Флокулянты для очистки сточных вод: виды, принцип работы и эффективность применения

Принцип работы коагулянтов

Коагуляция – метод очистки воды путем сцепления загрязняющих дисперсных веществ для последующего удаления механическим методом, фильтрацией. Объединение загрязняющих частиц происходит благодаря введению коагулирующих реагентов, создающих условия для простейшего устранения связанных загрязнителей из очищаемой воды.

Термин «coagulatio» в переводе с латинского обозначает «сгущение» или «свертывание». Сами коагулянты представляют собой вещества, способные за счет химической реакции создавать нерастворимые и малорастворимые соединения, которые проще и легче вывести из состава воды, чем дисперсные компоненты.

Галерея изображений
Фото из
Коагулянты относятся к группе жидких фильтров — веществ, способных очищать воду в ходе химической реакции

При внесении коагулянов в подлежащую обработке грязную воду примеси органического и неорганического происхождения нейтрализуются посредством образования гелеобразного осадка и выпадения на дно

Внесение коагулянтов в септические системы позволяет ускорить процесс осаждения примесей, повышает степень очистки воды, благодаря чему стоки можно сбрасывать без применения систем подземной доочистки

Активное применение коагулянты нашли на предприятиях химической и пищевой промышленности, где их внедрение в технологическую цепочку существенно сокращает расходы по утилизации стоков

Кроме внесения в очистные сооружения независимой канализации коагулянты в быту служат для очистки воды в декоративных прудах и фонтанах

Вода с внесенным коагулянтом не цветет при постоянном освещении, при этом не наносит ущерба окрущающей среде и создает угроз экологической обстановке

Обработка воды коагулянтом в бассейне гарантирует возможность сброса воды на рельеф без использования септика. Главное, вовремя убрать осадок

Коагулянты допускается применять для подготовки питьевой воды и воды для наполнения аквариумов, т.к. они нейтрализуют только вредные вещества, не влияют на полезный состав

Вещества для химической фильтрации

Принцип действия коагулянтов по очистке воды

Использование в независимых очистных сооружениях

Использование на промышленных предприятиях

Сфера применения в бытовых условиях

Предупреждение цветения воды

Приготовление раствора для бассейна

Очистка воды для аквариумов

Принцип работы веществ построен на том, что их молекулярная форма имеет положительный заряд, в то время как большинство загрязнений – отрицательный. Присутствие двух отрицательных зарядов в строении атомов грязных частиц не позволяет им соединяться вместе. По этой причине грязная вода всегда приобретает мутность.

В момент внесения в жидкость небольшой порции коагулянта вещество начинает подтягивать к себе присутствующие в ней взвеси. Как результат: с увеличением интенсивности рассеиваемого света жидкость на короткий промежуток времени становится более мутной. Ведь одна молекула коагулянта с легкостью может притянуть к себе несколько молекул грязи.

Коагулянты провоцируют образование устойчивых связей между мелкими частицами загрязнений и присутствующих в воде микробов

Притянувшиеся молекулы грязи начинают вступать с коагулянтом в реакцию, вследствие которой объединяются в большие сложно-составные химические соединения. Малорастворимые высокопористые вещества постепенно оседают на дно в виде белого осадка.

Задача хозяина состоит лишь в том, чтобы вовремя убирать осадок, применяя любой из доступных ему типов фильтрации.

Молекулы, притягивающиеся друг к другу, образуют крупные частицы, которые за счет своего увеличившегося веса оседают, а затем выводятся путем фильтрации

Об эффективности действия препарата можно судить по образованию на дне осадка в виде белых хлопьевидных образований – флокул. Благодаря этому термин «флокуляция» нередко используют в качестве синонима понятия «коагуляция».

Образующиеся хлопья, размер которых может достигать от 0,5 до 3,0 мм, имеют большую поверхность, обладающую высокой сорбцией осаждаемых веществ

Флокулянты для очистки воды: преимущества метода

Эти полимеры позволяют ускорить фильтровальный процесс, обеспечивают удаление примесей больших масштабов при минимальных затратах. Их принцип действия основан на разделении жидкой и твердой фазы. Для максимального эффекта следует применять такие реагенты после коагулянтов.

К основным достоинствам использования растворов флокулянтов для очистки воды относят следующие факторы:

ускорение процесса осаждения, придание жидкости прозрачности;
сокращение продолжительности процедуры фильтрации, что позволяет снизить затраты при значительных объемах;
продление эксплуатационного срока фильтрующих систем за счет удаления крупных загрязнений;
отсутствие влияния на показатель pH обрабатываемой субстанции;
частичное удаление вирусов, бактерий, водорослей;
повышение эффективности процедуры на 30% по сравнению с аналогичными методами.

