Основные физико-химические процессы очистки воды. Опыт исследования коагулянтов и флокулянтов

1.

Основные физико-химические процессы
очистки воды.
Опыт исследования коагулянтов и флокулянтов.
Применение новых химических реагентов.

2. Физико-химическая характеристика различных групп примесей воды по фазово-дисперсному состоянию

Примеси природных вод
Гетерогенные системы
Размер частиц 10-5 –
10-3 см
Гидрофильные
и гидрофобные
коллоидные
примеси, ВМВ
Образуют суспензии,
эмульсии или пены
Размер частиц 10-6 –
10-5см
Обусловливают
мутность воды
Образуют дисперсии
кристаллических и
аморфных структур
Нерастворимые
в воде взвеси
Глинистые вещества,
карбонатные породы,
ил, мелкий песок,
малорастворимые
гидроксиды металлов,
эмульсии
нефтепродуктов, взвеси
органических веществ,
детрит, планктон и т.д.
Коллоидные частицы
почв и грунтов,
нерастворимые формы
гуминовых веществ
Гомогенные системы
Растворенные
недиссоциированые вещества
Размер частиц 10-7 –
10-6см
Растворенные газы
и органические
соединения
Продукты
жизнедеятельности и
отмирания
биологических
объектов, фенолы и др.
органические вещества
Диссоциированные
вещества
(ионы)
Размер частиц
<10-7 см
Образуют
гидратированные
ионы
Диссоциирующие
соли

3.

Виды неорганических коагулянтов
Общий вид формулы неорганических коагулянтов
[KMex(OH)aClb(SO4)c(NO3)d]n
Ме
К
Коэффициенты
Химическая формула
Fe
-
a=0, c=0, d=0
FeCl3*6H2O
Fe
-
a=0, b=0, d=0
Fe2(SO4)3*9H2O
Fe
-
a=0, d=0
Fe(SO4)Cl
Fe
-
b=0, d=0
[Fe(OH)a(SO4)c]n
Fe
-
c=0, d=0
[Fe(OH)aClb]n
оксихлорид железа (III), полиоксихлорид железа
Fe
-
a=0, b=0, d=0
Fe(SO4)*7H2O
железо (II) сернокислое, железный купорос
Al
-
a=0, b=0, d=0
Al2(SO4)3*nH2O
алюминия сульфат, сернокислый алюминий
Al
-
a=0, c=0, d=0
AlCl3*6H2O
Al
-
a=0, b=0, с=0
Al(NO3)3*9H2O
Al
-
Al
-
c=0, d=0
[Al2(OH)aClb]n
Al
-
b=0, d=0
[Al2(OH)a(SO4)c]n
Al
-
d=0
[Al2(OH)aClb(SO4)c]n
Al
-
b=0
[Al2(OH)a(SO4)c(NO3)d]n
Al
K
a=0, b=0, d=0
KAl(SO4)2*12H2O
Al
-
a=0, b=0, d=0
NH4KAl(SO4)2*12H2O
Al
-
a=0, b=0, d=0
NaAl(SO4)2*12H2O
Al
-
b=0, c=0, d=0
NaAl(OH)4
[Al2(OH)aClb(SO4)c(NO3)d]n
Наименование
железо (III) хлорид, хлорное железо
железо (III) сернокислое, железа (III) сульфат
железа (III) хлор-сульфат, хлорированный
железный купорос
оксисульфат железа (III), полиоксисульфат железа
алюминия хлорид, хлористый алюминий
алюминия нитрат, азотнокислый алюминий
оксихлорсульфатонитрат алюминия,
полиоксихлорсульфатонитрат алюминия
оксихлорид алюминия, полиоксихлорид алюминия
оксисульфат алюминия, полиоксисульфат
алюминия
оксихлорсульфат алюминия,
полиоксихлорсульфат алюминия
оксисульфатонитрат алюминия,
полиоксисульфатонитрат алюминия
алюмокалиевые квасцы
алюмоаммониевые квасцы
алюмонатривые квасцы
алюминат натрия

4.

