Автор работы: Пользователь скрыл имя, 07 Мая 2014 в 21:38, курсовая работа
Вода является основной составляющей жизни на нашей планете. Можно несколько недель прожить без еды, но без употребления воды человек умирает через несколько дней. В современной экономической жизни вода имеет важное значение для сельского хозяйства, промышленности, производства электроэнергии, транспорта. Поэтому рациональное использование водных ресурсов нашей планеты, защита их от истощения и загрязнения являются одной из главнейших задач во всех технически развитых странах мира.
1.2 Механизм очистки сточных вод под действием коагулянтов
Механизм очистки сточных вод определяется свойствами присутствующих в них взвешенных веществ. Эффективное хлопьеобразование наступает лишь при добавлении коагулянтов, образующих нерастворимые гидроксиды, к развитой поверхности которых прилипают в результате адгезии частицы взвешенных веществ. Взвешенные частицы также могут служить центрами образования твердой фазы при конденсационном выделении гидроксидов из растворов. Большое значение имеет и захватывание взвеси сетчатыми структурами оседающих гидроксидов.
При коагуляции образуются сверхмицеллярные структуры гидратированных гидроксидов металлов. Их возникновение обусловлено тем, что агрегаты частиц золей имеют неправильную форму. На отдельных участках поверхности таких агрегатов наблюдается снижение потенциала и концентрации компенсирующих ионов. При соприкосновении с такими участками происходит слипание агрегатов. Препятствует полному слипанию агрегатов наличие у них участков поверхности с повышенным потенциалом. В результате формируются структуры (рис 4), состоящие из пространственных ячеек, внутри которых заключена среда (вода).
Рис. 4. Структура агрегатов (хлопьев) в сточной воде, образующихся при введении коагулянтов.
1-среда (вода); 2-окрашивающие вещества; 3-частицы взвеси; 4-золи гидроксидов
Образовавшиеся при гидролизе полиядерные аквагидроксокомплексы металлов, мицеллы, более крупные агрегаты золя, менее полимеризованные аквагидрокомплексы хемосорбируются на поверхности минеральных частиц очищаемой воды. При этом происходит взаимодействие с гидратной оболочкой частиц с образованием водородных связей и одновременно нейтрализуется заряд. В результате частицы взвеси покрываются плотным слоем золя гидроксида.
В процессе построения шарообразных и цепочечных структур, сочлененных в кольца, образуются полости или поры, заполненные средой. Размеры полостей и количество удерживаемой среды зависят от концентрации взвеси в исходной воде и чем выше содержание взвешенных веществ в очищаемой воде, тем более плотные хлопья образуются. Вследствие этого коагулят содержит большое количество, которая с трудом удаляется из агрегатов в последующих процессах обезвоживания. В результате процессов получается хлопья, размеры которых составляют микрометры, иногда несколько миллиметров. Под действием сил тяжести они оседают, т.е. вода осветляется.
Весь процесс состоит из следующих стадий:
Важный процесс обесцвечивания окрашенных сточных вод преимущественно протекает на стадии формирования агрегатов, а осветление – на стадии построения цепочечных структур. Крупные хлопья практически не сорбируют примеси. Для быстрого осаждения хлопья должны иметь размер около 3- 7 мм и большую плотность.
Сближение частиц до расстояния, при котором происходит их слипание, достигается в результате броуновского движения (молекулярно – кинетическая коагуляция), перемешивания среды (градиентная коагуляция) или в результате направленного перемещения частиц, движущихся с различными скоростями под влиянием силы тяжести (гравитационная коагуляция). Скорость молекулярно-кинетической коагуляции монодисперсных частиц определяется уравнением
где - число частиц в начальный момент и в момент времени τ соответственно; r – размер частиц, м; D – коэффициент диффузии частиц, м2/с; ω –отношение сферы действия молекулярных сил к размеру частиц, τ – время, с.
Эта зависимость действительна в начальный период коагуляции при условии, что все столкновения частиц эффективны. Коагуляция ускоряется при несимметричной форме частиц, полидисперсности золя, но замедляется по мере укрупнения частиц.
Скорость градиентной коагуляции характеризуется выражением
где n – число частиц, – коэффициент, зависящий от режима (для ламинарного режима для турбулентного - ); u – средний градиент скорости: (W – работа затрачиваемая на перемешивание; v-перемешиваемый объем; μ – вязкость воды; τ – продолжительность перемешивания).
