Вода, используемая для хозяйственно-питьевых целей, должна соответствовать требованиям действующих санитарных правил. Качество воды характеризуется органолептическими показателями: отсутствием окраски, мутности, привкуса, запахов, вредных минеральных и органических взвесей.

Для придания воде потребительских качеств с возможностью применения в питьевом водоснабжении применяют многоступенчатую очистку, включающую разные методы водоподготовки, одним из которых является метод коагуляции воды.

Коагуляция как метод очистки воды

Водоподготовка включает в себя комплекс мероприятий по очистке поверхностных, грунтовых вод от грубых и мелких примесей, взвешенных и коллоидных соединений, обесцвечиванию с помощью коагулянтов. Коагулирование воды ускоряет осаждение и фильтрование примесей в водном растворе.

Давайте разберем, для чего применяется коагуляция воды?

В водной дисперсионной системе взвешенные вещества в основном имеют одноименные заряды. Это обусловливает их стабильность за счет сил отталкивания между молекулами. Коагуляцией называется укрупнение коллоидов в дисперсионной среде посредством их соединения в агломераты. Это становится возможным при добавлении специальных реагентов - коагулянтов. Реагенты для коагуляции воды увеличивают концентрацию ионов в диффузном слое, способствуют его уменьшению и приведению мицеллы (коллоидной частицы с диффузным слоем вокруг нее) в изоэлектрическую форму. В таком состоянии гидрозоля коллоиды имеют нулевой заряд, а значит, нет препятствий к их сближению и формированию агломератов. Завершается процесс коагулирования отделением укрупненных частиц от жидкой фазы осаждением. Коагуляция для очистки воды обеспечивает эффективное выпадение примесей в осадок.

Виды коагуляторов для очистки воды

В современной практике для нарушения агрегативной устойчивости коллоидных примесей применяют:

• неорганические коагулянты;
• органические полиэлектролиты или флокулянты.

Чаще всего в качестве неорганических коагулянтов применяют соли слабых оснований и сильных кислот: сульфат Al₂(SO₄)₃, хлорид AlCl₃, оксихлорид Al₂(OH)nCl6-n алюминия, сульфаты и хлориды железа (II) и (III), алюминат натрия NaAlO₂. Их смеси в разных процентных соотношениях нарушают устойчивость коллоидного раствора, используя принцип катионного обмена. Эффективность коагуляции воды повышается при росте валентности катиона.

Процесс коагуляции частиц в воде протекает с образованием гидроксидов железа и алюминия. Неорганические коагулянты отлично растворяются в воде, безопасны, продаются по невысокой цене. Находясь в растворе, меняют его электропроводимость и показатель рН. Правильно подобранный состав уменьшает жесткость воды.

Применение смеси коагулянтов существенно уменьшает расход реагентов. Компоненты можно вводить последовательно или в виде смеси. В первом случае легче подбирать оптимальное соотношение реагентов, во втором - проводить дозирование.
Органические флокулянты интенсифицируют коагуляцию. Это линейные полимеры с формой макромолекул в виде цепочек. Они бывают природные, органического происхождения и синтетические. Природные флокулянты - это белковые дрожжи, жмыхи, крахмал. К органическим относят:

• анионный полиакриламид (ПАА) и его сополимеры с разными функциональными группами;
• катионные - могут использоваться самостоятельно без предварительного введения коагулянтов (ВПК-402).

В качестве неорганического флокулянта применяют силикат натрия Na₂SiO₃, активированный до кремниевой кислоты и ее нерастворимых солей.

Применение флокулянтов в качестве самостоятельных коагулирующих агентов имеет ряд преимуществ:

• меньшее количество образуемого осадка;
• обеспечивают стабилизацию растворов при значительно меньших количествах реагента;
• работают в большом диапазоне рН;
• увеличивают скорость разделения жидкой и твердой фаз;
• не меняют рН получаемого раствора;
• не минерализуют очищаемый раствор ионами металлов.