Коагуляция с использованием сульфата алюминия
Гидролиз сульфата алюминия
Al2(SO4)3 + 2H2O 2Al(OH)SO4 + H2SO4
2Al(OH)SO4 + 2H2O (Al(OH)2)2SO4 + H2SO4
(Al(OH)2)2SO4 + 2H2O Al(OH)3 + H2SO4
Механизм удаления взвешенных веществ силикатной природы при коагуляции сульфатом
алюминия
2(H11Si6O17)(OH) + Al(OH)3 (H11Si6O17)-O-Al(OH)-O-(H11Si6O17) + 2H2O
Механизм удаления гуминовых веществ (цветности) при коагуляции сульфатом алюминия
2RCO-OH + Al(OH)3 RCO-O-Al(OH)-O-OCR + 2H2O
Механизм взаимодействия катионного флокулянта с продуктами гидролиза сульфата
алюминия
2RN(OH)H + Al(OH)3 RN(OH)-O-Al(OH)-O-(OH)NR + 2H2O
Свойства соединений алюминия:
Растворимость сульфата алюминия (г Al2(SO4)3 на 100 г воды):
Температура, оС
0
10
20
40
50
60
31,2
33,5
36,4
40,4
45,7
57,2
Произведения растворимости гидроксида алюминия:
Al(OH)3 → Al3+ + 3OH3,2*10-34
Al(OH)3 → AlOH2+ + 2OH- 3,2*10-25
Al(OH)3 → H+ + AlO21,6*10-13

5.

Молекулярное строение гуминовых веществ
Блок-схема гуминовой кислоты по Мистерски и Логинову
ядро
Схема строения гуминовых кислот по Фуксу
периферическая часть
O
O
H
O
H
O
N C
C
C
O
H
O
H
H
O
N
C
C
N
C
C
O
C O
C
C
OH
O
O
CH 3
S iO 2,
O
C O
C 6H 11O 5
P
HO
Ca
P
O
комплексы, сорбция
C6H11O5
OH
O
CH CH2
O
C
H
OCH3
O
OH
C
H2
H
CH2
Формула структурной ячейки гуминовой кислоты по Д. С. Орлову
H
H H
C
C C
OCH3
O
O
R1
O
CO NH C8H18O3N
H
C C
C
R
CH2
CH
(C6H10O5)2
CH2
(COOH)n,
CH
H R3
H2
CH COOH
NH2
N
H
O
C O
N
H H
H
CH CH2
C O
N
H
COOH
O
O
OO-
Формула гуминовой кислоты по С. С. Драгунову
C O
H2
COOH
H3CO
OO-
P 2O 5
минеральные компоненты
O
H H
COOH
H
F e 2O 3,
CaO ,
CH2
H2
O
O
A l 2O 3,
OH
HOH
OH
C
COOH
OH
HO
O
R
C 6H 9O 6
C
C
HO
H
R
O
H H
COOH
H
COOH
HO
O
R
N
H2
H2
(NH2)n,
(OH)n,
(CH2)n
N C H
OH
C O
O
CH2
HCH
CO
(CH2)n
HCOH
R2
OH
O

6.

Молекулярное строение гуминовых веществ
Блок-схема гуминовой кислоты по Мистерски и Логинову
ядро
Схема строения гуминовых кислот по Фуксу
периферическая часть
O
O
H
O
H
O
N C
C
C
O
H
O
H
H
O
N
C
C
N
C
C
O
C O
C
C
OH
O
O
CH 3
S iO 2,
O
C O
C 6H 11O 5
P
HO
Ca
P
O
комплексы, сорбция
C6H11O5
OH
O
CH CH2
O
C
H
OCH3
O
OH
C
H2
H
CH2
Формула структурной ячейки гуминовой кислоты по Д. С. Орлову
H
H H
C
C C
OCH3
O
O
R1
O
CO NH C8H18O3N
H
C C
C
R
CH2
CH
(C6H10O5)2
CH2
(COOH)n,
CH
H R3
H2
CH COOH
NH2
N
H
O
C O
N
H H
H
CH CH2
C O
N
H
COOH
O
O
OO-
Формула гуминовой кислоты по С. С. Драгунову
C O
H2
COOH
H3CO
OO-
P 2O 5
минеральные компоненты
O
H H
COOH
H
F e 2O 3,
CaO ,
CH2
H2
O
O
A l 2O 3,
OH
HOH
OH
C
COOH
OH
HO
O
R
C 6H 9O 6
C
C
HO
H
R
O
H H
COOH
H
COOH
HO
O
R
N
H2
H2
(NH2)n,
(OH)n,
(CH2)n
N C H
OH
C O
O
CH2
HCH
CO
(CH2)n
HCOH
R2
OH
O

7.

Структурные формулы гуминовых веществ (по данным из
Structural components and proposed structural models of fulvic acid from the Suwannee River /
J.A. Leenheer, D.M. McKnight, E.M. Thurman, P. McCarthy // Humic Substances in the
Suwannee River, Georgia: Interactions, Properties, and Proposed Structures – Washington,
1995. – P. 195-211)

8.

