Коагуляція і флокуляція у системах водопідготовки

Вода може пройти відстійник і механічний фільтр і все одно залишитися мутною. Причина в найдрібніших домішках: глинистих частинках, гумусових речовинах, залишках жирів і барвників, які тривалий час тримаються у зваженому стані й проходять крізь звичайне фільтрувальне завантаження. Щоб їх прибрати, у підготовці води та очищенні стоків застосовують реагентний етап. Коагуляція і флокуляція у системах водопідготовки відповідають саме за нього. Нижче пояснюємо, як працюють ці процеси, які реагенти обирають, як підібрати дозу і яке обладнання для цього потрібне.

Що таке коагуляція: визначення простими словами

У водопідготовці коагуляція це процес, під час якого спеціальний реагент нейтралізує заряд дрібних частинок у воді, і вони починають злипатися між собою. Слово походить від латинського coagulatio, тобто «згортання». У медицині цим терміном називають зовсім інші процедури, тому в статті йдеться лише про воду.

Чому частинки не осідають самі? Колоїдні домішки мають розмір приблизно від 1 нм до 1 мкм, і майже всі вони несуть на поверхні однаковий, переважно негативний заряд. Однойменно заряджені частинки відштовхуються і не можуть об’єднатися у більші агрегати. Крім того, вони настільки легкі, що тепловий рух молекул не дає їм опуститися на дно. Така суспензія залишається стабільною тижнями. Саме так поводяться каламутність води, кольоровість від гумусових сполук, мікроволокна та емульговані жири.

Реагент вносить у воду позитивно заряджені іони алюмінію чи заліза. Вони гасять заряд частинок, а продукти гідролізу утворюють пухкі гідроксиди, що захоплюють домішки. Отже, що таке коагуляція з практичного погляду? Це перший і найшвидший крок реагентного очищення: він триває секунди, а його результатом стають мікропластівці, поки що надто дрібні для відстоювання.

Що таке флокуляція і чим вона відрізняється від коагуляції

Флокуляція це наступний етап, на якому мікропластівці збираються у великі пухкі агрегати, так звані флокули, розміром від десятих часток міліметра до кількох міліметрів. Відбувається це під час повільного перемішування: частинки стикаються, а довгі молекули полімерного реагенту працюють як містки між ними. Великі флокули швидко осідають, спливають на флотаторі або легко затримуються фільтром.

Обидва процеси завжди йдуть один за одним, проте мають різні задачі та умови:

Параметр	Коагуляція	Флокуляція
Мета	Нейтралізувати заряд частинок	Укрупнити пластівці
Реагент	Солі алюмінію чи заліза	Полімери, найчастіше поліакриламід
Перемішування	Інтенсивне, швидке	Повільне, плавне
Тривалість	Від кількох секунд до 1–2 хв	15–30 хв
Розмір частинок на виході	Мікропластівці, мікрометри	Флокули, 0,1–3 мм
Типова доза	Десятки мг/л	Соті та десяті частки мг/л

 

Іноді один реагент виконує обидві функції, адже гідроксиди алюмінію та заліза самі здатні утворювати пластівці. Проте полімер робить їх щільнішими і прискорює відокремлення, тому в промислових схемах коагулянт і флокулянт зазвичай працюють у парі.

Як проходить процес: 4 етапи освітлення води

Реагентне освітлення води на промисловій установці складається з таких кроків:

1. Дозування коагулянту і швидке змішування. Реагент подають насосом-дозатором у трубопровід або в камеру змішування з мішалкою. Його потрібно рівномірно розподілити в усьому об’ємі за 30–60 секунд, бо гідроліз солей металу відбувається майже миттєво.
2. Флокуляція. Вода надходить у камеру з повільною мішалкою або в лабіринтову камеру, де за 15–30 хвилин формуються флокули. Полімер зазвичай вводять на початку цього етапу, а інтенсивність перемішування поступово знижують, щоб не розбити пластівці.
3. Відокремлення пластівців. Флокули видаляють у відстійнику, тонкошаровому чи вихровому освітлювачі або на флотаторі, де їх піднімають на поверхню мікробульбашки повітря.
4. Доочищення. Освітлену воду пропускають через піщані чи багатошарові фільтри, а за потреби через мембранну ультрафільтрацію, яка затримує залишки зважених речовин і мікроорганізми.

Коагулянти: які реагенти застосовують

Коагулянт це реагент, який дестабілізує колоїдні частинки і запускає їхнє злипання. Коагулянт для очищення води обирають за складом вихідної води, її температурою, pH і вимогами до результату. Найпоширеніші дві групи: солі алюмінію і солі заліза. Органічні катіонні полімери (поліаміни, полі-DADMAC) використовують рідше, переважно для стоків із жирами та барвниками.

