Л е к ц и я № 4

Применение коагуляционных методов при очистке сточных вод

Кроме рассмотренных методов коагуляционной очистки сточных вод (коагуляции электролитами и гетерокоагуляции), известны ещё различные способы очистки СВ, в основе которых лежат коагуляционные процессы.

5.1. Контактная коагуляция

Контактной коагуляцией называется процесс прилипания микроскопических коллоидных и взвешенных частичек примесей воды к макроскопическим частичкам сорбента или к поверхности зернистого материала под действием молекулярных сил притяжения.

Этот процесс взаимодействия и слипания частичек, значительно отличающихся размерами, по физической сущности является коагуляционным.

В этом случае также сближение частиц происходит под действием броуновских сил в результате перемешивания или направленного движения мелких частиц относительно крупных. Удерживание мелких частиц на поверхности крупных обусловлено Ван-дер-ваальсовыми силами. Однако характер протекания процесса контактной коагуляции по сравнению с обычной коагуляцией имеет некоторые особенности. Это:

1) увеличение скорости и полноты извлечения из воды мелких частичек крупными и повышение интенсивности их прилипания;

2) мелкие частички более прочно прикрепляются к поверхности крупных;

3) на процесс контактной коагуляции почти не влияют температура воды и её рН.

Явление контактной коагуляции применяют при осветлении воды в контактных осветлителях, в осветлителях со слоем взвешенного осадка, в зернистых фильтрах.

5.2. Очистка коагуляцией под воздействием физико-

химических факторов

Сточные воды представляют собой агрегативно устойчивую дисперсную систему. Устойчивость таких дисперсных систем обусловлена свойствами коллоидных частиц, а также наличием стабилизатора системы – или ПАВ, или защитного коллоида (например, поливинилового спирта, продуктов полимеризации метилметакрилата СН₂ = СН – СООСН₃).

Для того, чтобы сточные воды потеряли свою стабильность и могли коагулировать необходимо не только изменить заряд или свойства поверхности частиц, но и разрушить или вывести из системы сточной воды стабилизаторы.

Процесс коагуляции сточных вод вследствие перечисленных причин может произойти под влиянием следующих физико-химических факторов:

(а) окисление;

(б) введение химических веществ, которые взаимодействуют с частицами или стабилизаторами системы;

(в) радиационная обработка;

(г) воздействие электрического или магнитного полей.

а) Окисление

Этот метод применяют для разрушения ПАВ, являющихся стабилизаторами твёрдых или жидких частиц, загрязняющих сточные воды.

В качестве окислителей может применяться озон, обладающий высокой окислительной способностью. Озонирование является эффективным методом деструктивного разрушения ПАВ, особенно устойчивых к биологическому окислению.

Хлор и хлорсодержащие агенты также обладают высокой окислительной способностью и применяются как окислители, также находят применение кислород и пероксид водорода.

После обработки сточных вод каким-либо окислителем вода теряет свою агрегативную устойчивость как коллоидная система вследствие разрушения ПАВ, и после добавления коагулянта начинается процесс коагуляции.

б) Обработка химическими реагентами

Такая обработка применяется для очистки сточных вод методом выведения стабилизатора из системы, например, выделяя его в нерастворимое соединение. Этот метод широко применяется для очистки сточных вод производств различных суспендионных полимеров, стабильность которых обусловлена наличием защитного коллоида Na-соли сополимера метил-метакрилата с метакриловой кислотой. При обработке таких сточных вод серной кислотой выпадают нерастворимые кислотные формы Na-соли метилметакрилата.

в) Радиационная обработка

В результате действия излучения на сточные воды происходит потеря стабильности её как коллоидной системы и может начаться коагуляция.

Под действием радиационного излучения происходит, например, разрушение синтетических ПАВ, содержащихся в сточных водах.

г) Воздействие электрического поля

Электрообработку дисперсных частиц, содержащихся в сточных водах, можно проводить в постоянном и переменном однородном и неоднородном электрических полях, а также с помощью электрического разряда малой мощности.

В результате электрообработки при некоторой напряжённости поля, называемой критической напряжённостью поля, возникает необратимая агрегация частиц дисперсной фазы. Происходит образование агрегатов величиной до 500 – 1000 мкм.

