Интенсификация процесса коагуляции

Анализ работы действующих сооружений

Анализ работы действующих очистных сооружений начинают с изучения проектной исполнительной документации. Затем производят детальный осмотр сооружений и ознакомление с их конструкцией, проводят наблюдения за работой каждого сооружения. При этом уточняют габаритные размеры сооружений, диаметры коммуникаций, отметки всех характерных точек высотной схемы. Тщательно осматривают системы подачи и отвода воды и осадка. Фиксируют виды, дозы и точки ввода всех, используемых на станции, реагентов, расход станции и отдельных сооружений, измеряют скорости движения воды во всех сооружениях, интенсивности и продолжительности промывки фильтров, периодичность и качество удаления осадков осветлителей или отстойников. Оценивают равномерность распределения воды между отдельными секциями станции и сооружениями. Определяют время перемешивания в смесителях и камерах реакции, время контакта при обеззараживании. Анализируют показатели качества воды до и после каждой ступени очистки.

После сбора данных о работе станции выполняют поверочный расчет. Цель расчета – определение фактической (возможной) производительности и скоростей протекания технологических процессов и сравнение их с нормативными данными. В настоящее время на этом этапе возможно использование компьютерных экспертных систем.

По опыту фирмы «Дегремон»/ Герасимов Г.Н. Процессы коагуляции-флокуляции при обработке поверхностных вод // ВСТ.-2001.-№3.-с.26-31/ технология обработки определяется качеством и свойствами исходной воды. Необходимо:

- максимально полное представление об исходной воде как исходной базы для решения задачи;

- четкое определение промежуточных и конечной целей обработки.

В последние годы в связи с повышенными требованиями к качеству воды и, в частности, к снижению постпродуктов хлорирования большее внимание стали уделять процессу коагуляции и флокуляции. Эти процессы сегодня рассматривают не только как средство осветления и обесцвечивания воды, но и извлечения растворенных веществ, выделения металлов, нефтепродуктов, улучшения обеззараживания. По мнению специалистов фирмы «Дегремон» /19/ это оказывается возможным путем перевода загрязнений в форму достаточно крупных и плотных хлопьев (флокул), которые обладали бы способностью адсорбировать растворенные соединения (органические макромолекулы и др).

В настоящее время для интенсификации этих процессов используется:

- рециркуляция осадка в камерах хлопьеобразования и осветлителях со слоем взвешенного осадка;

- тонкослойное осаждение;

- дробное или прерывистое коагулирование;

- переход на контактное коагулирование;

- аэрирование воды в смесителе и др.

Целью коагуляции-флокуляции является обеспечение максимального снижения уже на стадиях отстаивания и фильтрования загрязненности воды. Важно определить приоритетные характеристики воды, поскольку это позволяет выработать критерии оптимизации процесса коагуляции-флокуляции.

Задача этой стадии обработки состоит в дестабилизации взвешенных частиц и коллоидных загрязнений путем введения определенных реагентов. Процесс формирования и агрегирования флокул проходит несколько стадий (табл.5.3).

Перикинетическая флокуляция связана с характеристиками обрабатываемой воды, определяет изменение во времени количества частиц размером менее 1 мкм и способствует формированию первичных флокул осадка:

dn/dr = (α4kT/3η)n²,

где n – количество частиц в единице объема; α – доля эффективных столкновений; k – константа Больцмана; Т – абсолютная температура; η –динамическая вязкость воды, кг/(м.с).

Ортокинетическая флокуляция связана с диссипацией (рассеиванием) энергии и обеспечивает формирование вторичных объемных флокул, а ее эффективность определяется различными соотношениями соответственно для ламинарного и турбулентного режимов, важное место в которых занимает градиент скорости. Для турбулентного движения градиент скорости определяют обычно по соотношению:

Таблица 5.3 Стадии хлопьеобразования

Стадия агрегирования	Происходящие явления	Терминология
Введение коагулянта	Реакции ионизации, гидролиза, полимеризации	Гидролиз
Дестабилизация взвешенных и коллоидных частиц	Сжатие двойного слоя	Коагуляция
Специфическая адсорбция ионов коагулянта на поверхности частиц
Включение коллоидных частиц в гидроксидную фазу
Возникновение межчастичных связей за счет полимерных цепочек коагулянта
Движение частиц	Броуновское движение	Перикинетическая флокуляция
Диссипация энергии (градиент скорости)	Ортокинетическая флокуляция

,

где G – градиент скорости, с^-1; Р – реально выделяемая мощность, м².кг/с³ (Вт); V – объем, занимаемый водой, м³.

