Факторы, определяющие эффективность процесса коагуляции

Несмотря на то, что коагуляция давно и широко используется для очистки природных вод от коллоидных примесей, до настоящего времени не создано единой модели оптимального управления этим процессом. Отсутствие математических закономерностей объясняется тем, что коагуляция является многофакторным процессом, трудно поддающимся функциональному описанию. Внедрению любого коагулянта на конкретной ТЭС должны предшествовать как лабораторные, так и промышленные испытания. Их основная цель – определение оптимальных доз реагента и технологических характеристик процесса коагуляции применительно к качеству данной исходной воды и условиям работы осветлителей на конкретной электростанции.

При организации процесса коагуляции необходимо учитывать основные факторы, которые во многом определяют эффективное осуществление технологии (оптимальная доза коагулянта , определенные температура и рн обрабатываемой воды, кинетика коагуляции, введение флокулянта).

Доза коагулянта зависит в основном от количества и состава присутствующих в обрабатываемой воде коллоидных примесей и растворенных солей.

В настоящее время теоретические разработки не дают возможности точного расчетного выбора необходимой дозы коагулянта. Это связано с очень многими факторами: отсутствие количественных характеристик различных по составу коллоидных примесей в водах различных типов; сложность формирования коагулированной взвеси и т.д. 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. Оптимальная доза коагулянта – то его минимальное количество, которое обеспечивает максимальное снижение концентрации грубо- и коллоиднодисперсных примесей в обрабатываемой воде.

Для большинства природных вод оптимальные дозы коагулянтов находятся в следующих пределах: оптимальная доза сернокислого алюминия мг-экв/кг, а сернокислого железа мг-экв/кг.

Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура. При повышении температуры увеличиваются скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твердой фазы, что в конечном счете ускоряет и углубляет коагуляцию примесей. Однако чрезмерное повышение температуры увеличивает броуновское движение, а это ведет к разрушению хлопьев. Кроме того, непостоянство температуры нарушает взвешенный слой шлама в осветлителях, что приводит к повышению мутности осветленной воды.

Рекомендуемый температурный режим процесса коагуляции: для сернокислого алюминия С, для сернокислого железа – 3040С.

При добавлении к воде Al₂(SO₄)₃ происходит его гидролиз с образованием труднорастворимых гидроксидов алюминия Аl(ОН)₃, которые способствуют слипанию коллоидных частиц. Побочным продуктом реакции гидролиза является серная кислота.

(2.24)

Если в исходной воде бикарбонатов недостаточно, необходимо предусмотреть подщелачивание исходной воды едким натром NaOH или известковым молоком Ca(ОН)₂, так как наиболее полно процесс коагуляции сернокислым алюминием протекает при рН = 5,57,5. Необходимо учитывать, что образующийся в результате гидролиза гидроксид алюминия является амфотерным соединением. При низких значениях рН оно ведет себя, как щелочь, т.е. диссоциирует с образованием ионов и . При увеличении рН свыше 7,5 гидроксид алюминия начинает растворяться с образованием ионов и , т.е. ведет себя как кислота.

При использовании в качестве коагулянта FeSO₄ реакция гидролиза достаточно полно протекает в щелочной среде с рН8 в два этапа:

I. FeSO₄ + 2H₂O  Fe(OH)₂ + H₂SO₄. (2.25)

Затем происходит последующее окисление гидрата закиси железа растворенным в воде кислородом в гидрат окиси железа

II. . (2.26)

Данные реакции можно записать в общем виде:

. (2.27)

Коагуляцию воды сернокислым железом обычно совмещают с известкованием и тогда реакция записывается следующим образом:

(2.28)

При осуществлении технологического процесса очень большое значение имеет кинетика коагуляции. Практика показывает, что для активизации процесса коагуляции необходимо сначала быстрое перемешивание воды с коагулянтом (10 мин.). Дальнейшее протекание процесса должно происходить в спокойной гидродинамической обстановке.

Процесс коагуляции имеет две стадии: скрытую и явную. На скрытой стадии происходит формирование коллоидного раствора гидроксидов Аl(OH)₃ или Fе(OH)₃ и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагуляции вода в основном и очищается от первичных коллоидных примесей. Микрохлопья сцепляются, захватывая грубодисперсную взвесь и воду. В результате образуются сильнообводненные аморфные хлопья размером 1-3 мм. Центрами хлопьеобразования могут быть и взвешенные в воде механические примеси. На поверхности образующихся хлопьев происходит адсорбция загрязняющих воду примесей. Особенно активно процесс адсорбции протекает во время образования микрохлопьев благодаря их сильно развитой поверхности. Хлопья под действием сил тяжести осаждаются, а часть их под действием восходящего потока воды остается во взвешенном состоянии, образуя в осветлителях зону взвешенного шлама.

