4.2. Коагуляция и флокуляция

В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более. Мелкодисперсные и коллоидные частицы в результате механической очистки практически не удаляются. Для очистки таких стоков применяют методы коагуляции и флокуляции, приводящие к нарушению агрегативной устойчивости коллоидных и мелкодисперсных систем.

В общем случае коагуляция – это физико-химический процесс агломерации коллоидных и мелкодисперсных частиц при их тепловом движении, перемешивании или направленном перемещении в силовом поле. В результате коагуляции образуются более крупные вторичные частицы.

В практике очистки сточных вод основным процессом коагуляционной обработки является взаимодействие находящихся в воде примесей с агрегатами, образующимися при введении в воду коагулянтов (преимущественно солей алюминия и железа). В результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные примеси. В дальнейшем образовавшиеся укрупненные частицы удаляются из воды при помощи методов отстаивания, фильтрования или флотации.

Рис. 4.2. Конструкции баков для растворения коагулянтов: а) – для кускового продукта с перемешиванием сжатым воздухом: 1 – подача воды; 2 – подача сжатого воздуха; 3 – колосниковая решетка; 4, 5 – верхняя и нижняя распределительные системы для воздуха; 6 – выпуск осадка; 7 – отбор раствора; б) – для кускового продукта с перемешиванием пропеллерной мешалкой: 1 – подача воды; 2 – привод от электродвигателя; 3 – мешалка; 4 – колосниковая решетка; 5 – отбор раствора; 6 – спуск осадка; в) – для зернистого продукта с перемешиванием лопастной мешалкой; 1 – привод от электродвигателя; 2 – мешалка

Флокуляцией называют процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами.

Флокулянты используют для расширения оптимальных диапазонов коагуляции по рН и температуре, а также для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода коагулянтов. В результате повышается надежность работы и пропускная способность очистных сооружений. Количество коагулянтов и флокулянтов, необходимых для очистки сточных вод, зависит от вида реагентов, расхода, состава и требуемой степени очистки стоков и определяется экспериментально.

Процесс очистки воды данными методами включает следующие технологические операции: приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, дозирование и смешение их со всем объемом обрабатываемой воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из сточной воды.

Коагулянты используются в виде 1÷10 % растворов, а флокулянты – в виде 0.1÷1 % растворов. Растворы коагулянтов готовят в специальных баках, оборудованных перемешивающими устройствами (рис. 4.2). Количество растворных баков зависит от объема разовой поставки, способов доставки и разгрузки коагулянта, его вида, а также времени его растворения и должно быть не менее трех. Количество расходных баков должно быть не менее двух. Внутренняя поверхность баков должна быть защищена кислотостойкими материалами.

Для смешивания сточных вод с растворами коагулянтами используют дырчатые, перегородчатые и вертикальные смесители. Смешение может осуществляться и непосредственно в трубопроводе. В этом случае для снижения высоты положения дозирующих устройств применяют различные дроссельные устройства – трубы Вентури, диафрагмы, дроссельные шайбы, эжекторы и т. д. Продолжительность пребывания сточных вод в смесителях – 1÷2 мин. При использовании в качестве коагулянта железного купороса (сульфата железа II) следует применять аэрируемые смесители, обеспечивающие перевод двухвалентного гидроксида железа в трехвалентный.

Из смесителей обработанная коагулянтами вода поступает в камеры хлопьеобразования. Интенсивность перемешивания должна быть оптимальной, поскольку при малой интенсивности реагенты распределяются неравномерно и образуются непрочные хлопья, а при чрезмерной интенсивности образующиеся хлопья разрушаются и измельчаются. Интенсивность перемешивания можно оценить по величине градиента скорости, с^-1:

,

(4.14)

где Р – мощность, расходуемая на перемешивание, Вт;

V – объем воды в смесителе, м³;

динамическая вязкость воды, Па · с.

