Коагуляция воды

Коагуляцией воды называют процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов - хлопьев и отделением их от жидкой среды. Различают два типа коагуляции: коагуляцию в свободном объеме (происходит в камерах реакции или хлопьеобразования) и контактную (в толще зернистой загрузки контактных осветлителей и контактных фильтров или же в массе взвешенного осадка отстойников-осветлителей).

Коагуляция происходит с участием химических реагентов - коагулянтов (солей алюминия и железа): алюминия сульфата - A12(S04)3 х 18Н20; алюминия оксихлорида - [А12(ОН)5]С1 х 6Н20; натрия алюмината - NaA102; железа сульфата - FeS04 х 7Н20; железа хлорида - FeCl3 х 6Н20 и др. Кроме алюмо-и железосодержащих, используют комбинированные коагулянты, которые содержат соли (сульфаты или хлориды) одновременно обоих металлов.

Наиболее часто на хозяйственно-питьевых водопроводах в качестве коагулянта применяют неочищенный алюминия сульфат, который содержит 33% безводного алюминия сульфата и до 23% нерастворимых примесей. В настоящее время промышленность выпускает также и очищенный алюминия сульфат, который содержит не более 1% нерастворимых примесей.

При добавлении к воде алюминия сульфат (сернокислый глинозем) вступает в реакцию с кальция и магния гидрокарбонатами, которые всегда содержатся в природной воде и обусловливают ее устранимую жесткость и щелочность:

A12(S04)3 + ЗСа(НС03)2 = 2А1(ОН)3 + 3CaS04 + 6С02,

A12(S04)3 + 3Mg(HC03)2 = 2А1(ОН)3 + 3MgS04 + 6С02.

Основным для процесса коагуляции является образование алюминия гидроксида. А1(ОН)3 образует в воде коллоидный раствор, который придает ей опалесценцию и быстро коагулирует, образуя хлопья во всей толще воды. Они имеют заряд, противоположный заряду коллоидных частиц гуминовых веществ, которые содержатся в природной воде. Благодаря этому коллоидные частицы коагулянта нейтрализуют заряд коллоидных гуминовых частиц воды. Они устраняют взаимное отталкивание, нарушают кинетическое равновесие коллоидного раствора. Частички становятся неспособными к диффузии, объединяются (агломерируются) и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулянта адсорбируют коллоидные и мелкие взвешенные частицы и выпадают на дно, механически захватывая с собой крупную взвесь.

Вследствие процесса коагуляции не только повышается скорость и эффективность осаждения взвеси, но и значительно уменьшается природная цветность воды, обусловленная наличием в ней гуминовых соединений. Обесцвечивание, которого невозможно добиться другими способами очистки, происходит вследствие адсорбции гуминовых веществ на поверхности хлопьев коагулянта и дальнейшего выпадения в осадок. Уменьшение количества взвеси способствует также значительному уменьшению количества бактерий и вирусов, содержащихся в воде.

Коагуляция происходит эффективно при условии, если концентрация гидрокарбонат-ионов в воде будет хотя бы эквивалентна количеству алюминия сульфата, который добавляется. В противном случае гидролиз не происходит, алюминия гидрооксид не образует коллоидного раствора и не коагулирует.

Каждый градус щелочности воды соответствует содержанию в ней 10 мг/л СаО и делает возможной реакцию с 20 мг/л безводного алюминия сульфата или приблизительно с 40 мг/л товарного коагулянта - A12(S04)3 х 18Н20. Для осуществления реакции необходим некоторый избыток щелочности (2°). Природная щелочность воды большинства рек достаточна для обеспечения коагуляции даже высокими дозами алюминия сульфата. Однако иногда реки болотного, озерного или ледникового происхождения не имеют необходимого резерва природной щелочности. Кроме того, щелочность воды в реках может резко снижаться весной вследствие попадания большого количества талых вод. В таких случаях воду приходится искусственно подщелачивать, для чего одновременно с коагулянтом добавляют гашеную известь - Са(ОН)2 из расчета, чтобы 1° жесткости соответствовал 10 мг/л СаО. Реакция происходит следующим образом:

A12(S04)3 + ЗСа(ОН)2 = 2А1(ОН)3 + 3 CaS04.

