Эффективность применения коагулянтов при водоподготовке в целлюлозно-бумажной промышленности в условиях Севера

УДК

628.161

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2019.1.141

Аннотация

Исследованы процессы водоподготовки в условиях предприятия целлюлозно-бумажной промышленности. Выявлены недостатки, существующие в схеме очистки воды на фильтроочистных сооружениях целлюлозно-бумажного комбината в Архангельской области: влияние сезонных колебаний качества воды на эффективность очистки, содержание остаточного алюминия и химическое потребление кислорода в обработанной воде. Для повышения качества водоподготовки предложено заменить используемый реагент на один из современных коагулянтов. В лабораторном эксперименте работали по методике пробной коагуляции воды р. Северная Двина при температуре 15...20 оС. Отбор проб, определение исходных показателей качества воды и контроль процесса по остаточным железу и алюминию, цветности, рН, химическому потреблению кислорода выполнены по стандартным методикам. Исходная речная вода имела высокую цветность, малую мутность, низкую щелочность и высокое со-держание органических природных соединений. Изучены условия применения реагентов для коагуляции и влияние их дозы на рН воды. Определена эффективность применения реагентов на основе полиоксихлорида алюминия (PAX XL100, UltraPAC-V1, UltraPAC-V2, ПОХА), сернокислого алюминия и соли трехвалентного железа – Ferix-3. Выполнен сравнительный анализ эффективности действия коагулянтов между собой и с применяемым по стандартной схеме сернокислым алюминием. Отмечено, что использование коагулянта Ferix-3 в неоптимальных условиях (низкие значения рН, недостаточная или избыточная доза реагента) приводит к увеличению цветности обработанной воды в несколько раз по сравнению с исходными показателями. Установлено, что при применении сернокислого алюминия значительно уменьшается рН воды из-за ее невысокого щелочного запаса, при этом эффективность коагуляции снижается. Для решения этой проблемы необходимо увеличивать дозировку щелочного реагента. Экспериментальные данные подтверждают бóльшую эффективность и глубину очистки в случае использования ПОХА по сравнению с другими реагентами. Доказана целесообразность замены сернокислого алюминия на ПОХА при очистке воды с высокой цветностью, низкими мутностью и щелочностью и большим содержанием природных органических соединений.

Сведения об авторах

Т.Е. Бойкова¹, ст. преподаватель
Н.И. Богданович², д-р техн. наук, проф.
К.Б. Воронцов², канд. техн. наук, доц.
¹Филиал Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова в г. Северодвинске, ул. Капитана Воронина, д. 6, г. Северодвинск, Архангельская обл., Россия, 164520; e-mail: t.boykova@narfu.ru
²Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: n.bogdanovich@narfu.ru, k.vorontsov@narfu.ru

Ключевые слова

взвешенные вещества, рН, цветность, осветление природной воды, коагуляция, полиоксихлорид алюминия

Для цитирования

Бойкова Т.Е., Богданович Н.И., Воронцов К.Б. Эффективность применения коагулянтов при водоподготовке в целлюлозно-бумажной промышленности в условиях Севера // Лесн. журн. 2019. № 1. С. 141–152. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.141

