Коагуляция и флокуляция в системах водоподготовки

Вода может пройти отстойник и механический фильтр и всё равно остаться мутной. Причина в мельчайших примесях: глинистых частицах, гумусовых веществах, остатках жиров и красителей, которые долго держатся во взвешенном состоянии и проходят сквозь обычную фильтрующую загрузку. Чтобы их убрать, при подготовке воды и очистке стоков применяют реагентный этап. Коагуляция и флокуляция в системах водоподготовки отвечают именно за него. Ниже объясняем, как работают эти процессы, какие реагенты выбирают, как подобрать дозу и какое оборудование для этого нужно.

Что такое коагуляция: определение простыми словами

В водоподготовке коагуляция это процесс, при котором специальный реагент нейтрализует заряд мелких частиц в воде, и они начинают слипаться между собой. Слово происходит от латинского coagulatio, то есть «свёртывание». В медицине этим термином называют совсем другие процедуры, поэтому в статье речь идёт только о воде.

Почему частицы не оседают сами? Коллоидные примеси имеют размер примерно от 1 нм до 1 мкм, и почти все они несут на поверхности одинаковый, преимущественно отрицательный заряд. Одноимённо заряженные частицы отталкиваются и не могут объединиться в более крупные агрегаты. Кроме того, они настолько лёгкие, что тепловое движение молекул не даёт им опуститься на дно. Такая суспензия остаётся стабильной неделями. Именно так ведут себя мутность воды, цветность от гумусовых соединений, микроволокна и эмульгированные жиры.

Реагент вносит в воду положительно заряженные ионы алюминия или железа. Они гасят заряд частиц, а продукты гидролиза образуют рыхлые гидроксиды, которые захватывают примеси. Итак, что такое коагуляция с практической точки зрения? Это первый и самый быстрый шаг реагентной очистки: он длится секунды, а его результатом становятся микрохлопья, пока ещё слишком мелкие для отстаивания.

Что такое флокуляция и чем она отличается от коагуляции

Флокуляция это следующий этап, на котором микрохлопья собираются в крупные рыхлые агрегаты, так называемые флокулы, размером от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Происходит это при медленном перемешивании: частицы сталкиваются, а длинные молекулы полимерного реагента работают как мостики между ними. Крупные флокулы быстро оседают, всплывают на флотаторе или легко задерживаются фильтром.

Оба процесса всегда идут друг за другом, но имеют разные задачи и условия:

Параметр	Коагуляция	Флокуляция
Цель	Нейтрализовать заряд частиц	Укрупнить хлопья
Реагент	Соли алюминия или железа	Полимеры, чаще всего полиакриламид
Перемешивание	Интенсивное, быстрое	Медленное, плавное
Длительность	От нескольких секунд до 1–2 мин	15–30 мин
Размер частиц на выходе	Микрохлопья, микрометры	Флокулы, 0,1–3 мм
Типичная доза	Десятки мг/л	Сотые и десятые доли мг/л

 

Иногда один реагент выполняет обе функции, ведь гидроксиды алюминия и железа сами способны образовывать хлопья. Однако полимер делает их плотнее и ускоряет отделение, поэтому в промышленных схемах коагулянт и флокулянт обычно работают в паре.

Как проходит процесс: 4 этапа осветления воды

Реагентное осветление воды на промышленной установке состоит из таких шагов:

1. Дозирование коагулянта и быстрое смешивание. Реагент подают насосом-дозатором в трубопровод или в камеру смешивания с мешалкой. Его нужно равномерно распределить по всему объёму за 30–60 секунд, поскольку гидролиз солей металла происходит почти мгновенно.
2. Флокуляция. Вода поступает в камеру с медленной мешалкой или в лабиринтную камеру, где за 15–30 минут формируются флокулы. Полимер обычно вводят в начале этого этапа, а интенсивность перемешивания постепенно снижают, чтобы не разбить хлопья.
3. Отделение хлопьев. Флокулы удаляют в отстойнике, тонкослойном или вихревом осветлителе либо на флотаторе, где их поднимают на поверхность микропузырьки воздуха.
4. Доочистка. Осветлённую воду пропускают через песчаные или многослойные фильтры, а при необходимости через мембранную ультрафильтрацию, которая задерживает остатки взвешенных веществ и микроорганизмы.

Коагулянты: какие реагенты применяют

Коагулянт это реагент, который дестабилизирует коллоидные частицы и запускает их слипание. Коагулянт для очистки воды выбирают по составу исходной воды, её температуре, pH и требованиям к результату. Самые распространённые две группы: соли алюминия и соли железа. Органические катионные полимеры (полиамины, поли-DADMAC) используют реже, преимущественно для стоков с жирами и красителями.

