Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
1
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ з дисципліни “Інновації в технологіях підготовки питної води та води для харчових підприємств ” на тему “Видалення гумінових комплексних сполук із залізом із поверхневих вод річки Дніпро”.
Здобувачки І курсу ТВ-1-9М групи
Спеціальності 181 “Харчові технології”
Крестельової Марії Юріївни
Керівник професор, доктор технічних наук
Гусятинська Наталія Альфредівна
Національна шкала ________________
Кількість балів: ______Оцінка: ECTS _____
Члени комісії ________________ ___________
________________ ____________
_________________ ___________ м. Київ – 2020 рік
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
2
ЗМІСТ ВСТУП
РОЗДІЛ І. СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ ОЧИЩЕННЯ ПОВЕРХНЕВОЇ ВОДИ ВІД ГУМІНОВИХ КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК……………………5 1.1 Особливості коагуляційного очищення природних вод 1.2 Проблеми, що пов’язані з процесом коагуляції……………….12 1.3 Видалення природних органічних речовин з води коагулюванням…………………………………………………………14
РОЗДІЛ ІІ. АНАЛІЗ СУЧАСНИХ МЕТОДІВ ВИДАЛЕННЯ ГУМІНОВИХ
КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК ІЗ ПОВЕРХНЕВИХ ДЖЕРЕЛ……………….21 2.1. Хімічна коагуляція………………………………………………..21 2.2. Електрокоагуляція………………………………………………...26 2.3. Мембранна фільтрація…………………………………………….28
РОЗДІЛ ІІІ. ОБГРУНТУВАННЯ ВИБОРУ ТЕХНОЛОГІЇ ТА ЇЇ АНАЛІЗ….32 3.1. Порівняння процесів хімічної коагуляції і електрокоагуляції……32 3.2. Поєднання мембранної фільтрації та коагуляції……………………33 3.3. Методи аналізу природніх органічних речовин……………………35
РОЗДІЛ IV. ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА…………………………….36 4.1. Підготовка синтетичної тестової води 4.2. Методики перевірки ефективності застосування реагентів……….38 4.3. Методика пластівцеутворення………………………………………40
ВИСНОВКИ……………………………………………………………………..42 СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ………………………………….44
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
3 ВСТУП Проблема якості води є однією з центральних у водопостачанні.
Технологія водоочищення зазвичай представляє собою комбінацію декількох процесів: фізичних, хімічних та біологічних. Вона забезпечує послідовне видалення з води колоїдних і деяких розчинних неорганічних та органічних домішок. Необхідність розширення асортименту реагентів для коагуляційної очистки природних і стічних вод вже давно вже не викликає сумнівів.
Тенденції розвитку виробництва неорганічних коагулянтів відображаються в оглядах, що періодично з’являються з аналізом сучасного стану та обґрунтування потребу широкому спектрі коагулянтів, які ефективно працюють у великому діапазоні температур, рН та інших умовах.
Існуючі водоочисні споруди (ВОС) Дніпровського водопроводу м. Києва
(ДнВП) зорієнтовані на видалення тих органічних сполук, що визначають кольоровість води.
Традиційна технологія водоочищення включає коагулювання солями алюмінію та флокулянтами, знезараження та окислення хлором, прояснення відстоюванням та фільтруванням. На останньому етапі епізодично застосовують озонування. При цьому зниження каламутності води становить
(40-90)%, кольоровості – (30-60)%. У воді зберігається залишкова перманганатна окиснюваність, показник якої перевищує нормативну величину – 5 мг/дм3 .
Забруднення води відбувається внаслідок надходження у водойми зі стічними водами різних шкідливих домішок (неорганічної кислоти, мінеральні солі, луги тощо) і органічної природи (нафта, нафтопродукти, органічні сполуки, поверхнево-активні речовини, миючі засоби, пестициди тощо). Більшість з них є отруйними для мешканців водойм. Це сполуки
Арсену, Плюмбум, Меркурію, Купруму, Хрому, Флору тощо. Вони поглинаються фітопланктоном і передаються далі по харчових ланцюжках більш високоорганізованим організмам, що супроводжується кумулятивним
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
4
ефектом, який полягає в тому, що у кожній наступній ланці харчового ланцюжка кількість шкідливих сполук підвищується.
Крім того, стічні води, що містять розчині органічні речовини або суспензії органічного походження, сприяють зниженню вміста О у воді.
Забруднення води промисловими відходами являється великою проблемою сучасності. Вода в ході технологічних процесів забруднюється специфічними речовинами, що робить її непридатною до використання. Для повторного використання води та захисту водойм, в які вона відводиться, необхідно здійснювати попередню очистку стічної води на очисних станціях.