5.3. Электрохимическая коагуляция

Под действием электрического тока может происходить не только снижение агрегативной устойчивости сточной воды как дисперсной системы, но происходить её коагуляция. Такой процесс называют электрохимической коагуляцией, суть которого заключается в пропускании сточной воды через электролизер с анодом из пластин Al или Fe (т. е. из металлов, гидроксиды которых являются коагулянтами).

Металл анода под действием постоянного электрического тока ионизируется согласно уравнению

Al⁰ – 3ē → Al³⁺.

Ион металла переходит в раствор и подвергается гидролизу. Образовавшиеся гидроксиды Al или Fe коагулируют дисперсную систему. Протеканию процесса коагуляции способствует наличие электрического поля, снижающего агрегативную устойчивость системы, и электрохимические реакции, приводящие к образованию коагулянта при растворении электродов.

На протекание электрохимической коагуляции влияют следующие факторы:

- материал электродов;

- скорость движения воды между электродами;

- расстояние между электродами;

- плотность тока;

- температура;

- состав примесей сточной воды;

- рН воды.

Наибольшее влияние оказывает количество пропущенного через воду электрического тока. С увеличением количества пропущенного тока наблюдается резке улучшение процесса коагуляции и осветления воды.

Наибольший эффект при минимальном расходе электроэнергии достигается при следующих условиях:

- плотность тока не более 10 А/м²;

- расстояние между электродами не более 20 мм;

- скорость движения воды между электродами не менее 2, 5 м/с;

- рабочее напряжение на электродах не должно превышать 40 В (с учётом мероприятий по технике безопасности).

В процессе электрохимической коагуляции наблюдается также снижение содержания органических примесей сточных вод вследствие протекания окислительно-восстановительных реакций. С увеличением времени электрообработки концентрация примесей уменьшается.

Большинство устройств для очистки воды электрокоагуляцией представляют собой безнапорные пластинчатые электролизеры горизонтального или вертикального типа.

Пластины металлы располагаются на расстоянии 3 – 20 мм друг от друга и удерживаются изолирующими вставками, электрический ток подводится к каждой пластине.

Рисунок 5.1 - Электрокоагулятор

С целью упрощения монтажа электрокоагуляторов и уменьшения потребляемой силы тока применяют биполярное подключение электродов, т. е. осуществляют подвод тока не к каждой пластине, а через несколько пластин. Промежуточные пластины растворяются вследствие коагуляции в возникающем электрическом поле.

Пластинчатые электролизеры в зависимости от расположения электродов и направляющих перегородок могут работать как многопоточные и как однопоточные (рис.5.2). При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно через все промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). Этот тип электролизера конструктивно наиболее прост, но скорость движения воды в нём мала. В некоторых работах рекомендуют применять однопоточную схему, при которой вода проходит по лабиринту, образуемому электродами (последовательное соединение каналов). При этом скорость движения воды (n – 1) раз больше, чем при многопоточной схеме (n – число электродных пластин).

СВ ОВ ОВ

СВ

СВ

СВ CВ

анод

анод

Многопоточная схема Однопоточная схема

Рисунок 5.2 – Схема движения воды в электрокоагуляторе

В процессе работы на электродах осаждаются частицы примесей. Существует ряд конструкций электролизеров, в которых предусмотрена механическая, пневмогидравлическая или эрозионная (очистка абразивными материалами) очистка электродов от образующихся на них в процессе работы осадков.

Широкое применение метода электрокоагуляции затруднено в виду использования листового металла (довольно дорого изготавливать пластины из алюминия).

Поэтому разработаны конструкции электролизеров с засыпными электродами. Такой электролизер состоит из ячеек, отделённых одна от другой сепараторами. Ячейки заполняют отходами металлов в виде стружек, обрезков, металлических опилок. Ток подводят либо к крайним электродам, либо к каждой ячейке. В таких конструкциях предусмотрены специальные приспособления для уплотнения засыпки и для изменения полярности тока.

Достоинства метода электрокоагуляционной

очистки СВ:

- компактность установки;

- отсутствие реагентов;

- простота в эксплуатации;

- экономичность.

Недостатки метода:

- повышенный расход металла и электроэнергии вследствие образования оксидной плёнки на поверхности электродов;

- механическое загрязнение электродов примесями сточных вод.