Литература

1. Апельцина Е.И., Беляева С.Д., Короткова Е.В. Исследование влияния свойств анионных флокулянтов на эффективность коагуляционной очистки природных цвет-ных вод // Изв. Жилищ.-коммун. акад. гор. хоз-ва и экологии. 1999. № 3. С. 64–68.
2. Бабенков Е.Д. Очистка воды коагулянтами. М.: Наука, 1977. 356 с.
3. Гандурина Л.В. Органические флокулянты в технологии очистки природных и промышленных сточных вод и обработки осадка: аналит. обзор / ФГУП ВОДГЕО. М., 2002. 41 с.
4. Гетманцев С.В., Нечаев И.А., Гандурина Л.В. Очистка производственных сточных вод коагулянтами и флокулянтами. М.: АСВ, 2008. 272 с.
5. ГН 2.1.5.1315–03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водо-пользования. Гигиенические нормативы. М., 2003. 154 с.
6. Гончарук В.В., Герасименко Н.Г. Электрокинетические свойства продуктов гидролиза основных сульфатов железа в условиях процесса водоподготовки // Химия и технология воды. 1996. Т. 18, № 3. С. 227–232.
7. Зубакова Л.Б., Тевлина А.С., Даванков А.Б. Синтетические ионообменные материалы. М.: Химия, 1978. 184 с.
8. Комиссаренков А.А., Пругло Г.Ф., Федоров В.А., Федорова О.В. Основы водоподготовки в целлюлозно-бумажной промышленности и теплоэнергетике: учеб.-метод. пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2012. 98 с.
9. Коряйкина А.В., Аюкаев Р.И. Применение биотехнологий для очистки высокоцветных природных вод из поверхностных источников в условиях Севера // Изв. Казан. гос. архитектурно-строит. ун-та, 2010. № 1(13). С. 245–251.
10. Лотош В.Е. Экология природопользования: учеб. пособие. Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2002. 540 с.
11. СанПиН 2.1.5.980–00. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. М.: Минздрав России, 2000. 18 с.
12. СанПиН 2.1.4.1074–01. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. М.: Информ.-изд. центр Минздрава России, 2002.
13. Ebeling J.M., Sibrell P.L., Ogden S.R., Summerfelt S.T. Evaluation of Chemical Coagulation–Flocculation Aids for the Removal of Suspended Solids and Phosphorus from Intensive Recirculating Aquaculture Effluent Discharge // Aquacultural Engineering. 2003. Vol. 29, iss. 1-2. Pp. 23–42. DOI: 10.1016/S0144-8609(03)00029-3
14. Folkard G.K., Sutherland J.P., Shaw R. Water Clarification Using Moringa Oleifera Seed Coagulant. London: Intermediate Technology Publications, 1999. Pp. 109–112.
15. Letterman R.D., Driscoll Ch.T. Survey of Residual Aluminum in Filtered Water // Journal AWWA. 1988. Vol. 80, iss. 4. Pp. 154–158. DOI: 10.1002/j.1551-8833.1988.tb03020.x
16. Letterman R.D., Pero R.W. Contaminants in Polyelectrolytes Used in Water Treatment // Journal AWWA. 1990. Vol. 82, iss. 11. Pp. 87–97. DOI: 10.1002/j.1551-8833.1990.tb07056.x
17. Muyibi S.A., Evison L.M. Coagulation of Turbid Water and Softening of Hard-Water with Moringa Oleifera Seeds // International Journal of Environmental Studies. 1996. Vol. 49, iss. 3. Pp. 247–259. DOI: 10.1080/00207239608711028
18. Narkis N., Rebhum M. Flocculation in Present of Organic Macromolecules of Natural Water and Secondary Effluents // Water Science and Technology. 1997. Vol. 36, iss. 4. Pp. 85–91. DOI: 10.1016/S0273-1223(97)00423-X
19. Park H., Lim S., Lee H., Woo D.-S. Water Blending Effects on Coagulation-Flocculation Using Aluminum Sulfate (alum), Polyaluminum Chloride (PAC), and Ferric Chloride (FeCl3) Using Multiple Water Sources // Desalination and Water Treatment. 2016. Vol. 57, iss. 16. Pp. 7511–7521. DOI: 10.1080/19443994.2015.1025583
20. Roussy J., Van Vooren M., Dempsey B.A, Guibal E. Influence of Chitosan Characteristics on the Coagulation and the Flocculation of Bentonite Suspensions // Water Research. 2005. Vol. 39, iss. 14. Pp. 3247–3258. DOI: 10.1016/j.watres.2005.05.039
21. Wei N., Zhang Z., Liu D., Wu Y., Wang J., Wang Q. Coagulation Behavior of Polyaluminum Chloride: Effects of pH and Coagulant Dosage // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2015. Vol. 23, iss. 6. Pp. 1041–1046. DOI: 10.1016/j.cjche.2015.02.003
22. Zhang Z., Wang J., Liu D., Li J., Wang X., Song B., Yue B., Zhao K., Song Y. Hy-drolysis of Polyaluminum Chloride Prior to Coagulation: Effects on Coagulation Behavior and Implications for Improving Coagulation Performance // Journal of Environmental Sciences (China). 2017. Vol. 57. Pp. 162–169. DOI: 10.1016/j.jes.2016.10.014
23. Zhao Y.X., Phuntsho S., Gao B.Y., Yang Y.Z., Kim J.H., Shon H.K. Comparison of a Novel Polytitanium Chloride Coagulant with Polyaluminium Chloride: Coagulation Performance and Floc Characteristics // Journal of Environmental Management. 2015. Vol. 147. Pp. 194–202. DOI: 10.1016/j.jenvman.2014.09.023

