CC BY
18
НАРОДНЫЙ КОМИССАРИАТ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР
сс
ГИГИЕНА и САНИТАРИЯ
Отв. редактор А. Я. КУЗНЕЦОВ, зам. отв. редактора'А. Н. СЫСИН* Члени редколлегии: Н. А. БАРАН, Ф. Е. БУДАГЯН, Н. П. КОМИССАРОВА^ А. В. МОЛЬКОВ, Н. А. СЕМАШКО, 3. Б. СМЕЛЯНСКИЙ, Т. Я. ТКАЧЁВ -
Отв. секретари: Р. М. БРЕЙНИНА, Ц.]Д. ПИК
1944
9-й ГОД ИЗДАНИЯ
г Щ1ИДЧ - "
«едмДОСК. ^
мвпнспетм
ССОР
рьооо/,
Проф. С. М. ДРАЧЕВ
Способы экономии сернокислого глинозема и заменители, его при очистке воды
Одним из основных приемов технологии очистки питьевой воды является коагуляция взвешенных и отчасти растворенных в воде минераль ных и органических соединений при помощи сернокислого глинозема. При современных высоких требованиях к физическим! свойствам и бактериологическому составу подаваемой потребителям воды даже длительный отстой поверхностных вод сам по себе не может обеспечить выполнение требований соответствующего стандарта (мутность — до 1,5 кг/л и цветность не выше 20° платиново-кобальтовой шкалы). Коагуляция не только улучшает физические свойства воды, но весьма облегчает и обезвреживание вследствие удаления взвешенных частиц, внутри которых бактерии хорошо защищены от действия даже высоких доз хлора. Поэтому мутная вода, даже хлорированная, всегда подозрительна в санитарном отношении. Кроме того, цветные и мутные воды для обезвреживания (к тому же не всегда надежного) требуют применения высоких доз хлора. Таким образом, процесс коагуляции не может быть опущен без серьезного ущерба санитарному качеству воды, а в отдельные периоды (паводки) является совершенно необходимым!.
Способы экономии сернокислого глинозема. При -недостатке яли отсутствии сернокислого глинозема остро встает вопрос о способах экономии коагулянта и его заменителях. Это представляет также большой экономический интерес. По данным американских специалистов. стоимость коагулянта составляет 60—70%, а на малых установках— до 100% остальных эксплоатационных расходов. В военное время вопрос о заменителях коагулянта и максимальной экономии последнего обостряется тем обстоятельством', что на серную кислоту предъявляет огромный спрос военная промышленность. Практика водопроводного дела разработала ряд решений этой задачи. Успешный выбора того или другого решения в значительной мере зависит от химического состава и свойств исходной воды.
Для того чтобы лучше ориентироваться в этом вопросе, необходимо вкратце остановиться на сущности физико-химических явлений в последовательных этапах технологического процесса очистки воды с применением коагулянта. Сернокислый твердый глинозем растворяется, вносит-\ _
ся в обрабатываемую воду и после ряда реакций физико-химического порядка выводится в виде твердого тела (осадка) из очистных сооружений. Последовательный ход процессов и схематическое их выражение в формулах представлены в таблице. Наиболее существенными с точки зрения успешности очистки являются образование нерастворимого гидрата окиси алюминия, формирование мицеллы и переход в гель с последующим образованием хлопьев. Образование положительно заряженной мицеллы гидрата окиси алюминия обусловливает реакцию с отрицательно загрязненными коллоидальными частицами, находящимися в очищаемой воде, и последующее выпадение их в виде хлопьев. Выпадающий в осадок гель обволакивает и увлекает в осадок более крупные органические и минеральные частицы, находящиеся в суспензированном состоянии.
