Эффективность реагентной обработки высокоцветных и маломутных вод в зависимости от природы органических загрязнений

При извлечении фульвокислот эффективность снижается даже при увеличении дозы, так для гуминовых веществ извлеченных из воды реки Истра и Suwannee, дозы ОХА составляют 40-50 мг/л. Выявлено, что препараты ГК почвы и торфа представляют собой растворы типичных почвенных и торфяных гуминовых кислот средней полосы России, ГФК торфа – раствор нефракционированной смеси гуминовых и фульвокислот торфяной вытяжки. Таким образом, природа гуминовых веществ обуславливает схожесть результатов (табл. 4 и 2) эффективности обработки модельных растворов и воды из рек Орши и Березина имеющих ярко выраженное болотное питание.

В целом результаты экспериментальных данных полученных при исследовании модельных растворов, приготовленных на основе препаратов гуминовых веществ, выделенных из различных природных объектов подтверждают данные, полученные при изучении эффективности реагентной обработки на пробах речной природной воды, в частности подтверждено, что:

- для удаления гуминовых кислот из воды оптимальные дозы ОХА составляют 1520 мг/л, для удаления фульвокислот – 2530 мг/л;

- для удаления гуминовых кислот торфа и почвы, обуславливающих наибольшую цветность, дозы ОХА ниже (1520 мг/л), чем для удаления речного гумуса (30 мг/л).

В четвертой главе представлены результаты исследований на модельных растворах, при проведении которых применен метод гель-проникающей хроматографии, позволивший получить информацию о молекулярно-массовом распределении (ММР) гумусовых кислот. Ввиду своей полидисперсности гумусовые кислоты характеризуются не одной, а множеством молекулярных масс. Характеристики гумусовых кислот, полученные в ходе исследований в виде средневесовых молекулярных масс представлены в табл. 5.

Таблица 5.

Молекулярно-массовые характеристики органических веществ речных вод

На кривых ММР по оси абсцисс указано значение молекулярной массы в килодальтонах (кДа), а по оси ординат - доля органических веществ с заданной молекулярной массой от их общего объема, содержащегося в изучаемом растворе (1 кДа=1/12 массы атома 12С = 1,66057·10-27 кг).

На рис. 8 представлено ММР гумусовых кислот исходной и обработанной воды из реки Орши, сравнение которых показывает, что наибольший эффект достигается при сочетание ОХА + Praestol 650. Видно, что после обработки массовый пик смещается влево и резко вверх относительно исходной кривой, что указывает на преобладание в обработанной воде легких трудноизвлекаемых соединений с массой около 1,0 кДа. Средневесовая и среднечисловая молекулярные массы при этом уменьшились вдвое по сравнению с исходными (см. табл. 5). Изменение же ММР после обработки органическим коагулянтом совместно с флокулянтом значительно ниже, пик кривой схемы 2 правее и ниже пика кривой схемы 1. Наконец, обработка ОХА + Полисепт + Praestol 650 (схема 3) еще менее эффективна. Таким образом, по эффективности и степени удаления высокомолекулярных фракций схемы расположены в ряд: 3 < 2 < 1. Пики ММР обработанной воды укладываются в интервал 1,0-1,5 кДа, а после 6 кДа кривые близки друг к другу. Таким образом, высокомолекулярные органические вещества хорошо удаляются всеми комбинациями реагентов, различия наблюдаются только для гуминовых веществ с относительно невысокой молекулярной массой. На всех кривых ММР в диапазоне молекулярных масс 100-200 кДа наблюдается крутой пик, обозначающий наличие в растворе значительного количества низкомолекулярных соединений. Очевидным на рисунке 8, является и тот факт, что органический коагулянт Полисепт в сочетании с Praestol 650BC (схема 2) лучше удаляет низкомолекулярные вещества в указанном диапазоне, чем неорганический.

На рисунке 9 представлено сравнение ММР органических веществ в исходной и обработанной реагентами воде из реки Волхов.

Рис. 8. Сравнение ММР органических веществ в исходной и обработанной реагентами воде реки Орши. Схема 1- ОХА + Praestol 650; 2 - Полисепт + Praestol 650; 3- ОХА + Полисепт + Praestol 650.

При рассмотрении ММР для проб воды реки Волхов (рис.9) видно, что при обработке Полисептом совместно с флокулянтом удаляется большее количество тяжелых высокомолекулярных органических веществ: массовый пик приходится на 1,5 кДа, смещен выше и левее, чем при обработке другими сочетаниями.