Очищення стічних вод можна здійснювати механічними, біологічними, фізико-хімічними або комплексними методами видалення забруднень. На сьогоднішній день ефективним методом являється біологічний метод, який здійснюється за допомогою активного мулу – біоценозу мікроорганізмів, головну роль в якому відіграють бактерії.
Метою курсового проекту є вибір та обгрунтування технології видалення гумусових комплексних сполук разом із залізом.
Завданням курсової роботи є
Виготовлення синтетичної досліджуваної води
Проведення експериментального очищення;
Дослідити чи можна використовувати електрокоагуляцію в якості попередньої обробки для мембранної фільтрації;
Оцінити оброблюваність синтетично приготованого розчину гумінової кислоти методом хімічної коагуляція, електрокоагуляції і ультрафільтрації.
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
5
РОЗДІЛ І. СУЧАСНИЙ СТАН ПРОБЛЕМИ ОЧИЩЕННЯ ПОВЕРХНЕВОЇ ВОДИ ВІД ГУМІНОВИХ КОМПЛЕКСНИХ СПОЛУК.
Процес коагуляції найпоширеніший метод очищення води від грубодисперсних і колоїдних забруднень. Масштаби застосування методу коагуляції збільшилися в останні роки і, судячи з прогнозів, продовжать збільшуватися. Тому актуальним є пошук шляхів до вдосконалення цього методу - підвищення швидкості формування та відділення скоагульованих завислих частинок в осад.
Ранішні дослідження з цієї тематики допомогли з'ясувати вплив pH середовища на структурні особливості коагулятів, підібрати умови для більш повного прояву інтенсифікуючої дії магнітного та ультразвукового поля, встановити зв'язок між оптимальною дозою коагулянта та катіонообмінною
ємністю домішок води, між величиною електрокінетичного потенціалу суспензій та їх здатністю до осадження, ввести в практику очищення води нові флокулянти, удосконалити техніку коагуляційних досліджень[1]. Рис Модельна структура гумінової кислоти.
1.1 Особливості коагуляційного очищення природних вод.
Необхідність розширення асортименту реагентів для коагуляційного очищення природних та стічних вод вже давно не викликає сумнівів.
Тенденції розвитку виробництва неорганічних коагулянтів відображаються в оглядах, що періодично з'являються з аналізом сучасного стану та обґрунтування потребу широкому спектрі коагулянтів, ефективно працюючих у великому діапазоні температур, рН та інших умов [2,3].
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
6 Для очищення природних вод найбільш ефективними в даний час вважаються наряду з традиційним сульфатом алюмінію, основні солі алюмінію - 13 гідроксохлориди та гідроксосульфати алюмінію. В даний час випускаються три групи коагулянтів: поліоксихлориди алюмінію ПОХА - Al2(OH)aClb, поліоксисульфати алюмінію ПОСА -
Al2(OH)a(SO4)c , поліхлорсульфати алюмінію ПХСА - в , де, відповідно, а + вас і в + с дорівнює 6, з діапазоном основності від 26 до
89% [4]. До перспективних коагулянтів для очищення як природних, так і стічних вод відносяться солі заліза, а також змішані алюмозалізні коагулянти
[5]. Україна має величезну сировинну базу для їх виробництва. Це сульфати заліза - відходи виробництв оксиду титану (IV) ПАТ «Сумихімпром» та шлами Миколаївского глиноземного заводу. Розроблено способи одержання на їх основі сульфатів заліза (ІІІ) [6], гідроксосульфатів заліза [7,8], хлоридів заліза [9], алюмозалізних коагулянтів [10,11]. В даний час існують передумови - теоретичні, економічні, екологічні - для всебічного застосування залізовмісних коагулянтів для реагентної обробки природних і стічних вод.
Дослідженню ефективності використання коагулянтів на основі оксидів заліза приділяється і продовжує приділятися багато уваги. Автори робіт [12-
14] вивчили залежність ступеня очищення каламутних та кольорових природних вод від концентрації застосовуваного розчину сульфату заліза
(ІІІ), оскільки рекомендації щодо оптимальної концентрації коагулянту у різних авторів виявилися досить суперечливими - від 1 доза безводним продуктом. Не збігалися також результати пробного коагулювання та виробничих показників. Авторами було встановлено, що застосування концентрованих робочих розчинів (10-13% по солі) дозволяє суттєво підвищити ступінь очищення води за такими показниками як відшаровування і кольоровість, а також дає можливість скоротити витрату реагенту.
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
7 За їх думкою, це явище можна пояснити тим, що в більш концентрованих розчинах коагулянту ступінь гідролізу солі знижується, а утворення гідроксиду заліза повністю відбувається у вихідній воді, що добре впливає на його адсорбційну здатність. Розрахунок ступеня гідролізу [15] показав, що він різко зменшується (у два рази) при збільшенні концентрації від 1 до 48% і в 1,37 рази при збільшенні концентрації розчину з 4,8 до 9,3%.
