Производственные стоки часто представляют собой сложные в обработке устойчивые взвеси, суспензии и коллоидные растворы.

Способ преобразования мельчайших примесей в крупные – наиболее оптимальный метод очистки, когда «потяжелевшие» фракции быстро оседают и затем легко удаляются.

Укрупнение частиц начинается после введения в воду определенных химических добавок, а процесс называется «коагуляция»

Введение реагентов в качестве коагулянтов не делает воду опасной, не приводит к ухудшению состояния приемников очищенных стоков – природных водоемов. Как происходит коагуляция, какие вещества запускают механизм слипания частиц, какие преимущества метода перекрывают все недостатки — эти и другие вопросы рассмотрим в данной статье.

Суть процесса

В состав СВ входят примеси твердых веществ:

  • глины;
  • каолина;
  • различных волокон;
  • цемента;
  • солей

а также жидких веществ (нефти и нефтепродуктов, смол).

Размер частиц загрязняющих примесей промышленных стоков:

  • коллоидных – 0,001–0,1 мкм;
  • мелкодисперсных– 0,1–10 мкм;
  • крупных – от 10 мкм.

Во время механической обработки легко удаляются примеси с крупными фракциями (≥ 10 мкм), но устранить из раствора мелкодисперсные и коллоидные примеси практически невозможно.

Частицы осаждаются быстрее, если их размер/масса увеличиваются. Чтобы ускорить отстаивание СВ с тонкодисперсными и эмульгированными загрязнениями, применяют коагуляцию. Химические добавки, стимулирующие процесс коагуляции, называются коагулянтами.

Коагуляция – способность дисперсных систем выделяться из раствора под воздействием внешних факторов. На частицы воздействуют диффузные силы, после чего они начинают равномерно распределяться в воде. В случае, когда электрические знаки у частиц имеют один и тот же заряд, происходит их отталкивание.

При уменьшении уровня электрического заряда мощность отталкивания снижается и становится возможной коагуляция – явление, при котором мельчайшие элементы коллоидной системы сталкиваются и слипаются в более крупные и тяжелые фракции – хлопья или флокулы.

Коллоиды обладают слабым отрицательным зарядом, а хлопья коагулянтов – слабым положительным, поэтому возникает взаимное притяжение.

Хлопья быстро оседают под воздействием силы тяжести, попутно сорбируя коллоидные и взвешенные примеси, затем их агрегируют. Осаждаясь вместе с загрязнениями, хлопья очищают воду.

На эффективность коагуляции влияют:

  • тип коллоидных частиц;
  • дисперсность раствора;
  • концентрация загрязнений;
  • присутствие электролитов;
  • показатель электрокинетического потенциала.

Алгоритм

Очистка СВ коагуляцией начинается с предварительного отстаивания в отстойниках и состоит из следующих этапов:

  1. Подготовка водного раствора реагентов.
  2. Дозировка и введение состава в сточную воду.
  3. Перемешивание для максимального взаимодействия активного вещества и примесей.
  4. Хлопьеобразование.
  5. Осаждение хлопьев.

Фото 2

Дальнейшая обработка СВ производится также в отстойниках – горизонтальных, радиальных, вертикальных.

Наиболее эффективное отделение твердой фазы происходит под действием центробежных и центростремительных сил в центрифугах и гидроциклонах.

Технологии

Введение добавок проводится разными методами:

  1. Непрерывный процесс с возвратом осадка. Часть коагулированных примесей возвращается в начало технологической схемы для максимального извлечения загрязнений.
  2. Раздельная коагуляция. Коагулянт вводится в небольшую порцию стоков, затем быстро перемешивается во всем объеме.
  3. Дробная коагуляция. Реагент подается порциями.
  4. Периодическая коагуляция. Реагент вводится по заданному алгоритму времени.

Описание очистки способом коагуляции

Укрупнение частиц в результате слипания – прогрессирующий процесс, который активизируется во время перемешивания, теплового движения, направленного перемещения во внешнем силовом поле водной массы. За счет слипания в дисперсионной среде общее число частиц уменьшается.

Во время коагуляционной обработки стоков коллоидные и мелкодисперсные частицы начинают контактировать с агрегатами, образующимися при введении коагулянтов. Агрегаты из отдельных частиц формируются под влиянием сил межмолекулярного взаимодействия.

Если объединяются однородные фракции, идет процесс гомокоагуляции. При слипании разнородных элементов происходит гетерокоагуляция – основной вид коагуляции.

Коллоидные частицы – совокупность молекул вещества, присутствующего в сточной жидкости в диспергированном состоянии. При перемещении коллоиды, чья поверхность имеет значительную удельную площадь, прочно удерживают водный слой. При адсорбции ионов преимущественно одного электрического заряда происходит явное понижение свободной поверхностной энергии коллоидных частиц.

Адсорбционный слой могут составлять и противоположно заряженные ионы. Чем выше валентность иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда загрязняющей частицы, тем более заметен коагулирующий эффект.

