EnglishGermanItalianRussian

КоагуляторКоагуляция −это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемешивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных гетерокоагуяцией.
Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,003 − 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1 − 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки сточных вод достаточно хорошо удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяются методы коагуляции: агрегативно устойчивая система при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под действием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые скопления.
Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.

Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов:

— вида коллоидных частиц;
— концентрации и степени дисперсности коллоидных частиц;
— наличия в сточных водах электролитов и других примесей;
— величины электрокинетического потенциала.

В сточных водах могут содержаться твердые (глина, волокна, цемент, кристаллы солей и т.п.) и жидкие (нефть и нефтепродукты, смолы и другие) загрязнения. Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном состоянии, при перемешивании прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, которые значительно снижают свободную поверхностную энергию коллоидной частицы. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также небольшое количество противоположно заряженных ионов, суммарный заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг гранулы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в котором находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем называется мицеллой.

На рис 1.1 показано изменение электрического слоя мицеллы. Потенциал на границе ядра — термодинамический потенциал (ε-потенциал) равен сумме зарядов всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя ε-потенциал уменьшается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбционном слое противоположно заряженных ионов. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрокинетическим потенциалом (ξ-потенциал).

На частицы коллоидов действуют диффузионные силы и частицы стремятся равномерно распределиться во всем объеме жидкой фазы. Наличие у частиц электрических зарядов одного знака вызывает у них взаимное отталкивание. Одновременно между коллоидными частицами действуют межмолекулярные силы взаимного притяжения, которые проявляются лишь при небольших расстояниях между частицами. Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их ξ-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. При снижении электрического заряда частиц, т.е. при снижении ξ-потенциала, силы отталкивания уменьшаются, и становится возможным слипание частиц – процесс коагуляции коллоида. Для начала коагуляции частицы должны приблизиться друг к другу на расстояние, при котором между ними действуют силы притяжения и химического сродства. Сближение частиц происходит в результате броуновского движения, а также при ламинарном или турбулентном движении потока воды.

Коагулирующее действие есть результат гидролиза, который происходит вслед за растворением. Силы взаимного притяжения между коллоидными частицами на чинают преобладать над электрическими силами отталкивания при ξ-потенциале системы менее 0,03 В. При ξ = 0 В, коагуляция происходит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом случае называется изоэлектрическим, а величина pH называется изоэлектрической точкой системы.
Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по следующим стадиям:

В действительности процесс гидролиза значительно сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами.
Одним из методов снижения ξ-потенциала коллоидной системы является увеличение концентрации электролитов в сточной воде. Способность электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением валентности коагулирующего иона, обладающего зарядом противоположным по знаку заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1:30:1000, т.е., чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.
При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья коагулянта сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды, и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.
Основным процессом очистки производственных сточных вод является гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. При использовании в качестве коагулянтов солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные мелкодисперсные частицы, коллоидные частицы при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок.

Образующуюся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты следует ней-
трализовать известью или другими щелочами. Нейтрализация образующихся при
гидролизе коагулянтов кислот может также протекать за счет щелочного резерва
сточной жидкости.

В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных величин pH. Значения pH при оптимальных условиях коагуляции будут следующими:

Для очистки производственных сточных вод применяют различные коагулянты: соли алюминия, соли железа, соли магния, известь, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств (например, хлорид алюминия является отходом при производстве этилбензола, сульфат двухвалентного железа — травление металлов, известковый шлам и другие).
Соли алюминия. Сульфат алюминия (глинозем) Al2(S04)⋅18H2O (плотность 1,62 т/м3, насыпная масса на 1 м3 сточных вод равна 1,05 − 1,1 т, растворимость в воде при температуре 20 °С – 362 г/л). Процесс коагуляции алюминия рекомендуется проводить при значениях pH = 4,5 − 8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увеличивается. Алюминат натрия 2 NaAlO , оксихлорид алюминия, полихлорид алюминия [Al2(OH)nCl6-n]m(SO4)x, где 1 ≤ n ≤ 5≤ m ≤ 10, алюмокалиевые [KAl(SO4)2⋅18H2O] и алюмоаммонийные квасцы [Al(NH4)(SO4)2⋅12H2O] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия.
Соли железа. Сульфат двухвалентного железа, или железный купорос FeSO4⋅7H2O (плотность 3 т/м3, насыпная масса на один куб. метр сточных вод равна 1,9 т, растворимость в воде при 20 0С – 265 г/л). Применение процесса коагуляции оптимально при рН>9. Гидроксид железа – плотные, тяжелые быстро осаждающиеся хлопья, что является несомненным преимуществом его применения. Хлорид железа FeCl3⋅ 6H2O, сульфат железа Fe2(SO4)3⋅ 9H2О.
Соли магния – хлорид магния MgCl2⋅ 6H2O, сульфат магния MgSO4⋅ 7H2O.

Соли железа, как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений pH среды; большая плотность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.
При использовании смесей Al2(SO4)3 и FeCl3 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев. Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы другие реагенты – глины, алюмосодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния. Оптимальную дозу реагента устанавливают на основании пробного коагулирования.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обуславливает их высокую влажность – до 96 − 99 %. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01 − 1,03 т/м3. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1 − 4 кг/м3 сточной воды. Объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10 − 20 % объема обрабатываемой сточной воды.
Недостатки метода коагуляционной очистки сточных вод (значительный объем коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемой сточной воды) не позволяют рекомендовать коагуляцию как самостоятельный метод очистки.
Коагуляционный метод очистки сточных вод применяется в основном при небольших расходах воды и при наличии дешевых коагулянтов. Расширению оптимальных областей коагуляции (по pH и температуре) способствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся хлопьев, снижающие расход коагулянтов, снижающие расход коагулянтов, повышающие надежность работы и пропускную способность очистных сооружений.
При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:
неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные группы: −ОН, >CO (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и другие);
анионные — полимеры, содержащие анионные группы: −COOH, −SO3H, −OSO3H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и другие);
катионные — полимеры, содержащие катионовые группы: −NH2, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винил пиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-202 и другие); − амфотерные – полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и другие.
Скорость и эффективность процессов флокуляции и коагуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов составляют обычно 0,1 − 10 г/м3, а в среднем 0,5 − 1 г/м3. Так применение добавок полиакриламида в концентрации 1 г/м3 при коагуляции сточных вод металлургического завода позволило увеличить удельную нагрузку на радиальные отстойники в два раза.