Фазы процесса коагуляции
Последовательность процессов Название процесса Формулы
Первый Растворение +++ — А1-(504), • 18 НгО 2А1 4- 3 БО,
Второй Гидролиз 2 А1+++3 50ч + 6 НоО 2 А1(ОН), — + 3 НгБ04
Третий Обмен ЗСа(НСО,), 4 3 А1г(БОЛ, ЗСаБ04 + 42 А1(0Н),46С02
Четвертый Переход в твердую фазу А1(ОН)3
Пятый Образование мицеллы х А1г03 • • уА1С13г -А1сС42С1
Шестой Переход в гель х А1„Оа - V/ Н.О • уА1С1. • п БЮ. • ш Н.О-• р (С5Н4Ог)" С5НО,
Седьмой Образование хлопьев
Восьмой Осаждение хлопьев
Так же, как и прочие этапы коагуляции, названные процессы зависят от многих факторов: от активности реакции, концентрации электролитов, движения воды, температуры, количества и качества коллоидальных и суспензированных в воде веществ. Так, наиболее ответственные моменты успешного хода очистки воды — формирование мицеллы гидрата окиси алюминия, переход его в гель и образование хлопьев — связаны с ;1ктивной реакцией воды, концентрацией электролитов, коллоидных и суспензированных частиц, температурой и движением воды. Притом каждый из данных факторов действует во взаимозависимости от остальных. В отношении активной реакции Терио и Кларк указывают величину 5,5 как оптимальную для образования хлэпьев. У Бейлиса наилучшие результаты получились в зоне 5,7—6,6. Гатфильд нашел, что умеренно жесткие воды средней мутности дают лучшие результаты при рН = 7,2—7,4. Колебания оптимальной величины рН указывают, что гидроокись алюминия не имеет строго определенной изоэлектрической точки и что последняя зависит от ряда условий.
Петере да и Бартоу показаиш,' что при увеличении концентрации сульфатов оптимальная .величина <рН сдвигается в кислую сторону.
По исследованиям Меттсона, изоэлектрическая точка алюмогуматных соедакчтй меняете я а завися »мости от соотношения их компонентов. По данным Скопинцевэ и | схлубевой, при работе с цветными водами оптимальная величина- рН возрастает с увеличением щелочности воды. Образовавшаяся положительно заряженная коллоидная
частица пирата окис^ алюминия, окруженная роем отрицательно заряженных ионов и ориентированных молекул гвдрапущ'жмгиой воды не имеет собственного молекулярного движения — для этого она слишком велика, в тоже время эта частица слишком мала для того, чтобы в воде, обладающей достаточной вязкостью, иметь гравитационное движение. Движение воды способствует солдакосчовению с коллоидальными частицами обратного знака, так оке как и последующей агрегации з хлопьях частиц, утративших сзой заряд.
Формирование хлопьев, их платность, удельный вес и скорость оседания в значительней степени зависят от количестаа и характера мути природной воды. При небольшой мути хлопья получаются слишком малого удельного веса, 'медленно оседающие. Избыточное количество мути требует очень большого количества обволакивающего материала для того, чтобы успешно шел процесс осветления шды.
Задача экономного использования крагулянта заключается прежде всего в том, чтобы максимально использовать свойства природной воды и существующих сооружений, а уже в дальнейшем ставить вопрос об изменении и того, и другого для усиления положительного эффекта.
Разнообразные способы экономного использования коагулянтов можно свести к следующим: 1) механические приспособления для растворения, 2) жидкий коагулянт, 3) добавка извести, 4) добавка мела, 5) добавка жесткой воды, 6) подкисление СОа, 7) подкисление кислотами, 8) дробное внесение коагулянта, 9) совместное внесение, 10) добавка силикатов, 11) перемешивание, 12) продувание воздуха, 13) предварительный отстой, 14) внесение кирпичной пыли, 15) внесение глины, 16) внесение ила отстойников, 17) внесение осадка после коагуляции, 18) суперхлорирование. Только часть этих способов изучена в СССР; применялись они на практике еще меньше. Экономия при применении этих способов колеблется от 10 до 70%.
Приемы эти разнятся между собой в отношении масштаба ах применения, сложности, 'эффективности, степени изученности и практической обоснованности. Среди них можно выделить приемы совершенно бесспорные и повсеместно применимые, например, устройство механических приспособлений для полного извлечения солей алюминия из поступающего твердого коагулянта. Наблюдения показали, что при несовершенных способах растворения глинозема используется лишь 70—80% алюминия.
