Коагуляция и флокуляция

Физико-химическая очистка сточных вод

Коагуляция (лат. coagulatio — свертывание, сгущение) - объединение мелких частиц дисперсных систем в более крупные (агрегаты) при их соударении. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрическом поле (электрокоагуляция), механического воздействия на систему (перемешивания, вибрации) и др.(рис.2.17)

Рис. 2.17. Коагуляция частиц

Различают быструю и медленную коагуляцию. При быстрой коагуляции почти каждое соударение частиц эффективно, т. е. приводит к их соединению; при медленной коагуляции соединяется часть сталкивающихся частиц. В жидкой среде, например при коагуляции золей, укрупнение частиц до известного предела (приблизительно до размера 10^-4 см) не сопровождается их оседанием или всплыванием. Дальнейший рост частиц приводит к образованию сгустков или хлопьев (флокул), выпадающих в осадок (коагулят, коагель) или скапливающихся в виде сливок у поверхности.

Коагуляция - самопроизвольный процесс, который, в соответствии с законами термодинамики, является следствием стремления системы перейти в состояние с более низкой свободной энергией. Однако такой переход затруднен, а иногда практически невозможен, если система агрегативно устойчива, т. е. способна противостоять укрупнению (агрегированию) частиц.

Нарушить агрегативную устойчивость можно, например, повышением температуры (термокоагуляция), перемешиванием или встряхиванием, введением коагулирующих веществ (коагулянтов) и другими видами внешнего воздействия на систему. Минимальная концентрация введенного вещества, электролита или неэлектролита, вызывающая коагуляцию в системе с жидкой дисперсионной средой, называется порогом коагуляции. Иногда коагуляция обратима; в благоприятных условиях, особенно при введении поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностную межфазную энергию и облегчающих диспергирование, возможен распад агрегатов на первичные частицы (пептизация) и переход коагеля в золь.

Быстрая коагуляция для неподвижной среды при броуновском движении частиц, по теории Смолуховского, описывается:

где C – текущая концентрация частиц, 1/см³;

C₀ – начальная счетная концентрация частиц, 1/см³;

K_τ – константа скорости коагуляции, см³/с.

Константа скорости коагуляции определяется выражением:

,

где: k – константа Больцмана, эрг/град;

T – абсолютная температура, град;

η - вязкость коллоидного раствора, дин·с/см²;

W – вероятность эффективного столкновения частиц.

Коагуляция играет важную роль в очистке природных и сточных вод от высокодисперсных механических примесей. Методы коагуляции чаще всего применяют в процессах очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности от коллоидных (0,001–0,1 мкм) и мелкодисперсных (0,1–10 мкм) твердых и жидких (нефтепродукты, смолы) включений.

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлозы и др. Наиболее распространненным неорганическим флокулянтом является диоксид кремния (xSiO₂·yH₂O). Из синтетических органических флокулянтов в нашей стране наибольшее применение получил полиакриламид – технический (ПАА) и гидролизованный (ГПАА). Оптимальная доза ПАА для очистки промышленной сточных вод колеблется в пределах 0,4–1 г/м³.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: приготовление растворов коагулянтов и флокулянтов в воде, дозирование их в сточную воду, смешение реагентов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев. Схема установки для очистки воды коагуляцией приведена на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Схема установки для очистки воды коагуляцией (1 – емкость для приготовления растворов; 2 – дозатор; 3 – смеситель; 4 – камера хлопьеобразования; 5 – отстойник)

Приготовление коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках (не менее двух). Концентрация раствора коагулянта в расходных баках должна составлять 10–17 масс. %. Обычно продолжительность растворения при температуре воды 10°С принимают равной 10–12 ч. Перемешивание в расходных баках производят лопастными мешалками, сжатым воздухом или циркуляционными насосами. Дозирование растворов или суспензий коагулянтов осуществляют с помощью насосов-дозаторов.

Для смешения коагулянтов со сточной водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических перегородчатых смесителях (рис. 2.19) смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды. В аппаратах с механическими устройствами процесс перемешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки.

