Исследование флокулирующего действия озона на сточные воды деревообрабатывающих предприятий

Производство древесностружечных материалов сопровождается загрязнением сточных вод большим количеством взвешенных и растворенных токсичных веществ, в том числе фенола,приводящим к значительному повышению показателя химического потребления кислорода (ХПК), цветности и мутности. При этом некоторые предприятия не имеют своих локальных очистных сооружений и нуждаются в разработке собственных комплексных систем очистки. На начальном этапе технологической схемы очистки таких стоков необходимым процессом является осаждение растворенных и взвешенных веществ. Ранее нами исследован данный метод очистки с применением различных коагулянтов и флокулянтов [1–3]. Эффективность и экономичность процессов коагуляционной очистки сточных вод определяются устойчивостью дисперсной системы, которая зависит от ряда факторов: степени дисперсности, характера поверхности частиц, величины электроки-нетического потенциала, химической природы при-

РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ месей (наличия электролитов, высокомолекулярных веществ), концентрации примесей и т.д. На практике водоочистки используют разные коагулянты [4–7]. Наиболее широкое распространение получили соединения алюминия, железа, магния и кальция. Особенностью коагуляционной очистки сточных вод является необходимость применения коагулянтов, не вызывающих вторичного загрязнения воды. Нами подобраны наиболее эффективные коагулянты и флокулянты и их оптимальные дозы для очистки сточных вод фанерно-плитных комбинатов. В качестве коагулянтов испытаны растворы сульфата алюминия, хлорида железа (III), сульфата железа (II) и оксихлорида алюминия (ОХА) и определены их оптимальные дозы: Al2(SO4)3 - 268 мг/дм3, FeCl3 -80 мг/дм3, FeSO4 -180 мг/дм3, ОХА - 165 мг/дм3. Для максимального извлечения загрязнений процесс коагуляции осуществляли в диапазоне оптимальных величин pH, которые непосредственно связаны с рН существования соответствующих коагулянтам гидроксидов. Наибольший эффект очистки сточных вод при использовании в качестве коагулянта на основе солей алюминия достигается в интервале значений pH среды от 6,5 до 8; при использовании солей железа – в интервале значений pH от 4,1 до 14,0 [8]. В качестве флокулянтов нами испытаны 0,1% раствор полиакриламида (ПАА), 0,5% раствор активированной кремниевой кислоты (АКК), и 0,1% раствор катионного полиакриламида марки REFFC. Оптимальные дозы флокулянтов составляют: ПАА -45 мг/дм3, АКК - 53 мг/дм3, REFFC - 40 мг/дм3. Результаты сравнительного анализа влияния природы коагулянта и флокулянта на степень очистки сточных вод фанерно-плитного комбината показали лучшие результаты при сочетании ПАА и ОХА (ХПК снижается до 2100 мг О2/дм3), REFFC и ОХА (ХПК снижается до 2110 мг О2/дм3); при сочетании ПАА и Al2(SO4)3, REFFC и ОХА содержание формальдегида в воде снижается до 0,05 мг/дм3; использование коагулянта ОХА в сочетании с флокулянтом REFFC позволяет снизить концентрацию фенола до 1,0 мг/дм3. В итоге наиболее эффективным коагулянтом является ОХА в присутствии флокулянта REFFC: содержание фенола понизилось в 2,6 раз, ХПК при этом уменьшается в 3,6 раза.

