ЦЕОЛИТ

ОЧИСТКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
КЛИНОПТИЛОЛИТОВЫХ ФИЛЬТРОВ

 В.А. Кравченко, Ю.И. Тарасевич, Г.Г. Руденко,
С.Г. Кожушко, А.С. Коростышевский, Н.Д. Кравченко.

  Рассмотренная в (1-4) возможность замены при очистке воды поверхностных источников традиционного фильтрующего материала – кварцевого песка клиноптилолитом (цеолитом) с несомненностью доказывает эффективность использования последнего в качестве загрузки фильтровальных сооружений. Полнее клиноптилолит может быть использован в технологических схемах очистки воды, учитывая как его сорбционные, так и ионообменные свойства.

В данной работе изложены результаты исследований по использованию цеолитовых фильтров (конечная стадия), хлорирования или озонирования (первичная стадия), а также контактного коагулирования в целях интенсификации процесса очистки, обеспечения гарантированного качества воды, снижения себестоимости и расхода реагентов.

Обычно при очистке цветных вод их перед процессом коагуляции предварительно обрабатывают хлором. Этот технологический прием позволяет улучшить работу всех сооружений, значительно сократить расход коагулянта и получить очищенную воду более высокого качества. Учитывая это, проведены специальные пилотные исследования на Днепровской водопроводной станции г.Киева при очистке воды по схеме: хлорирование – отстаивание – фильтрование на цеолитовых породах. Для сравнительной характеристики использовали фильтры с загрузкой из кварцевого песка, керамзита – песка и активированного угля АГ-3 – песка. В ходе экспериментов скорость фильтрования на опытной установке варьировали в пределах 5 – 12 м/ч. Эффект удаления веществ, обуславливающих мутность и цветность воды, в значительной степени зависит от ее качества и скорости фильтрования. Как было установлено, цветность воды после клиноптилолита всегда ниже на 1 – 5 град, чем после фильтров сравнения. Мутность воды после клиноптилолита при скорости фильтрования до 10 м/ч в среднем за фильтроцикл также ниже на 0,2 – 0,5 г/м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При изучении влияния скорости фильтрования на эффект обесцвечивания воды на цеолите (рис. 1) установлено, что эти показатели находятся в обратной зависимости. Удаление веществ, обуславливающих цветность воды при скорости 3 – 10 м/ч на цеолите протекало более глубоко, чем на керамзите – песке. С увеличением скорости фильтрования разница в качестве фильтратов по цветности уменьшалась, при скорости более 12 м/ч все исследуемые загрузки работали одинаково.

Полученные данные можно объяснить тем, что у двухслойных фильтров нижний слой выполнен из инертного материала – кварцевого песка. Клиноптилолит, равно как и другие природные дисперсные материалы, обладает способностью сорбировать окрашивающие воду вещества (5). Поэтому можно предположить возможность реализации схемы очистки воды при использовании сильных окислителей (хлора и озона). Действительно,  при цветности воды в водоеме до 30 град, а мутности – до 2 г/м3  при ее обработке можно использовать упрощенную технологическую схему: хлорирование в водозаборном ковше – фильтрование на цеолите. При этом качество фильтра соответствовало требованиям стандарта по основным физико-химическим и биологическим показателям.

При определенном качестве воды в источнике можно использовать схему обработки воды, включающую контактную коагуляцию на скорых фильтрах с последующим хлорированием. Некоторые результаты очистки воды по данной схеме с применением клиноптилолита в качестве фильтрующего слоя приведены в таблице 1. При равной скорости фильтрования и дозе коагулянта клиноптилолит обеспечивает более глубокую, чем двухслойные фильтры, очистку воды, по мутности на 0,1 -  2,1 г/м3, по цветности на 2 – 11 град.  Для достижения одинакового качества обработанной воды при использовании цеолита доза вводимого коагулянта может быть снижена  на 10 – 30 %. По-видимому, зерна клиноптилолита влияют на процесс гидролиза сульфата алюминия и свойства конечных продуктов гидролиза.

 

Т а б л и ц а  1.

Очистка воды по схеме: хлорирование контактная коагуляция на цеолитовом (1),
 керамзито-песчаном (2), и угольно-песчаном (3) фильтрах

Доза коагулянта, г/м3

Скорость фильтрования,  м/ч

Показатели качества воды

Хлорированной

после фильтра

Хлорированной

после фильтра

1

2

3

1

2

3

Мутность, г/м3

Цветность, град

5

5

7,9

5,0

5,6

5,7

52

40

40

42

5

5

4,6

3,7

3,8

3,8

42

35

59

35

10

5

4,8

2,0

3,4

4,1

50

23

37

41

10

5

3,8

2,4

2,8

2,8

44

28

28

32

15

5

4,9

1,5

2,8

3,0

48

19

30

28

15

5

3,6

1,2

2,0

1,8

43

20

23

24

20

5

4,2

1,2

1,5

1,6

38

16

20

20

20

8

3,9

1,4

1,6

1,6

41

18

21

20

25

8

4,2

1,0

1,4

1,3

40

14

18

17

Т а б л и ц а  2.