Соли алюминия: сульфат алюминия и полиоксихлорид алюминия

Сульфат алюминия десятилетиями был стандартом для осветления поверхностной воды. Он дешёвый и доступный, но хорошо работает лишь в узком диапазоне pH, примерно 5,5–7,5, снижает щёлочность воды и хуже реагирует в холодное время года: при температуре ниже 5–6 °C хлопья образуются медленно и получаются мелкими.

Полиоксихлорид алюминия (PAC, или гидроксохлорид алюминия) представляет собой предварительно гидролизованную форму. Он эффективен в более широком диапазоне pH, примерно 5–9, меньше подкисляет воду, лучше работает в холодной воде и даёт меньше осадка. Поэтому его доза в пересчёте на активное вещество обычно ниже, чем у сульфата. Для питьевой воды обязательно контролируют остаточный алюминий: ДСанПиН 2.2.4-171-10 ограничивает его уровнем 0,2 мг/дм³, так что передозировка недопустима.

Соли железа: хлорное железо и сульфат железа

Хлорное железо (хлорид железа(III), FeCl₃) образует тяжёлые хлопья, которые быстро оседают, и работает в широком диапазоне pH, ориентировочно 5–8,5. Оно хорошо удаляет фосфаты, цветность и часть тяжёлых металлов, поэтому популярно в очистке сточных вод и при подготовке осадка к обезвоживанию. Недостатки: высокая коррозионная активность раствора, из-за которой нужны ёмкости и насосы из химически стойких материалов, и риск бурой окраски воды при избытке реагента.

Сульфат железа(II) дешевле, но железо в нём двухвалентное и полноценно работает только после окисления, то есть при pH выше 8,5 или вместе с известью и окислителем. Поэтому его чаще применяют в стоках, чем для питьевой воды.

Реагент	Рабочий pH	Ориентировочная доза*	Преимущества	Ограничения
Сульфат алюминия	5,5–7,5	20–100 мг/л	Низкая цена, доступность	Снижает щёлочность, слабо работает в холодной воде
Полиоксихлорид алюминия (PAC)	5–9	10–60 мг/л	Холодная вода, меньше осадка, мало меняет pH	Дороже сульфата
Хлорное железо	5–8,5	20–150 мг/л	Тяжёлые хлопья, удаляет фосфаты	Коррозионное, может окрашивать воду
Сульфат железа(II)	выше 8,5	30–200 мг/л	Дешёвый	Требует подщелачивания и окисления

 

*Дозы приведены для ориентира в пересчёте на товарный продукт. Для природной воды они обычно ниже, для промышленных стоков выше. Точную дозу определяет только пробная коагуляция.

Флокулянты: полиакриламид и другие полимеры

Флокулянт это высокомолекулярный полимер, длинные цепи которого связывают микрохлопья между собой. Самый распространённый промышленный вариант: полиакриламид (ПАА). Его выпускают в трёх формах:

• анионный, который чаще всего используют в водоподготовке и для стоков с минеральными примесями после солей алюминия или железа;
• катионный, для стоков с высоким содержанием органики и для обезвоживания осадка на ленточных фильтр-прессах и центрифугах;
• неионный, для кислых сред и специфических минеральных суспензий.

Дозы полимеров очень малы: в водоподготовке это сотые и десятые доли мг/л, в стоках до нескольких мг/л, а при обезвоживании осадка расход считают уже в килограммах на тонну сухого вещества. Превышать дозу не стоит. Избыток полимера снова стабилизирует частицы, вода становится мутнее, а остатки реагента забивают фильтры и мембраны. Для питьевой воды применяют только сертифицированные марки полиакриламида с минимальным содержанием мономера акриламида. Природные аналоги на основе крахмала или хитозана существуют, но в промышленности встречаются реже из-за более высокой цены и нестабильных свойств.

От чего зависит эффективность коагуляции воды

Один и тот же реагент на двух объектах может дать противоположный результат. На коагуляцию воды влияют такие факторы:

• pH и щёлочность. Соли алюминия и железа подкисляют воду. Если щёлочности не хватает, гидроксиды не образуются, и металл проходит дальше в растворённом виде. Иногда требуется подщелачивание содой или известью.
• Температура. В холодной воде гидролиз замедляется, хлопья мельчают, поэтому зимой дозы корректируют или переходят на PAC.
• Доза. И недостаток, и избыток реагента ухудшают результат, а избыток ещё и повышает остаточный алюминий или железо.
• Порядок и точка ввода. Коагулянт подают первым, полимер позже. Если ввести их одновременно в одну точку, эффект заметно снижается.
• Режим перемешивания. Слабое смешивание на первом этапе оставляет часть воды необработанной, а слишком сильное на этапе флокуляции разрушает хлопья.
• Состав исходной воды: мутность, цветность, органика, жиры, поверхностно-активные вещества. Сезонные изменения в речной воде и залповые сбросы в стоках требуют перенастройки.