Устройство несложных и в' то же время достаточно эффективных приспособлю л, при помощи которых можно добиться полного извлечения алюмкш я, является совершенно неотложной задачей. Если коагулянт приготовляется на самих очистных сооружениях, как это практикуется на некоторых американских водопроводах, его надо употреблять в жидком виде. Этим* достигается полнота его использования и одновременно отпадает трудоемкая операция по растворению коагулянта. К механическим способам улучшения использования коагулянта относится перемешивание очищаемой воды после его внесения. Перемешивание должно быть достаточно энергичным!, но не чрезмерно быстрым, чтобы не разрушать образующихся хлопьев. Одним из способов перемешивания является продувание воздуха, способствующее удалению излишней } глекислоты «'нежелательных запахов. По данным производственных ' аытов, проведенных в Буэнос-Айресе, таким путем получено снижение асхода коагулянта на 20%.
Ряд прьемов экономии коагулянта основан на регулировании содержания в о^нщенной воде взвешенных веществ. Количество коагулянта, необходимое для получения хорошего эффекта, в общем возрастает с увеличением! мутности воды, но до известного предела, за которым очистка прозрачной воды становится .уже затрудните.;ьной и требует слишком много коагулянта. Поэтому в списке мероприятий по экономии коагулянта имеются также противоречивые приемы (например, предварительный отстой очищаемой воды для уменьшения количества » взвешенных веществ и одновременное введение в воду таких добавок,
как кирпичная пыль, измельченная глина, ил из отстойников и осадки от коагуляции).
Отстой имеет большое значение в поводочный период для наших водопроводов, питающихся речной водой. По американским данным, экономия коагулянта при отстое воды доходит до 70%. Но тот же отстой при| сравнительно малой мутности сырой воды может способствовать увеличению расхода коагулянта. Для осжкдения образовавшихся хлопьев гидрата окиси, алюминия, очевидно, необходим известный минимум взвешенных веществ как физических тел определенной плотности. Коллоидные частицы, даже потерявшие заряды, агрегированные в хлопья, из-за большой ■оеерхности и малого удельного веса могут лишь медленно осаждаться. Такие имдиферентные вещества, как кирпичная пыль и глина, служат, очевидно, своего рода наполнителями, увеличивающими удельный в£с хлопьев и быстроту оседания. Таким наполнителем является и кремне кислота, внесение которой в воду рекомендуется в качестве приема экономии коагулянта. В этом случае дело обстоит сложнее: кремн-екислота, играет! роль и в оформлении первичных хлопьев в силу своего резко выраженного отрицательного заряда.
Некоторые крупные очистные сооружения в США (Сан-Луи, Чикаго) практически применяют силикат натрий1 в дозе 40% от того количества, на которое снижается доза основного коагулянта.
Далее, фактором, способствующим экономии коагулянта, является подкисление воды, поскольку рН природных вод обычно выше пределов оптимальной зоны осаждения. Лабораторными работами в СССР и за границей установлено, что при помощи подквеления можно достигнуть экономии коагулянта. Практически в современных условиях возможность подкисления ограничена дефицитностью кислоты, но не исключена при использовании углекислоты или разведенных кислот, являющихся отходами некоторых производств.
Одним из доступных приемов экономии коагулянта является внесение извести. Теоретическая сторона вопроса о механизме действия извести при совместном внесении ее с сернокислыми глиноземами мало освещена. Добавление извести увеличивает щелочный резерв воды, повышает величину рН и способствует осаждению гидрата окиси магния. Возможно, что последнее обстоятельство играет существенную роль, облегчая формирование первичных хлопьев. Известь применяется на некоторых заграничных станциях. У нас она успешно использовалась на московском водопроводе в паводочные периоды 1935 и 1936 гг., причем была достигнута значительная экономия коагулянта.