Структурные формулы гуминовых веществ

9.

Процесс полимеризации
при гидролизе сульфата алюминия

10.

Механизмы взаимодействия гуминовых веществ с
коагулянтами
взаимодействие ФК с координационно ненасыщенными ионами с помощью одной
механизм анионного обмена:
карбоксильной группы:
- +
Al+OH- + RCOO Na
Al+ -OOCR + NaOH
OH
O Al
OH2
O
+
O OH2
C R
NaO
OH O
C R + H2O
O Al
O O
Взаимодействие гидроксокомплексов алюминия и железа с гуматом натрия по механизму
лигандного обмена:
R
C
COOOH
+ [Fe(OH)(H2O)2]+2
R C
COO
O
R C
Fe
OH
OH
COO
O
(H2O)2
Fe
+
OH
(H2O)2
H+
+ H+

11.

Взаимодействие сульфата алюминия с кремниевой
кислотой

12.

Типы органических флокулянтов
Тип флокулянта: полиДАДМАХ
CH3
│
-(-CH2-CH-CH2-N+-)n│
│ ClOH
CH3
Тип флокулянта: полиамин
Тип катионного флокулянта: полиакриламид

13.

Типы органических флокулянтов

14.

содержание химической
формы существования
алюминия в осадке, %
Содержание различных форм существования алюминия в
продуктах гидролиза в зависимости от рН равновесного
раствора
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Al2(OH)4SO4
Al(OH)SO4
Al(OH)3
Полиномиальный
(Al(OH)SO4)
Полиномиальный (Al(OH)3)
4,8 5,2 5,6
6
6,4 6,8 7,2 7,6
рН
8
Полиномиальный
(Al2(OH)4SO4)

15.

1,0
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Время фильтрации,ч.
Al2(SO4)3(6)
PIX-322N5(10)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
10
PIX-322N5(10)
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
10
20
30
40
50
Время фильтрации, ч.
Al2(SO4)3(6)
Al2(SO4)3(4)+LT-31(0,5)
60
30
40
50
60
PIX-322N5(7,5)+LT-31(0,5)
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0
20
Время фильтрации, ч.
Al2(SO4)3(4)+LT-31(0,5)
PIX-322N5(7,5)+LT-31(0,5)
Окисляемость
мгО2/куб.дм
Содержание остаточного алюминия,
мг/куб.дм
Мутность, мг/куб.дм
0,9
Содержание остаточного железа,
мг/куб.дм
Сравнение показателей качества очистки воды в течение
фильтроциклов при пилотных испытаниях с использованием
сульфата алюминия и железного коагулянта производства фирмы
Кемира без флокулянта и в сочетании с флокулянтом LT-31
10
20
30
40
50
60
Время фильтрации, ч.
Al2(SO4)3(6)
Al2(SO4)3(4)+LT-31(0,5)
PIX-322N5(10)
PIX-322N5(7,5)+LT-31(0,5)

16.

Сравнение показателей качества очистки воды в течении
фильтроциклов при пилотных испытаниях с использованием
сульфата алюминия и железного коагулянта производства фирмы
Кемира без флокулянта и в сочетании с флокулянтом LT-31
мутность.
мг/куб.дм
Изменение показателя мутности в процессе работы отстойников
3,5
3,3
3,1
2,9
2,7
2,5
2,3
2,1
1,9
1,7
1,5
0
12
24
36
48
60
72
84
96
108
120
132
Продолж ительность работы отстойников, час.
144
156
168
180
Водослив I отстой-ника
Водослив II отстой-ника
Изменение расхода воды в процессе работы отстойника № 1
1900
1700
1600
1500
1400
1300
1200
0
12
24
36
48
60
72
84
96
108
120
132
144
156
168
180
168
180
Продолж ительность работы отстойника. час.
Расход в оды на I отст.,м3/ч
Содержание железа,
мг/куб.дм
Расход,куб. м/ч
1800
Изменение содержания общего железа в процессе работы
отстойника №1
5
4
3
2
1
0
12
24
36
48
60
72
84
96
108
120
132
Продолж ительность работы отстойника, час.
144
156

17.