Рис. 9. Сравнение ММР органических веществ в исходной и обработанной реагентами воде реки Волхов. 1- ОХА + Praestol 650; 2-Полисепт + Praestol 650; 3- ОХА + Полисепт + Praestol 650.

Средневесовая молекулярная масса при этом уменьшилась на треть по сравнению с исходной. Применение же двух схем с ОХА дало схожие между собой, но менее эффективные результаты. Снижение эффективности можно объяснить наличием в воде незаряженных гидрофильных органических соединений, попадающих в водоем с талыми водами и образующихся в водоемах в процессе жизнедеятельности фитопланктона. Незаряженные соединения плохо удаляются реагентами из речной воды по причине отсутствия у них отрицательно заряженных функциональных групп, вступающих во взаимодействие с положительным зарядом реагентов.

Таким образом, кривые ММР полученные на пробах воды рек Орши и Волхова, свидетельствуют о схожести свойств органических веществ обуславливающих цветность воды.

Аналогичные исследования были проведены и на модельных растворах, приготовленных на основе препаратов гуминовых веществ, выделенных из различных природных объектов.

При сравнении кривых ММР (рис. 10) модельных растворов видно, что пики кривых ММР модельных растворов ФК почвы, ГК почвы, ГФК торфа смещены вправо и вниз, содержание веществ с молекулярной массой выше 15 кДа значительно выше, чем у растворов ГФК реки Истры и РОВ р.Suwannee. Таким образом, можно сделать вывод что, наименьшие дозы ОХА требуются для удаления РОВ с большим содержанием высокомолекулярных веществ (гуминовых кислот), которые легче удаляются ввиду большей массы и большего содержания функциональных групп, реагирующих с ОХА (см. табл.4).

Спектрофотометрические исследования на модельных растворах приготовленных на основе навесок гуминовых и фульфокислот разных типов проводились при длине волны 254 нм. Полученные зависимости спектров представлены в таблице 6.

Анализ полученных данных позволяет выявить, что значения коэффициентов молярного поглощения (*) (КМП) прямо пропорциональны содержанию суммарного ароматического углерода в модельных растворах (SCar). Существующая зависимость представлена на рис.11.

Полученная графическая зависимость подтверждает данные исследований о том, что КМП является показателем ароматичности РОВ. Достаточное высокое значение коэффициента корреляции (0,82) подтверждает статистическую правомерность этой предпосылки. Таким образом, в результате настоящих исследований установлено, что КМП SUVA может служить показателем качества природных вод по содержанию в них гуминовых веществ.

Рис. 11. Корреляционная зависимость между * и содержанием суммарного ароматического углерода в модельных образцах ГВ.

Ввиду того, что метод определения (*) КМП, SUVA в нашей стране не практикуется, полученные в результате эксперимента данные, позволяют рекомендовать к использованию коэффициент цветности Кц:

где: Ц- значение цветности, градусы БКШ;

ПО - перманганатная окисляемость, мгО2/л.

Цветность, измеренная по бихромат-кобальтовой шкале (БКШ), по своей физической сути характеризует содержание высокопоглощающего растворенного органического вещества (РОВ) в воде. В частности, чем выше светопоглощающая способность РОВ, которая увеличивается по мере возрастания содержания ненасыщенных и ароматических фрагментов в его структуре, тем выше цветность раствора при одинаковом содержании органического углерода.

В то же время перманганатную окисляемость можно интерпретировать как содержание общего органического углерода. Если высказанные предположения справедливы, то можно ожидать пропорциональности показателя цветности Кц к коэффициенту *.

Для модельных растворов гуминовых веществ значения цветности и перманганатной окисляемости представлены в таблице 7.

Для определения взаимосвязи Кц со структурой модельных препаратов гуминовых веществ выполнен корреляционный анализ. Установлено, что взаимосвязь для показателя цветности Кц (r = 0,94) наблюдалось с суммарным содержанием ароматического углерода в препарате ГВ (Sar – содержание незамещенного и О-замещенного углерода ароматических колец). Кроме того, высокая взаимозависимость наблюдалась и с эффективным коэффициентом молярного поглощения * (r = 0.81), рис. 12 и 13.

Результаты эксперимента позволили сделать вывод о том, что отношение двух интегральных показателей количества органического углерода, присутствующего в природной воде, может служить характеристикой его качества, а именно, обогащенности растворенного органического углерода высокопоглощающими ароматическими фрагментами. Таким образом, суть показателя коэффициента цветности Кц можно интерпретировать так: чем больше значение Кц, тем выше содержание ароматического углерода в органическом веществе, содержащемся в воде.