Аннотация: Из серии "Разгадываем воду". Техническая статья для профессионалов и любознательных
ИЗМАЙЛОВ КОНСТАНТИН ИГОРЕВИЧ
КОАГУЛЯЦИЯ, КАК ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС
В ОЧИСТКЕ ВОДЫ ОТ ЦВЕТНОСТИ
Введение
Очистка воды от цветности - это устранение окраски воды физико-химическими методами водоподготовки.
Цветность воды обусловлена наличием в ней во взвешенном и коллоидном состояниях гумусовых и дубильных веществ, окрашенных органических соединений, производственных сточных вод, соединений железа, марганца, металлов естественных примесей и продуктов коррозии, а также "цветением" источника водозабора. К примеру, при массовом развитии водорослей из группы протококковых вода приобретает светло-зелёную окраску, диатомовых - зелёно-бурую, пиридинеевых - тёмно-бурую, сине-зелёных - изумрудно-зелёную. В поверхностных водах с увеличением жёсткости цветность уменьшается, в то время как мягкие воды с небольшой щёлочностью характеризуются её высокими показателями [1]. Таким образом, цветность - это один из физических показателей качества воды. Она определяется калориметрическим методом, сравнивая цвет пробы с эталонами шкалы цветности, или фото-электро-калориметрическим, измеряя оптическую плотность, и выражается в градусах платиново-кобальтовой шкалы. Для природных вод цветность может колебаться от единиц до тысяч градусов [2]. Для питьевой воды она не должна превышать 20 град. [3]. Для расфасованных вод первой и высшей категорий - не более 5 град. [4].
В основе очистки воды от цветности лежит метод коагуляции, поскольку, частицы примесей, окрашивающих воду, имеют весьма малые размеры (от 0,0001 мм до 0,0000001 мм [5]) и обычное осаждение их происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Коагуляция же - это процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частиц вследствие их слияния под действием силы молекулярного притяжения. Далее, укрупнённые агрегаты слипшихся частиц отделяются от жидкой фазы процессами осаждения и фильтрации.
Физико-химические основы коагуляции примесей. Коагулянты
Природные воды характеризуются нейтральными значениями pH. В этих условиях основная масса частиц примесей имеет отрицательный заряд. Подобный фактор обуславливает агрегатную устойчивость, то есть, между частицами действуют электростатические силы отталкивания, препятствующие их сближению, укрупнению и отделению от воды. Устойчивости способствует также удержание молекул воды ионами, входящими в состав двойного электрического слоя коллоидных частиц - адсорбционного слоя и диффузионного, - с образованием гидратного слоя, препятствующего столкновению частиц друг с другом.
Для дестабилизации такой системы, то есть, для осуществления процесса коагуляции, необходимо снизить на поверхности коллоидных примесей электростатический потенциал с 30-70 мВ, соответствующий природным водам, до 0-3 мВ. Это достигается либо электрохимическим способом, пропуская воду через электролизёр (электрокоагуляция) [1, 2, 6, 7, 8], либо введением в систему коагулянта (собственно, коагуляция). В обоих случаях в воде образуются новые дисперсионные системы со знаком заряда коллоидных частиц, противоположным знаку заряда коллоидов примесей. При этом происходит сжатие диффузионного слоя вокруг частицы, сближение и слипание коллоидов при их взаимодействии дестабилизированными участками поверхности [2].
При добавлении раствора коагулянтов в течение первых 30-180 секунд происходит их гидролиз, и образуются коллоидные гидроокиси алюминия и железа, имеющие огромные активные поверхности. Гидролиз солей алюминия и железа протекает в несколько стадий [6]:
Al3+ + H2O ↔ Al (OH)2+ + H+, Fe3+ + H2O ↔ Fe (OH)2+ + H+,
Al (OH)2+ + H2O ↔ Al (OH)+2 + H+, Fe (OH)2+ + H2O ↔ Fe (OH)+2 + H+,
Al (OH)+2 + H2O ↔ Al (OH)3 + H+, Fe (OH)+2 + H2O ↔ Fe (OH)3 + H+,
Al3+ + 3H2O ↔ Al (OH)3↓ + 3H+ Fe3+ + 3H2O ↔ Fe (OH)3↓ + 3H+
Al (OH)3↓ и Fe (OH)3↓ - хлопья, размером 0,5-3,0 мм и плотностью 1001-1100 г/л, имеют большую поверхность с хорошей сорбционной активностью. В процессе их образования и седиментации, в структуру включаются (адсорбируются) взвешенные вещества, коллоидные частицы и та часть ионов загрязнений, которая ассоциирована на поверхности этих частиц [2].
В качестве коагулянтов наиболее часто используют неочищенный сернокислый алюминий Al2(SO4)3 ? 18H2O, железный купорос FeSO4, хлорное железо FeCl3, оксихлорид алюминия [Al2(OH)5]Cl ? 6H2O и алюминат натрия NaAlO2. Здесь важно отметить, что скорость осаждения хлопьев гидроокиси железа (III) в 1,5 раза выше скорости осаждения хлопьев гидроокиси алюминия, а при коагуляции двумя последними коагулянтами pH воды практически не изменяется [7].
