Реагенты, используемые в водоподготовке в качестве коагулянтов

В качестве реагентов для коагуляции (коагулянтов) используют сернокислый алюминий — Аl2(SO4)3•18H2O (глинозем), оксид хлорид алюминия ;

(Аl2 (OH)5 Cl•6H2O), сернокислое железо — Fe (SO4)•7H2O (железный купорос), хлорное железо — FeCl3•6H2O и сернокислое железо — Fe2(SO4)3•9H2O.

При добавлении к воде сернокислого алюминия происходит его гидролиз с образованием труднорастворимого гидроксида алюминия, который способствует слипанию коллоидных частиц и появлению в объеме воды хлопьевидной крупной взвеси.

Гидроксиды алюминия образуют в воде соли с положительным зарядом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенных солей.

При недостатке щелочного резерва к воде добавляют известь или соду (подщелачивание). Оптимально подщелачивание производить известью, так как не образуется углекислота и получается наиболее высокое значение рН воды. Процесс коагулирования примесей воды можно улучшить путем удаления углекислоты из зоны реакции продувкой воздухом. В практике водоподготовки наибольшее распространение в качестве коагулянта получил сульфат алюминия. Сульфат алюминия Аl2(SO4)3.18Н2O — неочищенный технический продукт, представляющий собой куски серовато-зеленого цвета, получаемые путем обработки бокситов, нефелинов или глин серной кислотой. Он должен иметь не менее 9% Al2O3, что соответствует содержанию порядка 30% чистого сульфата алюминия. В нем также содержится около 30% нерастворимых примесей и до 35% воды.

Очищенный сульфат алюминия получают в виде плит серовато-перламутрового цвета из неочищенного продукта или глинозема растворением в серной кислоте. Он должен иметь не менее 13,5% Аl2О3, что соответствует содержанию 45% сульфата алюминия, а также около 20% нерастворимых примесей и до 35% воды. Оба рассмотренных коагулянта перевозят навалом в закрытых железнодорожных вагонах.

Для обработки воды выпускается также 23 — 25% раствор сульфата алюминия. При его применении отпадает необходимость в специальном оборудовании для растворения коагулянта, а также упрощаются и удешевляются погрузочно-разгрузочные работы и транспортирование.

Оксихлорид алюминия (Аl2(OH)5Cl•6H2O) содержит 40 — 44% А12О3 и не содержит нерастворимых примесей, очень эффективен при обработке воды с температурой 0—9 °C. Гидроксохлорид алюминия выпускают в виде водного раствора (марка А) и в виде твердого продукта (марка Б). При его применении минерализация воды возрастает, а ее щелочность снижается в меньшей степени, чем при введении сульфата алюминия, что особенно важно при обработке мягких вод. Соединение состоит из ядра, образованного гидроксидом алюминия, адсорбционно связанных с ним потенциалообразующих водородных ионов и некоторого количества ионов хлора. Количество ионов хлора меньше, чем количество ионов водорода, в результате чего данная коллоидная частица имеет положительный заряд.

Ионы водорода, и входящие в состав частицы противоионы хлора, образуют двойной электрический слой. Отдельные ионы хлора образуют диффузионный слой и вместе с коллоидной частицей составляют мицеллу золя гидроксида алюминия (Рисунок 6).

Рисунок 8 — Коллоидная частица золя гидроксида алюминия.

Оксихлорид алюминия основная соль с основностью 5/6. Наличие гидроксильных групп способствует полному протеканию реакции гидролиза при малых дозировках соли (до 10 мг/дм3 ПО Аl2О3).

• 1 мг Al (S04)3 содержит 0.158 мг A1.
• 1 мг Al (0Н)5CI содержит 0.34 мг А1.

Технология обработки воды основана на гидролизе соли алюминия, происходящем в камере хлопьеобразования с образованием.

• 2 Al2(SO4)3+12 H2O = 4 Al (OH)3 + 6 H2SO4 ,
• 2 Al2(OH)5Cl+2 H2O = 4 Аl (OH)3+2 HCl.

