3.1.1. Физико-химические основы гетерофазной системы контактных осветлителей

Для удаления фосфатов в технологической схеме принят контактный осветлитель. В процессе контактной коагуляции происходит образование трудно­растворимых соединений солей ортофосфорной кислоты, которые удаляются из воды вместе с осадком при промывке контактных осветлителей.

При коагуляции в зернистом слое мельчайшие коллоидные и взвешенные частицы, проникающие в толщу слоя с потоком фильтруемой жидкости, сближаются с поверхностью зерен загрузки и под действием молекулярных сил прилипают к ним и к ранее прилипшим частицам, образуя вокруг каждого зерна скопления геля с характерной сетчатой структурой [53, 94].

Образование геля связано с выделением твердых частиц из жидкости и их закреплением на зернах фильтрующего слоя под действием молекулярных сил прилипания.

На эффективность процесса контактной коагуляции влияют такие факторы, как доза коагулянта, щелочность воды, рН и др.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный опыт, характери­зующий зависимость эффекта контактной коагуляции от дозы коагулянта [53, 107]. Данные, полученные для различных по качеству вод, показывают общий характер наблюдаемой закономерности: при малых дозах коагулянта изменение дозы не оказывает существенного влияния на качество фильтрата (рис. 3.1). Но после определенного значения дозы ее влияние сильно сказывается и качество фильтрата резко улучшается. Дальнейшее увеличение дозы вновь мало сказывается на эффекте очистки.

Первый этап характеризуется сохранением устойчивости загрязняющих воду частиц при малых дозах коагулянта. К поверхности зерен фильтрующей загрузки прилипают лишь те частицы, которые по своим природным свойствам способны к прилипанию и без добавления коагулянта.а.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50 -

 

10,0

 

45 -

9,0

 

40 -

8,0

 

35 -

7,0

 

30 -

1

мг/л

6,0

 

25 -

о о

5,0

 

20 -

К

_ н

4,0

 

15 -

3,0

 

10 -

2,0

 

5

1,0

 

0

_

 

 

4

Зона 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Ч

 

9

 

 

\/

 

 

 

 

 

 

 

/ \

 

Г"

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Це

етнос

/

тъ

 

 

 

 

 

 

Зо

4

А2

\ к

/

 

 

 

 

Ч

1 Г

и.....

 

 

 

(. N

 

 

Зона 3

 

 

Ч

 

 

 

 

 

 

 

 

*

*

*

 

<—>

 

 

с

 

 

 

шност

• *

гъ \ •

 

 

 

 

\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0     10    20    30    40    50    60    70    80    90 100 Доза коагулянта, мг/л

Рис. 3.1 - Кривые контактной коагуляции

Вторая зона характеризуется быстрым уменьшением степени устойчивости частиц; их способность к прилипанию резко увеличивается с увеличением дозы коагулянта. Степень устойчивости частиц у правой границы второй зоны уже настолько незначительна, что контактная коагуляция практически идет до конца.

В третьей зоне происходит дальнейшее увеличение интенсивности прилипания частиц, которое, однако, не оказывает существенного влияния на величину мутности или цветности фильтрата.

Величина отдельных зон при проведении процесса контактной коагуляции, прежде всего, зависит от характера суспензии, от природы и свойств частиц, содержащихся в воде. В некоторых случаях величина первой зоны очень мала. Это свидетельствует об относительно малой устойчивости частиц; их астабилизация начинается при минимальных дозах коагулянта. Такой малой устойчивостью обладают, например, суспензии каолина и вообще минеральные взвеси природных вод, не защищенные органическими коллоидами.

Важно при этом отметить, что значения характерных доз коагулянта, отвечающих границам зон контактной коагуляции, оказываются одинаковыми при проведении опыта со слоями различной толщины и крупности зерен. Не оказывает заметного влияния на эти значения и скорость фильтрования [53].

Причина заключается в том, что устойчивость взвешенных и коллоидных частиц в отношении их прилипания к поверхности зависит, прежде всего, от дозы вводимого коагулянта. Поэтому резкое изменение способности частиц к прилипанию, наблюдаемое при определенных значениях доз коагулянта, должно обнаружиться при контакте с любой поверхностью, на которой может происходить контактная коагуляция.

Исследования вод [53, 49] показывают, что при дозах коагулянта, лежащих в интервале резкого изменения устойчивости частиц в отношении их прилипания к поверхности, хлопьеобразование и осаждение в объеме не наблюдаются. Необходимые для этого дозы всегда находятся в третьей зоне процесса контактной коагуляции и по величине обычно больше доз, при которых наступает практически полная астабилизация в отношении прилипания к поверхности.

