CC BY
706
УДК 628.3
Н. А. Черников, А. С. Наврузова, М. В. Попова
ПРИМЕНЕНИЕ КОАГУЛЯЦИИ, ФЛОКУЛЯЦИИ
и флотации при очистке ВОДЫ
Проанализированы некоторые особенности изложения сложных процессов очистки воды (коагуляции, флокуляции и флотации) в «Техническом справочнике по обработке воды». Показано, что информация приводится с теоретическим обоснованием, но в доступном виде, даются обобщённые сведения, необходимые и удобные для разработки технологических схем очистки воды и проектирования сооружений.
коагуляция, флокуляция, флотация, коллоиды, восходящая скорость пузырьков воздуха в воде, технологические схемы очистки воды.
Введение
Фирма «Дегремон» является одной и крупнейших и авторитетных в мире по производству и внедрению сооружений для обработки вод различного происхождения и назначения и образующихся при этом осадков. Компания работает на мировом рынке с 1939 г.
Отличительной особенностью, заслуживающей внимания и одобрения, нужно признать тщательное рассмотрение механизмов процессов при очистке воды и обработке осадков, а также популяризацию научных исследований в этой сфере. Для этой цели начиная с 1950 г. было опубликовано 10 французских, 6 английских, 3 испанских и 2 российских издания «Технического справочника по обработке воды». В разработке второго двухтомного российского издания (2007 г.) 1 принимали участие преподаватели кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидравлика» ПГУПС.
В статье рассмотрены некоторые особенности применения процессов коагуляции, флокуляции и флотации в сооружениях, разработанных фирмой.
1 Технический справочник по обработке воды. В 2 т. / л. Андриамирадо, Ж.-М. Жюльв, Д. Азанси и др.; научн. ред. М. И. Алексеев, В. Г. Иванов, А. М. Курганов, Г. П. Медведев, Б. Г. Мишуков, Ю. А. Феофанов, Л. И. Цветкова, Н. А. Черников ; пер. с франц. - СПб. : Новый журнал, 2007. - 1737 с.
182
1 Процессы коагуляции и флокуляции
Процессы коагуляции и флокуляции облегчают удаление взвешенных веществ и коллоидов путем их концентрирования в форме хлопьев (флокул) с последующим отделением в системах отстаивания флотации и/или фильтрования.
Эти процессы являются базовыми для полной или частичной корректировки характеристик воды, обусловленных наиболее инертными примесями (илы, глины, коллоиды) или живыми организмами (планктонные микроводоросли; микроскопические беспозвоночные, в особенности цисты простейших паразитов).
В справочнике сравнительно просто даны различные сведения, необходимые для проектирования технологической схемы очистки воды. Примером может служить информация, приведённая в таблице 1, где перечислены некоторые материалы и живые организмы с указанием их размеров и времени, необходимого для их оседания (седиментации) под действием лишь собственного веса в слое воды высотой 1 м при температуре 20 °С.
ТАБлИЦА 1. Продолжительность отстаивания различных частиц
согласно закону Стокса
Диаметр частиц Тип частицы Продолжительность отстаивания в слое воды высотой 1 м Удельная площадь поверхности, м2/м3 Вид частиц
мм мкм
10 104 Гравий 1 с 6 • 102 Оседающие ВВ
1 103 Песок 10 с 6 • 103
10-1 102 Мелкий песок 2 мин 6 • 104
10-2 10 Шламы 2 ч 6 • 105
10-2 10 Цисты простейших 20 ч 6 • 105 Коллоиды
10-3 1 Глина 2 сут 6 • 106
10-3 1 Бактерии 8 сут 6 • 106
10-4 10-1 Коллоид 2 года 6 • 107
10-5 10-2 Коллоид 20 лет со о
Из таблицы 1 можно видеть, что коллоиды являются частицами, которые: не способны отстаиваться естественным образом; имеют чрезвычайно развитую удельную поверхность, что предопределяет устойчивость их суспензии в воде.
183
Для достижения более высокой скорости осаждения потребовалось бы объединить огромное количество коллоидных частиц в агрегаты размером не менее 10-100 мкм. Однако такие агрегаты будут отталкиваться друг от друга под действием электростатической силы, препятствующей их сближению, и полученная суспензия сохранит высокую устойчивость.
Следует отметить также всестороннее рассмотрение теоретических вопросов очистки воды и обработки осадков.
Рассмотрим это на примере изложения теории двойного слоя, лежащей в основе теории о коагуляции коллоидов.
Коллоиды, находящиеся в исходной воде, являются, как правило, носителями отрицательного заряда (дефекты кристаллической решетки, ионизация периферийных химических групп и т. д.). Чтобы нейтрализовать этот отрицательный поверхностный заряд, положительные ионы (называемые противоионами), которые также присутствуют в исходной воде или специально добавляются к ней, притягиваются к отрицательно заряженным коллоидным частицам, образуя вокруг них двойной электрический слой. Предлагались различные теории двойного электрического слоя (рисунок):
- теория Гельмгольца (Helmhollz): слой положительно заряженных ионов полностью перекрывает поверхность коллоидной частицы и обеспечивает электронейтральность образовавшегося комплекса (фиксированный слой);
- теория Гуи-Чапмана (Gouy-Chapman): слой положительных ионов неравномерно распределен по поверхности коллоидной частицы; нейтральность комплекса реализуется на большем расстоянии (диффузный слой);
- теория Штерна (Stern), объединяющая две вышеупомянутые модели и предполагающая образование двойного электрического слоя: первый слой образован ионами жидкости, прилегающими к коллоидной частице, тогда как второй слой диффузно распределен в жидкости, окружающей эту частицу.
