18.Коагулирование воды. Виды коагулянтов, определение доз. Реагентное хозяйство

Коагуляцией называется процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания. Различают 2 типа коагуляции:

1) в свободном объеме - этот вид коагуляции происходит в камерах хлопьеобразования;

2) контактная коагуляция, происходящая в толще зернистой загрузки или в слое взвешенного осадка.

Важнейшей особенностью гидрофобных суспензий является наличие двойного электрического слоя (ДЭС) ионов и скачка потенциала на границе раздела твердой и жидкой фаз. Схема строения ДЭС на твердой поверхности:

Частицу с окружающим ее плотным слоем называют гранулой, а с двойным слоем - мицеллой. Если бы мицелла находилась в состоянии покоя, то заряд гранулы был бы компенсирован противоионами диффузного слоя. Но вследствие движения коллоидной частицы (броуновское движение) противоионы диффузного слоя отстают от частицы, что вызывает электрический заряд коллоидной частицы.

-дзета потенциал(ДП) или электрокинетическим потенциалом. Величина ДП характеризует способность частицы к коагуляции и может быть измерена электрофоретическими методами. Величина ДП зависит от степени размытия диффузионного слоя: чем меньше размыт этот слой, тем меньше ДП. Помимо электростатических сил отталкивания на частицы действуют молекулярные силы притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) При уменьшении расстояния между коллоидными частицами силы отталкивания и притяжения растут - результат взаимодействия частиц, т.е. будут они слипаться или нет, зависит от того, какая из сил будет преобладать. если заряд коллоидных частиц возрастает (по абсолютной величине), то кривая отталкивания и результирующая кривая пройдут ниже, а максимум сил отталкивания увеличится. При сближении частиц возрастают и силы отталкивания и силы притяжения, но поскольку силы отталкивания вначале больше, то на кривой имеется минимум - это, так называемый, "силовой барьер". Если кинетическая энергия частиц достаточна для преодоления этого барьера, то частицы сблизятся до таких расстояний, где силы притяжения преобладают - произойдет коагуляция.

Для снижения устойчивости дисперсных систем возможны следующие пути:

1. Снижение дп коллоидных частиц

2. Повышение кинетической энергии коагулирующих частиц. Для малых частиц (<1 мкм) сближению частиц способствует броуновское движение. Для более крупных частиц эффект броуновского движения недостаточен и необходимо перемешивание.

Состояние коллоидной системы, при которой =0,называется изоэлектрическим (при этом мицелла коллоидной частицы электронейтральна, а величина рН, отвечающая этому состоянию, называется изоэлектрической точкой системы). Для природных вод, обычно, рН_из = 4-5. Для коагуляции взвеси не обязательна полная нейтрализация зарядов всех частиц, достаточно обеспечить изоэлектрическое состояние только коагулянта.( в следствии агрегативная устойчивость системы уменьшается – частицы с малыми зарядами будут слипаться не только друг с другом, но и с частицами с большими зарядами, выводя систему из состояния устойчивости)

Наиболее эффективным способом повышения скорости осаждения взвеси является укрупнение частиц. Такое укрупнение может быть достигнуто путем коагуляции взвеси. Коагуляцией называется процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их взаимного слипания. Различают 2 типа коагуляции:

1) в свободном объеме - этот вид коагуляции происходит в камерах хлопьеобразования либо в отстойниках;

2) контактная коагуляция, происходящая в толще зернистой загрузки или в слое взвешенного осадка(в скорых фильтрах)

В практике очистки воды для коагулирования применяют соли трехвалентных металлов – алюминия и железа. Эти коагулянты образуют в воде гидрофобные коллоидные системы, которые при коагуляции дают хлопья, сорбирующие и захватывающие при осаждении частицы природных загрязнений воды. Основные факторы, которые влияют на процесс коагуляции:

1. Содержание взвеси и гумусовых веществ в исходной воде и дисперсность взвеси.

2. рН воды.

3. Солесодержание воды (так как удаляемые коллоиды могут реагировать не только с ионами коагулянта, но с ионами Са²⁺,Mg²⁺, находящимися в воде).

Температура воды, как и рН, влияет на растворимость гидроокисей коагулянта. При pН< 5 растворимость резко уменьшается.

Коагулянты для очистки воды:

Сернокислый алюминий – сульфат алюминия в виде кусков неправильной формы серого цвета

Основной недостаток сернокислого алюминия чувствительность к изменению температуры воды( требуется увеличение доз) При этом:

-возникает опасность возростания остаточного алюминия в очищенной воде

-отложение гидроокиси алюминия в трубах

Хлорное железо – темные кристалы с металлическим блеском, содержание активной части 95-98%. Получают путем обработки хлором железного лома (стружек) при t=700^оC.

Преймущества хлорного железа по сравнению с сернокислым алюминием

-лучше проходит коагуляция при низких температурах,

-ускорение осаждения хлопьев- относительная плотность гидроокиси алюминия -2,4, а гидроокиси железа 3,6.

Основной недостаток- высокая коррозионность растворов

Железный купорос – Прозрачные зеленые кристалы

( )

Недостатками использования солей закисного железа являются:

1. Коррозионная активность раствора.

2. Большой расход хлора.

3. Необходимость тщательного технологического контроля за дозами реагентов, т.к. незначительное нарушение этих доз приводит к неполному окислению железа, неполному гидролизу, что приводит к проскоку двухвалентного железа в питьевую воду, повышению мутности и цветности воды и ухудшению ее вкуса. Это явление называется отлежкой коагулянта в трубах.

Примеси, находящиеся в воде, отрицательно влияют на процесс коагуляции. Происходит это из-за защиты гидрофобных коллоидов (глины) в природной воде гумусовыми веществами, адсорбирующимися на поверхности глинистых частиц. Из-за этого устойчивость коллоидных систем увеличивается. Для окисления органических веществ в природной воде, а также для интенсификации коагулирования применяют первичное хлорирование за 2-5 мин до ввода коагулянта.

Флокулянты – наз. высокомолекулярные соединения,которые применяют в дополнение к обычным коагулянтам( солям алюминия и железа). Различают по составу на :

-органические(полиакриламид ПАА)

-минеральные(активированная кремнекислота АК)

Дозы реагентов:

1)КОАГУЛЯНТЫ. Большое число факторов, влияющих на процесс коагулирования, не позволяет определить оптимальную дозу коагулянта расчетным путем - необходимо пробное коагулирование в лаборатории очистной станции.

При проектировании для расчета реагентного хозяйства можно пользоваться ориентировочными рекомендациями СНиП. При обработке мутных вод доза принимается в зависимости от содержания взвешенных веществ и степени их дисперсности. Эти дозы колеблются в пределах от 25-35 мг/л (при 100 мг-л взвеси) до 70-80 мг/л (при 1500 мг/л взвеси), причем, меньшую дозу принимают для грубодисперсных примесей.

Для цветных вод доза определяется по формуле:

мг/л,

где Ц - цветность в градусах.

Если в воде содержатся взвесь и цветность, берут большую из доз.

2)ФЛОКУЛЯНТЫ: Дозы АК, как и дозы коагулянтов, определяют пробной коагуляцией лаборатории. Ориентировочные значения доз зависят от места ввода:

1. Перед отстойниками и осветлителями с взвешенным осадком при t>5-7^oC - 2-3 мг/л, при t<5-7^oC - 3-5 мг/л.

2. При дозировании перед фильтрами при двухступенчатой очистке - 0,2-0,5 мг/л.

3. При дозировании перед контактными осветлителями и фильтрами при одноступенчатой очистке - 1-3 мг/л.

АК можно приготовлять для дозирования непрерывно и порционно.

В верхних бачках находятся рабочие растворы жидкого стекла и активатора. Дозаторы подают эти растворы в смеситель, где разбавляются водой до концентрации 1,5-2%. Здесь же, в смесителе происходит нейтрализация щелочности. В зрельнике происходит созревание АК. Подача разбавляющей воды производится через ротаметр для измерения количества разбавляющей воды. ПАА дозируют в воду растворами концентрацией 0,1-1%; такие растворы легко перекачиваются обычными насосами и легко дозируются. Как АК, ПАА может применяться для первой и второй ступеней очистки воды, при этом дозы его следует определять опытным путем. Ориентировочные дозы ПАА по рекомендациям СНиП зависят от места ввода:

1. При вводе перед отстойниками и осветлителями с взвешенным осадком - от 0,4 до 1,5 мг/л в зависимости от содержания взвешенных веществ.

2. П еред фильтрами при двухступенной очистке - 0,05-0,1 мг/л.

3. Перед контактными осветлителями или фильтрами при одноступенной очистке - 0,4-0,6 мг/л.

Технологические схемы реагентного хозяйства

Функции реагентного хозяйства:

- Хранение реагентов

- Приготовление реагентов в необходимых концентрациях

- Перекачка раствора реагентов

- Дозирование реагентов

Схемы реагентного хозяйства:

1.Сухое

2.Мокрое

3.Сухо-мокрое

Сухое хранение коагулянта надлежит производить в закрытых складах, рассчитываемых на 30-15 суточный запас по периоду максимального потребления. При определении площади склада хранения коагулянта высоту слоя принимают:

коагулянт – 2 м (при механизации – 3,5 м),

и звесть – 1,5 м (при механизации – 2,5 м).

Н едостатки сухого хранения коагулянта:

1. Слеживание. Вновь поступающий на станцию коагулянт загружается на старый, новый расходуется, а старый слеживается и превращается в монолитную массу, которую грейфер не может взять.

2. Увеличенная стоимость содержания обслуживающего персонала.

3. Вредные для обслуживающего персонала условия труда.

Преимущества мокрого хранения перед сухим:

1. Более полное использование коагулянта.

2. Простота механизации всех процессов, отсутствие ручного труда.

3. Меньшая численность обслуживающего персонала.

Недостаток – появляются большие емкости с агрессивным раствором, строительство которых должно быть выполнено особо тщательно, во избежание разрушения из-за коррозии железобетонных стен.

Б аки-хранилища могут быть установлены в здании или снаружи; в последнем случае они должны быть защищены от замерзания.

Сухо-мокрое хранение – отличается от второй тем, что функции растворного бака и хранилища выполняет только один бак, в котором содержится крепкий раствор вместе с нерастворенным коагулянтом. Насыщенный раствор из верхней части этого бака перекачивается по мере надобности в расходные баки.

Совмещение функций растворения и хранения в одном баке делает РХ более компактным, однако, при этом увеличивается мощность воздуходувок и объем здания. Кроме того, в некоторых случаях при больших емкостях баков появляется необходимость заглубления производственной канализации.

Преимущества приведенной схемы:

1. Снижается емкость баков коагулянта.

2. Уменьшается площадь реагентного хозяйства (силосы занимают мало места).

3. Уменьшается потребность в оборудовании с антикоррозионной защитой (насосы, трубы и т.п.).