Водоподготовка

91

В соответствие с данной теорией, в результате коагуляции образуются коллоидные системы. Современная теория строения ДЭС (теория Гуи и Чеппмена) представляет его в виде двух частей (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Двойной электрический слой и изменение в нем потенциала

Одна его часть находится непосредственно у межфазной поверхности и образует слой Гельмгольца толщиной , соответствующий диаметру гидратированных ионов, находящихся в нѐм. Остальная часть

потенциала в слое Гельмгольца при удалении от потенциалообразующих ионов снижается линейно от 0 до потенциала диффузного слоя , затем изменяется экспоненциально. В коллоидных системах ДЭС возникает на поверхности частиц. Частицу дисперсной фазы вместе с ДЭС называют мицеллой. Внутреннюю часть мицеллы составляет агрегат основного вещества, на поверхности которого расположены потенциалообразующие ионы. Агрегат с потенциалообразующими ионами образуют ядро мицеллы. Ядро с противоионами плотной части ДЭС составляют гранулу. Заряженная гранула, окруженная противоионами диффузного слоя, представляется электронейтральной мицеллой. При движении коллоидных частиц в воде происходит разрыв ДЭС по плоскости скольжения. Часть диффузного слоя захватывает частица, а часть ионов остается в растворе, в результате устанавливается разность потенциалов между движущейся коллоидной частицей и окружающей еѐ средой на поверхности скольжения при отрыве частиц диффузного слоя. Потенциал на поверхности скольжения называется электрокинетическим потенциалом, или (дзета)-потенциалом. Электрокинетический потенциал экспериментально определяют методом электрофореза; -потенциал коллоидов природных вод составляет 70 мВ.

93

к образованию отложений в трубопроводах. При коагуляции сернокислым алюминием оптимальное значение рН находится в пределах 5,0–7,5.

алюминия не образуется, а введенный в воду коагулянт остается в растворе

гидролиза гидроксид алюминия растворяется с образованием алюминатов. Оптимальный рН, при котором используют Al 2 (SO4 )3, равен 6,5−7,5.

Fe(OH)3 не обладает амфотерными свойствами и диапазон рН его образования шире, чем для Al(OH) 3 : рН = 8−10,4.

Влияние анионного состава воды на коагуляцию. Частицы

Al(OH) 3 и Fe(OH)3 в слабокислой и нейтральной среде сорбируют катионы водорода и алюминия (или железа), приобретают положительный заряд. В результате коагуляций примесей воды происходит их адсорбция и адгезия на поверхности гидроксидов, осаждение которых осуществляется в результате электролитной коагуляции солей, находящихся в обрабатываемой воде. Следовательно, анионный состав воды оказывает существенное влияние на электронную коагуляцию гидроксидов металлов при гидролизе в момент их формирования [30].

Подчеркивают коагулирующее влияние сульфат-ионов SO 24 . Так, при коагуляции примесей в воде с солесодержанием до 100 мг/л процесс протекает вяло. Добавка сульфат-ионов ускоряет коагуляцию, расширяет зону оптимальных значений рН в сторону понижения. Максимальная скорость коагуляции обусловлена пороговыми концентрациями в воде следующих ионов: хлор-ионов – 0,07 н., гидроксильных ионов – 0,1−0,3 н., бикарбонатных ионов – 0,005 н., сульфат-ионов – 0,001−0,002 н. Следовательно, коагуляция гидроксидов определяется наличием в природных водах бикарбонатных и сульфатных ионов, а поскольку их концентрации ниже пороговых, то и процесс коагуляции протекает менее интенсивно.

Выбор дозы коагулянта. Правильный выбор дозы коагулянта очень важен при проведении коагуляции. Под дозой коагулянта подразумевается определѐнное массовое количество реагента, которое добавляется к единице объѐма обрабатываемой воды. Выбор вида и эксплутационной дозы коагулянта производится на основе результатов пробной коагуляции воды различными реагентами, проводимой в лабораторных условиях в характерные для источника водоснабжения периоды года. Выбор дозы коагулянта в зависимости от химического состава исходной воды приводится в физико-химическом расчете стадии предочистки (Приложение).

95

столкновения, приводящие к их слипанию. Слипание и формирование плотных хлопьев обеспечивается созданием оптимальных условий для дальнейшего укрупнения первичных агрегатов. Однако перемешивание не должно производиться слишком энергично, чтобы не разрушить образовавшиеся хлопья. Равномерное распределение коагулянта по всей массе воды обеспечивает надлежащий эффект коагуляции.

Влияние на процесс коагуляции содержания в исходной воде естественных взвесей. Конечным продуктом коагуляции являются хлопья, которые выделяются при осаждении. По своей структуре хлопья представляют собой цепочки гидроксидов металлов, на поверхности которых адсорбированы коллоидные и мелкодисперсные примеси. При этом грубодисперсные примеси являются центрами коагуляции, способствуя не только ускорению процесса, но и формированию более крупных и плотных хлопьев, которые выпадают в осадок.

Существуют и вспомогательные процессы, которые обеспечивают интенсификацию и повышение технико-экономической эффективности процесса коагуляции. Это процесс флокуляции – процесс агрегации частиц, в котором при непосредственном контакте частиц происходит их адсорбционное взаимодействие с молекулами высокомолекулярных веществ, называемых флокулянтами. Из неорганических флокулянтов используется кремниевая кислота; природными флокулянтами являются крахмал, карбоксил-метилцеллюлоза, полиакриламид.

