67

Лабораторная работа 6

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ КОАГУЛЯНТОВ И ФЛОКУЛЯНТОВ

Цель работы: изучить факторы, оказывающие влияние на эф-фективность очистки сточных вод с использованием коагулянтов; оз-накомиться с методами экспериментального определения оптималь-ных доз коагулянтов и приемами их использования в процессе очист-ки сточных вод.

Задание. 1. Определить оптимальный расход коагулянта при очистке сточной воды заданного состава. 2. Установить влияние режима перемешивания воды на эффек-тивность очистки. 3. Определить гидравлическую крупность частиц сточных вод для заданной эффективности очистки. 1. Общие положения

Для очистки производственных сточных вод, содержащих за-грязнения в виде тонкодисперсной взвеси и коллоидов, применяют метод коагулирования химическими реагентами коагулянтами. В качестве таких реагентов часто используют гидролизирующиеся со-ли, образованные многозарядными катионами слабых оснований и анионами сильных кислот. Наибольшее распространение получили соли алюминия и железа: сульфат алюминия A12(SO4)3, оксохлорид алюминия Aln(OH)mCl, алюминат натрия NaA1O2, алюмокалиевые и алюмоаммонийные квасцы, хлорид железа FeCl3, сульфат двухва-лентного железа FeSO4, сульфат трехвалентного железа Fe2(SO4)3. Особенностью этих солей является способность образовывать в ре-зультате гидролиза малорастворимые оксигидраты.

A12(SO4)3 + 6Н2О → 2А1(ОН)3 + 3H2SO4;

А1(ОН)2С1 +Н2О → А1(ОН)3 + НС1;

FeCl3 + ЗН2О → Fe(OH)3 + 3HC1;

Fe2(SO4)3 + 6Н2О → 2Fe(OH)3 +3H2SO4;

FeSO4 + 2H2O → Fe(OH)2 +H2SO4.

(62)

Гидролиз коагулянтов является одним из наиболее важных про-цессов коагуляции. Полнота его протекания влияет как на качество

68

разделения суспензий, так и на расход коагулянта. Гидроксид двух-валентного железа обладает значительной растворимостью, поэтому его переводят в трехвалентную форму, используя окислители, на-пример кислород воздуха:

Fe2+ e → +Fe3+; Fe3+ + 3(OH) → Fe(OH)3 (63) Образующиеся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты

следует нейтрализовать известью или другими щелочами. Нейтрали-зация кислот может также протекать за счет щелочного резерва сточ-ной жидкости:

Н+ + HCO3- = СО2 + Н2О (64)

Величина резервной щелочности, которая должна оставаться по-сле обработки воды коагулянтом, рекомендуется не менее 1 мг-экв/л.

Наряду с сульфатом и хлоридами алюминия и железа в последнее время все более широкое распространение находят коагулянты с по-вышенной основностью гидроксосульфаты и гидроксохлориды алюминия. Основные преимущества, например, дигидроксосульфата [(А12(SО4)2(ОН)2] · 11Н2О перед сульфатом алюминия заключаются в более широком диапазоне рН, высокой хлопьеобразующей способно-сти. Гидроксокомплексы, образующиеся при гидролизе этого веще-ства, несут более высокий положительный заряд. Его коррозионная активность значительно ниже, чем у сульфата алюминия. Расход коа-гулянта на 1520% ниже, чем сульфата алюминия.

Для регулирования устойчивости дисперсных систем в последнее время все шире применяются различные водорастворимые высоко-молекулярные соединения (ВМС) флокулянты. Они широко ис-пользуются при очистке природных и сточных вод от дисперсных примесей, концентрировании и обезвоживании суспензий, для улуч-шения фильтрационных характеристик осадков, структуры почв и т.п. А также для интенсификации процесса образования хлопьев гид-роксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаж-дения, снижения дозы коагулянтов, уменьшения продолжительности процесса коагуляции.

2. Коагуляция и флокуляция в технологии очистки сточ-

ных вод

Введение в сточную воду коагулянтов вызывает сложную после-довательность химических и физико-химических взаимодействий ио-

69

нов реагента с ионами и мицеллами веществ, находящихся в воде. При введении в воду коагулянтов происходит их диссоциация. Обра-зующиеся при этом поливалентные катионы коагулянта Al3

+, Fe3+,

Fe2+ вступают в ионный обмен с катионами адсорбционного слоя от-

рицательно заряженных коллоидных частиц загрязнений, понижая их стабильность.

