Коагуляция воды: принцип воздействия, цель применения

Коагуляция воды относится к предварительным физико-химическим способам ее очистки. Сущность процесса заключается в укрупнении и осаждении механических примесей или эмульгированных веществ. Эта технология используется на современных станциях очистки сточных вод и водоподготовки.

Физические основы

Коагуляция воды, или по-другому ее осветление, – это процесс, при котором происходит объединение мелких частиц, находящихся во взвешенном состоянии, в более крупные конгломераты. Проведение данной процедуры позволяет удалить тонкодисперсные примеси из жидкости при дальнейшем ее отстаивании, фильтровании или флотации.

Для того чтобы частицы «слиплись», необходимо преодолеть силы взаимного отталкивания между ними, которые обеспечивают стабильность коллоидного раствора. Чаще всего примеси обладают слабым отрицательным зарядом. Поэтому для очистки воды коагуляцией вводят вещества, имеющие разноименный заряд. В результате частицы взвесей становятся электрически нейтральными, лишаются сил взаимного отталкивания и начинают слипаться, а затем выпадают в осадок.

Используемые материалы

В качестве коагулянтов применяют 2 вида химических реагентов: неорганические и органические. Из первой группы веществ наиболее распространены соли алюминия, железа, их смеси; соли титана, магния и цинка. Ко второй группе относят полиэлектролиты (меламинформальдегидные, эпихлоргидриндиметиламиновые, полихлордиаллилдиметил-аммонийные).

В промышленных условиях коагуляция сточных вод производится чаще всего с помощью солей алюминия и железа:

• хлористый алюминий AlCl₃∙6H₂O;
• хлорид железа FeCl₃∙6H₂O;
• сернокислый алюминий Al₂(SO₄)₃·18H₂O;
• сульфат железа FeSO₄·7Н₂O;
• алюминат натрия NaAl(OH)₄ и другие.

Коагулянты образуют хлопья, имеющие большую удельную площадь поверхности, что обеспечивает их хорошую адсорбционную способность. Выбор оптимального вида вещества и его дозы производится в лабораторных условиях с учетом свойств жидкости объекта очистки. Для осветления природных вод концентрация коагулянтов обычно находится в пределах 25-80 мг/л.

Практически все эти реагенты относятся к 3 или 4 классу опасности. Поэтому участки, на которых они применяются, должны быть в изолированных помещениях или отдельно стоящих зданиях.

Назначение

Процесс коагуляции применяется как в системах водоподготовки, так и для очистки промышленных и бытовых сточных вод. Эта технология помогает добиться уменьшения количества вредных примесей:

• железо и марганец – до 80 %;
• синтетические ПАВ – на 30-100 %;
• свинец, хром – на 30 %;
• нефтепродукты – на 10-90 %;
• медь и никель – на 50 %;
• органические загрязнения – на 50-65 %;
• радиоактивные вещества – на 70-90 % (кроме трудноудаляемого йода, бария и стронция; их концентрацию удается сократить только на треть);
• пестициды – на 10-90 %.

Очистка воды методом коагуляции с последующим отстаиванием позволяет снизить в ней содержание бактерий и вирусов на 1-2 порядка, а концентрацию простейших микроорганизмов – на 2-3 порядка. Технология эффективна в отношении следующих болезнетворных микробов:

• вирус Коксаки;
• энтеровирусы;
• вирус гепатита А;
• кишечная палочка и ее бактериофаги;
• цисты лямблий.

Основные факторы

Скорость и эффективность коагуляции воды зависят от нескольких условий:

• Степень дисперсности и концентрация примесей. Повышенная мутность требует введения более высоких доз коагулянта.
• Кислотность среды. Очистка жидкостей, насыщенных гуминовыми и фульфовыми кислотами, лучше происходит при более низких значениях водородного показателя. При обычном осветлении воды процесс идет более активно при повышенном pH. Для увеличения щелочности добавляют известь, соду, едкий натр.
• Ионный состав. При малой концентрации смеси электролитов эффективность коагуляции воды снижается.
• Наличие органических соединений.
• Температура. При ее снижении уменьшается скорость химических реакций. Оптимальным режимом является подогрев до 30-40 °С.