Ці дані 14 узгоджуються з залежністю величин залишкової кольоровості води та інтенсивності розсіювання від концентрації розчину коагулянту і дозволяють рекомендувати водопровідним станціям робочі розчини заліза (ІІІ) не нижче 5%. Вивчена також ефективність застосування у водопідготовці сульфату заліза (ІІІ) та гідроксосульфату заліза з модулем основності
(молекулярним співвідношенням SO3:Fe2O3), рівним 2,5 [16].
Коагуляція проводилася на модельній системі, що імітує воду р. Десни.
Задовільна седиментація обох коагулянтів має місце в інтервалі значень рН 7-
9. Зміщення в кислу та лужну області (рН 6 та рН 10, відповідно) призводить до збільшення вмісту залишкового нефільтрованого заліза, що повязано зі збільшенням або позитивного, або негативного заряду частинок гідроксиду заліза, що перешкоджає їх агрегації до більш крупних пластівців, а також зі збільшенням в системі розчинних продуктів гідролізу. Спільне використання сульфатів заліза та активної кремнієвої кислоти (АКК) дозволяє поліпшити показники очищення за мутністю і залишковому залізі на 25%.
Акцентується увага на великий вплив режиму змішування коагулянту з водою. З метою теоретичного обґрунтування вищезгаданих результатів цих авторів [17] вивчені електрокінетичні властивості продуктів гідролізу сульфатів заліза (ІІІ) та алюмінію в діапазоні рН 6 - 11. Встановлено, що підвищення дози обох типів коагулянтів призводить до зниження позитивної величини дзета-потенціалу часток.
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
8
Введення зростаючих доз коагулянтів призводить до різкого зниження рНк системи і зсуву рівноваги гідролізу, при цьому, ймовірно, збільшується кількість розчинних гідроксокомплексів заліза (алюмінію) з меншим зарядом, хемосорбція яких на поверхні часток гідроксидів заліза (алюмінію) призводить до зниження дзета-потенціалу.
Зіставлення величин дзета-потенціалу частинок продуктів гідролізу сульфатів заліза та алюмінію показує, що в першому випадку вони нижчі в середньому на 30-50%. Більш низький позитивний заряд частинок гідроксиду заліза в порівнянні з гідроксидом алюмінію зберігається в широкому
інтервалі рНо (6,3-9,2), що пояснює більш інтенсивне пластівцеутворення і швидку седиментацію коагулятів при використанні залізовмісних коагулянтів, 15 виявлених раніше при порівнянні коагуляційної активності сульфатів заліза та алюмінію при очищенні природної води р. Десни [16].
Більш низькі значення дзета-потенціалу частинок монодисперсного оксиду гідроксиду заліза в порівнянні з гідроксидом алюмінію отримані також у роботі [18]. В даний час є інформація, як про позитивний, так і про негативний досвід використання залізовмісних коагулянтів при очищенні природних вод. З безлічі робіт, виконаних методом порівняльних пробних випробувань залізовмісних коагулянтів і сульфату алюмінію, слід виділити досвід і підхід до вибору і застосування коагулянту фірми "Дегремона"
(Франція) [19].
Він полягає в принципі: технологія обробки визначається якістю і властивостями вихідної води. Тестування води на здатність до коагуляційно- флокуляційної обробки полягає в пошуку виду і доз найбільш підходящих реагентів (коагулянту і флокулянта), а також оптимальних умов для їх використання (градієнт швидкості, тривалість коагуляції і флокуляції, величина рН). Методика тестування викладена в «Технічному довіднику по воді» компанії «Дегремона».
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
9 Дозу коагулянту визначають побудовою кривих зміни дзета-потенціалу в залежності від дози. Для вихідної води, яка характеризується, в основному, колоїдною забрудненістю, достатньою є доза коагулянту, що забезпечує зниження дзета-потенціалу до 3-4 мВ. При значній забрудненості води планктоном або органічними забруднювачами доза коагулянту повинна забезпечувати досягнення нульового потенціалу. Оптимальна величина дзета- потенціалу залежить лише від властивостей вихідної води і пріоритетності завдань її обробки.