Расход (соли) коагулянта оксихлорида при обработке воды меньше чем сернокислого алюминия в два раза. В действительности же расход оксихлорида алюминия будет еще меньше, так как при обработке сульфатом алюминия часть положительно заряженных сорбционных центров занята ионами SО4, при оксихлориде алюминия этого нет. В связи с уменьшением дозы коагулянта увеличивается степень его гидролиза, и улучшается качество обрабатываемой воды.

При использовании сернокислого алюминия состав воды меняется в следующем порядке:

pН = рК1+lgf1+lgЩ/СО2.

При гидролизе сернокислого алюминия образуются ионы водорода, замедляющие реакцию. Чтобы ее восстановить повышают рН добавлением извести. При этом происходит увеличение кальция, жесткости, сульфатов, общего солесодержания, углекислоты, уменьшение щелочности. Все эти показатели увеличивают агрессивность воды по отношению к карбонату кальция, высоко значение остаточного алюминия.

При применении оксихлорида алюминия состав воды меняется следующим образом:

рН = - lg (10 — рНисх*Щисх + Д/102*4*10−7)/(Щисх — Д/102).

pН меняется незначительно на 0,2 — 0,3 единиц (при дозировках до 10 мг/дм3 по Аl2О3).

Cl после обработки = Clисходной воды + 0,2*Дкоагулянта, так как 1 мг Al2(ОН)5Cl содержит 0,19 мг Cl.

Изменением щелочности, углекислоты, солесодержанием можно пренебречь при дозировках до 10 мг/дм3 по Аl2О3 оксихлорида алюминия. Остаточный алюминий в воде следы — 0.02 мг/дм3. Использование оксихлорида алюминия снижает объем осадка в отстойниках.

Wосадка = М+ Дкоагулянта* 156/Мгха + 0.25 Ц, уменьшается нагрузка на ионообменные смолы. Увеличивается фильтроцикл, снижается расход реагентов на регенерации.

Для достижения максимального экономического эффекта работы очистных сооружений целесообразно использовать гибкий режим обработки воды: в летний период Al2(SO)4, а в зимний Аl (0H)5CI. Так как в летний период вода мало минерализована и ионной силы оксихлорида алюминия недостаточно дестабилизировать дисперсную систему.

Если оксихлорид алюминия приходит в железнодорожных цистернах, то при выгрузке реагента не используется техника, грузчики.

Качество воды лучше, чем при обработке сернокислым алюминием. Остаточный алюминий колеблется от отсутствия до следов, мутность не превышает 4 мг/дм3. При обработке сернокислым алюминием остаточный алюминий ниже 0.3 мг/дм3 не бывает, мутность колеблется от 3 мг/дм3 до 12 мг/дм3 и выше, целесообразно и эффективно в зимний период года производить очистку воды оксихлоридом алюминия.

Преимущества оксихлорида алюминия способствуют:

• — уменьшению скорости коррозии металлов в системах водоснабжения и теплоснабжения, за счет исключения образования агрессивной углекислоты;
• — возможности отказа от использования щелочных агентов;
• — сокращению в 10 раз количества введенных в воду анионов в сравнении с традиционными коагулянтами;
• — обеспечению максимально высокой эффективности очистки воды от взвешенных веществ и металлов;
• — возможности использования при более низких температурах воды, чем сернокислый алюминий;
• — снижению коррозионной активности воды (отсутствие избыточных сульфатов);
• — улучшению санитарно-гигиенические условия труда, снижению трудоемкости и эксплуатационных затрат;
• — снижению содержания хлорорганических соединений;
• — обеспечению содержания остаточного алюминия менее 0,2 мг/л;
• — минимизации расхода реагента в пределах 0,3 — 3,0 мг Аl на литр воды;

Внешний вид водного раствора оксихлорида алюминия — прозрачная бесцветная жидкость (допускаются серый или белый оттенок), срок хранения которой составляет 6 месяцев.

Оксихлорид алюминия в твердом виде представляет собой пластинки или гранулы неопределенной формы различного размера белого или желтого цвета, срок хранения которых составляет 3 года.

Свойства раствора оксихлорида алюминия, произведенного в соответствии с ТУ 216 350−002−39 928 758−02:

Свойства оксихлорида алюминия в твердом виде, произведенного в соответствии с ТУ 6−09−05−1456−96:

Оптимальная доза коагулянта, которая обеспечивает максимальное снижение концентрации примесей в обрабатываемой воде, определяется качественным и количественным составом коллоидных и растворенных примесей, их физическими и физико-химическими свойствами.

В настоящее время теоретические разработки не дают возможности точного расчетного выбора необходимой дозы коагулянта, что связано с необходимостью учитывать при расчетах сложность совокупного механизма формирования коагулированной взвеси, когда физические процессы гетерокоагуляции сопровождаются химическими, такими как хемосорбция, образование малорастворимых гидрокомплексов, их полимеризация и кристаллизация, усложняемыми влиянием кинетических факторов. Оптимальные дозы коагулянта устанавливаются опытным путем в характерные периоды года с последующей оценкой интенсивности хлопьеобразования, скорости оседания хлопьев и определением остаточных концентраций органических веществ, железои кремнесодержащих соединений, ионов алюминия.

Интенсификация процесса коагулирования может осуществляться двумя путями:

• — внесением в обрабатываемую воду дополнительных реагентов — флокулянтов, окислителей, регуляторов величины рН, новых коагулирующих веществ, а также применением различных вариантов электрохимической коагуляции;
• — осуществлением наиболее рациональных способов введения коагулянтов в воду — прерывистого коагулирования, концентрированного и фракционного коагулирования, рециркуляции коагулированной взвеси через зону ввода свежих порций коагулянта и совмещения коагулирования химическим реагентами с физическими методами коагуляции — электрическим и магнитным полями, ультразвуком, вибрацией и т. д.

Процесс коагулирования можно ускорить добавлением к воде веществ, называемых флокулянталш. К флокулянтам относятся вещества, образующие с водой коллоидные дисперсные системы. Роль флокулянта сводится, к нейтрализации заряда на коллоидной частице коагулянта и к нарушению «защитных» свойств некоторых коллоидов (флокулянт можно назвать «коагулянтом коагулянта»).

В отдельных случаях флокулянты используют без коагулянтов для коагуляции мелкодисперсных загрязнений природных и сточных вод. Флокулянт может выполнять роль коагулянта только в том случае, когда в системе взвесь находится в агрегативно неустойчивом состоянии и в достаточно высокой концентрации.

Механизм действия флокулянтов некоторые авторы объясняют тем, что частицы флокулянта адсорбируются на частицах взвеси и хлопьях коагулянта, превращая их в крупные и прочные агрегаты. Время, необходимое для осветления воды, резко сокращается.

Флокулянты подразделяются на неорганические и органические, природные и синтетические, на ионогенные и амфотерные. Из неорганических флокулянтов используется активная кремниевая кислота; природными органическими флокулянтами являются крахмал, карбоксиметилцеллюлоза и др. Синтетические флокулянты получили более широкое применение из-за лучших флокуляционных свойств, среди них в основном используется в настоящее время универсальный флокулянт полиакриламид (ПАА):

Полиакриламид выпускается промышленностью в виде 8- процентного геля, который растворяют в быстроходных мешалках до концентрации 0,1%. Дозировка флокулянта составляет 0,5−1,5 мг на 100 мг взвешенных веществ в исходной воде. Раствор ПАА вводится через 0,5 — 2 мин после ввода коагулянта. Небольшие добавки этого флокулянта (до 1 мг/л) ускоряют процесс коагулирования сернокислым алюминием в 10—20 раз и уменьшают расход коагулянта в 2−3 раза.

Прерывистая коагуляция может проводиться как для двух ступенчатых, так и для одноступенчатых схем подготовки воды.

