Коагулирование
Сущность процесса коагулирования заключается в том, что к сточной воде добавляют реагент (коагулянт), способствующий быстрому выделению из нее мелких взвешенных и эмульгированных веществ, которые при простом отстаивании не осаждаются. Реагент добавляют обычно перед подачей сточной воды в отстойники. Взвешенные вещества с коагулянтом осаждаются в отстойных бассейнах.
Этим способом очищают сточные воды, содержащие очень мелкие взвешенные вещества, например, воды текстильных предприятий (красильные и отбельные отделения), вискозных фабрик и т. п., воды нефтеперерабатывающих заводов, содержащие эмульгированные продукты, банно-прачечные и душевые сточные воды, а также сточные воды заводов химической промышленности. В качестве коагулянтов используют известь, сульфат алюминия, алюминат натрия, сульфат железа, хлорид железа и др.; иногда добавляют смесь этих реагентов. Тип применяемого реагента и его доза зависят от состава обрабатываемой воды, требуемой степени очистки ог загрязнений и других факторов. При обработке сточной воды коагулянтами иногда необходимо поддерживать оптимальную величину рН путем подщелачивания или подкисления. Реагенты смешивают со сточной водой в механических смесителях с вращающимся устройством, гидравлических смесителях, подводящих трубопроводах. Для образования хлопьев коагулянтов применяют камеры хлопьеобразования различных конструкций, в которых производят механическое или гидравлическое перемешивание.
Для интенсификации процесса смешения, хлопьеобразования и осветления за рубежом применяют осветлители со «взвешенным фильтром» и осветлители с «хлопьевидной суспензией и циркуляцией».
Осветлитель «со взвешенным фильтром» работает по следующему принципу. Сточная жидкость и коагулянт подаются в центральную камеру осветлителя через распределительное кольцо: В центральной камере происходит процесс хлопьеобразования. Здесь сточная жидкость перемешивается мешалками и направляется в периферийную часть, где создается определенная скорость потока и образуется «взвешенный фильтр». Этот фильтр, состоящий из хлопьев коагулянта, способствует задержанию взвешенных частиц.
Для интенсификации процессов коагуляции и осаждения взвешенных веществ применяют органические природные и синтетические высокомолекулярные флокулянты. Наиболее распространен катионно-анионный флоку-лянт — полиакриламид (ПАА). Оптимальная доза ПАА для очистки производственных сточных вод составляет 0,4—1 мг/л.
Часть 2
Химическая сущность коагулирования. Как было указано, коагулирование взвеси в воде перед ее отстаиванием применяют для увеличения эффекта осаждения взвешенных частиц. Путем коагулирования, т.е. введения в воду химического вещества — коагулянта, из воды можно выделить при последующем отстаивании не только мельчайшие взвешенные частицы, но и вещества, находящиеся в коллоидном состоянии, и даже часть находящихся в воде бактерий.
В качестве коагулянта применяют обычно сернокислый алюминий A123, называемый также глиноземом. Более всего распространено применение неочищенного глинозема, который содержит 33% безводного сернокислого алюминия. Целесообразнее применение очищенного глинозема. Могут быть также применены железный купорос FeS04. и хлорное железо.
Коагулянт вступает в химическую реакцию с содержащимися в воде двууглекислыми солями (бикарбонатами) кальция и магния.
При коагулировании глиноземом реакция его с бикарбонатом кальция Са (НС03)2 протекает по уравнению
Al, (S04)3 + ЗСа (НС03)2 = Жабо, + 2А1 (ОН)3 + 6С02.
Аналогично протекает реакция и с бикарбонатом магния Mg (HC03)2.
В результате реакции образуется гидроокись алюминия А1(ОН)3, которая в виде хлопьев выпадает в отстойнике.
В результате коагулирования глиноземом происходит и обесцвечивание воды вследствие сорбции (притягивания) хлопьями А1(ОН3) веществ, вызывающих цветность воды.
Коагуляция протекает удовлетворительно при рН воды от 5,7 до 7,8 в зависимости от ее жесткости (чем меньше жесткость, тем меньшая величина рН допустима при коагулировании). При слишком малом значении рН коагулянт не дает необходимого эффекта.
