• 5

8.1. КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ

Коагуляция. Это процесс укрупнения дисперсных частиц в ре­зультате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очист­ке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагу­ляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дис­персных частиц, т. е. частиц размером 1—100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химиче­ских и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним спе­циальных веществ — коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под дей­ствием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавли­вать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд,, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверх­ности частиц двойного электрического слоя. Одна часть двойно­го слоя фиксирована на поверхности раздела фаз, а другая со­здает облако ионов, т. е. одна часть двойного слоя является не­подвижной, а другая подвижной (диффузный слой). Разность потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидкости) называется дзета-потенциа­лом ^ или электрокинетическим потенциалом, отличным от тер­модинамического потенциала Е, который представляет собой разность потенциалов между поверхностью частиц и жидко­стью. Дзета-потенциал зависит как от Е, так и от толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электроста­тических сил отталкивания частиц, которые предохраняют час­тицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных частиц загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на

поверхности этих частиц, обусловливает высокую стабильность коллоидной системы.

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким об­разом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта» несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее дей­ствие.

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 солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением.

Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по следующим стадиям:

Ме3++НОН ч=±: Ме(ОН)2++Н+ Ме(ОН)2++НОН =F=k Ме(ОН)2++Н+ Me(0H)a++H0H3E=fc Ме(ОН)3+Н+

Ме3++НОН =$=* Ме(ОН)3+ЗН+   (11.39)

В действительности процесс гидролиза протекает 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.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.

В-качестве коагулянтов используют сульфат алюминия А12(804)з'18Н20; алюминат натрия NaA102; гидроксохлорид алюминия А12(ОН)вС1; тетраоксо- т.ульфаты алюминия-калия и алюминия-аммония [квасцы -- алюмокалиевые KAl(S0,)r12H20 и аммиачные NH.Al(S04)rl2H20j. Из них наиболее рас­пространен сульфат алюминия, который эффективен в интервале значений рН=5—-7,5. Он хорошо растворим в воде и имеет относительно низкую стоимость. Его применяют в сухом виде или в виде 50%-го раствора. При коагулировании сульфата алюминия он взаимодействует с гидрокарбоиата- ми, имеющимися в воде:

А12(504)з+ЗСа(НС08)2 =i=k 2А1 (ОН)3H-3CaS04+6C02. (11.40)

Алюминат натрия применяют в сухом виде или в виде. 45%-го раство­ра. Он является щелочным реагентом, при рН=9,3—9,8 образует быстро-

осаждающиеся хлопья. Для нейтрализации избыточной щелочности можно использовать кислоты или дымовые газы, содержащие С02:

2NaA102+C02+3H2Q         Al(QH)3+Na2C03.    (11.41)

В большинстве случаев используют смесь NaA102+Al(S04)3 в соотно­шении (10: 1) —(20: I):

6НаА102+АЬ(В04)3+12Н20 *=fc 8Al(OH)3+3Na3SO«. (ИЛЬ)

Совместное употребление этих солей дает возможность повысить эффект осветления, увеличить плотность и скорость осаждения хлопьев, расширить оптимальную область рН среды.

Оксихлорид алюминия обладает меньшей кислотностью и поэтому при­годен для очистки слабощелочных вод; ввиду высокого содержания в нем водорастворимого алюминия ускоряется хлопьеобразование и осаждение коагулированной взвеси, например по реакции

2А12(ОН)5С1+Са(НСОа)2 4A!(0H)3+CaCl2+2CO2. (11.42)

Из солей железа в качестве коагулянтов используют сульфаты железа Fe2(S04)3-2H20, Fe(SQ4)3-3H2Q и FeS04-7H20, а также хлорное железо FeClj. Наибольшее осветление происходит при использовании солей трехва­лентного железа. Хлорное железо применяют в сухом виде или в виде 10— 15%-х растворов. Сульфаты используют в виде порошков. Доза коагулянта зависит от рН сточных вод. Для Fe3+ рН равен 6—9, а для Fe2+ рН 9,5 и выше. Для подщелачивания сточных вод используют NaOH и Са(ОН)8. Об­разование хлопьев протекает по реакциям