Оптимальные условия прерывистой коагуляции следует определять в каждом конкретном случае опытным путем с учетом местных условий. Интервалы времени между включением и выключением (или снижением дозы) подачи коагулянта, а также величина необходимых доз зависят от принятой схемы обработки, состава и свойств исходной воды. Прерывистое коагулирование может осуществляться подачей реагента то в оптимальной (расчетной), то в резко уменьшенной (дефицитной) дозе или путем прекращения подачи вообще. Время чередования доз и прекращения подачи реагента может быть самым разнообразным. Если подача происходит в течение 20—40 мин, то перерыв в подаче реагента (или в подаче дефицитной дозы) может быть равен времени подачи (при наличии в системе очистки осветлителей со слоем взвешенного фильтра или контактных осветлителей) или сокращен до 5—10 мин (в системах с отстойниками).

Чтобы решить вопрос о целесообразности прерывистого коагулирования для одноступенчатых схем очистки воды, следует знать: при обработке цветных вод болотного происхождения, богатых органическими примесями, режим прерывистого коагулирования эффективен лишь до цветности 40—45 град.; для речных вод со значительным содержанием взвешенных веществ и легкоустранимой цветностью (частично минерального происхождения), что характерно для паводковых вод, границы применения прерывистого коагулирования расширяются до цветности 100 град.; при прерывистом коагулировании имеет место уменьшение грязевой нагрузки на КО, которая может достигать 18—35% по сравнению с режимом обычного коагулирования, а это ведет к уменьшению требуемого количества промывной воды на 15—20%.

Осуществление прерывистого коагулирования может дать экономию коагулянта в количестве 20—45%.

При концентрированной коагуляции используется положение, что скорость любой реакции прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Сущность способа заключается в том, что полная расчетная доза коагулянта (или несколько уменьшенная) подается только в часть обрабатываемой воды (50—60% общего расхода воды). Растворение коагулянта только в части воды повышает его начальную концентрацию, создавая тем самым оптимальные условия коагуляции и ускоряя процесс хлопьеобразования. мутность очистка вода коагуляционный После перемешивания обработанной реагентом воды с необработанной процесс протекает в среде с готовыми первичными хлопьями, которые служат центрами коагуляции. Вся среда представляет собой полидисперсную систему с искусственно сдвинутым началом хлопьеобразования. Одновременно усиливается и адсорбция веществ, обусловливающих цветность воды, на поверхности образующихся хлопьев.

При фракционном коагулировании ввод расчетного количества коагулянта осуществляется порциями: ¾ расчетной дозы коагулянта вводится предварительно, а ¼ — через 2—3 мин, к фракционному коагулированию относится и коагулирование воды различными коагулянтами в разных соотношениях.

Сернокислый аммоний — сульфат аммония — (NH4)2SO4.

Сернокислый аммоний — один из компонентов в технологии очищения питьевой воды методом хлорирования. Используется в технологии хлорирования воды с аммонизацией, вводится в обрабатываемую воду за несколько секунд до хлора, с хлором образует хлорамины — связывая свободный хлор, благодаря чему значительно сокращается образование хлорорганики вредной для организма человека, сокращается расход хлора, уменьшается коррозия труб водоводов.

Бесцветные прозрачные кристаллы (или белый порошок) без запаха, с = 1,8 т/м3.

Сульфат аммония (аммоний сернокислый) упаковывают в четырех — шестислойные бумажные или полиэтиленовые мешки, хранят в закрытых складских помещениях, защищающих продукт от попадания влаги. Фасовка: мешки, 25 кг. Хранить в холодном сухом месте, в хорошо проветриваемом помещении. Гарантийный срок хранения — 6 месяцев.

Применяется вместо аммиака при аммонизации воды. Аммиак является кислотой, которая получается химическим путём и является опасным веществом 4-ого класса, при попадании внутрь организма представляет реальную физическую опасность для его здоровья. Заменой вводом сульфат аммония, безопасной солью — вода не только обладает обеззараживающим действием, но и не наносит вреда здоровью. Токсичность сульфата аммония очень низкая.

