Файл: Г.В. Ушаков Расчет процесса очистки воды коагуляцией и осветлением в осветлителях.pdf

1

1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

(предочистки), в результате которой освобождается вода, в первую очередь, от грубодисперсных и коллоидных примесей. Для решения этой задачи применяют коагуляцию.

Студенты по нижеприведенной методике определяют основные параметры этого процесса и основные размеры осветлителя для его проведения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для водоснабжения энергообъектов используют в большинстве случаев природные воды, как поверхностные (из рек, озер, прудов), так и подземные (из артезианских скважин). Все воды содержат разнообразные примеси, попадающие в воду в процессе ее естественного кругооборота в природе. Кроме того, возможно загрязнение водоисточников бытовыми и промышленными стоками.

Все примеси, загрязняющие воду, подразделяют на три вида в зависимости от размера их частиц.

Истинно растворенные примеси находятся в воде в виде ионов, отдельных молекул, комплексов или состоят из нескольких молекул. Размер этих частиц менее 10-6 мм. В истинно растворимом состоянии в

воде находятся газы (О2, СО2, Н2S, N2), а также катионы и анионы поступивших в воду солей: Са2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3-, Cl-, SO42-, NO3-, NO2-.

Коллоидно-растворенные примеси имеют размеры частиц порядка 10-6 – 10-4 мм. Каждая из частиц образована большим числом молекул (их может быть несколько тысяч). Эти примеси могут быть как органического, так и минерального происхождения. К первым относятся гуминовые вещества, вымываемые из почвы, ко вторым – кремниевые кислоты, соединения железа.

Грубодисперсные примеси имеют размер частиц более 104 мм. Это растительные остатки, частицы песка, глины и т.д.

2

Примеси оказывают то или иное отрицательное воздействие на свойства воды, и поэтому должны быть удалены перед ее использованием для водоснабжения энергообъектов.

Одним из наиболее широко применяемых на практике приемов снижения содержания в воде коллоидно-растворимых и грубодисперсных примесей является седиментация (осаждение) под действием сил тяжести. Однако коллоидно-растворимые примеси, обусловливающие мутность и цветность природных вод, отличаются малыми размерами, вследствие чего их осаждение происходит крайне медленно, так как силы диффузии превалируют над силами тяжести. Поэтому коллоидные примеси воды обладают определенной агрегативной устойчивостью. Однако при нагревании или замораживании, при добавлении в воду электролитов, при наложении

взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов (хлопьев) и отделением их от жидкой среды.

Механизм процесса коагуляции обусловлен наличием вокруг частиц гидратных оболочек или двойного электрического слоя.

Гидратные оболочки присущи гидрофильным примесям, которые представлены в основном органическими веществами. На их поверхности имеется большое количество поверхностных полярных групп, таких как ОН, СООН и др., которые являются гидрофильными. Они удерживают вокруг частицы гидратную оболочку. Гидрофильные частицы несут обычно небольшие электрические заряды, как правило, под влиянием электролитов коагулируют.

Частицы ила, глины, пылевидные песчинки и подобная им взвесь природных вод являются гидрофобными примесями. Они почти лишены гидратных оболочек, но имеют двойной электрический слой и несут значительные электрические заряды. Ликвидация или уменьшение электрического заряда частиц приводит к нарушению агрегативной устойчивости и коагуляции гидрофобных примесей.

В практике водоподготовки для очистки природных вод применяется химический метод коагулирования, основанный на введении в систему электролита – коагулянта. Действие коагулянта в

3

воде сводится к трем основным процессам: соответственно коагуляция, флокуляция, соосаждение и сорбция.

Первоначально при внесении в обрабатываемую воду коагулянта (сульфата алюминия, железного купороса и др.) происходит его диссоциация на ионы металла и анионы сильных кислот. Ионы металла, принимая участие в обмене с катионами диффузного слоя коллоидных примесей воды, способствуют снижению их агрегативной устойчивости и вследствие этого сжатию диффузного слоя. В результате формируются хлопья (в виде цепочек) из одного реагента, так как обычно в природных водах условия для его коагулирования более благоприятные, чем для примесей воды.