Сравнение показателей качества очистки воды в течении
фильтроциклов при пилотных испытаниях с использованием
сульфата алюминия и железного коагулянта производства фирмы
Кемира без флокулянта и в сочетании с флокулянтом LT-31
мутность фильтрата, мг/куб.дм
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
Время работы фильтров, ч
Al2(SO4)3; 6 мг/куб.дм
pix112:Al2(SO4)3 70%:30%; 8,7 мг/куб.дм
pix112N3:Al2(SO4)3 70%:30%; 9,2 мг/куб.дм
pix112:Al2(SO4)3 70%:30%; 8,5 мг/куб.дм
pix112:Al2(SO4)3 50%:50%; 7,5 мг/куб.дм
Ferix3:Al2(SO4)3 70%:30%; 8,5 мг/куб.дм
40
45

18.

Мутность, мг/дм3
Сравнение показателей качества очистки воды и
продолжительности фильтроциклов на пилотных испытаниях
полиалюминийхлоридов, а также смеси
полиалюминийхлорида с сульфатом алюминия.
Полиалюминийхлорид PAX-18 производства фирмы Кемира
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Качество
фильтрата,
средние
значения
0
2
4
6
8
Al2(SO4)3
PAX-18
PAX-18+
Al2(SO4)3
Цветность,
град
6
9
6
рН
6,58
6,96
6,70
0,31
0,45
0,36
2,4
3,2
2,4
<0,04
0,07
<0,04
Щелочность,
ммоль/дм3
Окисляемость,
мг О2/дм3
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Остаточный
алюминий,
Продолжительность фильтроцикла, ч
мг/дм3
Pax-18+Al2(SO4)3(1:4)
Al2(SO4)3 Pax-18

19.

Изменение мутности фильтрата при проведении пилотных
испытаний полиалюминийхлоридов, а также смеси
полиалюминийхлорида с сульфатом алюминия.
Полиалюминийхлорид PAX-18 производства фирмы Кемира
Таблица 1.
Средние значения
20-23.12.04г.
Мутн.
Цветн.
0,3
7
рН
Щелоч.
Окисл.
Алюм.
3,0
0,07
2,7
0,05
2,8
<0,04
I ф. PAC-1B
6,48
0,33
III ф. PAS-2A
0,2
6
6,46
0,31
V ф.Al2(SO4)3
0,2
6
6,35
0,28
1,6
1,4
PAC-1B
Мутность, мг/дм3
*
*
1,2
PAS-2A
Al2(SO4)3
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
5
10
15
20
25
30
Продолж ительность фильтроцикла,ч.
35
40
45

20.

Применение гипохлорита натрия для обеззараживания на сооружениях
водоподготовки ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Зеленогорск
Сестрорецк
ГВС
СВС
(2007)
Петродворец
ВВС
Гантуловская гора
Стрельна
Условные обозначения
Произведен переход на ГПХН
Переход на ГПХН в 2006 – 2007 г.
ЮВС
(2006)
Колпино

21.

Установка для
приготовления и
дозирования растворов из
сухого материала KD 440
фирмы ALLDOS
Характеристика ПАУ ® Hydraffin
SC 14 FF (Гидраффин)
Порошкообразный древесный активированный уголь
Технические характеристики:
содержание воды при расфасовке, масс.%
зольность, масс. %
<10
<12
показатель pH
адсорбция йода, мг/г
внутренняя поверхность по BET-методу, m2/г
8-10
600±50
600±50
показатель фенола (г/л)
тонкость измельчения, < 40 мкм, масс.%
3
95

22.

Применение станции производственного биологического
мониторинга качества воды (СПБМКВ) водоисточника, на основе
метода вариационной пульсометрии раков и моллюсков на
сооружениях водоподготовки ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Станция производственного
биологического мониторинга качества
воды (СПБМКВ) водоисточника, на
основе метода вариационной
пульсометрии раков и моллюсков на
Главной водопроводной станции
Речной рак с укрепленным на внешней части
карапакса волоконно-оптическим датчиком.
1-приклееная к наружной поверхности панциря
втулка –держатель зонда
2-волоконно-оптический зонд

23.

Биосенсорная информационная система по
определению загрязненности воды
Система биомониторинга воды основана на природной чувствительности
организма речных раков к токсичным веществам. Сердечный ритм раков
моментально меняется в зависимости от малейших изменений в окружающей
среде, что позволяет провести раннюю диагностику загрязнения воды
высокотоксичными веществами.

24.