FeCI,+3HsO —V Fe(OH)3+3HCl,  (11.43)

Fe2(S04)3+6H20 —»- 2Fe(0H)a+3H»S04;         (11.44) при подщелачивании

2FeCI3+3Ca(OH)a —ъ 2Fe(OH)a+3CaC!2,        (11,45)

Ре2(504)з+ЗСа(0Н)3 —2Fe(OH)3+3CaSO«.     (11.46)

Соли железа как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность 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 А12(504)з 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 различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.

d„„

Рис. II-16. Зависимость относительной ско­рости коагуляции от концентрации электро­лита

Оптимальную дозу реагента уста­навливают на основании пробного коагулирования.

о~        </>=/  ~п        Скорость коагуляции зависит от

концентрации электролита. В об­щем виде эта зависимость показана на рис. 11-16. При малых концентрациях электролита эффективность соударений частиц, т. е. отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему числу столкновений, близка к нулю (t|) = 0). По ме­ре роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны — такую коагуляцию называ­ют медленной. При т|т=1 наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

Скорость быстрой коагуляции для неподвижной среды при броуновском движении частиц по теории Смолуховского равна

d;i,/dT=/C(n0 — /v)a.            (11.47)

Количество частиц в единице объема воды за время т для быстрой и медленной коагуляции определяется по формулам

л* = «<>/( Ч-Т/Г./Л; Ят-Яо/[1 + ф(т/?Ч)1.  (11.48)

Для ламинарного и турбулентного движения потока воды число взаимодействий частиц за единицу времени в единице объема жидкости пл и пг вычисляется по формулам

(11.49)

(11.50)

где пх — число агрегатов частиц; К — константа коагуляции К« я» a? 8nDr, D — коэффициент диффузии одиночных частиц, г —- радиус частиц; Я — расстояние, на которое должны приблизиться частицы, чтобы произош­ло их объединение (R х 2г); п0 — начальная концентрация частиц; Т\ц — Вре­мя коагуляции, в течение которого количество частиц в единице обьема уменьшается вдвое; — коэффициент эффективности столкновений частиц; п„ и «т — число взаимодействий частиц за единицу времени в единице объ­ема соответственно для ламинарного и турбулентного движения потока во­ды; я, и «2 — число частиц с. размером dt и d2 соответственно; G — скорост­ной градиент (0=du/dz); щ и й2— среднеквадратичные скорости двух коагу­лирующих частиц.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость, коагуляции. Например, удлиненные частицы коагули­руют быстрее, чем шарообразные.

dt

 

Размер хлопьев (в пределах 0,5—3 мм) определяется соот­ношением между молекулярными силами, удерживающими час­тицы вместе, и гидродинамическими силами отрыва, стремящи­мися разрушить агрегаты. Для характеристики хлопьев поль­зуются понятием эквивалентного диаметра:

d, = 0,136У vm„c/[(рх ~ 1)Кф],        (И.51)

где v — кинематическая вязкость воды; ря — плотность хлопьев; Шос —ско­рость свободного осаждения;. Кф        коэффициент формы хлопьев.

Плотность хлопьев определяется с учетом плотностей воды Л» и твердой фазы рт и объема твердого вещества в единице объема хлопьев 8Т:

рх=рв+6т(рт — р»). (11.52)

Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся частиц и пластичности. "Агломераты частиц, не­однородных по размеру, прочнее, чем однородных. Вследствие выделения газов из воды, а также в результате аэрации и фло­тации происходит газонасыщение хлопьев, которое сопровожда­ется уменьшением плотности хлопьев и уменьшением скорости осаждения.

Флокуляции. Это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтамн. В отличие от коагуляции при фло­куляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул ад­сорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса обра­зования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью по­вышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжитель­ность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения об­разующихся хлопьев.