Есть данные о том, что снижение расхода коагулянта возможно путем дробного его внесения, причем 60—75% коагулянта вносится вначале, а остальное после известного контакта. Дробное внесение коагулянта на очистных сооружениях в Буэнос-Айресе позволило снизить расход коагулянта на 16%.
Практически могут быть также использованы многолетние наблюдения в г. Ричмонде (США) и других пунктах, показавшие, что небольшое прибавление солей железа ускоряет коагуляцию при пользовании обычным коагулянтом. Хороший эффект дает также добавка солей алюминия лри коагуляции солями железа.
Своеобразным приемом! улучшения условий коагуляции и экономии коагулянта является применяемая в г. Вест-Пальм добавка в паводоч-ный период к сырой воде около 5% жесткой артезианской воды. ЭтФ Можно объяснить повышением концентрации электролитов, положительная роль которых теоретически очевидна; практически же данный прием пока не находит применения. ^
Высокие дозы хлора способствуют, как показывают наблюдения американских исследователей и Сталинской (Москва) станции, снижению дозы коагулянта при цветных водах, но практически в данное время этот способ не может иметь широкого применения.
Заменители. При отсутствии коагулянта и недостатке серной кислоты для его производства практический интерес представляют заме-
нители коагулянта: соли железа, титана, алюминат натрия, известь, ал-лунит, бентонитовые глины. Наибольшее значение имеют соли закисного железа. Вопрос о применении железного купороса за последние годы усиленно прорабатывался лабораторно и в производственных условиях и освещается в ряде статей. В данное время железистый купорос можно рассматривать не как заменитель, а как коагулянт, применение которого на практике несколько более сложно.
Значительно менее освещенными в литературе являются вопросы применения других заменителей, из которых наибольший практический интерес представляют известь и бентонитовые глины. В данное время преимуществом этих заменителей является то, что производство их не требует дефицитной кислоты.
Известь в практике тасгьевого водоснабжения употребляется главным образом как вспомогательный материал для подщелачиваиия вод с малым щелочным резервом при коагуляции сернокислым глиноземом и для повышения активной реакции /три осаждении железным купоросом. В промышленном водоснабжении известь вместе с содой применяется для умягчения воды. Сущность умягчающего действия извести основана на осаждении карбоната кальция и" гидрата магния. Названные соединения выпадают в осадок, увлекая за собой находящиеся в воде взвеси и частично органические вещества, тем самым улучшая физягческие свойства воды. Избыток гидрата окиси кальция обусловливает резко щелочную реакцию воды и делает ее непригодной к употреблению без последующего подкисления углекислотой. При недостатке сернокислого глинозема и железа' способ обработки воды известью заслуживает внимания, тем более что возникающая резко щелочная реакция подавляет жизнедеятельность бактерий и при длительном воздействии в значительной мере дезинфицирует воду. Hauston показал, что применением! избытка извести можно достичь почти полной стерилизации воды. В опубликованной работе1 Гаустона о водах реки Темзы была доказана применимость извести к очистке питьевой воды. Так, приводятся следующие данные о бактерицидном действии извести для разлотмых образцов загрязнений воды через 24 часа после внесения избытка извести в 118 мг.
Количество бактерий:
До внесения извести .... 15000 10000 14000 29856 После внесения извести ... 2 • НО 48 21
Титр В. coli:
До внесения извести .... 0,1 0,1 0,01 0,001 После внесения извести . . . \ Отсутствуют в 10Э мл
Таким образом, известь до некоторой степени является одновременно заменителем и хлора, и коагулянта. К ее недостаткам как заменителя хлора относится мед лительность действия, а как коагулянта — неполное осаждение органического вещества (по данным Гаустона, составляющее 50% исходного количества). Кроме того, подщелочение воды требует последующего подюисления COs (карбонизации).* Тем не менее дешевизна исходного материала, а также умягчающее и стерилизующее действие извести в современных условиях заслуживают внимания. За границей имеются очистные сооружения, в которых известь применяется для улучшения свойств воды. В частности, очистка питьевой воды известью принята на дрезденском городском водопроводе.