При недостаточной щелочности воды ее приходится подщелачивать, для чего вместе с коагулянтом в воду прибавляют известь, соду или едкий натр.
Химические вещества, добавляемые в воду при коагулировании и вступающие в химические реакции с содержащимися в воде веществами, обычно называют реагентами.
Приготовление раствора коагулянта (реагентное хозяйство). Сернокислый алюминий, применяемый для коагулирования, поступает на очистную станцию в виде комьев. При наиболее распространенном у нас способе, так называемом способе мокрого дозирования реагентов, на станции приготовляют водный раствор коагулянта и в таком виде добавляют в воду.
В простейших установках небольшой производительности (рис. 1) комья коагулянта загружают в затворный бак А, куда подается также вода для растворения коагулянта. Полученный концентрированный раствор поступает в один из растворных баков Б, где путем добавления воды получают раствор требуемой концентрации. Приготовленный раствор поступает через дозировочный бачок В с дозировочным краном и через воронку Г в очищаемую воду. Устанавливают два растворных бака, работающих попеременно. Во время работы одного бака в другом приготовляется раствор.
Во многих случаях специального бака для растворения коагулянта не устанавливают, а производят растворение коагулянта и приготовление раствора требуемой концентрации в одном устройстве. Для этого комья сернокислого алюминия загружают в дырчатый ящик, находящийся в деревянном баке, наполненном водой из водопровода. Комья постепенно растворяются в воде. При этом находящийся вверху более концентрированный раствор, имея больший удельный вес, опускается вниз, а в дырчатый ящик поступает сверху менее концентрированный раствор, и таким образом в баке создается циркуляция раствора, способствующая процессу растворения.
Затворные и растворные баки на сравнительно небольших установках делают деревянные (из клепки), а на больших — железобетонные с облицовкой внутри керамическими плитками. Применение баков из листовой стали нежелательно, так как раствор глинозема обладает коррозийными свойствами по отношению к металлу. При необходимости применения таких баков они должны быть защищены изнутри противокоррозийным покрытием из перхлорвинилового лака, спаяны рольным свинцом или гумированы.
Процесс растворения происходит интенсивнее, если применять искусственное перемешивание воды. Для этой цели можно, например, подавать в бак через дырчатые трубки сжатый воздух или пар, который одновременно и подогревает воду, что еще больше ускоряет растворение коагулянта.
Иногда для перемешивания применяют механические мешалки пропеллерного типа.
Простейшим дозирующим устройством является деревянный дозировочный бачок (рис. 2). Раствор коагулянта поступает в него через поплавковый клапан, благодаря которому в дозирующем бачке поддерживается постоянный уровень. Из бачка раствор поступает через дозировочный кран в воронку и далее по трубе в смеситель. Ввиду постоянства уровня в бачке раствор вытекает из него под постоянным напором и, следовательно, в постоянном количестве. Изменение этого постоянного количества в случае необходимости изменения дозы коагулянта производят дозировочным краном, который соответственно градуирован.
Дозировочный кран должен быть расположен на высоте не менее 20 см над воронкой.
Дозировочный кран и поплавковый клапан должны быть изготовлены из пластмассы.
Вместо дозировочного крана возможно применение резиновой трубки с винтовым зажимом. Изменяя степень открытия зажима, регулируют количество вытекающего из бачка раствора.
В. В. Хованским предложено дозировочное приспособление, устанавливаемое непосредственно в растворном баке (рис. 3, а) и устраняющее поэтому необходимость в отдельном дозировочном бачке. Приспособление состоит из поплавка и подвешенного к чему гибкого шланга, верхнее отверстие которого снабжено Диафрагмой. Ввиду того что отверстие это находится постоянно на одном и том же расстоянии от уровня раствора (напор у него постоянен), количество вытекающего через шланг раствора будет постоянно при определенной величине отверстия диафрагмы. Регулируя эту величину, можно изменять количество вытекающего раствора. На выпуске из шланга устанавливают кран, который служит для включения или выключения хлоратора.
