Сущность процесса коагуляции

Для полного осветления воды, содержащей коллоиднодисперсные вещества, необходимо укрупнение их частиц, которое достигается их коагулированием.

Коагулированием называется технологический процесс обработки воды реагентами, который завершается коагуляцией ее коллоидных примесей.

Коагуляция является физико-химическим процессом слипания коллоидных частиц и образования крупнодисперсных хлопьев, выпадающих в осадок и удаляемых из воды осаждением их в осветителях или фильтрованием в осветлительных фильтрах. Реагенты, применяемые для коагулирования, называют коагулянтами, а химические агенты, вызывающие коагуляцию коллоидных примесей воды, - коагуляторами.

Для осуществления процесса коагуляции применяются следующие реагенты:

o сернокислый аммоний Al₂(SO₄)₃,

o сернокислую закись железа FeSO₄,

o хлорное железо FeCl.

Для более полного удаления органических веществ приходится иногда прибегать к дополнительной обработке воды хлором или окислителем, разрушающими органические вещества. Наибольшее распространение при коагуляции получил сернокислый аммоний, однако его применение ограничивается величиной рН обрабатываемой воды 6,5-7,5. В более щелочной среде вследствие амфотерных свойств алюминия образуется алюминат натрия, поэтому при известковании в качестве коагулянта применяют сернокислую закись железа или хлорное железо, допускаемое колебание рН в пределах 4-10. При добавлении к воде сернокислого алюминия происходит реакция с образованием труднорастворимых гидроксидов алюминия, которые способствуют слипанию коллоидных частиц и появлению в объеме воды крупной взвеси. Присутствие в исходной воде бикарбонатов приводит к реакции, которую в общем случае можно выразить уравнением:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCО₃)₂ → 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂

Остаточное содержание бикарбонатов в коагулированной воде желательно иметь около 0,5 мгэкв/л, но не менее 0,3 мгэкв/л. Если в исходной воде бикарбонатов недостаточно, проводят подщелачивание обрабатываемой воды NaOH или Ca(OH)₂. Как видно из приведенной выше реакции в воде после коагуляции возрастает концентрация сульфатов, соответственно уменьшается щелочность примерно на величину дозы коагулянта.

Рисунок 2.1 - Схема образования коагуляционных хлопьев:

1 – частицы грубодисперсных примесей (ГДП); 2 – частицы гидроксида; 3 – органические вещества; 4 – «клеевые» мостики; 5 – полоски, заполненные водой.

В практике водоподготовки на электростанциях и в коммунальном водоснабжении используют один из вариантов коагуляции, связанный с вводом в природную воду реагентов, называемых коагулянтами и образующих новую дисперсную систему со знаком заряда частиц, противоположным знаку заряда коллоидов природных вод (обычно заряженных отрицательно). При этом происходит взаимная коагуляция разноименно заряженных коллоидов при их взаимодействии с дестабилизированными участками поверхности, называемая гетерокоагуляцией. В дальнейшем микрохлопья сцепляются, захватывая грубодисперсные примеси и воду, и образуют коагуляционную структуру в виде хлопьев (флокул) размером 0,5—3 мм (рис. 2.1). Макрофаза затем выделяется из воды в аппаратах для коагуляции — осветлителях и далее в пористой загрузке осветлительных фильтров.

Процесс коагуляции требует для своего завершения определенного промежутка времени (4—5 мин). Хлопья, вначале невидимые, постепенно соединяются в крупные комплексы, вызывая помутнение воды. Затем образуются, более крупные рыхлые хлопья, захватывающие грубодисперсные примеси и воду. Режим потока воды влияет на формирование хлопьев. Он может даже разрушать сформировавшиеся хлопья, поэтому скорость воды в зоне формирования и отстаивания хлопьев должна быть не более 1,5 мм/с. К основным факторам, определяющим течение процесса коагуляции, относятся следующие.

1. Температурный режим. Подогрев коагулируемой воды до температуры 30—40 °С и перемешивание ее вызывают более частые и сильные столкновения коагулирующих частиц, приводящие к их слипанию. Допустимы колебания температуры ± 1ºС/час. Непостоянство нарушает взвешенный слой осадка, что ведет к повышению мутности осветленной воды (чаще всего подогрев воды автоматизирован).

2. Дозировка коагулянта. Она определяется составом и количе­ством коллоидных примесей и солесодержанием обрабатываемой воды. Оптимальная дозировка коагулянта устанавливается опытным путем для конкретного источника водоснабжения и определенного времени года. Обычно дозировки коагулянта находятся в пределах 0,3—0,8 мг-экв/дм³, увеличиваясь в паводковый период до 1,0— 1,2 мг-экв/дм³ .

3. Значение рН среды. Значение рН оказывает влияние на скорость и полноту гидролиза коагулянта, а также на состояние удаляемых из воды примесей. При коагуляции сернокислым алюминием оптимальное значение рН, устанавливаемое также экспериментально, находится в пределах 5,5—7,5. При рН < 4,5 гидролиз сернокислого алюминия практически не происходит, гидроксид алюминия не образуется, а введенный в воду коагулянт остается в растворе в виде ионов А1³⁺ и S0₄^2- .

Плохая коагулируемость характерна для вод, загрязненных промышленными или сетевым стоками. В этом случае дозу коагулянта иногда требуется повышать до 1,5 мг экв/л.

Коагуляцию воды производят в специальных аппаратах – осветлителях. В осветлителе предусмотрены три сопловых ввода воды, из которых каждый может быть отключен задвижкой. В нижней части осветлителя расположена горизонтальная решетка, способствующая равномерному распределению шлама в контактной среде.