Технологический процесс

Существует 2 основных метода коагуляции, применяемых на водоочистных сооружениях:

• В свободном объеме. Для этого используют смесители и камеры хлопьеобразования.
• Контактное осветление. Предварительно в воду добавляют коагулянт, а затем пропускают ее через слой зернистых материалов.

Последний способ коагуляции воды получил наибольшее распространение ввиду следующих преимуществ:

• Высокая скорость очистки.
• Меньшие дозы коагулирующих веществ.
• Отсутствие сильного влияния температурного фактора.
• Нет необходимости в подщелачивании жидкости.

Технологический процесс очистки сточных вод коагуляцией включает 3 основных этапа:

1. Дозирование реагента и его смешивание с водой. Коагулянты вводят в жидкость в виде 10-17 % растворов или суспензий. Перемешивание в емкостях осуществляется механическим способом или путем аэрации сжатым воздухом.
2. Хлопьеобразование в специальных камерах (контактных, тонкослойных, эжекционных или рециркуляционных).
3. Осаждение в отстойниках.

Отстаивание сточных вод эффективнее при двухступенчатом способе, когда вначале оно проводится без коагулянтов, а затем – после обработки химическими реагентами.

Традиционные конструкции смесителей

Введение раствора коагулянтов в обрабатываемую воду производится с помощью различных типов смесителей:

• Трубчатые. Внутри напорного трубопровода устанавливают статические элементы в виде конусов, диафрагм, винтов. Реагент подается через трубку Вентури.
• Гидравлические: перегородчатые, дырчатые, вихревые, шайбовые. Перемешивание происходит за счет создания турбулентного потока воды, проходящего вдоль перегородок, через отверстия, слой взвешенного коагулирующего осадка или вставку в виде шайбы (диафрагмы) с отверстием.
• Механические (лопастные и пропеллерные).

Совмещение с флотацией

Очистка сточных вод коагуляцией сопряжена с трудностями в регулировании технологического процесса из-за постоянного изменения качества жидкости. Для стабилизации этого явления применяют флотацию – отделение взвешенных частиц в виде пены. Вместе с коагулянтами в очищаемую воду вводят флокулянты. Они снижают смачиваемость взвесей и улучшают слипание последних с пузырьками воздуха. Насыщение газом производят на флотационных установках.

Такую методику широко используют для коагуляции воды, загрязненной продуктами следующих производств:

• нефтеперерабатывающая промышленность;
• производство искусственного волокна;
• целлюлозно-бумажная, кожевенная и химическая промышленность;
• машиностроение;
• производство пищевых продуктов.

Применяют флокулянты 3 типов:

• природного происхождения (крахмал, гидролизные кормовые дрожжи, жмых);
• синтетические (полиакриламид, ВА-2, ВА-3);
• неорганические (силикат натрия, диоксид кремния).

Эти вещества позволяют уменьшить необходимую дозу коагулянтов, сократить длительность очистки, увеличить скорость осаждения хлопьев. Добавление полиакриламида даже в очень малых количествах (0,5-2,0 мг/кг) значительно утяжеляет осаждаемые хлопья, что увеличивает скорость подъема воды в осветлителях вертикального типа.

Способы интенсификации процесса

Улучшение процесса коагуляции воды проводится в нескольких направлениях:

1. Изменение режима обработки (дробное, раздельное, прерывистое коагулирование).
2. Регулирование кислотности воды.
3. Использование минеральных замутнителей, частицы которых играют роль дополнительных центров для формирования конгломератов, сорбционных материалов (глина, клиноптилолит, сапонит).
4. Комбинированная обработка. Совмещение коагуляции с омагничиванием воды, наложением электрического поля, воздействием ультразвуком.
5. Применение смеси хлорида железа и сульфата алюминия.
6. Использование механического перемешивания, что позволяет уменьшить дозу коагулянтов на 30-50 % и улучшить качество очистки.
7. Введение окислителей (хлора и озона).