6. KOAGULACJA

Metoda oczyszczania wód powierzchniowych ( rzadziej podziemnych i infiltracyjnych) zawierających koloidy oraz zawiesiny trudno opadające. Istotą procesu jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego w wyniku łączenia się pojedynczych cząstek fazy rozproszonej w większe skupiska.

Budowa cząstki koloidalnej: Warstwa dyfuzyjna Warstwa adsorpcyjna Jądro- cząstka stała koloidu

Zastosowanie procesu:

• Obniżenie mętności i barwy

**Mętność powodują koloidy hydrofobowe ( bezwodne tlenki metali, cząstki zawiesin nieorg)

**Barwę powodują koloidy hydrofilowe ( uwodnione tlenki metali, cząstki organiczne żywe i

martwe mikroorganizmy )

• Usuwanie RWO ( rozproszony węgiel organiczny )

• Obniżenie zapotrzebowania na chlor

• Obniżenie potencjału tworzenia THM

• Usuwanie innych substancji rozpuszczonych sorbujących się na kłaczkach koloidów i jonów

• Obniżenie stężeń jonów metali ciężkich ( zależy od rodzaju metalu, jego formy występowania oraz od wartości pH )

• Usunięcie bakterii i wirusów

• Usunięcie fitoplanktonu z wody

• Obniżenie stężeń związków łatwo podatnych na sorpcję

• Zmniejszenie radioaktywności wody

• Zmniejszenie zawartości niektórych pestycydów

Mechanizm koagulacji:

Koagulację można spowodować przez :

- dodanie koloidu o znaku przeciwnym do znaku koloidów obecnych w wodzie

- dodanie elektrolitu

- działanie promieniami β i γ

- ogrzewanie

- działanie mechaniczne

- dehydratację

- wymrażanie

Koagulacja zachodzi w dwóch fazach:

1. następuje od razu po dodaniu koagulanta i trwa kilka sekund, przebiegają reakcje chemiczne i fizyczne prowadzące do destabilizacji cząstek koloidalnych

2. trwa znacznie dłużej, nazywa się flokulacją. W wyniku transportu i zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki ( aglomeraty ) , które mogą być skutecznie usuwane w procesach sedymentacji czy filtracji

Progowa ilość koagulantu zależy od wartościowości jonów koagulujących - REGUŁA SZCHULZA - HARDY'EGO dla jonów jednowartościowych progowa ilość wynosi 25-150mol/m³ , dla dwuwartościowych 0,5-2,0.

Znane są różne mechanizmy koagulacji:

-elektrostatyczna - zagęszczenie warstwy dyfuzyjnej

-przez reakcje chemiczną - między koagulantem i cząstką , powstają związki wytrącające się z wody

-adsorpcja z neutralizacją ładunku cząstki

-współstrącanie- uwikłanie cząstek w sedymentujący osad ( koagulacja zmiatająca )

-adsorpcja umożliwiająca mostkowanie między koagulantami

W praktyce koagulację prowadzi się koagulantami , których produkty hydrolizy powodują koagulację elektrolitem oraz koagulację koloidem o znaku przeciwnym.

I - koagulacja koloidem o znaku przeciwnym

Dodany do wody koagulant hydrolizuje, powstają wodorotlenki, które sorbują się na powierzchni koloidów w wodzie. Następuje destabilizacja cząsteczek koloidalnych. W wyniku zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki.

II - koagulacja elektrolitem

Dodany elektrolit zmniejsza potencjał elektrokinetyczny. Jony neutralizują ładunek elektryczny i zagęszczają warstwę podwójną usuwanych koloidów. W wyniku zderzeń cząstek zdestabilizowanych powstają kłaczki.

Modele koagulacji:

Sposoby realizacji koagulacji:

***OBJĘTOŚCIOWA - prowadzona jest w osadnikach kontaktowych. Pierwszym etapem jest dodanie do oczyszczanej wody koagulanta oraz całkowite wymieszanie zapewniające jednorodność układu oczyszczana woda-koagulant. Później następuje hydroliza koagulanta. Uzyskuje się to najczęściej w komorach szybkiego mieszania przez 1-3min. W drugim etapie - flokulacji, zachodzą zjawiska prowadzące do powstania aglomeratów. Proces ten realizowany jest w komorach wolnego mieszania, powstają kłaczki, które usuwane są z układu.