Электрические заряды одного знака способствуют взаимному отталкиванию частиц в жидкой фазе. При этом между ними сохраняется связь – продолжают действовать молекулярные силы взаимного притяжения, максимально проявляясь на небольшом расстоянии. Если искусственно снизить электрический заряд, уменьшится и сила отталкивания частиц, что в результате приведет к их слипанию.

Чтобы запустилась коагуляция, расстояние между частицами должно быть таким, чтобы начали действовать силы притяжения и химического сродства, фракции сближаются во время броуновского движения, при условии турбулентного движения водного потока.

При коагуляции солями алюминия и железа коагулирующее действие наступает вследствие гидролиза, при котором образуются гидроксиды этих металлов. Малорастворимые соединения сорбируют на поверхности хлопьев взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные вещества.

Если гидродинамическая обстановка благоприятна, плотные и тяжелые хлопья начинают осаждаться, образуя слой осадка на дне отстойника. По мере увеличения концентрации электролита скорость коагуляции возрастает.

Взвешенные вещества оседают с разной скоростью, которая зависит от:

  • формы;
  • размеров;
  • плотности;
  • шероховатости поверхности частиц,

а также от температуры воды.

Сначала процесс очистки взвеси протекает с наибольшей эффективностью, затем, после осаждения самых плотных частиц, замедляется.

Фото 3

Побочные продукты гидролиза (серная и соляная кислоты) нейтрализуются щелочью, например, известью. Но процесс нейтрализации кислот может происходить сам собой, без введения реагента – за счет резерва щелочи самих СВ.

В «списке» оборудования типичной системы коагуляционной очистки стоков:

  • отстойник;
  • растворный бак;
  • камера хлопьеобразования;
  • насос-дозатор;
  • лопастная мешалка;
  • циркуляционный насос;
  • насос подачи воды в отстойник;
  • задвижки с электроприводом.

Виды

Иногда вместо традиционной схемы проведения коагуляции путем введения в воду коагулирующих реагентов применяют другие модификации этой технологии.

Электрокоагуляция

Вещество, способствующее слипанию частиц, может быть получено электролизом. Технология пропускания электротока через загрязненную воду, называется электрокоагуляцией (гальванокоагуляцией).

Способ часто применяется на машиностроительных и металлообрабатывающих заводах для очистки стоков гальванического производства (в основном для извлечения из хромсодержащих вод ионов хрома).

Кроме того, электрокоагуляция применяется для извлечения из СВ:

  • масляных;
  • жировых;
  • нефтяных;
  • хроматных;
  • фосфатных примесей.

Для коагуляции используются аноды из алюминия или железа. Во время окисления электроды начинают выделять в водную среду заряженные ионы, что приводит к дестабилизации частиц. В раствор переходят катионы металлов, которые вступают в реакцию с водой и образуют гидроксиды, способные вызвать агрегирование.

Электрокоагуляция и гальванокоагуляция различаются способом растворения железа. В первом методе железо растворяется электрохимически – при наложении на стальные аноды потенциала от внешнего источника питания. Во втором железо растворяется гальванохимически – за счет разности потенциалов, возникающей при контакте железа с медью (коксом).

Электрокоагуляция – прямой процесс, легко контролируемый и регулируемый дистанционно. Отсутствие химических добавок приводит к образованию меньших объемов шлама (ила), который обычно безвреден, поддается быстрому обезвоживанию, требует меньших затрат для обработки и утилизации.

Другие преимущества электролитической технологии:

  • компактность установки;
  • не требуется приготовление рабочих растворов.

Ограничения в применении электрокоагуляции вызваны большими эксплуатационными расходами, связанными со значительным потреблением электроэнергии и частой заменой легко поддающихся коррозии металлических электродов. Кроме того, система может периодически требовать добавления кислот для регулирования pH.

Флокуляция

Иногда слипание частиц загрязнений идет недостаточно быстро и качественно, поэтому прибегают к флокуляции – разновидности коагуляции, которая отличается от «стандартной» только добавляемым в СВ реагентом.

Флокулянты – легкорастворимые в воде вещества, которые перераспределяют заряды на поверхности дисперсных частиц, способствуя слипанию в хлопья.

Реагенты-флокуляторы помогают расширить границы оптимальных значений рН и температуры среды.

Кроме того, флокулирующие вещества:

  • увеличивают плотность и прочность хлопьев;
  • улучшают отделение осадка;
  • снижают расход коагулянтов;
  • повышают пропускную способность и надежность эксплуатации очистных установок.

Виды флокулирующих добавок:

  • крахмалы;
  • порошки из водорослей;
  • мезга картофеля;
  • жмых;
  • синтетические вещества, например, полиакриламиды;
  • активные формы кремниевой кислоты.

Флокулянты применяются одновременно с коагулянтами или самостоятельно.

Коагулянты

Для коагуляции СВ используют минеральные или полимерные добавки:

  • бентонит;
  • известь;
  • электролиты;
  • растворимые соли алюминия;
  • соли железа и их соединения;
  • соли магния: хлорид магния, сульфат магния;
  • глины;
  • шлаки, содержащие диоксид кремния;
  • полиакриламид.

Фото 4

Полимерные вещества стимулируют агрегацию твердых загрязнений.

