Удаление из воды коллоидных и мелкодисперсных взвешенных частиц

Одним из методов освобождения воды от взвешенных примесей является фильтрование ее через пористую среду. Движущей силой процесса фильтрации является разность давления над перегородкой и под фильтрующей перегородкой. Разности давления можно добиться за счет создания вакуума или избыточного давления на границах перегородки.

На практике наибольшее распространение получили самотечные открытые фильтры. Необходимый напор в фильтре обеспечивается высотой слоя воды на фильтрующем материале.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1

-__ - _ - _- _ - _ - _ - _ - _ - _ -_ -_ -_

2

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

: : : : : : : : : : : : :3 : : : : : : : : : : : :

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

º º º º º º º º º º 4º º º º º º º º

º º º º º º º º º º º º º º º º º º

5°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°°

Рис. 2. Самотечный фильтр: 1 – вода на фильтрацию;

2 – илистая пленка; 3 - слой кварцевого песка;

4 – слой гравия; 5 – дренажные трубки.

На рис. 2 представлена схема безнапорного открытого фильтра. Вода подается на фильтрующий слой песка, затем она попадает на слой гравия и оказывается в дренажных перфорированных трубках, которые служат для предотвращения уноса частиц песка водой. Высота слоя воды над поверхностью песка составляет не менее 2 м, а толщина фильтрующего слоя песка от 0,7 до 2,0 м.

Работа фильтра носит периодический характер.

Первый период – подготовительный. Взвешенные частицы, содержащиеся в воде, оседают на поверхности песчаного слоя и постепенно образуют илистую пленку 2. В данный период времени фильтр не полностью очищает воду от взвешенных веществ. Фильтр становится полностью работоспособным, когда илистая пленка окончательно сформируется и ее толщина достигнет нескольких миллиметров.

Второй период – рабочий. Вода полностью очищается от взвешенных частиц. Диаметр пор в илистой пленке меньше, чем в слое песка. В данный период работы сооружения фильтрующим материалом является илистая пленка. По мере работы фильтра толщина пленки ила увеличивается и его производительность падает.

Третий период – промывка. Илистую пленку удаляют обратным током воды. После этого фильтр снова готов к работе.

Кроме указанных природных материалов в качестве фильтров могут быть использованы перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, асбеста, стекловолокна, хлопчатобумажных тканей и другие материалы.

Для удаления мелкодисперсных примесей из воды также применяют метод коагуляции. Под коагуляцией понимают совокупность физико-химических процессов, приводящих к укрупнению частиц с целью ускорения их осаждения.

При коагуляции происходит осветление и обесцвечивание воды. Природные воды обычно загрязнены частицами, которые несут на себе отрицательный заряд и поэтому между собой не слипаются. С целью нарушения данной устойчивой структуры к воде добавляют коагулянты – соли, образованные слабыми основаниями и сильными кислотами, которые имеют в растворе слабый положительный заряд. Таким образом, между частицами загрязнений и коагулянтами возникают силы взаимного притяжения. Кроме того, коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью сорбировать коллоидные и взвешенные частицы и удерживать их на своей поверхности. В качестве коагулянтов используют различные соли алюминия и железа, чаще всего

Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ и FeCl₃. Выбор реагента зависит от концентрации примесей, рН, температуры и солевого состава воды.

При попадании коагулянта в воду он диссоциирует на ионы: Al₂(SO₄)₃ ⇆ 2Al³⁺ + 3SO₄^2-.

Затем происходит ступенчатый гидролиз:

Al³⁺ + НОН ⇆ Al(ОН)²⁺ + Н⁺.

Al(ОН)²⁺ + НОН ⇆ Al(ОН)₂⁺ + Н⁺.

Al(ОН)₂⁺ + НОН ⇆ Al(ОН)₃ ↓+ Н⁺.

Гидролиз полнее протекает в слабощелочной среде, которая создается бикарбонатом кальция или содой.

Коагуляцию проводят в специальных аппаратах - осветлителях.

3 1

. . . . . . . . . . 2

6…. ….…..

. . . . . . . . . . . 4

. .

…………. 5

:::::::::::::::

7

Рис. 3. Осветлитель с дырчатым дном: 1 – вода на очистку;

2 – очищенная вода; 3 – воздухоотделитель; 4 – ре-

шетка; 5 – труба с отверстиями; 6 - осадок; 7–шлам.

Осветлитель (рис. 3) состоит из двух цилиндров. Вода с добавленным коагулянтом через воздухоотделитель поступает в аппарат, проходя вертикальную и горизонтальную трубу.

Таким образом, она попадает в большой цилиндр под решетку, где начинается коагуляция. Затем вода проходит снизу вверх через слой взвешенного осадка. Избыток осадка накапливается во внутреннем цилиндре и периодически выводится в нижней части осветлителя. Осветленная таким образом вода выводится через верхнюю часть аппарата.

Соли железа как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность и крупность образующихся хлопьев; способность устранять вредные запахи и привкусы. Однако имеются и недостатки: образование окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры. Наилучший результат может быть достигнут при совместном использование солей железа и алюминия. При этом происходит ускорение процессов коагуляции и осаждения хлопьев.

Кроме названных коагулянтов для обработки воды могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Разновидностью коагуляции является флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в воду флокулянтов, таких как кремниевая кислота и различные высокомолекулярные соединения (полиакриламид, крахмал, производные целлюлозы). Механизм взаимодействия флокулянта с коллоидной частицей складывается из двух фаз. Сначала полимер адсорбируется на частице. При этом фиксируется только один конец флокулянта, а другой остается в растворе. Затем две частицы с адсорбированными молекулами флокулянта объединяются вместе. Полимер становится мостиком между двумя частицами. Такое взаимодействие частиц протекает быстро по всему объему системы.

Существенную роль в процессе сендиментации играет доза флокулянта. При недостатке реагента он не может связать все твердые частицы. При оптимальном количестве вве- денного флокулянта в воде формируются отдельные, не связанные между собой агрегаты способные быстро осаждаться . При повышенном содержании высокомолекулярных веществ образуется густая сетка из ассоциированных молекул полимера, которая препятствует сближению и агрегации частиц суспензии.

Электрохимическая коагуляция также с успехом используется для обработки воды. Сущность метода основана на анодном растворении алюминиевых или железных пластин при прохождении через систему постоянного электрического тока. Для этого пластины присоединяются поочередно к положительному и отрицательному полюсам источника тока большой силы и низкого напряжения. При этом ионы металла переходят в воду, образуя в ней гидроокись. Достоинствами этого метода является быстрое образование и осаждение прочных хлопьев, а также отсутствие необходимости корректировки рН. К недостаткам относится значительный расход электроэнергии. С целью экономии электроэнергии рекомендуется: плотность тока не более 10 А/м, расстояние между электродами не более 20 мм, скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с, периодическое изменение потенциалов электродов или их вращение.

Возможным вариантом электрохимической коагуляции является использование нерастворимых электродов. В данном случае коагуляция происходит в результате разряда заряженных частиц на электродах. Материалом для изготовления электродов служат титан или двуокись свинца. Во время электрокоагуляции на электродах образуются газообразные вещества: хлор, кислород, водород, которые разрушают сольватные слои на поверхности частиц и они начинают слипаться. Пузырьки газообразных веществ способны также захватывать небольшие частицы примесей и поднимать их на поверхность – этот процесс называется электрофлотацией.