Продукция также не требует подключения дополнительных очистных установок, что позволяет увеличить производительность предприятия. Может применяться там, где другие способы не работают. Не повышает концентрацию растворенных металлов, при соблюдении рекомендованных дозировок безопасна для здоровья.

Отличия от коагулянтов

Коагулянты способствуют удалению мелкодисперсного мусора, объединяя его частицы между собой и впоследствии осаждая их. Но они имеют немного другой механизм действия: в его основе лежит дестабилизация зарядов загрязняющих веществ и устранение электростатического взаимодействия.

Процесс флокуляции протекает за счет создания полимерной связи. В результате фильтруемые частички укрепляются и значительно увеличиваются в объеме, а затем с легкостью удаляются со дна емкости.

Время воздействия данных реагентов тоже различается: коагуляция проходит в течение 1-3 минут при температуре 20-25°C после тщательного перемешивания, флокуляция – от 30 до 60 минут, так как требует большего времени для отстаивания. Это обусловлено продолжительной стадией формирования осадка.

Классификация и состав сточных вод

Очистка стоков

Классификация сточных вод включает три основные категории в зависимости от их состава, происхождения и качественных показателей примесей и загрязнений:

Бытовые, или хозяйственно-фекальные, к которым относятся сточные воды, удаляемые из различных бытовых помещений, таких как туалеты, душевые и ванные комнаты, кухни, прачечные, бани, больницы, столовые и т.д. Основными их загрязнениями являются хозяйственно-бытовые и физиологические отходы, а для их сброса действуют специальные правила приема сточных вод в городскую канализацию;
Промышленные или производственные, использованные при выполнении разнообразных технологических процессов, таких промывание сырья и продукции, охлаждение оборудования и т.д., а также откачанные на поверхность в процессе добывания полезных ископаемых. Чаще всего промышленные стоки загрязнены производственными отходами, в которых могут содержаться такие вредные и отравляющие вещества, как азот аммонийный в сточных водах, синильная кислота, соли свинца, ртути и меди, фенолы, анилин и т.д., а также отходы, которые могут иметь ценность при использовании в качестве вторичного сырья. Промышленные стоки могут быть разделены на две категории: загрязненные, для которых перед повторным использованием или выпусканием в водоемы производится предварительная очистка сточных вод, и слабозагрязненные или условно чистые, которые не требуют предварительной обработки.
Атмосферные сточные воды, к которым относятся талые и дождевые воды, а также воды от полива зеленых насаждений и улиц. Данная категория сточных вод содержит в себе в основном загрязнения минерального происхождения и представляет меньшую санитарную опасность, чем производственные и бытовые стоки, поэтому очистка ливневых сточных вод является наименее требовательной процедурой.

Уровень загрязнения сточных вод рассчитывается в зависимости от концентрации в них различных примесей, выражающейся в массе на единицу объема (г/м3 или мг/л).

Бытовые сточные воды являются относительно однообразными по своему составу, а концентрация в них загрязнений зависит от того, какой объем воды расходуется на одного человека, проще говоря – от норм водопотребления.

В зависимости от того, какое значение принимает разбавление сточных вод, загрязнения бытовых стоков подразделяют на следующие категории:

Нерастворимые, в которых образуются крупные взвеси, размеры частиц в которых превышают 0,1 мм;
Пены, суспензии и эмульсии, размеры частиц которых составляют от 0,1 мкм до 0,1 мм;
Коллоидные – размер частиц от 1 нм до 0,1 мкм;
Растворимые, в состав которых входят молекулярно-дисперсные частицы, размер которых не достигает 1 нм.

Кроме того, отличают органические, минеральные и биологические загрязнения бытовых стоков:

Минеральные загрязнения включают в себя частицы песка, глины и шлака, растворы солей, щелочей, кислот и прочие вещества.
Органические загрязнения могут быть как животного, так и растительного происхождения. Растительные загрязнения – это различные остатки плодов, растений и овощей, а также бумага, масла растительные и т.д., характеризующиеся повышенным содержанием углерода. К животным загрязнениям можно отнести различные человеческие и животные физиологические выделения, остатки органической ткани, клейкие вещества и т.д., для которых характерно высокое содержание азота.
Биологические же загрязнения включают в себя различные грибки (плесневые и дрожжевые), микроорганизмы, водоросли и бактерии, среди которых довольно большое количество возбудителей таких болезней, как паратиф, тиф брюшной, дизентерия, сибирская язва и т.д. Такие загрязнения могут быть характерны не только для бытовых сточных вод, но и для части промышленных стоков, например – отходов мясокомбинатов, скотобоен и т.д. Несмотря на то, что химический состав данных загрязнений является органическим, создаваемая ими при поступлении в водоемы санитарная опасность требует их выделения в отдельную категорию.