Коагулятор сепаратор сточных водПроцесс очистки сточных вод методом коагуляции или флокуляции включает в приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование, смешение со всем объемом сточной воды, хлопьеобразование и выделение хлопьев из нее.
В реагентное хозяйство на очистных сооружениях входят склады для хранения коагулянтов. Широко применяется так называемое мокрое (рис. 1.2) хранение коагулянтов – в виде раствора или кускового продукта в концентрированном растворе, в баках и резервуарах, располагаемых внутри или вне зданий. Емкости, располагаемые вне зданий, следует утеплять. Растворение коагулянтов в воде осуществляется в специальных растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом интенсивностью 4 − 5 л/с на 1 м2 площади колосниковой решетки. Применяются также баки с лопастными и пропеллерными мешалками для растворения соответственно зернистых и кусковых материалов размером не более 20 см.

Из растворных баков коагулянты перекачивают в расходные баки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую воду обычно в виде (1 − 10)-процентных растворов, а флокулянты (0,1 − 1)-процентных растворов. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях в течение 1 − 2 мин. Для смешения коагулянтов применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости тока воды.
Применяют перегородчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками. Трубопроводы или лотки, отводящие воду из смесителей в камеры хлопьеобразования, и осветлители с взвешенным слоем осадка рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8 −1 м/с и продолжительность ее пребывания в них не более двух минут.

После смешивания сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, с механическим перемешиванием.

Водоворотные камеры хлопьеобразования представляют собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода, имеющая скорость на выходе из сопла 2 − 3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15 − 20 мин. Перегородчатые камеры могут быть горизонтальные (рис.1.3) и вертикальные. В горизонтальной камере сточная вода протекает по нескольким последовательно соединенным коридорам. Перемешивание осуществляется за счет 8 – 10 поворотов. Коридоры устраиваются таким образом, чтобы скорость движения сточной воды впервом была 0,2 − 0,3 м/с, а в последнем – 0,1 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20 − 30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.

Вихревые камеры хлопьеобразования представляют собой конический или цилиндрический расширяющийся в верхней части резервуар с нижним впуском сточной воды со скоростью 0,7 − 1,2 м/с. Угол наклона стенок камеры к горизонту ≈70°. Скорость входящего потока сточной воды на уровне впуска 4 − 5 м/с, продолжительность пребывания воды в камере 6 − 10 мин.

В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками скорость движения воды 0,15 − 0,2 м/с, а продолжительность пребывания – 20 − 30 мин.Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных или вертикальных отстойниках. Наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. На первой ступени осуществляется простое отстаивание в отстойнике без коагулянта. На второй ступени – обработка сточных вод коагулянтами и флокулянтами с последующим отстаиванием в отстойнике.

Если концентрация взвешенных веществ в производственных сточных водах, способных к агрегации, не превышает 4 г/л, то применяют осветлители со взвешенными слоями осадка. В осветлителях происходят три основных процесса: смешение, коагуляция и осветление сточных вод. Обрабатываемая в осветлителях сточная вода проходит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлака с такой скоростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или прямоугольными в плане, площадь осветлителя не должна превышать 150 м2.
Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смешения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакции. В течение одного часа допускается колебание температуры не более чем на 1 °С, а расхода – не более чем на 10 %.

Электрокоагуляция

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

Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г Al2(SO4) и 1 г железа – введению 2,9 г FeCl3 и 3,6 г Fe2(SO4)3. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1г алюминия – 12 Вт⋅ч, а 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. Метод электрохимического коагулирования может быть применен для разработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания является несомненным достоинством метода электрохимической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и металлов, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой сточной воды ограничивают область применения этого метода.
На рис. 1.6 изображена электрокоагуляционная установка по очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответственно 0,3 − 7,5 и 0,5 − 8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением 10 − 18 В.
При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15 − 30 с и пропускной способности 1,5 − 3 м3/ч на 1 м2 площади поверхности электродов одного полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные результаты этот метод дает также при обработке сточных вод гальванических цехов, где потребляемая мощность на 1 м3 обрабатываемой сточной воды составляет 0,4 − 0,5 кВт за один час работы.

Электрокоагуляция применяется для очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а так же цианов. Схема установки (рис. 1.7) предназначена для отчистки сточных вод от шестивалентного хрома. Сточная вода из промывочной ванны 2 гальванического участка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает в промывочный электролизёр 6, в котором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12 − 14 В от выпрямителя 4. При пропускании электрического тока с плотностью 50 − 100 А/м2 через сточную воду, движущуюся по длине электролизёра 6 в течение 10 − 15 мин, происходит анодное растворение стальных электродов и образующиеся при этом ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром до трехвалентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и трехвалентного хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)2, Fe(OH)3, Cr(OH)3. Сточная вода со взвешенными в ней гидроксидами поступает из электролизёра 6 в центрифугу 7 , в которой происходит отделение гидроксидов железа и хрома и удаление их через трубопровод 8 . Очищенная от хрома вода по трубопроводу 10 поступает для дальнейшей отчистки или при закрытом вентиле 9 по трубопроводу 11 поступает для повторного использования в промывочных ваннах.