Методы удаления из воды веществ 3 группы

Процесс	Технологические способы обработки воды	Область применения	Состав очистных сооружений
Десорбция газов и отгонка летучих органических соединении	Аэрирование	Газы л летучие органические соеди­нения, придающие воде неприятные привкусы л запахи	Брызгальные бассейны, аэраторы и дегазаторы различных типов
	Эвапорация: пароцнркуляцнонный метод	Фенилы в сточных водах	Установки для разгонки
	азеотропная отгонка	То же	То же
Окисление хлором, озоном, перман­ганатом калия и др.	Хлорирование	Сероводород (0,3—0,5 мг) — доочистка после аэрирования; летучие органи­ческие соединения, придающие воде неприятные привкусы и запахи	Хлораторы, смесители, установки для получения и дозирования диоксида хлора
	Озонирование	Примеси, обусловливающие привкусы и запахи не очень загрязненной воды, при малой эффективности хлорирова­ния и углевання	Озонаторные установки с цехами под­готовки воздуха и установки для вве­дения озона в воду
	Обработка воды перманганатом калия	Вещества, сообщающие воде привкусы и запахи при незначительном ее за­грязнении и отсутствии соединении марганца	Установки для приготовления и дози­ровании раствора перманганата калия
Экстракция органическими растворителями	Обесфеноливание	Фенолы в сточных водах	Экстракционные установки
Адсорбция на активированном угле и других материалах	Углевание	Придающие воде неприятные запахи и привкусы примеси естественного про­исхождения, а также вносимые со сточными водами	Установка для приготовления, дози­рования и смешивання с водой уголь­ной суспензии
	Очистка воды па угольных фильтрах и в адсорберах со взвешенным слоем угля	Примеси, обусловливающие привкусы и запахи; присутствующие в сточных водах ароматические органические вещества	Угольные фильтры, устройства для приготовления регенерационных раст­воров, адсорберы со взвешенным слоем, печи для активирования а ре­генерации углей
Биохимический распад	Разложение микроорганизмами: аэробное	Вещества, загрязняющие сточные воды Примеси, содержащиеся в концентри­рованных стоках, осадках	Аэротенки, биофильтры, отстойники
	анаэробное		Метантенки и др.

Методы удаления из воды веществ 4 группы

Процесс	Технологические способы обработки воды	Область применения	Состав очистных сооружений
Гиперфильтрация (обратный осмос)	Фильтрование воды под давлением выше осмотического через непрони­цаемые для ионов мембраны	Общее солесодержание 20—35 г/л	Установки с полупроницаемыми мем­бранами
Перевод ионов в малорастворимые со­единения: образование малорастворимых со­лен	Умягчение: термический способ	Жесткость с преобладанием Са(НСОя)2, некарбонатная только в виде гипса; мутность меньше 50 мг/л	Термоумягчители, внутрикотловая об­работка
	Содово-известковый способ	Жесткость 5—30 мг-экв/л; мут­ность до 500 мг/л	Смесители, вихревые реакторы, установки типа /»Струя», осветлители и отстойники специальных конструкций
	Фосфатный способ	После проведения умягчения воды до 2 мг-экв/л	То же
	Обескремнивание	Повышенное для котловой воды коли­чество Si02	Осветлители, фильтры
образование малорастворимых гидроксидов	Удаление цветных и тяжелых метал­лов, а также магниевой жесткости	Содержание ионов металлов выше норм, допустимых для сточных вод. Умягчение вод, содержащих значи­тельные количества магния	Установки для приготовления и дозирования растворов, смесители, отстойники или осветлители, фильтр-прессы
окисление закисных форм метал­лов с образованием их гидрокси­лов	Обезжелезивание и удаление марган­ца: аэрирование или хлорирование	Содержание гидрокарбоната железа до 25 мг/л при щелочности до 2 мг-экв/л и окисляемости до 6 мгО/л, повышенное содержание соединений марганца	Брызгальные бассейны, градирни, кон­тактные резервуары, осветительные и контактные фильтры
	окисление на катализаторах	То же	Фильтры с песком, покрытым окси­дами марганца или продуктами окис­ления железа (II)
Сепарация ионов при различных фа­зовых состояниях воды: перевод в газообразное состояние	Дистилляция	Общее солесодержание 20—35 г/л	Испарители различных типов, термокомпрессорные агрегаты, гелеоопреснители, двухцелевые атомные уста­новки
перераспределение ионов в несмешивающихся жидкостях перевод воды в твердую фазу	Экстракция	Солесодержание 2—10 г/л, отсутст­вие солеи кальция и магния	Экстракционные и ректификационные колонны
	Опреснение вымораживанием	Солесодержание до 35 г/л	Установки с использованием искусст­венного холода, площадки для вымо­раживания
	Газогидратное опреснение	То же	Газогндратные установки, включаю­щие реактор-гпдратообразователь, от­делитель и узел плавления гидратов
Фиксация ионов на твердой фазе ионитов; Н-, Nа-катионирование	Умягчение	Жесткость до 14 мг-экв/л, содер­жание взвешенных веществ до 10—15 мг/л (при использовании не­подвижного слоя катионита)	Катионитовые фильтры, адсорберы со взвешенным слоем катионита, установки для приготовления и дозирова­ния регенерационных растворов
	Извлечение ионов цветных металлов	Содержание ионов Металлов выше норм, допустимых для сточных вод	Катионитовые фильтры, адсорберы со взвешенным слоем катионита, уста­новки для приготовления и дозирова­ния регенерационных растворов
ОН-аинонирование	Опреснение	Общее солесодержание до 3—4 г/л; содержание взвеси до 8 мг/л; цвет­ность до 30 град	Ионообменные фильтры, дегазаторы, установки для приготовления и дози­рования регенерационных растворов
	Обессоливание	То же	То же
удаление фтора	Обесфторивание	Содержание ионов фтора более 1,5 мг/л	Фильтры, загруженные активированным оксидом алюминия
Перевод ионов в малодиссоциированные соединения: нейтрализация	Подщелачивание или подкисление воды	Повышенная кислотность или щелоч­ность воды (pH < 6,5 или pH > 8,5)	Установки для приготовления и дози­рования растворов реагентов, смеси­тели
образование комплексных соеди­нений	Стабилизация	Индекс насыщения воды />0,5	То же
Использование подвижности ионов в электрическом поле	Электродиализ	Общее солесодержание 3—10 г/л, мутность до 2 мг/л, содержание же­леза до 0,3 мг/л	Установки для электрохимического обессоливания воды

