Практика показала, что эффект контактной коагуляции повышается по мере сокращения интервала между вводом коагулянта в обрабатываемую воду и ее поступлением в слой контактной массы. За этот короткий промежуток времени в обрабатываемой воде успевают образоваться микроагрегаты слипшихся первичных частиц. Далее коагуляция идет за счет коррозии этих микроагрегатов на макроповерхности частиц контактной массы.

Другими особенностями контактной коагуляции является независимость процесса от щелочности и температуры воды, меньшее влияние рН и др.

Водоочистные сооружения, работа которых основана на принципе контактной коагуляции, называют контактными осветлителями, контактными фильтрами, осветлителями со слоем взвешенного осадка.

Определение оптимальных доз реагентов

Доза коагулянта для вод разного состава не одинакова и устанавливается путем пробного коагулирования исходной воды в лаборатории. Оптимальная доза коагулянта вызывает образование крупных, быстро декантирующих хлопьев и не дает опалесценции воды. Существует методика определения показателя коагулируемости воды, под которым понимается способность к коагуляции грубодисперсных и коллоидных примесей, присутствующих в воде, при обработке ее коагулянтом — сернокислым алюминием, проводимой как без подщелачивания воды, так и с ее подщелачиванием. Для ориентировочных подсчетов дозу коагулянта следует определять по СНиП 2.04.02—84, которая в пересчете на безводные A12(S04)3; Fe2(S04)3; FeCl3 при обработке мутных вод принимается (в зависимости от содержания примесей) от 25 до 80 мг/л. При коагулировании воды с повышенной цветностью доза коагулянта находится по формуле ДК=4Ц0'5, где Ц — цветность воды, град.

Дозу ПАА, считая по безводному продукту, можно определить в зависимости от места его ввода. Так, при вводе перед сооружениями I ступени, согласно СНиПу, в зависимости от мутности и цветности исходной воды она варьируется в пределах 0,2... 1,5 мг/л, а при вводе перед фильтрами при двухступенчатой очистке — 0,05... 0,1 мг/л, при вводе перед фильтровальными сооружениями при одноступенчатой очистке — 0,2... ... 0,6 мг/л.

Доза АК, считая по диоксиду кремния, также зависит от места ее ввода: при вводе перед сооружениями I ступени при температуре исходной воды свыше 5...7°С она равна 2... 3 мг/л, а при температуре воды ниже 5 °С — 3...5 мг/л; при вводе перед фильтрами при двухступенчатой очистке — 0,2...0,5 мг/л и при вводе перед фильтровальными сооружениями при одноступенчатой очистке — 1...3 мг/л.

Флокулянты следует вводить в воду через 2...3 мин после ввода коагулянта. При очистке мутных вод допускается введение в воду флокулянтов до коагулянтов или одновременно.

При предварительном хлорировании, которое предусматривается для улучшения хода коагуляции и обесцвечивания воды, а также для поддержания водоочистных сооружений в надлежащем санитарном состоянии, доза хлора принимается 2 ... 4,0 мг/л. Реагент следует вводить в воду за 1... 3 мин до наступления коагулянта и тщательно перемешивать.                                                            

При наличии в исходной воде фенолов рекомендуется применять ее преаммонизацию путем введения в воду перед хлорированием аммиака или аммонийных солей в количестве 20 ... 25% (по NH3) от дозы хлора.

При низкой щелочности исходной воды для обеспечения успешной коагуляции ее приходится подщелачивать, для чего в нее вводят известь или соду в количествах, определяемых по формуле

Дщ = Кщ (Дк/ек— Щ0) + 1

где Дк — максимальная в период подщелачивания доза безводного коагулянта, мг/л; Щ0 — минимальная щелочность исходной воды, мг-экв/л; Кщ — коэффициент, равный для извести (по СаО)—28 и для соды (по Na2C03)—53; ек — эквивалентная масса коагулянта (безводного), мг-эквл, принимаемая для A12(S04)3 — 57, FeCl3 — 54, Fe2(S04)3 — 67.

При отрицательной величине Дщ подщелачивание не требуется. Щелочные реагенты следует вводить одновременно с вводом коагулянта или до него.

При дезодорации исходной воды следует применять: тонко- диспергированный порошкообразный уголь, дозу которого назначают (по углю марки «А-щелочной»), руководствуясь результатами технологических исследований, перманганат калия, озон.

Для устранения нежелательных привкусов и запахов возможно комбинированное применение указанных реагентов, при этом активный уголь следует вводить в воду после окислителей.

