5896

21

РАЗДЕЛ 3.

ПРОЦЕСС КОАГУЛИРОВАНИЯ ВОДЫ

3.1. Общая часть

Многие вещества, обусловливающие цветность и мутность воды, находятся в воде в коллоидном состоянии. Коллоидные частицы относятся к ультрамикрогетерогенным примесям, имеющим размер частиц от 7 -10 до 9 -10 м, обладающих высокой агрегативной устойчивостью за счет одноименного заряда. Это гуминовые вещества, мельчайшие глинистые и почвенные частицы, а также кремниевая кислота.

Для очистки воды от примесей в воду вводят коагулянты, которые способствуют объединению (слипанию) мелкодисперсных частичек в результате их столкновений и действия сил межмолекулярного притяжения. Коагулянты – это соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой, попадая в воду, подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимых гидроокисей. В качестве коагулянтов на водопроводах применяют сульфат алюминия АI2(SО4)3, оксихлорид алюминия Aln(OH)mCl3n-m, хлорид железа FеСl3; смешанный коагулянт, состоящий из сульфата алюминия и хлорида железа, взятых в соотношении 1:1. Реже применяют сульфат железа (III) Fe2(SО4)3 и железа (II) FeSО4, а также алюминат натрия NaAlO2. Характеристики некоторых коагулянтов приведены в Приложении 2.

Коагулянты, за счет своего положительного заряда атомов и особенной структуры, провоцируют образование устойчивых связей между мелкими частицами в воде, большинство из которых имеют отрицательный заряд.

Сущность очистки воды коагуляцией заключается в том, что при попадании в жидкость достаточного количества коагулянта образуются хлопья гидроокисей, которые адсорбируют частицы примесей из воды и выпадают вместе с ними в осадок, образуя коллоидные гидроксиды алюминия или железа (жидкость начинает сначала немного мутнеть, а затем на дне образовывается белый осадок).

Гидролиз кислого коагулянта сопровождается образованием кислоты в количестве, эквивалентном активной концентрации раствора коагулянта.

Гидролиз сульфата алюминия (полная реакция): Al2(SO4)3 + 2H2O 2Al(OH)3 + 3H2SO4

Гидролиз хлорида железа (III) (полная реакция): FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3HCl

Гидролиз оксихлорида алюминия (моногидроксохлорида Al): Al(OH)Cl2 + 2H2O Al(OH)3 + 2HCl

Появление в растворе в результате гидролиза кислоты и связанное с этим повышение концентрации ионов Н+ тормозят гидролиз. Необходимым условием для протекания реакции гидролиза в сторону образования

22

гидрооксидов алюминия и железа является связывание выделяющейся при гидролизе кислоты в малодиссоциированное соединение. В природных водах протекание гидролиза коагулянта обеспечивается так называемым щелочным резервом воды, т.е. наличием в воде определенного количества ионов НСО3- (гидрокарбоната кальция).

Гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2 превращает выделяющуюся при гидролизе коагулянта кислоту в малодиссоциированную угольную кислоту, которая распадается на углекислый газ и воду.

Са(НСО3)2 + Н2SО4 СаSО4 + 2Н2СО3 Н2СО3 2СО2 + 2Н2О

Суммарное уравнение реакции гидролиза сульфата алюминия:

Аl2(SO4)3 + 3Са(НСО3)2 2Аl(ОН)3 + 3CaSO4 + 6CO2

При гидролизе 1 мг сульфата алюминия расходуется 0,017 мг-экв ионов НСО3- (или 0,017 мг-экв щелочности), а 1 мг хлорида железа (III) - 0,018 мг-экв щелочности.

Гидролиз коагулянтов протекает довольно быстро, в течение первых 30 секунд после введения коагулянта в воду он заканчивается образованием коллоидных гидроксидов алюминия и железа. Образовавшиеся коллоидные системы коагулянтов адсорбируют на своей поверхности вещества, загрязняющие воду, а также захватывают их при своем осаждении, что и приводит к осветлению и обесцвечиванию воды.

Расчетные дозы коагулянтов для предварительных ориентировочных расчетов могут приниматься согласно рекомендациям [2] в зависимости от цветности и мутности воды. Эти дозы часто существенно отличаются от доз, необходимых для обработки данной воды. Оптимальную дозу реагента, обеспечивающую достижение необходимого эффекта осветления, устанавливают на основе технологического анализа воды используемого источника - пробным коагулированием. Метод экспериментального определения доз коагулянта является наиболее достоверным, дающим возможность получить воду необходимого качества с учетом остаточных концентраций загрязнений от природной взвеси и нерастворимой части вводимых реагентов.