Рекомендуемые способы химической обработки воды

Показатели, ухудшающие качество воды	Способ обработки	Рекомендуемые реагенты
Мутность	Коагулирование, обработка коагулянтами	Коагулянты – сернокислый алюминий (сульфат алюминия), хлорное железо (хлорид железа (Ш)) и др.; флокулянты – полиаркриламид, активная кремяскислота
Цветность, повышенное содержание органических веществ и планктона	Предварительное хлорирование, коагулирование, обработка флокулянтами	Жидкий хлор, хлорная известь, коагулянты, активная кремнекислота
Низкая щелочность, затрудняющая коагулирование	Подщелачивание	Известь (оксид кальция), сода (карбонат натрия)
Нестабильная вода Положительный индекс насыщения (отложение карбоната кальция)	Подкисление, фосфатирование	Кислоты – серная, соляная; гексаметафосфат, триполифосфат (ортофосфат) натрия
Отрицательный индекс насыщения (коррозия)	Подщелачивание, фосфатирование	Известь (оксид кальция), сода (карбонат натрия), гексаметафосфат или триполифосфат (ортофосфат) натрия
Привкусы и запахи	Углевание, предварительное хлорирование, то же с преаммонизацией, обработка перманганатом калия	Активный уголь, жидкий хлор, хлорная известь, перманганат калия, аммиак
Бактериальные загрязнения	Хлорирование, озонирование	Жидкий хлор, хлорная известь, гипохлориты, озон, аммиак
Недостаток фтора	Фторирование	Фтористый или кремнефтористый барий (фторид или кремнефторид натрия), кремнефтористый аммиак (кремнефторид аммония)
Избыток фтора	Обесфторивание	Активированный оксид алюминия
Избыток железа и марганца	Хлорирование, подщелачивание, Коагулирование, обработка перманганатом	Жидкий хлор, известь (оксид кальция), сода (карбонат натрия), коагулянты, перманганат калия, катиониты
Избыток солей жесткости	Декарбонизация, известково-содовое умягчение, Коагулирование, ионный обмен	Известь (оксид кальция), сода (карбонат натрия); коагулянты – хлорное железо (хлорид железа (Ш)), железный купорос (сульфат железа (П)); катиониты
Общее солесодержание выше нормы	Ионный обмен, электродиализ	Катиониты, аниониты
Содержание кремнекислоты выше нормы	Коагулирование, магнезиальное Обескремнивание, сорбционное Обескремнивание, ионный обмен	Коагулянты, каустический магнезит (оксид магния), известь (оксид кальция), магнезиальный сорбент, аниониты
Наличие сероводорода	Хлорирование, Коагулирование, подкисление	Жидкий хлор, коагулянты, кислоты
Растворенный кислород	Связывание кислорода восстановителями	Сульфит или тиосульфат натрия, сернистый гад (оксид серы (1У)), гидразин

Итак, при подготовке воды чаще всего используются процессы: отстаивание, фильтрование, флотация, флокуляция, коагуляция, умягчение и обеззараживание.