Следует отметить зависимость коэффициента k (и, следовательно, G) от температуры воды в обычном интервале ее значений.

Градиент скорости является одним из важнейших параметров, величина которого должна быть оптимальной как с точки зрения формирования флокул, так и с точки зрения их сохранения в потоке обрабатываемой воды, поступающей на осветление. Обычно его величина составляет порядка 400 (иногда до 1000) с^-1 на этапе коагуляции и порядка 100 с^-1 на этапе флокуляции.

Критерий Кэмпа – безразмерное произведение GT, характеризующее скорость формирования хлопьев. По данным различных исследователей, средние значения критерия Кэмпа для смесителей составляют 5х10³ – 1,8х10⁴ . Но, как отмечает Е.Д.Бабенков /21/ на этот критерий можно ориентироваться только в условиях работы с одним и тем же реагентом и водой одного и того же состава. С изменением качества исходной воды GT сильно отличается от средних значений. Это мнение разделяют и другие специалисты /16,19/.

Другим, не менее важным, параметром является продолжительность коагуляции и флокуляции Т. Она определяется свойствами воды, ее температурой, содержанием коллоидных загрязнений, ингибирующих веществ и т.п., при этом исключительно важен определенный (от 10 с до 5 мин (обратить на это внимание:СНиП – 2 мин.) в зависимости от свойств воды и ее температуры) интервал между моментом завершения коагуляции и введением флокулянта.

Тестирование воды на способность к коагуляционно-флокуляционной обработке (см. справочник Дегремон) состоит в поиске вида и доз коагулянтов и флокулянтов, а также оптимальных условий для их использования (G, продолжительности коагуляции и флокуляции, рН).

Дозы коагулянтов определяют построением кривых перемещения коллоидных частиц под действием электрического поля (для исходной и обработанной воды) с последующим расчетом дзета-потенциала частиц по данным скорости и с учетом температуры. В результате удается получить кривые изменения потенциала в зависимости от доз коагулянтов (рис.5.1).

Для исходной воды, характеризующейся, в основном, коллоидной загрязненностью, (кривая 1) достаточно найти дозу коагулянта, обеспечивающую снижение потенциала до 3-4 мВ (точки А и А^,). При значительной загрязненности исходной воды планктоном или органическими веществами (кривая 2) доза коагулянта должна обеспечивать достижение нулевого потенциала (точка В). Оптимальная величина дзета-потенциала зависит не от типа сооружения, а лишь от свойств исходной воды и приоритетности задач ее коагуляционно-флокуляционной обработки.

При пробном коагулировании важно изучить процесс флокулообразования и характер оседания сформировавшихся флокул осадка. Это важно для выбора технических решений: прямое фильтрование, отстаивание+фильтрование, флотация или др., а также типа сооружения и оптимальных режимов его работы.

Оседание может быть диффузным (каждая частица оседает как бы в одиночку и с разными скоростями, что приводит к постепенному медленному осветлению и формированию донного осадка) либо полнопоточным (оседание хлопьев происходит одновременно во всем объеме и над формирующимся слоем осадка сразу же появляется слой осветленной воды). Важно определить скорость отстаивания v в зависимости от объема взвешенного осадка: v = K (V / V₀ – 1), где V – кажущийся объем взвешенного осадка; V₀ – объем уплотненного осадка при достижении нулевой скорости оседания (рис.5.2). Коэффициент слипаемости осадка К определяют по графику. Он сильно зависит от температуры. Для хорошо оседающих осадков К=0,8-1,2, для легких и обводненных – 0,3.

При пробной обработке важна характеристика коагулянтов.

Новые реагенты:

Стандартным коагулянтом является глинозем – сернокислый алюминий. Остаточный алюминий токсичен, нарушается работа нервной системы человека. Глинозем плохо работает при низких температурах, маломутных цветных водах, образует большое количество осадка, что затрудняет дозирование и работу реагентного цеха / Вист,2005,№2,ч.1с. 29,31-36/.