По установлении равновесия между катионами в адсорбционном слое коллоидных частиц и в растворе происходит гидролиз избытка коагулянта. В результате гидролиза в зависимости от рН среды обра-зуются гидрофобные коллоиды малорастворимых гидроокисей алю-миния или железа либо их основных солей. Эти коллоиды имеют ог-ромную активную поверхность и играют основную роль при очистке воды коагуляцией.

Коллоидные частицы загрязнений адсорбируются на поверхности коллоидных частиц гидроокиси, коагулирующихся под действием растворенных в воде электролитов с образованием хлопьев, которые сорбируют и захватывают при осаждении (ортокинетическая коагу-ляция) находящиеся в воде примеси. В результате прохождения этих процессов нарушается агрегативная устойчивость системы, что при-водит к образованию макродисперсии, отделяемой методами осажде-ния, флотации или фильтрования.

На эффективность действия коагулянтов оказывает влияние большое количество факторов. В технологии коагулирования воды следует учитывать состав и свойства загрязнений сточных вод, дозу и состав коагулянта, температуру и рН воды, условия введения и пере-мешивания реагирующих веществ. Решающим фактором, обеспечи-вающим максимальную эффективность использования коагулянтов при очистке сточных вод, является создание условий для проведения их гидролиза в требуемом направлении путем изменения концентра-ции коагулянта в дисперсной системе, значения рН и ионного состава дисперсионной среды.

Оптимальные значения рН при использовании в качестве коагу-лянта сульфата алюминия достигается в интервале значений рН сре-ды от 57,5, а алюмината натрия 9,39,8; при использовании хло-рида железа в интервале значений 3,5–6,5 или 8–11; при использо-вании сульфата двухвалентного железа от 9 до 10,5.

Из гидроксохлоридов алюминия в настоящее время в наиболь-шем количестве производят и применяют пентагидроксохлорид алю-

70

миния А12(ОН)5С1. Характерным отличием этого коагулянта являет-ся широкая зона оптимальных значений рН, особенно в кислой об-ласти. Коагулянт хорошо работает при разделении дисперсных сис-тем с небольшим содержанием дисперсной фазы, отличается низкой коррозионной активностью.

Высокую эффективность во многих случаях дает применение смесей коагулянтов. При этом обеспечивается значительное расши-рение области оптимальных значений рН и температуры. Хлопья осаждаются равномернее, чем в случае применения отдельных коагу-лянтов.

Известно применение смеси хлорида железа (III) и сульфата алюминия в соотношении 1:1. Смешанные коагулянты могут полу-чаться как путем приготовления смеси из готовых коагулянтов, так и из отходов. В последнем случае используются отходы производства глинозема из бокситовых руд и отработанные травильные растворы.

Высокомолекулярные флокулянты обычно подразделяют на три группы: неорганические полимеры, вещества природного происхож-дения и наиболее широко применяемые синтетические органические полимеры. ВМС чрезвычайно эффективные флокулянты дисперс-ных систем, даже весьма малые их добавки могут радикально снизить агрегативную и седиментационную устойчивость дисперсий.

Флокулирующее действие ВМС зависит от ряда факторов: при-роды и количества добавляемого полимера, его молекулярной массы и заряда, условий введения реагента, содержания в системе дисперс-ной фазы и электролитов и др.

В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлени-ях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных час-тиц; ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флоку-лянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса.

При действии флокулянтов между коллоидными частицами об-разуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и пол-ному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на несколь-ких частицах с образованием между ними полимерных мостиков.

Наиболее распространенными флокулянтами являются полиак-риламид (ПАА); сополимеры акриламида, акрилонитрила и акрила-

71

тов; натриевые соли полиакриловой и полиметакриловой кислот; по-лидиметиламиноэтилакрилаты (ПДМАЭМА) и др.

В процедуре разработки метода интенсификации и повышения эффективности очистки сточных вод коагулянтами и флокулянтами можно условно выделить четыре основных этапа:

1. Пробное коагулирование, в ходе которого выбираются наибо-лее эффективные коагулянты и флокулянты или их сочетание, уста-навливается оптимальный расход и порядок введения реагентов.