Оптимальной дозой коагулянта называется наименьшая доза его, обеспечивающая достижение необходимого эффекта осветления и обесцвечивания воды (цветность очищенной воды 20 0С и мутность 1,5 мг/л). Оптимальная доза коагулянта зависит от величины цветности воды, мутности и щелочности. Определяя оптимальную дозу, следует учитывать характер процессов образования и оседания хлопьев, щелочность очищенной воды, а также остаточные концентрации ионов коагулянта (Fe3+, Al3+).

Эффективность процессов осветления и обесцвечивания воды коагуляцией зависит от целого ряда факторов (температуры воды, солевого состава воды, концентрации примесей и степени их диспергирования, рН воды

23

и ее щелочности, времени и интенсивности перемешивания и др.), которые в значительной степени влияют на глубину очистки.

Значительное влияние на процесс коагулирования оказывает температура воды. При низких температурах в зимнее время очистка воды коагулянтами (особенно Аl2(SO4)3) ухудшается: замедляются процессы хлопьеобразования осаждения хлопьев, хлопья образуются мелкие, в очищенной воде появляется остаточный алюминий в концентрациях выше допустимых. Объясняется это либо замедлением процесса хлопьеобразования (т.е. собственно коагуляции), либо замедлением скорости гидролиза Аl2(SO4)3. С увеличением температуры (подогрев воды), увеличивается подвижность частиц (возможность их столкновения и слипания), тем самым процесс коагулирования убыстряется, а, следовательно, осветление и обесцвечивание воды улучшается.

Заметное улучшение хлопьеобразования достигается при перемешивании растворов. Процесс медленного перемешивания способствует убыстрению роста коллоидных частиц гидроокисей, получаемых при гидролизе коагулянтов, что ведет к лучшему их слипанию, а, следовательно, коагуляции.

Для быстрого и полного протекания гидролиза коагулянтов необходим некоторый щелочной резерв воды. В тех случаях, когда количество гидрокарбонат-ионов содержащихся в воде недостаточно для полного гилролиза коагулянта, щелочность воды повышают введением известкового молока Са(ОН)2 или при обосновании раствора кальцинированной соды Na2CO3 согласно п. 9.24 [2]. Реагенты следует вводить одновременно с вводом коагулянтов.

Дозы подщелачивающих реагентов Дщ, мг/л, необходимых для улучшения процесса хлопьеобразования, следует определять согласно п. 9.16 [2].

Дщ = Кщ · (Дк/ек – Щ0) +1, мг/л,

где - Дк максимальная в период подщелачивания доза безводного коагулянта, мг/л;

ек - эквивалентная масса коагулянта (безводного), принимаемая для Аl2(SO4)3 - 57, FeCl3 - 54, Fe2(SO4)3 - 67 мг/мг-экв;

Кщ - коэффициент, равный для извести (по СаО) - 28, для соды (по

Na2CO3) - 53;

Щ0 - минимальная щелочность воды, мг-экв/л.

Практика показывает, что в мутных водах хлопья образуются быстрее и лучше, чем в прозрачных. Поэтому иногда для ускорения процесса в камеры хлопьеобразования специально вводят замутнители (мелкоизмельченный песок, каолин и т.д.). Или, например, используют неочищенный кусковой реагент Аl2(SO4)3, тем самым повышая мутность исходной воды.

Сцелью увеличения эффективности процесса коагулирования и возможности снижения необходимой дозы коагулянта проводят предварительную обработку воды окислителями.

Сцелью интенсификации процесса обработки воды коагулянтами применяют метод фракционного (дробного или частичного) коагулирования воды, при котором коагулянт добавляют к очищаемой воде двумя или

24

несколькими порциями. В этом случае увеличивается период образования положительно заряженных коллоидных частиц гидроксидов коагулянтов. Рекомендованный оптимальный промежуток времени между введением отдельных частей коагулянта 90-120 с [4]. При обесцвечивании воды первая доза коагулянта должна составлять половину общей. На первом этапе образуются мелкие агрегаты, которые хорошо сорбируют окрашивающие примеси. Образованию мелких хлопьев способствует также интенсивное механическое перемешивание в течение 30-60 с при введении первой дозы коагулянта.