В состав бытовых стоков входят следующие загрязнения (значения приведены в процентах от общего числа загрязнений):

Минеральные вещества – 42%;
Органические вещества – 58%;
Взвешенные осаждающиеся вещества – 20%;
Коллоидные смеси – 10%
Растворимые вещества – 50%.

Состав промышленных сточных вод и их степень загрязнения могут варьироваться в зависимости от характера конкретного производства и различных условий применения воды в технологическом процессе.

На количество же атмосферных сточных вод существенное влияние оказывает рельеф и климат конкретной местности, а также такие показатели, как характер застройки, вид дорожного покрытия и т.п.

Это важно!

В современной промышленности высоко ценятся различные руды, далеко не все они отличаются гидрофобностью, а значит, описанная технология не будет работать для их извлечения. Тогда применяют химические составы – реагенты. Это такие компоненты, благодаря которым целевые частицы либо приобретают гидрофобные качества, либо теряют их.

Существуют следующие реагенты:

образователи пены;
регуляторы, повышающие гидрофильность;
собиратели;
активаторы, формирующие такие условия, в которых собиратели закрепляются на поверхности;
депрессоры, исключающие увеличение гидрофобности веществ (применяются для того, чтобы процесс стал более селективным).

Приложения

Химия поверхности

В коллоидной химии флокуляция относится к процессу, при котором мелкие частицы собираются вместе в хлопья. Затем хлопья могут всплывать на поверхность жидкости (вспенивание), оседать на дно жидкости ( осаждение ) или легко отфильтровываться от жидкости. Флокуляция почвенных коллоидов тесно связана с качеством пресной воды. Высокая диспергируемость почвенных коллоидов не только напрямую вызывает помутнение окружающей воды, но также вызывает эвтрофикацию из-за адсорбции питательных веществ в реках и озерах и даже на лодках под водой.

Физическая химия

Для эмульсий флокуляция описывает кластеризацию отдельных диспергированных капель вместе, в результате чего отдельные капли не теряют своей идентичности. Таким образом, флокуляция является начальной стадией, ведущей к дальнейшему старению эмульсии (коалесценция капель и окончательное разделение фаз). Флокуляция используется при обогащении минералов, но также может использоваться для определения физических свойств пищевых и фармацевтических продуктов.

Гражданское строительство / науки о Земле

В гражданском строительстве и в науках о Земле флокуляция – это состояние, при котором глины, полимеры или другие мелкие заряженные частицы прикрепляются и образуют хрупкую структуру , хлопья. В дисперсных глинистых суспензиях флокуляция происходит после прекращения механического перемешивания, и диспергированные пластинки глины спонтанно образуют хлопья из-за притяжения между отрицательными поверхностными зарядами и положительными краевыми зарядами.

Биология

Флокуляция используется в биотехнологии в сочетании с микрофильтрацией для повышения эффективности биологических кормов. Добавление синтетических флокулянтов в биореактор может увеличить средний размер частиц, делая микрофильтрацию более эффективной. Когда флокулянты не добавляются, образуются и накапливаются корки, что снижает жизнеспособность клеток. Положительно заряженные флокулянты работают лучше, чем отрицательно заряженные, поскольку клетки обычно заряжены отрицательно.

Сырная промышленность

Флокуляция широко используется для измерения процесса образования творога на начальных этапах производства сыра, чтобы определить, как долго творог должен застыть. Реакция с участием мицелл сычужного фермента моделируется кинетикой Смолуховского . Во время сычужного образования молока мицеллы могут сближаться друг с другом и флокулировать – процесс, который включает гидролиз молекул и макропептидов.