5.2. Физико-химические основы известкования

Известкование – обработка воды раствором известкового молока (гашеной известью) Ca(OH) 2 .

Известкование – метод осаждения, который основан на выведении из раствора отдельных примесей в виде труднорастворимых соединений (в виде твѐрдой фазы). При известковании воды в труднорастворимые

Известкование рассматривают как метод декарбонизации (удаление CO 2 ),

как метод снижения щелочности (удаление HCO3 ) и как метод частичного умягчения (снижения общей жѐсткости).

В результате диссоциации извести в воде повышается рН воды:

98

Исходная вода, подогретая до 40 С, поступает в осветлитель вместе с раствором коагулянта и известкового молока. В трубопровод с исходной водой перед осветлителем вводится раствор кислоты или щелочи для создания оптимального значения рН; если применяется сульфат двухвалентного железа, вводят раствор хлора для доокисления двухвалентного железа в трехвалентное. В осветлителе происходит хлопьеобразование и осветление воды. Для создания оптимальных условий очистки воды конструкция осветлителей должна обеспечивать: быстрое и полное смешивание обрабатываемой воды и реагентов; благоприятные режимы для формирования шламовой контактной среды во взвешенном состоянии и в определѐнных границах по высоте; удаление излишков шламового осадка продувочной водой; возможность контроля и оперативного изменения условий очистки эксплуатационным персоналом. Перечисленным требованиям удовлетворяют осветлители нормального ряда, разработанные ВТИ, ЦНИИ (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Нестандартное водоподготовительное оборудование [27]

Исходная подогретая вода поступает в воздухоотделитель, затем в смеситель воды и реагентов. Ввод реагентов в смеситель выполняется последовательно, известковое молоко вводится выше исходной воды, раствор коагулянта – выше известкового молока. Такая последовательность ввода обусловлена технологическими условиями взаимодействия воды и реагентов. Ввод воды снабжен устройством для изменения площади выходного сечения с целью создания оптимальной

99

скорости по условиям формирования контактной среды при данной нагрузке. Процессы химического взаимодействия реагентов с растворѐнными в воде веществами завершаются в нижней части осветлителя на выходе из смесителя, и здесь же начинается выделение продуктов этого взаимодействия – шлама. Верхняя граница взвешенного шлама должна находиться на уровне верхней кромки приѐмных окон шламоуплотнителя. В шламоуплотнитель через приемные окна отводится до 20 % воды со шламом. Шлам оседает в нижней части шламоуплотнителя и затем выводится вместе с продувкой в дренаж, а осветленная вода отводится в распределительное устройство и далее – в поток осветленной воды. До 80 % общего расхода воды проходит помимо шламоуплотнителя, сливается в кольцевой желоб и через распределительное устройство направляется в промежуточный бак. Для сбора песка, поступающего с исходной водой, и кристаллов CaCO3 служит грязевик, в качестве которого используется нижняя часть конического днища смесителя, ниже уровня выходного сопла. Тяжелые частицы песка и шлама удаляются из грязевика при периодических продувках. Осветлитель оборудован устройствами для отбора проб воды на анализ и линиями подачи воды к датчикам систем автоматического регулирования и дистанционного измерения «отсечки». Всего установлено 15 пробоотборных точек, в том числе 9 для ручного анализа проб и 6 к приборам автоматического контроля: к рН-метру, сигнализатору уровня шлама (СУШ), мутнометру, расходомеру отсечки. По точкам ручного контроля определяют: качество

непосредственно в осветлителе и уровня осадка в шламоуплотнителе.

производительности 60−70 % от номинальной. Основные причины неудовлетворительной очистки воды в этих аппаратах при номинальной производительности – недостаточные размеры высоты и сечения воздухоотделителей и зоны контактной среды. Проектная скорость

скорость восходящего движения воды в осветлителях велика. В этих условиях эксплуатации осветлитель очень чувствителен к изменениям нагрузки и температуры [3].

100

Рис. 5.2. Схема осветлителя для коагуляции типа ЦНИИ-2: 1 – вход воды; 2 – воздухоотделитель; 3 – распределительная труба; 4 – сопло; 5 – вертикальная

перфорированная перегородка; 6 – шламоприемные окна; 7 – шламоуловитель; 8 – «стакан»; 9 – верхняя распределительная перегородка; 10 – сборный кольцевой желоб; 11 – задвижка отсечки; 12 – трубопровод отсечки; 13 – распределительное устройство с успокоительной перегородкой; 14 – выход обработанной воды;

15 – ввод коагулянта; 16 – линия непрерывной продувки; 17 – линия периодической продувки; 18 – задвижка на линии опорожнения осветлителя; 19 – дренажная задвижка; 20 – кран с сервоприводом; 21 – воронка; 22 – пробоотборные точки

С целью приближения производительности осветлителей к проектной

эффективного удаления из воды воздуха. Так, скорость нисходящего движения воды в воздухоотделителе снижена со 100 до 25 м/ч, а длительность пребывания увеличена с 45 с до 5 мин. Увеличение зоны контактной среды достигается перекрытием нижнего ряда окон и увеличением сечения верхних для создания в них скорости не более 5 мм/с.