Очистка сточных вод коагулированием
Сточные воды населенных мест на 50-60% состоят из загрязнений, относящихся по физико-химическим свойствам к коллоидным. Коллоидные дисперсные частицы не осаждаются и не задерживаются обычными фильтрами. Их размер условно находится в интервале 1-100 нм. Они образуют устойчивые системы, по внешним признакам сходные с истинными растворами. Характерной особенностью коллоидных частиц является образование двойного электрического слоя, одна часть которого - неподвижная - соприкасается с поверхностью дисперсной частицы, а другая - диффузная - образована ионным облаком. Разность потенциалов между подвижной и неподвижной частями двойного слоя называется электрокинетическим потенциалом (ξ - потенциалом). Величина С, - потенциала определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, что обеспечивает устойчивость коллоидной системе.
Для повышения эффективности очистки сточных вод от коллоидных загрязнений используют минеральные коагулянты, представляющие гидролизирующиеся соли металлов.
В качестве коагулянтов часто используют сульфат алюминия AI2(SO4)3 – 18H2O; алюминат натрия NaAIO2; гидроксохлорид алюминия AI2(OH)5CI, реже - тетраоксосульфаты алюминия-калия и алюминия-аммония. Широкое распространение получил сульфат алюминия. При коагулировании сульфат алюминия взаимодействует с гидрокарбонатами, имеющимися в воде, образуя малорастворимое основание. В последнее время успешно применяют гидроксохлорид алюминия, для которого требуется меньший щелочной резерв воды.
Железосодержащие коагулянты это, прежде всего сульфаты двух- и трехвалентного железа: Fe2(SO4)3 2H2O, Fe(SO4) 3H2O и FeSO4 7H2O, а также хлорное железо РеС1з. Поскольку железо обладает переходной валентностью, перечисленные реагенты могут применяться не только для коагулирования, но и для проведения реакций окисления-восстановления с последующей седиментацией.
Упрощенная схема гидролиза коагулянта может быть представлена следующими стадиями:
Ме n+ +H2O=Ме(ОН) (n-1)+ +H+
Ме(ОН)(n-1)+ +H2O=Ме(ОН)2(n-2)+ +H+
Ме(ОН)2(n-2)+ +H2O=Ме(OH)3(n-3)+ +H+
……………………………………….
Ме(ОН)n+ +nH2O=Ме(ОН)n +nH+
Малорастворимые гидроксиды металлов формируют в воде дисперсную систему с противоположным зарядом, что способствует сближению дисперсных частиц загрязнений и коагулянта. Это вызывает нейтрализацию диффузного слоя и приводит к снижению величины ξ, - потенциала. Следовательно, коагуляция это нарушение агрегативной устойчивости
коллоидной системы вследствие уменьшения ее заряда. В результате коагуляции дисперсная система сточных вод может утратить седиментационную устойчивость и стать доступной для эффективного применения разделительных процессов. В этом смысле коагуляция не является методом очистки воды, а лишь подготовительной стадией. Однако, наряду с явлениями коагуляции, образующиеся флокулы гидроксидов металлов, обладая развитой поверхностью, сорбируют многие дисперсные загрязнения сточных вод. При этом могут извлекаться вещества, не участвовавшие в текушем процессе коагуляции. Следовательно, метод очистки сточных вод, основанный на использовании коагулянтов, необходимо рассматривать как много стадийный.
Процесс коагуляции, как отмечалось ранее, включает химические стадии - растворение и гидролиз и стадии физико-химических взаимодействий, которые рассматриваются в специальных курсах. С позиций технологии очистки сточных вод, важно учитывать особенности молекулярно кинетической, градиентной и гравитационной стадий. Причем две последние усложняются процессами флокуляции и сорбции.
Молекулярно-кинетическая стадия коагуляции практически совпадает с периодом распределения раствора коагулянта в объеме смесителя. Стадия градиентной коагуляции происходит в процессе более медленного и продолжительного перемешивания, осуществляемого в камерах хлопьеобразования. Особенность этой стадии коагуляции заключается в столкновении дисперсных частиц при взаимодействии вихревых потоков возникающих в перемешиваемом объеме воды. Очевидно, что результаты этой стадии существенно зависят от условий перемешивания в сооружении которые принято определять средним градиентом скорости G, с-1:
7
где Е - энергия, затрачиваемая на перемешивание, Дж; τ - продолжительность перемешивания, с; W - перемешиваемый объем жидкости, м3; μ - динамическая вязкость жидкости, Па с.
С увеличением интенсивности смешения сначала наблюдается увеличение размеров хлопьев вследствие ускорения коагуляции, а затем происходит разрушение рыхлых и образование более компактных агрегатов. Поэтому эффективность очистки воды в значительной мере определяется режимом флокулирования.
