4.1.5. Коагулация и флокулация

Коагулацията и флокулацията могат да бъдат описани като химични и физични процеси, които смесват коагулационни химикали и подпомагащи флокулантни с вода. Общата цел е да се образуват достатъчно големи частици, за да бъдат отстранени чрез следващите процеси на утаяване или филтриране. Частиците в източника на вода, които могат да бъдат отстранени чрез коагулация, флокулация, утаяване и филтриране включват колоиди, суспендиран материал, бактерии и други организми. Размерът на тези частици може да варира в няколко порядъка. Разтворен материал може да се отстрани и чрез образуване на частици в процеса на коагулация и флокулация (Delphos и Wesner, 2005).

Процесите на коагулация и флокулация се използват за разделяне на неразтворени вещества от водата, всеки път когато техните естествени скорости на потъване са твърде бавни, за да се осигури ефективното им избистряне (Фигура 4.10). Избистрянето на водата, варовото омекотяване, удебеляването на утайките и обезводняването зависи от правилното прилагане на теориите за коагулация и флокулация, за техния успех (Flynn, 2009).

Фигура 4.10. Физико-химични процеси, участващи в процесите коагулация-флокулация (URL 7)

Коагулацията е дестабилизация на колоиди чрез неутрализиране на силите, които ги държат разделени. Тя обикновено се извършва чрез добавяне на химични коагуланти и прилагане на смесване на енергия. Алуминиевите соли, железните соли, или полиелектролитите са химикалите, които обикновено се използват. Първоначално малките флокули се обединяват, създавайки по-големи, утаяващи се агломерати. Етапът на дестабилизация е коагулация (неутрализация на зарядите); етапът флокулно изграждане е флокулация (Flynn, 2009).

Литературата за пречистване на води понякога прави разграничение между термините "коагулант" и "флокулант." Когато се прави това разграничение се приема, че коагулантът е химикал, използван за първоначалното дестабилизиращо окачване и обикновено се добавя в процеса на бързо-смесване. В повечето случаи, флокулантът се използва след добавянето на коагулант; неговата цел е да се повиши образуването на флокул и да увеличи силата на структурата на флокула. Той понякога се нарича " помощен коагулант." Флокулантите често се използват за увеличаване на ефективността на филтъра (в този контекст те могат да бъдат наричани "помощен филтър ") и за повишаване на ефективността на процеса на обезводняване на утайките. (Letterman и др., 1999).

4.1.5.1. Защо се използват коагулацията и флокулацията

Всички води, особено повърхностните, съдържат както разтворени така и суспендирани частици. Процесите коагулация и флокулация се използват за отделяне на суспендираните твърди вещества от водата. Суспендираните частици варират значително според източника, състава на заряда, размера на частиците, формата и плътността им. Правилното прилагане на процесите на коагулация и флокулация и подборът на коагуланти зависи от разбирането на взаимодействието между тези фактори. Малките частици се стабилизират (държат се в суспензия) чрез действието на физични сили върху самите частици. Една от силите, които играят доминираща роля в стабилизацията произтича от повърхностния заряд на частиците. Повечето твърди частици суспендирани във вода притежават отрицателен заряд и, тъй като те имат един и същ тип повърхностен заряд, се отблъскват помежду си, когато са близо една до друга. Ето защо, те ще останат в суспензия, вместо да се слепят заедно и да се утаят от водата (URL 8).

4.1.5.2. Как работят процесите на коагулация и флокулация

Коагулацията и флокулацията протичат в последователни стъпки, предназначени за преодоляване на силите, стабилизиращи суспендираните частици, което позволява сблъсък на частици и растеж на флокула. Ако една стъпка е непълна, следващата стъпка ще бъде неуспешна (URL 8) (Фигура 4.11)

Фигура 4.11. Механизъм на коагулация (а) и флокулация (б) (URL7)

4.1.5.3. Коагулация

Коагулацията е сложен процес, с участието на много реакции и стъпки на масообмен. Както се практикува в пречистването на вода, процесът по същество включва три отделни и последователни стъпки: образуване на коагулант, дестабилизиране на частиците и сблъсък между частиците. Образуването на коагулант, дестабилизацията на частиците, и взаимодействието коагулант-ЕOM обикновено се случват по време и веднага след химичното им разпръскване чрез бързо смесване; сблъсъците между частиците, които причиняват образуване на агрегати (флокули) започва по време на бързото смесване, но обикновено се появява предимно в процеса на флокулация. Например, използването на сол на алуминиев сулфат, известна като стипца [Al₂(SO₄)₃.14H₂O] в коагулацията включва образуването на набор от химични видове, наречени алуминиеви продукти от хидролизата, така че да се причини коагулация. Тези видове са образувани по време на и след времето на смесване на стипцата с вода, за да се обработят. Коагулантите понякога се образуват (или частично образуват) преди добавянето им към бързо смесващите се единици (Letterman et al., 1999).

