Удаление взвешенных и коллоидных частиц. Осаждение. Фильтрование. Коагуляция. Флотация. Технические основы флотационного процесса.

Обработка воды с целью подготовки ее для питья, хозяйственных и производственных нужд представляет собой комплекс физических, биологических и химических методов изменения ее первоначального состава. Под обработкой воды понимают не только ее очистку от нежелательных и вредных примесей, но и улучшение природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиентами. Все многообразие методов обработки воды можно подразделить на следующие основные группы:

· Улучшение органолептических свойств воды (осветление, обесцвечивание, дезодорация);

· Обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение);

· Кондиционирование минерального состава (фторирование и обесфторирование, обезжелезивание, извлечение ионов тяжелых металлов, деманганация, умягчение, обессоливание).

Метод обработки воды выбирают на основе минерального состава и свойств воды источника, намеченного к использованию и их сопоставление с требованиями потребителя.

Наиболее характерными и общими признаками примесей воды является их фазовое состояние, характер дисперсности веществ. Фазовое состояние примесей обусловливает их поведение в процессе водообработки. Каждому фазовому, дисперсному состоянию примесей соответствует совокупность методов воздействия, позволяющих достичь требуемых качественных показателей. На этой основе все многообразие загрязнений природных и промышленных вод разделено на 4 группы с общим для каждой группы набором методов водоочистки. В основе технологии очистки воды от примесей каждой группы положены процессы, протекающие под воздействием сил, наиболее эффективно влияющих на данную дисперсную систему. Так, для удаления кинетически неустойчивых взвесей, используются гравитационные и адгезионные силы; для удаления коллоидных и ВМС – адгезионные и адсорбционные силы.

К 1-ой группе примесей воды относятся взвешенные вещества, бактериальные взвеси и другие биологические загрязнения. Удалять эти примеси можно как безреагентными, так и реагентными методами.

2-ую группу примесей воды представляют разные типы гидрофильных и гидрофобных коллоидных систем, ВМ вещества и детергенты, способные в зависимости от условий менять свою агрегативность. Их можно удалять, например, обработкой воды коагулянтами, флокулянтами, известью, хлором, озоном и другими окислителями. При этом снижается цветность. Уничтожаются микроорганизмы.

Для 3-ей группы примесей, являющихся молекулярными растворами, наиболее эффективны процессы, обеспечивающие их удаление из воды – аэрирование, окисление, адсорбция.

Для 4-ой группы примесей, представляющих собой электролиты, технология очистки сводится к связыванию реагентами ионов, подлежащих устранению, в малорастворимые и малодиссоциированные соединения.

Все примеси, загрязняющие водоемы, полностью охватываются четырьмя группами предлагаемой классификации. При проектировании ВОС использование этого принципа классификации помогает определить главные элементы очистных сооружений.

Для удаления из воды гетерофазных примесей 1-ой группы рекомендуются следующие процессы: механическое разделение в гравитационном поле или под действием центробежных сил, а также фильтрование через пористые перегородки и мелкие сетки; адгезия на высокодисперсных и зернистых материалах, агрегация флокулянтами, флотация; для патогенных микроорганизмов – бактериальное воздействие. Комплекс очистных сооружений, обеспечивающий протекание данных процессов, включает: смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники, фильтры; при двухступенчатой схеме очистки – контактные осветлители или контактные фильтры – при одноступенчатой схеме.

Для устранения микрогетерофазных примесей 2-ой группы более эффективны процессы окисления органических коллоидных веществ и ВМС, адгезия и адсорбция их на гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтами катионного типа. Комплекс очистных сооружений для этой группы включает типовые элементы, используемые в двух и одноступенчатых схемах очистки.

Для удаления молекулярно-растворенных веществ 3-ей группы применяют: десорбцию летучих соединений, окисление органических веществ, адсорбцию на активированных углях, и других сорбентах, экстракцию органическим растворителями, отгонку паром и т.д. Методы удаления таких примесей специфичны и для этого используют аппаратуру специального назначения.

