3. Предварительная очистка воды методами

КОАГУЛЯЦИИ И ИЗВЕСТКОВАНИЯ

Многообразие примесей в природной воде служит причиной того, что очистка добавочной воды для подпитки котлов организуется в несколько стадий на водоподготовительных установках (ВПУ): предварительная обработка воды (предочистка) и ионитная обработка воды (умягчение или обессоливание).

На начальном этапе предочистки из воды выделяются грубодисперсные и коллоидные вещества, а также снижается бикарбонатная щелочность этой воды. На дальнейших этапах производится очистка воды от истинно-растворимых примесей.

Начальный этап очистки воды необходим для улучшения технико-экономических показателей последующих этапов очистки воды, а также потому, что при отсутствии предочистки применение многих методов на последующих ступенях очистки встречает значительные затруднения. Так, наличие в воде органических веществ приводит к изменению технологических свойств анионитов при обессоливании воды, способствует их старению, а, следовательно, к резкому (в 4–8 раз) снижению срока службы. Присутствие в воде ионов железа в концентрации свыше 50 мкг/дм³ вызывает отравление мембран при очистке воды мембранными методами. Неудовлетворительная очистка воды от грубодисперсных и коллоидных примесей является одной из причин образования накипей на поверхностях нагрева и ухудшает качество пара. Поэтому в настоящее время предварительной обработке воды на ТЭС придается большое значение.

Предочистка воды может быть осуществлена, в основном, методами осаждения, при применении которых продукты реакции выделяются из воды в виде осадка. Эти методы называются также реагентными, так как для выделения примесей в воду дозируются специальные реагенты. К процессам осаждения, применяемым в настоящее время на стадии предочистки, относятся коагуляция, известкование и магнезиальное обескремнивание. Как правило, эти процессы хорошо совмещаются друг с другом и проводятся одновременно в одном аппарате – осветлителе, что целесообразно как для улучшения суммарного технологического эффекта процесса очистки воды, так и для снижения капитальных и эксплуатационных затрат.

Первичная обработка воды производится в осветлителях, а окончательная очистка от осадка осуществляется при фильтровании, которое производится на механических фильтрах, и также относится к предочистке, но является безреагентным методом.

На второй стадии вода подвергается очистке химическими (умягчение, обессоливание), термическими (получение дистиллята), мембранными методами.

4. КОАГУЛЯЦИЯ ВОДЫ

Коагуляцией называется процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных частиц за счет их слипания под действием сил молекулярного притяжения, завершающийся выпадением частиц в осадок.

Коагуляция служит для удаления из воды коллоидных органических примесей, снижения цветности воды и концентрации грубодисперсных частиц.

Диспергированные, коллоидные и взвешенные примеси природных вод в большинстве случаев имеют заряды одного знака, что обусловливает возникновение межмолекулярных сил отталкивания и агрегативную устойчивость. Наличие электрических зарядов объясняется следующими причинами. Каждая коллоидная частица обладает значительной адсорбционной способностью, поэтому она адсорбирует из раствора ионы одного знака, которые равномерно распределяются по её поверхности, образуя адсорбционный слой. Коллоидная частица вместе с адсорбционным слоем называется гранулой. Гранула имеет электрический заряд, поэтому вокруг неё концентрируются ионы противоположного знака (противоионы). Они не связаны прочно с гранулой, поэтому сохраняют способность к диффузии в окружающую жидкость. Вокруг гранулы образуется диффузный слой этих противоионов. Концентрация противоионов максимальна у поверхности частицы (адсорбционный слой) и убывает с увеличением расстояния от поверхности частицы (диффузный слой). Так вокруг коллоидной частицы образуется двойной электрический слой, включающий потенциалообразующие ионы и противоионы. При этом на границе коллоидной частицы возникает потенциал двойного электрического слоя, а на границе диффузной части двойного электрического слоя - потенциал.

Если коллоидная частица неподвижна, комплекс частицы с двойным электрическим слоем электронейтрален. При броуновском движении происходит разрыв двойного электрического слоя на границе между частицей и водой. Часть ионов диффузного слоя захватывается частицей, а остальные ионы диффузного слоя остаются в растворе. При этом устанавливается разность потенциалов между движущейся коллоидной частицей и окружающей средой. Потенциал на границе раздела между коллоидной частицей и водой называется электрокинетическим потенциалом или ξ (дзета)-потенциалом. Для коллоидных систем природных вод ξ-потенциал составляет приблизительно 70 мВ. Этот высокий потенциальный барьер обеспечивает высокую агрегативную устойчивость коллоидной системы.

При очистке природных вод применяют взаимную коагуляцию разнородных дисперсных систем. Для этого в очищаемую воду добавляют коагулянт, т. е. раствор минеральной соли, способный образовывать искусственный коллоидный раствор. Так как коллоидные частицы природных вод имеют обычно отрицательный заряд, коагулянт выбирают таким образом, чтобы частицы образованного этой солью искусственного коллоидного раствора имели положительный заряд. Взаимодействие тех и других частиц приводит к их взаимному притяжению, нейтрализации зарядов, их слипанию, укрупнению и выпадению в осадок.