Пробное коагулирование проводится в сравнимых условиях в части перемешивания, отбора проб, критериев оценки эффективности очистки. На этом этапе целесообразно использовать по возможности показатели, характеризующие уровень загрязненности сточной воды, которые можно достаточно быстро определить. В случае очистки сточных вод от грубодисперсных и коллоидных частиц такими пока-зателями могут быть мутность; для растворенных веществ, опреде-ляющих цветность воды оптическая плотность и т. д.

В качестве критерия оценки эффективности действия коагулян-тов можно использовать также параметры, характеризующие устой-чивость коллоидной системы, например, дзета-потенциал. Оптималь-ная дозировка реагентов отвечает изоэлектрическому состоянию дис-персной системы или отличающемуся от него на 35 мВ. Иногда дос-таточно снизить (увеличить) дзета-потенциал до ±20 мВ. Однако оп-ределение дзета-потенциала в настоящее время представляет собой довольно сложную задачу.

Связь между электрокинетическими параметрами дисперсной системы и значениями рН осветленной воды и осадка установлена Хартли – Роу:

рНо = рНр 0,216 · w , (65) где рНо и рНр активность водородных ионов скоагулированного

осадка и в осветленной жидкости, находящейся над осадком; w электрофоретическая подвижность частиц, которая связана с их потенциалом. Таким образом, разность рН осадка и осветленной жидкости от-

ражает значение дзета-потенциала частиц, а критерием оптимальной дозы коагулянта может быть min(рНр рНо).

2. Выбор режима смешения реагентов со сточной водой. При смешении реагентов с исследуемой водой необходимо обеспечить

72

быстрое распределение реагентов в обрабатываемой воде для макси-мального контакта частиц загрязнения с промежуточными продукта-ми гидролиза коагулянтов.

Основными параметрами процесса, определяемыми при этом, яв-ляются продолжительность смешения и интенсивность смешения G, характеризующаяся градиентом скорости. Последний параметр рас-считывается в зависимости от типа смесительных устройств по фор-мулам, приведенным ниже.

Перегородчатая камера: G = {[m · V1

2 + (m – 1) · V22 ] · Q · / (2 · W ·

}1/2, (66)

где m число перегородок; V1 и V2 скорости движения воды, м/с; Q расход воды, м3/с; плотность воды, кг/м3; W – объем камеры, м3; динамическая вязкость воды, Па·с. Механическая мешалка:

G = ( N / W · · · · n )1/2, (67)

где N мощность, затрачиваемая на вращение, Вт; n частота вращения мешалки, с1. Параметром, по которому производят сравнение различных ре-

жимов смешения реагентов с водой, является скорость процесса раз-деления, которую можно охарактеризовать временем достижения за-данного эффекта очистки.

В табл. 13 приведены ориентировочные значения параметров смешения реагентов с водой.

Таблица 13

Значения параметров смешения реагентов с водой

Реагент Продолжительность смешения Градиент скорости, с

Сульфат алюминия 15–30 с 200

Хлорное железо 15–30 с 200

Железный купорос 10 мин 100

Известь 60 с 200

73

Флокулянты 60–90 с 200

3. Выбор режима хлопьеобразования. Хлопьеобразованием назы-вают процесс укрупнения коагуляционных структур, образующихся на стадии быстрого смешения.

В первом случае оптимальный размер хлопьев, обеспечивающий максимальную скорость разделения, достигается путем медленного перемешивания сточной воды, обработанной реагентами. Оптималь-ная продолжительность перемешивания по Кэмпу и Штейну опреде-ляется из выражения G · = 104105 , где G и выражены соответст-венно в с1 и с.

Во втором случае после введения коагулянтов в сточную воду вводят флокулянт. Параметры перемешивания при этом отличаются от рассмотренных выше и подбираются опытным путем в зависимо-сти от природы флокулянта.

4. Определение параметров отделения скоагулированных загряз-нений сточных вод, которые могут быть использованы при проекти-ровании или выборе очистного оборудования. В работе в качестве метода разделения скоагулированных загрязнений используется от-стаивание наиболее доступный, наименее энергоемкий и распро-страненный метод.

Современный технологический расчет отстойников различных типов основан на информации о кинетике осаждения взвешенных веществ, связывающей величину эффективности отстаивания Э с временем отстаивания t. По данным кинетики осаждения определяет-ся расчетная гидравлическая крупность частиц.