Отстаивание

Фильтрование

Флотация

Флокуляция

Коагуляция

Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц в дисперсной системе при их слипании. Она завершается, как правило, образованием агрегатов час­тиц, видимых невооруженным глазом и выпадающих в осадок.

В технологии водообработки под термином «коагулирование» подразу­мевают совокупность всех методов, применяемых в процессе коагуляции при­месей воды. В качестве коагулянтов применяют сульфаты или хлориды алю­миния или железа. В воде эти соли слабых оснований и сильных кислот гид­ролизуют. Образующиеся при растворении этих солей в воде ноны А1³⁺ нли Fe³⁺ взаимодействуют с содержащимися в ней в результате электролитической диссоциации нонами ОН^- с выделением труднорастворимых гидроксидов. Процесс гидролиза протекает в несколько стадий и в общем виде может быть представлен уравнениями

Физико-химическая сущность протекающих при этом явлений такова. В водных растворах солей алюминия н железа предполагают существование аквакомплексных ионов [А1(Н₂0)₆)^{3 +} н [Fe(H₂0)₆|³⁺, т. е. комплексных нонов, содержащих воду в качестве лигандов. Вода — слабый амфотерный электро­лит, при диссоциации которого образуются одинаковые количества гидрати­рованных протонов н ионов гидроксила. При координации мо­лекул воды нонами металла диссоциация ее усиливается и протоны выталки­ваются из внутренней сферы аквакомплексов, в результате чего образуются гидроксокомплексы (лиганды — группы ОН^-), а раствор становится кислым:

[Ме(Н₂0)₆]³+ + Н₂0^ [Me(H.O).,OH|²+-f Н₃0+

Таким образом, кислая реакция водных растворов солен алюминия и железа объясняется отщеплением протона от гидратированного нона металла (протолиз).

Как видно из приведенных реакций, на каждой стадии выделяется экви­валентное количество ионов водорода. Если их не связывать в недиссоцииро- ванные соединения, процесс гидролиза останавливается. Обычно гидролиз как равновесный процесс характеризуют константой гидролиза К_гидр , сте­пенью гидролиза βи активной концентрацией появляющихся в воде нонов водорода а_Н+ нли pH среды.

Для первой стадии гидролиза коагулянтов действительны зависимости, выведенные для солей, образованных одно- и одновалентными нонами. Кон­станта п степень гидролиза солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой, определяются выражениями

pH раствора при гидролизе определяется по формуле

где К₀ — константа диссоциации основания; С — концентрация гидролизую­щейся соли в растворе.

Измеряя pH растворов коагулянтов и зная их концентрацию, можно рас­считать степень гидролиза соли, так как дальше первой стадии процесс в дан­ном случае не протекает. Как правило, с разбавлением раство­ров коагулянтов степень гидролиза возрастает.

Присутствующие в природных водах гидрокарбонаты связывают обра­зующиеся при гидролизе ноны водорода в малодиссоциированную угольную кислоту, и процесс протекает необратимо. В общем виде гидролиз ионов этих трехвалентных металлов в присутствии гидрокарбонат-нонов может быть представлен уравнением

Эту реакцию можно рассматривать как гидролиз двустороннеслабых солей, образованных, с одной стороны, слабыми основаниями А1(ОН)₃ или Fe(OH)₃ и, с другой — слабой угольной кислотой. Так как вода присутствует в большом избытке и концентрация ее практически не изменяется, скорость реакции гид­ролиза может быть представлена следующей простой зависимостью, действи­тельной для реакций первого порядка:

Из приведенного выражения следует, что скорость гидролиза солей алюминия и железа прямо пропорциональна их концентрации.

Из обобщенного уравнения реакции гидролиза видно, что наряду с об­разованием труднорастворимого гндрокснда и малодиссоциированной угле­кислоты снижается щелочность воды, обусловленная в основном гидрокарбо- натными ионами, которые образуют буферную систему с pH, близким к 7.

рН §оды в

Используя приведенное уравнение реакции, можно рассчитать, что 1 мг-экв щелочности воды соответствует 57 мг А1₂(S0₄)₃, 54 мг FeCl₃, 68 мг Fe₂(S0₄)₃ и 77 мг FeS0₄. Эти эквивалентные массы безводных солей применя­ются прн пересчете дозиро­вок коагулянтов н расчете доз подщелачивающих реа­гентов, Характерно, что для сульфата алюминия, хлори­да железа (Ш) и сульфата железа (П) (в расчете на окснд железа (III) его экви­валентная масса равна 51 мг) эквивалентные массы прак­тически очень близки.