Оптимальное значение G при использовании сульфата алюминия находится в пределах от 150 до 300 с^-1; при использовании более эффективных коагулянтов и флокулянтов градиент скорости может достигать 1000 с^-1 (обычно 300÷500).

Чтобы хлопья коагулянтов не разрушались в коммуникациях, камеры хлопьеобразования рекомендуется изготавливать примыкающими к сооружениям для осветления воды или встроенными в них.

По конструкции камеры хлопьеобразования делятся на водоворотные, перегородчатые, вихревые, механические и барботажные. Водоворотная камера (рис. 4.3) представляет собой цилиндрический железобетонный или металлический резервуар высотой Н от 3.5 до 4.5 м. В верхнюю часть резервуара по трубопроводу, снабженному на конце соплами, подается вода. Сопла располагаются на расстоянии 0.2d от стенок камеры (d – диаметр камеры хлопьеобразования) и на глубине 0.5 м от поверхности воды. Скорость истечения из сопел составляет 2÷3 м/с.

Вид А Рис. 4.3. Водоворотная камера хлопьеобразования, совмещенная с вертикальным отстойником. 1 – подача сточных вод; 2 – выпускные сопла; 3 – водоворотная камера хлопьеобразования; 4 – успокоительная решетка; 5 – зона осаждения отстойника; 6 – выпуск осветленной воды; 7 – зона осаждения; 8 – выпуск осадка

На выходе из камеры хлопьеобразования устанавливается металлическая или деревянная успокоительная решетка с размером ячейки 0.5×0.5 м высотой 0.8 м. Время пребывания воды в водоворотной камере принимается равным 15÷20 минут.

Площадь поперечного сечения встроенной водоворотной камеры хлопьеобразования определяют по выражению:

,

(4.15)

где Т – продолжительность пребывания воды в камере, мин.;

Н – высота камеры, м;

N – расчетное количество отстойников на станции водоочистки.

Перегородчатые камеры (рис. 4.4) хлопьеобразования представляют собой прямоугольные в плане железобетонные резервуары с железобетонными или деревянными перегородками.

Рис. 4.4. Перегородчатые камеры хлопьеобразования с горизонтальным (а) и вертикальным (б) движением воды. 1 – подача воды из смесителя; 2 – коридоры; 3 – шиберные заслонки для отключения части коридоров и выпуска осадка; 4 – перегородки; 5 – отстойник; 6 – канал опорожнения камеры

По направлению движения воды между перегородками эти камеры подразделяют на устройства с горизонтальным и вертикальным движением воды. Перегородчатые камеры хлопьеобразования обычно используют в комплексе с горизонтальными отстойниками, устанавливая их в начале сооружений. Камеры конструируются с расчетом возможности изменения времени пребывания в них воды. Это достигается за счет отключения части коридоров при помощи шиберных заслонок. Для выпуска осадка дно перегородчатых камер хлопьеобразования выполняют с уклоном 0.02÷0.03. Продолжительность пребывания воды в камерах составляет 20÷30 минут.

При расчете перегородчатых камер среднюю высоту их принимают равной 2÷3 м. Объем камеры V_к, м³, и площадь зеркала F, м², определяют по выражениям:

, ,

(4.16)

где Н – средняя высота уровня воды в камере, м;

Т – расчетное время пребывания воды в камере, ч.

Для наиболее распространенных камер с горизонтальной циркуляцией воды среднюю ширину коридоров b, м, вычисляют по формуле:

,

(4.17)

где v – скорость движения воды в коридорах, м/с;

Q_p – расчетный расход сточных вод, м³/ч.

Наименьшая ширина коридоров принимается равной 0.7 м. Скорость потока воды в коридорах должна убывать с 0.2÷0.3 м/с в начале до 0.05÷0.1 м/с в конце сооружения за счет увеличения расстояния между перегородками. Число поворотов потока п в камерах обычно составляет 8÷10. Потери напора при движении воды между перегородками h, м:

.

(4.18)

Конструкция вихревых (вертикальных) камер хлопьеобразования близка к конструкции одноименных смесителей (см. главу 2.2). Они могут иметь как круглую, так и прямоугольную в плане форму. В последнем случае вихревые камеры непосредственно примыкают к горизонтальным отстойникам. Осветляемая вода с коагулянтом подается в основание конической части камеры. Угол между наклонными стенками равен 50÷70º. Скорость воды на входе в аппарат составляет 0.7÷1.2 м/с, скорость восходящего потока на выходе – 4÷5 мм/с. Отвод воды из верхней части камеры осуществляется при помощи сборных лотков или перфорированных труб. Продолжительность пребывания воды в вихревых камерах 6÷10 мин, в камерах, встроенных в отстойник, – не менее 20 мин.

Механические камеры хлопьеобразования представляют собой прямоугольные железобетонные резервуары, оборудованные 2÷5 парами мешалок. Наибольшее распространение получили камеры хлопьеобразования с мешалками, вращающимися вокруг горизонтальных осей. Расчетная скорость движения воды в камерах – 0.2÷0.5 м/с, время пребывания сточных вод – 30÷60 минут. Окружная скорость лопастных мешалок составляет 0.4÷0.55 м/с. Камеры данного типа часто совмещают с горизонтальными отстойниками, разделяя их дырчатой вертикальной перегородкой.

Объем и площадь зеркала камеры вычисляют по формулам (4.16). Длина камеры L_к, м:

,

(4.19)

где α – коэффициент, равный 1.0÷1.5;

п – количество осей с мешалками.

Ширина камеры В, м:

Скорость горизонтального движения воды, м/с:

.

Перемешивание в барботажных камерах хлопьеобразования осуществляется продувкой сжатого воздуха через воду. На дно таких камер укладываются перфорированные трубы или пористые плиты. Расстояние между осями труб – 0.9÷1.5 м, диаметр отверстий – 1.8 мм, расстояние между ними – 75÷150 мм.

Барботажные трубы обычно располагают на глубине 2÷3.6 м от поверхности воды. Максимально допустимая глубина воды в камере – 4.5 м. Расход воздуха составляет около 0.15 м³ на 1 м² площади зеркала камеры в час.

Наилучшие условия для хлопьеобразования обеспечиваются при градиенте скорости G = 50÷60 с^-1. Величина градиента определяется по формулам:

а) для перегородчатых камер:	(4.20)
б) для вихревых и водоворотных камер: ,	(4.21)

где т – число перегородок;

v₁ и v₂ – скорости движения воды в коридоре и на повороте, м/с;

Q – расход воды, м³/с;

V – объем камеры, м³;

 – динамическая вязкость воды, Па · с;

 – плотность воды, м³.

При очистке сточных вод флотационными методами продолжительность пребывания воды в камерах хлопьеобразования составляет: для коагулянтов – 3÷5, для флокулянтов – 10÷20 минут.

Рис. 4.5. Осветлители со взвешенным слоем осадка диффузорного типа малой (а) и средней (б) производительности: 1 – воздухоотделитель; 2 – осадкоотводные трубы; 3 – опускные подводящие трубы; 4 – осадкоуплотнитель; 5, 6 – трубы или отверстия для выпуска осадка; 7 – отвод воды из осадкоуплотнителей

При концентрации в сточных водах взвешенных веществ, способных к агрегации, до 2.5 г/л используют осветлители со взвешенным слоем осадка. В аппаратах данного типа последовательно осуществляются три основных процесса: смешение реагентов с водой, коагуляция и осветление сточных вод. В основе работы осветлителей со взвешенным слоем осадка лежит явление контактной коагуляции, протекающей на поверхности сорбента – хлопьев гидроксида. Восходящий поток осветляемой воды пропускается в аппарате через слой ранее выпавшего шлама (осадка). При этом скорость восходящего потока регулируется таким образом, чтобы частицы шлама не выносились из зоны выделившегося осадка. Коллоидные и взвешенные примеси, содержащиеся очищаемой в воде, под действием молекулярных сил прилипают к поверхности хлопьев гидроксидов или к ранее осевшим на них частицам. Для повышения эффективности осветления сточная вода, смешанная с коагулянтами, предварительно проходит через воздухоотделитель, в котором она освобождается от пузырьков воздуха.

Осветлители рекомендуется применять на станциях водоочистки производительностью более 5000 м³ в сутки для очистки сточных вод с содержанием взвешенных веществ до 2500 мг/л. Осветлители могут иметь круглую форму в плане (диаметром не более 14 м) или прямоугольную (площадью не более 150 м²).

На рис. 4.5 показано устройство осветлителей со взвешенным слоем осадка диффузорного типа с поддонным осадкоуплотнителем, которые используются на станциях водоочистки производительностью 5000 м³/ч и более.

Площадь сечения осветлителей с поддонным осадкоуплотнителем вычисляется по формуле:

,

(4.22)

где F_осв – площадь зоны осветления, м²;

F_шо – суммарная площадь сечения труб для отвода осадка, м²;

k – коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем (см. табл. 4.2);

v_осв – скорость восходящего потока воды в осветлителе, м/с (см. табл. 4.2);

v_шо = 0.04÷0.06 м/с – скорость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах.

На станциях осветления и обесцвечивания воды производительностью 50÷100 тыс. м³/сут используются осветлители коридорного типа с вертикальными осадкоуплотнителями (рис. 4.6). Площадь сечения данных осветлителей рассчитывают по формуле:

,

(4.23)

где F_отд – площадь зоны отделения осадка, м²;

коэффициент снижения скорости восходящего потока в зоне отделения осадка, равный 0.9.

Таблица 4.2

Скорость восходящего потока и коэффициенты распределения

воды в осветлителях

Концентрация взвешенных веществ в осветляемой воде, мг/л	Скорость восходящего потока в зоне осветления, мм/с*		Коэффициент распределения воды k
	летом	зимой
< 20 20÷100 100÷400 400÷1000 1000÷2500	0.4÷0.5 0.5÷0.6 0.6÷0.8 0.8÷1.0 1.0÷1.2	0.6÷0.7 0.7÷0.8 0.8÷1.0 1.0÷1.1 1.1÷1.2	0.60÷0.65 0.75÷0.80 0.70÷0.75 0.65÷0.70 0.60÷0.65

^* Скорости, приведенные в таблице, следует выбирать при использовании в качестве коагулянта сульфата алюминия. При обработке воды хлоридом или сульфатом железа (III) скорости восходящего потока следует увеличивать на 10 % по сравнению с табличными.

Рис. 4.6. Осветлители коридорного типа: а) – с подачей воды через горизонтальные трубы: 1 – сборные желоба; 2 – подача осветляемой воды; 3 – осадкоприемные окна; 4 – дырчатые трубы для отвода осадка; 5 – трубы для отвода воды из осадкоуплотнителя; 6 – задвижка, регулирующая принудительный отсос воды из осадкоуплотнителя; 7 – карман; 8 – отвод осветленной воды; 9 – козырьки осадкоприемных окон; б) – с подачей воды через вертикальные опускные трубы: 1 – осадкоуплотнитель; 2 – отсос осветленной воды из осадкоуплотнителя; 3 – распределительный лоток; 4 – сборный канал осветленной воды; 5 – опускные распределительные трубы

При проектировании осветлителей высоту взвешенного слоя осадка принимают равной 2.5 м. Нижняя кромка осадкоприемных окон или осадкоотводящих труб должна располагаться не менее чем на 1÷1.5 м выше наклонных стенок аппарата. Угол между наклонными стенками – 50÷70º, высота зоны осветления 1.5÷2.0 м.

Вода в осветлители подается через дырчатые каналы и трубы или через погружные трубы. Скорость движения воды при входе в перфорированные каналы и трубы принимается равной 0.5÷0.6 м/с, скорость истечения из отверстий в них – 1.5÷2 м/с. Отверстия направляются вниз под углом 45º или горизонтально. Диаметр отверстий 15÷25 мм, расстояние между ними – не более 500 мм. Расстояние между распределительными трубами – 3 м. Скорость движения воды в осадкоприемных окнах составляет 10÷15 мм/с. Осадкоотводящие трубы и осадкоприемные окна должны оборудоваться ограждающими козырьками.

Сбор осветленной воды в аппаратах осуществляют при помощи желобов с треугольными водосливами или с затопленными отверстиями, а также при помощи перфорированных труб. Площадь сечения желобов определяют исходя из скорости движения воды в них 0.6÷0.7 м/с. Диаметр затопленных отверстий – 20÷30 мм, скорость движения воды в них – 1 м/с. Высота треугольных водосливов – 40÷60 мм, расстояние между ними 100÷150 мм. Расстояние между желобами в коридорных осветлителях – не более 3.5 м. Ширина желоба, м, при расходе воды через него q_ж, м³/с, можно вычислить по формуле [9]:

bж = 0.9 · (qж)0.4.

Площадь сечения сборных перфорированных труб определяется исходя из скорости движения воды в них не более 0.5 м/с, диаметр отверстий 10÷20 мм. Сборные трубы должны располагаться не менее чем на 1.5 м выше осадкоприемных окон.

Осадок из уплотнителя удаляют при помощи дырчатых труб или через отводящий патрубок. Диаметр труб рассчитывают из условия отведения накопившегося осадка в течение 15÷20 мин. Минимальный диаметр труб – 150 мм. Скорость движения осадка в отверстиях принимается равной не менее 3 м/с, в конце дырчатой трубы – не менее 1 м/с. Диаметр отверстий – не менее 20 мм, расстояние между осями – не более 500 мм. Угол между наклонными стенками осадкоуплотнителя составляет 50÷70º.

Для уменьшения нагрузки на разделительное дно поддонный осадкоуплотнитель должен иметь соединение с зоной осветления, автоматически открывающееся при понижении уровня воды в зоне осветления ниже верхнего уровня осадкоотводящих труб.

Объем зоны накопления и уплотнения осадка, м³, определяют по формуле:

,

(4.24)

где Т = 3÷12 ч – продолжительность уплотнения осадка (меньшее значение для вод с содержанием взвешенных веществ более 400 мг/л);

С_вх – максимальная концентрация взвешенных веществ, поступающих в аппарат с учетом введения реагентов;

С_вых – концентрация взвеси в осветленной воде, составляющая обычно 8÷12 мг/л;

C_oc – средняя концентрация взвешенных веществ в уплотнителе (см. табл. 4.3);

N – расчетное число осветлителей.

Концентрация взвешенных веществ в воде, поступающей в осветлитель, определяется по выражению:

,

(4.25)

где С₀ – содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л;

Д_к – доза коагулянта в пересчете на безводный продукт, мг/л;

k – коэффициент, равный 0.55 для очищенного и 1.0 для неочищенного сульфата алюминия; 0.8 для хлорида железа (III);

В_и – количество взвесей, вводимых в воду с известью, мг/л;

Ви = (Ди · 100 %) / В,

где Д_и – доза извести по СаО, мг/л;

В – содержание активного СаО в товарном продукте, %;

Ц – цветность воды, град.

Таблица 4.3

Средняя концентрация взвешенных веществ в осадкоуплотнителе

при различной продолжительности уплотнения

Содержание взвешенных веществ в исходной воде, мг/л	Средняя концентрация взвешенных веществ в осадке, мг/л, после уплотнения в течение, ч
	6	8	12	24 и более
50 50÷100 100÷400 400÷1000 1000÷2500	6000 8000 24000 27000 34000	6500 8500 25000 29000 36000	7500 9500 27000 31000 38000	8000 10000 30000 35000 41000

Количество воды, сбрасываемой с удаляемым осадком, %:

.

(4.26)

Вид коагулянта и его дозу принимают по результатам исследований в зависимости от характера загрязнений сточных вод, необходимой степени их удаления, местных условий и т. п. Для сточных вод некоторых отраслей промышленности и городских сточных вод дозы коагулянтов можно принимать по данным приложения 20.

При использовании коагулянтов необходимо учитывать то факт, что в процессе гидролиза солей происходит снижение рН среды. Это отрицательно влияет на дальнейший гидролиз и образование хлопьев коагулянта, поэтому выделяющиеся ионы водорода необходимо связывать. Для максимального извлечения загрязнений процесс коагуляции следует осуществлять при оптимальных величинах рН. Наибольший эффект очистки сточных вод при использовании в качестве коагулянта сульфата алюминия достигается в интервале рН среды 6.5÷8; при использовании хлорида железа – в интервале рН 7÷8.5; при использовании сульфата железа (II) – в интервале рН 9÷9.5.

С учетом изложенного, коагуляцию ведут таким образом, чтобы щелочность обрабатываемой воды составляла не менее 1 мг-экв/л. Согласно [2] доза щелочи, необходимая для подщелачивания вод при обработке ее коагулянтами, вычисляется по формуле:

,

(4.27)

где Д_к – доза безводного коагулянта, мг/л;

е_к – эквивалентная масса безводного коагулянта, мг/мг-экв, принимается равной 57 для Al₂(SO₄)₃, 54 – для FeCl₃, 67 – для Fe₂(SO₄)₃.

Щ₀ – щелочность воды, мг-экв/л;

К_щ – эквивалентная масса щелочного реагента, мг/мг-экв, принимается равной 28 для извести (СаО); для соды (Na₂CO₃) – 53.

Флокуляцией называют процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. Флокулянты используют для расширения оптимальных диапазонов коагуляции (по температуре и рН), а также для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода коагулянтов. В результате повышается надежность работы и производительность очистных сооружений.

В качестве флокулянтов на станциях водоочистки наиболее часто используются полиакриламид (ПАА) и активная кремневая кислота (АК).

ПАА добавляется в воду в виде раствора, который приготавливается из технического продукта – геля или порошка. Схема установки включает в себя растворный бак с механической мешалкой, расходный бак и дозирующее устройство в виде бака с поплавковым приемным устройством или насоса-дозатора. Концентрация рабочего раствора составляет от 0.1 до 1.0 %. Следует отметить, что срок хранения раствора ПАА уменьшается при снижении его концентрации – около 15 суток при концентрации раствора 0.7÷1.0 % и до 2 суток при концентрации 0.1÷0.3 %. Для ускорения растворения флокулянта рекомендуется использование воды, подогретой до 50 ºС. Продолжительность приготовления раствора из ПАА геля 25÷40 мин, из ПАА сухого 2 ч [2].

Приготовление растворов активной кремнекислоты производится путем обработки жидкого стекла раствором сернокислого алюминия или хлором.

Активацию сернокислым алюминием или хлором производят на установках непрерывного или периодического действия. Схемы установок включают в себя баки раствора жидкого стекла и сульфата алюминия (баллоны с жидким хлором), баки-активаторы и полимеризаторы. При активации жидкого стекла хлором одновременно с активной кремниевой кислотой образуется гипохлорит натрия, который может использоваться для обеззараживания воды. После завершения полимеризации, продолжающейся в течение 0.5÷2 ч, АК разбавляют водой до 0.5 %-й по SiO₂ концентрации. Подача АК в обрабатываемую воду осуществляется, как правило, эжектором [9].