Особенности коагуляции воды

Правильнее было бы использовать термин «неорганические вещества» вместо «синтетические». Диоксид титана добавляется довольно редко, однако он обладает высокой ценностью, так как даже наиболее загрязненная вода может быть очищена до почти идеальных питьевых условий. Уровень очистки от грязи и бактерий достигает почти 100%.

Коагуляция воды как метод очистки

Качество воды должно удовлетворять определённым стандартам, однако не всегда параметры действительно отвечают требованиям, характерным как для питьевой воды, так и для воды, предназначенной для технических или промышленных нужд.

Существует множество современных методик водоподготовки, однако далеко не все из них способны эффективно устранять мельчайшие примеси, которые могут присутствовать в виде взвесей. В этой ситуации коагулирование воды демонстрирует хорошую эффективность. В данной статье мы разберем, для чего и как применяется коагуляция, какие задачи она решает, и вы сможете найти ответы на актуальные вопросы.

Что такое взвеси и откуда они берутся

Вода содержит множество различных веществ. Одним из распространённых её компонентов является взвесь – это частицы, обладающие минимальными размерами и очень малой массой. Взвеси могут включать как органические, так и неорганические вещества, фрагменты глины, ила или песка, микроорганизмы (вирусы и бактерии), а также соли жёсткости, включая кальций и магний, железо и прочие металлы.

Именно взвешенные частицы делают воду мутной и нарушают ее прозрачность, придавая ей различные оттенки, такие как желтый, коричневый, зеленоватый, серый, белый, рыжий и другие. Также вода может приобретать неприятный запах. Мутность в основном обусловлена малым весом частиц и их одинаковым электрическим зарядом, который чаще всего отрицательный.

Наличие одинакового заряда создает эффект отталкивания между частицами, в результате чего заряженные отрицательно мелкие фрагменты не поддаются силепритяжения. Кроме того, из-за их малой массы частицы постоянно отталкиваются от более тяжелых молекул воды, что приводит к тому, что они остаются во взвешенном состоянии и не оседают.

Откуда же появляются взвеси в воде? Источники загрязнения разнообразны и могут зависеть от типа воды. Например, в сточной воде различные вещества попадают в результате осадков и таяния снегов, а также в результате человеческой деятельности и жизнедеятельности животных. Причиной загрязнения могут быть также городские канализации, системы орошения сельскохозяйственных культур и промышленных растений, и даже подземные источники воды, содержащие мелкие фрагменты горных пород. В водопроводной воде грязь может поступать от частиц старых ржавых труб.

Чем же опасны взвеси? Они делают воду непригодной для питья, термической обработки пищи и даже для бытовых нужд. Мутная вода с присутствующими взвешенными частицами способна засорять трубопроводы, насосы, смесители и бытовую технику, включая бойлеры, стиральные и посудомоечные машины.

Визуально обнаружить взвешенные включения можно при внимательном осмотре: если вода мутная или непрозрачная, это сигнал о наличии примесей. Для более точного определения состава воды требуется лабораторный анализ, поскольку домашние тесты зачастую не дают достоверной информации о важных параметрах воды.

Преимущества и недостатки коагуляции

Коагуляция воды представляет собой метод очистки, при котором загрязнения вынуждаются выпадать в осадок. Чтобы добиться желаемого результата, необходимо:

• спровоцировать свертывание;
• вызвать слипание;
• создать сгустки из всех вредных и опасных веществ.

При коагуляции частицы укрупняются до такой степени, что сформировавшиеся хлопья начинают оседать. Этот способ позволяет эффективно справляться даже с микроскопическими частицами, которые не улавливаются многослойными системами фильтрации или задерживаются с трудом. Эффективность коагуляции является высокой. При этом данный метод не требует значительных затрат, благодаря чему он может применяться в разнообразных условиях и ситуациях.

Даже такие сложные системы, как сточные воды, демонстрируют хорошую эффективность в процессе коагуляции.

Метод коагуляции полностью справляется с более плотными и устойчивыми загрязнениями. Однако у него также есть и важные недостатки:

• дозировка вводимых веществ должна быть рассчитана с высокой точностью;
• возникает большое количество дополнительных отходов, из-за чего требуется дополнительная фильтрация;
• реализовать коагуляцию воды самостоятельно без специалистов практически невозможно.