Тонкости метода коагуляции для очистки воды

Схема очистки воды с помощью процесса коагуляции проходит три этапа:

1. выбор и введение в раствор коагулянтов;
2. поддержание оптимальных условий температуры, рН, перемешивания для полноты протекания реакций;
3. отстаивание, фильтрация через фильтры механической очистки.

Аморфные и кристаллические частицы примесей в природных водах в коллоидном состоянии имеют одноименные заряды с устойчивостью в растворе за счет отталкивающих сил. Они имеют достаточную адсорбционную емкость, что и используется при коагуляции воды. Методы очищения воды направлены на нарушение этой устойчивости и уменьшение заряда частиц до минимальных показателей. Этого добиваются введением коагулянтов, которые изменяют равновесие дисперсионной системы, образуют коллоиды, поверхность которых сорбирует примеси.

При растворении коагулянтов происходит реакция гидролиза. Ионы металлов, взаимодействуя с гидроксид-ионами (ОН-), образующимися при диссоциации воды, выпадают в осадок в виде практически нерастворимых гидроксидов. В воде концентрируется избыток водород-ионов (Н⁺), и дисперсионная среда характеризуется кислой реакцией.

Men⁺ + nH2O ↔ Me(OH)n + nH⁺

Глубина протекания реакции гидролиза имеет важное значение для обеспечения качества получаемой воды: присутствие ионов Al³⁺ в воде, предназначенной для питьевого водоснабжения, недопустимо. Для полной реакции гидролиза необходимо постоянно выводить из реакционной среды получаемые Fe(OH)₃ и Al(OH)₃ и связывать ионы Н⁺ в недиссоциирующие соединения. Гидролитическую реакцию можно ускорить повышением рН, разбавлением коагулянта, увеличением температуры.

Скорость и полноту гидролиза коагулянтов обеспечивает определенный щелочной запас водной среды (наличие гидрокарбонат-ионов HCO^3–, которые связывают ионы Н⁺). Буферная система HCO^3– - Н₂СО₃ имеет рН ≈ 7 и нивелирует изменение рН воды при гидролитическом распаде коагулянтов. Когда в воде содержится недостаточное число HCO^3–, щелочную реакцию водного раствора повышают введением водной суспензии Ca(OH)₂ или раствора кальциевой соды Na₂CO₃. Карбонат натрия можно применять только для подготовки технической воды.

Контактная коагуляция воды - что это такое

Контактная коагуляция протекает на поверхности зернистого материала или макрочастицах сорбента. Микрочастицы коллоидов сближаются с ними в результате перемешивания и броуновского движения. Вандерваальсово притяжение вызывает прилипание и удерживает мелкие частицы на поверхности крупных.

Контактная коагуляция имеет ряд особенностей и приобрела важное значение в технологии водоподготовки. Чем выше концентрация макрочастиц гидроксидов железа и алюминия в дисперсном растворе, тем ярче проявляются эти особенности.

• На скорость контактной коагуляции практически не оказывают влияние температурный режим и рН раствора.
• Большая интенсивность и полнота извлечения.
• Меньшая устойчивость микрочастиц в отношении коагулирования на поверхности крупных.
• Коагуляция воды в слое зернистых фильтров протекает с большей интенсивностью и скоростью, чем при обычной коагуляции в свободном объеме.

Процесс слипания микро- и макрочастиц, значительно различающихся по размеру, во взвеси с различной степенью дисперсности имеет особенное значение при осветлении воды в осветлителях со слоем взвешенной контактной среды.

Формирование агломератов вокруг частиц гидроксидов, собиравших примеси с образованием хлопьев, происходит в фильтрующем слое за счет прилипания коагулирующих частичек к зернам фильтрующего вещества.

При проведении коагуляции в слое зернистой загрузки пропадает необходимость хлопьеобразования в камерах, осаждения и осветления растворов в отстойниках. Осветлители показывают лучшие показатели с высокой производительностью при избавлении от мутности воды в отличие от отстойников.

