1.2.3. Флокуляция

Флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Для интенсификации процессов хлопьеобразования и осаждения взвешенных частиц в современной технологии водоочистки в качестве флокулянтов обычно используют коллоидную кремнекислоту, а также природные и синтетические высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов и длиной цепочки из повторяющихся звеньев в десятки тысяч нанометров. Процесс флокуляции следует рассматривать как образование хлопьев при взаимодействии компонентов двух разнородных систем: макромолекул растворимых полимеров и частиц коллоидных растворов и суспензий с четкой поверхностью раздела фаз. Таким образом, при использовании флокулянтов происходит взаимодействие термодинамически обратимой молекулярно-гомогенной системы с агрегативно неустойчивыми микрогетерогенными и гетерогенными системами.

Растворенные в воде флокулянты могут диссоциировать на ионы либо находиться в неионизированном состоянии. В зависимости от химической природы диссоциирующей группы различают анионные и катионные флокулянты. Обычно анионные группы - это — СООН; — SO₃H; — OSO₃H; катионные: —NH₂; = NH; =NOH и др. При наличии в структуре кислотных и основных групп макромолекула обладает амфотерными свойствами и знак заряда макроиона зависит от рН среды.

В водных растворах вследствие диссоциации образуются высокомолекулярные поливалентные макроионы, вокруг которых (вне и внутри их) концентрируются низкомолекулярные ионы с зарядом противоположного знака, образуя облако, подобно слою компенсирующих ионов около коллоидных частиц [21].

Возрастание степени диссоциации макроионов обычно приводит к увеличению их размеров, что обусловлено отталкиванием заряженных звеньев полимеров. Образованию более компактных полимеров способствует снижение диссоциации при добавлении в раствор диссоциирующих флокулянтов сильных электролитов. Флокуляция обусловлена сорбцией одной и той же макромолекулы на двух или более частицах с образованием между ними «мостиков», что и приводит к возникновению в дисперсии крупных быстро седиментирующих агрегатов. В соответствии с этим вначале происходит первичная адсорбция, когда каждая молекула прикрепляется частью сегментов к одной частице, а затем — вторичная, при которой свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками.

Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

1.3. Химические способы

Наиболее распространенным является способ, суть которого заключается во введении в сточную воду реагентов. При этом образуется труднорастворимые соединения, которые затем отделяют от жидкой фазы обычными способами, принятыми в водоподготовке (отстаивание, флотация, фильтрование и др.) [22].

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей и металлов. Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, содой, отходами щелочей и т.п. наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроксид кальция (или гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты. Удельный расход реагента, необходимый для удаления металлов представлен в таблице (табл. 1.3.1.)

Таблица 1.3.1.

Удельный расход реагента, необходимый для удаления металлов

Металл	Реагент, (кг/кг)
	CaO	Ca(OH)2	Na2CO3	NaOH
Zn	0,85	1,13	1,60	1,22
Ni	0,95	1,26	1,80	1,36
Cu	0,88	1,16	1,66	1,26
Fe	1,00	1,32	1,90	1,43
Pb	0,27	0,36	0,51	0,38

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

• фильтрационный – путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

• водно-реагентный – добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды и шлака), нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

• полусухой – перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

С целью улучшения результатов очистки и уменьшения объемов шламов во всем мире проводятся исследования по применению дополнительных или альтернативных методов очистки общего количества отходов. Варианты исследований можно разделить на две основные группы. С одной стороны заменяют осаждение гидроксидов на осаждение сульфидов (меньшие объемы шламов), с другой стороны добавляют дополнительную стадию обработки (более низкое остаточное содержание).

Можно достичь более низкого остаточного содержания металлов, если изменить осаждающий химикат. Более глубокая очистка от тяжелых металлов достигается при обработке сточных вод сульфидом натрия. Это связано с тем, что растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно меньше растворимости любых других труднорастворимых соединений – гидроксидов и карбонатов.

Осаждение сульфидов происходит при более низком значении рН, чем гидроксидов и карбонатов. Например, сульфид никеля осаждается при рН=3,3, тогда как гидроксид натрия при рН=7,7.

Стоимость осаждения сульфидов выше, чем стоимость осаждения гидроксидов. Для того чтобы снизить стоимость очистки сточных вод сначала осаждают гидроксиды, а затем сульфиды.

В качестве источника сульфида можно использовать сульфид натрия или смесь FeSO₄ и NaHS, которая образует суспензию FeS₂.

Для удаления небольших количеств ионов тяжелых металлов, можно использовать пирит. Процесс можно проводить фильтрованием сточных вод через гранулированный пирит или непосредственно введением порошка в сточную воду.

В последнее время находит применение ферритный метод, как модификация реагентного метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Очистка сточных вод методом ферритизации заключается в сорбции примесей магнитными гидроокисями железа, образовании ферритов с последующей топохимической реакцией захвата сорбционных веществ кристаллической решеткой феррита.

Осаждение образующихся в процессе реагентной обработки нерастворимых соединений карбонатов или гидроксидов осуществляется в отстойниках. Для ускорения осветления нейтрализованных сточных вод рекомендуется добавлять к ним синтетический флокулянт. Технология применения флокулянта зависит от многих факторов и в первую очередь от физико-химических свойств обрабатываемой жидкости. Приведены наиболее употребляемые дозы флокулянта (табл. 1.3.2.)

Достоинства этого метода – универсальность и простота эксплуатации.

Недостатками этого способа являются значительный расход химикатов и образование труднорастворимых соединений. Громоздкость оборудования. Кроме того, применение реагентных технологий обусловливает вторичное загрязнение (засоление) очищенной воды, что препятствует ее повторному использованию в производстве [23].

Используемые в настоящее время химические способы очистки в сочетании с механическим отстаиванием позволяют извлекать всего 50-80% загрязнений, в тоже время образуется значительное количество шлама, который необходимо перерабатывать или утилизировать, что требует дополнительных затрат.

Таблица 1.3.2.

Дозы флокулянта при различных концентрациях загрязняющих веществ в растворе

Доза полиакриламида, мг/л	Содержание взвешенных веществ, г/м
0,4 – 0,1	501 - 1000
0,6 – 0,4	101 - 500
1,0 – 0,6	11 - 100
1,5 – 1,0	До 10