Эффективность очистки лигнинсодержащей сточной воды коагулянтами

Эффективность очистки лигнинсодержащей сточной воды коагулянтами

В статье приведены результаты экспериментальных исследований по коагуляционной очистке сточной воды алюминий содержащими коагулянтами. Исследовано влияние рН, дозировки коагулянта и продолжительности обработки на эффективность очистки. Установлено, что наиболее сильное влияние на эффективность очистки оказывают дозировка коагулянта и рН.

Актуальной задачей современности является защита окружающей среды от выбросов промышленных предприятий. В частности, в целлюлозно-бумажной промышленности серьезной проблемой следует считать загрязнение природных водоемов стоками, содержащими значительные количества высокомолекулярных и биорезистентных соединений. К таким соединениям относятся лигнинные вещества, которые практически не разрушаются в процессе биологической очистки, традиционно применяемой на большинстве предприятий отрасли.

Обработка коагулянтами — наиболее перспективный, эффективный и распространенный метод очистки воды от грубодисперсных и коллоидных загрязнений. Коагуляция относительно широко применяется для очистки производственных сточных вод от высокомолекулярных соединений.

Таким образом, значительный интерес представляет разработка систем и режимов очистки сточных вод целлюлозно — бумажного производства от лигнинных веществ.

Объектом исследований в данной работе служила модельная вода, приготовленная путем растворения сульфатного лигнина, имеющая характеристики: концентрация лигнина (Сл) — 400 мг/л, цветность — 1775 оПКШ. В качестве коагулянтов использовали: сульфат алюминия, оксихлорид алюминия и алюмокалиевые квасцы, а также низкокатионный полиакриламидный флокулянт.

Исследования проводили методом планированного эксперимента, который является весьма информативным и может быть эффективно применен по отношению к процессам коагуляционной очистки стоков [1]. Использовали ротатабельный центральный композиционный план второго порядка для трех факторов. В качестве факторов были выбраны следующие: pH, дозировка коагулянта — Д (в расчете на Al2O3) и продолжительность обработки коагулянтом, ф. Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 1. Выходными параметрами были выбраны: эффективность очистки по лигнину, эффективность очистки по цветности и остаточное содержание взвешенных веществ в осветленной воде.

Пробы сточной воды обрабатывали раствором коагулянта, исходя из заданных дозировок, затем раствором флокулянта (дозировка 0,1 мг/л). Затем воду отстаивали в течение 0,5 часа, в осветленной воде определяли остаточное содержание взвешенных веществ (ВВ, мг/л), цветность (в градусах платиново-кобальтовой шкалы, оПКШ) и концентрацию лигнина (СЛ, мг/л). По результатам анализов рассчитывали эффективность очистки по лигнину (Эл) и цветности (ЭЦВ), выражаемые в процентах.

Таблица 1 — Уровни и интервалы варьирования факторов

Полученные экспериментальные данные использовали для разработки статистических моделей, связывающих значения выходных параметров с условиями их получения. По уравнениям, описывающим математические модели, строили поверхности отклика, которые наглядно демонстрируют влияние режимных параметров на выходные характеристики.

Матрица планирования и результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Матрица планирования и результаты экспериментов

На рисунке 1а показано влияние трех факторов на эффективность очистки от лигнина при постоянной продолжительности коагуляционной обработки. Эффективность очистки повышается при значении рН ниже 5,5. Дозировка коагулянта СА незначительно влияет на величину эффективности. При этом можно сделать вывод, что оптимальными значениями для данного процесса является рН 5,5, дозировка коагулянта — 45 мг/л и достигается эффективность очистки до 98%. Такое же значение рН при постоянной дозировке коагулянта СА (рисунок 1б). Продолжительность обработки практически не влияет на величину эффективности очистки от лигнина. Достигается эффективность очистки 95% при рН 5,5 и продолжительности 2,5 минуты. На рисунке 1 В показано, что продолжительность процесса так же практически не влияет на эффективность очистки при постоянном значении рН, откуда можно сделать вывод, что 2,5 минуты достаточно для обработки коагулянтом СА. При увеличении дозировки увеличивается эффективность очистки до 75−80%. Оптимальной дозировкой коагулянта можно считать 45 мг/л.

Рисунок 1 — Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по лигнину (СА) а — при постоянной продолжительности, бпри постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН На эффективность очистки ОХА (рисунок 2) оказывают влияние рН и дозировка коагулянта. При постоянной продолжительности процесса (рисунок 2а) наблюдается увеличение эффективности очистки при значениях рН, близких к нейтральному значению. Увеличение дозировки коагулянта положительно сказывается на эффективности очистки. В целом можно сделать вывод, что оптимальным значением является рН 5,5, при этом достаточной дозировкой коагулянта ОХА можно считать 45 мг/л. При данной дозировке достигается эффективность очистки 85−90%. На рисунке 2б представлено влияние значения рН и продолжительности процесса на эффективность очистки от лигнина при постоянной дозировке ОХА. Продолжительность процесса незначительно влияет на степень очистки, за оптимальное значение можно принять 3 минуты. Повышение рН положительно сказывается на эффективности очистки от лигнина, достигается степень очистки 95−98%. При постоянном значении рН (рисунок 2в) практически не влияет на эффективность очистки. При этом увеличение дозировки коагулянта ОХА увеличивается эффективность очистки от лигнина. Достаточной дозировкой можно считать 45 мг/л, достигается степень очистки 80%.