Дозу фторсодержащего реагента, мг/л, при фторировании воды следует определять по формуле

Дф = 104(mф*аф - Ф)/(Кф*Сф),

где mф — коэффициент, зависящий от места ввода реагента в воду, принимаемый при вводе в фильтрат — 1, при вводе перед фильтровальными аппаратами — 1,1; aф — содержание фтора в обработанной воде, мг/л (для средней полосы России для зимнего периода аф=1 мг/л, для летнего — 0,8 мг/л); Ф — содержание фтора в исходной воде, мг/л; Кф — содержание фтора в чистом реагенте, %, принимаемое для кремнефтористого натрия — 61; для фтористого натрия — 45; для кремне- фтористого аммония — 64; для кремнефтористоводородной кислоты — 79; Сф — содержание чистого реагента в товарном продукте, %.

Ввод фторсодержащих реагентов следует предусматривать в фильтрат перед обеззараживанием, возможно, их введение перед фильтрами при двухступенчатой очистке.

Дехлорирование воды производится аэрированием (при небольшом избытке остаточного хлора) или связыванием хлора при введении тиосульфата, сульфита и дисульфита натрия, аммиака, сжиженного оксида серы(IV) или ее фильтрованием через гранулированный активный уголь. Примерные дозы реагентов определяются следующими соотношениями: на 1 мг хлора требуется тиосульфата натрия 0,8 ... 7,2 мг, сульфита натрия — 2,5 ... 3,5 мг, оксида серы(1У)—0,9... 1,1 мг, аммиака — около 0,13 мг.

Последовательность ввода реагентов и их экспозиции надлежит принимать, руководствуясь указаниями табл. 3.6. При невозможности соблюдения указанных рекомендаций между вводом реагентов в трубопроводы перед водоочистным комплексом и смесителем допускается устройство контактных емкостей или дополнительных смесителей, конструкции которых исключали бы вероятность седиментации суспензий дозируемых реагентов.

Таблица 3.6.

Электрохимическое коагулирование

Для осуществления процесса коагуляции в воду могут быть введены вместо коагулянтов ионы тяжелых металлов, полученные электрохимическим путем. Для этого воду пропускают через электролизер — аппарат с опущенными в него электродами — анода (из алюминия или железа) и катода. Питание электролизера осуществляется от постоянного или переменного источника тока. При применении растворимых металлических электродов электродный процесс сопровождается рядом электрохимических явлений и реакций. Их скорость по законам электрохимической кинетики определяется общим значением потенциала на границе металл—раствор, составом воды и условиями диффузии в ней компонентов или продуктов реакции. В процессе электролиза на электродах восстанавливаются или окисляются компоненты электролита. В переносе тока принимают участие все находящиеся в воде ионы, а также имеющие заряд коллоидные и взвешенные частицы.

По С. В. Яковлеву и Я.Д. Раппопорту коллоидные и взвешенные частицы в связи с малой подвижностью переносят незначительную часть электричества. В основном перенос электричества в природных водах осуществляют катионы Са2+, Mg2+, Na+, К+ и анионы S042-, НС03- и С1~, а также ионы Н+ и ОН~, всегда содержащиеся в воде.

Количество металла т, перешедшего из анода в воду в результате электролиза, определяют из выражения

где А — атомная масса металла; F — число Фарадея (96500 Кл); I — сила тока, A; t — время прохождения тока, с; г) η — коэффициент выхода металла по току, %; п — валентность металла.

По П. П. Строкачу, электрохимическое растворение металлов состоит из двух основных процессов — анодного и химического растворения в результате взаимодействия с окружающей средой. Растворению металла анода способствуют повышение температуры воды, присутствие в ней ионов-депассиваторов, наложение постоянного электрического тока, повышение скорости движения воды по отношению к поверхности металла. Поэтому выход алюминия по току может достигать 120% и более. В соответствии с теорией электрохимической коррозии при использовании в качестве анода железа или алюминия природной воде протекают реакции анодного растворения и образования гидроксидов этих металлов. На катоде из железа или алюминия в природной воде происходят деполяризация мигрирующими ионами, деполяризация нейтральными молекулами, восстановление ионов металлов и нерастворимых пленок, а также органических соединений. На алюминиевом катоде при рН 10... 12 в прикатодном слое вероятна реакция взаимодействия алюминия с водой с образованием гидроксида алюминия и водорода во время электролиза и растворения защитной пленки оксида алюминия. Из вышеуказанных катодных процессов в природной воде главенствующим является водородная и кислородная деполяризация.

Электрохимические процессы на металлических электродах сопровождаются адсорбцией на них неорганических и органических веществ, которые могут ускорять или замедлять электрохимические реакции, выделением на электродах пузырьков водорода, кислорода, которые способны выносить вещество из жидкости на поверхность (электрофлотация), электрофорезом (движение в воде взвешенных твердых и коллоидальных частиц, пузырьков газа) и другими явлениями.

