5.4.3. Физико-химические методы очистки сточных вод

Явление коагуляции тесно связано с проблемой удаления из водных сред различных загрязнений. В основе многих методов очистки от высокодисперсных седиментационно устойчивых загрязнений лежит явление потери системой агрегативной устойчивости путем объединения частиц под внесением специально вводимых реагентов: коагулянтов и флокулянтов. Это укрупнение частиц приводит к потере седиментационной устойчивости системы и образованию осадков.

В настоящее время подбор реагентов для коагуляции основывается преимущественно на эмпирических исследованиях. Чаще всего коагулирование загрязнений воды производится электролитами, которые содержат многозарядные ионы (Al³⁺, Fe³⁺ и др.).

Ранее процесс осветления воды объясняли нейтрализацией многовалентными катионами, заряженных, как правило, отрицательно, частиц природных вод. Однако коагуляция эти ионами связана с процессами их гидролиза, в результате которого возникают полиядерные аквагидрокомплексы, обладающие более сильной коагулирующей способностью, чем ионы. Они образуют также полимерные комплексы, близкие к полиэлектролитам, а сам процесс коагуляции подобен процессу флокуляции высокомолекулярных соединений.

Коагуляцию применяют в очистке сточных вод для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц размером 1–100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием физических или химических процессов. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов, которые в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, частицы которых оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способность улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы в воде чаще всего имеют отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Процесс гидролиза коагулянтов и образование хлопьев можно представить следующим образом:

В действительности процесс гидролиза протекает гораздо сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа и их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.

В качестве коагулянтов используют ,NaAlO₂, ,FeCl₃ и др. Совместное применение этих солей дает возможность повысить эффект осветления, увеличить плотность и скорость осаждения хлопьев.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: более широкая область оптимальных значений рН, большая крупность образующихся хлопьев, способность устранять запахи и привкусы и др. При использовании смесей Al₂(SO₄)₃ и FeCl₃ в соотношении 1:1 или 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при различном использовании реагентов, наблюдается синергизм электролитов.

В процессах водоочистки постепенно расширяется применение полимерных флокулянтов (ВМС): длинная молекула полимера адсорбируется двумя концами на двух разных частицах дисперсной фазы и соединяет их «мостиком». Получается рыхлый агрегат – флокула, в которой частицы не имеют непосредственного контакта между собой. В зависимости от количества вводимого флокулянта, он может обеспечивать как седиментационную неустойчивость в системе, так и ее стабилизацию.

Флокулянты бывают природными и синтетическими, неионогенными и ионогенными. В последнем случае флокуляция возможна не только по механизму мостикообразования, но и путем нейтрализации заряда частиц противоположно заряженными ионами полиэлектролита.

На практике часто эффективным оказывается совместное применение коагулянтов и флокулянтов.

Флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация частиц происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Для очистки сточных вод используют природные (крахмал, декстрин, эфиры, целлюлозы и т.д.) и синтетические (полиакриламид) коагулянты.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц, ретикуляции (образовании сетчатой структуры) молекул флокулянта, слипание коллоидных частиц под действие сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы чаще заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа.

Поскольку гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов (цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта и др.) в сточной воде образуют устойчивые коллоидные системы, то для интенсификации процесса их осаждения необходимо вводить коагулянты и флокулянты. Коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, поэтому для коагуляции сульфидов используют электролиты с многозарядными катионами – сульфаты алюминия или трехвалентного железа. При коагуляции гилроксидов требуется электролит с многозарядным анионом, т.к. коллоидные частицы заряжены положительно. Хорошими коагулянтами гидроксидов являются сульфат-ионы. Помимо электролитной коагуляции на практике часто используют взаимную коагуляцию коллоидных растворов с противоположным зарядом частиц. Для ускорения процесса коагуляции используют флокулянты, в основном полиакриламид. Добавка его в количестве 0,01 % от массы сухого вещества увеличивает скорость выпадения осадков гидроксидов металлов в 2-3 раза.