При обработке АКК (рисунок 3) уменьшение рН положительно сказывается на степени очистки при постоянной продолжительности коагуляционной обработки (рисунок 3а). Дозировка коагулянта практически не влияет на эффективность очистки от лигнина. При рН 5,5 и дозировке коагулянта — 50 мг/л достигается степень очистки 85−90%. На рисунке 3б показано, что при постоянной дозировке коагулянта АКК продолжительность процесса не влияет на эффективность обработки. Так же увеличение рН положительно сказывается на степени очистки. Оптимальным значением можно считать рН 5,5. При этом эффективность очистки 90%. Для данного процесса достаточно продолжительности 2,5 минуты. Продолжительность не влияет на эффективность очистки и при постоянном значении рН (рисунок 3в). Увеличение дозировки коагулянта АКК положительно влияет на эффективность очистки. При дозировке коагулянта 45 мг/л достигается степень очистки 40%.

При постоянной продолжительности коагуляционной обработки (рисунок 4а) эффективность очистки по цветности увеличивается при увеличении значения рН. Дозировка коагулянта СА незначительно влияет на степень очистки. При рН 5,5 и дозировке коагулянта 45 мг/л достигается максимальная эффективность очистки по цветности — 95−98%, значит эти данные можно принять за оптимальные для данного процесса. На рисунке 4б показано, что при постоянной дозировке коагулянта СА продолжительность процесса незначительно влияет на эффективность очистки, однако при продолжительности 2,5−3 минуты происходит увеличение эффективности очистки до 90−95%. Максимальная степень очистки достигается при значении рН 6,0. С ростом дозировки коагулянта СА эффективность очистки по цветности увеличивается при постоянном значении рН (рисунок 4в). Продолжительность коагуляционной очистки практически не влияет на степень обработки. Можно считать, что дозировка коагулянта 60 мг/л и продолжительность процесса 2,5 минуты являются оптимальными значениями для данного процесса. Достигнута эффективность очистки по цветности около 80%.

Рисунок 2 — Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по лигнину (ОХА) а — при постоянной продолжительности, бпри постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН.

Рисунок 3 — Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по лигнину (АКК) а — при постоянной продолжительности, бпри постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН При обработке ОХА (рисунок 5) уменьшение значения рН до нейтральной среды приводит к увеличению эффективности очистки по цветности (рисунок 5а). Увеличение дозировки коагулянта положительно сказывается на степень очистки. Достигается эффективность очистки 95% при рН 6,0 и дозировке коагулянта 50 мг/л. При постоянной дозировке коагулянта ОХА (рисунок 5б) продолжительность незначительно влияет на эффективность очистки по цветности. При продолжительности процесса 3 минуты достигается степень очистки 80%. Оптимальным значением можно считать рН 5,5. В целом достигнута степень очистки 98%. На увеличение эффективность очистки по цветности положительно сказывается увеличение дозировки коагулянта ОХА (рисунок 5в). Продолжительность процесса практически не влияет на степень очистки. Эффективность очистки максимальна при дозировке коагулянта 55 мг/л. Оптимальной продолжительность коагуляционной обработки можно считать 2,5−3 минуты.

Рисунок 4 — Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по цветности (СА) а — при постоянной продолжительности, б — при постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН На рисунке 6 представлено влияние факторов эксперимента на эффективность очистки по цветности с использование коагулянта АКК. При постоянной продолжительности процесса (рисунок 6а) максимальная степень очистки достигнута при дозировке коагулянта АКК 60 мг/л. При рН ниже 6,0 увеличивается эффективность очистки. В целом достигнута эффективность обработки по цветности 90%. На рисунке 6б показано, что при уменьшении рН до 5,0 увеличивается эффективность очистки по цветности при постоянной дозировке коагулянта АКК. Продолжительность коагуляционной обработки практически не влияет на степень очистки. Оптимальными значениями для данного процесса можно считать рН 5,0 и продолжительность процесса 3 минуты. Достигнута степень очистки по цветности 80%. При постоянном значении рН (рисунок 6в) дозировка коагулянта АКК незначительно сказывается на эффективности очистки по цветности. Однако, при дозировке коагулянта 45 мг/л и продолжительности процесса 2,5 минуты наблюдается увеличение степени очистки. Достигается эффективность обработки 85−90%.