Флокуляция также используется при очистке сточных вод от сыра . В основном используются три разных коагулянта:

FeSO ₄ ( сульфат железа (II) )
Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ( сульфат алюминия )
FeCl ₃ ( хлорид железа (III) )

Пивоварение

В пивоваренной промышленности флокуляция имеет другое значение. Это очень важный процесс ферментации при производстве пива, когда клетки образуют макроскопические хлопья. Эти хлопья заставляют дрожжи осаждаться или подниматься на вершину ферментации в конце ферментации. Впоследствии дрожжи можно собирать (собирать) с верхней части ( ферментация эля ) или с нижней части ( ферментация лагера ) ферментера, чтобы повторно использовать их для следующей ферментации.

Флокуляция дрожжей в первую очередь определяется концентрацией кальция, часто в диапазоне 50-100 частей на миллион. Соли кальция могут быть добавлены, чтобы вызвать флокуляцию, или процесс можно обратить, удалив кальций путем добавления фосфата с образованием нерастворимого фосфата кальция, добавления избыточного сульфата для образования нерастворимого сульфата кальция или добавления EDTA для хелатирования ионов кальция. Хотя это похоже на осаждение в коллоидных дисперсиях, механизмы разные.

Процесс очистки воды

Флокуляции и осаждения широко используются в очистке от питьевой воды , а также в очистке сточных вод , очистки ливневых вод и очистки промышленных потоков сточных вод. Типичные процессы очистки состоят из решеток, коагуляции, флокуляции, осаждения , гранулированной фильтрации и дезинфекции.

Баночный тест

Цель этого теста – выбрать типы коагулянта (квасцы), а также оценить оптимальную дозу, необходимую для удаления заряженных частиц, которые встречаются в сырой воде. Jar test – это эксперимент для понимания процессов коагуляции, флокуляции и седиментации (AWWA, 2011).

Аппарат для испытаний в сосуде состоит из шести стаканов периодического действия и оборудован лопастным миксером для каждого стакана. В стандартной практике испытание в сосуде включает быстрое перемешивание, за которым следует медленное перемешивание, а затем процесс осаждения.

Разновидности и применение коагулянтов для очистки воды

Если бы в неочищенной воде все взвешенные твердые частицы были достаточно велики, чтобы их можно было легко удалить с помощью известных методов очистки, то обработка химическими коагулянтами не требовалась бы. Однако большая часть взвешенного вещества состоит из очень мелких, чрезвычайно дисперсных твердых частиц, в значительной степени коллоидных. Ввиду малого размера они не поддаются осаждению, флотации или фильтрации, и их приходится предварительно подвергать коагуляции.

И флоакулянты, и коагулянты – это реагенты, которые используются на первых стадиях очистки воды от загрязняющих частиц. Коагулянты объединяют мелкие частички дисперсных систем в крупные под воздействием сил сцепления. Применение коагулянтов способствует понижению степени окисляемости обрабатываемых водных масс, уменьшению содержания в них взвешенных частичек, улучшению основных технологических процессов обработки, которые происходят в очистных сооружениях и осветлителях. Флоакулянты обеспечивают слипание неустойчивых агрессивных частичек и тем самым интенсифицируют процесс образования хлопьев. Данные вещества осветляют водные массы и улучшают и качество по ряду контролируемых показателей. Например, снижается щелочность, содержание общего железа, а концентрация взвешенных частиц падает в 3-5 раз.

Предварительный лабораторный анализ состава стоков обязателен. Он дает представление о качестве воды, основных загрязнителях и позволяет составлять максимально эффективный план очистки.

Все типы реагентов для очистки питьевой воды

Наиболее распространенные и эффективные коагулянты – соли алюминия и железа. Химические соединения, образовываемые металлами, могут быть органическими либо неорганическими. Каждый тип коагулянта рассчитан на взаимодействие с определенными веществами. Для очистки стоков промышленных предприятий используют специальные вещества (не те же самые, что в быту). Основные варианты:

соли магния (сульфат или хлорид магния);
алюмосиликатный раствор;
неорганический коагулянт, полученный из красно шлама;
активированный кальций-алюминат;
минеральный полиреагентный гель-сорбент.

Рассмотрим самые популярные виды алюмосодержащих коагулянтов. Первый – сульфат алюминия Al2(SO4)3∙18H2O. В большинстве случаев он используется в виде растворов. Известно два типа вещества – очищенный (имеет вид белых кусков) и неочищенный (серо-зеленые гранулы).

Гидроксохлорид алюминия имеет химическую формулу Aln(OH)(3n-m)Clm, выпускаться может в виде прозрачных растворов либо желтоватых гранул. Преимущества – хорошие коагулирующие характеристики, высокая растворимость в воде, стабильность рН жидкости, минимальное содержание алюминия, эффективное удаление хлора. Гидроксохлорид алюминия – коагулянт нового поколения. Он используется для очистки промышленных стоков (химическая, металлургическая отрасль) и питьевой воды.