В коллоидных частицах противоионами чаще всего являются катионы натрия и калия, способные к обмену на катионы, содержащиеся в воде. При обмене одновалентных противоионов коллоидной частицы на двухвалентные катионы кальция и магния, содержащиеся в воде, агрегативная устойчивость коллоидных систем снижается. Под влиянием трехвалентных катионов процесс снижения будет ещё более заметен. Поэтому для коагуляции используют соли трехвалентных металлов.

В качестве коагулянтов применяют сернокислый алюминий (глинозем) Al₂(SO₄)₃∙18H₂O, сульфат двухвалентного железа (железный купорос)

FeSO₄∙7H₂O, полиоксихлорид алюминия Al_m(OH)_nCl_3m-n. Сернокислое железо используют в качестве коагулянта при совмещении процессов коагуляции и известкования, производимых в осветлителях.

При добавлении коагулянта происходит диссоциация соли коагулянта. Ионы алюминия или железа вступают в обмен с противоионами абсорбционного слоя коллоидной частицы. Этот процесс заканчивается с исчерпанием обменной способности коллоидных частиц.

Параллельно с диссоциацией и ионным обменом происходит гидролиз коагулянта (Гидролиз – это реакция с водой). Катионы слабых оснований Al³⁺ и Fe²⁺ легко подвергаются ступенчатому гидролизу с образованием труднорастворимых гидроксидов, вызывающих процесс коагуляции:

;

.

В щелочной среде (рН > 9), создаваемой при известковании, и при наличии растворенного кислорода, гидроксид железа (II) окисляется в менее растворимый гидроскид железа (III):

.

Приведенные реакции гидролиза могут протекать до конца лишь при условии отвода ионов Н⁺ из сферы реакции. В природной воде связывание ионов Н⁺ (кислоты) происходит согласно реакции:

Когда карбонатная жесткость невелика, а щелочность воды более 1,2 – 1,5 мг-экв/дм³, не возникает затруднений в отводе образующихся ионов Н⁺, так как дозировка коагулянта в размере 0,3 – 0,8 мг-экв/дм³ обычно меньше значения щелочности исходной воды. Остаточная щелочность в этом случае будет уменьшаться на значение, равное дозе коагулянта. При недостаточном значении бикарбонатной щелочности или жесткости исходной воды нейтрализация ионов Н⁺ может регулироваться введением в воду щелочи NaOH или щелочным Ca(OH)₂ (подщелачивание воды). Такие меры могут потребоваться в паводковый период.

Процесс коагуляции требует для своего завершения определенного промежутка времени. Хлопья, вначале невидимые, постепенно соединяются в крупные комплексы, вызывая помутнение воды. Затем образуются более крупные рыхлые хлопья, захватывающие грубодисперсные примеси и воду. Режим потока воды влияет на образование хлопьев. Он может даже разрушить сформировавшиеся крупные частицы, поэтому скорость воды в зоне формирования и отстаивания хлопьев должна быть не более 1,5 мм/с.

Сернокислое железо как коагулянт имеет следующие преимущества по сравнению с сернокислым алюминием:

• коагуляция сернокислым железом не зависит от температуры воды, поэтому не требуется её подогрев;

• скорость осаждения гидроксида железа выше, чем гидроксида алюминия, так как плотность гидроксида железа в 1,5 раза больше плотности гидроксида алюминия, что позволяет уменьшить продолжительность отстаивания и размеры осветлителей.

При обработке воды для водопровода применяют прямоточные коагуляционные установки, в которых целесообразнее применять в качестве коагулянта сернокислый алюминий, как правило, не требующий подщелачивания при достаточной естественной щелочности природной воды с целью создания оптимального рН.

Использование поликсихлорида алюминия Al_m(OH)_nCl_3m-n (ОХА) по сравнению с сернокислым алюминием имеет существенные преимущества:

• в меньшей степени снижается рН и щелочность воды, что позволяет применять его при очистке воды с низкой щелочностью без предварительного подщелачивания;

• эффективность в более широком диапазоне рН = 6 – 9, в некоторых случаях от 5 до 10;

• существенно снижается продолжительность образования крупных хлопьев и возрастает скорость их осаждения;

• в коагулированной ОХА воде меньше содержание хлоридов в 2 – 8 раз.

Основные условия, определяющие процесс коагуляции.

1. Температура воды. Для ускорения процесса коагуляции применяют подогрев коагулируемой воды до 30 – 40 ^оС и пермешивание её. При нагревании коллоидные частицы загрязнений и коагулянта испытывают более частые и сильные столкновения, приводящие к их слипанию. Однако перемешивание не должно производиться слишком интенсивно, чтобы не разрушить образовавшиеся хлопья. Повышение температуры сверх 40 ^оС ухудшает эффект осветления вследствие более быстрого броуновского движения коллоидных частиц и торможения абсорбции их хлопьями.