Затем на поверхности сформировавшихся хлопьев коагулянта адсорбируются коллоидные и истинно растворенные примеси воды. В свою очередь, цепочки коагулянта могут прилипать к поверхности крупных примесей и укрупнятся при взаимном столкновении. В конечном счете образуются глобулы (хлопья). Это явление носит название флокуляции (укрупнение частиц). Кроме того, на поверхности хлопьев могут адсорбироваться растворенные органические вещества, обусловливающие привкусы и запахи воды, чем достигается определенная ее дезодорация.

Последним этапом процесса коагуляции является соосаждение укрупненных частиц коагулянта совместно с другими дисперсными примесями воды.

В качестве реагентов для коагуляции (коагулянтов) используют сернокислый алюминий Al2 (SO4 )3 18H2O (глинозем), сернокислое

железо FeSO4 7H 2O (железный купорос), хлорное железо FeCl3 6H 2O и сернокислое железо Fe2 (SO4 )3 9H 2O .

При добавлении к воде сернокислого алюминия происходит его гидролиз с образованием труднорастворимого гидроксида алюминия, который способствует слипанию коллоидных частиц и появлению в объеме воды хлопьевидной крупной взвеси.

Al2(SO4)3 + 3H2O Æ 2Al(OH)3 + 3H2SO4.

Поскольку природные воды имеют запас щелочности, то введенный катион алюминия взаимодействует также с гидрокарбонатами с образованием гидроксида алюминия:

Аl2(SO4)3 + 3Ca(НСО3)2 Æ А1(ОН)3 + 3CaSO4 + 3СО2.

4

Гидроксиды алюминия образуют в воде соли с положительным зарядом на грануле. Эти коллоидные частицы усиливают общее коагулирующее действие введенных солей.

При недостатке щелочного резерва к воде добавляют известь или соду (подщелачивание). Оптимально подщелачивание производить известью, так как не образуется углекислота и получается наиболее высокое значение рН воды. Процесс коагулирования примесей воды можно улучшить путем удаления углекислоты из зоны реакции продувкой воздухом.

Впрактике водоподготовки энергобъектов наибольшее

распространение в качестве коагулянта получил сульфат алюминия. Сульфат алюминия Аl2(SO4)3.18Н2O — неочищенный технический продукт, представляющий собой куски серовато-зеленого цвета, получаемые путем обработки бокситов, нефелинов или глин серной

кислоты. Он должен иметь не менее 9% Al2O3, что соответствует содержанию порядка 30% чистого сульфата алюминия. В нем также содержится около 30% нерастворимых примесей и до 35% воды.

Очищенный сульфат алюминия получают в виде плит сероватоперламутрового цвета из неочищенного продукта или глинозема растворением в серной кислоте. Он должен иметь не менее 13,5%

Аl2О3, что соответствует содержанию 45% сульфата алюминия. Оба рассмотренных коагулянта перевозят навалом в закрытых железнодорожных вагонах.

Для обработки воды выпускается также 23 - 25%-й раствор сульфата алюминия. При его применении отпадает необходимость в специальном оборудовании для растворения коагулянта, а также упрощаются и удешевляются погрузочно-разгрузочные работы и транспортирование.

Втеплоэнергетике очистку природных вод от взвешенных веществ и коллоидных примесей проводят в осветлителях со слоем взвешенного осадка типов ВТИ, ЦНИИ-2 или ЦНИИ-3, которые работают успешно только при условии предварительной обработки воды коагулянтом. Осветлители обеспечивают более высокий эффект осветления воды и имеют более высокую производительность, чем отстойники.

Принцип работы осветлителей со взвешенным осадком показан на рисунке. Обрабатываемая вода, смешанная с реагентами, вводится в

осветлитель снизу и равномерно распределяется по площади рабочего

5

коридора. Далее вода движется снизу вверх и проходит через слой ранее сформированного взвешенного осадка, состоящего из массы взвешенных в восходящем потоке хлопьев, которые непрерывно хаотически движутся, но весь слой в целом неподвижен. Он находится в состоянии динамического равновесия, обусловленного равенством скорости восходящего потока воды и средней скорости осаждения хлопьев.

КОАГУЛЯНТ

Схема осветлителя со взвешенным слоем осадка

При пропуске воды через взвешенный слой извлекаемые из нее примеси остаются в нем, при этом объем слоя должен непрерывно увеличиваться, но этого не происходит, так как предусматривается