Произведения раство­римости гидроксидов алю­миния и железа имеют сле­дующие значения:

можно определить раствори­мости гидроксидов: для алю­миния она равна 3*10^-9, для железа—2*10^-10 моль/л. Учитывая, что дозы коагу­лянтов, применяемые для об­работки воды, лежат в пре­делах 10^-3—10^-4 моль/л, легко вычислить пересыще­ния, образующиеся при вы­делении гидроксидов: они соответствуют области существования метастабильных си­стем — спонтанное образова­ние зародышей не происходит (лабильные системы) и конденсация твердой фазы возможна лишь па вносимых извне затравках.

В зависимости от pH воды и ее ионного состава при гидролизе солей алюминия возможно выделение в осадок А1(ОН)²+, Al₂(OH)J⁺, А1(ОН)₃, Al(OH)^^-, А1_в(ОН)£, А]₈(ОН)⁴,+ а при гидролизе солей железа (III) — Fe(OH)+ Fe(OH)²⁺, Fe(OH)_s, Fe(OH)r, Fe₃(OH)³⁺, Fe_s(OH)^, Fe,(OH)J⁺ и др. (см. n. 2.14.9). Состав коагулята в случае применения сульфата алюминия при разных pH среды приведен на рис. 7.1, о.

Рис. 7.1, Свойства коагулятов, образующихся при добавлении в воду Al₂(SO₄)₃ прн различ­ных значениях pH: а — состав выделяющихся осадков; б — растворимость осадков в зависимости от температуры и pH среды; в — область наличия осадков (на рисунке заштрихована); г — влияние добавления сульфат-нонов на коагуляцию.

Из графика, приведен­ного на рис. 7.1, б, видно, что растворимость гндроксида алюминия умень­шается при повышении температуры и понижении pH воды. При pH воды ниже 4,5 гидролиз сульфата алюминия не сопровождается выделением осадка, так как образуются растворимые оксисоли (рис. 7.1, в); при pH выше 8,5 осадок растворяется вследствие образования алюминатов; кинетика хлопьеобразования улучшается при увеличении в воде концентрации сульфат-нонов.

Необходимо отметить, что гидроксид алюминия является типичным амфотерным соединением. В кислой среде он взаимодействует с ионами водорода:

в щелочной — с гидроксильными ионами:

Таким образом, растворимость гндроксида в кислой среде прямо пропор­циональна концентрации водородных ионов в третьей степени, в щелочной — обратно пропорциональна ей. Из этих выражений следует, что минимальная растворимость гидроксида алюминия наблюдается лишь при определенных значениях pH среды.

В отличие от алюминия железо образует гидроксиды с весьма слабыми амфотерными свойствами, поэтому растворяться они могут лишь при низкнх pH среды. Гидроксид железа (II) выделяется в осадок лишь при pH > 8.

Процесс конденсационного образования золей гидроксидов алюминия и железа можно рассматривать состоящим из трех взаимосвязанных этапов: гидролиза, возникновения в пересыщенном растворе зародышей твердой фазы, роста зародышей и превращения их в частицы, образующие микрогетерогенную систему; последняя стадия происходит путем коагуляции первичных час­тиц (зародышей). Электронно-микроскопические исследования показали, что частицы возникающих золей вначале имеют вид глобул с аморфным строе­нием и лишь с течением времени приобретают кристаллическую структу­ру. В этом заключается основная специфика коагуляции гидроксидов алюми­ния и железа в момент их образования при гидролизе солей, используемых в качестве коагулянтов при обесцвечивании и осветлении воды.

Физическая теория коагуляции лиофобных коллоидов и суспензий, ко­торой предусматривается слипание подобных друг другу частиц (гомокоагу­ляния), развита Б. В. Дерягиным на изучении явления слипания разнород­ных частнц (гетерокоагуляцня) н прилипания частнц дисперсной системы к чу­жеродной поверхности (гетероадагуляцня). Последние наблюдаются в прак­тике удаления взвешенных частиц при осветлении воды коагулянтами и при извлечении из воды нескоагулированных взвесей на скорых фильтрах. С этими же явлениями связаны выпадение осадков при смешении вод в устьях рек, кольматация почв и грунтов и другие процессы, протекающие в водной среде.

Оптимальные дозы коагулянтов

Дозы реагентов рассчитывают на основании данных технологических исследо­вании, осуществляемых путем пробной очистки исходной воды в разные перио­ды года, а также на основании опыта эксплуатации сооружений, работающих на воде аналогичного качества.

Для ориентировочных расчетов при проектировании доза коагулянта — безводного сульфата алюминия, хлорида железа (III) или сульфа­та железа (II), мг/л, может быть определена для цветных вод но формуле

где Ц — цветность воды, град.