***KONTAKTOWA - prowadzona jest w osadnikach kontaktowych. Pierwszym etapem jest dodanie do oczyszczanej wody koagulanta oraz całkowite wymieszanie zapewniające jednorodność układu oczyszczana woda-koagulant. Później następuje hydroliza koagulanta. Uzyskuje się to najczęściej w komorach szybkiego mieszania przez 1-3min. W drugim etapie - flokulacji, zachodzą zjawiska prowadzące do powstania aglomeratów. Proces ten prowadzony jest w warstwie osadu zawieszonego, powstają aglomeraty, których część jest usuwana a reszta stanowi warstwę osadu zawieszonego. Wykorzystuje się w tym procesie działanie katalizujące i sorpcyjne, można zmniejszyć wymaganą dawkę koagulanta.

***POWIERZCHNIOWA - może być realizowana w złożu filtrów pospiesznych, przy przepływie oczyszczanej wody przez złoże filtracyjne z kierunku z góry na dół lub odwrotnym- wtedy filtracja kontaktowa. Produkty hydrolizy koagulantów wypełniają ośrodek porowaty a na powierzchni ziaren materiału filtracyjnego tworzą strukturę sieciową. O efektach tej koagulacji decydują: pojemność złoża, wysokość, prędkość filtracji oraz uziarnienie materiału.

Koagulanty i ich dawki

Wybór koagulanta:

• cena

• dostępność na rynku

• przydatność

• pewność tworzenia trwałych, trudno rozpuszczalnych kłaczków

• trwałość chemiczna roztworów

Do koagulantów najczęściej stosowanych należą sole żelaza i glinu tworzące w wyniku hydrolizy dodatnio naładowane hydroksykompleksy skutecznie destabilizujące zanieczyszczenia:

• siarczan glinowy Al₂(SO₄)₃ x 18H₂O

• siarczan glinowo - potasowy Al₂(SO₄)₃ x K₂SO₄ x 24H₂O

• siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃ x 9H₂O

• siarczan żelazawy FeSO₄ x 7H₂O

• glinian sodowy Na₂Al₂O₄

Glinian sodowy stosowany jest do wód miękkich o niskiej temperaturze, nie powoduje zwiększenia stężenia chlorków i siarczków.

Związki żelaza są mniej wrażliwe na niskie temperatury, skuteczne w szerszym przedziale pH, powstają ciężkie i dobrze sedymentujące kłaczki ale mogą tworzyć barwne kompleksy.

DAWKI:

Dawki powinny być wyznaczone dla każdego przypadku doświadczalnie. Orientacyjną wielkość dawek technicznego uwodnionego siarczanu glinowego możemy wyznaczyć ze wzorów: D=(6-8) √B D=7√M

Dokładniejszą wielkość dawki można wyznaczyć ze wzoru:

A i n - stałe

Ck - stężenie końcowe usuwanej domieszki

Cp - stężenie początkowe usuwanej domieszki

Czynniki wpływające na przebieg koagulacji

-dawka i rodzaj koagulanta;

-pH;

-temp.;

-stężenie koloidów (często mierzone mętnością);

-barwa - im wyższa, tym trudniej skoagulować wodę;

-inne jony w roztworze;

-sposób mieszania (ważny jest kształt i wielkość mieszadeł)

-potencjał ξ;

Chemizm koagulacji:

Dysocjacja oraz hydroliza wielostopniowa:

Al₂(SO₄)₃ 2Al³⁺ + 3SO₄^2-

2Al³⁺ + 2H₂O 2Al(OH)²⁺ +2H⁺

2Al(OH)²⁺ + 2H₂O 2Al(OH)₂⁺ +2H⁺

2Al(OH)₂⁺ + 2H₂O 2Al(OH)₃ +2H⁺

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O 2Al(OH)₃ +6H⁺ + 3SO₄^2-

Siarczan żelazowy:

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O 2Fe(OH)₃ +6H⁺ + 3SO₄^2-

Chlorek żelazowy:

FeCl₃ +3H₂O Fe(OH)₃ + 3H⁺ + 3Cl^-

Fe(OH)₃ i Al(OH)₃ wytrącają się w postaci kłaczków.

