Коагуляция и флокуляция в процессе очистки сточных вод

В практике очистки природных и сточных вод все более ши­рокое распространение находят вещества, обеспечивающие укруп­нение частиц дисперсной базы в агрегаты, и способствующие ин­тенсификации процессов разделения твердой и жидкой фаз путем осаждения, фильтрования, центрифугирования и т.д. Такими ве­ществами являются неорганические и органические электролиты-коагулянты. В основе действия коагулянтов лежит способность воздействовать на устойчивость дисперсных систем через изме­нение баланса сил притяжения и отталкивания между частицами.

Обработка коагулянтами водных дисперсных систем нашла широкое распространение в практике очистки сточных вод хими­ческих, нефтехимических, целлюлозно-бумажных производств, предприятий силикатной промышленности, предприятий по произ­водству синтетических смол и пластмасс, переработке продук­ции сельского хозяйства и многих других.

Закономерности процесса коагуляции, т.е. укрупнения дисперсных частиц в
результате их взаимодействия и объединения в агрегаты, интерпретируются теорией гетерокоагуляции, кото­рая описывает взаимную коагуляцию разнородных частиц.
Гетерокоагуляция являемся наиболее общим случаем взаимодействия частиц, который имеет важнейшее значение в практике очистки сточных вод и обезвоживания осадков.

В качестве коагулянтов используются соли, образованные многозарядными катионами слабых оснований и анионами сильных кислот. В воде указанные соли подвергаются гидролизу с обра­зованием комплексных ионов. Наибольшее распространение получили сульфаты и хлориды алюминия и железа. Образовавшиеся в процессе гидролиза коллоидные золи гидроксидов алюминия и железа коагулируют с образованием агрегатов. Последние вместе с частицами дисперсной фазы сточных вод осаждаются и, таким образом, очищают ее.

Гидролиз коагулянтов является одним из наиболее важных процессов коагуляции. Полнота его протекания влияет как на качество разделения суспензии, так и на расход коагулянта. Решающим фактором, который обеспечивает максимальную эффективность использования коагулянтов при очистке сточных вод, является создание условий для проведение гидролиза в необходимом направлении путем изменения концентрации коагулянта в дисперсной системе, значения рН и ионного состава дисперсной среды. В случае разделения дисперсных систем с отрицательным зарядом дисперсной фазы эти условия должны обеспечить получение положительно заряженных гидроксокомплексов, в случае разделения дисперсных систем с положительным зарядом дисперсной фазы – отрицательно заряженных гидроксокомплесов.

Наряду с сульфатами и хлоридами алюминия и железа в по­следнее время все более широкое распространение находят коа­гулянты с повышенной основностью – гидросульфаты и гидроксохлориды алюминия. Преимущества дигидроксосульфата [Al₂(SO₄)₂(OH)₂]·11Н₂О перед сульфатом алюминия заключается в более широком диапазоне рН, высокой хлопьеобразующей способности. Гидроксокомплексы, образующиеся при гидролизе этого вещества, несут более высокий положительный заряд. Его коррозионная актив­ность значительно ниже, чем у сульфатов алюминия. В настоящее время наибольшее распространение получил пентагидроксохлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl. Характерным отличием этого коагулянта являе­тся широкая зона оптимальных значений рН, особенно в кислой области. Коагулянт хорошо работает при разделении дисперсных систем с небольшим содержанием дисперсной фазы, отличается низкой коррозионной активностью.

Для коагуляции дисперсных систем с низким значением рН используют алюминат натрия. При более высоких значениях рН алюминат натрия применяют совместно с сульфатом алюминия.

Высокую эффективность во многих случаях дает применение смесей коагулянтов. При этом обеспечивается значительное ра­сширение области оптимальных значений рН и температуры, хло­пья осаждаются равномернее, чем в случае применения отдель­ных коагулянтов. Известно применение смеси Al₂(SO₄)₃ и FeCl₃ в соотношении 1:1.

Для регулирования устойчивости дисперсных систем в последнее время все шире применяются различные водорастворимые полимеры, весьма малые добавки которых могут радикально из­менить стабильность дисперсий. Они широко используются при очистке природных и сточных вод от дисперсных примесей, концентрировании и обезвоживании суспензий, для улучшения фильтрационных характеристик осадков и т.д. В основе всех этих процессов, называемых флокуляцией, лежит изменение степени агрегации дисперсных частиц под влиянием высокомолекулярных соединении (ВМС). В отличие от компактных коагулянтов, обра­зующиеся в результате флокуляции крупные агрегаты (флокулы), обладают значительной рыхлостью. Флокуляция, как правило, процесс необратимый: в этом случае невозможно путем уменьшения содержания в растворе реагента (как это наблюдалось при коагуляции) осуществить пептизацию (редиспергирование) осад­ка.

Высокомолекулярные флокулянты обычно подразделяются на три группы: неорганические полимеры, вещества природного происхождения и синтетические органические полимеры. Наиболее широкое применение нашел последний класс флокулянтов. Наиболее распространенными флокулянтами являются полиакриламид (ПАА), сополимеры акриламида, акрилонитрила и акрилатов, натриевые соли полиакриловой и полиметакриловой кислот, поли-диметиламиноэтилакрилаты (ПДМАЭА) и др.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: приготовление рабочих растворов коагулянтов и флокулянтов, дозирование и смешение реагентов со сточной водой, хлопьеобразование, осаждение хлопьев.

Приготовление рабочих растворов осуществляется в гидравли­ческих или механических смесителях. Концентрация рабочих ра­створов коагулянтов обычно составляет 3–5 %, иногда до 7 %, концентрация рабочих растворов флокулянтов – до 1 %. После смешения сточной воды с рабочими растворами коагулянтов, ко­торое может осуществляться также в гидравлических или механ­ических смесителях, воду направляют в камеры хлопьеобразования, куда могут добавляться флокулянты для интенсификации данного процесса. Используют перегородчатые, вихревые и с ме­ханическими мешалками камеры. Образование хлопьев в камерах происходит медленно – за 10–30 минут. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках, осветлителях и других аппаратах, рассмотренных ранее. Иногда стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате.

В процедуре разработки метода интенсификации и повышения эффективности очистки сточных вод от взвешенных веществ с использованием коагулянтов и флокулянтов можно условно выделить четыре этапа:

1. Пробное коагулирование, в ходе которого выбираются наиболее эффективные коагулянты и флокулянты или их сочетание, устанавливается оптимальный расход и порядок введения реагентов.

2. Выбор режима смешения реагентов со сточной водой. При этом необходимо обеспечить быстрое и равномерное распределение реагентов в обрабатываемой воде для максимального контакта частиц загрязнения с промежуточными продуктами гидролиза коагулянтов.

3. Выбор режима хлопьеобразования. Хлопьеобразование мо­жет проходить с введением и без дополнительного введения флокулянтов. На этой стадии необходимо проводить медленное пере­мешивание, чтобы не разрушить образовавшиеся на предыдущих этапах первичные структуры и обеспечить образование вторич­ных структур (крупных агрегатов).

4. Определение параметров отделения скоагулированных за­грязнений сточных вод, которые могут быть использованы при проектировании или выбо­ре очистного оборудования. В данной работе в качестве метода очистки сточных вод от взвешенных веществ используется отст­аивание – наименее энергоемкий, наиболее доступный и распро­страненный метод.