Выбор коагулянта (типа предочистки) зависит от показателей качества используемой на ТЭС и АЭС воды. При мг-экв/кг обычно используют сернокислый алюминий. В результате коагуляции воды в ней возрастает содержание и свободной углекислоты на величину, эквивалентную дозе коагулянта; из воды практически полностью удаляются грубодисперсные вещества, а содержание органических снижается на 50-75%, следовательно, на эту же величину понижается окисляемость воды. Несколько понижается и кремнесодержание обработанной воды. Общая жесткость воды остается без изменений, но происходит перераспределение её видов: карбонатная жесткость снижается на дозу коагулянта, а некарбонатная – повышается.

При карбонатной жесткости исходной воды более 2 мг-экв/кг коагуляцию проводят сернокислым железом, совмещая её с известкованием. В результате такой обработки карбонатная жесткость исходной воды снижается, примерно до 0,7 мг-экв/кг. Остаточная щелочность обрабатываемой воды возрастает на дозу избытка извести, кремнесодержание снижается на 60-65%, а количество ионов возрастает на дозу коагулянта.

Получение высокого качества обессоленной воды, отвечающей современным требованиям, немыслимо без резкого повышения эффективности работы установок предочистки воды, прежде всего, по глубине удаления в осветлителях суспендированных и органических веществ. Эффективность удаления органических веществ на стадии предочистки может быть значительно повышена за счет применения перспективных коагулянтов и флокулянтов.

В настоящее время для коагуляции поверхностных вод широкое применение получают неорганические коагулянты, среди которых следует выделить полиоксихлориды алюминия (ОХА). В зависимости от способа проведения гидролиза и полимеризации при производстве оксихлорида алюминия могут быть получены различные его модификации, характеризующиеся модулем основности и степенью основности. Модуль основности определяется молярным отношением OH/OH+Cl, а степень основности – молярным отношением OH/Al. Чем выше модуль основности, тем в меньшей степени при коагуляции происходит снижение величины рН, щелочности и увеличение в обрабатываемой воде концентрации хлоридов. Более глубоко идет удаление органических примесей и снижение цветности воды.

К основным преимуществам оксихлоридов алюминия перед сернокислым алюминием можно отнести следующее:

• при производстве ОХА расход соляной кислоты в эквивалентных единицах в 4-5 раз меньше, чем серной кислоты при производстве ;

• при одной и той же дозе коагулянта в перерасчете на окисляемость и цветность воды снижаются при использовании на 20% и 50%, а при использовании ОХА на 50 и 80%;

• эффективен в более широком диапазоне рН (6-9), иногда (5-10);

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

• в меньшей степени снижается щелочность и показатель рН воды, что позволяет применять его для природных вод с низкой щелочностью без предварительного подщелачивания;

• в обработанной воде увеличение содержания хлоридов (в зависимости от модуля основности ОХА) в 2-8 раз меньше, чем сульфатов при использовании сернокислого алюминия.

Отмеченные преимущества ОХА позволяют рассматривать его как перспективный коагулянт для подготовки воды промышленного и питьевого назначения.

Значительно ускорить и углубить процесс коагуляции позволяет применения флокулянтов или полиэлектролитов, представляющих собой органические соединения, которые содержат в своем составе много ионогенных групп. При растворении в воде происходит ионизация этих групп, при которой сам радикал (молекула) приобретает в одних полиэлектролитах положительный заряд (катионитные флокулянты), в других – отрицательный заряд (анионитные флокулянты). Среди этих веществ практическое применение получили два флокулянта – полиакриламид (ПАА – слабый анионный) и ВА-2 (катионитного типа).

При добавлении ПАА в воду, в которой уже возникли хлопья коагулянта или находится осаждаемая взвесь, происходит укрупнение и утяжеление хлопьев, что ускоряет их осаждение. Сам по себе ПАА не вызывает коагуляцию коллоидов и образование взвеси. Сорбируясь частицами имеющего осадка, ПАА как бы “сшивает” их и образует сетчатую структуру среды, способствующую образованию больших флокул (крупных частиц). Такой сетчатый комплекс оказывается компактнее и тяжелее разрозненных частиц и осаждается быстрее их.

Полиэлектролит ВА-2 не требует применения коагулянта, поскольку он сам вызывает коагуляцию коллоидов. Большая часть последних несет на поверхности частиц отрицательный заряд. Молекулы же ВА-2 заряжены положительно. Поэтому происходит взаимная нейтрализация зарядов, в результате которой молекула ВА-2 сорбируется частицами возникающей взвеси с образованием крупных агрегатов и комплексов, ускоряющих ее осаждение. Полимерный флокулянт ВА-2 представляет собой слегка вязкую жидкость желтого цвета с концентрацией 11%. Доза ВА-2 зависит от концентрации взвешенных веществ и при 10-180 мг/л не превышает 1,0-1,5мг/л. Полиэлектролит ВА-2 может успешно использоваться так же и при обработке цветных вод увеличенными дозами.

За рубежом сортамент флокулянтов измеряется десятками, что позволяет подобрать оптимальный флокулянт или их смесь для каждой конкретной предочистки и значительно повысить степень очистки воды на этой стадии.