Duża ilość H⁺ hamuje proces hydrolizy.

W wodach naturalnych występują HCO₃^- , które w połączeniu z H⁺ dają:

H⁺ + HCO₃^- H₂CO₃

Reakcje sumaryczne uwzględniające występowanie w wodzie wodorowęglanu wapnia:

Fe₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ 2Fe(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂

2FeCl₃ + 3Ca(HCO₃)₂ 2Fe(OH)₃ + 3CaCl₂ + 6CO₂

Środki wspomagające koagulację

Są to substancje organiczne i nieorganiczne dodawane do wody równocześnie, z opóźnieniem lub wyprzedzeniem w stosunku do koagulanta. Przyspieszają powstawanie kłaczków, polepszają ich sedymentację, zwiększają powierzchnie właściwą kłaczków ( pojemność sorpcyjną ), zmniejszają ujemny wpływ niskich temperatur, rozszerzają optymalny zakres pH, zmniejszają dawkę koagulanta.

Miejsce dawkowania substancji wspomagających określamy badaniami technologicznymi. Dawki substancji są mniejsze niż koagulantów.

Dzielimy je na dwie grupy:

• Obciążniki kłaczków - gliny, bentonit, ziemia Fullera, pył granitowy, anhydrytowy drobny piasek kwarcowy lub mielony węglan wapniowy. Wspomagają one koagulację szczególnie w zakresach niskich temperatur, stanowią zarodki dla tworzących się kłaczków, obciążają je i poprawiają ich sedymentację. Większość z nich ma ładunek przeciwny do ładunku koagulanta podstawowego. Dawki 5-15 g/m³

• Flokulanty

Najczęściej stosowanym flokulantem nieorganicznym jest krzemionka aktywowana. Uzyskuje się ją w wyniku działania aktywatora na rozcieńczony roztwór krzemianu sodowego. Kwas ortokrzemowy kondensuje do polimeru:

Aktywatorami mogą być: chlor, kwas węglowy oraz kwas solny.

Polielektrolity - wysokocząsteczkowe polimery organiczne. Dzielimy je na naturalne i syntetyczne. Do naturalnych należą te wytwarzane ze skrobi i celulozy. Do syntetycznych:

• Niejonowe ( polialkohole )

• Anionowe ( polimery karboksylowe )

• Kationowe ( polimery fosfoniowe )

Przygotowanie i dawkowanie reagentów do wody:

Koagulanty podstawowe dawkowane są do wody najczęściej w postaci wodnych roztworów.

Jeżeli koagulanty były magazynowane w postaci roztworu o stężeniu 20% lub większym, to przez ich dawkowaniem do wody wymagane jest przygotowanie ich roztworu roboczego o stężeniu 5-10%. Przy magazynowaniu koagulantów w postaci suchej, roztwór roboczy przygotowuje się w 2 fazach. Najpierw rozpuszczamy koagulant i otrzymujemy roztwór o stężeniu 20 %, następnie rozcieńczamy roztwór do stężenie 5-10%. W tym celu możemy stosować zbiorniki zarobowe ( I faza ) oraz roztworowe ( II faza ), albo cały proces prowadzić w jednym zbiorniku. Objętość zbiorników powinna zapewnić jednodobowe lub jednozmianowe zużycie. Liczba zbiorników nie może być mniejsza niż dwa. Należy je zabezpieczyć przed agresywnym działaniem roztworów, powinny mieć spust osadów z dna.

MLEKO I WODA WAPIENNA - wodę wapienną przygotowuje się najczęściej w sytnikach.

Do dawkowania chemikaliów do wody służą dawkowniki. Można je podzielic na dwie grupy:

• Dawkowniki roztworu

• Dawkowniki substancji stałych.

Coraz częściej stosuje się do dawkowania pompy dawkujące ( membranowe, tłokowe ).

4)Sedymentacja - Jest jednym z podstawowych procesów wykorzystywanych w oczyszczaniu wody, do usuwania z niej cząstek o gęstości większej od gęstości wody, a więc cząstek opadających.

