Экологический фонд "Вода Евразии"

Экологический фонд
"Вода Евразии"
Обзор технической информации
по теоретическим и практическим аспектами применения
полимеров при обработке воды
Использование полимеров при обработке воды и сточных вод.
Ежегодно тратятся сотни миллионов долларов на производство реагентов
для обработки воды, чтобы обеспечить ее требуемое качество. Наиболее важными
факторами, определяющими спрос на полимеры, являются обеспечение качества
воды существующим требованиям, безопасность и стоимость. Требования к качеству сточных вод из года в год ужесточаются, эта тенденция наблюдается во всех
странах мира. Многие компании опережают требования правительственных органов и добиваются более высокого качества воды. С учетом направлений использования воды - выработка пара, охлаждение оборудования, для питьевых нужд - к
ее качеству предъявляются различные требования, соответственно требуется и
различная обработка воды.
Проблемы безопасности также играют важную роль в процессах подготовки
воды и обработки сточных вод. Безопасность обеспечивается извлечением из воды патогенных микроорганизмов и токсичных веществ. Кроме того, используемые реагенты должны быть безопасны для обслуживающего персонала.
Снижение затрат - одна из основных задач любого производства, желающего производить конкурентоспособную продукцию. Полимеры могут использоваться для извлечения из сточных вод представляющих ценность веществ с целью повторного их использования. Стоимость обработки воды складывается из следующих компонентов: первоначальные капитальные затраты на сооружения и оборудование; эксплуатационные затраты; обеспечение непрерывности производства;
возможность утилизации отходов.
Полимеры в виде растворимых в воде полиэлектролитов много лет используются при обработке воды для разделения твердой и жидкой фаз. Существует
много различных реагентов и оборудования для осветления воды, тем не менее
полимеры занимают в этих процессах видное место, так как они повышают эффективность разделения жидкой и твердой фаз, увеличивают скорость процесса,
обеспечивают получение более плотного (частично обезвоженного) осадка.
Теория разделения жидкой и твердой фаз (осветления).
Все природные воды содержат растворенные вещества и механические
взвеси. Механические загрязнения включают в себя довольно крупные частицы
(органического или неорганического происхождения), цветность (в большинстве
случаев является следствием присутствия органических веществ), мелкие капли
углеводородов
(образуют эмульсию), и неоседающие мелкие частицы
(коллоиды). Коллоидные дисперсии в воде состоят из мельчайших частиц, обра-
зующих стабильные суспензии вследствие малого размера (от 0,001 до 0,2 микрон) и наличия поверхностного электрического заряда. Так как взвешенные вещества могут иметь самый разнообразный химический состав, размер, форму, плотность, электрический заряд, для их извлечения разработан широкий спектр различных полимеров. Для успешного удаления взвесей из воды необходимо знать
силы, действующие на взвешенную в жидкости частицу. Это силы гравитации,
силы Ван-дер-Ваальса, броуновское движение и силы электростатического отталкивания. Гравитация - сила, которая разделяет их в соответствии с плотностью в
процессе оседания. Силы Ван-дер-Ваальса могут быть определены как силы притяжения между взвешенными частицами, действующие на малых расстояниях.
Сил Ван-дер-Ваальса способствуют укрупнению частиц. Броуновские силы передают энергию беспорядочного теплового движения молекул жидкости (дисперсионной среды) коллоидным взвешенным частицам (дисперсной фазе). Электростатическое отталкивание - сила, действующая между одноименно заряженными
частицами и препятствующая их агломерации. Действие перечисленных сил показано на рис. 1.
Силы электростатического отталкивания - главная
причина,
препятствующая
Рис. 1. Силы, действующие на частицы суспензии. осаждению коллоидных частиц, определяющая их существование в виде устойчивых суспензий. Это именно та сила, которую нейтрализуют полимеры. В отсутствие полимера коллоидные частицы окружены электрическим барьером, который не дает им приблизится на такое расстояние, где превалирующее влияние имеют силы Ван-дер-Ваальса. Поскольку коллоидные дисперсии высоким отношением площади поверхности к массе, внешние воздействия
подобные силам электростатического отталкивания являются преобладающими, и
они способствуют разъединению частиц и стабилизации суспензии. При наличии
сил электростатического отталкивания гравитационные силы не способны влиять
на агломерацию частиц. Суммарное воздействие всех сил не взвешенную в какой-либо среде частицу формулируется законом Стокса, в соответствии с
которым скорость оседания (всплывания) частицы прямо пропорциональна квадрату ее радиуса и разности плотности частицы и дисперсионной среды, и обратно
пропорциональна вязкости дисперсионной среды (см. рис. 2). В процессе очистки
воды мы не можем оказывать влияние на вязкость воды, разницу в плотности воды и взвешенных частиц (точнее паши возможности очень незначительны), но мы
можем способствовать увеличению радиуса частиц, активизируя укрупнение частиц путем обработки воды полимерами.