Флокуляция является наиболее эффективным способом интенсификации очистки воды методом коагулирования. Введение в обрабатываемую воду дополнительных вспомогательных химических веществ (флокулянтов) улучшают процесс хлопьеобразования и сокращают время образования хлопьев.

Флокуляция - это процесс, во время которого частицы, образованные на стадии коагуляции собираются в агрегаты, при этом их взаимодействие происходит через молекулы адсорбированного флокулянта.

Флокулянты представляют собой высокомолекулярные частицы со способностью к адсорбции. Стоит отметить, что процесс флокуляции, который должен начаться вслед за процессом коагуляции, потребует очень малого количества химических реагентов (0,01 - 0,5 мг/л). Даже при использовании небольшого количества флокулянт способен в значительной степени интенсифицировать образование хлопьев, делая их более плотным и тяжелыми, и, соответственно, быстро осаждаемыми. Использование полимеров позволяет ограничивать дозировку коагулянтов, сократить продолжительность отстаивания, повысить производительность осветлителей со слоем взвешенного осадка, увеличить грязеёмкость фильтров и контактных осветлителей.

Флокулянты принято разделять на органические и неорганические. К неорганическому типу, применяемому в промышленности на сегодняшний день, можно отнести кремниевую кислоту. Органические же можно выделить в две основные группы: синтетические и природные водорастворимые линейные полимеры анионного, катионного, амфотерного и неионогенного типа. Природные флокулянты – это целлюлоза, крахмал и их производные. Синтетические флокулянты (полиакрилы, полиамины, полиамиды) наиболее популярны, они дешевле, обладают лучшими флокулирующими свойствами, их производство связано с меньшими затратами, получаются из продуктов переработки нефти и газа. Широко распространенные синтетические флокулянты это полимеры и сополимеры акриламида, например, ПАА – полиакриламид. Характеристики некоторых флокулянтов приведены в Приложении 3.

25

3.2. Лабораторная работа №5 Пробное коагулирование воды. Сравнение эффективности работы двух

коагулянтов

Цель работы: провести пробное коагулирование и определить оптимальную дозу коагулянта для осветления и обесцвечивания исследуемой воды и выявить наиболее эффективный коагулянт путем сравнения сульфата алюминия и оксихлорида алюминия.

Методика выполнения работы

1.В исследуемой воде определяют цветность, мутность, рН.

2.В 6 цилиндров наливают по 250 мл хорошо перемешанной исследуемой воды.

3.Затем в цилиндры 1, 2, 3 добавляют 5 %-ный раствор коагулянта Аl2(SO4)3 в дозах 10, 20, 30 мг/л. В цилиндры 4, 5, 6 добавляют 5 %-ный раствор коагулянта Аl(ОН)Cl2 в дозах 10, 20, 30 мг/л.

Заданные дозы коагулянта в мг/л переводят в мл, используя формулу:

Q = (D·V) / C, мл

где Q - количество раствора реагента (коагулянта), мл; D - доза коагулянта, мг/л;

V - объем обрабатываемой воды, л;

С- концентрация раствора коагулянта, мг/л или г/л.

4.Содержимое цилиндров после добавления реагента энергично перемешивают 10-кратным опрокидыванием, а затем стеклянной палочкой в течение 2-3 минут.

5.По окончании перемешивания цилиндра оставляют в покое на 30

минут.

6.При отстаивании воды в цилиндрах отмечают время начала образования хлопьев, время начала их оседания и время конца их оседания, а также вид хлопьев (рыхлые, крупные, мелкие). Наблюдения проводят через каждые 15 мин.

Наименьшая доза коагулянта, при которой получаются хорошие хлопья через 15 мин и достаточно полное оседание их в течение 30 минут отстоя (при этом качество воды согласуется с требованиями потребителя), считается оптимальной.

7.Для определения качества обработанной коагулянтами воды из каждого цилиндра отбирают пробы на анализ. Из верхней части цилиндра отбирают пробу отстоянной воды, в которой определяют мутность. Остальную часть отстоянной воды фильтруют через фильтр «синяя лента», в фильтрате определяют цветность, рН, остаточные концентрации алюминия.

8.Результаты анализов и наблюдений заносят в табл. 6.

