Коагуляция и флокуляция воды: как все работает

О чем речь? Коагуляция и флокуляция воды – процессы очистки воды от присутствия в ней от мелких взвешенных и коллоидных частиц. Чаще всего применяются последовательно, хотя не исключены ситуации, при которых задействуется лишь один из них.

На что обратить внимание? Данные методики водоочистки работают с использованием разных веществ. Так, коагулянты – соли поливалентных металлов, а флокулянты – высокомолекулярные органические или неорганические полимеры.

Необходимость коагуляции и флокуляции воды

Качество воды играет ключевую роль как в повседневной жизни, так и в промышленности, и подготовке питьевого сырья. Существующие нормативы предъявляют строгие требования, однако на практике вода нередко им не отвечает — причина кроется в мельчайших взвешенных частицах и различных примесях. Для достижения нужного уровня чистоты, жидкость пропускают через несколько ступеней очистки. Среди них особое место занимают коагуляция и флокуляция воды — процессы, без которых не обходится:

• Подготовка питьевой воды и работа систем водоснабжения, где важно довести воду до соответствия санитарным требованиям.
• Обработка сточных вод, как промышленных, так и бытовых, перед их выпуском в природные водоёмы.
• Сохранение чистоты и прозрачности воды в бассейнах.
• Санитарная обработка воды в целом: коагуляция помогает избавиться от значительной доли микроорганизмов, которые оседают на взвешенных частицах.

Стоит отметить важную деталь: сами по себе эти процессы не решают задачу обеззараживания и не справляются с растворенными химическими соединениями: солями жесткости, нитратами и подобными веществами. Именно поэтому для достижения полноценной очистки их обязательно сочетают с другими технологиями: дезинфекцией, фильтрацией, окислением.

Смысл процессов коагуляции и флокуляции воды

Эти два процесса протекают последовательно и составляют основу технологии осветления воды, позволяя избавиться от мелкодисперсных и коллоидных загрязнений.

Коагуляция воды

По своей сути коагуляция — это химическая реакция, благодаря которой взвешенные коллоидные частицы, до этого стабильно удерживавшиеся в толще воды, начинают объединяться и укрупняться. Дело в том, что мельчайшие примеси, частицы глины, органические коллоидные соединения, продукты жизнедеятельности микроорганизмов несут на своей поверхности электрический заряд, чаще всего отрицательный. Одноименно заряженные частицы взаимно отталкиваются, и это не дает им объединяться и оседать естественным путем.

Фото: usertrmk / magnific.com

Когда в воду добавляют коагулянт, содержащиеся в нём катионы с высокой валентностью (такие как Al³⁺ или Fe³⁺) нейтрализуют отрицательный заряд коллоидных частиц. Помимо этого, большинство коагулянтов вступают в реакцию гидролиза при растворении — взаимодействуют с водой, образуя хлопьевидные гидроксиды металлов.

Коагуляция реализуется в два этапа. Вначале идет стадия интенсивного, быстрого перемешивания. Она нужна, чтобы реагент моментально разошелся по всему объему жидкости и вступил в контакт с максимально возможным количеством коллоидных частиц. Именно на этой стадии заряды нейтрализуются и зарождаются первые микроскопические флокулы из прежде рассеянных примесей.

За ней идет стадия замедленного перемешивания, теперь уже образовавшиеся микрофлокулы начинают соединяться между собой в более крупные структуры (нередко этот этап называют флокуляцией, хотя полимерный реагент в воду пока не вносился — речь идет о так называемой естественной стадии, следующей за коагуляцией). В результате множество мельчайших частиц объединяется в сравнительно небольшое число хлопьев, которые уже достаточно тяжелы и плотны, чтобы либо осесть под собственным весом, либо задержаться при фильтрации.

Важно понимать: коагуляция дает результат лишь при соблюдении определенных условий — необходима правильно подобранная концентрация коагулянта и подходящая температура воды.