Действие полимеров основано на том, что они нейтрализуют силы электростатического отталкивания, способствуют укрупнению частиц. В
этих условиях поведение суспензии определяется гравитационными силами, и взвешенные
Рис. 2. Закон Стокса.
вещества осаждаются достаточно быстро. Полимеры способствуют агломерации частиц за счет электрического
притяжения разноименных электрических зарядов, адсорбцией через водородные
связи, или абсорбируясь на частицах, с которыми входят в контакт. Нагревание и
перемешивание ускоряют этот процесс, ускоряя движения молекул полимера и
повышая вероятность их столкновения с частицами взвеси.
Основным фактором, определяющим стабильность суспензии, является размер образующих ее частиц. Для примера: частице песка диаметром 1 мм требуется 3 секунды для осаждения на один фут (30,5 см). Так как размер частицы достаточно большой, силы электростатического отталкивания играют второстепенную
роль, и поведение частицы определяется гравитационными силами. Частице диаметром 0,000001 мм для осаждения на один фут требуется 63 года, так как для
маленьких частиц силы электростатического отталкивания являются определяющими поведение суспензии, даже если их суммарная масса равна массе частицы
диаметром 1 мм.
Считается, что поверхностный заряд частицы может возникать с помощью трех механизмов, зависящих от природы частицы и жидкости.
1. Нарушения в кристаллической структуре, которые часто наблюдаются в
веществах, подобных глине и другим пигментам. Эти дефекты вызываются катионным обменом между частицей и жидкостью. Например, ион кальция, положительный заряд которого +2, может заменять ион алюминия, заряд которого +3, при
этом частица получает отрицательный электрический заряд.
2. Взвешенные частицы имеют на поверхности функциональные группы, которые в водном растворе ионизируются, за счет чего частица получает поверхностный электрический заряд. К таким группам относятся карбоксильные, гидроксильные, сульфоновые, аминогруппы Степень ионизации этих групп
является функцией рН, поэтому с изменением рН меняется и заряд частиц.
3. Адсорбция некоторых ионов и молекул раствора также сообщают частице
поверхностный электрический заряд. Например, в водомасляных эмульсиях хлорион адсорбируется на поверхности капель эмульсии, сообщая им отрицательный
электрический заряд. Процесс удаления из воды коллоидных взвесей происходит в
два этапа. На первом этапе поверхностный заряд частицы должен быть
нейтрализован в достаточной степени, чтобы преодолеть силы электростатического отталкивания между частицами. Оптимальная доза правильно подобранного
полимера нейтрализует заряд и помогает частицам преодолеть «энергетический
барьер», или силы электростатического отталкивания, и сблизиться на такое расстояние, где поведение частиц определяется силами Ван-дер-Ваальса (рис. 3).
Этот процесс дестабилизации суспензии назван коагуляцией.
Рис 3. Нейтрализация сил электростатического отталкивания: коагуляция.
Далее частицы должны
объединиться в более крупные
агрегаты, которые в соответствии с законом Стокса будут
осаждаться или всплывать с
большей скоростью. Процесс
агломерации дестабилизированных коллоидных частиц назван флокуляцией. Полимер-
ные флокулянты интенсифицируют процессы агломерации и осаждения взвесей.
Флокуляция происходит между мелкими частицами, в результате образования
крупных, быстро оседающих хлопьев вода очищается. Флокуляция протекает
также в два этапа. Первый этап - агломерация мелких частиц в крупные хлопья.
Чтобы интенсифицировать этот процесс, в воду добавляются высокомолекулярные полимеры с большим молекулярным весом. Эти полимеры связывают мелкие частицы взвеси, прикрепляясь к их многочисленным центрам адсорбции
(рис. 4).
В отличие от
коагуляции, флокуляция должна происходить при медленном перемешивании, так как при
4. Агломерация.
быстром перемешивании образовавшиеся хлопья разрушаются, в результате чего необходимое для
отстаивания время увеличивается. Второй этап - физическое улавливание крупными хлопьями более мелких частиц в процессе оседания.
Процессы коагуляции и флокуляции применимы только для очистки воды
от взвешенных веществ и эмульгированных жидкостей, но не от растворенных загрязнителей. Удалению последних полимеры могут способствовать только в том
случае, если растворенные вещества с помощью какой-либо обработки (изменение рН, температуры, химическая обработка тина окисления и др.) переведены в
нерастворимую форму. На рис. 5 показана традиционная схема обработки
воды с указанием возможных точек ввода полимеров.
Рис. 5. Схема обработки коммунальных сточных вод.
Свойства полимеров.
Знание свойств полимеров необходимо для правильного понимания механизма их действия и для успешного их использования. Органические полимеры
представляют собой очень большие молекулы, состоящие из многих соединенных
химическими связями маленьких структур. Полимеры могут состоять из одной,
многократно повторяемой маленькой структуры (гомополимер), или двух или более, повторяющихся структур (сополимер или тройной сополимер). Они показаны
на рис. 6.
Полиэлектролит - включающий определенное количество заряженных,
или
нейтральных, но полярных
функциональных групп,
способный
с
помощью водородных
связей
соединяться
с
водой и поэтому
растворимый в
воде, и проявляющий в водных
растворах
Рис. 6. Строение полимеров.
свойства
электролита. Эта глава посвящена полиэлектролитам, так как только они находят
применение в процессах обработки воды. Функциональные возможности полимеров определяются функциональной группой или структурой ионов, прикрепленных к «основе». На рис. 7 гидроксильная группа (ОН) является функциональной
группой полимера, образуя полиспирты.
Рис.7. Функциональные группы.
В процессах обработки воды состав
функциональных
групп играет очень
важную роль, так как
определяет растворимость полимера, его
заряд и реакционную
способность.
Функциональные
группы
сообщают заряд полимеру, вследствие чего
он ведет себя как разновидность
иона.
Функциональные группы. имеющие отрицательный заряд (карбоксильная, сульфонатная) называются анионными. Группы, которые при растворении в воде не
ионизируются, называют неионными. Амины группируются в четвертичные аммонийные группы, которые в воде проявляют положительный заряд и называются
катионными. Таким образом, заряд полимера определяется его функциональной
группой. Группы акриламидов полярны, но не заряжены. Они абсорбируются на
частицах за счет полярности (водородные связи).
Заряд полимера является основной его характеристикой, и классификация
полимеров осуществляется по их заряду. Полимеры могут быть неионными (заряд
отсутствует), анионными (отрицательный заряд), катионными (положительный
заряд), и амфотерными (и положительный, и отрицательный). Катионные полимеры используются для нейтрализации отрицательного заряда, типичного для взвешенных частиц и эмульгированных углеводородов. Полимерные коагулянты используются для дестабилизации коллоидных суспензий и эмульсий. Если суспензия имеет положительный заряд (или приобретает его при передозировке катионного коагулянта), используется анионный полимер. Если коллоид не проявляет
достаточно ярко выраженного положительного или отрицательного заряда, используются неионные полимеры, которые связывают слабо - или незаряженные
частицы в процессе флокуляции. Некоторые наиболее распространенные коагулянты и флокулянты приведены на рис. 8.
Рис.8. Классификация полимеров
Неполярные полимеры
не несут электрического заряда, но прикрепляются к
частицам через водородные
связи. Наиболее распространенными коммерческими неионными полимерами являются полиакриламид, поливинилалкохол,
полиэтиленоксид.
в зависимости от заряда.
Полиакриламид был,
вероятно, первым синтетическим органическим полимером, используемым в качестве флокулянта. Он до сих пор является самым распространенным неионным
полимером, используемым в процессах обработки воды. По сравнению с заряженными полимерами, неионные полимеры формируют более мелкие и легко
разрушаемые хлопья, так как используемые ими водородные связи слабее
электрических. Тем не менее, во многих случаях неионные полимеры работают
более эффективно, чем имеющие заряд. Наиболее эффективно использование полиакриламида в системах, где частицы суспензии имеют слабый поверхностный
электрический заряд. В этих случаях водородные связи в сочетании с высоким молекулярным весом обеспечивают хорошую флокуляцию.
Величину заряда полимера нельзя считать окончательной, неизменной его
характеристикой. Степень заряженности полимера зависит от числа заряженных
центров - функциональных групп - связанных с его основой (рис. 9). В отношении
полиакриламидов термин «степень заряженности» обозначает процент функцио-
нальных групп, имеющих заряд. На рис. 9 примерно треть функциональных групп
составляют карбоксильные группы (СООН). Карбоксильная группа - кислотный
остаток слабой кислоты, поэтому величина рН оказывает сильное воздействие на
степень ионизации.
Степень заряженности
полимера определяет его реакционную способность, и
потому очень важна. Полимер с большим зарядом будет более активно реагировать с веществом, чем больше заряд полимера, тем
больше его возможности по
нейтрализации заряда отРис. 9. Неионные и анионные полиакриламиды.
дельных частиц и дестабилизации коллоида. С другой
стороны, амидные группы имеют достаточно сильную тенденцию к образованию
водородных связей с нейтральными частицами. Обработка полимерами будет оптимальной, если их суммарный заряд зеркально отражает заряд взвеси в потоке
воды.
Молекулярный вес (характеристика, определяющая размер полимера) - другое важное свойство полимеров. Высокий молекулярный вес очень важен в процессах очистки воды, но имеет меньшее значение при обезвоживании осадков.
Размер молекул важен потому, что молекула большего размера имеет большую
вероятность вступить в контакт со взвешенными частицами. При прочих равных
характеристиках полимер с большим молекулярным весом будет формировать
наиболее крупные хлопья. Если полимер имеет электрический заряд, то молекулы
большего размера имеют больше функциональных групп и вызовут более активную реакцию. В то же время при обезвоживании осадка полимеры с высоким молекулярным весом при образовании хлопьев связывают большее количество
воды, чем низкомолекулярные полимеры, что повышает влажность осадка.