Градиентная коагуляция наблюдается в моно- и полидисперсных системах при условии, что размер частиц превышает критический (2—3 мкм). С увеличением интенсивности перемешивания скорость градиентной коагуляции возрастает за счет столкновения и слипания частиц. Но при перемещении частиц с большей скоростью при увеличении их размеров может происходить разрушение хлопьев. Оптимальный размер хлопьев наблюдается при таком градиенте скорости, когда хлопьеобразование и разрушение хлопьев протекает с одинаковой интенсивностью (30—60 с-1); аналогично влияет и продолжительность перемешивания. Оптимальный режим при uτ=104 – 105 , где и и τ выражены в обратных секундах и секундах соответственно.
Гравитационная коагуляция обычно происходит в результате инерционных явлений, осаждения захватом и подтягиванием частиц (рис. 2.4). Коагуляция под действием инерционных сил при прямом столкновении частиц возможна только в грубодисперсных системах. Чаще наблюдается осаждение захватом и подтягивание, происходящие при движении мелких частиц по искривленным траекториям.
Рис.5. Схема гравитационной коагуляции:
1 — подтягивание частиц; 2 — осаждение захватом; 3 — инерционные столкновения
Коллоидные частицы гидроксидов в нейтральной и слабокислой средах вследствие адсорбции катионов водорода и алюминия или железа(Ш) имеют положительный заряд. Поэтому на кинетику процесса коагуляции большое влияние оказывает анионный состав среды. Максимальная скорость коагуляции гидроксидов алюминия и железа(Ш) наблюдается при следующих пороговых концентрациях анионов в растворе: хлоридов — 0,07; ОН- — 0,1 — 0,3; гидрокарбонатов — 0,005; сульфатов — 0,001 — 0,002 г-экв/л.
При низкой щелочности среды и большом содержании хлоридов гидроксиды алюминия и железа(Ш) не коагулируют. Катионы кальция, магния, натрия оказывают меньшее влияние на коагуляцию. Ионы кальция могут оказывать влияние на коагуляцию в водах, содержащих большое количество сульфатных ионов. Это может быть связано с образованием микрокристаллов гипса, являющихся центрами коагуляции.
В качестве коагулянтов наиболее широко применяют соли алюминия и железа(Ш), иногда соли магния, цинка и т.д. Области применения тех или иных коагулянтов зависят от требований к очищенной воде, условий очистки и состава очищаемой воды. Отличительной особенностью солей алюминия является большая способность гидроксида алюминия к адсорбции примесей, в частности красителей, чем гидроксида железа(Ш). Изоэлектрическая область для гидроксида алюминия, в которой он имеет наименьшую растворимость, соответствует pH 6,5 —7,8. При более низких значениях pH могут образоваться частично растворимые оксисоли, при более высоких — растворимые алюминаты. При температуре ниже 4 °С за счет усиливающейся гидратации гидроксида замедляются процессы хлопьеобразования и отстаивания, возрастает попадание остаточного алюминия в очищенную воду.
Одним из недостатков процессов коагуляции является изменение солевого состава очищенной воды. Образующаяся при гидролизе сульфата алюминия серная кислота (или хлороводородная кислота при использовании хлорида) нейтрализуется щелочным резервом воды или специально вводимым подщелачивающим агентом (содой, известковым молоком). Соответственно в очищенной воде возрастает концентрация сульфатных или хлоридных ионов, что нежелательно. Если же нейтрализации не происходит, то уменьшается pH среды, что препятствует протеканию полного гидролиза, т. е. ухудшаются показатели процесса. В настоящее время все большее распространение в качестве коагулянтов получают гидроксихлориды алюминия А1(ОН)2С1, А12(ОН)5С1 * 6Н20, иногда называемые щелочными коагулянтами. При их использовании щелочность обрабатываемой воды снижается незначительно, меньше изменяется солевой состав воды, что особенно важно для мягких вод.
Соли железа(III) в качестве коагулянтов имеют некоторые преимущества по сравнению с солями алюминия: в меньшей мере на коагуляцию влияет pH раствора, увеличивается скорость осаждения хлопьев, так как плотность частиц гидроксида железа(III) больше плотности частиц гидроксида алюминия, лучше протекает коагуляция при низких температурах. Однако осаждение хлопьев гидроксида железа(III) протекает неравномерно, что может привести к их проскоку с водой после отделения осадка. При применении солей железа(II) происходит окисление гидроксида железа(II) до Fe(OH)3, которое замедляется при pH < 8, и наблюдается неполное осаждение. Часто для окисления железа(II) используют активный хлор. Наиболее часто соли Fe(II) используют при очистке вод, имеющих pH более 10, когда неприменимы соли алюминия, или при удалении магнезиальной жесткости.
Для обеспечения более равномерного осаждения хлопьев, снижения расхода коагулянтов используют смешанные алюможелезные коагулянты, например сульфат алюминия и хлорид железа(III) в соотношении 1:1.