В видоизмененной Водгео конструкции (рис. 3,б) шланг прикрепляется к тройнику, который присоединен к поплавку скобой. Благодаря этому шланг может свободно поворачиваться вокруг своей оси, что устраняет возможность его перекоса, как это наблюдается в первоначальной конструкции дозировочного приспособления. Кроме того, в новой конструкции входное отверстие во избежание его засорения защищено сеточным колпачком.
Имеются и другие конструкции дозаторов. Среди них есть такие, в которых доза подаваемого реагента изменяется автоматически пропорционально изменению количества коагулируемой воды («пропорциональные» дозаторы).
Во ВНИИГС разработана конструкция автоматического дозатора, действие которого основано на разности электропроводностей воды без коагулянта и с коагулянтом.
Обычно вся установка по приготовлению раствора коагулянта располагается таким образом, чтобы готовый раствор поступал в смеситель самотеком. При невозможности или нецелесообразности такого расположения (например, на крупных очистных станциях, где для этого тяжелые растворные баки пришлось бы располагать этажом выше) раствор перекачивают насосом.
В США и других зарубежных странах широко практикуется введение коагулянта в виде порошка (способ сухого дозирования). Этот способ заключается в том, что при помощи того или иного механического устройства (дозатора) в воду поступает порошок коагулянта в строго определенном количестве, соответствующем принятой дозе.
Сухое дозирование имеет ряд преимуществ перед мокрым: компактность установки и, следовательно, меньшая занимаемая ею площадь, более экономное использование коагулянта, легкая возможность автоматизации процесса дозирования и др. У нас хорошие результаты в производственных условиях показал сухой дозатор, сконструированный В. С. Лавреновым2.
Для широкого внедрения сухого дозирования необходим выпуск промышленностью надлежаще подготовленных для этого порошкообразных реагентов — неслеживающихся и негигроскопичных.
При коагулировании железным купоросом растворение его производится так же и в таких же установках, так и растворение сернокислого алюминия.
Приготовление известкового раствора для подщелачивания производят в так называемых сатураторах, таких же, которые применяют при содово-известковом умягчении воды.
Смесители. Смешение раствора реагента производят в смесителях, через которые протекает вода и в которые добавляют раствор коагулянта (при сухом дозировании — порошок коагулянта).
Наибольшее распространение имеют перегородчатые и дырчатые смесители.
Перегородчатый (ершовый) смеситель представляет собой лоток (обычно железобетонный) с четырьмя-пятью перегородками, поставленными под углом 45° и не доходящими до противоположной стороны лотка (рис. 4). При прохождении воды через щели (со скоростью около 0,8 м/сек) образуются интенсивные завихрения, способствующие хорошему перемешиванию воды с коагулянтом.
Дырчатый смеситель представляет собой такой же лоток, но с дырчатыми перегородками, поставленными перпендикулярно направлению движения воды по всему сечению лотка. Вода проходит через отверстия в перегородках (со скоростью около 1 м/сек). Вследствие образующихся завихрений при проходе воды через отверстия получается хорошее перемешивание воды с коагулянтом.
Могут быть применены также шайбовые смесители, представляющие собой вставку с диафрагмой (шайбой), устанавливаемую на трубопроводе, вблизи места ввода в него раствора реагента (по ходу движения воды). Смешение происходит здесь
вследствие резкого изменения режима движения воды при проходе ее через диафрагму.
Применяют и такие смесители, в которых перемешивание воды с коагулянтом производится механическим путем при помощи вращающихся мешалок.
В простейших установках смешение воды с коагулянтом можно производить путем подачи раствора во всасывающую трубу насоса через приемную воронку по схеме, показанной на рис. 5. Во избежание засасывания воздуха через воронку устанавливают бачок, в который через поплавковый клапан поступает вода из напорного трубопровода. Благодаря поплавковому клапану вода в бачке и в приемной воронке находится постоянно на одном уровне, что препятствует проникновению воздуха через воронку.
При прохождении воды через насос происходит интенсивное перемешивание воды с коагулянтом.
Камеры реакций. Смешения воды с коагулянтом в смесителе недостаточно для полного протекания реакций и образования хлопьев. Поэтому из смесителя вода поступает в хлопьеобразователь, называемый обычно камерой реакций, где и заканчиваются химические реакции и образуются хлопья.
Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода находилась в камере реакции от 15 до 30 мин. при условии постоянного плавного перемешивания воды с коагулянтом.
Перемешивание может быть осуществлено различными способами: путем придания воде вращательного движения (водоворота); путем неоднократного изменения направления движения воды в камере; путем механического перемешивания воды посредством мешалок; наконец, путем создания ускоренного (вихревого) движения воды.
Вода должна проходить в камере реакции с такой скоростью, бы не происходило выпадения хлопьев коагулянта.
Водоворотная камера представляет собой цилиндрический резервуар, в который вода поступает с большой скоростью (около 3 м/сек) сверху через две насадки, расположенные под углом к цилиндрической поверхности резервуара наподобие сегне-рова колеса, но неподвижного. Благодаря такому расположению насадок создается вращательное движение воды в камере. Из камеры вода выходит снизу, пройдя предварительно через гаситель в виде решетки из поставленных на ребро досок. В гасителе вращательное движение воды переходит в поступательное.
В качестве водоворотной камеры обычно используется центральная труба отстойника; таким образом, водоворотная камера не является отдельным сооружением, а представляет собой конструктивный элемент другого сооружения — отстойника.
Перегородчатая камера реакций представляет собой прямоугольный, обычно железобетонный, резервуар с деревянными перегородками, образующими узкие (шириной 0,5-0,6 м) коридоры, через которые последовательно проходит вода со скоростью 0,2-0,3 м/сек. Вдоль резервуара с одной его стороны имеется капал, по которому вода проходит, минуя все коридоры или только часть их.
Перегородчатые камеры устраивают обычно при горизонтальных отстойниках.
В лопастных (мешалочных) камерах реакций перемешивание воды производится вращающимися лопастями (мешалками). Оси мешалок можно располагать вертикально или горизонтально. В первом случае камеру устраивают в виде квадратного или круглого резервуара, в центре которого располагается ось лопастной мешалки, вращающейся в подпятпике от вертикального электродвигателя, установленного сверху. Мешалка может иметь одну или несколько пар лопастей пропеллерного типа.
Вода подводится в камеру снизу, а выпускается сверху, или наоборот.
Лопастные камеры рассчитывают на пребывание в них воды в течение 20-30 мин. Вода движется в них со скоростью 0,2-0,5 м/сек.
При горизонтальном расположении осей мешалок камеры устраивают в виде прямоугольных горизонтальных резервуаров (рис. 7). В одном резервуаре обычно устанавливают две или три мешалки с прямолинейными деревянными крыльями-лопастями. В крупных установках может быть и значительно больше мешалок, устанавливаемых друг за другом в два ряда в шахматном порядке.
Обычно применяют мешалки с двумя крыльями, но на крупных установках возможно применение мешалок и более сложной конструкции — из четырех-шести крыльев.
Вихревая камера реакций представляет собой конус (с углом конусности от 20 до 45°), обращенный вершиной вниз (рис. 8). Вода поступает в конус снизу, а выходит из него сверху. Камера этого типа, предложенного канд. техн. наук g Н. Тетеркиным (Водгео), отличается от описанных выше по самому принципу работы, который заключается в том, что перемешивание воды происходит при движении воды снизу вверх вследствие значительного уменьшения ее скорости (от 0,5-0,7 до 0,004-0,006 м/сек, т.е. более чем в 100 раз). Вследствие эффективного перемешивания для образования хлопьев в вихревой камере достаточно 5- 8 мин., т.е. в 3-4 раза меньше, чем в камерах других типов. Соответственно меньше и объем камеры.
Опыт эксплуатации вихревых камер на ряде установок показал большое их преимущество перед камерами других типов, вследствие чего они получают все большее и большее распространение.
Вихревая камера может быть установлена вместо центральной трубы в вертикальном отстойнике.
Вихревые камеры применяют в осветлителях, работающих по принципу фильтрования, воды через взвешенный осадок. Весьма целесообразно применение их при умягчении воды.
Очистка сточных вод - Коагулирование
Остались вопросы по теме - "Коагулирование", задайте их на