В качестве коагулянтов могут использоваться различные промышленные отходы – шламы и утратившие качество растворы производства этилбензола, травления металлов, например:

  • хлорид алюминия;
  • сульфат двухвалентного железа;
  • известковый шлам.

Выбор коагулянта для очистки стоков зависит от:

  • состава вещества;
  • физико-химических свойств;
  • концентрации и состава загрязнений;
  • рН и солевого состава воды
  • экономической целесообразности применения для очистки стоков определенного качества.

Объем используемого коагулянта зависит от:

  • его категории;
  • расхода;
  • состава;
  • требований к качеству очистки воды;
  • определяется экспериментально.

Наиболее эффективные коагулянты – соли железа:

  • активны при низкой температуре воды;
  • имеют широкий диапазон оптимальных значений рН и качества водной среды;
  • образуют быстроосаждаемые хлопья с высокой плотностью, прочностью и гидравлической крупностью;
  • ликвидируют неприятные запахи сероводородных соединений.

Среди недостатков соединений железа как коагулянтов:

  • образуют в результате реакции с органикой сильно окрашивающие растворимые комплексы;
  • обладают сильными кислотными свойствами, что приводит к коррозийному разрушению оборудования;
  • недостаточно развитая поверхность хлопьев.

Еще более качественный результат коагуляции достигается при смешивании сульфата алюминия и хлорного железа.

Коагулянты обычно хранятся в емкостях (баках или резервуарах) в виде раствора или порошкового (кускового) продукта. Из растворных резервуаров коагулянты перекачивают (пересыпают) в расходные емкости, а затем дозируют в обрабатываемую СВ с помощью дозаторов.

Реагенты смешивают с загрязненной водой в смесителях различных конструкций:

  • перегородчатых;
  • шайбовых;
  • вертикальных;
  • дырчатых;
  • механических с пропеллерными или лопастными мешалками.

Хлопья формируются в течение 10–40 минут в перегородчатых, вихревых, водоворотных камерах хлопьеобразования. Некоторые модели предполагают механическое перемешивание.

Отведение воды в камеры хлопьеобразования и осветлители осуществляется через трубопроводы или лотки.

Плюсы, минусы и особенности метода

Структура сформировавшихся конгломератов рыхлая и пространственная, поэтому влажность осадка может достигать 99 %. Для обработки высококонцентрированных и интенсивно окрашенных стоков расход реагентов составляет 1-4 кг/м3, при этом объем осадка доходит до 10-20 % объема обработанной воды.

Минусы метода как технологии самостоятельной очистки

  • большой расход коагулянтов;
  • значительное количество осадка;
  • сложность его утилизации;
  • увеличение уровня минерализации воды.

Коагуляция целесообразна при небольших расходах СВ и при наличии недорогих коагулянтов.

Объем твердых примесей во время коагуляции уменьшается, но для достижения этого результата требуется введение добавок аналогичной химической природы. Некоторые соединения (например, кремнезем) становятся источниками поступления в воду опасных мышьяка, фтора, меди.

Точная дозировка подбирается опытным путем, требует тщательного тестирования и периодической корректировки в зависимости от изменяющегося состава стоков.

Ил также достаточно опасен из-за происхождения добавляемых компонентов. Масса и токсичность осадка приводят к увеличению затрат на обезвоживание и утилизацию.

Низкая температура среды замедляет хлопьеобразования, поэтому период коагуляции зимой продолжительнее, чем летом.

Но и плюсов у технологии немало:

  • ускоряется процесс общей очистки стоков;
  • вода очищается сразу от множества разнородных примесей;
  • очистка может проводиться не в специальных резервуарах, а прямо в механической фильтрационной системе путем введения реагента в трубопровод с исходной водой непосредственно перед подачей на фильтрование;
  • осаждаются самые мелкие коллоидные частицы и минеральные загрязнения – те, что обычно могут не осесть во время седиментации (физической очистки воды с использованием силы тяжести для удаления взвешенных частиц), и способны преодолеть барьеры последующей системы фильтрации;
  • во время коагуляции вместе с твердыми загрязнениями в осадок увлекаются и микроорганизмы, что способствует обеззараживанию воды.

Чтобы оптимизировать расход коагулянтов, СВ должны быть в диапазоне оптимальных значений рН. Например, коагуляцию солями алюминия проводят при значениях рН=4,5, солями алюминия – при рН>9.

Полезное видео

В видео ролике рассказано подробно о том, как происходит процесс коагуляции и как его можно использовать для очистки вод:

Заключение

Среди множества технологий очистки стоков различного качества все более широко применяются методы введения неорганических и органических коагулянтов, способных укрупнить­ частицы дисперсной базы в агрегаты, интенсифицировать процессы разделения твердой и жидкой фаз механическими методами – путем осаждения, фильтрования, центрифугирования.

В основе действия коагулянтов – потенциал воздействия на устойчивость дисперсных систем через изменение баланса сил притяжения и отталкивания между частицами.

Методы коагуляции наиболее экономически целесообразны и эффективны при обработке специфических стоков химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, текстильной промышленности.