Для обработки мутных вод доза коагулянта определяется на основании эмпирических данных, приведенных на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Зависимость дозы коагулянта от мутности воды

Для вод, содержащих грубодисперсную взвесь, применяются меньшие дозы. При наличии и окрашенных и взвешенных веществ, принимает­ся большая из доз, вычисленная по мутности или цветности.

Применение ЭВМ для ста­тистической обработки данных по эксплуатации технологических сооружении станции обработки позволило установить функциональную зависимость фактической дозы коагулянта от ряда других физико-химических показателей воды.

Для высокоцветной днепровской воды предложено линейное уравнение множественной регрессии:

где Д_к — доза очищенного сульфата алюминия мг/л товарного продукта; Щ — щелочность воды, мг * экв/л; Т — температура воды, °С.

Выделение из воды коагулятов

Осветление воды в отстойниках и осветлителях

Выделение из воды взвешенных веществ, а также основной массы отработан­ного сорбента — хлопьев гидроксида алюминия или железа — вместе с заг­рязнениями — производится на станциях ее реагентного осветления и обесц­вечивания в отстойниках или осветлителях.

Скорость осаждения мелких (10^-1—10^-4 мм) плотных частиц шарообразной формы, не изменяющих своего объема в процессе оседання при Re < 2, вычисляется по формуле, выведенной на основе закона Стокса:

где и —скорость осаждения частиц взвеси, см/с; d — диаметр частиц, см; g —ускорение свободного падения, см/с; μ — коэффициент динамической вяз­кости воды, 10^-1Па • с; ρ_т н ρ_в— плотность частиц взвеси и воды, г/см^а;

Если осаждающаяся частица представляет собой комплекс веществ разной плотности, как это имеет место в практике водоочистки, то формула Стокса примет вид

где ρ_т , ρ_T1, . . . , ρ_Тn — плотности составляющих частиц, г/см³; W_n — их относительные объемы, см³.

При 2 < Re < 500 на скорость осаждения взвеси помимо вязкости жид­кости влияют и инерционные силы. Для этих значений

где С_сф – коэффициент сопротивления сферических частиц. Скорость осаждения частиц неправильной формы меньше скорости осаждения шарообразных частиц. Это учитывается коэффициентом λ, равным 1-3.

Для случаев, когда частицы имеют нешарообразиую форму, вводится понятие эквивалентного диаметра, который характеризуется величиной, имею­щей размерность мм/с. Эта величина, называемая гидравлической крупно­стью частиц, определяется опытным путем и используется при расчете отстой­ников. Большое значение для скорости осаждения имеет плотность взвешен­ных частиц. Ее значения для некоторых веществ, образующихся в процессе химической очистки воды, косвенно характеризующие способность их к осаж­дению и уплотнению, следующие:

Гидроксид алюминия 1,016*

с веществами цветности 1,035

с активированной кремнекислотой 1.060

с глиной 1 180

Гидроксид железа 1,020

Гидроксид магння 1,075

Карбонат кальция 2,52

*Плотность взвешенных веществ, выделяющихся при очистке воды, отличается от табличных величин для соответствующих химических соединений в связи с повышенной гидратацией частиц в момент их образования.

Исходные данные для проектирования отстойников — кривые осаждаемости взвеси — получают опытным путем на реальных природных и сточных водах. Они изображают зависимость между продолжительностью отстаива­ния и количеством выпавших веществ в цилиндре с конической донной частью.

Приведенные формулы неприменимы для вычисления скорости осажде­ния агрегирующихся частиц, так как их диаметр растет по мере осаждения. Для агломерирующихся в процессе осаждения взвесей время осаждения τ не пропорционально высоте цилиндров. Отношение разных глубин осаждения h агрегирующихся взвесей выражается соотношением

Для скоагулированных хлопьев при очистке природных вод п равно 0,5, для взвесей сточных вод газоочисток — 0,45, для взвесей шахтных вод — 0,35; для взвесей городских сточных вод — 0,25.

В практике обработки воды широкое распространение получил метод ос­ветления воды от коагулированных загрязнений, осуществляемый в специаль­ных сооружениях осветлителях. В них обрабатываемая вода проходит сни­зу вверх через слой выделяющегося из воды осадка, поддерживая его во взве­шенном состоянии.