Очистка воды по схеме: озонирование –  фильтрование или контактная коагуляция на цеолитовом (1),
 керамзито-песчаном (2), и угольно-песчаном (3) фильтрах

Доза, г/м3

Скорость фильтрования,  м/ч

Показатели качества воды

Озониро-ванной

после фильтра

Озониро-ванной

после фильтра

Озона

Коагулянта

1

2

3

1

2

3

Мутность, г/м3

Цветность, град

2,8

-

9,0

4,5

2,7

2,8

2,8

46

30

34

35

5,7

-

5,0

4,4

2,0

2,2

2,2

55

32

38

34

5,7

10

5,0

3,6

1,3

1,5

1,6

30

17

22

18

6,4

10

5,0

3,9

1,3

1,6

1,5

29

16

19

17

5,7

1*

5,0

3,6

1,8

2,0

2,0

27

18

21

19

5,7

20

5,0

4,2

0,6

1,4

1,2

42

15

18

19

5,7

15

5,0

4,4

1,2

1,6

1,5

38

17

21

21

* - вместо коагулянта использовали полиакриламид.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В ходе исследований изучена область применения схемы: хлорирование – контактная коагуляция на скорых цеолитовых фильтрах, исключающей использование отстойных сооружений в определенные периоды года. При использовании фракций цеолита 1 – 3 мм  и высоте слоя не иене 1,5 м рассматриваемая схема позволяет эффективно обрабатывать воду с цветностью до 50 – 60 град и мутностью до 10 – 20 г/м3. Продолжительность фильтроцикла в этом случае не менее 12 ч при гарантированном качестве очищенной воды.

Одним из перспективных реагентов при удалении из воды органических веществ  является озон.

В связи с этим представляют интерес сочетание фильтрование через клиноптилолит и озонирование в единой технологической цепи.

Исследование эффективности очистки по схеме: озонирование – фильтрование на клиноптилолите показало, что такая обработка эффективна только при цветности в водоеме не выше 40 – 50 град и мутности  – 3-5 г/м3.  Но и в данном случае, при скорости  фильтрования 5 – 9 м/ч качество воды после цеолита было выше, чем после фильтров сравнения: по мутности – на 0,1-0,2 г/м3, по цветности на 2-6 град (табл. 2). Следует отметить, что в определенные периоды года в реках днепровского бассейна наблюдается повышение содержания соединений марганца (до 0,2 - 1,5 г/м3) и железа (до 0,3 - 1,0 г/м3). В период исследований в обрабатываемой воде содержалось соединений марганца 0,4 - 0,75 г/м3 и железа 0,3 - 0,55 г/м3. При обработке воды по рассматриваемой схеме происходило снижение концентрации указанных загрязнений, хотя и не достигающее требований стандарта. Сравнительные исследования показали, что на цеолите происходит более глубокое удаление ионов марганца (на 0,02 - 0,26 г/м3) и железа (на 0,01 - 0,19 г/м3), чем на фильтрах загруженных керамзитом – песком и активированным углем – песком. Эта закономерность сохранялась при различных дозах озона в диапазоне скорости фильтрования от 5 до 10 м/ч. Более полное удаление соединений марганца и железа из воды на клиноптилолитовых фильтрах вполне объяснимо, если учесть, что активная поверхность клиноптилолитовых зерен приблизительно равна 20 м2/г, т.е. на два порядка выше активной поверхности кварцевого песка и на порядок – активной поверхности керамзита.

С целью достижения высокого качества очищенной воды в рассматриваемую схему включена контактная коагуляция на фильтрах. Проведенные эксперименты по видоизмененной технологии показали (см. табл. 2) высокую эффективность обработки воды. При прочих равных условиях качество фильтрата после клиноптилолита было выше, чем после фильтров сравнения. Для получения воды одинакового качества на исследуемых фильтрах доза вводимого в слой коагулянта уменьшалась на 10 – 30 %. При этом отмечалось более глубокое удаление соединений алюминия на 0,05 – 20 г/м3 (здесь и далее в пересчете на ионы алюминия).

Детальные исследования данной технологической схемы водообработки проводились на Деснянской водопроводной станции г. Киева в весенний период  - до и во время паводка. В описываемых опытах вода после производственного отстойника поступала в контактные колоны, где обрабатывалась озоно-воздушной смесью, затем параллельными потоками на цеолитовый и песчаный фильтры. Дозу озона варьировали от 1,5 до 4,4 г/м3, продолжительность контакта озона с водой составляла 9,3 – 13,3 мин, скорость фильтрования 8 м/ч. После отстаивания деснянская вода, поступавшая на установку, характеризовалась следующими показателями: цветность 15 - 25 град, мутность 4,3 - 5,7 г/м3, концентрация ионов марганца и соединений алюминия соответственно 0,27 - 0,41 и 0,87 - 0,95 г/м3.

 

Т а б л и ц а  3.