Основные условия максимально эффективной коагуляции примесей
Для достижения максимально эффективной коагуляции примесей необходимо выполнение следующих основных условий [2, 6, 7, 8, 9]:
- верное определение дозы коагулянта (в мг/л, г/м3) либо по формуле Дк = 4√Ц, где Ц - цветность воды (в град.), либо опытным путём; точная дозировка рабочего раствора коагулянта; использование смеси коагулянтов;
- обеспечение быстрого и полного смешения коагулянта с водой, поскольку, процессы гидролиза, полимеризации и адсорбции протекают в течение 1 с., а первая перекинетическая фаза коагуляции длится 1-3 мин. с образованием первичных агрегатов размером 1-10 мкм;
- подщелачивание недостаточно щелочной воды известью или содой (в мг/л) в количестве, определяемом либо по формуле Дщ = К (0,0178Дк - Щ - 1), где Щ - минимальная щёлочность воды (в мг ? экв/л), К - коэффициент, равный для извести (по CaO) 28, для соды (по Na2CO3) - 53, либо опытным путём, устанавливая концентрацию извести в растворе не более 1,4 г/л, концентрацию соды - на уровне 5-8%, а концентрацию CaO в известковом молочке - до 5%;
- применение природных (крахмала, водорослевой крупки, белковых гидролизных дрожжей, картофельной мезги, альгината натрия и др.) и искусственных (активированной кремниевой кислоты, полиакриламида (ПАА), К-4, К-6, ВА-2 и др.) флокулянтов и сорбентов (активированного угля, искусственных смол) в достаточных количествах, особенно важных во второй ортокинетической фазе коагуляции, когда уже энергии броуновского движения агрегатов частиц не достаточно для продолжения процесса коагуляции;
- поддержание постоянного и плавного (во избежание разрушения коллоидов) перемешивания воды в камерах хлопьеобразования, и нахождение её там от 10 до 60 мин. (ортокинетическая фаза);
- осуществление предварительной обработки воды окислителями (главным образом, хлором и его производными);
- использование осветлителей с взвешенным слоем осадка (контактная коагуляция);
- проведение процесса в отапливаемых помещениях, с целью увеличения температуры обрабатываемой воды (повышения энергии броуновского движения частиц), что особенно важно в первую перекинетическую фазу; использование солей железа (III) в качестве коагулянта при низких температурах обрабатываемой воды;
- аэрирование воды, наложение электрического и магнитного полей, воздействие ультразвуком и ультрафиолетом.
Общее описание технологии очистки воды от цветности [2, 6, 7, 8]
В реагентном хозяйстве станции водоподготовки концентрированный 30-40%-ный раствор коагулянта подаётся самотёком, эжекторами или циркуляционными насосами из резервуаров расчётного хранения в расходные баки, где готовится рабочий раствор коагулянта с концентрацией 10-12%.
Рабочий раствор коагулянта подаётся плунжерами или винтовыми насосами-дозаторами на дозирующие устройства - дозаторы, к примеру, дозаторы систем Хованского или Чейшвили-Крымского, - и дозируется в требуемом количестве в смесительные устройства или смесители, куда же поступает обрабатываемая вода после первичной обработки и подаются с флотаторов реагент-распределителями флокулянты, а также прочие реагенты.
В смесителях, главным образом, гидравлических, происходит быстрое и полное (в течение 1-3 мин.) смешение воды с коагулянтом и реагентами, которое характеризуется резким хлопьеобразованием (перекинетическая фаза). В числе гидравлических смесителей хорошо зарекомендовали себя смесители коридорного типа, дырчатый, перегородочный с разделением потока и вертикальный (вихревой).
Для создания благоприятных условий завершающей ортокинетической фазы коагуляции - получения крупных и плотных хлопьев, - обрабатываемая вода поступает в камеры хлопьеобразования. Основное распространение в отечественной практике получили перегородчатые вихревые камеры, камеры зашламленного типа и водоворотные камеры хлопьеобразования.
После достаточного пребывания в камерах хлопьеобразования (от 10 мин. при контактной коагуляции и до 60 мин. при обычной) вода попадает в проточные горизонтальные или вертикальные отстойники (осветлители или осветлители с взвешенным слоем осадка при контактной коагуляции), где происходит процесс осветления воды - процесс осаждения хлопьев с адсорбированными в их структуре примесями. Скорость движения воды в отстойниках очень незначительна. Широкое использование получили радиальные отстойники и отстойники с малой глубиной осаждения.
На завершающей стадии очистки воды от цветности обрабатываемая вода после осветления подвергается процессу фильтрации через фильтрующий материал фильтров. Применяются тканевые, сетчатые, каркасные или намывные фильтры, но на практике наибольшее применение нашли зернистые фильтры (песчаные, керамзитовые и др.). В процессе фильтрации из раствора выделяются не только диспергированные частицы, но и коллоиды.
В большинстве случаев фильтрация является последней стадией обесцвечивания воды, но бывает так, что вода после фильтрации подвергается дополнительной обработке окислителями.
Список литературы:
1. Современные технологии обработки воды. Том 1. Получение питьевой воды высокого качества "Чистая вода". - М.: ООО "Издательский дом Недра". 2014. - 207с., ил.
2. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. - М.: ДеЛи плюс. 2013. - 680 с., ил.
3. СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества".
4. СанПиН 2.1.4.1116-02 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в ёмкости. Контроль качества".
5. Практика водоснабжения: пер. с немецкого. - СПб.: Новый журнал, 2010. 496 с., ил.
6. Фрог Б.Н., Первов А.Г. Водоподготовка. Учебник для вузов: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2014. - 512 с., ил.
7. Павлинова И.И. Водоснабжение и водоотведение: учебник для бакалавров / И.И.Павлинова, В.И.Баженов, И.Г.Губий. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2012. - 472 с., ил. - (Серия: Бакалавр. Базовый курс).
8. Орлов В.А., Квитка Л.А. Водоснабжение: Учебник. - М.: ИНФРА-М, 2015. - 443 с., ил. - (Высшее образование: Бакалавриат).
9. Спеллман Ф.Р. Справочник по очистке природных и сточных вод. Водоснабжение и канализация: пер. 2-го англ. изд. под ред. М.И. Алексеева. - СПб.: ЦОП "Профессия", 2014. - 1312 с., ил.