Солі алюмінію: сульфат алюмінію і поліоксихлорид алюмінію

Сульфат алюмінію десятиліттями був стандартом для освітлення поверхневої води. Він дешевий і доступний, але добре працює лише у вузькому діапазоні pH, приблизно 5,5–7,5, знижує лужність води та гірше реагує в холодну пору: за температури нижче 5–6 °C пластівці утворюються повільно і виходять дрібними.

Поліоксихлорид алюмінію (PAC, або гідроксохлорид алюмінію) є попередньо гідролізованою формою. Він ефективний у ширшому діапазоні pH, приблизно 5–9, менше підкислює воду, краще працює в холодній воді й дає менше осаду. Тому його доза у перерахунку на активну речовину зазвичай нижча, ніж у сульфату. Для питної води обов’язково контролюють залишковий алюміній: ДСанПіН 2.2.4-171-10 обмежує його рівнем 0,2 мг/дм³, тож передозування неприпустиме.

Солі заліза: хлорне залізо та сульфат заліза

Хлорне залізо (хлорид заліза(III), FeCl₃) утворює важкі пластівці, які швидко осідають, і працює в широкому діапазоні pH, орієнтовно 5–8,5. Воно добре видаляє фосфати, кольоровість і частину важких металів, тому популярне в очищенні стічних вод і при підготовці осаду до зневоднення. Недоліки: висока корозійна активність розчину, через яку потрібні ємності й насоси з хімічно стійких матеріалів, та ризик бурого забарвлення води при надлишку реагенту.

Сульфат заліза(II) дешевший, але залізо в ньому двовалентне і повноцінно працює лише після окиснення, тобто при pH понад 8,5 або разом із вапном та окисником. Тому його частіше застосовують у стоках, ніж для питної води.

Реагент	Робочий pH	Орієнтовна доза*	Переваги	Обмеження
Сульфат алюмінію	5,5–7,5	20–100 мг/л	Низька ціна, доступність	Знижує лужність, слабо працює в холодній воді
Поліоксихлорид алюмінію (PAC)	5–9	10–60 мг/л	Холодна вода, менше осаду, мало змінює pH	Дорожчий за сульфат
Хлорне залізо	5–8,5	20–150 мг/л	Важкі пластівці, видаляє фосфати	Корозійне, може забарвлювати воду
Сульфат заліза(II)	понад 8,5	30–200 мг/л	Дешевий	Потребує підлуговування й окиснення

 

*Дози наведено для орієнтиру в перерахунку на товарний продукт. Для природної води вони зазвичай нижчі, для промислових стоків вищі. Точну дозу визначає лише пробна коагуляція.

Флокулянти: поліакриламід та інші полімери

Флокулянт це високомолекулярний полімер, довгі ланцюги якого зв’язують мікропластівці між собою. Найпоширеніший промисловий варіант: поліакриламід (ПАА). Його випускають у трьох формах:

• аніонний, який найчастіше використовують у водопідготовці та для стоків із мінеральними домішками після солей алюмінію чи заліза;
• катіонний, для стоків із високим вмістом органіки та для зневоднення осаду на стрічкових фільтр-пресах і центрифугах;
• неіонний, для кислих середовищ і специфічних мінеральних суспензій.

Дози полімерів дуже малі: у водопідготовці це соті та десяті частки мг/л, у стоках до кількох мг/л, а при зневодненні осаду витрату рахують уже в кілограмах на тонну сухої речовини. Перевищувати дозу не варто. Надлишок полімеру знову стабілізує частинки, вода стає мутнішою, а залишки реагенту забивають фільтри та мембрани. Для питної води застосовують лише сертифіковані марки поліакриламіду з мінімальним вмістом мономеру акриламіду. Природні аналоги на основі крохмалю чи хітозану існують, але в промисловості трапляються рідше через вищу ціну та нестабільні властивості.

Від чого залежить ефективність коагуляції води

Той самий реагент на двох об’єктах може дати протилежний результат. На коагуляцію води впливають такі чинники:

• pH і лужність. Солі алюмінію та заліза підкислюють воду. Якщо лужності не вистачає, гідроксиди не утворюються, і метал проходить далі в розчиненому вигляді. Іноді потрібне підлуговування содою чи вапном.
• Температура. У холодній воді гідроліз сповільнюється, пластівці дрібнішають, тому взимку дози коригують або переходять на PAC.
• Доза. І нестача, і надлишок реагенту погіршують результат, а надлишок ще й підвищує залишковий алюміній чи залізо.
• Порядок і точка введення. Коагулянт подають першим, полімер пізніше. Якщо ввести їх одночасно в одну точку, ефект помітно знижується.
• Режим перемішування. Слабке змішування на першому етапі лишає частину води необробленою, а надто сильне на етапі флокуляції руйнує пластівці.
• Склад вихідної води: каламутність, кольоровість, органіка, жири, поверхнево-активні речовини. Сезонні зміни в річковій воді та залпові скиди у стоках вимагають перенастроювання.