Сравнение окислительно-восстановительных
потенциалов различных окислителей
•Окислитель
•Реакция
•E0, В
•Хлор
•Гипохлорит
•Диоксид хлора
•Перхлорат
•Озон
•Пероксид водорода
•Перманганат
•Феррат
Хлор Cl2(г)+2e→ 2Cl•ClO-+H2O+2e→ Cl-+2OH•HСlO+H++2e→ Cl-+H2O
•ClO2+4H++5e→ Cl-+2H2O
•ClO2+2H2O+5e→ Cl-+4OHClO4-+8H++8e→ Cl-+4H2O
O3+2H++2e→ O2+H2O
•H2O2+2H++2e→ 2H2O
•MnO4-+4H++3e→ MnO2+2H2O
•MnO4-+8H++5e→ Mn2++4H2O
•FeO42-+8H++3e→ Fe3++4H2O
•1,36
•0,88
•1,50
•1,50
•0,85
•1,38
•2,07
•1,77
•1,69
•1,51
•2,20

25.

Схема системы обеспечения безопасности
водоснабжения ГУП «Водоканал СанктПетербурга» в условиях обнаружения
токсичных веществ
н.о. I
подъема
Установки дозирования
порошкообразных сорбентов
Организация
промывки
водоочистных
сооружений
ХБЛ
Амперометрический
Анализатор
Нейротоксинов
EasyChEck, v3.05X
СБМКВ
АСНЭМ-2
ЦИКВ
Диспетчерская ВС
СОУ филиала
Дежурный персонал ВС
НИЦЭБ РАН
СОУ ДОР
КЧС
ФГУН ИТ ФМБА

26.

Внедрение технологии использования сухого
порошкообразного флокулянта Праестол 650 TR
на водопроводных станциях
Преимущества использования:
-Снижение дозы полиэлектролита, используемого для
флокуляции: вместо доз 0,8-1,2 мг/дм3 при
использовании флокулянтов «Магнофлок» и
«Балтфлок» доза Праестола 650 TR составляет 0,2-0,4
мг/дм3
-Остаточная концентрация мономера акриламида в
очищенной воде гарантированно ниже ПДК (0,0001
мг/дм3), установленного ГН 2.1.5.1316-03.
-Позволяет снизить остаточную концентрацию
алюминия в очищенной воде
-Удобство транспортировки и дозирования реагента
ПРАЕСТОЛ 650 TR проверен и сертифицирован по стандарту ANSI/NSF-Standard 60 (NSF International, Ann Arbor,MI,
USA).
ПРАЕСТОЛ 650 TR разрешен к применению отделом по контролю окружающей среды, питьевой воды („Department
of the Environment, Drinking Water Inspectorate“), находящимся в Лондоне. Для обеспечения безопасности
применения при подготовке питьевой воды ПРАЕСТОЛ 650 TR производится по специальной технологии, которая
позволяет снизить содержание мономерного акриламида до величины менее 0,025 вес.%.
Водоснабжение

27. Контроль качества воды в системе водоснабжения Санкт-Петербурга

Контроль качества питьевой воды ГУП «Водоканал СПб»
осуществляет по
Рабочей программе производственного контроля качества
питьевой воды в СПБ
Контроль качества воды производиться в 570 контрольных
точках по следующих показателям:
физико-химическим – 47 показателей,
• микробиологическим показателям – 5 показателей
• паразитологическим – 1 показатель
•вирусологическим -3 показателя
• гидробиологическим – 2 показателям
• показателям радиационной безопасности – 9 показателей

28. Контроль качества воды в системе водоснабжения Санкт-Петербурга

В аналитическую систему контроля состава вод «Водоканала СанктПетербурга», входят:
аккредитованный аналитический ГУП «Центр исследования и контроля воды»,
Департамент метрологического менеджмента
химико-бактериологические лаборатории ВОС (ХБЛ)
Информация аккумулируется в единой базе данных о качестве воды на всех
этапах производственного процесса подготовки питьевой воды –
Favordata, которая позволяет решать следующие задачи:
- оперативное оповещение диспетчеров водопроводных станций о превышениях
нормативов для корректировки режимов работы станций
- оперативное оповещение районных диспетчеров о превышениях нормативов на
водопроводных сетях
- оперативная оценка качества питьевой воды, поставляемой филиалами населению, на
основе аналитических карт
- статистическая обработка результатов анализов воды для планирования
капиталовложений и работ по ремонту водопроводных сетей
- оперативное обеспечение руководства филиалов и ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
информацией о состоянии технологических процессов и качества питьевой воды на основе оперативных карт
качества.

29. Статистическая карта качества г. Санкт-Петербурга по данным за период с 25-29.09.2006 г.

30. Узел растворения сульфата аммония

31. Статистическая карта качества Сестрорецкий район по данным за период с 25-29.09.2006 г.

32. Статистическая карта качества г. Колпино по данным за период с 25-29.09.2006 г.

33.

Благодарю за внимание