6 Физико-химическая очистка.ppt

взаимодействиях, возникающих между частицами извлекаемого из воды вещества с реагентом

(специально введенным в воду или возникающем при воздействии на воду внешними физическими полями).
Методы этой группы играют значительную роль при очистке природных и сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с методами других групп.
В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, и доля их среди других методов возрастает.

или направленного перемещения во внешнем силовом поле.
В результате коагуляции образуются

коагуляционные агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в них соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды.
Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объёме дисперсионной среды.

в качестве предварительной обработки воды перед отстаиванием, флотацией, фильтрованием и

другими методами очистки воды, предназначенными для удаления диспергированных и мелкодиспергированных нерастворенных примесей, с целью укрупнения частиц взвешенных веществ и повышения за счет этого эффекта очистки.
Так же коагуляция применяется для улучшения осаждения активных илов во вторичных отстойниках после сооружений биологической очистки сточных вод.

характеризующих данную систему в целом, а также от свойств дисперсионной

среды и дисперсной фазы. Поскольку природные и сточные воды содержат разнородные частицы, отличающиеся химической природой, знаком или величиной поверхностного заряда, то в этих случаях наблюдается гетерокоагуляция. Теория гетерокоагуляции частиц в растворах электролитов была создана Б.В. Дерягиным на базе общего подхода к теории ДЛФО (теория Дерягина-Ландау-Фербея-Овербека), т.е. учета баланса сил молекулярного притяжения и электрических сил отталкивания.
Коагуляцию можно вызвать, вводя в сточную воду электролиты и коллоиды - частицы, которых имеют знак электрического заряда, противоположный знаку заряда частиц загрязняющих веществ, а также наложением внешнего электростатического поля.

коагулянтов коагулируют спонтанно во всём объёме дисперсной системы с образованием

агрегатов преимущественно за счет межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса. Взаимодействие мицелл протекает в области быстрой коагуляции, когда все частицы, находящиеся в броуновском движении, при сближении слипаются.

весьма широко при осветлении и обесцвечивании воды.
Наиболее часто применяемыми реагентами

при коагулировании (коагулянтами) в настоящее время являются: сернокислый алюминий Al2(S04)3, железный купорос FeS04 и хлорное железо FeCl3. При введении в осветляемую воду сернокислого алюминия происходит его диссоциация:
Al2(S04)3->2Al3+ + 3S042+
Далее имеет место ионный обмен катионов алюминия на катионы, сорбированные содержащимися в воде глинистыми частицами. В результате гидролиза оставшихся в избытке катионов алюминия происходит образование выпадающей в осадок гидроокиси алюминия:
Аl3+ + ЗН20 → Аl(ОН)3↓ + ЗН+

реагируют с имеющимися в воде бикарбонатами:
Н+ + НСО3- → С02

+ Н20.
Если естественная щелочность воды для хода этой реакции недостаточна, то воду необходимо подщелачивать. Для этого в нее вводят известь или соду. Связывание водородных катионов идет в случае добавления извести по уравнению
Н+ + ОН- →Н20,
а при добавлении соды по уравнению
2Н+ + CО32-→ С02 + Н20.

хлопьевидной взвеси Fe(ОН)3 протекает аналогично описанным выше:
FeCl3 → Fe3+ +

ЗСl-;
Fe3+ + 3H20 → Fe(OH)3↓ + ЗН+.

Хорошие результаты дает также применение железного купороса с одновременным хлорированием воды. Введение хлора облегчает процесс коагуляции и способствует окислению закисного железа.

– время; R - радиусом притяжения частицы; T – температура;

l - расстояния, на которое должны приблизиться центры частиц для того, чтобы произошло слипание; η - динамическая вязкость дисперсионной среды; r - радиус частиц

Скорость быстрой коагуляции находится в прямой зависимости от температуры, расстояния и концентрации частиц и в обратной зависимости от динамической вязкости и радиуса частиц.