Флокуляция воды

Флокуляцией называют процесс дальнейшего укрупнения уже сформированных микрофлокул (либо дестабилизированных примесей), который происходит при мягком перемешивании воды с добавлением полимерного вещества флокулянта. Здесь есть принципиальное отличие от коагуляции: флокулянты в воде не провоцируют образование новых химических осадков, а действуют как связующее звено.

Молекула типового полимерного флокулянта — это протяженная цепочка из множества повторяющихся мономерных звеньев, содержащая активные участки, способные закрепляться на частицах взвеси. Роль таких активных центров играют либо заряженные группы (скажем, -COO⁻ у анионных полиакриламидов или -NH₄⁺ у катионных разновидностей), либо просто полярные зоны, обеспечивающие сцепление.

При внесении флокулянта в воду (уже после коагуляции) его длинные макромолекулы одновременно закрепляются на нескольких частицах сразу, объединяя их в общий агрегат. Такой механизм получил название полимерного мостикового связывания: одна-единственная полимерная цепь работает подобно мостику, стягивая множество небольших частиц в единый крупный конгломерат.

На результативность флокуляции влияет целый ряд параметров: молекулярная масса и строение полимера, а также химическая природа реагента — заряженные флокулянты притягивают частицы с противоположным по знаку зарядом, поэтому крайне важно верно выбрать разновидность, исходя из состава обрабатываемой воды. Не менее значимы дозировка препарата и способ его введения в систему.

Читайте также!

Особенности разводки воды в частном доме

Подробнее

Как правило, флокулянт вносят в сильно разведенном состоянии, а воду при этом медленно и равномерно перемешивают на протяжении получаса — этого времени хватает, чтобы полимерные цепочки успели встретиться со взвешенными частицами и сформировать укрупненные хлопья.

Разница между коагуляцией и флокуляцией воды

Ключевое отличие между ними — в механизме воздействия и итоговом результате. Если коагуляция запускает первоначальную дестабилизацию частиц, то флокуляция воды отвечает за их последующее объединение в более крупные структуры. Чтобы наглядно показать эти различия, специалисты обычно оформляют их в виде сравнительной таблицы:

Иными словами, коагуляция расшатывает устойчивость системы, а флокуляция уже «упаковывает» результат этой дестабилизации в крупные агрегаты, которые легко удалить из воды. Работая совместно, эти два процесса обеспечивают максимально эффективную очистку воды от взвешенных примесей.

Виды коагулянтов и флокулянтов

От того, верно ли подобран реагент и его дозировка, напрямую зависит успех всей процедуры. Ошибка в выборе вещества или его количества способна не только не дать желаемого эффекта, но и ухудшить итоговое качество.

Коагулянты

Под коагулянтами понимают химические соединения — обычно соли металлов с несколькими степенями валентности, — которые, попадая в воду, подвергаются гидролизу и образуют положительно заряженные ионы. Именно эти ионы берут на себя нейтрализацию отрицательного заряда коллоидных частиц.

Среди наиболее востребованных реагентов:

• Хлорное железо (FeCl₃) — способно работать в существенно более широком диапазоне pH (от 4 до 11), формирует более плотные и тяжелые хлопья, благодаря чему осаждение происходит быстрее. Нередко применяется при очистке промышленных стоков.
• Сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃) — самый распространенный и доступный по цене вариант. Наилучший результат показывает в диапазоне pH от 6,5 до 7,5.
• Полиоксихлорид алюминия (PAC) — реагент нового поколения, отличающийся повышенной эффективностью. Достаточно меньших дозировок, реагент функционирует в широком диапазоне значений pH и температур, а количество образующихся вторичных загрязнений при этом ниже.
• Флокулянты

Флокулянты представляют собой органические либо неорганические полимеры с высокой молекулярной массой. Их молекулярное строение — это протяженные цепи с активными группами, способными закрепляться на поверхности микрохлопьев, возникших на стадии коагуляции, и объединять их в крупные агломераты (флокулы). Выделяют несколько типов:

• Неионогенные — заряда не имеют. Типичный представитель этой группы — полиакриламид (ПАА), который показывает хорошую эффективность в самых разных задачах.
• Анионные — обладают отрицательным зарядом, применяются для осаждения взвесей с положительным зарядом (в частности, гидроксидов металлов).
• Катионные — несут положительный заряд, используются при осаждении органических взвесей и обезвоживании осадка.