Для интенсификации коагулирования используют различные приемы. Протекание коагулирования во всем объеме обеспечивают интенсивным смешиванием реагентов в течение 1 — 2 мин при мокром дозировании и до 3 мин при сухом дозировании коагулянта. Смешивание коагулянта с очищаемой водой должно происходить таким образом, чтобы первоначально образовалось большое число мелких агрегатов, на поверхности которых хемосорбированы заряженные полиядерные гидроксокомплексы металлов. Последние обладают высокой активностью по отношению к очищаемым примесям. Желательно ввести коагулянт в относительно небольшой объем очищаемой воды, а затем быстро смешать ее с остальной частью (раздельное коагулирование). Повышение начальной концентрации коагулянта создает наилучшие условия для процесса (концентрированная коагуляция). Часто рекомендуется отношение объемов обработанной и необработанной воды 1:1,5. Такой прием позволяет достичь равных показателей процесса при снижении расхода реагентов на 20 —30 %.
Для улучшения хлопьеобразования и качественных показателей очищенной воды применяют метод предварительного выделения гидроксидов, сущность которого заключается в предварительном смешивании коагулянта и подщелачивающего агента с 1 % обрабатываемой воды. В реакторе образуются мелкие хлопья гидроксидов и оксисолей, обладающие высокой сорбционной способностью к примесям и хорошей агломерацией в крупные хлопья. Затем полученную суспензию подают в основной поток воды.
При обработке высокоцветных маломутных вод хорошие результаты достигаются при дробной коагуляции (фракционирование). В этом случае коагулянт добавляют к очищаемой воде двумя или несколькими потоками и последовательно вводят различные коагулянты. Промежуток времени между введением отдельных частей коагулянта — 90 —120 с. На первом этапе образуются мелкие агрегаты, хорошо сорбирующие примеси красителей, ПАВ при интенсивном перемешивании. Для очистки подобных окрашенных стоков при небольшой цветности используют периодическую коагуляцию.
Процесс хлопьеобразования успешно протекает при медленном и равномерном перемешивании дисперсной системы, что способствует агломерации мелких хлопьев в крупные, легко оседающие. При перемешивании ускоряется рост частиц за счет их столкновения. Введение дополнительного замутнителя при низких температурах сокращает продолжительность хлопьеобразования на 30—60%, и одновременно уменьшается требуемое количество коагулянта. В качестве замутнителей используют глинистые частицы (до 10 мг/л), порошкообразный активный уголь (2— 5 мг/л), а также осадки отстойников или промывные воды фильтров. Однако перемешивание не должно быть очень интенсивным, чтобы избежать разрушения хлопьев. Также стремятся сокращать продолжительность пребывания дисперсной системы между стадией хлопьеобразования и отстаиванием. Для обесцвечивания сточных вод подщелачивающие агенты вводят после внесения коагулянтов, так как часть окрашенных веществ успевает сорбироваться в момент образования гидроксидов, в период образования мицеллярных структур и построения шарообразных агрегатов. Аналогично ведут себя органические вещества, например гуматы, которые при низких pH гидролизуются с образованием отрицательно заряженных частиц. Последние энергично взаимодействуют с положительно заряженными комплексами (мицеллами).
Одним из важнейших технологических параметров процессов очистки сточных вод является доза коагулянта; ее оптимальное значение зависит от свойств дисперсной фазы системы: цветности, количества взвешенных веществ, ионного состава среды, рН, температуры и т.д. При недостаточной дозе коагулянта не достигается требуемая степень очистки, а при избытке – наряду с перерасходом коагулянта в некоторых случаях может ухудшиться коагуляция. Большое влияние на дозу коагулянтов оказывает температура проведения процесса, особенно на мутных водах. Повышение температуры воды от 4 до 24ºС приводит к сокращению дозы коагулянта более чем в 1,5 раза. Дозы коагулянта обычно определяют на основе эмпирических данных, например приведенных на рис. 3.
Рис.3. Зависимость дозы D коагулянта сульфата алюминия от содержания С взвешенных частиц (мутности) в воде для тонкодисперсной (1) и грубодисперсной (2) взвеси
Для вод, содержащих грубодисперсную взвесь, применяют меньше дозы, а при наличии и окрашенных, и взвешенных веществ используют большие дозы, чем вычисленные по мутности или цветности.
Влияние основных параметров процесса на дозу коагулянта D можно оценить по эмпирической формуле, предложенной для расчета дозы сульфата алюминия при очистке сточных вод, например воды реки Москвы для весеннего периода:
,
Где D- доза сульфата алюминия, мг Al2O3/л; М – мутность воды, мг/л; N –щелочность воды мг-экв/л; Т –температура, ºС.