Коагуляция и флокуляция

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле.

В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных).

В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более; мелкодисперсные и коллоидные частицы в результате механической очистки практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно-устойчивую систему.

Для очистки таких стоков применяют методы коагуляции и флокуляции. Агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами.

Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты (табл. 4.1).

Таблица 4.1 Минеральные коагулянты, используемые при очистке производственных сточных вод	Товарный вид	Куски, гранулы, брикеты белого цвета	Куски серого цвета	Куски белого цвета	Кристаллы фиолетового цвета	Кристаллы зеленовато-голубого цвета
Основное вещество	доля, %	13,5-15		45-55	95-97
химическая формула	Al2O3	Al2O3	Al2O3	FeCl3	FeSO4
Рабочий интервал pH	5-7,5	5-7,5	4,5-8	3,5-6,5
Химическая формула	Al2(SO4)3 · 18H2O	Al2(SO4)3 · 18H2O	NaAlO2	FeCl3 · 6H2O	FeSO4 · 7H2O
Коагулянт	Сульфат алюминия технический (очищенный)	Глинозем (неочищенный)	Алюминат натрия	Хлорид железа	Железный купорос

Применяются также известь CaO, соли магния (хлорид магния MgCl₂ · 6H₂O; сульфат магния MgSO₄ · 7H₂O), соли железа (хлорид железа (III); сульфат железа (II)).

Наиболее часто в практике очистки сточных вод используют соли алюминия и железа, которые гидролизуются в соответствии со следующими реакциями:

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄

FeCl₃ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3HCl

FeSO₄ + 2H₂O → Fe(OH)₂ + H₂SO₄

4Fe(OH)₂ + O₂ +2H₂O → 4Fe(OH)₃

На образующиеся гидроксиды осаждаются коллоидные и мелкодисперсные частицы.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава и требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально. Для них установлены дозы (табл. 4.2 и табл. 4.3).

Таблица 4.2

Доля коагулянта в зависимости от концентрации примесей

Концентрация примесей в воде, мг/л	Доза безводного коагулянта, мг/л	Концентрация примесей в воде, мг/л	Доза безводного коагулянта, мг/л
До 100 101 – 200 201 – 400 401 – 600 601 – 800	25 – 35 30 – 45 40 – 60 45 – 70 55 – 80	801 – 1000 1001 – 1400 1401 – 1800 1801 – 2200 2201 – 2500	60 – 90 65 – 105 75 – 115 80 – 125 90 – 130

В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных значений pH. Так, значения pH при оптимальных условиях коагуляции: для Al(OH)₃ – от 4,5 до 7; для Fe(OH)₂ – от 8,5 до 10,5, а для Fe(OH)₃ – от 4 до 6 и от 8 до 10.

Таблица 4.3 Дозы реагентов в зависимости от вида загрязняющих веществ и их концентрации	Доза реагента, мг/л	катионного флокулянта по активному полимеру	2,5-5 5-10 10-15	5-20	- - - -
анионного флоку-лянта по активному полимеру	0,5 1,0 1,5	0,5-2	- 0,5-3 0,5-3 0,5-3
солей железа	- - -	50-300
солей алюминия	50-75 75-100 100-150	50-300
извести	- - -	-	- - - -
Загрязняющие вещества, их концентрация, мг/л	Нефтепродукты до 100 100-200 200-300	Масла до 600	Эмульсии масел и жиров

Продолжение табл. 4.3	Доза реагента, мг/л	катионного флокулянта по активному полимеру	- - -	- -	2,5-20
анионного флоку-лянта по активному полимеру	- - -	- -	0,5-2
солей железа	400-500	- -	-
солей алюминия	400-500	- -	50-300
извести	- - -		-
Загрязняющие вещества, их концентрация, мг/л	Сульфатный лигнин, град ПКШ (цветность)	Лигносульфат, град ПКШ (цветность)	Суспензия целлюлозы до 1000

Окончание табл. 4.3	Доза реагента, мг/л	катионного флокулянта по активному полимеру	- - - -	-	10-20	Примечание. Дозы реагентов приведены по товарному продукту, флокулянтов – по актив- ному полимеру, за исключением: 1 – по Al2O3, 2 – по FeSO4, 3 – по FeCl3.
анионного флоку-лянта по активному полимеру	2-5 5-10 10-15 15-25	0,5-1,0	0,5-1,0 0,5-1,0
солей железа	- - - -	-	40-502 100-1503 50-703
солей алюминия	- - - -	30-401 40-501	-
извести	- - - -	-	-
Загрязняющие вещества, их концентрация, мг/л	Суспензия угольных частиц до 100 100-500 500-1000 1000-2000	БПКполн в бытовых стоках до 300	Взвешенные вещества в бытовых стоках до 350

В случае использования в качестве реагентов железного купороса следует использовать аэрируемые смесители, аэрируемые песколовки или преаэраторы, обеспечивающие перевод железа (II) гидроксид железа (III). Время пребывания в смесителе в этом случае должно быть не менее 7 мин, интенсивность подачи воздуха 0,7-0,8 м³/м³ обрабатываемой сточной воды в 1 мин, глубина смесителя 2-2,5 м.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность – до 96-99,9 %. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01-1,03 т/м³.