Приводимые в литературе молекулярные веса полимеров являются средними. Длина молекул полимеров не является строго определенной величиной и может изменяться в определенных пределах. Графически это иллюстрируется на
рис. 10. Как указано на рисунке, существуют две характеристики молекулярного
веса, каждая из которых определяет одну из его составляющих.
Величина MN дает информацию о количестве молекул с определенным молекулярным весом, а величина Mw - о весе молекул. Большинство опубликованных материалов исследований характеризуют величину Mw.
Хотя большинство водорастворимых полимерных флокулянтов имеют линейную конфигурацию, в растворе они присутствуют в виде частично гидратированных кольцевых структур. Для того чтобы полимер работал с максимальной
эффективностью, ему нужно дать возможность развернуться, или обеспечить максимальную гидратацию. С возрастанием плотности заряда вероятность свертыва-
ния молекул полимера в кольца уменьшается за счет сил электрического отталкивания между одноименно заряженными функциональными группами, входящих в
состав полимера.
Различным формам полимеров требуется различное время, чтобы «размотаться» из кольцевой структуры в линейную. Чем больший молекулярный вес молекулы, тем продолжительнее будет это время. Это связано с тем, что вязкость
раствора при одинаковой дозе полимера возрастает с увеличением его молекулярного веса.
Полимер не может
полностью перейти в
линейные структуры до
тех пор, пока он полностью не растворился. В
случае растворения полимерных коагулянтов
(катионных)
полимер
максимально переходит
в линейные структуры
при равномерном рас10. Распределение молекулярного веса.
творении, когда раствор
По оси ординат - количество молекул.
становится однородным.
Поэтому полимерные Коагулянты требуют минимальной активации и минимума
оборудования для растворения (по смыслу здесь, видимо, говорится о жидких или
гелеобразных полимерах, но в тексте этого нет). Эмульсиям и порошкообразным
коагулянтам требуется дополнительное время на растворение и развертывание в линейную структуру. Эти свойства полимерных флокулянтов предъявляют повышенные требования к оборудованию для их растворения. Приготовление
раствора полностью гидратированных флокулянтов часто является основным условием их эффективного использования. Факторами, влияющими на растворение
полимеров, являются рН, температура, ионная сила раствора, содержание в воде
железа, так же как время старения и энергия перемешивания. Плохое качество воды, в которой полимер растворяется, может быть причиной снижения его эффективности. Так как сфера человеческой деятельности, где требуется разделение
жидкой и твердой фаз очень велика и включает самые разнообразные категории
вод, соответственно выпускается и широкий спектр различных полимеров с разными характеристиками: молекулярный вес, заряд, вязкость и др. Для работы в
конкретных условиях, как правило, могут использоваться несколько полимеров,
из них обычно выбирается тот, который достаточно эффективен при меньшей дозировке, и соответственно более рентабелен.
Выбор оптимального полимера лучше всего проводить по разработанной
методике пробной коагуляции. Для проведения пробной коагуляции используется
многолопастная мешалка и комплект специальных сосудов. Проба полимера готовится в виде растворов определенной концентрации (как правило, 1% для коагулянтов и 0,1% для флокулянтов по весу). Для проведения опыта должна быть
отобрана достаточно показательная проба воды (примерно 20 литров). Проведение пробной коагуляции.
1. Поместить 500 или 1000 мл пробы в специальный сосуд.
2. Опустить лопастную мешалку в воду.
3. Перемешать пробу с высокой интенсивностью.
4. 4.Испытания проводятся с различными
одинаковыми дозами различных реагентов.
дозами
реагента
или
5. Продолжать перемешивание с высокой скоростью от 30 сек. до 2 мин.
Чтобы повысить значимость испытаний, постарайтесь моделировать процесс перемешивания, который будет в производственных условиях.
6. Уменьшите скорость перемешивания и добавьте полимер.
7. Прекратите перемешивание и наблюдайте за образованием хлопьев, их
размером, прозрачностью воды, границей между осадком и осветленной водой.
8. После осаждения слой воды над осадком может использоваться для выполнения химических анализов.
Использование полимеров.
Традиционными сферами применения полимеров в технологиях обработки
воды являются осветление воды, разложение эмульсий и обезвоживание осадка.
Осветление. Для удаления из воды взвешенных веществ требуется выполнение двух условий:
U
U
1.
Для преодоления сил электрического отталкивания между частицами
взвеси
должен
быть
нейтрализован
их
поверхностный
заряд
(коагуляция).
2.
Отдельные нейтральные частицы необходимо связать в крупные,
быстро оседающие хлопья (флокуляция и осаждение). Хлопья должны
обладать определенной пористостью, чтобы пропускать через себя при
осаждении воду и не увлекать ее в осадок.
Рис. 11. Интенсивность осаждения частиц
пропорциональна их размеру.
Полимеры повышают эффективность обоих этих процессов. Взвешенные
частицы, как правило, имеют отрицательный электрический заряд, обуславли-
вающий взаимное отталкивание частиц и обеспечивающий устойчивость суспензии. Катионные (положительно заряженные) коагулянты (полиэлектролиты с низким и средним молекулярным весом) под действием электрических сил притягивают отрицательно заряженные частицы и нейтрализуют их поверхностный заряд,
так как каждая молекула органического коагулянта имеет большое число заряженных центров, они демонстрируют высокую эффективность при коагуляции
мелких взвесей и коллоидов, образуя очень мелкие нейтральные частицы. Коагуляция лучше всего происходит в зоне быстрого перемешивания, где наиболее высокая вероятность столкновения частиц с молекулами полимера. После завершения процесса коагуляции и дестабилизации суспензии во многих случаях добавляют высокомолекулярный флокулянт для образования крупных, быстро оседающих хлопьев.
12. Типовой осветлитель со взвешенным фильтром.
Так как основная функция катионных коагулянтов - нейтрализация отрицательного заряда частиц взвеси, высокий положительный заряд является необходимым условием его эффективности. Многие неорганические коагулянты (чаще всего сульфаты или хлориды алюминия и железа) удовлетворяют этому условию.
Трехвалентные катионы металлов (Al+3 и Fe+3) абсорбируются на отрицательно
заряженных частицах взвеси и нейтрализуют их заряд. Однако эффективность
этих коагулянтов в значительной степени зависит от рН сточных вод. Для того
чтобы образовались гидроксиды этих металлов, имеющие очень низкую растворимость, необходима определенная щелочность воды. Образовавшиеся нерастворимые хлопья гидроксидов металлов нейтрализуют, сорбируют и увлекают в осадок содержащиеся в воде взвеси. Они эффективны даже при низком содержании в
воде взвесей.
В отличие от неорганических, органические коагулянты работают в гораздо
большем диапазоне значений рН, они сохраняют высокую эффективность при рН
от 4 до 10,5, причем требуемая доза органических коагулянтов намного ниже.
Кроме того, полученный при использовании неорганических коагулянтов - солей
алюминия или железа - имеет значительно больший удельный объем в расчете на
единицу объема обработанной воды, и осадки, полученные при использовании органических коагулянтов, лучше обезвоживаются.
Иногда органические и неорганические коагулянты используются совместно, при этом органические коагулянты обеспечивают меньший объем и лучшее
обезвоживание осадка, а неорганические - наиболее дешевый способ нейтрализации заряда взвеси, и в итоге получается лучший результат, чем при использовании какого-то одного типа коагулянта. Примерами использования этого синэнергетического эффекта может служить снижение цветности, разрушение водомасляных эмульсий.
Отстаивание, т.е. разделение жидкой и твердой фаз под действием
гравитационных сил, чаще всего используется для извлечения взвешенных веществ из природных и сточных вод. Как указывалось ранее, одним из основных
факторов, оказывающих влияние на скорость осаждения, является размер частиц.
При прочих равных условиях более крупная частица осаждается быстрее, чем
частица меньшего размера. Более быстрое осаждение взвеси позволяет уменьшить
объем отстойных сооружений и снизить капитальные затраты, поэтому при проектировании новых очистных сооружений все чаще в качестве коагулянтов и
флокулянтов используются полимеры. Используемые в качестве флокулянтов полимеры не только ускоряют осаждение взвеси и позволяют увеличить гидравлическую нагрузку на сооружения, но и увеличивают прочность хлопьев, способствуют формированию в осветлителях стабильного слоя взвешенного осадка.
К сожалению, при обработке воды крайне редко все рабочие параметры
остаются постоянными. Изменяются производительность, концентрация взвеси,
рН, температура, и дозировка реагентов будет зависеть от этих изменений. Наиболее резким изменениям подвержена гидравлическая нагрузка на отстойные сооружения, для сглаживания этих колебаний необходимо предусматривать усредняющую емкость, а снижение эффективности отстаивания указывают снижение
плотности осадка и увеличение содержания взвеси в осветленной воде. При обнаружении одного или обоих этих признаков, следует в первую очередь проверить:
1. Соответствие параметров работы системы проектным.
U
A.
Превышение гидравлической нагрузки - сокращает время пребывания
воды в отстойном сооружении, в результате в осветленную воду выносится неосевшая взвесь, может размываться накопленный в отстойнике осадок.
B.
Дозировка реагентов - наилучшим выходом является полная автоматизация процесса дозирования, когда реагент подается пропорционально расходу
воды (устанавливается расходомер) и концентрации в ней взвеси (прибор для
измерения мутности). На практике зачастую один или оба эти прибора отсутствуют, и регулировать дозировку реагентов при изменении какого-либо рабочего
параметра приходится вручную.
C. Качество поступающей воды - изменение качественных показателей
поступающей воды (рН, температура, крупность взвеси) может отрицательно влиять на процесс отстаивания. Для определения оптимальной дозировки реагентов
при изменении качества воды следует провести пробную коагуляцию непосредственно на станции обработки воды. Второй вариант - следует рассмотреть возможность трехстадийной химической обработки воды. При периодическом - ежечасном или ежедневном - изменении качества воды лучше всего
предусмотреть емкость-усреднитель.
D.
Если эффективность осветления остается низкой в течение длительного времени, следует обратить внимание на точку ввода реагентов. Пробная коагуляция поможет определить скорость протекания реакции и прочность образующихся хлопьев. Во всех случаях реагенты должны добавляться в поток с достаточно высокой турбулентностью для обеспечения равномерного их распределения
в объеме воды. Для проверки качества смешения реагентов с водой
следует отобрать пробы в разных точках системы. Реагенты должны
добавляться в следующей последовательности: корректировка рН коагулянты - флокулянты.
2. Системы приготовления реагентов и его подачи. Тщательная проверка
этих систем необходима при случайных сбоях в работе отстойных сооружений.
Результаты пробной коагуляции должны быть сопоставимы с результатами
работы
отстойных вооружений. Если результаты сильно отличаются,
следует проверить:
U
U
A. Объем загружаемого реагента при приготовлении раствора - несоответствие количества загружаемого реагента расчетному может быть причиной плохой работы отстойных сооружений.
B.
Условия приготовления раствора - недостаточные интенсивное или
время перемешивания могут быть причиной осаждения в баке приготовления раствора неорганических коагулянтов или неполного растворения полимеров. Если
полимеры в растворе находятся в форме «рыбьего глаза» (набухшие, но не растворившиеся частицы, наблюдаются при растворении порошкообразного реагента), следует оборудовать систему рециркуляции раствора в баке, или заменить порошкообразный реагент жидким или эмульсионным, которые быстро
растворяются даже при относительно слабом перемешивании. Всем флокулянтам
необходимо определенное время для гидратации, оно называется «временем старения».
C. Качество используемой для приготовления раствора реагента воды на промышленных предприятиях для приготовления растворов реагентов обычно
используется техническая вода. Для получения хороших результатов для этих целей должна использоваться вода с низким содержанием железа и при температуре
не выше 50°С.
D. Линии подачи - засорение подающих линий, неисправность арматуры,
утечки могут быть причиной нарушений дозировки реагентов.
E. Условия хранения реагентов - нарушение установленных условий хранения могут быть причиной разложения полимеров. Большинство полимерных флокулянтов не следует хранить во влажных помещениях.
Проверьте соответствие условий хранения реагентов рекомендациям завода-изготовителя. В ряде случаев целесообразно установить специальные сушилки.
Проверьте срок годности реагентов.
Воздушная флотация.
Определенная часть загрязнителей воды всплывает на поверхность (при
удельном весе меньше единицы, например, нефтепродукты) или оседает чрезвычайно медленно даже в виде крупных хлопьев (при удельном весе около единицы,
например, стоки целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности). В этих
случаях отстойники не способны обеспечить очистку воды даже при использовании реагентов. Метод флотационной очистки использует естественную плавучесть этих загрязнений, способствуя их концентрации на поверхности воды, после
чего они удаляются в виде пены. Использование флокулянтов ускоряет процесс
флотации, способствуя образованию крупных, прочных хлопьев, которые увлекаются на поверхность пузырьками воздуха. Флотация может использоваться в
качестве второй ступени очистки воды после отстаивания.
Рис. 13. Очистная установка, включающая газовую флотацию.
Разложение эмульсий.
Эмульгированные нефтепродукты часто присутствуют в сточных водах. Стабильность эмульсий объясняется формированием препятствующего объединению
частиц отрицательного заряда на поверхностной пленке, которая покрывает мелкие
капли масел. Эта пленка, или эмульгатор, может являться составной частью смазки
или присутствовать в составе сточных вод. Основным этапом разложения эмульсии
является нейтрализация воздействия стабилизирующей пленки эмульгатора. Разложение эмульсии происходит в следующей последовательности: сначала нейтрализуется отрицательный заряд на части поверхности покрывающей каплю масла пленки,
в результате образуется зона, не испытывающая сил электростатической отталкивания, и появляется возможность коалесцепции капель. Эти «раковины», или «окна»
позволяют каплям эмульсии объединяться в достаточно большие агрегаты, они в
свою очередь дестабилизируются большим количеством молекул полимера, вызывая дальнейшую агломерацию частиц и т.д. Так как соприкосновение капель является основой процесса, деэмульгирование происходит в зоне высокой турбулентности
потока, т.е. быстрого перемешивания. Флокулянты, как правило, добавляются в конце этой зоны для повышения эффективности процесса укрупнения капель масел.
Рис. 14. Флотационная установка с
диспергированием воздуха.
Обезвоживание осадка.
В процессах обработки воды все большее место занимают вопросы обработки
осадка. Затраты на транспортировку осадка быстро растут, возможности использования отвалов ограничиваются, поэтому обезвоживание осадка непосредственно на
месте сегодня является не роскошью, а настоятельной необходимостью. В идеале
осадок должен предоставляться для дальнейшего использования или захоронения
(уничтожения) в максимально концентрированном виде, чтобы снизить затраты на
его транспортировку и обеспечить выполнение требований, которые предъявляются
к вывозимым в отвалы отходам. При обработке и обезвоживании осадков сточных
вод на стадии их сгущения значительное повышение эффективности обеспечивает
использование химических реагентов - флокулянтов. В результате их использования
значительно повышается содержание в осадке твердого вещества, улучшается качество фильтрата или фугата, повышается производительность обезвоживающего оборудования. Флокулянты добавляются с целью блокировать действие водородных
связей между частицами взвеси и молекулами воды. Полимеры способствуют агломерации частиц, образованию крупных плотных образований, которые имеют
меньшую удельную площадь и, соответственно, меньшую возможность контакта с
молекулами воды. Помимо этого флокулянты обеспечивают такую ориентацию частиц осадка, которая облегчает удаление из осадка воды. Флокулянты обеспечивают
увеличение прочности хлопьев, снижают вероятность их разрушения под действием
возникающих при обезвоживании осадка нагрузок. В результате укрупнения частиц
осадка и увеличения их прочности значительно облегчается процесс фильтрования,
повышается производительность фильтров и улучшается качество фильтрата. Так
как фильтрат в большинстве случаев возвращается в голову сооружений и используется вторично, улучшение его качества снижает нагрузку на отстойные сооружения,
позволяет уменьшить их объем и капитальные затраты на строительство. Флокулянты повышают эффективность практически всех процессов обезвоживания осадков,
их применение возможно при использовании любого обезвоживающего оборудования. Использование флокулянтов позволяет увеличить производительность обезвоживающего оборудования, снизить влажность обработанного осадка, улучшить качество фильтрата.
Ленточные пресс-фильтры. Популярность ленточных пресс-фильтров за последнее десятилетие резко возросла, так как этот способ обезвоживания
осадков является наиболее универсальным и эффективным из всех существующих,
позволяет обрабатывать труднообезвоживаемые осадки, обеспечивает максимальное
содержание в конечном продукте твердого вещества. В настоящее время многочисленные изготовители выпускают ленточные пресс-фильтры самых различных конструкций, наиболее простая и типичная конструкция показана на рис. 15.
U
U
Фильтр-пресс можно условно разделить на три рабочие зоны: 1. Обработка
осадка полимерами; 2. Свободное дренирование влаги: 3. Окончательное обезвоживание осадка путем сжатия. Использование флокулянтов оказывает очень большое
влияние на работу фильтр-пресса. Флокулянты укрупняют частицы осадка, за счет
уменьшения удельной поверхности хлопьев минимизируют их контакт с водой. Обработанный флокулянтами осадок поступает на дренажную ленту, где под действи-
ем гравитационных сил вода частично удаляется из осадка. Эффективность этого
процесса увеличивается за счет специального направляющего устройства, которое
взрыхляет осадок и создает открытые поверхности, способствующие лучшему удалению влаги. Кроме того, под лентой расположены ролики, которые разрушают поверхностный слой и способствуют лучшему удалению влаги. После частичного
удаления влаги в
гравитационной зоне
осадок поступает в зону
окончательного
обезвоживания,
где
оказывается
сжатым
между двумя лентами.
Давление постепенно
повышается за счет того, что ленты проходят
между роликами увеРис. 15. Ленточный фильтр-пресс.
личивающегося диаметра, и расстояние между ними уменьшается. В результате образуется тонкий слой обезвоженного осадка. Если осадок не был достаточно сгущен, или в гравитационную зону было подано избыточное его количество, осадок подвергнется
повышенному давлению при прохождении между роликами. При этом слой осадка
подвергается деформации сдвига, что активизирует процесс отделения влаги. В
конце процесса сжатый обезвоженный осадок удаляется с движущегося конвейера с
помощью снимающего ножа, а фильтрующая лента после удаления осадка промывается фильтратом. Снижение эффективности работы фильтр-пресса почти всегда указывает на недостаточное сгущения осадка перед обезвоживанием и высокое сопротивление его фильтрации. Снижение качества обезвоженного осадка из-за постоянных изменений его консистенции чаще всего вызывается нарушением процесса химической обработки, а не сбоями обезвоживающего оборудования.
В лабораторных условиях происходящие в зоне свободного дренажа процессы
могут быть смоделированы с помощью воронки Бюхнера при фильтровании пробы
через материал, аналогичный материалу ленты фильтр-пресса. Этот опыт поможет
определить оптимальную дозу полимера. Оптимальная дозировка полимера увеличивает влагоотдачу, в то время как недостаточная или избыточная дозировка
уменьшит объем фильтрата за установленный период времени, обычно 15-30 сек.
Неправильно выбранная доза полимера увеличит влажность обезвоженного осадка.
Недостаточная подача полимера.
Признаками недостаточной дозировки полимера являются плохое отделение
влаги в гравитационной зоне и высокое содержание взвешенных веществ в фильтрате зоны сжатия. Эта взвесь с фильтратом будет отправлена на отстойные сооружения, а затем вновь вернется на фильтр-пресс. Такой режим работы совершенно неэффективен, приводит к перерасходу полимера, перегрузке отстойных сооружений и
фильтр-прессов.
Передозировка полимеров.
Передозировка полимера приводит к образованию слишком крупных хлопьев.
При оптимальном размере хлопьев при их оседании вода проходит между- ними, и
они не увлекают воду в осадок. При излишне крупных хлопьях они при оседании
захватывают воду, и влагоотдача в гравитационной зоне снижается. Это приводит к
перегрузке зоны сжатия. При избытке полимера образуются прочные, упругие хлопья. Они не разрушаются в зоне сжатия и прочно удерживают влагу. В результате
повышается влажность обработанного осадка. Кроме того, следствием передозировки полимера может быть загрязнение фильтровальной ткани, так как хлопья осадка
прочно прилипают к ней.
Другие сферы использования полимеров.
Многие сферы использования полимерав основаны на взаимодействии незаряженных частиц с заряженными полиэлектролитами в водной среде. Количество ситуаций, когда нетрадиционное использование полимеров приобретает важное значение, увеличивается. Два примера - химическое осаждение присутствующих в растворе ионов металлов и разложение масляных эмульсий, в которых масло является основной фазой.
Осаждение металлов.
U
U
Тяжелые металлы (атомный вес более 23) вызывают повышенный интерес исследователей в связи с их устойчивостью в природных условиях, а их повышенные
содержания токсичны для живых организмов. Очень многие категории технологических сточных вод - мокрая очистка дымовых газов, окрашивание тканей, металлообработка, производство органических соединений - нуждаются в очистке от тяжелых
металлов. Так как полимеры традиционно взаимодействуют только со взвешенными
частицами, потребовалась разработка новых реагентов. Разработаны органические
осадители металлов, которые реагируют с тяжелыми металлами типа свинца, меди,
цинка, кадмия и др., переводя их в нерастворимую форму. После этого используются
традиционные коагулянты, флокулянты, проверенные технологии разделения жидкой и твердой фаз, в результате удается добиться очень низкого содержания в воде
растворенных металлов.
Очистка воды от нефтепродуктов.
U
U
Нефтепродукты являются основными загрязнителями во многих отраслях
промышленности: нефтепереработка, металлургия, металлообработка, транспорт,
пищевая промышленность и др. Масляные эмульсии разделяются на две категории:
вода в масле (W/О) и масло в воде (О/W). Загрязненные маслоотходы представляют
собой вязкие концентрированные жидкости, которые образуются при контакте масел с твердыми веществами в турбулентном потоке. Твердые частицы могут быть
покрытыми поверхностно-активными веществами, которые делают их гидрофобными, в таком состоянии они растворимы в масле, но не растворимы в воде. Вода в
масле присутствует как тонко диспергированая эмульсия в среде покрытых маслом
твердых частиц. Маслосодержащие стоки чрезвычайно разнообразны в зависимости
от присутствующих эмульгаторов, растворителей, содержащихся взвесей и т.п., поэтому не существует универсальной технологии очистки, пригодной для всех маслосодержащих стоков. Использование маслорастворимых поверхностно-активных
веществ и деэмульгаторов во многих случаях интенсифицирует процесс отделения
масел от воды и твердых частиц. Как правило, для разделения этих фракций требуется высокая температура и длительное отстаивание. Получение очищенного от воды и взвесей масло отчасти компенсирует высокие затраты на очистку
маслоотходов.
Заключение
Технологии очистки воды и обработки сточных вод постоянно совершенствуются. Разработка новых, более эффективных способов очистки сточных вод тесно
связана с ужесточением с каждым годом нормативных требований к их качеству.
Каждая очистная станция должна работать при проектных параметрах, при этом химическая обработка ни в коем случае не должна игнорироваться. Предусмотренная
проектом обработка воды - залог ее качественной очистки. Оптимальные дозы реагентов могут быть определены в ходе лабораторных исследований, это позволит исключить непроизводительные затраты. Следует иметь в виду, что проверка системы,
простейшие лабораторные исследования могут успешно выполняться персоналом
очистной станции. Для этого вновь поступающие работники должны пройти определенную подготовку, их следует ознакомить с существующей схемой обработки воды, обратить их внимание на важность стоящих перед ними задач. Проанализировав
все возможные расходы, связанные с недостаточно качественной очисткой сточных
вод, использованием устаревших технологий, вы поймете целесообразность использования последних достижений в этой области, в частности использования полимеров.