9.На основании полученных результатов дается заключение о ходе очистки воды коагулянтами, определяется наиболее эффективный коагулянт и его оптимальная доза для обработки данной воды.

26

3.3. Лабораторная работа №6 Исследование влияния флокулянтов на процесс коагулирования воды

Цель работы: провести пробное коагулирование и подобрать оптимальные дозы реагентов (коагулянта и флокулянта) для осветления и обесцвечивания воды. Изучить влияние флокулянтов на процесс коагулирования. Сравнить работу двух флокулянтов.

Методика выполнения работы

1.В исследуемой воде определяют цветность, мутность, рН.

2.В 4 цилиндра наливают по 250 мл хорошо перемешанной исследуемой воды.

3.Затем в цилиндры 1, 2, 3, 4 добавляют 5 %-ный раствор коагулянта Аl2(SO4)3 в дозах соответственно D1 = 10 мг/л, D2 = 20 мг/л, D3 = 10 мг/л, D4 = 10 мг/л. Заданные дозы коагулянта в мг/л переводят в мл (см. л.р. №5).

4.Содержимое цилиндров после добавления реагента энергично перемешивают 10-кратным опрокидыванием. Затем стеклянной палочкой в течение 2-3 минут перемешиваем содержимое цилиндров 1, 2.

5.Через 1 минуту после ввода коагулянта в цилиндры 3, 4 вводим разные флокулянты Fennopol и Praestol соответственно в дозах 1,5 мг/л.

6.Содержимое цилиндров 3, 4 после добавления флокулянта энергично перемешивают 10-кратным опрокидыванием, а затем стеклянной палочкой в течение 2-3 минут.

7.По окончании перемешивания все цилиндры оставляют в покое на 30 минут. При отстаивании воды в цилиндрах отмечают время начала образования хлопьев, время начала их оседания и время конца их оседания, а также вид хлопьев (рыхлые, крупные, мелкие). Наблюдения проводят через каждые 15 мин.

8.Для определения качества обработанной воды из каждого цилиндра отбирают пробы на анализ. Из верхней части цилиндра отбирают пробу

27

отстоянной воды, в которой определяют мутность. Остальную часть отстоянной воды фильтруют через фильтр «синяя лента», в фильтрате определяют цветность, рН.

9.Результаты анализов и наблюдений заносят в табл. 7.

10.На основании полученных результатов дается заключение о ходе очистки воды коагулянтами с добавлением флокулянтов, определяется наиболее эффективный флокулянт.

Вопросы для самопроверки к разделу 3.

1.В чем заключается сущность процесса коагулирования воды с целью ее осветления и обесцвечивания?

2.Описать реакции гидролиза коагулянтов Аl2(SO4)3 и Аl(ОН)Cl2?

3.Что называется оптимальной дозой коагулянта, как ее устанавливают?

4.От каких факторов зависит эффективность процесса коагулирования воды?

5.В чем заключается роль подщелачивающих реагентов в процессе коагулирования воды?

6.Как влияет температура обрабатываемой коагулянтами воды на процесс осветления и обесцвечивания воды?

7.Какое влияние оказывает интенсивность и время перемешивания на процесс коагулирования?

8.В чем заключается сущность процесса флокуляции? Опишите процесс осветления и обесцвечивания воды при добавлении коагулянта и флокулянта.

9.Назовите известные Вам коагулянты и флокулянты, используемые в технологиях водоподготовки.

28

РАЗДЕЛ 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ХЛОРИРОВАНИЯ ВОДЫ

4.1. Общая часть

Хлорирование воды - постоянное мероприятие, осуществляемое на коммунальных водопроводах и станциях по обработке технических и сточных вод с целью ее обеззараживания.

При хлорировании воды в нее вводятся газообразный хлор или вещества, содержащие активный хлор (хлорная известь СaOCl2, гипохлорита натрия NaOCl, диоксида хлора СlO2, хлораминов NH2Cl и др.).

Бактерицидное действие активного хлора обусловливается главным образом присутствием в обеззараживаемой воде хлорноватистой кислоты НОCl и гипохлорит-иона ClO-, которые непосредственно взаимодействуют с веществом бактериальной клетки, разрушают фермент, усваивающий глюкозу, в результате чего происходят необратимые изменения в клетке (нарушается обмен веществ, и бактерии гибнут). Хлорноватистая кислота и продукт ее диссоциации гипохлорит-нон образуются в результате процесса гидролиза хлора и веществ, содержащих активный хлор при растворении их в воде.