2. Доза коагулянта. Оптимальная доза коагулянта – это минимальная доза, при которой достигается достаточно быстрое и полное осветление воды и снижение концентрации органических примесей. Она определяется составом и количеством коллоидных примесей, солесодержанием обрабатываемой воды, а также зависит от температуры. Оптимальная доза коагулянта устанавливается путем опытной лабораторной коагуляции. Обычно доза коагулянта находится в пределах 0,3 – 0,8 мг-экв/дм³, увеличиваясь в паводковый период до 1,0 – 1,2 мг-экв/дм³.

3. Значение рН среды. Концентрация водородных ионов оказывает влияние на скорость и полноту гидролиза коагулянта, а также на состояние удаляемых из воды примесей. При коагуляции сернокислым алюминием оптимальное значение рН устанавливается также экспериментально, находится в пределах 5,5 – 7,5. При рН < 4,5 гидролиз сернокислого алюминия практически не происходит, а введенный в воду коагулянт остается в растворе в виде ионов Al³⁺ и

Гидроксид алюминия амфотерен. В щелочной среде при рН > 7,5 гидроксид алюминия растворяется, диссоциируя как кислота:

.

В воде при этом возрастает содержание алюминатных ионов. Коагуляция коллоидов не происходит, так как не образуется . Оптимальное значение рН = 5,5 – 7.

При использовании FeSO₄ ∙ 7H₂O значение рН определяется условиями процесса известкования. Значение рН должно быть также оптимальным и определяется лабораторным путем.

4. Средства, ускоряющие процесс коагуляции. Для этого применяются специальные вещества – флокулянты, к которым относится полиакриламид (ПАА). Ионогенные группы нитевидного строения высокомолекулярного ПАА адсорбируют различные микрочастицы, образующиеся при коагуляции. В результате образуются крупные структурированные хлопья (флоккула – крупная частица), легко выделяющиеся из воды. Доза ПАА обычно составляет 0,5 – 2,0 мг/дм³. Флокуляция не заменяет процесс коагуляции, а лишь позволяет снизить расход коагулянта. На ТЭС ПАА применяют в периоды ухудшенного хлопьеобразования, а также при необходимости повышения нагрузки осветлителей.

Качество коагулированной воды

В коагулированной воде снижается содержание органических веществ и взвешенных примесей, уменьшается щелочность, повышаются концентрации: углекислоты, сульфат-ионов (если коагулянтами являются сернокислый алюминий или сернокислое железо).

Технологические показатели качества воды после коагуляции сульфатом алюминия Al₂(SO₄)₃:

• остаточная перманганатная окисляемость снижается на 50 – 60% от исходной величины;

• щелочность уменьшается на дозу коагулянта:

• общая жесткость остается неизменной, но одновременно происходит её перераспределение: карбонатная жесткость уменьшается на дозу коагулянта;

• кремнийсодержание снижается на 40-50%;

• концентрация сульфат-ионов увеличивается на дозу коагулянта;

• концентрация хлор-иона остается неизменной;

• содержание взвешенных веществ составляет 1-2 мг/дм³;

• прозрачность воды по шрифту более 30 см.

Неполное снижение окисляемости и кремнийсодержания при коагуляции объясняется присутствием в обрабатываемой воде не только коллоидных, но и ионных форм органических веществ и кремнийсодержащих соединений.

Конструкция осветлителей для коагуляции

При конструировании осветлителя учитывается, что гидравлические процессы в аппарате включают в себя:

• поддержание во взвешенном состоянии твердых частиц, образующих контактную среду, восходящим потоком воды;

• удаление избытка этих частиц из зоны контактной среды;

• режимы движения воды в контактной среде, а также во входной и выходной частях осветлителя.

Особенностями работы шламового фильтра являются:

• Влияние взвешенных частиц друг на друга из-за их взаимного трения или столкновений;

• Влияние критической концентрации твердой фазы на формирование потока воды (очень мало или очень много шлама);

• Наличие турбулентной диффузии, связанной с перемещением частиц твердой фазы из одной части шламового фильтра в другую.

В настоящее время на ВПУ используются осветлители двух типов: осветлители, разработанные ЦНИИ МПС для проведения коагуляции, и осветлители, разработанные ВТИ, в которых осуществляются процессы коагуляции, известкования и магнезиального обескремнивания.

Из осветлителя вода поступает в бак коагулированной воды (БКВ), а выделенный осадок – в бак шламовых вод, откуда перекачивается на шламоотвал или на установку обезвоживания шлама. Из БКВ насосы подают воду на механические осветлительные фильтры, где она окончательно освобождается от взвешенных веществ после осветлителя. Из механических фильтров задержанные загрязнения удаляются путем промывки обратным током воды и направляются в специальный бак промывочной воды, откуда равномерно в течение суток перекачиваются насосом в осветлитель. Это позволяет экономить воду, реагенты и теплоту и интенсифицировать хлопьеобразование вследствие благоприятного влияния взвеси, содержащейся в промывочных водах.