Вдыхание порошка может вызвать раздражение дыхательных путей слизистых оболочек. Случайное проглатывание способно привести к нарушению работы ЖКТ, рвоте, диарее. При работе следует соблюдать общие требования безопасности и правила личной гигиены, пользоваться перчатками. После работы вымыть лицо и руки с мылом.

К практическим занятиям: Технологические показатели качества воды после коагуляции сернокислым алюминием изменяются следующим образом:

Общая жесткость и ее виды принимают следующие значения (мгэкв/дм3): Жккоаг = Жкисх — Дк;

Жнккоаг = Жнкисх + Дк;

Жокоаг = Жоисх, где Дк — доза коагулянта, мг-экв/дм3.

Щелочность остаточная Щосткоаг = Щоисх — Дк.

Если Щоисх меньше Дк необходимо производить подщелачивание воды перед коагуляцией добавлением NaOH в количестве.

DЩ = Дк — Щоисх + Щосткоаг, принимая значение Щосткоаг = 0.7 мг-экв/дм3.

3. Концентрация SO42- получается равной:

СSO42- = СисхSO42- + 48.03 · Дк, мг/дм3.

• 4. Концентрация хлор-иона остается равной исходной.
• 5. Кремнесодержание уменьшается и становится равным (0.4 — 0.5) · СSiO2.
• 6. Окисляемость снижается на (50 — 60)% от исходной — ОК.
• 7. Содержание ГДП после коагуляции в осветлителе обычно не превышает 5 — 10 мг/дм3, а после осветлительных фильтров — 1 мг/дм3. Неполное снижение окисляемости и кремнесодержания при коагуляции объясняются присутствием в обрабатываемой воде не только коллоидных, но и ионных форм органических веществ и кремнесодержащих соединений.

Пример. На основе изложенных ранее положений определите показатели качества воды после проведения коагуляции сернокислым алюминием с дозой Дк = 0.50 мг-экв/дм3.

Качество исходной воды:

Находим показатели качества воды после коагуляции:

ОКкоаг = 0.4 · ОК = 0.4 · 20 = 8.0 мгО2/дм3;

CSiO2коаг = 0.5 · СSiO2 = 0.5 · 6.0 = 3.0 мг/дм3;

Жокоаг = Жо = 1.66 мг-экв/дм3;

Жккоаг = Жк — Дк = 1.60 — 0.50 = 1.10 мг-экв/дм3;

Жнккоаг = Жнк + Дк = 0.06 + 0.50 = 0.56 мг-экв/дм3;

Щокоаг = Щоисх = СНСО3 — Дк = 1.60 — 0.50 = 1.10 мг-экв/дм3;

СSO42-коаг = СSO42- + Дк = 0.29 + 0.50 = 0.79 мг-экв/дм3;

ЖСакоаг = 1.2 мг-экв/дм3.

СCl-коаг = 0.24 мг-экв/дм3.

СNaкоаг = 0.47 мг-экв/дм3.

SКm = SАн = 2.13 мг-экв/дм3.

Оптимальную дозу коагулянта можно рассчитать в зависимости от мутности воды по эмпирически установленной формуле:

Dк = 3,5 * М0,5, г/м3.

где Dк— доза безводного коагулянта А12(SO4)3, г/м3;

М? мутность исходной воды, мг/л.

Дозу технического Аl2(SO4)3 рассчитывают по следующей формуле:

D Al2(SO4)3 = 100Dк / a Al2(SO4)3, г/м3.

а — процентное содержание активной части в продукте.

Аl2(SO4)3 * 14Н2O, содержащий 45% сульфата алюминия, а также около 20% нерастворимых примесей и до 35% воды.

Масса гидроокиси алюминия, выделившаяся в осадок, равна РAl (OH)3 = 156 Dк / 342 ,.

где 156 и 342 -молекулярные массы соответственно гидроксида алюминия Al (OH)3 и сульфата алюминия Al2(SO4)3.

Количество нерастворимых примесей, поступающее в воду с коагулянтом, равно Рн. р= bн. р * D Al2(SO4)3 / 100, г где bн. р? содержание нерастворимых примесей в техническом сульфате алюминия, %.