Области применения

Коагулирование применяется в первую очередь для очистки сточных вод, где оно эффективно борется с дисперсными и эмульгированными взвесями. Частицы могут как объединяться, так и оставаться однородными, различаясь по химическому составу и физическим характеристикам. Для повышения эффективности коагуляции:

• проводят перемешивание массы воды;
• подогревают воду;
• воздействуют с использованием электромагнитных полей.

В большинстве случаев метод перемешивания оказывается достаточно эффективным и экономичным для стимуляции процесса. Скорость слипания частиц зависит от:

• типа частиц;
• их внутреннего строения;
• концентрации;
• электрических свойств;
• разнообразия примесей;
• величины pH.

Коагуляцию обычно используют для удаления опасных веществ из сточных вод, образуемых различными отраслями:

• пищевой промышленностью;
• целлюлозно-бумажными производствами;
• фармацевтическими учреждениями;
• химической промышленностью;
• текстильным производством.

В некоторых случаях коагуляция также применяется для очистки питьевой воды от железа. Интересно, что в этом случае задействуют такие вещества, как сульфат и хлорид железа, а также алюминий и натрий. Однако коагулянты на основе железа оказываются даже более эффективными, действуя быстрее. Дополнительно для достижения максимального эффекта можно использовать щелочи во время обработки.

На водопроводных станциях России чаще всего вводят кристаллогидрат алюминиевого сульфата в природные воды. Этот процесс вызывает те же изменения, что и использование железосодержащих соединений.

Важно: уровень pH должен находиться в диапазоне от 5 до 7,5. Несоблюдение этого условия резко снижает эффективность осаждения. В практике работы водопроводчиков применяется как медленная, так и быстрая коагуляция; особенности каждой из них обычно знают только опытные инженеры.

Преимущества коагуляции и флокуляции

Использование коагуляции и флокуляции в водоподготовке имеет несколько значительных преимуществ:

1. Эффективное удаление загрязнений: Данный метод позволяет эффективно устранять твердые и коллоидные загрязнения, такие как глина, взвешенные частицы и органические вещества. Это приводит к получению чистой и прозрачной воды, отвечающей стандартам качества.
2. Улучшение обеззараживания: Увеличение сорбции и удаление загрязнений во время коагуляции и флокуляции способствует более эффективному обеззараживанию воды с использованием таких методов, как хлорирование или ультрафиолетовое облучение. Это снижает риск заражения опасными микроорганизмами.
3. Улучшенная фильтрация: Флокуляция снижает количество твердых частиц в воде, что упрощает фильтрацию. Это увеличивает эффективность работы фильтров и продлевает их срок службы.
4. Экономическая эффективность: Использование коагуляции и флокуляции может быть экономически выгодным, так как эти методы снижают затраты на альтернативные методы очистки, такие как обратный осмос или ионный обмен.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос 1: Какие коагулянты наиболее эффективны для использования в водоподготовке?

Ответ: Наиболее распространенными коагулянтами являются алюминий и железо, которые применяются в водоподготовке. Алюминий в основном используется для удаления коллоидных частиц, тогда как железо хорошо справляется с органическими веществами.

Вопрос 2: Могут ли коагуляция и флокуляция удалить все загрязнения из воды?

Ответ: Эти методы способны эффективно убирать большинство твердых и коллоидных загрязнений, однако не всегда они могут удалить все виды загрязнений, такие как растворенные газы или некоторые виды органических веществ. Таким образом, обработка воды может также включать в себя другие методы очистки в зависимости от конкретных необходимых характеристик.

Вопрос 3: Как долго продолжается процесс коагуляции и флокуляции?

Ответ: Длительность процессов коагуляции и флокуляции зависит от множества факторов, включая тип и концентрацию загрязнений, виды используемых коагулянтов и флокулянтов, а также условия их обработки. В большинстве случаев процесс может занимать от нескольких минут до нескольких часов.

Коагуляция и флокуляция являются важными процессами в подготовке воды к ее использованию. Они способствуют удалению различных загрязняющих веществ, повышению качества воды и обеспечению ее безопасности. Оптимальные методы и условия для выполнения коагуляции и флокуляции подбираются на основе анализа характеристик воды и необходимых требований.

Контактная коагуляция воды — что это?

Контактная коагуляция происходит на поверхности зернистого материала или крупных частиц сорбента. Микрочастицы коллоидов сближаются с ними благодаря перемешиванию и броуновскому движению. Вандерваальсово притяжение способствует прикреплению и удержанию мелких частиц на поверхности крупных.