Определение гидравлической крупности, соответствующей за-данной эффективности очистки, проводят по кривым осаждения, по-лученным для фиксированной глубины слоя отстаивания (рис. 19) по соотношению

U = h / t, (68) где h глубина слоя отстаивания, мм;

t время отстаивания, обеспечивающее заданную эффективность очистки, с. Значение гидравлической крупности зависит от условий экспе-

римента, которые чаще всего не совпадают с параметрами работы оборудования систем очистки.

Поэтому полученное значение гидравлической крупности должно быть скорректировано с учетом высоты слоя отстаивания, которая обычно значительно больше той, которая используется в эксперимен-

74

тальных исследованиях:

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Время осаждения t , мин

Э, %

h2

h1

Рис. 19. Экспериментальные кривые кинетики осаждения взвешенных веществ

nK/hHtKHU)(

1000

110

, (69)

где H глубина проточной части в отстойнике, м; K коэффициент использования объема отстойника выбранной конструкции; n показатель, учитывающий склонность частиц дисперсной фа-зы к агломерации в процессе осаждения, определяемый по фор-муле

)/lg()/lg(

21

21

hhttn , (70)

где h1 и h2 высота слоев отстаивания в лабораторных условиях (при

75

этом h1> h2), м; t1 и t2 продолжительность отстаивания в соответствующих сло-ях, при которой достигается заданный эффект очистки, с. Полученное значение гидравлической крупности может исполь-

зоваться при расчете реальных отстойников. 3. Описание лабораторных установок и методика выполне-

ния работы

3.1. Пробное коагулирование

Пробное коагулирование проводят на установке, представляю-щей собой штативы с 9-ю цилиндрами емкостью 250 см. Работу про-водят следующим образом. Для заданного диапазона расходов коагу-лянтов (например, 20300 мг/л) рассчитывают количество (мл) рабо-чих растворов реагентов, приливаемых в каждый цилиндр, с учетом процентного содержания товарного продукта и объема обрабатывае-мой воды. Плотности растворов при этом принимают равными 1 г/см3. В цилиндры помещают сточную воду (200 мл), дозируют в каждый цилиндр заданное количество коагулянта и производят пере-мешивание.

Дозирование растворов коагулянтов проводят с помощью пипе-ток или дозатором жидкости ДЖ-1. После пользования дозатором его тщательно промывают водой для предотвращения коррозии. Пере-мешивание рекомендуется проводить трехкратным полным верти-кальным ходом мешалки. При использовании нескольких реагентов перемешивание производят после каждого введения реагентов.

Выбор расходов коагулянтов и режима их использования в про-цессе пробного коагулирования проводят совместно с преподава-телем.

При совместном использовании коагулянтов и щелочных реаген-тов расход последних определяют следующим образом. В стакан на-ливают 100 мл сточной воды и добавляют объем коагулянта, соответ-ствующий наибольшей дозе принятого диапазона. После перемеши-вания в сточную воду порциями (0,1–1,0 см3) добавляют раствор ще-лочи (для известкового молока используют только жидкую фазу сус-пензии из верхнего слоя). После добавления каждой порции щелочи определяют рН смеси. Добавление щелочи проводят до требуемого значения рН.

По результатам титрования рассчитывают удельную дозу щелочи

76

Дщ на 1 мг/л дозы коагулянта: Дщ = 10 Vщ / Дк , (71)

где Vщ объем щелочи, израсходованный на приведение исследуемо-го раствора к заданной величине рН, мл; Дк доза коагулянта, мг/л. Объем щелочного раствора, добавляемого в каждый цилиндр, со-

держащий определенную дозу коагулянта, необходимый для приве-дения рН к заданному значению, находят по формуле

Vщ i = Дщ i Дк i . (72) После добавления реагентов и перемешивания фиксируют номе-

ра цилиндров, соответствующие конкретным условиям обработки, и начинают отсчет времени. В процессе отстаивания отмечают время начала образования хлопьев, время начала осаждения, время конца осаждения, а также вид хлопьев. Через 2030 мин или через 1 ч, если осаждение не закончится, из каждого цилиндра пробоотборником (шприцем) отбирают пробу воды из верхнего слоя, не взмучивая оса-док. В пробе определяют оптическую плотность (или мутность) на КФК-2МП, рН осветленной воды и осадка и другие показатели, ха-рактеризующие уровень загрязненности сточной воды. Порядок ра-боты на приборах изложен в соответствующих инструкциях. Полу-ченные результаты заносят в табл. 14.