Флокуляция состоит в агломерировании частиц (предварительно лишенных заряда) с образованием микрофлокул путем их “сшивания” гидроксильными мостиками, образующимися в результате гидролиза неорганических коагулянтов, либо макромолекулами катионных полиэлектролитов. Микро-флокулы объединяются затем в более крупные флокулы, поддающиеся отстаиванию. Этот процесс флокуляции можно оптимизировать добавлением еще одного реагента, называемого флокулянтом.
Градиент скорости является важным параметром, определяющим скорость флокуляции.
В процессе флокуляции градиент скорости влияет на вероятность столкновения микрофлокул. Однако существенно увеличивать его значение физически невозможно. Дело в том, что при слишком высоких значениях образующаяся флокула оказывается под воздействием механического сдвига, приводящего к ее разрушению.
184
Продолжительность процесса коагуляции составляет секунды, тогда как продолжительность флокуляции - минуты (типичный пример: 3 с и 20 мин).
Для выбора наилучшего реагента (по показателям качество/цена) и определения доз для обработки этим реагентом обычно необходимо провести специальное тестирование.
В таблице 2 приведены рекомендуемые дозы реагента для солей железа или алюминия в технологии осветления.
ТАБлИЦА 2. Рекомендуемые дозы реагента для солей железа или алюминия
в технологии осветления
Доза, г/м3 Кристаллизованные сульфатные квасцы Хлорное железо FeCI3
Чистое Раствор 41 %-ный
Поверхностные воды Флокуляция на фильтре 3-10 1,5—4,0 3,5-10,0
Отстаивание воды:
слабо загрязненной 15-30 6-12 15-30
среднемутной 30-60 12-25 30-60
сильномутной 60-150 25-60 60-150
сильно окрашенной 100-250 40-100 100-250
содержащей планктон 60-150 25-60 60-150
Сточные воды: необработанные 40-300 16-120 40-300
в третичной обработке 10-60 4-25 10-60
2 Флотация
Флотация представляет собой процесс разделения фаз жидкость - твердое вещество или жидкость - жидкость, применяемый в отношении частиц, плотность которых меньше плотности содержащей их жидкости. Отделенные частицы собираются в виде пены (флотопродукт) на поверхности жидкости.
Флотацию называют естественной, если разность между природной плотностью агрегатов частиц и плотностью воды достаточна для их разделения.
Принудительной флотацией называют процесс, в котором для улучшения отделения частиц, обладающих природной флотируемостью (но имеющих недостаточную скорость разделения), используются различные внешние средства (воздух или воздух плюс различные реагенты).
185
Восходящая скорость пузырьков воздуха в воде в значительной степени зависит от их размеров. Это наглядно представлено на рисунке.
Пузырьки размером 0-20 мм в воде при 10 °С (уравнения Стокса, Аллена, Ньютона)
флотация флотация
Диаметр пузырьков, мм
Восходящая скорость пузырьков воздуха в воде
В таблице 3 систематизированы условия применения различных способов флотации для обработки воды и приводятся некоторые характеристики этих процессов.
ТАБЛИЦА 3. Условия применения различных способов флотации для обработки воды и характеристики этих процессов
Метод Расход воздуха, Нл/м3 воды Размеры пузырьков Поглощаемая мощность на 1 м3 обработанной воды, Вт-ч/м3 Теоретическое время пребывания во флотаторе, мин Поверхностная гидравлическая нагрузка, м/ч
1 2 3 4 5 6
Принудительная флотация (извлечение жиров) 100-400 2-5 мм 5-10 5-15 10-30
Извлечение жиров мелкими пузырьками, например в установке Sedipac 3D - 0,5-1 мм 2-4 5-10 10-30
186
Окончание табл. 3
Метод Расход воздуха, Нл/м3 воды Размеры пузырьков Поглощаемая мощность на 1 м3 обработанной воды, Вт-ч/м3 Теоретическое время пребывания во флотаторе, мин Поверхностная гидравлическая нагрузка, м/ч
1 2 3 4 5 6
Механическая флотация (вспенивание) с реагентами 10 000 0,2-2 мм 60-120 4-8 -
Напорная флотация (осветление питьевой воды и ПСВ) 5-40 40-70 мкм 40-80 5-25 (кроме флокуляции) 4-40
Напорная флотация при сгущении активных илов 100-150 40-70 мкм 300-400 - 1-3
Напорная флотация при сгущении осадков гидроксидов 20-60 40-70 мкм 100-200 - 3-12
Заключение
Таким образом, после рассмотрения довольно сложных процессов очистки воды (коагуляции, флокуляции и флотации) можно отметить, что информация в «Техническом справочнике по обработке воды» приводится с теоретическим обоснованием, но в доступном виде, даются обобщённые сведения, необходимые и удобные для разработки технологических схем очистки воды и проектирования сооружений.
© Черников Н. А., Наврузова А. С., Попова М. В., 2012
187