Гравитационная стадия коагуляция имеет место в процесса отделения формирующихся хлопьев - отстаивании, флотации и др.
Стадия адсорбции загрязнений сточных вод на свежеобразовавшейся при коагулировании гидрооксидной поверхности удовлетворительно описывается закономерностями статической сорбции.
Для интенсификации процессов отделения скоагулированных загрязнений применяют реагенты, называемые флокулянтами. Флокулянты могут быть как неорганическими, так и органическими веществами. В последнее время для очистки сточных вод широко применяются высокомолекулярные соединения (ВМС). Молекула ВМС в воде может быть электронейтральна или нести заряд. В последнем случае вещество будет называться полиэлектролитом (ПЭ). Иногда полиэлектролиты полностью выполняют функции коагулянта и флокулянта.
Механизм действия флокулянтов заключается в образовании ими с дисперсными частицами трехмерных структур, способных к более быстрому формированию флокул, обладающих хорошими седиментационными свойствами. Причина возникновения трехмерных структур заключается в адсорбции молекул флокулянта одновременно на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков.
Растворенные органические загрязнения городских сточных вод, на долю которых приходится примерно 20%, характеризуются многообразием компонентов. Изучение состава растворенных органических загрязнений показало, что 62-66% соединений относятся к кислотной группе, 28,4-34,0% -к нейтральной и 8,2-9,6% — к основной.
В процессе коагулирования городских сточных вод солями железа или алюминия с последующим отстаиванием происходит удаление растворенных органических загрязнений, относящихся к основной группе, на 68-70% к нейтральной — на 58-62%, кислотной на 10-23%. С учетом адсорбции загрязнений на гидроксидах удаляется 30-40% растворенных органических веществ.
Соединения фосфора, находящиеся в растворенном состоянии, в процессе коагулирования образуют слаборастворимые фосфаты алюминия, железа или кальция и выпадают в осадок. Сложные и нерастворимые формы фосфора удаляются путем сорбции на хлопьях гидроксидов.
Удаление тяжелых металлов происходит в результате сорбции и соосаждения их гидроксидов, полнота которого зависит от рН сточной воды и свойств самих металлов.
Таким образом, в процессе коагулирования и последующего отделения осадков из сточных вод могут быть достаточно полно удалены не только взвешенные вещества, но и органические коллоидные загрязнения, некоторые растворенные загрязнения, в том числе обладающие поверхноство-активными свойствами, соединения фосфора, соли тяжелых металлов и т.д. Коагулирование и отстаивание практически неэффективно в отношении удаления аммонийного азота.
Технологические схемы метода коагулирования. Для эффективного проведения процесса коагуляции необходимо обеспечить наиболее благоприятные условия протекания гидролиза коагулянтов и образования прочных хлопьев достаточного размера для их быстрого осаждения или хорошей флотируемости. Смешение коагулянта с водой должно происходить так, чтобы сразу образовывалось большое количество мелких агрегатов, которые впоследствии станут центрами кристаллизации гидроксидов, способствующими формированию крупных хлопьев.
В технологии коагулирования используются разные схемы, обеспечивающие наилучшие результаты очистки сточных вод в конкретных условиях. Распространенные приемы коагулирования - непрерывное, непрерывное с возвратом части осадка, раздельное, периодическое и дробнее (рис.5).
Рис.5. Технологические схемы метода коагулирования:
а - непрерывное; б - непрерывное с возвратом части осадка; в - раздельное;
г - дробное; д - прерывистое: 1,5- подача сточных вод и отведение очищенной
воды; 2 - смеситель; 3 - камера флокуляции; 4 – разделительное сооружение
6 - подача коагулянта; 7 - отвод осадка
По схеме "а" раствор коагулянта подают в очищаемую воду непрерывно в начало смесителя. Эффективность коагулирования в этом случае будет сильно зависеть от системы управления процессом, которая должна быстро реагировать на изменение состава и количества поступающей воды.
Интенсификацию коагулирования достигают возвратом части ранее скоагулированных и отделенных примесей (схема "б"). Рециркуляция способствует ускорению процесса и образованию более плотных хлопьев. Различают рециркуляцию по внутреннему и наружному контурам. При рециркуляции по внутреннему контуру образовавшиеся хлопья возвращаются в
место подачи коагулянта без вывода их из рециркуляционной емкости. В случае рециркуляции по наружному контуру предусматривается отвод шлама из камер хлопьеобразования, осветлителей, отстойников, фильтров или флотаторов и возврат в смеситель.
Введение реагентов в относительно небольшой объем очищаемой воды, а затем быстрое смешение с остальной ее частью интенсифицирует и стабилизирует процесс коагулирования (схема "в"). Это происходит вследствие более быстрого начала формирования хлопьев при повышенных концентрациях коагулянта в отделенной части потока сточных вод. В результате такой обработки образуются крупные и плотные хлопья, что повышает степень осветления воды.
Эффективным способом коагулирования является дробное, при котором реагенты добавляют к очищаемой воде несколькими порциями или последовательно вводят различные коагулянты (схема "г"). В этом случае получаются полидисперсные агрегаты коагулянта, а также увеличивается период существования положительно заряженных полиядерных гидроксокомплексов, в результате чего интенсифицируется процесс коагуляции.
Периодическое коагулирование (схема "д") основано на совмещении раздельного и дробного способов. Периоды подачи увеличенных доз коагулянта чередуются с периодами полного прекращения коагулирования. В результате такой обработки происходят колебания рН, что в ряде случаев благоприятно влияет на зарождение центров коагуляции в сточных вода со сложной структурой загрязнений.
Сооружения для коагулирования сточных вод. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками.
Процесс хлопьеобразования осуществляют в сооружениях смешения при среднем градиенте скорости G=50-60 с-1. По виду движения потока камеры хлопьеобразования могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием.
Перегородчатые камеры могут быть горизонтальными и вертикальными. В горизонтальной камере сточная вода протекает по нескольким последовательно соединенным коридорам. Перемешивание осуществляется за счет восьми — десяти поворотов.
Водоворотная камера хлопьеобразования представляет собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода через диаметрально расположенные сопла с противоположным направлением выхода струи. При скорости выпуска воды из сопел 2-3 м/с в камере поддерживается вращательное движение. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды.
Вихревая камера хлопьеобразования представляет собой конический или цилиндрический расширяющийся к верху резервуар с нижним впуском сточной воды. Угол наклона стенок камеры к горизонту около 70°.
В камерах хлопьеобразования, оборудованных лопастными мешалкаим, продолжительность пребывания воды - 20-30 мин, а скорость движения воды 0,15-0,2 м/с.
Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках, осветлителях с взвешенным слоем осадка или флотаторах. Для очистки городских сточных вод наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. На I стадии осуществляется простое отстаивание в отстойнике без коагулянта, на II ступени — обработка сточных вод коагулянтми и флокулянтами с последующим отстаиванием в отстойнике.
Проектирование и расчет сооружений. Выбор типа оборудования для смешивания и хлопьеобразования зависит от производительности сооружений, состава и свойств сточных вод, применяемых реагентов, условий проектирования, строительства и эксплуатации очистных сооружений.
Технологический расчет сооружений рекомендуется вести для заданных оптимальных значений среднего градиента скорости G и продолжительности пребывания воды t.
Продолжительность пребывания воды в смесителях составляет 1-2 мин. В случае использования в качестве коагулянта сульфата двухвалентного железа период смешения должен быть не менее 7 мин. с подачей воздуха в смеситель. Эффективное перемешивание раствора коагулянта с водой происходит при среднем градиенте скорости G =200 с-1 , а раствора флокулянта с обрабатываемой смесью - при G =300-500 с-1.
Трубопроводы или лотки, отводящие воду из смесителей в сооружения хлопьеобразования, рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8-1 м/с и продолжительность ее пребывания в них не более 2 мин.
Интенсивность перемешивания в камерах хлопьеобразования оценивается величиной градиента G=25-50 с-1 при последующем отстаивании и G=50-75 с-1 для флотационного разделения.
Формулы, связывающие технологические параметры с градиентом скорости, для основных типов камер перемешивания приведены ниже.
Перегородчатая камера:
8
Где qw - расход воды, м3/с; п - число перегородок; V1, V2 – поперечная и продольная скорости движения потока, м/с; р - плотность воды, кг/с;
W - вместимость камеры, м3; μ - динамическая вязкость воды, Па с.
Коридоры проектируют так, чтобы скорость движения воды в первом была 0,2-0,3 м/с, а в последнем — 0,1 м/с.
Средняя продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20-30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а
ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.
Водоворотная и вихревая камеры:
9
где V2 - скорость выхода воды из сопла 2-3 м/с, скорость впуска в вихревую камеру 0,7-1,2 м/с.
Скорость восходящего потока сточной воды в вихревой камере на уровне выпуска 4-5 мм/с, продолжительность пребывания воды 6-10 мин.
Продолжительность пребывания воды в водоворотной камере зависит от метода отделения скоагулированной дисперсии и составляет в среднем 15-20 мин.
Камера с механическим перемешиванием:
10
где n - частота вращения мешалки, с-1; N - начальная мощность на валу мешалки, Вт.
Период флокуляции в камерах с механическим перемешиванием принимают 20-30 мин.