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 HCO3–, которые связывают ионы Н+). Буферная система HCO3– - Н2СО3 имеет рН ≈ 7 и нивелирует изменение рН воды при гидролитическом распаде коагулянтов. Когда в воде содержится недостаточное число HCO3–, 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.

Заявка на подбор оборудования