Потеря устойчивости частиц в отношении их прилипания к поверхности -условие, необходимое и достаточное для быстрого завершения контактной коагуля­ции. Но это условие еще не предопределяет быструю коагуляцию и хлопьеобразо­вание в свободном объеме воды. Частичная астабилизация при дозах коагулянта, лежащих во второй зоне протекания процесса контактной коагуляции, дает снижение концентрации вследствие контактной коагуляции тем более заметное, чем выше доза, но она не приводит к хлопьеобразованию и осаждению в объеме.

Также известным фактором, влияющим на процесс коагуляции, является реакция гидролиза коагулянта. В результате этой реакции в воде образуется коллоидальная гидроокись металла, играющая основную роль во всем дальнейшем ходе процесса хлопьеобразования и осаждения.

В условиях большинства станций очистки сточных вод рН обрабатываемой воды колеблется в пределах 6,5 - 8,0. При таких значениях рН образующаяся в результате реакции гидролиза коллоидальная гидроокись не обладает агрегативнойустойчивостью. Электрокинетический потенциал частиц близок к нулю. Гидратная оболочка имеет минимальную толщину, а в отдельных местах поверхности частиц - этой оболочки совсем нет.

Агрегативно неустойчивая коллоидальная гидроокись быстро коагулирует, причем частицы слипаются одна с другой участками поверхности, не защищенной стабилизатором, образуя хлопья характерной сетчатой структуры. Одновременно происходит сложный процесс сорбционного взаимодействия коагулирующей гидроокиси с частицами, присутствующими в сточной воде. При этом гидроокись может играть одновременно и роль сорбента, и роль сорбтива.

Важнейшим условием полноты протекания гидролиза является наличие в воде резерва щелочности, эквивалентного вводимой дозе коагулянта. При недо­статочной щелочности сточной воды ее приходится подщелачивать искусственно. Это усложняет эксплуатацию и увеличивает стоимость очистки воды.

Но при проведении контактной коагуляции щелочность уже не будет иметь такого влияния на процесс. Предполагается, что образование коллоидной гидроокиси не является обязательным условием контактной коагуляции. Астабилизация загрязняющих частиц, обладающих амфотерными свойствами (гумусовые частицы), может быть достигнута в присутствии диссоциированной соли алюминия или железа за счет обменной адсорбции катионов. В результате такой адсорбции эти частицы переходят в изоэлектрическое состояние, при котором их агрегативная устойчивость становится минимальной [114].

Обменная адсорбция катионов в воде при введении в нее коагулянта проис­ходит и при наличии эквивалентного щелочного резерва одновременно и параллель­но с реакцией гидролиза. Однако с уменьшением щелочного резерва роль обменной адсорбции возрастает и при полном отсутствии щелочного резерва, когда гидроокись не образуется, она является единственной причиной астабилизации частиц.

При малой концентрации частиц такая астабилизация недостаточна для коагуляции и осаждения в объеме, но совершенно достаточна для контактной коагуляции.

Таким образом, контактная коагуляция может протекать при полном отсутствии в воде щелочного резерва.

Астабилизация амфотерных частиц, диспергированных в воде, может быть достигнута не только обменной адсорбцией катионов, но и изменением рН среды.

С изменением рН резко изменяется интенсивность контактной коагуляции, причем при определенных значениях рН наблюдается наибольшая ее интенсив­ность. Эти значения рН соответствуют максимальной астабилизации частиц в отношении их прилипания к поверхности песка и весьма близки к рН изоэлектрической точки соответствующих амфолитов.

При осуществлении контактной коагуляции в присутствии коагулянта всегда имеется некоторый промежуток времени от момента введения коагулянта в обрабатываемую воду до момента поступления воды в зернистый слой, т.е. до начала процесса контактной коагуляции. Если вводимая доза коагулянта достаточно велика и в воде имеется достаточный резерв щелочности, то в течение указанного промежутка времени может начаться процесс коагуляции в объеме. В результате к моменту поступления воды в зернистый слой в ней будут находиться укрупненные агрегаты загрязняющих частиц и гидроокиси коагулянта. Результаты, проведенных исследований свидетельствуют о том, что предварительная агрегация частиц оказывает отрицательное влияние на процесс контактной коагуляции, заметно сокращая время защитного действия зернистого слоя. Поэтому для улучшения процесса контактной коагуляции при дефосфатизации сточных вод необходимо максимально сокращать время от момента введения коагулянта в обрабатываемую воду до поступления ее в зернистый слой.