Для удаления электролитов лучше использовать ионные процессы: перевод в малодиссоциированные соединения (нейтрализация, комплексообразование), или малорастворимые соединения; фиксация на твердой фазе ионитов (катионирование и анионирование).

Классификация основных технологических схем

Сочетание соответствующих технологических процессов и сооружений составляет технологическую схему улучшения качества воды. Используемые в практике водоподготовки технологические схемы можно классифицировать следующим образом: реагентные и безреагентные; по эффекту осветления; по числу технологических процессов и числу ступеней каждого из них; напорные и безнапорные.

Реагентные и безреагентные технологические схемы применяются при подготовке воды для хозяйственно-питьевых целей и нужд промышленности. Процессы обработки воды с применением реагентов протекают интенсивнее и эффективнее. Так, для осаждения взвешенных веществ с применением реагентов требуется два часа, без реагентов - несколько суток; скорость фильтрования с реагентами 5-12 м/ч, без реагентов –0.1-0.3 м/ч.

По эффекту осветления различают технологические схемы для полного или глубокого осветления воды и для неполного или грубого осветления. В первом случае воды соответствует требованиям питьевой воды, во втором случае ее используют для охлаждения различного оборудования.

По числу технологических процессов и числу ступеней каждого из них технологические схемы подразделяют на 1, 2-х и многопроцессные. Пример двухпроцессной схемы – обработка воды в слое взвешенного осадка и фильтрование. В тех случаях, когда один из основных технологических процессов осуществляется два и более раз, технологическая схема называется двух, трех и многоступенчатая.

В практике подготовки воды для нужд промышленности применяют напорные технологические схемы с многоступенчатым фильтрованием.

По характеру движения обрабатываемой воды технологические схемы подразделяются на самотечные (безнапорные) и напорные.

Выбор технологической схемы зависит не только от качества воды источника и требований потребителя, но и от количества потребляемой воды. Определение оптимального состава реагентов, мест их ввода в обрабатываемую воду, выбор типа и конструкций ВОС должны производиться на основании тщательного рассмотрения данных химических и технологических анализов исходной воды и изучения опыта использования аналогичной технологии в подобных условиях.

Коагулирование примесей воды

Одним из широко применяемых на практике приемов снижения содержания взвесей в воде является седиментация под действием силы тяжести. Однако примеси, обусловливающие мутность и цветность воды, имеют малые размеры, их осаждение происходит медленно. Для ускорения процессов осаждения, фильтрации, флотации и повышения их эффективности прибегают к коагулированию примесей. Коагуляцией называется процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частиц дисперсной системы, происходящей в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Завершается этот процесс отделением агрегатов слипшихся частиц от жидкой фазы. Диспергированные коллоидные и взвешенные частицы имеют одинаковые заряды, что обусловливает возникновение межмолекулярных сил отталкивания и агрегативную устойчивость. В технологии очистки воды эту агрегативную устойчивость стремятся нарушить, а заряд их устранить. Этого достигают добавлением к воде сульфата алюминия, железа, хлорида железа, алюминия, алюмината натрия, оксихлорида алюминия и других веществ, которые, являясь коагулянтами, либо нарушают агрегативную устойчивость системы, либо образуют вследствие гидролиза коллоиды, сорбирующие примеси из воды. Благодаря огромной удельной поверхности коллоидных частиц они обладают весьма значительной поверхностной энергией, а, следовательно, и высокой адсорбционной емкостью. Это очень важно, так как процесс коагуляции связан с адсорбцией на поверхности коллоидных частичек примесей, содержащихся в воде. Возникновению коллоидных частичек предшествует образование твердой фазы (ядра), адсорбирующей из раствора потенциалобразующие ионы. В результате поглощения ионов поверхность ядра приобретает заряд. Находящиеся в растворе разноименно заряженные ионы (противоионы) собираются у поверхности ядра вследствие электрического притяжения между разноименными электрическими зарядами, образуя коллоидную частицу. Коллоидная частичка вместе с окружающим ее диффузионным слоем, называется мицеллой. На рисунке мы видим схему строения мицеллы золя Fе(ОН)₃, полученного вследствие гидролиза FеСl₃.