Работа осветлителей со взвешенным слоем осадка основана на явлении контактной коагуляции. Последняя, в отличие от коагуляции, происходящей в свободном объеме, протекает на поверхности сорбента. При этом коллоид­ные и взвешенные примеси воды сближаются с частицами сорбента и под дей­ствием молекулярных сил прилипают к их поверхности или ранее осевшим на них частицам примесей. Контактная коагуляция в процессах водообработки характеризуется двумя особенностями. Первая из них заключается в относи­тельно быстром извлечении из воды мелких частиц крупными, так как интен­сивность прилипания мелких частиц к крупным значительно больше, чем ин­тенсивность слипания мелких частиц. Вторая особенность заключается в том, что расход реагента, необходимый для нарушения агрегативной устойчивости загрязняющих воду примесей, может быть меньше, чем расход при коагуля­ции в свободном объекте.

В практике водоочистки контактная коагуляция осуществляется либо в слое взвешенного осадка, либо в зернистой загрузке. При осветлении и обес­цвечивании воды, обработанной коагулянтами, взвешенный слой формируется из гидроксида алюминия или железа и представляет собой фильтр, обеспечи­вающий ускорение процесса осветления воды от взвешенных веществ. При прохождении окрашенных природных вод через массу осадка гидроксида с неполностью использованной адсорбционной емкостью улучшается обес­цвечивание воды. Применение осветлителей позволяет значительно сократить объем очистных сооружений, улучшить работу фильтров и снизить расход реагентов.

Основными факторами, определяющими интенсивность формирования взвешенного слоя и содержание в нем взвеси, являются: качество исходной воды (наличие взвешенных веществ, ее химический состав, температура), гидравлические условия (скорость восходящего потока воды, распределение ее между зоной осветления и зоной отделения осадка), а также химический со­став и структура осадка в самом взвешенном слое (размер хлопьев, их проч­ность и плотность).

В случае контактной коагуляции в зернистой загрузке, при введении в воду гидролизующихся солей алюминия или железа, за короткий промежу­ток времени перед началом фильтрования успевают образоваться лишь микроагрегаты частиц гидроксидов с сорбированными примесями. Последующее их укрупнение происходит в фильтрующем слое в результате прилипания коагу­лирующих частиц к зернам загрузки. Коагуляция в этом случае протекает полнее и во много раз быстрее, чем коагуляция в свободном объеме. Дозы коагулянта обычно меньше, так как для контактной коагуляции необходимо лишь снизить агрегативную устойчивость взвешенных веществ, обеспечивая их прилипание к поверхности. Эти дозы,

как правило, в обычных условиях обработки воды не приводят к образованию крупных, хорошо осаждающихся хлопьев.

Для увеличения грязеемкости зернистых загрузок при контактной коа­гуляции вода с реагентами подается вначале на фильтрующие слон с крупным гранулометрическим составом и лишь после освобождения от основной массы выделяющихся взвешенных веществ профильтровывается через слон с мелки­ми зернами. В контактных осветлителях с фракционированным слоем квар­цевого песка фильтрование осветляемой воды осуществляется снизу вверх, и контактных фильтрах с двух- или многослойной, а также крупнозернистой загрузкой поток воды, как и в обычных скорых фильтрах, направлен сверху вниз.

Осветление воды фильтрованием через зернистые загрузки

Вода, содержащая взвешенные вещества, при фильтровании через зернистые загрузки осветляется в результате: отложения взвесей в виде тонкого слоя на поверхности фильтрующего слоя (пленочное фильтрование); отложения взве­сей в порах фильтрующего слоя; частичного отложения взвеси в пленке и фильтрующем слое.

При пленочном фильтровании в устьях поровых каналов фильтрующего слоя из частиц задержанных из воды взвешенных веществ образуются своди- ки, на которых создается тонкопорнстый слон, способный задерживать даже высокодисперсную взвесь. Такая пленка для принятых в практике скоростей фильтрования возиннает на медленных н скорых фильтрах при осветлении вод, содержащих особо прочную взвесь (коагуляты глинистых частни, упроч­ненные полиакриламидом нлн активной кремнекислотой). В случае несжи­маемой взвеси скорость прироста потерн напора пропорциональна концент­рации взвешенных веществ и второй степени скорости фильтрования:

где

Продолжительность фильтроцикла определяется по формуле

В приведенных формулах

μ — динамический коэффициент вязкости филь­труемой воды;

d — эквивалентный диаметр частиц взиеси;

Ф— коэффициент, учитывающий форму частиц;

р — пористость образующегося из них фильтру­ющего слоя;

Н₀ и Н_кон — начальная и конечная потеря напора в фильтре;

γ — плотность жидкости;

М_τ — концентрация взвешенных частиц;

k_р — коэффициент пропорциональности;

β — удельное сопротивление осадка.