инерционных явлений осаждения захватом и подтягиванием частиц. Инерционные силы действуют

при прямом столкновении относительно крупных (более 100 нм) полидисперсных частиц. Мелкие частицы чаще осаждаются захватом и подтягиванием по искривлённым траекториям.
Градиентная коагуляция характеризуется интенсивным перемешиванием жидкости с целью обеспечения наиболее благоприятных условий для гидролиза коагулянтов, максимальной скорости образования достаточно крупных быстрооседающих хлопьев.

среды (Kг=4/3 - для ламинарного и Kг=12 - для турбулентного

потока);
ω - отношение сферы действия межмолекулярных сил к размеру частиц; G - средний градиент скорости с-1

А - работа, затрачиваемая на перемешивание, Дж; W - перемешиваемый объём, м3; τ - время перемешивания, с; η - динамическая вязкость воды, Па⋅с.

частиц размером более 200÷300 нм.
Образовавшиеся в результате гидролиза коагулянтов мицеллы

и более крупные шарообразные агрегаты золя (r=10÷100 нм) сорбируются на поверхности частиц очищаемой жидкости. При этом происходит нейтрализация заряда частиц, в результате чего они покрываются плотным слоем гидрооксида коагулянта. Т.о. проявляется опалесценция (скрытая фаза коагуляции). Затем наступает период построения цепочных структур и образования большого количества мельчайших хлопьев, которые агрегируют в более крупные и, достигнув определённых размеров, под действием сил тяжести оседают. В действительности эти процессы перекрывают друг друга, а не следуют один за другим.

в результате столкновения частиц взвешенных веществ в процессе теплового движения,

перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Используется для повышения эффективности отстаивания и флотации.
Контактная коагуляция – процесс коагуляции при соприкосновении с макрочастицами при протоке воды через слой этих частиц. Используется для повышения эффективности фильтрования и осаждения во взвешенном слое осадка.

состоящие из вторичных агрегатов.
Происходит при введении в воду полимерных реагентов

– флокуляетов. Механизм действия этих веществ в настоящее время мало изучен. Согласно теории Ла Мера, при флокуляции сначала происходит первичная адсорбция и каждая микромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной коллоидной частице. Адсорбированные молекулы занимают часть поверхности (F) частиц (активных центров, на которых возможна адсорбция), а остальная поверхность (1-F) остаётся свободной. Затем в процессе вторичной адсорбции свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками.

- сфера действия аттракционных сил (расстояние между центрами частиц, при

которых происходит флокуляция); ϕф - коэффициент, учитывающий суммарные действия возникающие между частицами и молекулами Ван-дер-Вальсовых и Кулоновских сил; F(1-F) - фактор, определяющий вероятность того, что свободная поверхность одной частицы расположится около макромолекул, адсорбированных на поверхности другой частицы

их природе делят на природные и синтетические. В большинстве случаев

эти вещества принадлежат к классу линейных полимеров. Для удобства рассмотрения синтетические флокулянты подразделяют на неионные, анионные и катионные соединения.

представляет собой сополимер акриламида с акрилатом аммония, натрия или кальция

с содержанием акрилатов до 10%. У нас в стране применяют два вида ПАА:
- известковый ПАА - сополимер акриамида и акрилата кальция



аммиачный ПАА - сополимер акриламида и акрилата аммония

гелеобразном виде под коммерческими названиями: Сепаран; Суперфлок 16, 20 и

84; Пулифлок А-22; Магнофлок 990, 985, 971 и 860; Могул СО-983; Кей-Флок; Полифлок и т.д. Эти вещества отличаются молекулярной массой, степенью гидролиза (которая колеблется от 5 до 41%) и содержанием основного вещества в продукте.