Гидроксохлоросульфат алюминия (или ГСХА) – смешанный коагулянт. Максимальную эффективность он показывает в очистке мутных и паводковых вод. Может выпускаться в виде раствора или твердой массы. Широко используется в промышленности. Аналог – сульфат алюминия.

Оксихлорид алюминия – формула Al(OH)mCl3n-m. Применяется для очистки природных вод, главным образом в холодное время года. Коагулянт вступает в быстрые четкие реакции с вредными веществами, может использоваться для очистки промышленных стоков.

Железосодержащие коагулянты используются реже, чем алюмосодержащие. Самые популярные:

Хлорное железо – имеет формулу FeCl3*6H2O. Применяется для очистки природных вод, ила с промышленности, хорошо убирает аромат сероводорода.
Сульфат железа – для очистки вод используют соединения FeSO4 и Fe_2(SO_4)_3. Хорошо убирает посторонние запахи.

К органическим и неорганическим коагулянтам относят известковые растворы, вещества с примесями алюминия и железа. По своему химическому составу они все относятся к солям кислот. Неорганические имеют длительный срок хранения и не представляют сложностей в использовании. Органические бывают природными и искусственными, экономичны в расходе, имеют стабильный кислотно-щелочной состав, эффективно удаляют хлор, после завершения процесса очистки из воды выводятся практически полностью. Также данные вещества удобные в приготовлении, нормально взаимодействуют с водорослями, осадок дают минимальный и существенно повышают срок службы стационарных фильтрационных установок.

Типы коагулянтов (флокулянтов)

Современные коагулянты представлены четырьмя типами:

Анионные. В результате реакции диссоциации образуется анионы. Это группа полиакриламидов.
Катионные. При взаимодействии со средой продуцируют элементы с положительным зарядом. Сегодня они являются приоритетными. Поскольку не требуют предварительного использования коагулянтов базовой группы.
Неионные. Не дают реакции диссоциации. Примеры коагулянтов – крахмал, декстрин, полиэтиленоксид.
Амфотерные. Во время реакции диссоциации параллельно образуются катионные и анионные компонентарные группы.

Применение реагентов регламентировано законодательно. Существует перечень названий коагулянтов для сферы водоочистки. В условиях водоканалов допускается использование по ГОСТ коагулянта гидрохлорида алюминия совместно с полиакриламидом, силикатом натрия и рядом других.

На что действуют флокулянты и коагулянты

Очистка воды коагулянтами и флокулянтами применяется для извлечения из воды коллоидных и дисперсных загрязнений. Коллоидные частицы занимают промежуточное положение между атомами и макроскопическими объектами. Их размеры колеблются от грубодисперсных 10-5м (1000нм) до высокодисперсных частиц 10-9 – 10-7м. Дисперсными загрязнениями будем называть суспензии – взвесь твердых частиц в жидкости (воде в нашем случае) которые больше 10-5м. Например, типичными коллоидными системами является молоко (микро капли жиров в воде) или дым (твердые микрочастицы в воздухе), туман (микро капли воды в воздухе). А примером образования дисперсных смесей служит помутнение воды, насыщенной карбонатами (соли жесткости) в следствии уменьшения их растворимости после добавления перекиси водорода. Другие примеры коллоидных систем это, например, взвеси из гидрофобных (нефтепродукты, масла, жиры) или гидрофильных (гумусовые вещества, полисахариды, белки, лигнин) органических соединений в воде. Или дисперсные системы из минеральных примесей (глинистые частицы, оксиды и карбонаты различных металлов).

В процессе флокуляции/коагуляции одновременно может происходить извлечение из воды растворенных органических и минеральных загрязнений, которые адсорбируются продуктами гидролиза коагулянтов или вступают в химическое взаимодействие с коагулянтами и флокулянтами с образованием трудно растворимых соединений. Такими веществами являются соли гуминовых и фульвокислот, анионные и катионные ПАВ, красители, фосфаты, катионы и комплексные анионы тяжелых металлов и т.д., которых бывает довольно много в колодезной или из артезианских скважин воде

Обратите внимание, что с помощью коагулянтов и флокулянтов (при умелом пользовании) можно понизить общую щелочность воды или содержание железа

Что такое флокулянт

Рекомендации

Принцип работы коагулянтов