К – коэффициент пропорциональности, учитывающий форму частиц (для сфер К = 6, для призматических частиц К = 12, для пластин К = 18, для тонких частиц К = 18 – 30), dW – массовая доля данной фракции, xm – среднее значение размера частиц (ДЭС) соответствующей фракции. http://p-km.ru/dispersnye-napolniteli/osnovnye-xarakteristiki-dispersnyx-napolnitelej.html

Для дисперсных непористых частиц с известным диаметром удельную поверхность наполнителя можно рассчитать по формуле: s_уд = k / _ист d, где k - коэффициент, учитывающий форму частиц ( k = 6 для сферических и k = 12 - для призматических частиц), или определить экспериментально по методу БЭТ. http://www.barvinsky.ru/journal/1989/ar_1989_5_Simonov-Emeljanov.htm

Вязкость дисперсной системы (например, коллоидного раствора) может быть рассчитана по уравнению Эйнштейна, выведенного им на основании учета гидродинамического сопротивления течению, которое оказывают частицы дисперсной фазы:

(1.3)

где η - вязкость дисперсной системы;

η0 – вязкость дисперсионной среды;

α - коэффициент, учитывающий форму частиц дисперсной фазы (для сферических частиц α=2,5)

- объемная доля дисперсной фазы.

Уравнение Эйнштейна не учитывает многих особенностей дисперсных систем и поэтому справедливо лишь при соблюдении целого ряда условий.

http://acio.ru/read.php?id=90

Для сжимаемой взвеси удельное сопротивление осадка возрастает с увеличением толщины пленки и потери напора в ней:

где п — показатель сжимаемости осадка.

При этом

Теория работы фильтрующего слоя с отложением осадка в порах зернис­той загрузки разработана Д. М. Минцем с сотрудниками. Физико-химическая сущность процесса рассматривается как результат двух противоположных явлений: прилипания взвешенных и коллоидных частнц к поверхности зер­нистого материала (адгезия) или прилипших частиц (аутогезия) и отрыва ранее прилипших частиц и переноса их под влиянием гидродинамических сил потока (суффозии). Оторвавшиеся частицы переносятся в последующие слои зернистой загрузки и там задерживаются. Силы адгезии в водной среде опре­деляются в основном межмолекулярным взаимодействием соприкасающихся поверхностей тел; кроме того, проявляются также силы отталкивания, обусловленные расклинивающим давлением тонкого слоя жидкости, находящегося между поверхностями контактирующих тел. Установлена математическая зависимость

С_*C_Q = f (X, Т),

где С — концентрация взвеси в воде в данный момент V, С₀ — концентрация ее в исходной воде; X и Т — критерии подобия процесса. X = bx; Т ~ dt, где х — толщина слоя зернистого материала; b и а — параметры процесса, характеризуйте соответственно свойства взвеси в фильтрующей загрузке к прочность взвеси. Анализом размерностей н путем обработки большого коли­чества экспериментального материала показало, что

где v — скорость фильтрования;

d — диаметр зерен загрузки;

β и α — коэф­фициенты, учитывающие суммарное влияние физических к физико-химических свойств воды и взвеси.

Продолжительность фильтроцикла до момента дости­жения предельной потери напора Н_пр определяется из формулы

где

Продолжительность защитного действия зернистой загрузки определяет­ся формулой

В приведенных зависимостях; Х₀ и К — константы, зависящие только от ве­личины С/Со (берутся из составленных Д. М. Минцем диаграмм); - I

параметры, характеризующие соответственно интенсивность прилипания взвешенных частиц, скорость проникновения хлопьев в глубь загрузки, темп прироста потерн напора на фильтре ( ); i — величина гидрав­лического уклона в чистой загрузке.

Определив методом математического моделирования процесса фильтро­вания величины b и а, подбирают такие параметры фильтрования (v, d, x), при которых бы процесс протекал в условиях оптимального режима Т_з > Т_н.

По данным Стенли, для фильтра, работающего до потери напора 2,5 м и осветляющего речную воду при температуре 25⁰ С, глубина проникновения загрязнений в слой зернистой загрузки Н, см, может быть найдена по формуле

Н *= 3,5d^2,46 v ^1,56,

где d — средний диаметр зерен фильтрующего слоя, мм; v — скорость фильт­рования, м/ч.

Флокуляция

Определение флокулянтов различное:

по данным английской и американской литературы, флокулянты — все вещества, ускоряющие процесс хлопьеобразования: высокомолекулярные ве­щества, глины, известь и др.;

по Ла Меру, к флокулянтам относятся вещества, обусловливающие аг­регацию частиц в результате химического взаимодействия, в отличие от коа­гулянтов, воздействующих на электрокинетический потенциал частиц;

Ю.И. Вейцер к флокулянтам относит высокомолекулярные вещества, обра­зующие с находящимися в воде грубодисперсными и коллоидными частицами трехмерные структуры —агрегаты, хлопья, комплексы. В последнем случае флокуляция рассматривается как образование хлопьев при взаимодействии компонентов двух разнородных систем (независимо от того, за счет каких сил это происходит): макромолекул растворимых полимеров — термодинамически обратимых молекулярно-гомогенных систем и частиц коллоидных растворов и суспензий (с четкой поверхностью раздела фаз) — агрегативно неустойчивых микрогетерогенных и гетерогенных систем.