Фірма «Дегремона» має досвід роботи з цілою низкою мінеральних коагулянтів, в тому числі:
з твердим сульфатом заліза Fe2(SO4)3·9H2O з дозами 10 - 250 гм і з введенням вапна до 50% дози коагулянту
рідким хлорсульфатом заліза FeClSO4 з аналогічними дозами
твердим сульфатом заліза (ІІ) FeSO4·7H2O дозами 5 - 150 гм і з введенням вапна до 30% дози коагулянту 16
твердим сульфатом заліза (ІІ) і хлором з дозою близько 12% від дози коагулянту
хлорним залізом FeCl3·6H2O в твердому або рідкому вигляді дозами 5 - 150 гм і з введенням вапна 50 - 500 гм на кожні 50 - 300 гм комерційного продукту. В якості підтвердження обґрунтованості та надійності підходів фірми до пошуку оптимального рішення при виборі реагенту і технологічної лінії наводиться приклад зі станцією питної води
«PROSPECT» в Сіднеї, джерелом водопостачання якої служить суміш води трьох водосховищ зі стрибками каламутності від 0,5 до 25 од. NTU і кольоровості від 5 до 50˚ Н в присутності заліза і марганцю.
Фірмою рекомендовано двоступенева коагулювання спочатку хлорним залізом, потім катіонним полімером з коригуванням рН шляхом введення вапна. Відомо про позитивний досвід використання коагулянтів на основі тривалентного заліза для підготовки питної води фірми «Кеміра Кемикалс»
(Фінляндія) [20].
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
10
Нові реагенти на основі тривалентного заліза, що не містять марганець, марки Р1Х-322 були випробувані в кількох містах Фінляндії. У Гельсінкі застосування Р1Х-322 для очищення води оз. Пейянне з низькими показниками лужності, каламутності і завислих речовин дозволило підвищити на 25% в порівнянні з сульфатом алюмінію видалення органічних речовин і поліпшити роботу освітлювачів і піщаних фільтрів. Випробування цього коагулянту, проведені в Тампере на станції Руско в лабораторних умовах і на пілотній установці флотації, показали його перевагу перед сульфатом алюмінію навіть без коригування рН і фільтрування.
Перехід на коагулянти на основі тривалентного заліза дозволив досягти і інші позитивні ефекти, такі як
можливість скиду осадів водоочищення в каналізацію, оскільки тривалентне залізо перешкоджає утворенню сульфідів водню в системі каналізації, осідаючи у вигляді сульфідів заліза, а, отже, і утворення корозійної сульфатної кислоти; 17
краще зневоднення осадів- коагулятів у зв'язку з їх властивістю легше віддавати воду. В роботі проведено дослідження коагуляції залізовмісним коагулянтом - хлорним залізом гумінових речовин з поверхневих вод. Досліди проводили на модельних системах, що містять попередньо вилучені з природної води гумінові речовини в різному кількісному і якісному складі при загальному вмісті до 10 мг/дм3 . Передбачалися стадії інтенсивного перемішування води з реагентом, флокулювання, відстоювання і фільтрування через піщане 0,8-
1,25 мм завантаження. Визначено оптимальні значення рН (4,5- 5,5) і дози коагулянту (2 мг на мг ЗОВ, що забезпечують ефективне видалення фульвокислот.
Ці дані повністю узгоджуються з результатами теоретичних досліджень розподілу молекулярної маси органічних речовин за рахунок посиленої коагуляції [22]. В роботі визначені характеристики розподілу молекулярної маси органічних речовин за рахунок зміни дозування коагулянту хлорного заліза і рН.
Зм.
Арк.
№ докум.
Підпис Дата
11 Оптимальною величиною рН є 5,5, при якій органічні речовини з меншою молекулярною масою видаляються більшою мірою. Залізовмісні коагулянти привернули увагу практиків і дослідників в разі присутності у питній воді канцерогенних сполук, що утворюються при знезараженні з використанням хлору [23].
У лабораторних умовах було проведено експеримент з обробки модельної води, що містить саліцилову кислоту, сульфатом поліферита
(СПФ) і хлорним залізом. Встановлено перевагу хлорного заліза, що забезпечив 98% видалення забруднювача. Визначено, що хлорид заліза утворює з саліцилової кислотою стійкий комплекс, який далі виділяється. Сульфат поліфериту менш ефективний. Про позитивний досвід застосування залізовмісного коагулянту повідомляється в разі очищення ґрунтових вод [24]. Визначений наступний порядок збільшення ефективності коагулянтів: алюмінат натрію, сульфат заліза (ІІІ), сульфат алюмінію, поліхлориди алюмінію. З метою вирішення проблеми поліпшення якості очищеної води, зумовленої наростаючим забрудненням природних поверхневих вод, вивчається 18 перспективність використання для реагентної обробки води змішаних коагулянтів. На багатьох водопровідних станціях проводилася порівняльна оцінка середніх і основних солей (гідроксосолей) алюмінію, сульфатів дво- і тривалентного заліза і змішаних алюмозалізних коагулянтів. І, незважаючи нате, що для широкого спектра природних вод найефективнішими коагулянтами визнаний поліоксихлорид алюмінію, все більший інтерес проявляється до отримання та застосування комбінованих реагентів.
1 2 3 4