Рис. 2.19. Перегородчатый смеситель: (1 – коридор; 2 – перегородка; 3 – окно)

После смешения сточных вод с реагентами воду направляют в камеры хлопьеобразования. Образование хлопьев протекает медленно – в течение 10–30 мин. Камеры нужны для образования крупных, прочных, быстрооседающих хлопьев гидроксидов металлов с захваченными ими примесями. Обычно используют перегородчатые камеры, реже – камеры с механическими мешалками. Перегородчатая камера (рис.2.20) представляет собой резервуар, разделенный перегородками на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды в коридорах принимают равной 0,2–0,3 м/с. Чтобы предотвратить разрушение образовавшихся хлопьев гидроксидов металлов при переходе супензии из камер хлопьеобразования в отстойники, камеры обычно изготавливают примыкающими к отстойникам или встроенными в них так, чтобы камеры хлопьеобразования и отстойники представляли собой одно сооружение. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях.

Рис. 2.20. Перегородчатая камера хлопьеобразования:(1 – окна; 2 – коридор; 3 – перегородки)

Часто стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате – осветлителе-коагуляторе со взвешенным слоем осадка. Один из таких аппаратов показан на рис.2.21. Сточная вода, смешанная с коагулянтом, поступает в воздухоотделитель. Затем жидкость движется по центральной трубе к распределительным соплам, которые служат для приведения воды во вращательное движение в кольцевой зоне, куда вводят флокулянт и где образуются хлопья коагулянта. Взвешенные частицы с хлопьями оседают на дно, и их удаляют из аппарата. Осветленная вода через отверстия попадает в верхний желоб, откуда отводится на дальнейшую обработку или использование. Эффективность очистки в отстойниках-осветлителях со взвешенным слоем осадка выше, чем в обычном отстойнике, и может достигать 70 %.

Рис. 2.21. Коагулятор-осветлитель: (1 – корпус; 2 – желоб; 3 – отверстия для удаления осветленной воды; 4 – воздухоотделитель; 5 – центральная труба; 6 – распределительные трубы)

Оборудование для дозировки коагулянта в обрабатываемую воду рассчитывают, исходя из максимальной дозы коагулянта. Расход коагулянта определяют по формуле:

Q_k^сут = 24∙Q_п.в.∙Э_к∙q_к/1000,

гдe Q_к^сут — расход безводного 100%-го коагулянта, кг/сут;

Q_{п.в .} — производительность водоподготовки, м³/ч;

Э_к — эквивалент безводного коагулянта: Al₂(SO₄)₃ — 57,02; FeSO₄ — 75,16; FeCl₃ — 54,07;

q_к — максимально необходимая доза коагулянта, мг-экв/л.

Расход раствора коагулянта:

V_k^сут = Q_k^сут∙100/(1000∙p∙ρ_к),

где V_к^сут — объем суточного расхода раствора коагулянта, м³/сут;

р — концентрация безводного коагулянта в дозируемом растворе, принимаемая равной 5—10%;

ρ_к — плотность раствора коагулянта, т/м³.

Расход технического коагулянта, кг/сут, определяют по формуле:

Q_тк^сут = Q_k^сут∙100/(С),

где C — содержание коагулянта Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ или FeCl₃ в техническом продукте, %.

Объем расходного бака коагулянта принимают по конструктивным соображениям из расчета приготовления раствора примерно 1 раз в сутки, но не чаще чем 1 раз в смену.

Флокуляция (лат. flocculi = клочья, хлопья), вид коагуляции, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой среде, образуют рыхлые хлопьевидные скопления (флокулы). Флокуляция в жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) происходит под влиянием специально добавляемых веществ - флокулянтов, а также при тепловых, механических, электрических и прочих воздействиях. Эффективные флокулянты - это растворимые полимеры, особенно полиэлектролиты. Действие полимерных флокулянтов обычно объясняют адсорбцией нитевидных макромолекул одновременно на различных частицах. Возникающие при этом агрегаты образуют хлопья, которые могут быть легко удалены отстаиванием или фильтрованием. Флокулянты (поликремниевая кислота, полиакриламид и др.) широко используются при подготовке воды для технических и бытовых нужд, обогащении полезных ископаемых, в бумажном производстве, в сельском хозяйстве (для улучшения структуры почв), в процессах выделения ценных продуктов из производственных отходов, обезвреживания промышленных сточных вод. При водоочистке полимерные флокулянты применяют обычно в концентрации 0,1=5 мг/л. Флокуляция под действием органических веществ в природных водоёмах - важный фактор их самоочищения.

Дата добавления: 2015-05-07