Использование высокодисперсных модифицированных алюмосиликатных адсорбентов в процессах очистки хозяйственно-бытовых сточных вод

Очистка бытовых сточных вод а тем более канализационных сточных вод является важной задачей для городского хозяйства [1–8]. Городские сточные воды, как правило, сбрасываются по течению ниже санитарной границы города. Такое решение продиктовано санитарно-эпидемиологическими нормами. Однако это не означает, что сточные воды не требуется обрабатывать должным образом. В такой воде нормируется большое количество различных параметров. Очистка бытовых городских вод сложный комплексный физико-химический процесс. В городских очистных сооружениях находят применение механические [4, 7], реагентные [3, 6] и биологические методы очистки [2].

Одним из важных этапов водоочистки бытовых стоков является реагентная очистка [3, 6].

На очистных сооружениях исследуемого объекта существует проблема реагентной обработки сточных вод. Существующия схема коагуляции и флокуляции не позволяет достичь необходимого уровня очистки. Требования к сбрасываемой воде представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Разрешение на эмиссию 2019 год

Table1.

Issue permit 2019

Вещество, мг/дм3 Substance, mg/ml	р. Есиль Yesil river	Карабедиак Karabediak	Карабедиак (в период паводков) Karabediak (during the flood period)	Требования Requirements
БПКпол | BOD	6,0	13,013	13,013	6
ХПК | COD	30,0	86,75	86,75	30
Взвешенные вещества | Suspended solids	13,35	17,69	17,69
Хлориды | Chlorides	346,33	389,25	389,25	350
Полифосфаты | Polyphosphates	3,23	3,49	3,49	3,5
Азот аммонийный | Ammonium nitrogen	1,92	12,16	12,16	2
Нитраты | Nitrates	43,65	32,88	32,88	45
Нитриты | Nitrite	3,07	1,21	1,21	3,3
Железо общее | Total iron	0,28	0,49	0,49	0,3
Нефтепродукты | Petroleum products	0,1	0,31	0,31	0,1
СПАВ | SPAS	0,37	0,50	0,50	0,5
Сульфаты | Sulfates	406,33	323,25	323,25	500
Фториды | Fluorides	1,2	1,2	1,2	1,2
Марганец | Manganese	0,1	0,1	0,1	0,1

В рамках представленной работы изучено воздействие различных реагентов на эффективность очистки бытовых сточных вод.

Реагентная обработка является важным этапом водоочистки, так как после него, вода поступает на биологические очистные сооружения с применением активного ила. Снижение содержания железа, взвешенных веществ, нефтепродуктов позволяют снизить нагрузку и проводить процесс биологической очистки в стационарном режиме [3–5].

Материалы и методы

В процессе выбора эффективной схемы реагентной обработки очищаемой воды были использованы традиционные коагулянты в сочетании с подщелачивающими агентами, а также применен высокодисперсный модифицированный алюмосиликат марки КС.

Реагенты КС представляют из себя модифицированные высокодисперсные алюмосиликаты. В качестве алюмосиликатов выступают бентонитовые глины, а в качестве модификаторов могут выступать различные прекурсоры органической и неорганической природы [9–20]. Для реагентов марки КС в качестве прекурсоров выступают соли алюминия.

Методика проведения экспериментов заключалась в дозировании реагентов совместно с регулированием оптимальной величины рН в обрабатываемой воде. Процесс осуществляли на лабораторном флокуляторе. Схема установки изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Миксер лабораторный

Figure 1. Laboratory mixer

Sviridov A.V. et al.Proceedings of VSUET, 2021, vol. 83, no. 4, pp. 274-279

Конструкция данной установки позволяет изменять гидродинамические параметры процессов смешивания сорбентов с растворами, продолжительность процесса адсорбции и интенсивность перемешивания.

Интенсивность перемешивания характеризуется градиентом смешивания (G) реагентов с водой и изменяется от 350 с-1 до 15–20 с-1. Данная установка позволяет изучать процесс сорбции, моделируя процессы, происходящие в реальных аппаратах: продолжительность и интенсивность смешивания, хлопьеобразования, отстаивания и центрифугирования. На данной установке подбираются оптимальные режимы для проектирования реальных аппаратов.

Реагенты дозировались в водный раствор в различных концентрациях (20–80 мг/дм3) при различных уровнях рН, для нахождения эффективной дозировки.

Для обработки водных растворов алюмосиликатными адсорбентами протекает следующий процесс. Обработка водных растворов состоит из следующих стадий. На первой стадии процесса сухой мелкоизмельченный модифицированный порошок алюмосиликата затворяется в воде и создается 5% суспензия сорбента. Именно в суспензии под действием модификаторов и затворной воды происходит самопроизвольное диспергирование частиц сорбента до мельчайших размеров в несколько десятков нанометров. За счет существования разноименных зарядов (отрицательного на поверхности частиц и положительного на боковых гранях) отдельные частицы притягиваются друг к другу и формируют единую гелеобразную структуру. Время затворения суспензии сорбентов, необходимое для полного перехода частиц в высокодисперсное состояние составляет 22–24 часа [9, 10].

