1. Коагуляция и флокуляция

   1. Физико-химические основы процессов

Коагуляцию в очистке воды применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляцией называется процесс укрупнения мельчайших коллоидных и диспергированных веществ при их столкновении, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения и химического сродства. Завершается этот процесс отде-

ления агрегатов слипшихся частиц от жидкой фазы, как правило, осаж- дением.

Различают два типа коагуляции: в свободном объеме (в камерах хлопьеобразования) и контактную (в толще зернистой загрузки или в массе взвешенного осадка).

Диспергированные, коллоидные и взвешенные частички приме- сей воды в большинстве случаев имеют слабый отрицательный заряд, что обуславливает их агрегатную устойчивость в результате возникно- вения межмолекулярных сил отталкивания. Снижение агрегативной устойчивости примесей достигается добавлением к воде специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидрокси- дов металлов, которые имеют слабый положительный заряд, большую удельную поверхность и высокую адсорбционную способность. Хло- пья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы, агрегировать их и быстро осаждаться в воде.

В качестве коагулянтов обычно используются соли алюминия или железа - сульфаты алюминия, железа (II, III), хлорида алюминия, хло- рида железа (III), алюмината натрия, оксихлорида алюминия и др. Мо- гут применяться смешанные коагулянты из указанных солей, а также природные соединения, содержащие указанные соли, например, глино- зем, Al₂(SO₄)₃18H₂O. При использовании смесей Аl(SO₄)₃ и FeСl₃ в со- отношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирова- ния, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит уско- рение осаждения хлопьев. Кроме этих коагулянтов могут быть исполь- зованы различные глины, алюминийсодержащие и железосодержащие отходы производства (травильные растворы); пасты, смеси, шлаки, со- держащие диоксид кремния. Коагуляция в среде с повышенной щелоч- ностью происходит быстрее, поэтому, если вода имеет низкую исход- ную щелочность, в нее добавляют известь, едкий натр, соду и т.п.

При введении в осветляемую воду коагулянтов происходит их гидролиз:

2

4

Al₂(SO₄)₃  2Al³⁺ + 3SO ;

Al³⁺ + 3H₂O  Al(OH)₃ + 3H⁺;

или

FeCl₃  Fe³ + 3Cl ^ ;

Fe³⁺ + 3H₂O  Fe(OH)₃ + 3H⁺.

Образующиеся гидроксиды алюминия и железа представляют со- бой коллоидные вещества, которые сорбируют развитой хлопьевидной поверхностью взвешенные мелкодисперсные и коллоидные загрязнеия,

а также бактерии, гуминовые вещества и некоторые растворенные со- единения, например, ионы тяжелых металлов.

Скорость коагуляции зависит от концентрации смеси электроли- тов, находящихся в воде и вносимых в воду вместе с коагулянтами. При малых концентрациях эффективность соударения частиц близка к нулю. По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивает- ся, но не все столкновения эффективны, такую коагуляцию называют медленной. При большой концентрации электролита все столкновения частиц закончиваются образованием агрегатов, тогда наступает быст- рая коагуляция.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие.

На процесс коагуляции оказывают влияние также концентрация водородных ионов в воде (рН), анионный состав воды, правильный выбор коагулянта, щелочность воды, температура, условия перемеши- вания, быстрота смешения коагулянта с водой, содержание в воде есте- ственных взвесей.

Доза коагулянтов при обработке природных вод зависит от цвет- ности или мутности исходной воды и составляет 25-80 мг/л. При очи- стке сточных вод вид реагента и его дозу надлежит принимать на осно- вании пробного коагулирования, по данным научно-исследовательских организаций или по СНиП 2.04.03-85 “Канализация” для различных отраслей промышленности в зависимости от вида и концентрации за- грязняющих веществ. В этом случае доза для солей алюминия и железа составляет 30-700 г/м³, извести - 1000-2500 г/м³.

Применение коагулянтов связано с трудностью регулирования технологического режима работы очистных сооружений в условиях постоянно меняющегося качества воды. Для стабилизации и интенси- фикации процессов очистки воды с помощью коагулянтов к последним добавляют специальные вещества - флокулянты. В качестве флокулян- тов используют высокомолекулярные органические и минеральные со- единения, хорошо растворимые в воде. Они принадлежат к классу ли- нейных полимеров, для которых характерна цепочная форма макромо- лекул. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах от де- сятков тысяч до нескольких миллионов, длина цепочки, состоящей из ряда повторяющихся звеньев, достигает сотни нанометров.

В качестве природных флокулянтов используют крахмал, водо- рослевую крупку, белковые гидролизные дрожжи, картофельную мез- гу, жмыхи и др. Наиболее распространенными неорганическими фло- кулянтами являются активированый силикат натрия (активная кремне-

вая кислота) и активный диоксид кремния (хSiO₂уН₂О). Активная кремневая кислота относится к флокулянтам анионного типа. Из син- тетических флокулянтов применяют прежде всего органический поли- мер полиакриламид (ПАА), который является анионным флокулянтом. Выпускают также флокулянты катионного типа (ВА-2, ВА-3), которые в отличие от флокулянта анионного типа ПАА вызывают образование крупных хлопьев без обработки воды коагулянтами.

Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагулирования, повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлени- ях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных час- тиц, образовании сетчатой структуры молекул флокулянта, слипания коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. ПАА образует в воде длинные цепочки вытянутой или изогнутой формы. Из-за такой формы молекулы ПАА адсорбция происходит в разных местах с несколькими частицами гидроксида, в результате чего последние связываются по- лимерными мостиками в тяжелые, крупные и прочные хорошо осаж- дающиеся агрегаты. ПАА выпускается в виде 7-9 % геля.

Флокулянты обычно применяют в дополнение к основному коа- гулянту, реже самостоятельно. Доза анионных флокулянтов в дополне- ние к коагулянтам при очистке промышленных сточных вод 0,5-3 г/м³, доза катионных флокулянтов при тех же условиях выше и составляет 2,5-20 г/м³. Средние дозы флокулянтов 0,5-1 г/м³.

Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от со- става сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов.