Флокуляция в процессах очистки сточных вод
Флокуляция широко применяется в процессахочистки сточных вод. Цель флокуляции – сформировать агрегаты или хлопья из тонко диспергированных и коллоидно устойчивых частиц. Флокуляция – транспортный этап, приводящий к столкновению между устойчивыми частицами, стремящимися к образованию крупных частиц (агрегатов), которые могут быть легко удалены из обрабатываемых сточных вод при помощи отстаивания, фильтрации или флотации.
Флокуляция получила широкое практическое распространение в технологиях водоочистки в 30-е годы. В настоящее время флокуляция широко используется в технологии очистки сточных вод промышленного и бытового происхождения.
Механизм действия флокулянтов основан на явлении адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; образование сетчатой структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков.
Таким образом, флокуляция — это процесс, при котором происходит адсорбционное взаимодействие частицы загрязнений сточных вод с высокомолекулярными веществами (флокулянтами). При этом, в процессе флокуляции происходит процесс хлопьеобразования (при взаимодействии высокомолекулярных веществ с частицами, находящимися в очищаемой сточной воде), с образованием агрегатов (хлопьев, комплексов), имеющих трехмерную структуру.
Процесс адсорбции происходит в две стадии:
- сначала каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной частице (первичная адсорбция),
- затем свободные сегменты закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками (вторичная адсорбция).
Рисунок 1 – Процесс флокуляции.
Возможны различные механизмы закрепления макромолекул флокулянтов на поверхности частиц. Неионогенные полиэлектролиты закрепляются на частицах с помощью полярных групп (чаще всего гидроксильных) благодаря образованию водородных связей между водородом гидроксила и кислородом, азотом и другими атомами, находящимися на поверхности частиц. Наличие водородных связей установлено экспериментально с помощью инфракрасной спектроскопии. Хотя энергия водородной связи значительно меньше энергии химической связи, большое количество гидроксильных групп способствует прочному закреплению молекул флокулянта.
Анионные флокулянты способны закрепляться на поверхности частиц не только с помощью водородных связей, но и благодаря химическому взаимодействию (хемосорбции) анионов с катионами, находящимися на поверхности частиц.
Катионные полиэлектролиты, помимо образования агрегатов по механизмам, аналогичным вышеизложенным, способствуют флокуляции благодаря нейтрализации отрицательного заряда частиц.
Флокулянты представляют собой водорастворимые линейные полимеры, состоящие из большого числа групп. Длина цепочки может достигать 1 микрона. Молекулярная масса флокулянтов может достигать нескольких миллионов, степень полимеризации – несколько тысяч.
В технологии очистки сточных вод флокулянты обычно применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре), повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, снижают расход коагулянтов, повышают надежность работы и производительность сооружений очистки сточных вод.
Добавление флокулянта в обрабатываемые сточные воды увеличивает скорость возникновения и последующего осаждения возникающих при коагуляции хлопьев. При этом плотность осадка увеличивается, а действие веществ-коагулянтов становится эффективным в более широком диапазоне рН очищаемых сточных вод.
Если в обрабатываемых сточных водах содержится большое количество взвешенных частиц, то их осаждение может быть обеспечено только при помощи флокулянтов, без использования реагентов для коагуляции.
Флокулянты можно разделить на несколько классов: органического и неорганического происхождения, природные и произведенные синтетическими методами.
Кприродным флокулянтамможно отнести, например, крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы.
Изнеорганических флокулянтовможно выделить активную кремниевую кислоту.
Флоккулирующая способность активной кремниевой кислоты зависит преимущественно от образования в процессе их созревания агрегатов коллоидных размеров, представляющих собой цепеобразные, разветвленные структуры, способные взаимодействовать с коллоидными частицами и грубодисперсными взвесями гидроксидов алюминия, железа, магния и других металлов с образованием крупных, прочных и тяжелых хлопьев.
Синтетические флокулянты— это органические растворимые в воде высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых может лежать в диапазоне от тысяч до нескольких миллионов.
Флокулянты бывают анионными, катионными или нейтральными.
Универсальным флокулянтом является нейтральный флокулянт — полиакриламид (ПАА). Полиакриламидные флокулянты получили широкое применение для очистки сточных вод химических и нефтехимических производств. ПАА успешно используется в процессах очистки сточных вод от эмульгированных частиц нефтепродуктов и смол, сточных вод производств полистирольных пластмасс, поливинилхлорида, сульфатной целлюлозы и др.
Доза 0,1% раствора полиакриламида составляет 0,5–1,5 мг ПАА на 100 г взвешенных в сточных водах веществ. Раствор полиакриламида вводится через 0,5–2,0 минуты после ввода в стоки коагулянта.
Анионные флокулянты – сополимеры акриламида с акриловой кислотой, имеющие молекулярную массу 3000000–200000000, заряд 0–100%.
Катионные флокулянты – сополимеры акриламида с диметиламиноэтилметакрилатом и другими катионными мономерами – имеют молекулярную массу 300000–10000000 и заряд 0–100%.
Выпускаются отечественные флокулянты катионного типа ВА-3, ВА-102, ВПК-402, КФ. В отличие от ПАА, они вызывают образование крупных хлопьев без введения в сточные воды коагулянтов и могут использоваться самостоятельно. Такой процесс имеет существенные преимущества по сравнению с коагуляцией, поскольку не меняется солевой состав воды и в нее не вводятся дополнительные примеси.
Флокуляция в процессах очистки сточных вод, может использоваться в следующих случаях:
- очистка сточных вод от суспендированных твердых частиц
- биохимическая потребность в кислороде в первичных отстойниках
- кондиционирование сточных вод, содержащих определенные промышленные отходы
- улучшение работы вторичных отстойных резервуаров, следующих за процессом обработки активным илом
- как этап предварительной очистки сточных вод для фильтрации вторичных промышленных отходов
Флокуляция может проводиться в отдельных емкостях или резервуарах, специально спроектированных для этой цели, в трубопроводах, соединяющих оборудование очистки сточных вод, или в комбинации с флокулятором. Флокуляция обычно следует за быстрым перемешиванием, в процессе которого к нестабильным частицам добавляют химические реагенты. Дестабилизация частиц, происходящая в результате добавления химических реагентов, называется коагуляцией.
Существует два типа флокуляции: микрофлокуляция и макрофлокуляция. Они различаются размерами частиц.
Микрофлокуляция– термин, используемый в тех случаях, когда необходимо сослаться на скопление частиц, получившееся в результате случайного теплового движения молекул жидкости, известного как броуновское движение. Микрофлокуляция позволяетудалять из сточных вод частицы, размеры которых находятся в диапазонеот 0.001 до 1 микрона.
Макрофлокуляцияиспользуется в том случае, еслиразмер частиц, от которых должны быть очищены сточные воды, превышает 1 микрон.Макрофлокуляция может быть достигнута с помощью вынужденного градиента скорости и неравномерного отстаивания. Частицы в сточной жидкости могут объединяться вместе (флокулировать) посредством вынужденного градиента скорости. Быстро двигающиеся частицы достигнут медленно двигающихся в поле скоростей. Если сталкивающиеся частицы агрегируют, то образуется более крупная частица, которую легче удалить из сточных вод посредством гравитационного разделения. В случае макрофлокуляции, происходящей благодаря неравномерному осаждению, более крупные частицы достигают более мелких частиц в процессе гравитационного осаждения. Когда две частицы сталкиваются и слипаются, образуется более крупная частица, которая осаждается в очищаемой сточной воде с большей скоростью, чем исходные частицы
Таким образом, флокулянты являются эффективными реагентами, использующимися при сгущении стоков в процессе осветления. Использование новых эффективных реагентов, технологических процессов и оборудования позволяет существенно увеличить производительность, повыситькачество очистки промышленных сточных водпри минимальном использовании производственных мощностей.