Высокомолекулярные флокулянты обычно подразделяют на три группы: неорганические вещества; вещества, полученные из растительного сырья; син­тетические органические полимеры.

Для процесса флокуляции характерна высокая скорость агрегации частиц при добавлении небольших доз ВМВ (высокомолекулярных веществ); он практически завершается во вре­мя смешения коллоидного раствора или суспензии с полимером.

При флокуляции вначале происходит первичная адсорбция, когда каждая молекула прикрепляется частью сегментов к одной частице. Затем в ре­зультате вторичной адсорбции свободные сегменты адсорбированных моле­кул закрепляются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками. Адсорбцию макромолекул обычно характеризуют уравнением

где Θ — доля поверхности (вернее, активных центров на этой поверхности), занятая адсорбентом; δ — константа адсорбционно-десорбционного равнове­сия; С — равновесная концентрация; ν — число принимающих участие в ад­сорбции сегментов одной макромолекулы. При ν = 1 это выражение перехо­дит в уравнение Лэнгмюра.

Скорость флокуляции (по Ла Меру) определяется уравнением

где п — частичная концентрация взвешенных частиц; К_ф — коэффициент, учитывающий условия их сближения (сфера действия, скорость движения); Θ (1 — Θ) — фактор, характеризующий эффективность столкновений частиц (одна частица свободной поверхностью расположится возле макромолекул, адсорбированных на другой частице).

Для равномерного распределения флокулянта между частицами твердой фазы обрабатываемую систему перемешивают, что приводит к частичному раз­рыву образовавшихся агрегатов; скорость их разрушения (по Ла Меру) опре­деляется уравнением

где R — радиус эквивалентной сферы хлопьев; К_р - коэффициент, учиты­вающий природу связи макромолекула — твердая поверхность.

Стабильный размер хлопьев, образующихся при флокуляции с перемеши­ванием, наблюдается при равенстве скоростей их образования и разрушения, при этом

где К — коэффициент, объединяющий коэффициенты предыдущих уравнений.

Функциональная зависимость Θ(1- Θ) достигает максимума при Θ =0,5. При меньших значениях Θ скорость флокуляции и размер устойчивых хлопьев уменьшаются. При крайних значениях аргумента Θ=0 (отсутствие адсорбции макромолекул) и Θ = 1 (вся поверхность частиц покрыта адсорби­рованными макромолекулами) флокуляция не происходит.

В рассмотренных теоретических предпосылках механизма учтено влия­ние на процесс флокуляции только соотношения площадей свободной поверх­ности частиц и поверхности, занятой макромолекулами. В ней не принимаются во внимание стерическне осложнения подхода частиц с адсорбированными мак­ромолекулами к свободной поверхности других частиц, конкуренция на­ходящихся в растворе макромолекул с сегментами макромолекул, адсорби­рованными на частицах, величина и знак электрического заряда самих час­тиц и молекул ВMB.

Оптимальные условия флокуляции наблюдаются при определенном соот­ношении между концентрациями полимера и твердых частиц, а также соот­ветствующих конфигурациях ВМВ и длине их цепочек; знак и величина элект­рического заряда частиц и макроионов определяют вероятность их сближения на расстояние, достаточное для осуществления адсорбции и образования по­лимерных мостиков (рис. 7,6).

Эффективность действия флокулянтов на различных этапах очистки

Дозировка полиакриламида (ПАА) и активной кремнекислоты (АК) зависит от места ввода, типа и режима работы сооружении, физико-химических свойств обрабатываемой воды. Для ориентировочных расчетов принимают следующие величины:

а) при подаче флокулянтов перед отстойниками и осветлителями со взве­шенным осадком доза безводного ПАА при содержании взвешенных веществ от 501 до 10 000 мг/л равна 0,4—1,0 мг/л. При содержании взвешенных веществ от 101 до 500 мг/л и цветности воды 20—60 град она составляет 0,6— 0,4 мг/л, при содержании взвешенных веществ от 11 до 100 мг/л я цветности воды 30—100 град —1,0—0,6 мг/л, при содержании взвешенных веществ до 10 мг/л и цветности воды 50 град — 1,5—1,0 мг/л. Доза АК (в пересчете на SiO_a) при подаче ее перед отстойниками и осветлителями со взвешенным осад­ком и температуре выше 5—7° С составляет 2—3 мг/л; при температуре ниже 7° С— 3—5 мг/л;