Как показывают отраслевые исследования, при совместном использовании коагулянтов и флокулянтов дозу коагулянта удается сократить на 30–50%, а процесс осаждения заметно ускоряется, что в итоге повышает общую эффективность работы очистных сооружений.

Ситуации, в которых применяются коагулянты и флокулянты

Хотя коагуляция и флокуляция в большинстве технологических схем очистки сточной воды идут рука об руку, встречаются ситуации, когда достаточно задействовать лишь один из реагентов, а также случаи, требующие их поочередного применения.

Когда предпочтительнее использовать только коагулянт

К коагулянту как к самостоятельному средству прибегают тогда, когда главная сложность — присутствие устойчивых коллоидных примесей или растворенных веществ, нуждающихся именно в химическом осаждении. Без коагулянта не обойтись, если стоит задача устранить растворенные загрязнения: здесь флокулянт бессилен, поскольку требуется изменить само химическое состояние примесей — перевести их из растворенной или коллоидной формы в твердую.

Читайте также!

Принцип обратного осмоса для очистки воды

Подробнее

Коагулянты также используются в одиночку, когда технологически внедрение полимеров затруднено или нежелательно. Коагулянт может обеспечить достаточную степень очистки, если требования к прозрачности воды не чрезмерно высоки, или если последующая фильтрация способна задержать оставшиеся мелкие частицы.

Когда предпочтительнее использовать только флокулянт

Флокулянт в качестве единственного реагента чаще применяют для устранения умеренной мутности или для того, чтобы облегчить фильтрацию уже относительно чистой воды. Когда в воде присутствует небольшое количество мелких взвешенных частиц, самостоятельно не оседающих, но общий уровень загрязнения при этом невысок, даже небольшая добавка полимерного флокулянта способна связать эти частицы в хлопья, поддающиеся фильтрации.

Стоит учитывать, что применение исключительно флокулянта дает хороший результат преимущественно тогда, когда частицы в воде и без того близки к агрегации, либо несут заряд, который способен нейтрализовать сам полимер. Скажем, если коллоиды обладают слабым отрицательным зарядом, введение катионного флокулянта отчасти нейтрализует этот заряд и одновременно свяжет частицы между собой. 

Однако при сильном загрязнении воды или высокой устойчивости коллоидов без коагулянта не обойтись — один лишь полимер не справится с осаждением значительного объема тонкодисперсной взвеси: расход флокулянта в таком случае станет неоправданно велик, а остаточная мутность всё равно превысит допустимые нормы.

Совместное применение коагулянтов и флокулянтов

На практике станции водоподготовки и очистные сооружения чаще всего задействуют оба реагента одновременно, чтобы добиться наилучшего результата в удалении загрязнений. Действуя последовательно, коагулянт и флокулянт словно дополняют друг друга: коагулянт готовит взвешенные частицы к дальнейшему удалению, а флокулянт завершает начатое, формируя осадок, который легко отделяется от воды.

Чем хорош комплексный подход:

• Более тщательная очистка. Когда коагуляция и флокуляция применяются последовательно, из воды удаляются и растворенные, и коллоидные загрязнения.
• Более высокая скорость процессов и производительность. Крупные флокулы, сформированные с участием флокулянта, оседают гораздо быстрее, чем мелкие хлопья, возникающие в результате одной лишь коагуляции.
• Возможность сократить дозировку коагулянта. Наличие в системе флокулянта позволяет уменьшить количество неорганического коагулянта без ущерба для качества очистки. Как показывает практика, добавление флокулянта экономит от 10 до 30 % коагулянта — особенно заметно это при работе с относительно чистой, малоокрашенной водой. А значит, снижается и объем образующихся химических осадков, и общие затраты на реагенты.
• Более широкий диапазон рабочих условий. Совместное применение реагентов делает процесс менее чувствительным к колебаниям параметров воды. Скажем, при понижении температуры или отклонении pH от оптимальных для конкретного коагулянта значений флокулянт частично компенсирует потерю эффективности, физически захватывая хлопья, которые иначе остались бы в воде.

