Koagulacja zanieczyszczeń wody

Koagulacja - metoda usuwania substancji koloidalnych

Koloidy występują:

• Często w wodach powierzchniowych

• Rzadziej w podziemnych

Najczęściej powodują mętność, barwę i podwyższony wskaźnik ChZT.

Niektóre cząsteczki związków organicznych nie dają efektu mętności i barwy, a są kolodiami.

Wartości dopuszczalne w wodzie do picia:

• Mętność max. 1 NTU
  (NTU jednostka mętności Nefelometric Turbidity Unit)

• Barwa max. 15mg/dm^3 Pt
  (skala platynowa)

• ChzT _KMnO4 - 5mg/dm^3

Koloidy stanowią cząstki stałe o wymiarach: 10^-7 - 2 x10^-5 cm.
Woda jest ośrodkiem rozpraszającym, a cząstki są w niej rozpraszane
(Układ koloidalny składa sie z fazy rozproszonej i rozpraszającej)

Budowa cząstek koloidalnych

Budowa cząstek jest micelarna.
Podstawowym składnikiem miceli jest jądro ( w centralnej części).
Stanowią one cząsteczka trudno rozpuszczalnego związku obdarzona ładunkiem elektrycznym. Oddziaływuje ona na inne ładunki - jony znajdujące się w roztworze powodując ich przyciąganie.

Wokół jądra tworzą sie dwie warstwy ładunków:

• Ściśle przylegająca do powierzchni cząstki, tzw. Warstwa adsorpcyjna

• Oddalona, rozmyta i słabo przyciągana, warstwa dyfuzyjna.

Cząstka dzięki budowie micelarnej posiada ładunek elektryczny.
Między cząstkami w roztworze występuje wzajemne odpychanie, gdyż posiadają ten sam znak ładunku.
Cząstki są trwałe, stanowią silnie rozproszoną fazę stałą w wodzie, która jest ośrodkiem rozpraszającym.

Miarą trwałości cząstek jest tzw. Potencjał elektrokinetyczny - zeta. Posiada on znak ujemny lub dodatni, dla większości stabilnych koloidów jego wartości wynosi ⁺- 70 mV.
Pomiaru można dokonać za pomocą „zetametru”

Rodzaje koloidów w wodach naturalnych:

• Glinokrzemiany x Al₂O₃ * y SiO₂ * z H₂0

• Krzemionka koloidalna n SiO2

• Iły

• Związki humusowe (w połączeniach z Fe i Mn) powodują również barwę

Koloidy pochodzenia antropogenicznego: (zanieczyszczenia „zewnętrzne”)

• Skrobia

• Białka

• Celuloza

• Barwniki syntetyczne

Istotą procesu koagulacji jest zmniejszenie stopnia dyspersji układu koloidalnego. Następuje łączenie sie pojedynczych cząstek fazy rozproszonej, w większe skupiska-aglomeraty.

W takiej postaci mogą być usunięte w procesach sedymentacji lub filtracji.

Usuwanie koloidów wymaga destabilizacji ich cząstek, a następnie wytworzenia mechanicznie trwałej fazy stałej, którą następnie oddzieli się z wody.

Destabilizacja chemiczna odbywa się za pomocą koagulantów.

Koagulanty: sole żelaza i glinu - siarczany i chlorki.

• Są dawkowane do wody w postaci roztworów wodnych.

• Działanie koagulantów polega na zobojętnieniu ładunku koloidu.

• Po tym następuje etap flokulacji ( kłaczkowania).

Kłaczki po osiągnięciu dużych rozmiarów będą oddzielone przez sedymentację.

Chemizm działania koagulantów

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O= 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄

pH 5,5 - 7,5

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O= 2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄

pH 5 - 7, 9-9,6

FeCl₃ + 3H₂O= Fe(OH)₃ + 3HCl

pH 5-7 i> 8,5

Siarczan żelaza (III) FeSO₄

FeSO₄ + 2 H2O = Fe(OH)₂ + H₂SO₄

pH 9 - 11 i użycia utleniacza

[Fe(OH)2 -> Fe(OH)3]

Polichlorek glinu [Al(OH)xCly]n

Glinian sodowy: Na₂Al₂O₄

Koagulant glinowo-żelazowy ALF,

Mieszanina : Al₂(SO₄)₃ + Fe₂(SO₄)₃

Destabilizacja cząstek koloidalnych

Wodorotlenki Al(OH)₃ i Fe(OH)₃ utworzone z cząsteczek koagulantów są koloidami, o ładunkach, których znaki są przeciwne do znaku ładunku zanieczyszczeń.

Powodują: zobojętnienie ładunku i zmianę potencjału zeta. Potencjał zeta powinien osiągnąć wartość zero. Jest to możliwe wtedy, kiedy zostanie zastosowany odpowiednia dawka koagulantu.

Uwarunkowania procesu koagulacji

Skuteczność działania koagulantu zależy od wielkości dawki i pH środowiska.

Dawka i pH muszą być dobrane optymalnie.

W przeciwnym razie można otrzymać nie tylko gorsze rezultaty, ale nawet zwiększenie trwałości koloidów.

Proces koagulacji jest wrażliwy na bodźce mechaniczne, tj. mieszanie, zmiany prędkości przepływu itp..

Za pomocą tych bodźców doprowadza się do układu energię.

Zbyt duża jej ilość może spowodować skutek odwrotny, tzn. zamiast destabilizacji utrwalenie koloidu lub nawet jego zwiększenie.

Etapy procesu koagulacji

1. Dawkowanie roztworu koagulantu i szybkie jego wymieszanie z wodą

2. Mieszanie powolne w celu utworzenia kłaczków o dobrej opadalności - flokulacja

Urządzenia techniczne

Mieszalniki i komory flokulacji

• Hydrauliczne - wykorzystanie energii strumienia wody przepływającej

• Mechaniczne - dostarczanie energii za pomocą mieszadeł mechanicznych

Rodzaje mieszalników

Hydrauliczne - t_p= 10-180 s

Z przegrodami: przepustowymi i perforowanymi

pionowe z wirowym ruchem wody

Mechaniczne - t_p= 10-60s

Z mieszadłami śmigłowymi i łopatkowymi

Objętość mieszalnika

V=Qt_p

Komory flokulacji

• Hydrauliczne: labiryntowe, pionowe z wirowym ruchem wody, wodoskrętne zespolone z osadnikiem pionowym

• Mechaniczne: mieszanie za pomocą mieszadeł usytuowanie pionowe lub poziome osi mieszadeł

Podstawowe wielkości projektowe:

• Czas przepływu wody t_p 6 - 30 min.

• Odpowiednia dynamika przepływu

• Mieszanie zawartości komory z odpowiednim gradientu prędkości

Objętość komory V = Qt_p

---