Cl2 + H2O HOCI + HCl

Далее HOCl диссоциирует на гипохлорит-ион и водород-ион:

HOCl ClO- + Н+

Необходимая доза активного хлора для обеззараживания воды складывается из хлоропоглощаемости воды и некоторого избытка хлора (остаточного хлора), обеспечивающего в течение заданного отрезка времени бактерицидный эффект.

Хлоропоглощаемостью воды называют количество активного хлора в мг/л, которое расходуется при 30 мин контакте его с обрабатываемой водой, на окисление и хлорирование содержащихся в ней органических и неорганических веществ. Величина хлоропоглощаемости воды является санигарнобактериологической ее характеристикой. В некоторой степени хлоропоглощаемость указывает на степень загрязнения воды органическими веществами (при учете или отсутствии неорганических примесей). Хлоропоглощаемость воды зависит от ее физико-химических показателей, дозы введенного активного хлора и времени его воздействия. В воде при ее хлорировании необходим избыток хлора для предотвращения возможности вторичного бактериального загрязнения воды во время прохождения по сети. По величине избыточного остаточного хлора в воде ведут контроль процесса хлорирования на водопроводных очистных сооружениях. В хозяйственно-

29

питьевой воде, поступающей в сеть к потребителю, проверяется концентрация остаточного хлора не реже одного раза в час.

Необходимую дозу хлора принимают на основании пробного хлорирования, по результатам которого строят график хлоропоглощаемости воды. Согласно требованиям [1] количество свободного остаточного хлора в питьевой воде должно быть 0,3-0,5 мг/л при контакте 30 мин или связанного остаточного хлора 0,8-1,2 мг/л при часовом контакте.

Активный хлор не только обеззараживает воду, но и улучшает физикохимический ее состав, снижает цветность, окисляемость, устраняет некоторые запахи и привкусы. Разрушение гумусовых веществ, стабилизирующих неорганические суспензии (глинистые частицы, Аl(ОН)3, Fе(ОН)3) и препятствующих их слипанию и осаждению, способствует улучшению процессов очистки воды коагулированием. Это объясняется тем, что при хлорировании протекает окисление содержащихся в составе гумусовых веществ фенольных гидроксилов с образованием карбонильных соединений. Такая замена значительно снижает защитные свойства гумуса по отношению к гидрофобным коллоидам и способствует ускорению их коагуляции и осаждению. Таким образом, хлорирование воды наряду с обеззараживанием способствует улучшению процессов коагулирования, отстаивания, фильтрования.

4.2. Лабораторная работа №7 Пробное хлорирование воды

Цель работы: определить хлорпоглощаемость исходной воды. Определить необходимую дозу реагента для обеззараживания данной воды.

Методика выполнения работы В качестве реагента используется раствор гипохлорита натрия, крепость

которого по активному хлору определяют перед началом опыта. Исследуемая вода разливается в 4 стеклянных чистых емкостей объемом 0,5-1,0 л. В каждую емкость вводят раствор гипохлорита натрия в дозах 3, 4, 5, 6 мг/л.

Необходимое количество раствора в мл, которое следует ввести в каждую емкость, рассчитывается на основе заданной дозы и крепости раствора реагента по формуле

Q = (D·V) / C, мл где Q - количество раствора реагента, мл;

D – заданная доза хлорирования, мг/л; V - объем обрабатываемой воды, л;

С - концентрация активного хлора в растворе, мг/л или г/л.

После ввода реагента содержимое емкостей тщательно перемешивается, а потом отстаивается в термостате или емкости с проточной водой, позволяющих поддерживать температуру обрабатываемой воды в натурных значениях. Через

30

30 мин отстаивания из каждой емкости отбирают пробы воды, в которых сразу же определяют величины активного остаточного хлора, цветность, рН.

Результаты исследований заносятся в табл. 8. По результатам исследований устанавливается необходимая доза хлора для данной воды и дается общее заключение о процессе обеззараживания.

Вопросы для самопроверки к разделу 4.

1.Сущность процесса хлорирования воды?

2.Назовите известные Вам реагенты, применяемые при хлорировании

воды.

3.Что называют хлоропоглащаемостью воды?

4.Опишите процесс гидролиза хлорсодержащих реагентов с водой.