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические фло- кулянты. К природным флокуляитам относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлозы и др. Активный диоксид кремния (#Si<VyH20) является наибо­лее распространенным неорганическим флокулянтом. Из синтетических орга­нических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получил по- лиакриламид f—СН2—СН -CONH2]«, технический (ПАА) и гидролпзован- ньш (ГППА). Технический ПАА получают при взаимодействии акрилонитри- ла с серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида. Гидроли- зованный полиакриламид получают омылением технического ПАА щелочью.

При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макро­молекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в пределах 0,4—1 г/м®, ПАА действует в широком диапазоне рН среды. Однако скорость осаждения ефлокулироваииых хлопьев при рН>9 уменьшается.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих яв­лениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности колло-

15—822

225-

идных частиц; ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидны­ми частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причи­ной возникновения таких структур является адсорбция макро­молекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы заря­жены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагу­ляции с гидроксидом алюминия или железа. При добавлении активированного силиката увеличивается в 2—3 раза скорость осаждения и повышается эффект осветления.

Полиакриламид выпускается в виде 7—9%-ного геля, за­твердевающего при температуре ниже 273 °К. При добавлении ПАА к воде ее вязкость резко возрастает.

Эффективность любого флокулянта рассчитывают по фор­муле

•г\ф=(шСф — ш)1шд,          (11.53)

где Шеф и w --- скорость осаждения сфло?улированного и несфлокулирован» ного шлама соответственно, мм/с; q— расход флокулянта на 1 т твердого вещества, г.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: дозирование и смешение реаген­тов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев (рис. II-17).

Для смешения коагулянтов с водой применяют гидравлические и меха­нические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды. Схе­ма одного из смесителей показана на рис. 11-18,0. В механических смеси­телях - аппаратах с мешалкой процесс перемешивания должен быть равно­мерным н медленным, чтобы частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки.

После смешения сточных вод с реагентами воду направляют в камеры хлопьеобразовання. Используют перегородчатые, вихревые и с механически­ми мешалками камеры. Образование хлопьев в камерах протекает медлен­но — за 10—30 мин. Схема перегородчатой камеры показана на рис. И-18,6.

 

Рис. П-17. Схема установки для очистки вод коагуляцией:

/• емкость для приготовления растпорои; 3— дозатор; 3 —-смеситель; -1 — камера хлопм- иСфазинаштя; 5 ■ • отстоПник

 

Сточная вода а

коагулянт

Флокулянт

 

1 «'О

Л

J

J.

Ш.ZZJC

 

 

 

Сточная вода и, коагулянты

Рис. II-18. Аппараты для коагуляции:

а — перегородчатый смеситель: 1 — кори­дор; 2 — перегородка; .7 •— окно; б — перегородчатая камера хлочьеобраао- вания: 1 — коридор; 2 — перегородки; Л— окно;

в —- коагулятор-осветлитель: 1 -- корпус; '! — желоб; 3 — отверстия для удаления осветленной поды; 4 —- воздухоотделитель; $ — центральная труба; в — распредели­тельные трубы

Она представляет собой резервуар, разделенный перегородками и а ряд по­следовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды в коридорах принимают 0,2—0,3 м/с.

Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях, конструк­ции которых описаны в седьмой главе. Часто стадии смешения, коагулирова­ния и осаждения проводят в одном аппарате. Один из таких аппаратов по­казан на рис. II-18, я.

Сточная вода, смешанная с коагулянтом, по трубе поступает в воздухо­отделитель. Затем вода движется по центральной трубе к распределительным трубам, которые заканчиваются соплами для распределения и вращения во­ды в кольцевой зоне, куда вводят флокулянт. Хлопья коагулянта образуют­ся в кольцевой зоне. Взвешенные частицы с хлопьями оседают на дно и их удаляют из аппарата. Осветленная вода через отверстие попадает в желоб, «откуда ее направляют на использование.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я