Джар-тест: как подобрать дозу коагулянта

Рассчитать дозу только по таблице невозможно, поэтому её подбирают экспериментально. Этот метод называют пробной коагуляцией, или джар-тестом (jar test). Последовательность такая:

1. Отбирают представительную пробу воды или стока, желательно в период типичной нагрузки.
2. Разливают её в 4–6 стаканов одинакового объёма, обычно по 1 л, и ставят на лабораторную мешалку с несколькими лопастями.
3. В каждый стакан вносят разную дозу реагента, перемешивают интенсивно около минуты, затем медленно 15–20 минут, при необходимости добавляя полимер.
4. Дают отстояться 20–30 минут.
5. Сравнивают мутность и цветность осветлённой воды, pH, скорость оседания, объём осадка, остаточный алюминий или железо.

По лучшему стакану выбирают реагент и дозу, а затем уточняют их на действующей установке. Повторять тест стоит каждый раз, когда меняется источник воды, сезон или технология производства. Перед подбором реагентов нужен полный анализ сточных вод или исходной воды. В ЗИКО его выполняют в собственном научно-исследовательском центре с двумя лабораториями.

Коагуляция сточных вод в промышленности

На производстве коагуляция сточных вод обычно стоит в начале физико-химической очистки, после решёток, песколовок и усреднения. Её применяют там, где в стоках много тонкодисперсных и эмульгированных загрязнений:

• молокоперерабатывающие, мясные и другие пищевые предприятия: жиры, белки, остатки моющих средств;
• автомойки и транспортные предприятия: нефтепродукты, глина, песок, ПАВ;
• текстильное производство: красители и волокна;
• металлообработка и гальваника, где растворённые металлы переводят в гидроксиды, так что химическое осаждение сточных вод происходит одновременно с коагуляцией;
• химические, целлюлозно-бумажные предприятия и полигоны бытовых отходов.

Чаще всего после реагентной обработки стоки подают на флотаторы: флокулы, насыщенные жиром, проще поднять микропузырьками на поверхность, чем ждать, пока они осядут. Правильно настроенный узел коагуляции и флотации удаляет основную часть взвешенных веществ и жиров и заметно снижает ХПК, после чего стоки можно направить на биологическую очистку или сбросить в городскую канализацию.

Отдельный вопрос представляет образовавшийся осадок. Его уплотняют, обезвоживают с катионным полимером и только затем передают на утилизацию, поэтому продуманная обработка осадка сточных вод существенно сокращает расходы на его вывоз.

Оборудование для реагентной очистки воды

Для промышленных масштабов нужен целый технологический узел:

• станции приготовления и дозирования реагентов: ёмкости, мешалки, насосы-дозаторы, автоматические установки растворения порошкового полимера;
• камеры быстрого смешивания или статические смесители в трубопроводе;
• камеры флокуляции с регулируемой скоростью мешалок;
• отстойники, тонкослойные осветлители или флотаторы;
• фильтры доочистки;
• контрольно-измерительные приборы (pH-метры, мутномеры, расходомеры) и автоматика, которая меняет дозу пропорционально расходу и качеству воды.

ЗИКО проектирует и изготавливает такие узлы в составе систем промышленной фильтрации воды для предприятий. Если задача состоит в очистке стоков, реагентный блок встраивают в локальные очистные сооружения вместе с флотацией и биологической ступенью. Ёмкости, дозировочные станции и другое технологическое оборудование подбирают под нужную производительность, вплоть до 700 м³/ч.

Типичные ошибки при коагуляции

• Дозирование «на глаз» или по паспорту реагента, без пробной коагуляции.
• Игнорирование pH и щёлочности: реагент расходуется, а вода остаётся мутной.
• Одновременный ввод коагулянта и полимера в одну точку.
• Слишком интенсивное перемешивание в камере флокуляции или турбулентные участки трубопровода после неё, которые разрушают хлопья.
• Одинаковая доза летом и зимой, хотя температура и состав воды изменились.
• Отсутствие контроля остаточного алюминия или железа после очистки.
• Неправильное хранение: рабочий раствор полиакриламида теряет свойства за несколько суток, а хлорное железо разрушает незащищённые металлические ёмкости.

Как ЗИКО подбирает схему коагуляции под объект

ЗИКО работает на рынке водоподготовки с 1993 года, поэтому порядок работ у нас отлажен, а технологическое решение каждый раз индивидуальное:

1. Анализ исходной воды или стоков в собственной лаборатории.
2. Джар-тест нескольких реагентов и подбор оптимальной дозы.
3. Проект технологической схемы: от дозирования до отделения осадка и доочистки.
4. Изготовление, монтаж и пусконаладка с обучением персонала.
5. Круглосуточный сервис и корректировка доз по сезону.

Если вода на предприятии после отстойника или фильтра остаётся мутной либо стоки не укладываются в нормы сброса, обратитесь к инженерам ЗИКО. Подберём реагентную схему под ваш объект и бюджет.

Частые вопросы