Золь – система, состоящая из коллоидных частичек,

распределенных в жидкой среде. Если такой средой

является вода, то система называется гидрозолем.

Мицелла состоит из ядра, образованной молекулами

Fе(ОН)_3, адсорбционно связанным с ним, потенциал

образующих водородных ионов (n Н⁺) и некоторого

количества ионов хлора [(n – х) Сl^-], меньшего, чем

количество Н^+, в результате чего коллоидная частица

имеет положительный заряд. Ионы водорода и

входящие в состав частички противоионы Сl^-

образуют двойной электрический слой. Отдельные

Сl^- (х Сl^- ) образуют диффузионный слой и вместе

с коллоидной частицей составляют мицеллу золя FеОН)₃

Строение мицеллы золя Fе(ОН)₃

В зависимости от условий образования золя потенциалобразующие ионы и противоионы могут меняться местами. Золь Аl(ОН)₃, образующийся при гидролизе Аl2(SО₄)₃, заряжен положительно при низких значениях рН воды и отрицательный – при высоких. При гидролизе Аl(ОН)₃ потенциалобразующими ионами и противоионами будут соответственно ионы Аl⁺³ и SО₄^-2_.

Известно, что коллоидная частичка находится в постоянном движении. При этом часть окружающего частичку раствора увлекается и движется вместе с ней в виде тонкой пленки. При этом она становится отрицательно заряженной, а окружающий ее раствор приобретает положительный заряд. Скачок потенциала, возникающий при этом между частью жидкости, увлекаемой коллоидной частичкой и остальным раствором, называется электрокинетическим или ξ-потенциалом. ξ-потенциал изменяется при добавлении к коллоидным системам электролитов. Когда

ξ-потенциал становится равным нулю, коллоидные частички будут находиться в изоэлектрическом состоянии (изоэлектрическим называется состояние, при котором коллоидные частички не имеют электрического заряда). В результате устраняются причины, препятствующие их сближению, коллоидные частички, соединяясь, образуют сравнительно крупные агрегаты, которые начинают осаждаться. Используемые в технологии очистки воды коагулянты, чаще всего являются солями слабых оснований и сильных кислот: Аl₂(SО₄)_3, FеСl₃, Fе SО_4. При растворении они гидролизуют.

Взаимодействуя с гидроксильными ионами, содержащимися в воде, в результате электролитической диссоциации последней эти соли образуют малорастворимые основания. В воде накапливается Н⁺ и раствор приобретает кислую реакцию. Полнота гидролиза имеет большое значение, как для самой коагуляции, так и для качества очищаемой воды, поскольку наличие алюминия в питьевой воде недопустимо. Скорость гидролиза описывается уравнением:

V_гид = К_г[Меⁿ⁺] [Н₂О] , где К –константа гидролиза;

[Меⁿ⁺] , [Н₂О] – концентрация катиона в растворе коагулянта и воды в растворе.

Из уравнения следует, что V_гид пропорциональна концентрации коагулянта. С повышением температуры на каждые 10⁰С (согласно правилу Вант-Гоффа) V_гид возрастает в 2-4 раза. Гидролиз усиливается с разбавлением коагулянта. Гидролиз солей алюминия протекает в несколько стадий:

Аl⁺³ + Н₂О ↔ Аl(ОН)^2- + Н⁺

Аl(ОН)^2- + Н₂О ↔ Аl(ОН)₂⁺ + Н⁺

Аl(ОН)₂⁺ + Н₂О↔ Аl(ОН)₃ + Н⁺

Аl⁺³ + 3Н₂О ↔ Аl(ОН)₃↓ + 3Н⁺

Степень гидролиза повышается с разбавлением раствора, повышением его температуры и рН.

Осаждение Аl(ОН)₃ начинается при рН =3 и становится полным при рН =7. Дальнейшее повышение рН ведет к растворению осадка.