Максимальную дозу коагулянта, которую можно добавить к природной воде без искусственного подщелачивания, рассчитывают по формуле:

где Dmax - максимальная доза коагулянта (мг/л), А - щелочность воды (мг-экв/л), 0,5 - желательный избыток щелочности, обеспечивающий полноту реакции коагуляции (мг-экв/л), 0,0052 - коэффициент эквивалентности.

На процесс коагуляции влияет не только щелочность воды, но и активная реакция (оптимальное значение pH 5,5-6,5), температура, наличие гуминовых веществ, количество грубой взвеси, частицы которой служат своеобразными "ядрами коагуляции", интенсивность перемешивания и пр.

По этой причине теоретический расчет для определения оптимальной дозы коагулянта является недостаточным. На водопроводах экспериментально определяют условия, при которых коагуляция будет происходить наилучшим образом. Обычно оптимальная доза алюминия сульфата для речной воды колеблется в пределах 30-200 мг/л. Эта доза изменяется в зависимости от сезонных колебаний мутности воды в реке или эпизодически под влиянием ливневых стоков.

Ориентировочно оптимальную дозу коагулянта можно определить по формуле:

Дк=4л/К,

где DK - максимальная доза коагулянта (мг/л), К - цветность воды (градусы). Для ускорения коагуляции и интенсификации работы очистных сооружений применяют флокулянти - высокомолекулярные синтетические соединения. Различают флокулянты анионного (полиакриламид, К-4, К-6, активиро- ванная кремневая кислота) и катионного (ВА-2) типа. Перед применением флокулянтов анионного типа следует обработать воду коагулянтом, чего не требуется при использовании катионных флокулянтов. Флокулянты ускоряют процесс коагуляции, нисходящее движение воды в осветлителях со взвешенным осадком, уменьшают длительность пребывания воды в отстойниках за счет повышения скорости осаждения хлопьев, ускоряют фильтрацию и увеличивают продолжительность фильтроцикла1. К использованию в практике водоснабжения допускаются только флокулянты, которые прошли гигиеническую апробацию, имеют научно обоснованные ПДК и включены в список веществ, разрешенных для использования при водоподготовке. С осторожностью следует использовать высокомолекулярные флокулянты группы полиакриламидов, при производстве которых происходит полимеризация мономера акрила-мида. Его остатки, не вступающие в реакцию в ходе синтеза, обычно невелики (0,1-0,05%). Однако акриламид относится к генотоксическим канцерогенам (группа 2Б по классификации МАИР) и по рекомендациям ВОЗ его ПДК в воде должна составлять 0,0005 мг/л.

Процесс коагуляции на водопроводах состоит из следующих операций: растворение коагулянта, дозирование, смешение с коагулируемой водой и создание оптимальных условий для образования хлопьев. Коагуляция только подготавливает воду для дальнейшей обработки - осветления и обесцвечивания, и в этом смысле не являются самостоятельным процессом водоподготовки. В ряде случаев в схеме обработки воды коагуляция может отсутствовать.

Смесители. Эффективность процессов осветления и обесцвечивания воды в значительной степени зависит от условий смешения обрабатываемой водь: с применяемыми реагентами. Для смешения реагентов с обрабатываемой водой применяют смесительные устройства (сопла Вентури, диафрагмы) или специальные сооружения - смесители. Они должны удовлетворять требованию быстрого и полного смешения реагента со всей массой воды. Кроме того, смесители выполняют функции камер гашения напора, созданного насосами насосной станции I подъема.

Различают два типа смесителей: гидравлические и механические. К гидравлическим относятся: смеситель коридорного типа (с вертикальным или горизонтальным движением воды); дырчатый смеситель; перегородчатый с разделением потока и вертикальный (вихревой). Выбор типа смесителя обосновывается технологической схемой, компоновкой водопроводной станции с учетом ее производительности, а также конструктивными соображениями.