Поступила 16.02.18

Ссылка на английскую версию:

The Efficiency of Coagulants in Water Treatment in the Pulp and Paper Industry in the North

UDC 628.161
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.141

The Efficiency of Coagulants in Water Treatment in the Pulp and Paper Industry in the North

T.E. Boykova¹, Senior Lecturer
N.I. Bogdanovich², Doctor of Engineering Sciences, Professor
K.B. Vorontsov², Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor
¹Severodvinsk Branch of the Nothern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, ul. Kapitana Voronina, 6, Severodvinsk, Arkhangelsk Region, 164520, Russian Federation; e-mail: t.boykova@narfu.ru
²Nothern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: n.bogdanovich@ narfu.ru, k.vorontsov@narfu.ru

Water treatment processes at a pulp and paper mill were studied. Weaknesses of the water purification scheme on the wastewater filter treatment facilities of the pulp and paper mill of Arkhangelsk region are revealed: influence of water quality seasonal fluctuations on the purification efficiency, content of residual aluminum, and chemical oxygen demand (COD) in the treated water. In order to improve the water treatment quality, it was offered to replace the used reagent with one of the modern coagulants. The experiment was made under the laboratory conditions by the procedure of trial coagulation of the Northern Dvina river water at a temperature about 15–20 °C. Samp ing, definition of initia parameters of water quality, and control of residual iron and aluminum, chromaticity, рН, COD were carried out by the standard methods. The initial river water had high chromaticity, low turbidity, low alkalinity, and high content of organic natural compounds. Reagent application conditions and the influence of a reagent dosage on рН were studied. The usage efficiency of reagents based on polyaluminum chloride (PAX XL100, UltraPAC-V1, UltraPAC-V2, PAC), alumi-num sulfate and ferric salt – Ferix-3 is defined. Comparative analysis of coagulant efficien-cy was made between the coagulants and with aluminum sulfate (AS) applied according to the standard scheme. Ferix-3 coagulant usage in suboptimal conditions (low рН values, in-sufficient or excess dosage of reagent) leads to increase in chromaticity of the treated water by several times in comparison with the initial parameters. AS usage leads to the significant decrease of water pH because of its low alkaline water supply, at the same time the coagula-tion efficiency decreases. It is important to increase alkaline reagent dosage in response to this problem. Experimental data confirms high efficiency of treatment with polyaluminum chloride (PAC) in comparison with other reagents. The relevance of replacement AS by PAC in water purification with high chromaticity, low turbidity and alkalinity, and high content of natural organic compounds is approved.

Keywords: suspended solids, pH, chromaticity, clarifying of natural water, coagulation, polyaluminum chloride.

REFERENCES

1. Apel’tsina E.I., Belyayeva S.D., Korotkova E.V. Iss edovaniye v iyaniya svoystv anionnykh flokulyantov na effektivnost’ koagu yatsionnoy ochistki prirodnykh tsvetnykh vod [Study the Influence of Anionic Flocculates Properties on the Efficiency of Coagulative Treatment of Natural Colored Water]. Izvestiya Zhilishchno-kommunal’noy akademii gorodskogo khozyaystva i ekologii, 1999, no. 3, pp. 64–68.
2. Babenkov E.D. Ochistka vody koagulyantami [Water Purification by Coagulants]. Moscow, Nauka Publ., 1977. 356 p. (In Russ.)
3. Gandurina L.V. Organicheskiye flokulyanty v tekhnologii ochistki prirodnykh i promyshlennykh stochnykh vod i obrabotki osadka: analit. obzor [Organic Flocculants in the Technology of Natural and Industrial Wastewater Purification and Sludge Treatment: Analytical Overview]. Moscow, FGUP VODGEO Publ., 2002. 41 p. (In Russ.)
4. Getmantsev S.V., Nechayev I.A., Gandurina L.V. Ochistka proizvodstvennykh stochnykh vod koagulyantami i flokulyantami [Industrial Wastewater Treatment with Coagulants and Flocculants]. Moscow, ASV Publ., 2008. 272 p. (In Russ.)
5. Hygienic Standards 2.1.5.1315–03. Predel’no dopustimyye kontsentratsii (PDK) khimicheskikh veshchestv v vode vodnykh ob”yektov khozyaystvenno-pit’yevogo i kul’turnobytovogo vodopol’zovaniya [Hygienic Standards 2.1.5.1315–03. The Maximum Allowable Concentration (MAC) of Chemicals in Water of Water Bodies of Drinking and Household Water Use]. Moscow, 2003. 154 p.
6. Goncharuk V.V., Gerasimenko N.G. Elektrokineticheskiye svoystva produktov gidroliza osnovnykh sul’fatov zheleza v usloviyakh protsessa vodopodgotovki [Electrokinetic Properties of Hydrolysis Products of Basic Iron Sulfates under the Conditions of Water Treatment]. Khimiya i tekhnologiya vody [Journal of Water Chemistry and Technology], 1996, vol. 18, no. 3, pp. 227–232.
7. Zubakova L.B., Tevlina A.S., Davankov A.B. Sinteticheskiye ionoobmennyye materialy [Synthetic Ion-Exchange Materials]. Moscow, Khimiya Publ., 1978. 184 p. (In Russ.)
8. Komissarenkov A.A., Pruglo G.F., Fedorov V.A., Fedorova O.V. Osnovy vodopodgotovki v tsellyulozno-bumazhnoy promyshlennosti i teploenergetike: ucheb.-metod. posobiye [Basics of Water Treatment in the Pulp and Paper Industry and Heat Power Engi-neering: Study Guide]. Saint Petersburg, HSTE Publ., 2012. 98 p. (In Russ.)
9. Koryaykina A.V., Ayukayev R.I. Primeneniye biotekhnologiy dlya ochistki vysokotsvetnykh prirodnykh vod iz poverkhnostnykh istochnikov v usloviyakh Severa [The Use of Biotechnologies for Purification of High Colored Natural Waters from Diffuse Sources in the North]. Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel’nogo universiteta [News of the Kazan State University of Architecture and Engineering], 2010, no 1(13), pp. 245–251.
10. Lotosh V.E. Ekologiya prirodopol’zovaniya: ucheb. posobiye [Ecology of Nature Management: Educational Textbook]. Ekaterinburg, UrGUPS Publ., 2002. 540 p. (In Russ.)
11. SanPiN 2.1.5.980–00. Gigiyenicheskiye trebovaniya k okhrane poverkhnostnykh vod [Health and Hygiene Rules and Standards 2.1.5.980–00. Hygienic Requirements for Surface Water Protection]. Moscow, Minzdrav Rossii Publ., 2000. 18 p.