На основе лабораторных работ1 и испытаний на опытных очистных сооружениях известь получила применение для очистки питьевой воды и в Англии. В 1913 г. в парламенте прошел билль об употреблении извести в избытке с последующим семидневным отстаиванием и фильтрацией в городе Абердан. В 1922 г. парламент разрешил применять известь 'для очистки воды р. Чел мер после пятидневного отстоя с последующей быстрой фильтрацией и хлорированием, если это ♦кажется необкодкмым..
На английских очистных установках применяется метод» очистки воды известью с последующим внесением сернокислого глинозема в количестве 10 мг на 1 л. После подачи извести вода отстаивается почти в течение суток, чем достигается) полнота осаждения карбоната кальция. Углекислота для подкисления подается перед фильтром для предупреждения осаждения на нем кальция. В результате очистки цветность воды снижается с 32° чДР 6°, одновременно сильно уменьшается жесткость вода.
Осадок карбоната кальция обычно регенерируется в печах для обжига извести, причем углекислота используется для подкисления воды. Экономическое изучение
»опроса показало, что регенерация извести «ч крупных очистных сооружениях выгодна, так как .регенерированная известь получается дешевле рыночной цены. Кроме
того, уменьшается объем осадка, удаление которого является тягостной операцией. •
В СССР, разумеется, могут быть случаи, когда применение извести явится технически и экономически рациональным приемом обработки воды и в условиях мирного времени. Известь имеет преимущество перед солями алюминия и железа при обработке очень мутных жестких вод, в которых вследствие большого количества магниевых солей получаются хорошие хлопья М£(ОН}г, коагулирующие муть. Таким> .образом достигаются умягчение, осветление и стерилизация водЬк
Сравнительно недавно, уже в последнее десятш*етие, в водопроводной практике появилось новое коагулирующее средство бентонит. Как указывалось выше, внесение глин и других дисперсных материалов было известно и раньше, но прием этот является вспомогательным' при коагулировании воды солями алюминия. В 1937 г. Олин и Петерсон опубликовали результаты лабораторных опытов по применению бентонита при очистке воды'. В Настоящее время бентонит начинает уже практически применяться как коагулянт. Это заслуживает внимания, так как производство данного реагента не требует химической обработки.
Бентонит является видом глин, образовавшихся в результате расстекловывашгя и химических изменений частиц вулканического пепла или туфа. Он) получил свое название от горной цепи Бентон, где найдено его месторождение. Бентонит содержит большое! количество столь тонко измельченных кристаллических веществ, что они проявляют коллоидальные свойства. По своим физическим свойствам бентонит весьма разнообразен. Некоторые сорта его набухают незначительно, другие же, напротив, набухают очень! сильно и долго остаются в воде во взвешенном состоянии. Вследствие своей высоко развитой поверхности бентонит обладает значительной поглощающей способностью. Бентонит широко применяется, в том числе и для умягчения воды. Употребление его в .последнем случае своеобразно: этот «коагулянт» в сущности является веществом1, коагулируемым растворенными в воде ¡соединениями. Изучению коагуляции бентонита под влиянием нейтральных солей (иоовятцен'ы статьи Опенса, Олина и Габанно. Действие бентонита при очистке воды наиболее просто н может быть представлено как осаждение отрицательно заряженных коллоидов положительно заряженными ионами растворимых электролитов.
Американские! сорта бентонита могут непосредственно применяться на очистных сооружениях, для итальянских же .необходим предварительный размол. По данным Габаино, для образования хлопьев в воде должно содержаться определенное количество -электролитов. Для солей, обычно встречающихся в воде, необходимо содержание оиного •миллиэквивалента двух- и трехвалентных солей и 50 миллиэквивалентов одновалентных солей. Автор приходит к заключению, что при дозах бентонита от 0,01 до 1 г выпадение его происходит « течение одного часа в тех случаях, когда в воде содержится количество солей, соответствующее концентраций сухого остатка от 70. до 100 мг на 1 л. Как известно, в природной воде редко содержится меньшее количество солеи. Даже в паводочных водах северной части СССР содер жание войиорастворимых солей не падает ниже 50 мг/л. Испытание бентонита проводилось на большом количестве природных вод различной мутности, причем во всех случаях происходило осаждение бентонита. Применение последнего возможно и для мягких вод при добавке небольшого количества солей. В опытах Габанно осветление происходило с меньшим количеством бентонита, тем с потребными дозами глинозема. В воде не оставалось Езвешенных хлопьев, фильтрация шла скорее, чом при обычном коагулянте, и фильтры работали дольше.
Далее, бентонит не увеличивает содержания СОг1 и не только не повышает жесткости, ио даже может ее снизить. Кроме того, бенгонит дешевле - глинозема Недостатком его является значительно больший объем осадка по сравнению с глиноземом. %
Применение бентонита начинает входить в практику очистки яоды, но детальных работ в этом направлении еще не имеется.
Ряд достоинств и особенностей, этого приема очистки позволяет выдвинуть его как подлежащий дальнейшему изучению. В пределах СССР имеются месторождения бентонитов в Грузинской и Туркменской ССР, суббентонитовые глины найдены в Крыму, на Украине, в Смоленской, Тамбовской, Воронежской областях и в Сибири. Изучение возможности их применения для очистки питьевой воды является неотложной задачей.
Выводы
1. Высокая стоимость сернокислого глинозема всегда заставляет •стремиться к экономии коагулянта и изысканию более дешевых заменителей его. Условия военного времени придгнот этим! вопросам срочный и неотложный характер в силу дефицитности серной кислоты и необходимости уменьшения нагрузки транспорта.
2. При решении вопроса о наиболее эффективном способе' использования сернокислого глинозема необходимо учитывать, что с санитарной точки зрения важнее всего "снизить мутность воды, в то время как уменьшение цветности ее менее существенно в условиях резкого дефицита коагулянта. Наиболее важным с точки зрекия качества воды и снижения ее хлоропоглощаемости является уменьшение коагулированием высокой мутности исходной воды в период паводка.
3. Сложность процесса коагуляции и многообразие факторов, определяющих успешный ход-ее, дают возможность применения ряда приемов, экономного расходования коэгулянта на основе учета свойств воды. Американская практика располагает большим арсеналом приемов экономии коагулянта, не нашедших у нас широкого применения (в СССР применяют значительно более высокие дозы коагулянта, чем> за границей).
4. -Из приемов экономии коагулянта наибольшего внимания заслужи-ваюг добавка извести, совместное внесение железа и алюминия, предварительный отстой, перемешивание (продувание). Необходимо обратить внимание также на полноту извлечения алюминия из коагулянта.
5. Из заменителей коагулянта практически важными являются соли железа, известь и бентонитовые глины. Применение двух последних не требует расхода кислоты и дефицитных щелочей.
Проф С. Н. ЧЕРКИНСКИЙ
Применение извести для дезинфекции шахтных колодцев1
Яз Центрального научно-исследовательского санитарного института им. Эрисмана.
Москва
В отечественной и зарубежной гигиенической и санитарно-техниче--ской литературе вопросы применения извести для обеззараживания воды освещались довольно слабо. Тем больший интерес представляет опубликованная еще в 1925 г. работа ТЬгезЪ и Веа1е, в которой отдельная глава отведена очистке воды известью.
По мнению указанных авторов, умягчение воды известью сопровождается значительной бактериальной очисткой воды, однако лишь недавно было достоверно показано А. Наивкю на основании его опытов на .лондонском водопроводе, что большие дозы (излишки) извести обеспечивают почти полную стерильность воды. Практическое использование извести для очистки воды оказалось возможным' после опубликования А. Наивк>п результатов его опытов с водой реки Темзы (1912 г.). Обра ботка воды для питьевых целей известью была принята для городов Эбердин (1913 г.) и Чельмсфорд (1922 г.), причем было предусмотрено
1 В работе приняли участие О. Н. Васильева и О. В. Суркова.