Из литературы известно использование озона на начальной стадии обработки воды в дозе, вызывающей флокулирующее действие (предозони-рование) [3, 9–19]. Применение озона в качестве флокулянта позволяет избежать вторичного загрязнения сточных вод традиционными реагентами – осадителями за счет снижения их дозы либо полной их отмены. Однако методы очистки сточных вод деревообрабатывающих предприятий строительной отрасли с применением озона изучены недоста- точно. Поэтому нами исследовано флокулирующее действие озона на стоки фанерно-плитного комбината в присутствии малотоксичных коагулянтов с целью осаждения взвешенных веществ, снижения показателя ХПК и содержания фенола. Среди большого количества представленных на рынке РФ зарубежных и отечественных коагулянтов наиболее привлекательны с экономической точки зрения продукты отечественных компаний: ВПК-402 и Каустамин-15, выпускаемые АО «Башкирская содовая компания». Следует отметить, что указанные реагенты выпускаются на предприятии довольно длительное время и пользуются стабильным спросом у потребителей. Полиэлектролит водорастворимый катионного типа ВПК-402, или полиДАДМАХ, представляет собой высокомолекулярное соединение линейно-циклической структуры - полидиаллилдиметиламмоний хлорид [20]. Молекулярная масса от 104 до 106, катионный заряд расположен на вторичной цепи [21]. ВПК-402 выпускается в различных модификациях: для очистки питьевой и промышленной воды. ВПК-402 используется в качестве коагулянта и флокулянта для интенсификации процессов очистки сточных вод нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, угольной и химической промышленности, очистки растворов антибиотиков в медицинской промышленности, потребителями данного продукта являются также предприятия водоканалов. Полиэлектролит водорастворимый катионного типа Каустамин-15, или полиЭХГДМА, является четвертичным полиамином – полимером на основе эпихлоргидрина и диметиламина [22]. Относительная молекулярная масса составляет от 104 до 106; устойчив к хлорированию, совместим при смешивании с неорганическими коагулянтами. В отличие от других полиэлектролитов, катионный заряд располагается на главной молекулярной цепи, что создает коагулирующее действие даже в сильно загрязненных водах. Он применяется для очистки питьевой воды в системах хозяйственно-бытового водоснабжения, для интенсификации процессов осаждения взвешенных частиц, активного ила, при обезвоживании осадков городских и производственных сточных вод, для очистки сточных вод углеобогатительных фабрик, лакокрасочных и нефтеперерабатывающих заводов, для очистки промышленных сточных вод от минеральных загрязнений, обработки бумаги и текстиля, в процессах коагуляции каучуков. В связи с этим нами проведено исследование эффективности очистки сточных вод фанерно-плитного комбината озонированием в присутствии небольшого количества доступных малотоксичных коагулянтов ВПК-402 и Каустамин-15, стабильных при любых рН.

РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Состав исходной исследуемой воды приведен в предыдущей статье [23],температура воды при проведении экспериментов 22-24оС. Для осветления сточной воды фанерно-плитного комбината нами испытаны водные растворы коагулянтов: Кауста-мин-15 и ВПК-402. Предварительно было установлено, что оптимальная концентрация должна быть равна 1% масс. Для этого в восемь мерных цилиндров емкостью 0,5 л наливали исследуемую воду до метки. Затем в цилиндры добавляли различное количество миллилитров 1% раствора коагулянта с дозой 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 мг/дм3 (из расчета получения различных доз коагулянта в диапазоне, охватывающем предполагаемую оптимальную дозу). Содержимое во всех цилиндрах быстро перемешивали в течение 15-20 секунд, затем медленно в течение 3- 5 минут. Измеряли время выпадения хлопьев, по которому определена оптимальная доза коагулянта. Для производства озона использовали озоногенератор ОГВК-02К, для обеспечения ввода озонокислородной смеси в воду и контакта с примесями – реактор объемом 1 дм3; прибор контроля концентрации озона в воде – фотометр «Эксперт-003». В обрабатываемую воду, содержащую оптимальную дозу коагулянта, подавали озон с помощью пористого керамического диспергатора. Флокуляцию проводили в непроточном режиме, в вытяжном шкафу. Озон вводили в различных дозах (от 1,0 до 7,0 мг/дм3) при интенсивном перемешивании сточной воды в течение 5 минут.Затем реактор с обработанной водой оставляли в покое, измеряя время выпадения хлопьев, по которому определены оптимальные дозы озона.

Массовую концентрацию взвешенных веществ измеряли гравиметрическим методом (ПНД Ф 14.1:2:4. 254-09). Массовую концентрацию фенола измеряли фотометрическим методом после отгонки с водяным паром (ПНД Ф 14.1:2.105-97).Показатель ХПК (химическое потребление кислорода) определяли титриметрическим методом (ПНД Ф 14.1:2:3.100-97).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Нами подобран наиболее эффективный коагулянт и его оптимальная доза для очистки сточных вод фанерно-плитного комбината.Зависимость времени осаждения хлопьев от дозы коагулянтов приведена на рис. 1.

Из полученных данных (рис. 1) определены оптимальные дозы коагулянтов: ВПК-402 – 40 мг/дм3, Каустамин-15 – 50 мг/дм3. Эти коагулянты, в отличие от испытанных нами ранее (Al2(SO4)3, FeCl3, FeSO4 и ОХА), фактически являются в большей степени адсорбентами, и при этом на поверхности частиц суспензии происходит адсорбция растворенных в воде загрязняющих веществ. Частицы дисперсной фазы суспензии являются центрами хлопьеобразо-вания и одновременно утяжелителями, благодаря чему происходит ускорение процесса коагуляции и, как следствие, в целом повышается эффективность очистки сточной воды.

