Коагулирование примесей воды
Примеси, находящиеся в воде, имеют весьма малые размеры, и осаждение их происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Для ускорения процесса осаждения, фильтрования и повышения эффективности осветления и обесцвечивания воды прибегают к коагулированию. Коагулирование — это процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частиц вследствие их слияния под действием силы молекулярного притяжения. Укрупненные агрегаты слипшихся частиц отделяются от жидкой фазы осаждением.
Коагулирование примесей в свободном объеме воды, контактная и электрохимическая коагуляция
В качестве коагулянтов, добавляемых в воду, обычно используются соли алюминия и железа: сульфат алюминия A12(S04)3·18 Н2О, сульфат железа (II) FeSO4·7 Н20, сульфат железа (III) Fe2(S04)3·9 Н20, хлорид железа (III) FeCl3, а также аллюминат натрия NaAl02, оксихлорид алюминия Аl2(OН)5Сl и др.
Доза коагулянта (мл/л; г/м3) для вод разного состава неодинакова и устанавливается путем опытного (пробного) коагулирования обрабатываемой воды. Для ориентировочных подсчетов дозу коагулянта можно определить по СНиПу. Так, в пересчете на безводные FeS04, A12(S04)3, FeCl3 дозу следует принимать при обработке мутных вод (в зависимости от содержания примесей) равной 25-125 мг/л. При коагулировании воды с повышенной цветностью доза коагулянта находится по формуле
Дк =4√Ц
где Ц — цветность воды, град.
Коллоидные и взвешенные частицы примесей природных вод в большинстве случаев имеют одинаковые заряды, что приводит к возникновению межмолекулярных сил отталкивания и к агрегативной устойчивости. При очистке агрегативную устойчивость стремятся нарушить, а заряд частиц — снизить.
При добавлении коагулянтов нарушается агрегативная устойчивость системы, снижается заряд частиц до нуля или малых значений. Параллельно, вследствие гидролиза, образуются коллоиды, которые сорбируют частицы примесей:
A12(S04)3 + 6H20 <-> 2Al(0H)3↓ + 6H+ + 3S042-
FeCl3 + 3H20 <-> Fe(OH)3↓ + 3H+ + 3Cl-
Необходимым условием полного протекания гидролиза является удаление из сферы реакции ионов Н+. Ионы водорода ассоциируют с бикарбонатными ионами, присутствующими, как правило, в природных водах и определяющими их щелочность:
Н+ + НС03 <-> Н2С03<-> С02↑ + Н20
Полнота гидролиза имеет большое значение, как для коагуляции, так и для качества очищенной воды, так как концентрация ионов Аl3+ в питьевой воде строго регламентирована (Аl3+ ≤ 0,3мг/л).
При недостатке щелочности исходная вода подщелачивается, С этой целью может быть использована известь СаО или кальцинированная сода Na2C03. Для интенсификации процессов коагуляции иногда применяют специальные химические реагенты — флокулянты (активная кремниевая кислота, полиакриламид и др.), способствующие образованию более крупных хлопьев.
Процесс коагулирования примесей воды можно улучшить путем удаления углекислоты из зоны реакции продувкой воздухом.
Гидроксиды железа и алюминия в воде при обычных значениях pH почти нерастворимы. Хлопья частиц гидроксила осаждаются, адсорбируя и увлекая с собой нерастворенные взвешенные частицы ила, клеток планктона, остатков растений и т.п. Это явление укрупнения частиц при столкновении их и осаждении носит название флокуляции, Гидроксиды железа и алюминия — хорошие сорбенты, Они сорбируют на своей поверхности бактерии, гуминовые вещества и даже некоторые растворенные соединения, например ионы тяжелых металлов. На поверхности гидроокисей также могут адсорбироваться растворенные органические вещества, обусловливающие привкусы и запахи.
На процессе коагуляции в свободном объеме (конвективной коагуляции) оказывают влияние следующие факторы: концентрация водородных ионов в воде pH; анионный состав воды; правильный выбор дозы коагулянта; щелочность, температура воды (влияет на первый этап коагуляции — перекинетический); быстрота смешения коагулянта с водой (влияет на второй этап коагуляции — ортокинетический); содержание в воде естественных взвесей. Коагуляция в свободном объеме осуществляется в камерах хлопьеобразования.
Контактная коагуляция — процесс осветления и обесцвечивания воды, заключающийся в адсорбции примесей с нарушенной агрегативной устойчивостью на поверхности зерен контактной массы. Характерной особенностью контактной коагуляции является большая скорость процесса в сочетании с высоким эффектом при меньших затратах коагулянта, Интенсивность прилипания мелких примесей к относительно крупным зернам загрузки намного превосходит скорость агломерации между собой отдельных мелких частиц в свободном объеме жидкости, так как они несут небольшие электрические заряды и значительно легче прилипают к крупным зернам, лишенным зарядов, чем друг к другу.
Другими особенностями контактной коагуляции являются независимость процесса от щелочности и температуры воды, меньшее влияние pH воды и др. Контактная коагуляция осуществляется в осветлителях со слоем взвешенного осадка, на контактных фильтрах и на контактных осветлителях.
Для осуществления процесса коагулирования в воду вместо коагулянтов могут быть введены ионы тяжелых металлов, полученные электрохимическим путем, для чего воду пропускают через электролизер с опущенными в него электродами; анодом (из алюминия и железа) и катодом. Питание электролизера осуществляется от постоянного или переменного источника тока. Вода обогащается ионами железа или алюминия.
Ионы железа (II) окисляются в трехвалентную форму. Трехвалентные ионы железа или алюминия гидролизуются с образованием гидроксидов, которые коагулируют, образуя хлопья. На процесс растворения электродов влияют физико-химические, электрические и гидродинамические факторы; pH, солевой состав воды, температура, материал электрода, плотность тока, частота смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространстве и др.