Таким образом, при добавлении к воде раствора коагулянта в течение 30-180 минут происходит гидролиз добавленных солей, и образуются коллоидные гидроксиды алюминия, имеющие огромные активные поверхности. Коллоидные примеси, находящиеся в воде, адсорбируются на поверхности частичек Аl(ОН)_3.

Основными факторами, влияющими на процесс коагуляции, являются: температура и щелочность воды, концентрация ионов водорода и анионный состав воды, правильный выбор дозы коагулянта и быстрота его смешения и равномерность распределения в воде, содержание в воде естественных взвесей. В г. Новгород в качестве коагулянта используется алюминий сернокислый – 25 %-ный раствор. Этот коагулянт особенно чувствителен к рН и температуре обрабатываемой воды. Изоэлектрическая область Аl(ОН)₃ соответствует рН= 6.5-7.5. При более низких значениях рН образуются частично растворимые соли, при более высоких – алюминаты. При температуре исходной воды менее 4⁰С процесс коагуляции замедляется.

При коагуляции обязательно применяются флокулянты – высокомолекулярные вещества, интенсифицирующие процесс хлопьеобразования Аl(ОН)₃. Они принадлежат к классу линейных полимеров, для которых характерна цепочечная форма макромолекул. Молекулярная масса флокулянтов колеблется в пределах от десятков тысяч до нескольких миллионов. Они хорошо растворимы в воде. Флокулянты делят на органические и неорганические, катионные и анионные.

Интенсификация процесса коагуляции.

С увеличением дозы коагулянта до оптимальной скорость процесса хлопьеобразования и декантации Аl(ОН)₃ и Fе(ОН)₃ возрастает. Способствует этому процессу также повышение температуры и перемешивание воды. Предварительная обработка воды окислителями также повышает эффективность процесса коагуляции. Это объясняется тем, что окислители разрушают гидрофильные органические соединения, стабилизирующие дисперсные примеси воды и облегчают условия протекания коагуляции. Особенно эффективно при обработке маломутных цветных вод. Уменьшение времени хлопьеобразования при низкой температуре, и снижение дозы коагулянта может быть достигнуто введением замутнителей. Рекомендуется вводить в воду высокодисперсную глинистую взвесь в количестве 10 мг/л. Коагуляцию можно ускорить обработкой воды смесью коагулянтов, например, Аl₂(SО₄)₃ и FеСl₃ в соотношении 1:1.

К физическим методам интенсификации процесса коагуляции следует отнести аэрирование, наложение электрического или магнитных полей, воздействие ультразвуком.

Доза коагулянта для вод разного состава неодинакова и устанавливается путем пробного коагулирования. Оптимальная доза вызывает образование крупных хлопьев, быстро оседающих, и не дает опалесценцию воды. Для определения оптимальной дозы коагулянта приведена зависимость эффективности осветления и обесцвечивания воды от дозы коагулянта.

М мг/л

Ц, град

1

2

3

а Д_опт Д_к мг/л

В зоне 1 доза коагулянта недостаточна для пробного коагулирования. Начиная с дозы «а» (порог коагуляции) повышение дозы коагулянта способствует повышению эффективности очистки воды (зона 2). В зоне 3 ввиду избытка коагулянта увеличение его дозы повышает незначительно эффект очистки. Граница между зонами 2 и 3 определяет оптимальную дозу коагулянта. Необходимая доза тем больше, чем выше концентрация примесей и чем больше доминируют в примесях мелкие низкоплотные частицы. В общем виде Д_к = 4 Ц. Ц – цветность воды , град.

Можно принимать средневзвешенную дозу коагулянта по мутности.

Мутность, мг/л	Доза мг/л по безводному веществу
До 100	25-35
100-200	30-40
200-400	35-45
400-600	45-50
600-800	50-60
800-1000	60-70
1000-1500	70-80

При коагуляции важно, чтобы весь добавляемый коагулянт как можно быстро и равномерно распределился во всем объеме воды. Во 2-ой фазе требуется умеренное перемешивание воды. Дозу флокулянта можно брать из среднестатистических данных или определять опытным путем.