Коагулирование природных вод

Основной задачей очистных сооружений городских водопроводов, пользующихся речными и озерными водами, является осветление и обесцвечивание воды, то есть удаление из нее коллоидных и взвешенных веществ. Находящиеся в воде коллоидные и взвешенные частицы имеют очень малые размеры (десятые и сотые доли микрона) и вес, поэтому осаждение, выпадение их в осадок происходит очень медленно (недели, месяцы, и даже годы). Это вызывает необходимость строительства громоздких, дорогих сооружений. Процесс этот можно ускорить, если заставить частицы соединиться друг с другом, укрупниться, агрегироваться, тогда под действием сил тяжести они быстрее выпадут в осадок, выделяться из воды.

Процесс взаимного слипания частиц, их укрупнения, называется коагуляцией, а реагенты, используемые для этой цели, называется коагулянтами. При обработке природных вод наибольшее распространение из коагулянтов получили сернокислые и хлористые соли алюминия и железа. При введении в воду сернокислого алюминия сначала происходит диссоциация соли:

.

Трехвалентные катионы алюминия подвергаются затем гидролизу за счет гидроксильных ионов, находящихся в воде, образуя практически нерастворимую гидроокись алюминия:

.   .   .

Образующаяся гидроокись алюминия Al(OH)₃ имеет весьма развитую поверхность и обладает адсорбционными свойствами, поэтому находящиеся в воде примеси сорбируются гидроокисью алюминия, в результате чего вода осветляется и обесцвечивается. В процессе коагуляции хлопья гидроокиси с прилипшими к ним примесями постепенно укрупняются, что облегчает их последующее выделение из воды.

Выделяющиеся при гидролизе ионы водорода вступают в реакцию с присутствующими в воде гидрокарбонатными ионами:

.

Если карбонатов, содержащихся в воде, не хватает для полного гидролиза коагулянта, то для повышения щелочности воды производят ее подщелачивание. Дозу извести для подщелачивания определяют по формуле:

мг/л, (2.1)

где Д_ИЗ – доза извести, мг/л; Д_К – доза коагулянта; е – эквивалентный вес коагулянта; Щ – щелочность в исходной воде, мг-экв/л.

Если значение Д_ИЗ получается отрицательным, то подщелачивание не производят. Эффект подщелачивания объясняется связыванием ионов водорода (H⁺) гидроксильными ионами (OH^–).

Таким образом, суммарная реакция гидролиза сульфата алюминия в присутствии находящегося в природных водах бикарбоната кальция выражается уравнением:

.

Наиболее эффективная коагуляция протекает при полном переходе Al₂(SO₄)₃ в нерастворимый в воде гидроксид алюминия. Это условие обеспечивается при полном гидролизе коагулянта, происходящем при значениях рН воды в пределах 6,5–7,5. Избыточные или недостаточные количества введенного коагулянта уменьшают или повышают рН среды и ухудшают эффективность процесса коагуляции. Поэтому при коагулировании воды сернокислым алюминием необходимо выбирать и поддерживать такую дозу коагулянта, которая обеспечила бы эффективную очистку.

При предварительных расчетах для обработки воды дозу сернокислого алюминия определяют по формуле:

мг/л, (2.2)

где Д_К – доза коагулянта, мг/л; Ц – цветность воды, град.

или по формуле

мг/л, (2.3)

где М – мутность воды, мг/л.

Наибольшая величина Д_К из 2^х предыдущих формул и является расчетной. Оптимальную дозу коагулянта и щелочи определяют путем пробного коагулирования в лабораторных условиях.

 

Порядок выполнения лабораторной работы

Для выполнения работы выдается проба исследуемой воды.

1. Определить качественные показатели исходной воды:

— прозрачность по шрифту, см;

— цветность, град;

— активную реакцию рН;

— общую щелочность, мг-экв/л;

— общую жесткость, мг-экв/л.

2. Провести пробное коагулирование данной воды сернокислым аммонием, определить оптимальную дозу коагулянта.

Пробное коагулирование проводят в нескольких цилиндрах путем введения в них дозы коагулянта, близкой к расчетной, определенной по формулам (2.2); (2.3). В 5–10 мерных цилиндров наливают исследуемую воду. В первый цилиндр вводят расчетную дозу, во второй на 25 мг/л больше расчетной, в третий – 25 мг/л больше второго и т.д. После введения раствора коагулянта, воду в цилиндре тщательно перемешивают мешалкой 10–15 раз и оставляют в покое на 20–30 мин. Каждые 5 мин фиксируют изменение состояния обрабатываемой воды (помутнение, опалесценция, образование микро хлопьев, агрегация хлопьев, начало осаждения и т.д.) Результаты вводятся в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Наименование	Номера цилиндров
Доза коагулянта, мг/л
Количество 1%-ного раствора коагулянта, мг/л
То же в пересчете на 0,5 л
Описание хода коагуляции через 5 мин
10 мин
15 мин
20 мин
25 мин
30 мин

Наименьшая доза коагулянта, при которой получены наибольшие хлопья через 15 минут и наилучшее осаждение хлопьев через 30 минут считается оптимальной. Эту дозу уточняют количественным контролем. Для этого после 30-минутного отстаивания воду из цилиндра, где наблюдается наилучшее осаждение хлопьев, фильтруют и в фильтре определяют показатели качества обработанной воды.

3. Определить качественные показатели воды, полученной после коагулирования при оптимальной дозе сернокислого алюминия:

— прозрачность по шрифту, см;

— цветность, град;

— активную реакцию рН;

— общую щелочность, мг-экв/л;

— общую жесткость, мг-экв/л.

Объяснить изменение отдельных показателей обработанной воды и заполнить табл. 2.2.

Таблица 2.2

Наименование воды	Наименование качественных показателей
Окисляемость, мг/л	Цветность, град	Щелочность, мг-экв/л	Жесткость, мг-экв/л	рН
Исходная вода
После коагулирования при Дк (оптим), мг/л

Лабораторная работа № 3