С. В. Яковлев и П. П. Строкач, Я.Д. Раппопорт указывают, что на процесс растворения электродов влияют физико-химические, электрические и гидродинамические факторы: активная реакция среды, ее солевой состав, температура, состав электрода, плотность тока, частота смены полярности, скорость движения воды в межэлектродном пространстве и др. Важное значение при электрокоагуляции имеет плотность тока. Наиболее эффективна работа электролизера при высоких плотностях тока, поскольку при этом более полно используется их емкость и рабочая поверхность электродов. Вместе с тем при повышении плотности тока возрастают поляризационные явления и пассивация электродов, что приводит к увеличению напряжения и потерям электроэнергии на побочные процессы. С увеличением плотности тока возрастает скорость химического растворения алюминия и тем в большей степени, чем меньше его частота. Рекомендуется плотность тока в пределах 0,5...

20 мА/см2, расстояние между электродами 10... 15 мм. По мнению Л. А. Кульского, П. П. Строкача и В. А. Слипченко эффективной плотностью тока для удаления из воды большинства загрязнений может быть 1...4 мА/см2, рабочее напряжение на электродах установок не должно превышать 40 В.

Для предотвращения образования осадка на электродах рекомендуется менять на них полярность тока, что не всегда эффективно, так как в период переключения полярности резко снижается выход алюминия по току и трудно удаляются осадки на электродах.

Окисление металлов электродов при электролизе осложняется наступлением пассивного состояния в результате формирования оксидной пленки. При этом потенциал анода смещается в сторону положительных значений. Активность алюминиевого анода в значительной мере зависит от природы и концентрации присутствующих в воде анионов. Из всех анионов на активность алюминиевого анода более всего влияет хлорид- ион. Сущность активизирующего действия хлорид-ионов связана с их небольшими геометрическими размерами и легкостью проникновения через пленку, в результате чего она разрушается. Катализация растворения алюминиевого анода хлорид- ионами также объясняется сильным замедлением процесса образования оксидной пленки, связанной с адсорбционным вытеснением кислорода.

Повышение концентрации сульфатов по отношению к постоянной концентрации хлоридов приводит к полному угнетанию активизирующего действия хлорид-ионов на оксидную пленку.

Повышение температуры воды препятствует формированию осадков на электродах, повышает скорость растворения пассивной пленки, уменьшает ее толщину и защитные свойства. Пленка становится рыхлой и свободно удаляется с поверхности алюминия. Значительно возрастает разрушение оксидной пленки в присутствии хлорид-ионов, сорбция которых на алюминии с повышением температуры увеличивается.

Растворение 1 г металлического алюминия эквивалентно введению в воду 12,3 г A12(S04)3*18Н20, растворение 1 г металлического железа — введению 4,8 г FeCl3*6H20 или 4,9 г FeS04*7H20. Большинство аппаратов для очистки воды электрокоагуляцией представляет собой безнапорные пластинчатые электролизеры. горизонтального или вертикального типа. Пластины или кольца металла располагают вертикально на расстоянии 3...20 мм одна от другой и удерживаются изолирующими вставками, электрический ток подводится к каждой пластине(рис. 3.6). Для упрощения монтажа электрокоагуляторов и уменьшения потребляемой силы тока применяют биполярное подключение электродов, т. е. подвод тока не к каждой пластине, а через несколько пластин. Промежуточные пластины растворяются вследствие поляризации в возникающем электрическом поле.

Метод электрокоагуляции обеспечивает высокий эффект удаления из воды загрязнений в виде взвесей (минерального, органического и биологического происхождения) коллоидов (соединений железа, веществ, обусловливающих цветность воды и т. д.), а также отдельных веществ, находящихся в молекулярном и ионном состояниях. Существенным преимуществом электрокоагуляции перед реагентными методами очистки воды является возможность отказа от строительства громоздких очистных сооружений, занимающих значительные производственные площади. Эксплуатация установок может быть значительно упрощена вследствие того, что электрохимические процессы легко поддаются механизации, управлению и автоматизации. Электрокоагуляция позволяет осуществлять процесс очистки воды в компактных, автоматически действующих и легко обслуживаемых установках и особенно удобна для небольших автономных объектов (на судах речного флота, в сельском хозяйстве, для малых поселков и т. д.).

Современное развитие теплоэнергетики, радиоэлектроники, целлюлозно-бумажного, текстильного и других производств предъявляет повышенные требования к качеству воды, особенно к содержанию в ней соединений кремния, железа, кислорода, органических и других веществ. Однако, еще нет достаточно простых и высокоэффективных методов предварительной подготовки воды. Высокая сорбционная способность электрохимически получаемого гидроксида алюминия по отношению к загрязнениям воды и другие преимущества метода электрокоагуляции позволяют использовать его для очистки технических, питьевых и сточных вод.

К числу недостатков метода следует отнести повышение расхода электроэнергии и металла на единицу обрабатываемой воды.

Литература

Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.

Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

Аюкаев Р. И., Мельцер В. 3. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.

Вейцер Ю. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

Егоров А. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

Журба М. Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.