4.1.5.4. Флокулацията

След първия етап на коагулация, настъпва вторият процес, наречен флокулация. Флокулацията, лек етап на смесване, увеличава размера на частиците от подмикроскопски микрофлокули до видими суспендирани частици. Микрофлокулите влизат в контакт една с друга чрез процес на бавно смесване. Сблъскването на микрофлокулните частици ги кара да се свързват, да произвеждат по-големи, видими флокули, наречени пинфлокули. Размерът на флокула продължава да се изгражда чрез допълнителни сблъсъци и взаимодействие с неорганични полимери, образувани от коагуланти или с добавени органични полимери. Образуват се макрофлокулите. Могат да се добавят полимери с високо молекулно тегло, които се наричат помощни коагулантни средства, по време на този етап, за да подпомогнат свързването и укрепването на флокулите, да добавят тегло и да увеличат скоростта на утаяване. След като флокулите достигнат оптималния си размер и якост, водата е готова за процеса на утаяване. Времето за контакт за флокулация варира от 15 или 20 минути до един час или повече (URL 8).

4.1.5.5. Коагуланти и помощни коагуланти за процеса на коагулация

Коагулационните реакции настъпват бързо, вероятно за по-малко от една секунда (Delphos и Wesner, 2005). Исторически погледнато, металните коагуланти са най-широко използваните в избистрянето на водата (Flynn, 2009). Най-често използваните коагуланти са:

• Стипца (алуминиев сулфат), Al₂(SO₄)₃.14H₂O. Тя често се използва в комбинация с катионни полимери.
• Полиалуминиев хлорид, Al(OH) х (Cl)у. Той е ефективен в някои води, изисква по-малко регулиране на рН и произвежда по-малко утайка.
• Железен хлорид, FeCl₃. Той може да е по-ефективен от стипцата в някои приложения.
• Железен сулфат, Fe₂(SO₄)₃. Той е ефективен при някои води и по-икономичен на някои места.
• Катионните полимери могат да се използват самостоятелно като основен коагулант или във връзка с алуминиев или железен коагулант (Delphos и Wesner, 2005).

При утаяването често се наблюдават трудности, защото флокулите се утаяват бавно и лесно се фрагментират при хидравличното срязване по време на утаяването в басейна. Поради тези причини, обикновено се използват помощни коагуланти (Sincero и Sincero, 2003c).

Обичайните добавки, използвани като помощни коагуланти са (Sincero и Sincero, 2003c; Delphos и Wesner, 2005 г.):

• Високо молекулни анионни или йонни полимери
• Активен силикагел и глини
• Бентонит
• Киселини и основи

Тези добавки са били използвани като помощни коагуланти в комбинация с желязо и стипца първични коагуланти при пречистването на води, съдържащи силен цвят, ниска мътност и ниско съдържание на минерали (Sincero и Sincero, 2003c).

4.1.5.6. Изпитване на сблъскване

На практика, независимо от това дали се използва коагулант или помощен коагулант, оптималната доза и рН се определят чрез изпитване на сблъскването. То се състои от четири до шест пълни с вода чаши (с 1000 мл обем), в които се прилагат различни количества от дозата. Всяка чаша е снабдена с бъркалка с променлива скорост, от 0 до 100 оборота в минута. (Sincero и Sincero, 2003c).

При въвеждане на дозата, съдържанието се смесва бързо при скорост от около 60 до 80 оборота в минута в продължение на една минута и след това се оставя да флокулира със скорост 30 оборота в минута в продължение на 15 минути. След като разбъркването спре, природата и характеристиките на утаяването на флокулите се наблюдават и описват качествено като слаби, задоволителни, добри или отлични. Опалесцираща проба означава лоша коагулация; правилно коагулираната проба се проявява с добре оформени флокули, които се утаяват бързо с чиста вода между флокулите. Най-ниската доза на химикали и рН, които водят до получаване на желаните флокули и бистрота на пробата, се означава като оптимална такава. След това се тя се използва като оптимална доза в действителната работа на инсталацията. (Sincero и Sincero, 2003c).

Изпитването на сблъскване се използва за идентифициране на най-адаптирания микс от химически съединения и концентрации за коагулация-флокулация. Това е тест, при който се използват няколко идентични по обем чаши, съдържащи водни проби в еднакъв обем и концентрация на съставките, които се зареждат едновременно с шест различни дози на потенциално ефективни коагуланти. Шестте чаши могат да се разбъркват едновременно с известни скорости. Пречистените проби се смесват бързо, след това бавно и после се оставят да се утаят. Тези 3 етапа моделират последователностите от процеси, които протичат в реални пречиствателни инсталации: бързо смесване, коагулация-флокулация и утаяване в басейните. В края на етапа на утаяване от чашите се взимат тестови проби и се измерена мътността на повърхностната течност. Плотиране на мътността в зависимост от дозата коагулант дава индикация за оптималната доза (т.е. минималното количество, което трябва да даде приемливо избистряне). Получените по този начин на изпитване критерии дават информация за качеството на получените флокули и бистрота на повърхностната течност след утаяване. Въз основа на този подбор на химикали и техните концентрации се проектира процес в мащабите на реална инсталация за пречистване на води (URL 7).