Таблица 14

Результаты пробного коагулирования

Номер ци-

линд-ра

Название коагулянтов и их расход, мг/л

Время начала осажде-ния, с

Время конца

осажде-ния, с

Оптиче-ская

плотность очищен-ной воды

Объем осадка, % от объема сточной

воды

рН

осадка освет-ленной воды

На основании полученных результатов строят графики в коорди-натах оптическая плотность доза коагулянта, (рНр рНо) доза коагулянта, объем осадка доза коагулянта. По графикам выбирают наиболее эффективные режимы обработки сточной воды реагентами. По указанию преподавателя в очищенной воде может быть определе-но остаточное содержание катиона коагулянта или флокулянта.

77

3.2. Определение гидравлической крупности взвешенных частиц

Гидравлическую крупность определяют для режима реагентной обработки, выбранного в ходе пробного коагулирования. Определе-ния проводят на установке, представляющей собой отстойные колон-ны, имеющие штуцера, позволяющие отбирать пробы на различной высоте отстаивания. Для определения гидравлической крупности к сточной воде объемом, соответствующим выбранной отстойной ко-лонне (2100, 500 или 290 мл), приливают раствор коагулянта в коли-честве, соответствующем оптимальной дозе, определенной на этапе пробного коагулирования. Перемешивают и переносят в колонну, предварительно убедившись, что все штуцера для отбора проб воды закрыты. После заливки обработанной воды в отстойную колонну начинают отсчет времени и через каждые 25 мин на каждой задан-ной глубине отстаивания (обычно две h1 и h2) отбирают пробы воды для анализа на содержание взвешенных веществ или для определения оптической плотности. По полученным данным строят кривые кине-тики осаждения (рис. 19). Эффективность очистки определяют отно-сительно содержания взвешенных веществ или оптической плотности исходной воды:

0

0

DDD Э , (73)

где D0 и D оптическая плотность (содержание взвешенных веществ) исходной и отстоявшейся воды соответственно. Для заданной эффективности очистки определяют гидравличе-

скую крупность в лабораторном опыте и для условий, соответствую-щих реальным аппаратам большой емкости и глубины (по формуле (69)).

3.3.Выбор режима смешения реагентов со сточной водой

Работу проводят с использованием двухлопастной пропеллерной мешалки с регулируемой частотой вращения.

Требуемую частоту вращения устанавливают с помощью ЛАТРа. Необходимый объем сточной воды в емкости для перемешивания помещают под мешалку, устанавливают заданный режим перемеши-вания и дозируют коагулянт. Время перемешивания выбирают, руко-водствуясь табл. 13. В процессе перемешивания частоту вращения

78

мешалки не меняют. Выдержав требуемую продолжительность пере-мешивания, мешалку выключают путем снижения ЛАТРом напряже-ния питания до нуля. Через определенный промежуток времени, со-ответствующий интервалу между дозированием реагентов, вводят второй реагент (флокулянт) и ЛАТРом устанавливают требуемый режим перемешивания. После истечения заданного времени переме-шивания мешалку выключают, сточную воду заливают в отстойную колонну и снимают кривую кинетики осаждения взвешенных ве-ществ (см. п. 3.1).

Исходные данные для расчета градиента скорости или для выбо-ра режима перемешивания, соответствующего заданному градиенту скорости, приведены в инструкции по эксплуатации мешалки.

Выбор наилучшего режима смешения реагентов и хлопьеобразо-вания проводят путем сравнения кривых кинетики осаждения взве-шенных веществ, построенных для исследуемых режимов перемеши-вания.

Вопросы для самоконтроля

1. Практическое применение реагентной коагуляции в техноло-гии очистки природных и сточных вод.

2. Коагулянты и флокулянты, используемые в процессах очистки сточных вод.

3. Факторы, влияющие на эффективность действия коагулянтов и флокулянтов в процессах очистки сточных вод.

4. Схемы применения коагулянтов и флокулянтов в технологии очистки сточных вод.

5. Методика выбора реагентов и условий их применения в про-цессе очистки сточных вод.

33