекты использования основных солей алюминия в водоочистке / В.В.Гончарук, И.М.Соломенцева, Н.Г.Герасименко // Химия и технология воды. ‒ 1999. ‒ Т. 21, № 1. – С. 52-87.
3. Запольский А.К. Коагулянты и флокулянты в процесах очистки воды / Запольский А.К., Баран А.А. – Л.: Химия, 1987. – 204 с.
4. Некоторые физико-химические свойсва растворов дигидроксосульфата алюминия / А.К.Запольский, Л.А.Бондарь, И.И.Дешко //Химия и технология воды. 1986, т.8 №5. – С. 38-39.
5. Интенсификация водоподготовки с помощью гидроксосульфата алюминия / А.К.Запольский, И.М.Соломенцева, Л.И.Панченко и др. // Бум.пром-ть. – 1985. – №5. –  С. 33–39.

УДК 628.16
Чалова Т. С. Очищення води від бактерій за допомогою коагулянтів – основних сульфатів алюмінію[Електронний ресурс]  / [Чалова Т. С., Хижняк О. О., Скроцька О. І.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.2. – С.545–548. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf: