Глава четвертая Предварительная очистка воды и физико-химические процессы

4.1. Очистка воды методом коагуляции

Под коагуляцией понимают физико-химический процесс слипания коллоидных частиц и образования грубодисперсной макрофазы (флоккул) с последующим ее выделением из воды. Схема коагуляционной структуры показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема коагуляционной структуры:

1 – частицы колоидно–дисперсной фазы; 2 – дестабилизированные участки поверхности; 3 – участки поверхности, сохраняющие устойчивость; 4 – полости, заполненные водой; 5 – грубодисперсная примесь

В качестве реагентов, называемых коагулянтами, обычно применяют сернокислые соли: [Al₂(SO₄)₃·18H₂O] или (FeSO₄·7H₂O). Эти соли в воде почти полностью диссоциируют:

;
.

Легко подвергаются гидролизу:

;

При pН > 8 – щелочная среда:

Выделенный Н⁺ при гидролизе коагулянтов связывает бикарбонат в природной воде:

Таким образом, при гидролизе коагулянтов: Al₂(SO₄)₃ и FeSO₄ образуются положительные электроны и между отрицательно заряженными частицами дисперсных примесей воды возникают силы притяжения. Образуются укрупненные агрегаты, которые уже подчиняются силе тяготения. Эти агрегаты оседают или могут быть легко отфильтрованы вследствие своих уже достаточно крупных размеров.

Процесс коагуляции воды при помощи Al₂(SO₄)₃ ведется при рН 5,5–7,5 при дозе 0,5–1,2 ммоль/дм³, а с помощью FeSO₄ при рН > 8 при дозе 0,25–1,0 ммоль/дм³ необходимо коагуляцию вести с процессом известкования.

Процесс коагуляции имеет скрытую и явную стадии. На скрытой стадии происходит формирование коллоидных гидрооксидов Al³⁺ или Fe³⁺ и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагуляции вода в основном и очищается от первичных примесей. А затем на второй стадии процесса образуются хлопья (флоккулы) размером 1–3 мм, которые, обладая высокой сорбционной способностью, могут дополнительно извлекать примеси воды.

При организации процесса коагуляции с использованием гидролизующихся коагулянтов необходим учет основных факторов, определяющих оптимальное осуществление технологии. Оптимальная доза коагулянта, т. е. то его минимальное количество, которое обеспечивает максимальное снижение концентрации коллоидных и грубодисперсных примесей в обрабатываемой воде, определяется главным образом качественным и количественным составом коллоидных и растворенных примесей, их физическими и физико-химическими свойствами.

В настоящее время теоретические разработки не дают возможности точного расчетного выбора необходимой дозы коагулянта, что связано, с одной стороны, с отсутствием количественных характеристик различных по составу коллоидных примесей в водах различных типов, с другой – с необходимостью учитывать при расчетах сложность совокупного механизма формирования коагулированной взвеси, когда физические процессы гетерокоагуляции сопровождаются химическими, такими как хемосорбция, образование малорастворимых гидрокомплексов, их полимеризация и кристаллизация, усложняемыми влиянием кинетических факторов. Поэтому оптимальные дозы коагулянта устанавливаются опытным путем для каждого источника водоснабжения в характерные периоды года методом параллельного введения в термостатированные сосуды с определенным объемом воды различных количеств коагулянта с последующей оценкой интенсивности хлопьеобразования, скорости оседания хлопьев и определением остаточных концентраций органических веществ, железо- и кремнесодержащих соединений, ионов алюминия.

Вспомогательные процессы и средства коагуляция обеспечивают интенсификацию и повышение технико-экономической эффективности процесса коагуляции. К их^: числу относят флокуляцию – процесс агрегации частиц в котором в дополнение к непосредственному контакту частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами (рис 4.2). При этом ускоряются процессы образования хлопьев и их осаждение, повышается плотность агрегатов, и осадков.

Рис. 4.2. Адсорбция микрочастиц флокулянтами:

а) вытянутая молекула; б) свёрнутая молекула;

1 – адсорбирующая группа; 2 – микрочастица; 3 – внутримолекулярная связь

Флокулянты подразделяются на неорганические и органические, природные и синтетические, на ионогенные и амфотерные. Из неорганических флокулянтов используется активная кремниевая кислота; природными органическими флокулянтами являются крахмал, карбоксиметилцеллюлоза и др. Синтетические флокулянты получили более широкое применение из-за лучших флокуляционных свойств, среди них в основном используется в настоящее время универсальный флокулянт полиакриламид (ПАА):

.

Полиакриламид выпускается промышленностью в виде 8-процентного геля, который растворяют в быстроходных мешалках на ВПУ до концентрации 0,1 %. Дозировка флокулянта составляет 0,5–1,5 мг на 100 мг взвешенных веществ в исходной воде. Раствор ПАА вводится через 0,5–2 мин после ввода коагулянта. На рис. 4.3, 4.4 представлены схемы предочистки и осветлителя.

Рис. 4.3. Схема процессов известкования и коагуляции:

1 – исходная вода; 2 – теплообменный подогреватель; 3 – осветлитель; 4 – ввод извести; 5 – ввод коагулянта; 6 – бак осветлённой воды; 7 – перекачивающий насос; 8 – осветлительный фильтр; 9 – на ионитные фильтры или потребление; 10 – сброс осадка с продувочной водой; 11 – греющий пар; 12 – конденсат греющего пара

Рис. 4.4. Схема работы осветлителя:

1 – желоб для сбора осветлённой воды; 2 – воздухоотделитель; 3 – труба отвода осветлённой воды из шламоуплотнителя "отсечка"; 4 – сливочный короб; 5 – выход осветлённой воды; 6 – центральная труба; 7 – шламоотводящая труба; 8 – щелевая переборка; 9, 19 – отбор проб воды; 10 – ввод раствора коагулянта; 11 – труба с водораспределительными соплами; 12 – расвор извести; 13, 18 – дренаж; 14 – периодическая продувка; 16 – сборник шлама; 17 – шламоуплотнитель; 20 – ввод воды в осветлитель; 21 – дренажные решетки; 22 – выходная (цилиндрическая) зона осветлителя; 23 – предохранительная решетка; 24 – ввод флокулянтов; 25 – направляющий кожух; 26 – входная (коническая) зона осветлителя