состоит из звеньев двух типов:
Этот коагулянт получают полимеризацией этиленимина в

присутствии инициаторов - эпихлоргидрина, дихлоргидриглицирина и т.д. Технический ПЭИ представляет собой водный раствор, содержащий 20÷50% полимера. Внешне он выглядит как густая вязкая жидкость. Основными недостатками полиэтиленимина являются:
- высокая коррозионная активность (разрушает сталь, резину, эпоксидные смолы);
- умеренная токсичность.
Так как мономер этиленимин является канцерогенным соединением и возможно его наличие в готовом продукте, производство данного полиэлектролита в промышленных масштабах у нас в стране запрещено.

полимеры. Примером таких полиэлектролитов может служить активная кремнекислота (АК). Она

является высокомолекулярным неорганическим полимером анионного типа. Это вещество не относится к стандартным продуктам с определёнными свойствами. Её получают на очистных станциях непосредственно перед использованием путем активации жидкого стекла (водного раствора селиката натрия mNa2O⋅nSiO3) серной кислотой, сернокислым аммонием, хлором и др.

подготовки и дозирования реагентов (реагентное хозяйство);
- для смешения осветляемой воды

с реагентами (смесители);
- для хлопьеобразования (камеры хлопьеобразования).

в виде концентрированного раствора. Последнее весьма рационально, особенно на станциях

большой производительности.
Коагулянт должен быть введен в очищаемую воду до ее поступления в основное сооружение (отстойник, осветлитель, фильтр и т.д.).
Наиболее часто применяемые коагулянты представляют собой твердые вещества. Подобные реагенты вводятся в очищаемую воду в виде раствора, суспензии или порошка. В практике очистки воды в России коагулянт вводится в воду в виде раствора.
Дозирование коагулянта в виде порошка получило значительное распространение в США.

надо обеспечить совершенное смешение. Для этой цели служат смесители различных

типов и конструкций. В смесителе начинаются реакции взаимодействия введенных в воду реагентов с веществами, находящимися в исходной воде. Однако для образования хлопьев надлежащего размера, обеспечивающих хорошее качество осветления воды при их осаждении, требуется определенное время. Поэтому прежде чем подавать воду из смесителя в основные сооружения ее направляют в камеры хлопьеобразования, где происходит образование достаточно крупных хлопьев коагулянта. Рост хлопьев происходит быстрее при плавном перемешивания воды (со скоростями движения, не вызывающими разрушения хлопьев).

устройства.
На станциях небольшой производительности (до 1000 м3/сутки) применяют установка для

приготовления раствора очищенного сернокислого алюминия, блочного типа, предусматривающие блокирование в едином корпусе растворных и расходных баков. Для возможности непрерывного приготовления и непрерывной подачи раствора устанавливается не менее двух растворных и двух рабочих баков, работающих попеременно.
На станциях большей производительности растворные и расходные баки обычно конструктивно разделяются. Здесь также осуществляется перемешивание раствора сжатым воздухом. Дно бака коническое для приема осадка (что особенно необходимо при использовании неочищенного коагулянта). Раствор отбирается из верхней части бака при помощи поплавкового устройства и гибкого шланга, что дает возможность подавать в рабочие баки раствор с небольшим количеством взвеси.
Ускорение процесса растворения коагулянта может быть достигнуто использованием подогретой до 50—60° С воды.

баки; 2 – Расходные (рабочие) баки; 3 – Система дырчатых

труб для подачи сжатого воздуха; 4 - Система дырчатых труб для подачи сжатого воздуха с целью перемешивания (барботирования) раствора.

станции Q, м3/ч, расчетной дозы коагулянта Дк, г/м3, числа часов

работы п, на которые производится заготовка раствора, принятой концентрации раствора b1, %, и объемной массы раствора коагулянта γ, т/м3, по формуле




Обычно принимают b1 = 17—18% (по безводному продукту); γ = 1 т/м3; п=12—24 ч для станций производительностью до 10 тыс. м3/сутки; п=8—10 ч для станций производительностью от 10 до 50 тыс. м3/сутки; n=6—8 ч для станций производительностью более 50 тыс. м3/сутки.