На втором этапе исследований проводили совместную обработку воды озоном и коагулянтом. Результаты испытаний флокулирующего действия озона в присутствии коагулянтов (рис. 2) показали уменьшение концентрации взвешенных веществ в 3,5 раза (Каустамин-15) и 4 раза (ВПК-402) при дозе озона

Рис. 1. Зависимость времени осаждения хлопьев от дозы коагулянтов : 1 – Каустамин-15; 2 – ВПК-402

РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 2. Влияние дозы озона на концентрацию взвешенных веществ в сточной воде: 1 - без коагулянта; 2 - в присутствии коагулянта Каустамин-15; 3 - в присутствии коагулянта ВПК-402

2-5 мг/дм3, что подтверждает эффект флокуляции. В отсутствии коагулянта под действием озона в той же дозе концентрация взвешенных веществ уменьшается в 3 раза. Озон как флокулянт нарушает динамическое равновесие, в котором находятся примеси в воде, позволяет перевести растворенные вещества в коллоидную форму, способствует расслоению эмульсий, находившихся в стабильном состоянии под действием поверхностно-активных веществ, и выпадению примесей в осадок. При увеличении дозы озона выше

• 5 мг/дм³ концентрация взвешенных веществ начинает возрастать. Вероятно, это связано с разложением крупных макромолекул загрязнений.

В последующих сериях опытов было исследовано влияние дозы озона на содержание фенола и значение ХПК сточной воды (рис. 3, 4). С увеличением дозы озона от 1 до 7 мг/дм3 содержание фенола неравномерно уменьшается. Предположительно, это связано с адсорбцией растворенных веществ, в том числе фенола, на осаждающихся хлопьях. При дозе

Рис. 3. Влияние дозы озона на содержание фенола в сточной воде: 1 - без коагулянта; 2 - в присутствии коагулянта ВПК-402;

3 - в присутствии коагулянта Каустамин-15

РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

Рис. 4. Влияние дозы озона на изменение значения ХПК сточной воды:

1 - без коагулянта; 2 - в присутствии коагулянта ВПК-402;

3 - в присутствии коагулянта Каустамин-15

Таблица

Результаты исследования влияния природы коагулянта и флокулирующего действия озона на степень очистки

№ пробы Флокулянт Коагулянт ХПК, мгО2/дм3 Фенолы, 10–1×мг/дм3 Взвешенные вещества, мг/дм3 1 – Каустамин-15 4400±660 2,50±0,38 1090±59 2 О3 Каустамин-15 3400±510 1,40±0,21 893±48 3 – ВПК-402 2600±390 2,00±0,30 1000±54 4 О3 ВПК-402 2000±314 0,90±0,14 782±42 5 О3 – 5690±894 1,50±0,23 1042±56 озона выше 5 мг/дм3 наблюдается более резкое снижение содержания фенола ввиду увеличения адсорбционной поверхности раздела фаз. Кроме того, вероятно, начинается процесс окисления загрязняющих веществ под действием озона.

Из полученных результатов (рис. 4) видно, что резкое снижение значения ХПК наблюдается при дозе озона 1–2 мг/дм3, а затем происходит постепенное уменьшение показателя.

Результаты сравнительного анализа влияния природы коагулянта и флокулирующего действия озона на степень очистки сточных вод приведены в табл.

Лучшие результаты получены при сочетании озона и ВПК-402, так как происходит наиболее эффективная очистка сточной воды: ХПК от 7600

до 2000 мг О2/дм3, содержание фенола от 0,263 до 0,090 мг/дм3, взвешенных веществ от 3127 до 782,0 мг/дм3. Вероятно, в данном случае происходит синергизм флокулирующего действия озона и ВПК-402.

Таким образом, флокулирующее действие озона наиболее эффективно в присутствии коагулянтов ВПК-402 и Каустамин-15. Результаты проведенных экспериментов по предозонированию сточных вод показали высокую эффективность данного метода, позволяющего снизить ХПК в 3,8 (ВПК-402) и 2,3 раза (Каустамин-15), содержание фенола в 2,9 (ВПК-402) и 1,9 раз (Каустамин-15), содержание взвешенных веществ в 4,0 (ВПК-402) и 3,5 раз (Ка-устамин-15).

РЕШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

ВЫВОДЫ

Полученные результаты позволяют уверенно утверждать, что для повышения эффективности очистки сточных вод фанерно-плитного комбината необходимо после механической очистки на начальном этапе провести совместную коагуляцию- флокуляцию с помощью озона и коагулянта ВПК402 в небольших дозах (2 -5 и 40 мг/дм3 соответственно) в течение 5 минут. Исследованный способ очистки позволяет снизить расходы на флокулянты, предупредить вторичное загрязнение воды, повысить эффективность дальнейшей окислительной очистки.