Предлагают: соли железа, смешанный коагулянт, основные соли алюминия (оксихлорид алюминия ОХА, гидроксилхлорид алюминия ГХА, гидроксилхлоридсульфата ГХСА и др.). Эти реагенты требуют меньших доз, не изменяют рН обрабатываемой воды, хорошо работают при низких температурах, образуют меньший объем осадка, который легко обезвоживается, ниже стоимость.

Оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅ Cl – доза вдвое ниже, чем по СНиП 2.04.02-84, в ряде случаев можно отказаться от первичного хлорирования и флокулянтов.

Гидроксохлорид алюминия получают хлорированием алюмината натрия:

NaOH + Al(OH)₃

Na2O Al2O3 H2O

+ Cl₂ + H₂ O NaCl + HClO + Al(OH)₂ Cl

Образуется хлорноватистая кислота и гидроксохлорид алюминия – высокоэффективный коагулянт, обладающий дезинфицирующим свойством / ХТВ,т.27,2005,№5, с.471-478/.

Полихлоридалюминия извлекает органику, образует меньший объем осадка, можно работать без флокулянта.

Фирма ОАО «Аурат», г. Москва, / ВиСТ, 2006,№3ч.1/ предлагает полиоксихлориды алюминия. Отмечают, что важна технология производства реагента. Исходными продуктами, как правило, являются отходы производства алюминия, содержащие примеси: никель, медь, цинк, железо, марганец, жиры, масла, повышенную радиоактивность. В результате получаемый реагент обладает способностью образовывать комплексные соединения с органическим и неорганическими веществами, находящимися в воде. Поэтому технолог водоочистных сооружений при выборе марки поликсихлорид алюминия должен непременно обращать внимание на уровень организации производства коагулянта. Важнейшей характеристикой является основность - мольное отношение ОН / 3Al. Чем выше основность, тем больше способность реагента к гидролизу и лучше процесс хлопьеобразования.

Г.Пологи, Украина, ОАО «хим. завод коагулянт»- коагулянт Полвок – гидроксихлорид алюминия.

Полиэлектролиты: анионные – перед отстойниками, катионные – перед фильтрами. Некоторые их них работают совместно с коагулянтом, другие могут применяться самостоятельно.

Добавление в раствор коагулянтов порошкообразного минерального сорбента (клиноптилолит, бентонит, каолин) улучшает процесс коагуляции и частично снижает запахи и привкусы воды.

Магнитоэлектрическая активация раствора реагента: раствор обрабатывается магнитным полем и в него вводится анодно-растворенное железо. Активаторы серийно изготавливаются Севастопольским электроремонтным заводом.

Рекомендации НИИ КВОВ:

· При обработке воды с низкой температурой наиболее эффективным является ОХА;

· В большинстве случаев применение других флокулянтов вместо ПАА является предпочтительным. Однако, характер действия различных флокулянтов неоднозначен. Применение катионных флокулянтов совместно с коагулянтом особенно целесообразно при контактном фильтровании;

· Рекомендовать применение тех или иных реагентов для конкретного водоисточника невозможно, так как эффективность сильно зависит от качества исходной воды. Необходимы пилотные исследования;

· На одной и той же очистной станции возможно применение различных реагентов в разные сезоны;

· Условия смешения реагентов с водой является важным фактором, влияющим на эффект очистки.

Изменение точки ввода и (или) режима коагулирования.

Непрерывный режим коагулирования – стандартная схема: коагулянт постоянно вводится в воду с определенной дозой.

Фракционный или дробный – весь потребный расход реагента вводится по частям, при этом ввод возможен в разных точках технологической схемы. Возможно снижение дозы, уменьшение остаточного алюминия, улучшение качества воды и увеличение фильтроцикла.

Концентрированный – весь потребный расход коагулянта вводится в часть (1/4) обрабатываемой воды, а затем смешивается с основным потоком.

Прерывистый – коагулянт часть времени подается, затем прекращается его подача. Такой режим возможен при контактной коагуляции. Целесообразен при вводе реагента перед фильтрами или контактными осветлителями.

Изменение набора и точки ввода реагентов. Коагулянт, затем известь – уменьшается остаточный алюминий. При наличии в воде органики: хлор, затем коагулянт. Выбор места ввода и набора реагентов следует делать на опытных станциях, размещенных на площадке основной очистной станции.