12. SanPiN 2.1.4.1074–01. Pit’yevaya voda. Gigiyenicheskiye trebovaniya k kachestvu vody tsentralizovannykh sistem pit’yevogo vodosnabzheniya. Kontrol’ kachestva. Gigiyenicheskiye trebovaniya k obespecheniyu bezopasnosti sistem goryachego vodosnab-zheniya [Health and Hygiene Rules and Standards 2.1.4.1074-01. Drinking water. Hygienic Requirements for Water Quality of Drinking Water Supply Host Systems. Quality Control. Hygienic Requirements for the Safety Ensuring of Hot Water Supply Systems]. Moscow, Informatsionno-izdate ’skiy tsentr Minzdrava Rossii Pub ., 2002.
13. Ebeling J.M., Sibrell P.L., Ogden S.R., Summerfelt S.T. Evaluation of Chemical Coagulation–Flocculation Aids for the Removal of Suspended Solids and Phosphorus from Intensive Recirculating Aquaculture Effluent Discharge. Aquacultural Engineering, 2003, vol. 29, iss. 1–2, pp. 23–42. DOI: 10.1016/S0144-8609(03)00029-3
14. Folkard G.K., Sutherland J.P., Shaw R. Water Clarification Using Moringa Oleifera Seed Coagulant. London, Intermediate Technology Publications, 1999, pp. 109–112.
15. Letterman R.D., Driscoll Ch.T. Survey of Residual Aluminum in Filtered Water. Journal AWWA, 1988, vol. 80, iss. 4, pp. 154–158. DOI: 10.1002/j.1551-8833.1988. tb03020.x
16. Letterman R.D., Pero R.W. Contaminants in Polyelectrolytes Used in Water Treatment. Journal AWWA, 1990, vol. 82, iss. 11, pp. 87–97. DOI: 10.1002/j.1551-8833.1990.tb07056.x
17. Muyibi S.A., Evison L.M. Coagulation of Turbid Water and Softening of Hard-Water with Moringa Oleifera Seeds. International Journal of Environmental Studies, 1996, vol. 49, iss. 3, pp. 247–259. DOI: 10.1080/00207239608711028
18. Narkis N., Rebhum M. Flocculation in Present of Organic Macromolecules of Natural Water and Secondary Effluents. Water Science and Technology, 1997, vol. 36, iss. 4, p. 85–91. DOI: 10.1016/S0273-1223(97)00423-X
19. Park H., Lim S., Lee H., Woo D.-S. Water Blending Effects on Coagulation-Flocculation Using Aluminum Sulfate (alum), Polyaluminum Chloride (PAC), and Ferric Chloride (FeCl3) Using Multiple Water Sources. Desalination and Water Treatment, 2016, vol. 57, iss. 16, pp. 7511–7521. DOI: 10.1080/19443994.2015.1025583
20. Roussy J., Van Vooren M., Dempsey B.A,, Guibal E. Influence of Chitosan Characteristics on the Coagulation and the Flocculation of Bentonite Suspensions. Water Research, 2005, vol. 39, iss. 14, pp. 3247–3258. DOI: 10.1016/j.watres.2005.05.039
21. Wei N., Zhang Z., Liu D., Wu Y., Wang J., Wang Q. Coagulation Behavior of Polyaluminum Chloride: Effects of pH and Coagulant Dosage. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2015, vol. 23, iss. 6, pp. 1041–1046. DOI: 10.1016/j.cjche.2015.02.003
22. Zhang Z., Wang J., Liu D., Li J., Wang X., Song B., Yue B., Zhao K., Song Y. Hydrolysis of Polyaluminum Chloride Prior to Coagulation: Effects on Coagulation Behavior and Implications for Improving Coagulation Performance. Journal of Environmental Sciences (China), 2017, vol. 57, pp. 162–169. DOI: 10.1016/j.jes.2016.10.014
23. Zhao Y.X., Phuntsho S., Gao B.Y., Yang Y.Z., Kim J.H., Shon H.K. Comparison of a Novel Polytitanium Chloride Coagulant with Polyaluminium Chloride: Coagulation Performance and Floc Characteristics. Journal of Environmental Management, 2015, vol. 147, pp. 194–202. DOI: 10.1016/j.jenvman.2014.09.023

Received on February 16, 2018

---

For citation: Boykova T.E., Bogdanovich N.I., Vorontsov K.B. The Efficiency of Coagulants in Water Treatment in the Pulp and Paper Industry in the North. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2019, no. 1, pp. 141–152. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2019.1.141