Рисунок 5 — Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по цветности (ОХА) а — при постоянной продолжительности, бпри постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН При постоянной продолжительности процесса (рисунок 7а) уменьшение содержания взвешенных веществ происходить при увеличении значения рН. Дозировка коагулянта СА незначительно влияет на содержание взвешенных веществ. Оптимальными значениями можно считать рН 5,5, дозировка коагулянта — 45 мг/л. При данных условиях содержание взвешенных веществ достигает 45 мг/л.При постоянной дозировке коагулянта СА (рисунок 7б) увеличение рН сказывается на содержание взвешенных веществ. Так же при увеличении продолжительности коагуляционной обработки. При значении рН 5,5 и продолжительности процесса 2 минуты остаточное содержание взвешенных веществ составляет 35 мг/л. На рисунке 7 В представлено влияние факторов эксперимента на содержание взвешенных веществ при постоянном значении рН. При увеличении продолжительности коагуляционной обработки уменьшается содержание взвешенных веществ, значение достигается — 15 мг/л. При дозировке коагулянта СА 50 мг/л наименьшее содержание взвешенных веществ, равное 35 мг/л. Для данного процесса можно сделать вывод, что продолжительность процесса 3 минуты и дозировка коагулянта 50 мг/л являются оптимальными значениями, при которых достигается наименьшее содержание взвешенных веществ.

Рисунок 6 — Влияние факторов эксперимента на величину эффективности очистки по цветности (АКК) а — при постоянной продолжительности, б — при постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН.

Рисунок 7 — Влияние факторов эксперимента на величину содержания взвешенных веществ в осветленной воде (СА) а — при постоянной продолжительности, бпри постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН.

На рисунке 8 показано влияние факторов эксперимента на содержание взвешенных веществ при использовании коагулянта ОХА. При постоянной продолжительности процесса (рисунок 8а) и уменьшении дозировки коагулянта ОХА уменьшается содержание взвешенных веществ. Так же происходит и при уменьшении значения рН. Оптимальными значениями для данного процесса можно считать рН 5,5 и дозировку коагулянта 45 мг/л. Содержание взвешенных веществ при этих значениях составляет 30 мг/л. На рисунке 8б показано, что при постоянной дозировке коагулянта ОХА и увеличении продолжительности процесса происходит увеличение содержания взвешенных веществ. Значение рН незначительно влияет на содержание взвешенных веществ. Однако можно отметить, что при рН 6,0 наблюдается увеличение содержания взвешенных веществ. Таким образом, можно сделать вывод, что за оптимальные условия данного процесса можно принять рН 6,0 и продолжительность коагуляционной обработки 2 минуты. Содержание взвешенных веществ при данных условиях составляет 25 мг/л. При постоянном значении рН (рисунок 8в) увеличение продолжительности процесса положительно сказывается на содержание взвешенных веществ и составляет 30−40 мг/л. При увеличении дозировки коагулянта ОХА уменьшается содержание взвешенных веществ. При продолжительности процесса 2 минуты и дозировке коагулянта 45 мг/л содержание взвешенных веществ составляет 25 мг/л.

Рисунок 8 — Влияние факторов эксперимента на величину содержания взвешенных веществ в осветленной воде (ОХА) а — при постоянной продолжительности, бпри постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН.

Рисунок 9 — Влияние факторов эксперимента на величину содержания взвешенных веществ в осветленной воде (АКК) а — при постоянной продолжительности, б — при постоянной дозировке коагулянта, в — при постоянном рН.

При обработке АКК (рисунок 9) незначительно влияет значение рН на содержание взвешенных веществ (рисунок 9а). Дозировка коагулянта влияет отрицательно на содержание взвешенных веществ. Для данного процесса оптимальными условиями можно считать рН 5,5 и дозировка коагулянта 40 мг/л. При постоянной дозировке коагулянта АКК снижение рН до нейтральной среды положительно влияет на содержание взвешенных веществ (рисунок 9б). При уменьшении продолжительности процесса наблюдается уменьшение содержания взвешенных веществ. При рН 5,0 и продолжительности коагуляционной обработки 2 минуты содержание взвешенных веществ составляет 25−30 мг/л. На рисунке 9 В видно, что при постоянном значении рН дозировка коагулянта незначительно влияет на содержание взвешенных веществ так же, как и продолжительность процесса при минимальных дозировках коагулянта. Чем выше дозировка коагулянта, тем больше влияние продолжительности процесса на содержание взвешенных веществ. Для данного процесса оптимальными условиями можно считать 40 мг/л и продолжительности процесса 2 минуты. Содержание взвешенных веществ при этих условиях составляет 50 мг/л.

По результатам экспериментов с модельной сточной водой, которые были проведены с целью сравнительной оценки эффективности алюминийсодержащих коагулянтов, можно сделать следующие выводы:

• 1. Из всех испытанных коагулянтов сульфат и оксихлорид алюминия очищают модельную воду с наилучшей эффективностью по всем выходным параметрам. Достигнута эффективность очистки 80−90% и 95−98% по лигнину и по цветности.
• 2. Необходимые условия: дозировка коагулянта 60 мг/л, продолжительность обработки 2−3 минуты, рН 5−5,5 для СА и около 6 для ОХА.

1. Birjandi N., Younesi H., Bahramifar N. Treatment of wastewater effluents from paper-recycling plants by coagulation process and optimization of treatment conditions with response surface methodology // Applied Water Science 2014:231 / DOI: 10.1007/s13201−014−0231−5.