Физико-химическая очистка производственных сточных вод. Коагуляция

Существует множество физико-химических способов очистки стоков. В частности это коагуляция, обратный осмос, экстракция, адсорбция, выпаривание, флотация и т.д. С помощью таких методов из загрязненных стоков удаляют тонкодисперсные частицы, органические и минеральные соединения, а также растворимые газы. 

Преимущества использования физико-химических методов очистки стоков перед биологическими:
- можно удалить из стоков токсические вещества, а также органические соединения, которые не окисляются биологическим путем;
- очистка производится более качественно, и в то же время имеет место стабильная работа системы;
- очистные сооружения имеют гораздо меньшие размеры;
- установки менее чувствительны к перепадам нагрузок на систему;
- процесс очистки можно полностью автоматизировать;
- кинетика многих процессов, протекающих в установках, лучше изучена, а значит проще смоделировать и рассчитать необходимую аппаратуру;
- не нужно контролировать жизнедеятельность живых микроорганизмов;
- существует возможность рекуперации различных соединений.

Чтобы сделать выбор в пользу того или иного способа очистки стоков (или совокупности нескольких способов) необходимо учитывать все требования, которые выдвигаются к качеству очистки производственных сточных вод в зависимости от дальнейшего их применения. Кроме того немаловажно и количество стоков и степень их загрязнения, наличие или отсутствие в стоках ценных примесей.

Одним из распространенных физико-химических методов очистки является коагуляция стоков. Это процесс увеличения размеров загрязняющих частиц благодаря их объединению. На практике такой способ зачастую используют для удаления тонкодисперсных частиц, а также эмульгированных веществ. Коагуляция может возникать как самостоятельно, так и под воздействием химических или физических факторов. Для очистки стоков процесс коагуляции провоцируют специальные вещества, которые добавляются в жидкость. Эти вещества получили название коагулянты. Под влиянием коагулянтов в стоках начинают образовываться хлопья гидроксидов металлов. Эти хлопья затем выпадают в осадок. Кроме того, эти хлопья имеют способность притягивать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Это происходит потому, что хлопья коагулянтов имеют положительный заряд, а коллоидные частицы – отрицательный.
На поверхности коллоидных частиц образовывается двойной электрический слой. Одна часть этого слоя фиксируется на поверхности разделения фаз, а вторая обеспечивает образование облака ионов. Иными словами, одна часть электрического слоя является подвижной (диффузный слой), а вторая – нет. Между этими слоями возникает разность потенциалов, которая называется дзета-потенциалом (или его еще называют электрокинетическим потенциалом). Отличие дзета-потенциала от термодинамического потенциала состоит в том, что второй является разницей потенциалов не между электрическими слоями, а между жидкостью и поверхностью частиц. Величина дзета-потенциала зависит и от термодинамического потенциала, и от толщины двойного слоя. Это значение характеризует электростатическую силу отталкивания частиц, которая не позволяет им слипаться друг с другом. Небольшой размер коллоидных частиц, отрицательный заряд поверхности частиц, обеспечивают стабильность работы коллоидной системы.

Для того чтобы спровоцировать процесс коагуляции коллоидных частиц, следует уменьшить величину дзета-потенциала до минимального значения путем добавления ионов, которые имеют положительный заряд. То есть в процессе коагуляции благодаря нейтрализации электрического заряда происходит дестабилизация коллоидных частиц. Эффективность коагуляции зависит от валентности иона, несущего противоположный заряд. Чем больше валентность – тем лучше эффект от коагуляции.
Чтобы начался процесс коагуляции, частицы должны приблизиться друг к другу на определенное расстояние, при котором начнут действовать силы химического родства и взаимного притяжения. Сближаются частицы благодаря действию броуновского движения, турбулентного или ламинарного движения потока сточных вод. Коагуляционные свойства солей являются результатом процесса гидролиза, который наступает после этапа растворения.

В качестве коагулянтов, соли железа имеют множество преимуществ перед солями алюминия, а именно:
- лучшие показатели эффективности работы при невысоких температурах стоков;
- широкая область оптимальных значений рН среды;
- более высокая прочность и больший размер хлопьев;
- есть возможность применять соли железа для стоков с более широким диапазоном их солевого состава;
- наряду с примесями отлично устраняются и неприятные запахи, а также привкусы, которые связаны с присутствием в стоках сероводорода.
К недостаткам солей железа перед солями алюминия относят:
- в результате реакции катионов железа с определенными органическими веществами могут образовываться сильно окрашивающие растворимые соединения;
- повышение кислотных свойств, которые усиливают коррозию оборудования;
- поверхность хлопьев менее развита.

В результате применения смеси Al2(SO4)3 и FeCl3 в соотношении от 1:1 до 1:2 можно достичь лучшей коагуляции, чем, если эти реагенты будут использоваться отдельно друг от друга. При использовании такой смеси ускоряется осаждение хлопьев.
Помимо уже названных коагулянтов для очистки стоков могут применяться глины, различные производственные отходы, содержащие алюминий, а также шлаки, смеси и растворы, содержащие диоксид кремния.
Необходимую дозу реагента, которую необходимо использовать, определяют опытным путем, то есть в результате пробного коагулирования.

Быстрота процесса коагуляции во многом зависит от концентрации электролита. Чем ниже концентрация электролита, тем меньше число успешных столкновений частиц (то есть тех столкновений, которые закончились прилипанием частиц друг к другу). Если реакция протекает в полидисперсных системах, то коагуляция протекает быстрее, поскольку при оседании крупные частицы увлекают за собой мелкие. Кроме того, на скорость коагуляции влияет и форма частиц: шарообразные частицы коагулируют медленнее, чем удлиненные.