Взвешенная контактная среда в осветлителях формируется из Al(OH)3 или Fe(OH)3 и представляет собой фильтрующий материал, который ускоряет очищение водных растворов от взвешенных примесей. При пропускании мутной воды через осадок гидроксидов с остаточной адсорбционной емкостью, улучшается ее обесцвечивание. Использование осветлителей значительно сокращает площадь очистных сооружений, улучшает работу фильтров, существенно снижает расход реагентов.

Влияние на эффективность и интенсивность процесса коагуляции в воде

Для увеличения эффективности очистки воды предусмотрено создание оптимальных условий для интенсификации процесса осаждения гидроксидов алюминия и железа и ускорения протекания коагуляции.

1. Количество и состав коагулянтов. С увеличением доли гидролизующейся соли скорость образования хлопьев и выпадения в осадок Al(OH)₃ или Fe(OH)₃ возрастает.
2. Температурный режим и перемешивание раствора. Эти параметры должны находиться в равновесии, так как повышение температуры увеличивает вязкость раствора и уменьшает скорость движения частиц. Оптимальной считается стабильно поддерживаемая в автоматическом режиме температура 20 - 25°С при интенсивном перемешивании. Колебание температуры приводит к замутнению воды, его показатель должен быть в пределах ±1°С. При низких температурах ускорение коагуляции воды и укрупнение хлопьев может достигаться путем удлинения времени перемешивания.
3. Поддержание оптимального уровня рН. Максимальное осаждение гидроксида алюминия происходит при уровне водородного показателя 6,0 – 6,5, удаление гуматов происходит при рН 5,5 - 6,5, когда они переходят в труднорастворимые и хорошо коагулируемые гуминовые кислоты. Соединения железа полнее выпадают в осадок при значениях рН 6,5 - 7,5. Для каждого источника необходимую величину рН устанавливают экспериментально с учетом состава воды.
4. При высокой щелочности природной воды проводят подкисление коагулянта концентрированной серной кислотой.
5. Применение вспомогательных веществ. Предварительное введение в водный раствор окислителей повышает эффективность коагуляции. Хлор, озон оказывают разрушающее действие на гидрофильные органические соединения, стабилизирующие частицы примесей, создавая необходимые условия для коагуляции. Этот эффект особенно проявляется при очистке вод с повышенной цветностью.
6. Введение флокулянтов через 3-5 минут после добавления коагулянтов ускоряет агломерацию.
7. Сокращение времени коагуляции достигается добавлением замутнителей. Частицы размером до 3 мкм ускоряют процесс хлопьеобразования на 30-50%. В качестве искусственных замутнителей применяют порошкообразный активированный уголь или глинистую взвесь.
8. Ускорить процесс формирования хлопьев и сэкономить 25-30% коагулянта можно введением шламов - промывной воды фильтров и осадка отстойников. Рекомендуется начинать с введения 5-25% промывной воды от объема исходной, а затем добавлять коагулянт.
9. Интенсифицировать коагуляцию можно воздействием электрического, магнитного полей, ультразвуком, ионизирующим излучением.

Осветление и коагуляция воды

Водоподготовка - это сложный многоэтапный процесс, объединяющий много методов очистки в зависимости от природы загрязнителей. Коагуляция при водоподготовке - это важная составная часть этого процесса. С ее помощью из воды удаляют взвешенные примеси, коллоидные, полимерные соединения, детергенты, способные в разных условиях изменять дисперсионную устойчивость, бактериальные и бактериологические загрязнения. При этом устраняется цветность воды, дезактивируются патогенные микроорганизмы. Для эффективного очищения воды сегодня необходимо использовать специальное комплексное оборудование с автоматизированными станциями приготовления, дозирования флокулянтов и коагулянтов (флоакуляция и коагуляция воды), поддерживающими оптимальные условия для осуществления эффективной подготовки воды к питьевому и хозяйственному потреблению.