Обработка воды в весенний допаводковый период. Продолжительность
контакта озона с водой – 9,3 мин; температура воды – 0,1 оС

Вода

Доза озона, г/м3

Показатели качества воды

Цветность, град

Мутность, г/м3

Содержание, г/м3

Ионов марганца

Соединений алюминия

Исходная

-

26

6,0

0,27

0,27

После отстоя

-

24

5,7

0,27

0,87

После озонирования и фильтрования через фильтры

песчаный

1,5

12

1,3

0,19

0,48

цеолитовый

1,5

10

1,3

0,19

0,40

песчаный

2,6

6

0,5

0,10

0,27

цеолитовый

2,6

5

0,5

0,10

0,22

песчаный

3,6

4

0

0,06

0,25

цеолитовый

3,6

3

0

0,06

0,10

песчаный

4,4

3

0

Следы

0,17

цеолитовый

4,4

2

0

Следы

0,10

Очищенная на промышленной установке при дозе коагулянта 80, дозе хлора – 1,8 г/м3

-

16

1,5

0,25

0,50

 

Данные по обработке воды на опытной установке в допаводковый период представлены в табл. 3, из которой видно, что озонирование воды значительно улучшает качество фильтрата. Эффективной дозой озона, как в техническом, так и в экономическом отношениях является 2,6 г/м3. Концентрация ионов марганца в фильтре при этом соответствует требованиям ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая». Следует отметить, что фильтрование озонированной воды через цеолитовый фильтр позволяет снизить по сравнению с фильтратом после песчаного фильтра цветность на 1 – 2 град, содержание соединений алюминия на 0,08 – 0,15 г/м3.

 

Т а б л и ц а  4.

Усредненные данные работы очистных сооружений водопровода и опытной установки

Условия обработки

Тип анализируемой воды

Показатели качества воды

Цветность, град

Мутность, г/м3

Содержание, г/м3

Ионов марганца

Соединений алюминия

Промышленная станция

Доза коагулянта 80 г/м3

Исходная

26

4,5

0,18

-

Доза хлора 2,5 г/м3

Очищенная

13

1,5

0,36

-

 

 

13

1,5

0,42

-

Доза коагулянта 80 г/м3 с добавлением 5 %  АК

Исходная

50

26,1

0,88

-

Доза хлора 1,7 г/м3

Очищенная

8

1,1

0,60

-

 

 

8

1,3

0,60

-

Опытная установка

Доза озона 3,6 г/м3

Время контакта 9,3 мин

После отстаивания

20

4,5

0,95

0,41

После фильтров

песчаного

5

0,3

0,15

0,1

цеолитового

4

0,2

0,12

0,06

Доза озона 3,1 –  4,4 г/м3

Время контакта 9,3 – 13,3 мин

После отстаивания

15

4,3

0,92

0,27

После фильтров

песчаного

4

0,7

0,18

0,09

цеолитового

3

0,3

0,08

0,09

 

На рис. 2 представлена динамика изменения в паводковый период содержания веществ, обуславливающих цветность и мутность воды, соединений алюминия и марганца в отстоянной и ионизированной воде, профильтрованной через песчаный и цеолитовый фильтры. Фильтрат цеолитового фильтра в течении всего времени характеризовался более высокими качественными показателями. Следует отметить, что в первые 10 ч вода после цеолитового фильтра имела нулевую мутность, которая затем в течении 5 ч возросла до 0,5 г/м3 и оставалась без изменения на протяжении 9 ч. После 24 ч работы оба фильтра отключили на промывку, однако цеолитовый фильтр, судя по приведенным данным, имел еще значительный резерв защитного действия. Начальная скорость фильтрования через цеолитовый фильтр составляла 8 м/ч и поддерживалась в течении всего цикла работы. Песчаный фильтр с такой же скоростью проработал только 17 ч, после чего скорость начала падать и к концу фильтроцикла составляла лишь 4,5 м/ч.

В табл. 4 приведены усредненные данные работы песчаного и цеолитового фильтров в предпаводковый и паводковый период, которые свидетельствуют о более высокой эффективности цеолитовой загрузки фильтров.

Из полученных данных следует, что при использовании цеолитовой загрузки фильтров для сокращения расхода реагентов можно при определенных качественных показателях речной воды в отдельные периоды года выключить из работы отстойники. Особенно интересно сочетание озонирования и фильтрования на цеолитовой загрузке, дающие значительные улучшения качественных показателей и основных технологических параметров воды.

 

1.      Физико-химические свойства закарпатского клиноптилолита и его применение в качестве фильтрующего материала при очистке воды./Ю.И. Тарасевич, Г.Г. Руденко, В.А. Кравченко, В.Е. Полякова // Химия и технология воды. – 1979. –  № 1. С. 66 – 69.

2.      Опыт применения клиноптилолита в качестве фильтрующего материала скорых фильтров на промышленной водоочистной станции. / Ю.И. Тарасевич, Г.Г. Руденко.

 

Химия и технология воды, 1988, т.10. № 3.

 

НАЗАД

manezh@smila.com