Природные воды как правило содержат целый набор загрязнений различной природы. Это и механические примеси, крупные частицы и взвешенные вещества, соли тяжелых металлов, органические молекулы разных размеров, бактерии, вирусы, а в некоторых случаях даже радионуклиды.
Наличие таких загрязнений ухудшает качество питьевой воды, вызывает сбои в работе запорной арматуры и насосов, забивает фильтра, ухудшая качество фильтрации и неприемлемо для большинства технологических процессов.
По этому самым первым этапом очистки воды по мнению ряда авторов многочисленных учебников по водоподготовке является очистка воды от механических загрязнений и взвешенных частиц. Данный процесс называется осветлением. Механические примеси крупного размера могут быть удалены методами отстаивания, фильтрации через насыпные фильтры, сетки и крупнопористые мембраны. Удаление более мелких частиц также может производиться путем фильтрации через различные материалы на фильтрах с меньшей пропускной способностью.
На сегодняшний день одним из самых действенных методов удаления взвешенных и коллоидных частиц является осаждение. Осадительные методы очистки характеризуются образованием малорастворимой твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные загрязнения. Как правило эта малорастворимая твердая фаза создается за счет введения специальных реагентов.
Достоинствами этого метода являются низкая стоимость, использование широкорастространенного оборудования и доступных реагентов. К недостаткам можно отнести низки коэффициент очистки и образование большого объема вторичных отходов (шлама).
Реагенты, применяемые для интенсификации процесса осаждения, можно отнести к двум большим группам – коагулянты и флокулянты.
При коагуляции происходит образование большого количества малорастворимой высокопористой фракции (шлама). Образующиеся хлопья (флокулы) обладают большой площадью поверхности и хорошей сорбционной активностью, за счет чего на поверхности этих частиц сорбируются коллоидные и взвешенные вещества. Помимо взвешенных частиц из воды удаются ил, глина, планктонные микроводоросли, бактерии и микроорганизмы. За счет ионной природы воды и растворенных в ней веществ, а так же электростатических сил, частицы, образующиеся при коагуляции притягиваются друг к другу, образуя более крупные агломераты с большой молекулярной массой, что значительно облегчает процесс их осаждения.
В качества коагулянтов обычно используют соли железа и алюминия с сильными кислотами: сульфат железа (III), хлорид железа (III), сульфат алюминия и хлорид алюминия. Соли сильных кислот и слабых основании гидролизуются при растворении в воде с образованием соответствующих гидроксидов металлов, нерастворимых соединений, на поверхности которых и происходит физическая сорбция взвешенных веществ.
Важную роль в данном процессе играет рН воды. Образование осадка гидроксида железа преимущественно происходит при рН ≥ 8 ед. При гидролизе его солей в воде образуются ионы водорода, понижающие рН, поэтому необходимо следить за его уровнем и вводить при необходимости гидроксид анионы.
При использовании солей алюминия необходимо держать рН в диапазоне 5,5‑7,5, так как из-за его амфотерности при рН < 5,5 осадок не образуется, реакция идет с образованием его основных растворимых солей. А при большем рН, выше 8, гидроокиси растворяются с образованием алюминатов других металлов.
Следует отметить, что для эффективного проведения процесса коагуляции первостепенное значение имеет выбор дозы коагулянта. Как правило доза коагулянта уточняется при пуско-наладке оборудования, однако на этапе проектирования схемы водоочистки дозу коагулянта можно рассчитать теоретически.
где Дк – доза коагулянта, мг/л,
Ц – цветность, град.
Или
где С – количество взвешенных частиц, мг/л.
А при одновременном содержании в воде взвешенных веществ и цветности принимается большая из доз коагулянта.
Процесс агрегации частиц называется флокуляцией. Введение в воду дополнительного реагента – флокулянта значительно интенсифицирует процесс осветления, так как в дополнение к непосредственному контакту частиц и образованию флокул при флокуляции происходит и их адсорбционное взаимодействие с образованием более крупных агломератов, которые легче удаляются при дальнейшей фильтрации или осаждении. Процесс образования хлопьев резко ускоряется, увеличивается плотность агрегатов и осадков, расширяется диапазон рН эффективного действия коагулянтов.
Флокулянты являются высокомолекулярными веществами с большой молярной массой, их делят на неорганические, органические, природные, синтетические, ионогенные и амфотерные. Неорганические флокулянты – активная кремниевая кислота, природные – крахмал. Синтетические представляют собой органические водорастворимые соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до миллионов. Они и получили наибольшее распространение в технологических процессах из-за лучших свойств, удобства в использовании и широкого выбора различных модификаций.
Флокулянты могут быть анионными, катионными или нейтральными.
Универсальным флокулянтом является нейтральное вещество – полиакриламид (ПАА). Реагент широко используется для повышения эффективности процессов коагуляции и реагентного осаждения. Его применяют как при подготовке питьевой или технической воды, так и при очистке сточных вод и промывных растворов.
Доза 0,1 %-го раствора ПАА составляет от 0,5 до 15 мг на 100 г взвешенных веществ. Раствор реагента вводится через 1,0-2,0 минуты после ввода коагулянта.
Наглядно процесс осаждения взвешенных веществ с использованием реагентов – коагулянта и флокулянта представлен на рисунках.
Рис. 1 – Схема процесса коагуляции.
Рис. 2 – Процесс коагуляции.