Для интенсификации процессов коагуляции и осаждения образующихся хлопьев широко используются органические природные и синтетические реагенты – высокомолекулярные вещества, называемые флокулянтами. Эти вещества могут применяться самостоятельно и в сочетании с минеральными коагулянтами. Сущность флокуляции заключается в агрегации частиц, при которой контакт частиц происходит через молекулы адсорбированного флокулянта. В этом состоит отличие процесса флокуляции от коагуляции. Флокуляция характеризуется быстрым образованием крупных и прочных хлопьев, устойчивых к турбулентным воздействиям водного потока.

В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:

- неионогенные – полимеры, содержащие неионогенные группы: –ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

- анионные – полимеры, содержащие анионные группы: –СООН, –SO₃H, –OSO₃H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

- катионные – полимеры, содержащие катионные группы: –NH₂, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА – 2, ВА – 102, ВА – 212 и др.);

- амфотерные – полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др.

Наибольшее распространение получили полиакриламид, полиоксиэтилен, полиэтиленимин, натриевые соли и эфиры полиакриловой и полиметакриловой кислот, поливинилпиридин, сополимеры малеинового ангидрида и винилацетата, полимеры на основе стирола и активная кремниевая кислота.

Смесители. Для смешивания сточной воды с коагулянтом применяют смесители: дырчатые, перегородчатые, вертикальные и с лопастными мешалками.

Дырчатый смеситель (рис. 4.1) представляет собой железобетонный или металлический лоток с дырчатыми перегородками. Расстояние между перегородками принимают равным ширине лотка. Диаметр отверстий 20-100 мм. Суммарная площадь отверстий в каждой перегородке F _отв = Q / w _о. Скорость движения воды в отверстиях w _о = 1 м/с, в лотке за последней перегородкой w ≈ 0,6 м/с. Уровень воды за последней перегородкой принимают равным H _о = 0,4-0,5 м. Потерю напора в отверстиях определяют по формуле

, (4.1)

где – коэффициент сопротивления.

Прибавляя к H _o значение потерянного напора h, находят уровень воды в каждом отделении смесителя.

Рис. 4.1. Дырчатый смеситель:

1 – подача воды; 2 – перегородка с отверстиями

Перегородчатый смеситель (рис. 4.2) представляет собой лоток с перегородками, имеющими проемы. Расстояние между проемами равно двойной ширине лотка. Скорость движения воды в лотке w ≈ 0,6 м/с, а в проемах w _o ≈ 1 м/с. Время пребывания воды в смесителе 3-5 мин.

Рис. 4.2. Перегородчатый смеситель:

1 – подвод реагентов; 2 – подвод воды; 3 – перегородка; 4 – патрубок для сброса воды

Вертикальный смеситель (рис. 4.3) представляет собой цилиндр с коническим днищем. Перемешивание в нем достигается изменением скорости движения в конической части. Скорость в нижней части конуса равна 1 м/с, а в верхней цилиндрической части 25 мм/с. Время пребывания воды в камере τ = 1,5-2 мин.

Зная расход воды Q, м³/с, и скорость ее движения в цилиндрической части w, можно рассчитать диаметр цилиндрической части:

Рис. 4.3. Вертикальный смеситель: 1 – подача сточных вод; 2 – подача реагентов; 3 – лоток; 4 – выпуск сточных вод

. (4.2)

Высоту конической части находят из соотношения

, (4.3)

где d _п – диаметр входного патрубка; φ – угол конусности.

Вместимость конической части находят по уравнению

. (4.4)

где h _к – высота конической части.

Вместимость смесителя

V _см = Q τ_см. (4.5)

Высота цилиндрической части определяется по соотношению

. (4.6)

Общая высота смесителя

Н _см = h _к + h _ц. (4.7)

Скорость движения в желобе w _ж принимают 0,5 - 0,8 м/с. Уклон дна лотка i = 0,02. Диаметр входного патрубка d _п рассчитывают для скорости движения воды 1 м/с.

Камеры хлопьеобразования. Назначение камер – обеспечить образование хлопьев коагулянта. Используются следующие камеры: перегородчатые, вихревые, водоворотные и с мешалками.