Распространенные ошибки в коагуляции и флокуляции воды

Неправильный подбор или неверное применение флокулянтов способно повлечь за собой серьезные последствия: падение эффективности физико-химической очистки и рост эксплуатационных расходов из-за перерасхода реагентов; засорение фильтровального оборудования, необходимость частых промывок и, как итог, ускоренный износ фильтрующей загрузки. 

Фото: usertrmk / magnific.com

Добавляются сюда и риски экологического и регуляторного характера — сброс воды с превышением установленных норм. Рассмотрим наиболее распространенные промахи при коагуляции и флокуляции воды.

1. Дозировка «на глазок» или с избыточно. Недостаточная доза реагента попросту не даст результата, а превышение чревато «перезарядкой» частиц с их повторной стабилизацией, а также попаданием остаточного алюминия или железа в очищенную воду.
2. Неверная последовательность: первоначальное введение флокулянта. Напрасный расход реагента. Правило здесь такое: сначала вносится коагулянт, и только затем — флокулянт.
3. Пренебрежение контролем pH. У каждого коагулянта есть свой оптимальный диапазон значений pH, и работа за его пределами резко снижает эффективность обработки, увеличивая при этом расход реагента.
4. Недостаточная либо чрезмерная интенсивность перемешивания. Коагулянту необходимо быстрое и энергичное перемешивание, чтобы равномерно распределиться по объему воды. С флокулянтом ситуация обратная — его вводят при медленном, плавном перемешивании, чтобы не повредить уже сформировавшиеся хрупкие хлопья.
5. Отсутствие предварительного анализа состава воды. Подбирать реагент и его дозировку, не зная точного состава загрязнений, — занятие сродни лотерее. Изучение воды будет обязательным первым шагом всей процедуры.

Часто задаваемы вопросы о коагуляции и флуктуации воды

Где необходимо применять данные процессы?

Коагуляция и флокуляция нужны, чтобы очистить питьевую воду. Их задействуют на станциях водоподготовки, а также на системах водоочистки, где нужно обрабатывать стоки. Еще одна сфера – это очистка бассейнов, чтобы вода там была прозрачной.

Много ли по времени продолжается процесс очистки?

Коагуляция не займет и минуты. А вот флокуляция длится от пяти до двадцати минут. Затем должно произойти осаждение, длящееся от часа до трех часов, все зависит от типов осадков, а также конструкции отстойника, где идет очистка.

Не вредны ли коагулянты и флокулянты для здоровья?

Если все используется правильно, соблюдаются дозировки и меры безопасности, то угрозы нет. Реагенты удаляются вместе с загрязнителем в виде осадка. А остатки алюминия или полиакриламида в чистой воде соответствуют нормативам. Если система очистки исправна, то концентрация не будет превышать установленный показательКак выбрать коагулянт и флокулянт для определенного типа воды?

Для начала обратите внимание на первоначальную степень загрязнения воды, на ее показатели: температуру, уровень pH, способ загрязнения. Чтобы подобрать условия, проводят лабораторные исследования, к примеру, пробную коагуляцию в виде джар-теста.

Правильное применение и настройка всех процессов очистки реагентами позволяет получить чистую и прозрачную воду, которую можно пить. Без профессиональных знаний не обойтись, лучше довериться инженерам.

Источник изображения на шапке: bugphai / magnific.com

Автор Волчкова Мария Бренд менеджер

Понравилась статья? Поделитесь: