Коагулация и флокулация на отпадъчни води

В и КСп. Инженеринг ревю - брой 2/2018 • 22.03.2018

Коагулация и флокулация на отпадъчни води
Коагулация и флокулация на отпадъчни води
Коагулация и флокулация на отпадъчни води

Физикохимичните методи заемат съществен дял в пречистването на производствените отпадъчни води. Те включват коагулация и флокулация, флотация, сорбция, йонообмен, екстракция, изпарение, кристализация, електролиза, мембранни процеси (електродиализа, обратна осмоза, ултрафилтрация). Тези методи могат да се използват самостоятелно или в комбинация с други групи методи (механични, химични и биологични) за повишаване ефективността на процеса на пречистване на отпадъчни води. Коагулацията и флокулацията са съществена част от процеса на пречистване както на питейните, така и на отпадъчните води.

Процесите на флокулация и коагулация са доста по-сложни, отколкото изглежда на пръв поглед. Използваните флокуланти и коагуланти се различават по химични свойства, молекулни тегла, електричен заряд и други характеристики. От решаващо значение е изборът на подходящ флокулант и/или коагулант, за да се осигури икономическа ефективност при процеса на разделяне на твърди частици от водния поток. Изборът зависи от условията на процеса, включително от размера на частиците, химичния състав и рН на водата, процента на диспергираните фини частици и т. н.

Коагулацията и флокулацията са неизменна част от цялостното третиране на отпадъчни води в съвременните пречиствателни станции. Това е така, защото нормативно определената граница за мътността на третираната вода постепенно намалява с годините. Много от ВиК операторите се ангажират с непрекъснато намаляване границите на мътност на водните потоци и в доста случаи стойността достига до 0,1 NTU (нефелометрични мътностни единици). Това се прави с цел предотвратяване на замърсяването на водния поток с патогенни микроорганизми.

Коагулация
Фините частици имат отрицателен повърхностен заряд. Това налага те да бъдат неутрализирани, за да бъдат отстранени от водния поток. Процесът на неутрализиране на заряда и свързване на частици за образуване на микрофлокулни агрегати се нарича коагулация. Добавяният коагулант има положителен заряд, който неутрализира отрицателния повърхностен заряд на частиците. Коагулиралите частици след това се обединяват в по-големи агрегати и се утаяват чрез добавянето на флокулант.

Коагулацията е важен етап от процеса на пречистване на отпадъчни води, тъй като тя служи и за отстраняването на фосфора, както и за намаляването на суспендираните твърди частици и органичното натоварване в първичните утаители.
Най-често използваните метални коагуланти се делят на две основни категории – базирани на алуминий и на желязо. Алуминиевите коагуланти включват алуминиев сулфат, алуминиев хлорид и натриев алуминат. Желязосъдържащите коагуланти включват железен (III)-сулфат, железен (II)-сулфат, железен хлорид и железен хлорид сулфат. Други химикали, използвани като коагуланти, включват хидратна вар и магнезиев карбонат.

Ефективността на алуминиевите и железните коагуланти е резултат от способността им да образуват многозарядни полиядрени комплекси, повишаващи адсорбционния капацитет. Природата на образуваните комплекси може да се контролира от рН на системата.
Когато металните коагуланти се добавят към водата, алуминиевите и железните йони хидролизират бързо, но по неконтролиран начин, образувайки серия от метални хидролизни комплекси. Ефективността на бързото смесване, стойността на pH и дозата на коагуланта определят кои видове хидролизат са най-подходящи за пречистване на водите.

Значителен напредък се наблюдава при разработването на предварително хидролизирани неорганични коагуланти, базирани както на алуминий, така и на желязо, целящи получаването на правилните видове комплекси, независимо от условията на процеса по време на третирането. Те включват алуминиев хлорохидрат, полиалуминиев хлорид, полиалуминиев сулфат хлорид, полиалуминиев силикат хлорид и форми на полиалуминиев хлорид с органични полимери. Железните форми включват полиферитен сулфат и железни соли с полимери. Предлагат се и полимеризирани алуминиево-железни смеси.

Основните предимства на предварително полимеризираните неорганични коагуланти са, че те могат да действат ефективно в широк диапазон на рН и температура на пречистваните води. Те са по-малко чувствителни към ниски температури на водата; с по-ниски дози се постигат целите на пречистване на водата и се получават по-малко количества химични остатъци (хлориди и сулфати).

Предварително полимеризирани неорганични коагуланти се получават с различни базисни съотношения, базисни концентрации, начални метални концентрации, време на стареене и температура на стареене. Поради много специфичния характер на тези продукти, най-добрата формулировка за конкретна вода е специфична за дадения случай и трябва да бъде определена чрез изследване на съответния поток. Например някои полимери – естествени или синтетични, имат способността да дестабилизират или усилват флокулацията във водния поток.

Полимерите се предлагат в различни форми, включително разтвори, прахове, гранули, емулсии и др. Плътността на полимерния заряд оказва влияние върху конфигурацията в разтвора: за дадена молекулна маса нарастващата плътност на заряда удължава полимерните вериги чрез увеличаване на електростатичното отблъскване между заредените единици, като по този начин повишава вискозитета на полимерния разтвор.

Въпреки че коагулантите, базирани на споменатите вече химични вещества, се използват за пречистване на питейни води, те са токсични за рибите и не могат да се прилагат, когато ще има последващо изпускане на потока в открити води. Съществуват обаче няколко коагуланта, които са специално разработени за употреба в такива приложения. Тези продукти могат да се използват безопасно, когато има заустване в открит воден поток или потенциал за това. В редица случаи също се предпочита използването на тези продукти дори при условия на затворена циркулация на водата.

След като повърхностните заряди на частиците се неутрализират, за да се агрегират образувалите се микрофлокулни частици, често се прибавят флокуланти. Съвременните синтетични флокуланти са широко разпространени в редица индустриални приложения. Тези продукти често се изготвят по спецификация, за да отговарят на редица изисквания и да осигурят максимална икономическа ефективност на процеса.

Един от проблемите със синтетичните полимери е свързан с потенциалната токсичност, която обикновено произтича от остатъчните нереагирали мономери. Процентът на нереагирали мономери обаче може да бъде контролиран по време на процеса на пречистване, като по този начин обикновено се постига ниско съдържание на такива мономери в третираните води.

Флокулация
Това е процесът, при който коагулиралите частици се обединяват в по-големи агрегати с помощта на флокулант и се утаяват. Дълго време като флокуланти са използвани естествени полимери. Предимствата на естествените полимери са, че те практически не съдържат токсини, биоразградими са в околната среда и суровините се предлагат на местно ниво. Въпреки това, използването на синтетични полимери е по-широко разпространено. Те като цяло са по-ефективни като флокуланти поради нивото на контрол, което е възможно по време на производството им.

Типични флокуланти са въглеводородните съединения с дълги вериги. Тези полимери се състоят от няколко повтарящи се единици и имат молекулни тегла, вариращи от 5 до 20 милиона. Молекулните тегла на флокулантите са значително по-високи от тези на коагулантите, които варират от 2000 до 200 000. Молекулните тегла както на коагулантите, така и на флокулантите, могат да бъдат контролирани и модифицирани чрез изменение на процесните променливи по време на производството им.

Също така, към флокуланта могат да бъдат прикрепени множество различни функционални групи, които да му придадат специфични свойства. Така продуктът може дабъде направен специално за конкретни приложения, което е още едно от предимствата на синтетичните полимери. В зависимост от химичния им състав флокулантите могат да бъдат неутрални, анионни или катионни.

В повечето случаи се използват неутрални или анионни флокуланти. Неутралните флокуланти са полимери с дълга верига от полиакриламиди, получени от акриламиден мономер. Повечето флокуланти са съполимери на акриламид и натриев акрилат. Акриламид-акрилатните кополимери са анионни поради наличието на отрицателно заредени карбоксилатни групи в полимера. Съотношението на натриев акрилат към акриламид в полимера определя неговата анионност. По-голямо количество натриев акрилат води до флокуланти с по-висок заряд.

Фактори, повлияващи процеса на коагулация и флокулация
Ефективността на процеса на коагулация-флокулация зависи от много променливи. Основните фактори, които оказват влияние върху този показател, могат да се разделят на химични и физични. Химичен фактор е влиянието на pH, чиято оптимална стойност зависи не само от катиона, използващ се в качеството на коагулант, но също така и от съпътстващия го анион. Влиянието на pH се отразява както върху степента на протичане на хидролизните процеси на използвания коагулант, така и върху хидролизата на колоидните примеси. Това означава, че оптималната стойност на pH се определя не само от условията на коагулация на съответните хидроксиди, но зависи и от химичната природа на отстраняваните от водата примеси.

Повърхностният заряд също оказва съществено влияние върху процеса – по-високата плътност на повърхностния заряд води до увеличаване на количеството на необходимия коагулант и химичното съдържание на водата.
Нужно е стриктно следене на дозата коагулант, тъй като по-големи количества от необходимите водят до промяна в повърхностния заряд и отблъскване между частиците. От своя страна, химичният състав на водата оказва влияние при избора на вида на коагуланта, както и при определянето на дозата му. От важно значение е наличието на йони като Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+. Общото правило е, че колкото по-голяма е твърдостта на водата, толкова по-ниска е дозата на използвания коагулант.

Физичните фактори, които влияят върху процесите на коагулация и флокулация, са температурата, продължителността и честотата на разбъркване на течността. Влиянието на температурата е свързано също със скоростта на хидролизния процес на коагулантите и флокулантите, която, като при всяка химична реакция, намалява при ниски температури.
Оптималният вид коагулант, дозировката му и pH се определят посредством т. нар. jar тест. Процедурата за тестване може да се извърши въз основа на голямо разнообразие от критерии, като приложимостта на всеки зависи от конкретните обстоятелства, тестваната вода и процесите, използвани след коагулацията.

Управление на утайките
В редица държави е в сила строго законодателство по отношение на управлението на утайките от процесите на коагулация и флокулация, което да ограничи вредното им въздействие върху околната среда. Обикновено те се характеризират със стойности на БПК (биохимична потребност от кислород) в диапазона на стотици mg/l и на ХПК (химична потребност от кислород) в диапазона на хиляди mg/l. В повечето случаи тези утайки изискват някаква форма на кондициониране преди подлагането им на механично уплътняване и обезводняване.

Новият брой 2/2018

брой 2-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top