Перегородчатая камера (рис. 4.4) представляет собой резервуар, разделенный перегородками на 8-10 коридоров. Ширина коридора не менее 0,7 м. Скорость движения воды в камере 0,2-0,3 м/с. Зная расход воды и время пребывания ее в камере, определяют объем камеры. Потери напора:

, (4.8)

где n – число поворотов; h _т – потери на трение по всей длине камеры; ξ – коэффициент местного сопротивления (поворотов).

Водоворотные камеры (рис. 4.5) конструктивно объединяют с вертикальными отстойниками. Время пребывания воды в камере принимают равным τ_к = 15…20 мин, а время осаждения τ_ос = 1 ч. Скорость выхода воды из сопла w = 2…3 м/с. Высота камеры хлопьеобразования Н _к.х = 3,6…4 м.

Рис. 4.4. Перегородчатая камера горизонтальная: 1 – корпус; 2 – перегородка; 3 – окна

Рис. 4.5. Водоворотная камера хлопьеобразования: 1 – подводящий трубопровод; 2 – впускное устройство; 3 – отводящий трубопровод; 4 – камера хлопьеобразования; 5 – стабилизатор потока; 6 – вертикальный отстойник; 7 – трубопровод для выпуска осадка

Задаваясь числом камер хлопьеобразования п _к.х и зная расход воды, определяют площадь одной камеры и ее диаметр:

; (4.9) . (4.10)

Сопло размещают на расстоянии 0,2 d _к.х от стенки камеры на глубине 0,5 м от поверхности воды. Диаметр сопла равен:

, (4.11)

где – максимальный расход сточной воды на одно сопло, м³/с; μ – коэффициент расхода (равен 0,908).

Вместимость зоны осаждения вычисляют по соотношению

V _ос = q _maxτ_ос / n _к.х . (4.12)

Высота зоны осаждения

Н _ос = Н _к.х + 0,5. (4.13)

Диаметр отстойника рассчитывается по формуле

. (4.14)

В осветлителях со взвешенным слоем смещение, коагулирование и осаждение происходят в одном аппарате.

Успешное применение находят вертикальные (вихревые) камеры хлопьеобразования, которые подразделяются на камеры без слоя взвешенного осадка и со взвешенным осадком.

Вихревые камеры (рис. 4.6). Скорость движения воды в нижней конической части 0,7 м/с; в верхнем сечении 4-5 мм/с. Время пребывания воды в камере 6-10 мин. Размеры камеры определяют так же, как и размеры вихревого смесителя.

Камеры хлопьеобразования целесообразны в том случае, когда для последующего осветления воды применяют отстойник. Если осветление воды проводится в осветлителях с взвешенным слоем осадка, то камеры хлопьеобразования не требуются, т.к. хлопья достаточно эффективно образуются во взвешенном слое осадка.

Камера хлопьеобразования с механическими мешалками. Время пребывания в камерах хлопьеобразования (рис. 4.7) принимают, мин: при отделении скоагулированных взвешенных веществ отстаиванием для коагулянтов – 10-15, для флокулянтов 20-30, при очистке сточной воды флотацией для коагулянтов – 3-5, для флокулянтов – 10-20.

Оценку процессов хлопьеобразования при механическом перемешивании рекомендуется производить по критерию G×t, предложенному Кэмпом, где – средний градиент скорости, с^-1; – время, с.

Средний градиент скорости определяется по зависимости

, (4.15)

где – мощность, затрачиваемая на перемешивание, Дж/с; μ – вязкость воды, Па × с; Q – объем воды, м³.

Единица среднего градиента скорости – секунда в минус первой степени (с^-1). Оптимизацию процесса хлопьеобразования следует оценивать по значению G×t.

Этот критерий служит параметром моделирования механических смесителей и камер хлопьеобразования: для смесителей с коагулянтами – 200, с флокулянтами – 300-500; для камер хлопьеобразования: при отстаивании для коагулянтов и флокулянтов – 25-50; при флотации – 50-75.

Рис. 4.7. Камеры хлопьеобразования с механическими мешалками:

а – на горизонтальном валу; б – на вертикальном валу; 1 – подача исходной сточной воды; 2 – подача реагента; 3 – смеситель; 4 – лопасти механической мешалки; 5 – редуктор с приводом; 6 – отстойник; 7 – отвод прокоагулированной воды

Электрокоагуляция. Коагуляция вод, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, может происходить при пропускании сточных вод через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в обрабатываемую воду, частицы загрязнений которой коагулируются с образовавшимися труднорастворимыми гидроксидами алюминия или железа.

Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г Al₂(SO₄)₃, растворение 1 г железа – введению 2,9 г FeCl₃ и 3,6 г Fe₂(SO₄)₃. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1 г алюминия 12 Вт · ч, 1 г железа – 2,9 Вт · ч. Плотность тока рекомендуется не более 10 А/м², расстояние между электродами – не более 20 мм, а скорость движения воды между электродами – не менее 0,5 м/с.