Джар-тест: як підібрати дозу коагулянту

Розрахувати дозу лише за таблицею неможливо, тому її підбирають експериментально. Цей метод називають пробною коагуляцією, або джар-тестом (jar test). Послідовність така:

1. Відбирають представницьку пробу води чи стоку, бажано в період типового навантаження.
2. Розливають її у 4–6 склянок однакового об’єму, зазвичай по 1 л, і ставлять на лабораторну мішалку з кількома лопатями.
3. У кожну склянку вносять різну дозу реагенту, перемішують інтенсивно близько хвилини, потім повільно 15–20 хвилин, за потреби додаючи полімер.
4. Дають відстоятися 20–30 хвилин.
5. Порівнюють каламутність і кольоровість освітленої води, pH, швидкість осідання, об’єм осаду, залишковий алюміній або залізо.

За найкращою склянкою обирають реагент і дозу, а потім уточнюють їх на діючій установці. Повторювати тест варто щоразу, коли змінюється джерело води, сезон або технологія виробництва. Перед підбором реагентів потрібен повний аналіз стічних вод або вихідної води. У ЗІКО його виконують у власному науково-дослідному центрі з двома лабораторіями.

Коагуляція стічних вод у промисловості

На виробництві коагуляція стічних вод зазвичай стоїть на початку фізико-хімічного очищення, після решіток, пісковловлювачів та усереднення. Її застосовують там, де у стоках багато тонкодисперсних і емульгованих забруднень:

• молокопереробні, м’ясні та інші харчові підприємства: жири, білки, залишки миючих засобів;
• автомийки та транспортні підприємства: нафтопродукти, глина, пісок, ПАР;
• текстильне виробництво: барвники та волокна;
• металообробка і гальваніка, де розчинені метали переводять у гідроксиди, тож хімічне осадження стічних вод відбувається одночасно з коагуляцією;
• хімічні, целюлозно-паперові підприємства та полігони побутових відходів.

Найчастіше після реагентної обробки стоки подають на флотатори: флокули, насичені жиром, легше підняти мікробульбашками на поверхню, ніж чекати, поки вони осядуть. Правильно налаштований вузол коагуляції та флотації видаляє основну частину зважених речовин і жирів і помітно знижує ХСК, після чого стоки можна направити на біологічне очищення або скинути в міську каналізацію.

Окреме питання становить утворений осад. Його ущільнюють, зневоднюють із катіонним полімером і лише потім передають на утилізацію, тому продумана обробка осаду стічних вод суттєво зменшує витрати на його вивезення.

Обладнання для реагентного очищення води

Для промислових масштабів потрібен цілий технологічний вузол:

• станції приготування і дозування реагентів: ємності, мішалки, насоси-дозатори, автоматичні установки розчинення порошкового полімеру;
• камери швидкого змішування або статичні змішувачі в трубопроводі;
• камери флокуляції з регульованою швидкістю мішалок;
• відстійники, тонкошарові освітлювачі або флотатори;
• фільтри доочищення;
• контрольно-вимірювальні прилади (pH-метри, каламутоміри, витратоміри) та автоматика, яка змінює дозу пропорційно витраті та якості води.

ЗІКО проєктує і виготовляє такі вузли у складі систем промислової фільтрації води для підприємств. Якщо задача полягає в очищенні стоків, реагентний блок вбудовують у локальні очисні споруди разом із флотацією та біологічним ступенем. Ємності, дозувальні станції та інше технологічне обладнання підбирають під потрібну продуктивність, аж до 700 м³/год.

Типові помилки під час коагуляції

• Дозування «на око» або за паспортом реагенту, без пробної коагуляції.
• Ігнорування pH і лужності: реагент витрачається, а вода залишається мутною.
• Одночасне введення коагулянту і полімеру в одну точку.
• Надто інтенсивне перемішування в камері флокуляції або турбулентні ділянки трубопроводу після неї, які руйнують пластівці.
• Однакова доза влітку і взимку, хоча температура та склад води змінилися.
• Відсутність контролю залишкового алюмінію чи заліза після очищення.
• Неправильне зберігання: робочий розчин поліакриламіду втрачає властивості за кілька діб, а хлорне залізо руйнує незахищені металеві ємності.

Як ЗІКО підбирає схему коагуляції під об’єкт

ЗІКО працює на ринку водопідготовки з 1993 року, тому порядок робіт у нас відпрацьований, а технологічне рішення щоразу індивідуальне:

1. Аналіз вихідної води або стоків у власній лабораторії.
2. Джар-тест кількох реагентів і підбір оптимальної дози.
3. Проєкт технологічної схеми: від дозування до відокремлення осаду та доочищення.
4. Виготовлення, монтаж і пусконалагодження з навчанням персоналу.
5. Цілодобовий сервіс і коригування доз за сезоном.

Якщо вода на підприємстві після відстійника чи фільтра залишається мутною або стоки не вкладаються в норми скиду, зверніться до інженерів ЗІКО. Підберемо реагентну схему під ваш об’єкт і бюджет.

Поширені запитання