будет:



Обычно принимают b2 от 4 до 12%.
В настоящее время на

очистных станциях большой производительности начинают применять заготовку больших количеств раствора коагулянта высокой концентрации с постепенной его подачей и разбавлением в расходных баках. Это позволяет избежать частого повторения операций по загрузке баков, усовершенствовать (механизировать и автоматизировать) операции, связанные с приготовлением растворов, и снизить эксплуатационные расходы на очистных станциях.

обычно растворяют в тех же баках, из которых их расходуют.

Для таких коагулянтов находят применение баки с механическими мешалками.
Устройства для приготовления и дозирования раствора коагулянта удобно располагать над смесителем, чтобы раствор мог поступать туда самотеком. На станциях значительной производительности установка в верхних этажах громоздких и тяжелых растворных баков неудобна, поэтому здесь раствор коагулянта приготовляют внизу, перекачивая его затем в расположенные наверху дозирующие устройства либо через напорные дозаторы.
Ввиду того что раствор сернокислого алюминия обладает коррозионными свойствами, баки для его приготовления, арматура, насосы и трубопроводы для его перекачки должны быть специально защищены от коррозии или выполнены из некорродирующих материалов.

типам:
а) дозаторы, которые устанавливаются на подачу постоянного количества реагента

в единицу времени;
б) дозаторы, автоматически меняющие количество реагента при изменении расхода очищаемой воды (пропорциональные дозаторы).
Дозаторы первого типа могут обеспечить подачу в воду заданной дозы реагента лишь при условии неизменного расхода очищаемой воды.
В зависимости от того, как подается дозируемый раствор реагента — самотеком или под напором, применяют открытые или напорные дозаторы.

2 – диафрагма (тарированная шайба); 3 – поплавок; 4 –

воздушная трубка

электролитические ячейки; 3 – сосуд; 4 - компенсационная электролитическая ячейка;

5 - электронный равновесный мост

2 - циркуляционный насос; 3 - расходный бак; 4 –

дозатор; 5 - эжектор на трубе, подающей раствор в очищаемую воду.

полное смешение их с водой. Его осуществляют при помощи специальных

устройств — смесителей. В смеситель подается вся подлежащая обработке вода. Раствор реагента, прошедший дозатор, вводится в подающую трубу перед смесителем или в головную часть смесителя. Смешение раствора реагента с водой может быть осуществлено путем создания сильно завихренного движения воды в пределах смесителя или путем механического перемешивания воды в смесителе различными мешалками. В нашей практике преимущественно используются системы, основанные на первом принципе. Они обеспечивают достаточно полное смешение и более просты и надежны в эксплуатации. Наиболее распространенными типами таких смесителей являются дырчатый, перегородчатый и вертикальный. Продолжительность пребывания воды в смесителе не должна превышать 2 мин.

дырчатыми перегородками. Обычно устраивают три перегородки. Расстояние между перегородками принимают

равным ширине смесителя. Скорость движения воды в лотке (за последней перегородкой) v ≈0,6 м/с, средняя скорость в отверстиях v0 ≈1 м/с.
Суммарная площадь отверстий в каждой перегородке
ω = q/v0,
площадь каждого отверстия
ω0=ω/n,
где п — число отверстий.
Практически диаметр отверстий принимается от 20 до 100 мм.
Потери напора в отверстиях каждой перегородки



где μ — коэффициент расхода, равный 0,65—0,75.
Уровень воды за последней перегородкой Н0 = 0,4—0,5 м

несколько перегородок с проемами, обусловливающими непрерывное изменение направления струй воды

и скорости движения. Расчетная скорость движения воды в лотке принимается равной 0,6 м/с, а в проемах—1 м/с. Расстояние между перегородками принимается равным двойной ширине лотка ЬЛ. При подобных условиях падение уровня между отделениями будет составлять около 0,13 м.

турбулизации потока благодаря значительному изменению его живого сечения и соответствующему

изменению его скорости.