Контактная коагуляция имеет ряд особенностей и приобретает значение в технологии водоподготовки. Чем выше концентрация макрочастиц гидроксидов алюминия и железа в дисперсном растворе, тем более заметными становятся эти особенности.

• Температурный режим и pH раствора не влияют на скорость контактной коагуляции.
• Увеличивается интенсивность и полнота удаления.
• Микрочастицы менее устойчивы к коагуляции на поверхности крупных.
• Коагуляция воды в слое зернистых фильтров проходит с большей интенсивностью и скоростью, чем в обычных условиях в свободной жидкости.

Слияние микро- и макрочастиц, значительно отличающихся по размерам, в взвеси с разной степенью дисперсности имеет особое значение при осветлении воды в установках со слоем взвешенной контактной среды.

Образование агломератов вокруг частиц гидроксидов, которые собираются вместе с примесями и образуют хлопья, происходит в фильтрующем слое благодаря прилипающих коагулирующих частиц к зернам фильтрующего материала.

При проведении коагуляции в слое зернистой загрузки отпадает необходимость в образовании хлопьев в специальных камерах, осаждении и осветлении растворов в отстойниках. Осветлители показывают более высокую производительность при удалении мутности по сравнению с отстойниками.

Взвешенная контактная среда в осветлителях формируется из Al(OH)₃ или Fe(OH)₃, представляя собой фильтрующий материал, который ускоряет очистку водных растворов от взвешенных примесей. При пропуске мутной воды через осадок гидроксидов с остаточной адсорбционной емкостью, происходит улучшение её обесцвечивания. Использование осветлителей значительно уменьшает площадь очистных построек, улучшает работу фильтров и существенно снижает потребление реагентов.

Факторы, влияющие на эффективность коагуляции

Для достижения оптимальной очистки воды важно создать условия, способствующие интенсивности образования осадков гидроксидов алюминия и железа и ускорению коагуляции.

1. Количество и состав коагулянтов. Увеличение доли гидролизующей соли приводит к более высокому темпу образования хлопьев и осаждению Al(OH)₃ или Fe(OH)₃.
2. Температурный режим и перемешивание раствора. Эти параметры должны находиться в равновесии: повышение температуры увеличивает вязкость раствора и снижает скорость движения частиц. Оптимальная температура 20-25°C, при этом должна поддерживаться интенсивная перемешиваемость. Колебания температуры требуют контроля, чтобы избежать замутнения: идеальная температура должна оставаться в пределах ±1°C. На низких температурах увеличение коагуляции и осаждения хлопьев может достигаться путем удлинения времени перемешивания.
3. Сохранение оптимального уровня pH. Максимальное осаждение гидроксида алюминия происходит при pH 6,0 – 6,5. Удаление гуматов происходит при значении pH в диапазоне 5,5 — 6,5, в это время они переходят в труднорастворимые и хорошо коагулируемые гуминовые кислоты. Соединения железа лучше осаждаются при значениях pH от 6,5 до 7,5. Нужное значение pH устанавливается экспериментально для каждого источника воды, учитывая её состав.
4. При высокой щелочности природных вод используется подкисление коагулянта концентрированной серной кислотой.
5. Применение вспомогательных веществ. Предварительное добавление окислителей в водный раствор повышает эффективность коагуляции. Например, хлор и озон наносят вред гидрофильным органическим соединениям, стабилизирующим частицы примесей, создавая необходимые условия для коагуляции. Этот эффект особенно ярко проявляется при очистке воды с высокой цветностью.
6. Добавление флокулянтов через 3-5 минут после коагулянтов улучшает агломерацию.
7. Сокращение времени коагуляции возможно при добавлении замутнителей. Частицы размером до 3 мкм ускоряют процесс образования хлопьев на 30-50%. В качестве искусственных замутнителей могут использоваться порошкообразный активированный уголь или глинистая взвесь.
8. Интенсификация процесса формирования хлопьев и экономия 25-30% коагулянта возможна благодаря введению шламов — промывной воды фильтров и осадка отстойников. Рекомендуется начинать с добавления 5-25% промывной воды от исходного объема, а затем вносить коагулянт.
9. Интенсифицировать коагуляцию можно с помощью воздействия электрического и магнитного полей, ультразвуковых волн или ионизирующего излучения.