Второй стадией процесса является дозирование реагентов в водные растворы. Наличие двух указанных выше факторов – высокого поверхностного заряда и ослабления сил взаимодействия между частицами – способствует самопроизвольному переходу частиц сорбента из гелеобразного

Равномерное распределение наносорбента в объеме обрабатываемой воды инициирует стадии адсорбции и образования малорастворимых соединений на поверхности частиц. При этом происходит самопроизвольное снижение отрицательного заряда поверхности нанокластеров (вплоть до изоэлектрического состояния) за счет смещения адсорбционного равновесия и перехода модификаторов – стабилизаторов поверхности в электронейтральную форму.

Заключительной стадией процесса очистки воды является активная взаимная гетерокоагуляция утративших поверхностный заряд наночастиц с ионами металлов, их гидроксидами и комплексными соединениями. Формирующиеся при этом крупные хлопья, включающие в себя загрязняющие компоненты, легко удаляются из системы методом отстаивания.

Последовательные стадии процесса очистки воды при помощи алюмосиликатных сорбентов приведены на рисунке 2

Рисунок 2. Стадии распределения (1), адсорбции (2), хлопьеобразования (3) и осаждения (4) при очистке воды алюмосиликатным сорбентом

Figure2. Stages of distribution (1), adsorption (2), flocculation (3) and precipitation (4) during water purification with an aluminosilicate sorbent

Схема реагентной обработки водных растворов представлена в таблице 2.

Результаты

В результате обработки сточной воды коагулянтами были получены результаты, представленные в таблице 3.

Таблица 2.

Дозы реагентов для обработки воды

Table 2.

Doses of reagents for water treatment

Реагент	Доза, мг/дм3, с применением извести Dose, mg/dm3, with lime application			Доза, мг/дм3 с применением щелочи Dose, mg/dm3 with alkali application
Аl 2 (SО 4 ) 3	20	40	60	20	Аl 2 (SО 4 ) 3	20
Известь | Lime	10	20	30	10	Известь	10
FеСl 3	20	40	60	20	FеСl 3	20
Известь | Lime	20	30	40	20	Известь	20
КС	20	40	60	20	КС	20
Известь | Lime	20	30	40	20	Известь	20

Таблица 3.

Обработка сточной воды реагентом совместно с известью

Table 3.

Waste water treatment with reagent with lime

Показатель Indicator	Исходная вода Water	норма norm	Аl 2 (SО 4 ) 3 + Известь, мг/дм3 + Lime, mg/dm3		FеСl 3 + Известь, мг/дм3 + Lime, mg/dm3				КС + Известь, мг/дм3 + Lime, mg/dm3
			20	40	60	20	40	60	20	40	60
			10	20	30	10	20	30	10	20	30
рН	7,00	6–9	7,20	7,60	7,75	7,20	7,60	7,75	8,14	8,20	8,35
Фосфаты, мг/дм3 Phosphates, mg/dm3	7,67	0,70	2,25	1,75	1,35	2,05	1,55	1,05	1,25	0,65	0,55
Азот амм., мг/дм3 Ammonia nitrogen, mg/dm3	2,25	1,92	1,70	1,45	1,32	1,50	1,25	1,12	1,58	1,32	1,03
Хлориды, мг/дм3 Chlorides, mg/dm3	284	346,33	280	283	279	280	283	279	270	270	279
ХПК, мг/дм3 COD, mg/dm3	32,9	30,0	20,2	19,1	17,2	21,2	19,1	17,8	21,2	19,5	18,2
Железо, мг/дм3 Fe, mg/dm3	0,52	0,28	0,36	0,23	0,19	0,36	0,30	0,28	0,32	0,25	0,21

Результаты очистки сточной воды реагентами с применением щелочи имеют схожую картину и не представлены.

Стоит отметить, что применение щелочи в процессах очистки воды технологически легче, однако известь на много более дешевый реагент. Построение технологии очистки с применением извести более перспективно, так как известь возможно применять при обработке образующихся осадков.

Обсуждение

Сульфат алюминия плохо снижает содержание фосфатов, так как при его использовании требуется меньше извести. Ионы Ca эффективнее связывают ортофосфат ионы. Применение большего количества подщелачивающего агента приведет к увеличению значений рН в обрабатываемом растворе и снижению эффективности работы сульфата алюминия. Сульфат алюминия наиболее эффективно работает при значениях рН раствора 7–8.

Хлорид железа показал свою слабую эффективность при снижении фосфатов и остаточного содержания железа в обрабатываемой воде.

Реагент КС наиболее эффективно очищает сточную воду по сравнению с традиционными коагулянтами. Это достигается за счет высоких адсорбционно-коагуляционных характеристик используемого реагента. В результате проведенных исследований установлено, что эффективная доза реагента КС составляет 40 мг/дм3, а доза извести 30 мг/дм3.

Заключение

В результате проделанной работы установлено, что модернизацию реагентной схемы обработки сточных вод на очистныхсооруже-ниях возможно организовать с применением реагента КС созданного на основе высокодисперсных модифицированных алюмосиликатов. Установлено, что эффективная доза реагента составляет 40 мг/дм3 с совместным применением извести в количестве 30 мг/дм3.

Применение реагента КС позволяет добиться требований по качеству очищенной воды (таблица 6).