3 – кольцевой желоб (переливной лоток)

в нее реагентом

воды, включающих отстойники.
Назначение камер хлопьеобразования — обеспечить образование хлопьев коагулянта.

Процесс хлопьеобразования, начинающийся после смешения воды с реагентами, протекает относительно медленно, и для получения достаточно крупных хлопьев (для осаждения) требуется 10—30 мин. Процессу хлопьеобразования способствует плавное перемешивание воды. Скорость движения воды при перемешивании должна быть достаточной для предотвращения выпадения хлопьев коагулянта в пределах камеры, но не настолько большой, чтобы вызвать разбивание образовавшихся хлопьев.
Наибольшее распространение имеют камеры хлопьеобразования следующих типов: а) перегородчатые; б) вихревые; в) водоворотные; г) лопастные.

проходимых водой коридоров. Окна с шиберами позволяют выключать отдельные коридоры

и менять длину пути воды в камере. Число поворотов потока обычно принимают равным восьми-десяти. Для выпуска осадка дну камеры придается уклон. Осадок удаляется через систему сборных труб.

и вихревой смеситель. Эти камеры могут иметь коническую форму (в

комбинации с цилиндром) или призматическую.
. Вода по­дается в нижнюю часть корпуса. Скорость движения воды в конической части меняется от 0,7 м/с в нижнем сечении до 4—5 мм/с в верхнем сечении. Время пребывания в камере 6—10 мин. Из верхней, цилиндрической части камеры вода отводится обычно системой дырчатых труб.
В вихревые камеры призматической формы вода поступает через нижнюю, продольную щель и отводится из верхней части камеры сборными дырчатыми трубами, погруженными в воду.

с их центральной трубой. Вода поступает в камеру через два

расположенных в ее верхней части насадка, подобных насадкам в сегнеровом колесе. Эти насадки направляют струи воды по касательным к цилиндрическим стенкам трубы. Скорость выхода воды из насадков 2—3 м/с. Благодаря этому получается вращательное движение воды в верхней части камеры. В нижней ее части устраивают гаситель в виде решетки из поставленных на ребро досок, переводящий вращательное движение воды в поступательное.
Время пребывания воды в камере 15—20 мин.

движение электродвигателем. Различают лопастные камеры с вертикальной и горизонтальной осью

вращения мешалок. Первые представляют собой железобетонные резервуары, рассчитанные на 10—20-минутное пребывание в них обрабатываемой воды. В центре камеры располагается вертикальная ось с сидящими на ней лопастями. Средняя скорость движения воды в камере 0,2—0,5 м/с.

При наложении электростатического поля возникает направленное движение заряженных частиц взвешенных

веществ. Разнозаряженные частицы при столкновении слипаются.
При использовании растворимых электродов, изготовленных из стали или алюминия, на аноде происходит так называемое анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые вызывают образование хлопьев гидроокисей, являющихся коагулянтами. В этом случае процесс коагуляции аналогичен процессу химической коагуляции.

метода по сравнению с химической коагуляцией. При этом значительные расходы

электроэнергии и металла, как следствие образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями, содержащимися в сточных водах, а также нагрева сточной воды, ограничивают область применения метода.
При электрокоагуляции в резервуаре (электрокоагуляторе) на систему плоских электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, подается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением 10 ÷ 18 В. Продолжительность контакта воды с электрическим полем составляет 15 ÷ 30 с, удельная производительность - 1,5 ÷ 3,0 м3/ч на 1 м2 площади поверхности электродов одного полюса. При этом расход электроэнергии на 1 м3 очищаемых сточных вод - 0, 4 ÷ 0,5 кВт⋅ч.

- отстойник; 3 - электрокоагулятор; 4 - пакет электродов; 5

- отводящий трубопровод очищенных сточных вод; 6 - выпрямитель электрического тока; 7 - трубопровод выпуска осадка