Механизм процессов очистки сточных вод коагулянтами

Осветление сточных вод определяется свойствами присутствующих в них взвешенных веществ. Эффективное хлопьеобразование наступает лишь при добавлении коагулянтов, образующих нерастворимые гидроксиды, к развитой поверхности которых прилипают в результате адгезии частицы взвешенных веществ. Взвешенные частицы могут служить также центрами образования твердой фазы при конденсационном выделении гидроксидов из растворов. Большое значение имеет и захватывание взвеси сетчатыми структурами оседающих гидроксидов.

При коагуляции образуются сверхмицелярные структуры гидратированных гидроксидов металлов. Их возникновение обусловлено тем, что агрегаты частиц золей имеют неправильную форму. На отдельных участках поверхности таких агрегатов наблюдается снижение потенциала и концентрации компенсирующих ионов. При соприкосновении такими участками происходит слипание агрегатов. Препятствует полному слипанию агрегатов наличие у них участков поверхности с повышенным потенциалом. В результате формируются структуры (рис.2.3), состоящие из пространственных ячеек, внутри которых заключена среда (вода).

Рис. 2.3. Структура агрегатов (хлопьев) в сточной воде, образующихся при введении коагулянтов: 1 - среда (вода); 2 - окрашивающие вещества; 3 - частицы взвеси; 4 - золи гидроксидов

Образовавшиеся при гидролизе полиядерные аквагидроксокомплексы металла, мицеллы, более крупные агрегаты золя, менее полимеризованные аквагидроксокомплексы хемосорбируются на поверхности минеральных частиц очищаемой воды. При этом происходит взаимодействие с гидратной оболочкой частиц с образованием водородных связей и одновременно нейтрализуется заряд. В результате частицы взвеси покрываются плотным слоем золя гидроксида.

В процессе построения шарообразных и цепочечных структур, сочлененных в кольца, образуются полости или поры, заполненные средой. Размеры полостей и количество удерживаемой среды зависят от концентрации взвеси в исходной воде, и чем выше содержание взвешенных веществ в очищаемой воде, тем более плотные хлопья образуются. Вследствие этих причин коагулят содержит большое количество воды, которая удаляется из агрегатов с трудом в последующих процессах обезвоживания. В результате процессов получаются хлопья, размеры которых составляют микрометры, иногда несколько мм. Под действием сил тяжести они оседают, т.е. вода осветляется.

Весь процесс состоит из следующих стадий:

– период скрытой коагуляции - введение коагулянта, его гидролиз с образованием мицелл, их агрегирование в золи (до 0,1 мкм), появление опалесценции;

– начало хлопьеобразования, построение цепочечных структур, образование большого числа мелких хлопьев, их агрегация (около получаса);

– период седиментации, оседание частиц (более получаса).

Важный процесс обесцвечивания окрашенных сточных вод преимущественно протекает на стадии формирования агрегатов, а осветление - на стадии построения цепочечных структур. Крупные хлопья практически не сорбируют примеси. Для быстрого осаждения хлопьев они должны иметь размеры около 3 – 7 мм и иметь большую плотность.

Сближение частиц до расстояния, при котором происходит их слипание, достигается в результате броуновского движения (молекулярно-кинетическая коагуляция), перемешивания среды (градиентная коагуляция) или в результате направленного перемещения частиц, движущихся с различными скоростями под влиянием силы тяжести (гравитационная коагуляция). Скорость молекулярно-кинетической коагуляции монодисперсных частиц определяется уравнением

, (2.8)

где - число частиц, - размер частиц, - коэффициент их диффузии, - отношение сферы действия молекулярных сил к размеру частиц.

Эта зависимость действительна в начальный период коагуляции при условии, что все столкновения частиц эффективны. Коагуляция ускоряется при несимметричной форме частиц, полидисперсности золя, но замедляется по мере укрупнения частиц.

Скорость градиентной коагуляции характеризуется выражением

, (2.9)

где ,

- коэффициент, зависящий от режима (для ламинарного режима он равен 4/3, для турбулентного - 12); u- средний градиент скорости, с^-1; - работа, затрачиваемая на перемешивание; - перемешиваемый объем, - вязкость воды; - продолжительность перемешивания.

Градиентная коагуляция наблюдается в моно- и полидисперсных системах при условии, что размер частиц превышает критический (2 – 3 мкм). С увеличением интенсивности перемешивания скорость градиентной коагуляции возрастает за счет столкновения и слипания частиц. Но при перемещении частиц c большей скоростью при увеличении их размеров может происходить разрушение хлопьев. Оптимальный размер хлопьев наблюдается при таком градиенте скорости, когда хлопьеобразование и разрушение хлопьев протекает с одинаковой интенсивностью (30 – 60 с^-1), аналогично влияет и продолжительность перемешивания. Оптимальный режим при ,

где u и выражается в с^-1 и с.

Гравитационная коагуляция происходит в результате инерционных явлений, осаждения захватом и подтягиванием частиц (рис.2.4). Коагуляция под действием инерционных сил при прямом столкновении частиц возможна только в грубодисперсных системах. Чаще наблюдается осаждение захватом и подтягивание, происходящие при движении мелких частиц по искривленным траекториям.

Рис. 2.4. Схема гравитационной коагуляции: 1 - подтягивание частиц; 2 - осаждение захватом; 3 - инерционные столкновения

Коллоидные частицы гидроксидов в нейтральной и слабокислой средах вследствие адсорбции катионов водорода и алюминия или железа имеют положительный заряд. Поэтому на кинетику процесса коагуляции большое влияние оказывает анионный состав среды. Максимальная скорость коагуляции гидроксидов алюминия и железа наблюдается при пороговых концентрациях анионов в растворе: хлоридов - 0,07; - 0,1 – 0,3; гидрокарбонатов – 0,005; сульфатов – 0,001 – 0,002 г-экв/л.

При низкой щелочности среды и большом содержании хлоридов гидроксиды алюминия и железа не коагулируют. Катионы кальция, магния, натрия оказывают меньшее влияние на коагуляцию. Ионы кальция могут оказывать влияние на коагуляцию в водах, содержащих большое количество сульфатных ионов. Это может быть связано с образованием микрокристаллов гипса, являющихся центрами коагуляции.