1.Podział cząstek

-ziarniste - są to cząstki, które w trakcie sedymentacji nie będą zmieniały masy ani objętości np. żwirek, piasek;

-kłaczkowate - w trakcie sedymentacji będą się łączyć oraz zmieniać objętość i kształt;

2.Opadanie cząstek

-swobodne - zachodzi przy małej liczbie cząstek, zazwyczaj w przypadku cząstek ziarnistych;

-skupione - cząstki oddziałują na siebie, tworzą aglomeraty;

-zakłócone - podczas którego wiry powstające przy opadaniu cząstek większych powodują wypieranie cząstek drobniejszych ku górze, zmieniając tym samym, prędkość opadania;

3.Model matematyczny swobodnego opadania cząstek

Założenia

-cząstka jest kulą

-cząstka opada w ośrodku idealnie spokojnym (bez zakłóceń)

-w czasie opadania cząstka nie zmienia masy ani objętości

G- siła ciężkości

ρ_c-gęstość cząstki

ρ-gęstość wody

R- siła oporu

λ-współczynnik oporu

F_cz- powierzchnia czołowa cieczy

v_s- prędkość sedymentacji

Współczynnik λ zależy od liczby Reynoldsa

opadanie laminarne opadanie przejściowe opadanie turbulentne

4.Prędkość sedymentacji cząstki ziarnistej

R=G

[m/s]

-dla ruchu przejściowego dla ruchu burzliwego -dla ruchu laminarnego

[m/s]

5.Zakłócone opadanie cząstek

Uwzględniając porowatość zawiesiny, prędkość opadania cząstek:

Funkcja f(ε) zależy od wielkości przestrzeni międzycząsteczkowych i

kształtu opadającychcząstek. Jej wartość określa się doświadczalnie

.

OSADNIKI - są to urządzenia, w których zachodzi proces usuwania zawiesin z oczyszczanej

wody. Służą do zatrzymywania zawiesin łatwo opadających, naturalnych lub wytworzonych w procesie koagulacji i chemicznego strącania związków trudno-rozpuszczalnych.

Rodzaje osadników:

-poziome

-pionowe

-poziomo-pionowe

-odśrodkowe

-wielostrumieniowe

-kontaktowe z osadem zawieszonym

o stałym przepływie przez warstwę osadu zawieszonego;

o przepływie pulsacyjnym;

bez przepływu przez warstwę osadu zawieszonego, z zawracaniem wytrąconego osadu i

mieszaniem go z dopływającą wodą;

Osadniki poziome- zbiorniki żelbetowe, zakopane w ziemi, o długości kilkudziesięciu metrów, wysokości 2-3 m. Unoszenie cząstek stałych w tych osadnikach zależy od prędkości przepływu wody i prędkości opadania

- sprawność osadnika:

α=1 - osadnik idealny
vo - prędkość sedymentacji cząstki

α>1 - osadnik rzeczywisty vp - prędkość przepływu wody

α=3 - osadnik poziomy

Obliczanie osadnika poziomego wg długości:

-długość osadnika
-szerokość osadnika B=3-6m

Głębokość osadnika przy usuwaniu:

-ręcznym 3-3,5m;

-mechanicznym 2-3m;

Objętość części osadnika na magazynowanie osadów

co-stężenie zawiesin dopływających do osadnika

c- stężenie zawiesin odpływających z osadnika; T- czas pomiędzy kolejnym usuwaniem osadu

n- liczba osadników ; δ- stężenie osadów w leju osadowym

Obliczanie osadnika poziomego wg powierzchni.

Osadniki pionowe

Budowane są najczęściej jako urządzenia o przekroju kołowym i stosowane zazwyczaj do oczyszczania małej ilości wody. W tych osadnikach woda doprowadzana jest do rury centralnej lub do komory reakcji, skąd wypływa do komory klarowania lub warstwy osadu zawieszonego.

-prędkość pionowego przepływu wody
;

-powierzchnia strefy klarowania
- objętość osadnika

-średnica klarownika Φ≤10m

-czas przetrzymania wody w osadniku 1,5-2h;

-spust osadu z leja osadowego co ok. 8h;

---