Как работает метод

В воде может присутствовать множество мелких включений разнообразных размеров: от 1 мм до 0,1 микрона. Например, бактерии и вирусы имеют размеры 0,0001 микрона. Частицы различаются и по скорости осаждения.

Среднее время осаждения взвесей на дно резервуара высотой 1 метр:

• Грунт и песок – до 10 секунд.
• Мельчайшие песчинки – до 5 минут.
• Глина – до 120 минут.
• Бактерии и водоросли – около недели.
• Вирусы – от 2 до 200 лет.

Для того чтобы не ждать воду неделями, используют коагулянты, такие как сульфат алюминия и железа. Все взвеси в воде имеют отрицательный заряд, тогда как коагулянты – положительный. Когда коагулянт попадает в воду, он притягивает к себе различные загрязнения. В результате происходит процесс наклеивания частиц друг на друга и образуется коагулированная взвесь. Тем не менее, она все еще сохраняет мелкий размер.

С целью уплотнения взвесей при коагуляции вводят флокулянты на основе полимеров, которые действуют как связующее средство. Это приводит к получению флокул, которые становятся большими и тяжелее, что способствует их более быстрому осаждению, и они легче задерживаются фильтрами.

Процесс коагуляции осуществляется довольно быстро. В зависимости от типа установки, подготовленная вода затем подается на более тонкие стадии очистки.

Следующие этапы очистки могут включать:

• Фильтрация грубой очистки.
• Отстойник, за которым следует флотатор, что является необходимой частью коагуляции сточных вод.
• Фильтрацию тонкой очистки.

Метод коагуляции значительно сокращает время обработки и позволяет эффективно управлять расходами. Он оказывается незаменимым для очистительных процессов в промышленных объемах.

Обесцвечивание и обеззараживание

Хотя коагуляция питьевой воды в первую очередь служит предварительным этапом обработки, она зарекомендует себя как эффективное средство для уничтожения болезнетворных микроорганизмов. Процесс способствует удалению растворенных частиц, к которым, как правило, присоединяются вирусы и бактерии. В результате удаления осадка в среднем удается избавиться от 30 до 80% микроорганизмов. Это позволяет существенно сократить затраты на тонкую фильтрацию и борьбу с вирусами.

Положительные результаты коагуляции воды включают:

• Снижение расходов на хлорирование: в воду с низким содержанием органических соединений добавляется меньше хлорсодержащих веществ.
• Обеспечение бесперебойной подачи воды в системе городских водопроводов как следствие отсутствия необходимости ожидать долгого отстаивания.
• Доступная стоимость коагулянтов.

При этом дозировка реагентов должна строго регулироваться, чтобы избежать негативных последствий. Избыток коагулянта не ускорит процесс осаждения, скорее наоборот — его переизбыток может привести к образованию побочных химических соединений, таких как сульфаты или хлориды.

Необходимость фильтрации

Коагуляция питьевой воды не обеспечивает ее абсолютной чистоты; она должна обязательно следовать за процессом фильтрации. Это правило актуально как для бытовых, так и для профессиональных систем очистки. В городских водопроводных станциях традиционно используются песчаные фильтры с быстрым потоком. В этих системах вода подается под давлением, а фракции песка и гравия задерживают загрязнения размером до 0,1 мм.

Более современные и эффективные системы используют обратный осмос, обеспечивая ультратонкую фильтрацию. Эта система подходит для использования в бытовых условиях и способна справиться с любыми примесями, полностью изменяя структуру воды и делая ее практически дистиллированной. Для придания воды необходимого вкуса и запаха краткосрочно применяются минерализаторы.

Коагуляция воды в бассейнах

Термин, используемый при уходе за бассейнами, на самом деле этимологически связан с коагулянтами и флокулянтами. Эти вещества помогают улучшить цвет воды, устраняют мутность и цветение. Особенно они полезны в ситуациях, когда механические фильтры не могут справиться с задачами очистки. Следует отметить, что такие вещества не пенятся и не имеют запаха, работая в сочетании с песочными фильтрами.

Коагулянты обычно поставляются в специальных картриджах, один из которых достаточно для поддержания уровня pH в 20 кубометрах воды на протяжении двух недель. Набор из трех картриджей может стоить от 1000 до 2000 рублей.

Стоимость коагулянтов не всегда является индикатором их качества; на сегодняшний день многие российские производители предлагают доступные препараты для очистки. Рекомендуется выбирать продукты по совету консультанта магазина, а также опираться на отзывы пользователей.