Коагуляция и флокуляция: дозировка и пробный тест

Две задачи за одним словосочетанием

О коагуляции и флокуляции говорят вместе, потому что они происходят на одном участке станции друг за другом, но это две разные задачи. Коллоидные частицы в исходной воде — глина, цветность, бактерии, органические вещества — несут отрицательный поверхностный заряд, а одинаковые заряды удерживают их друг от друга. Обычное отстаивание не удаляет их с полезной скоростью: сила отталкивания между двумя частицами больше силы тяжести, действующей на такие малые частицы.

Коагуляция — это стадия, на которой убирают отталкивание. Введённый в воду коагулянт образует положительно заряженные частицы, которые сжимают двойной электрический слой вокруг каждой частицы и нейтрализуют часть её заряда, поэтому две встретившиеся частицы могут остаться вместе. Флокуляция — стадия, на которой эти первые мелкие агрегаты вырастают в хлопья, достаточно крупные, чтобы осесть или всплыть: длинноцепочечные молекулы полимера адсорбируются сразу на нескольких частицах и связывают их, а при повышенной дозе соли металла образуется осадок гидроксида, который захватывает частицы в так называемые хлопья захвата (sweep floc).

Это различие имеет практическое следствие в перемешивании. Коагуляция требует энергии в первые секунды, чтобы реагент распределился по объёму до того, как прореагирует; флокуляция требует мягкого движения в течение минут, потому что уже сформированное хлопье легко разрушается сдвигом. Станция, которая перемешивает один раз и интенсивно, выполняет одну задачу и отменяет другую. Следующая за этим стадия разделения — отстаивание, флотация с растворённым воздухом или фильтрование — это место, где агрегаты должны выйти из воды, и именно её поверхностная нагрузка превращает хорошо сформированное хлопье в прозрачную надосадочную жидкость.

Три семейства реагентов

Почти любая схема дозирования опирается на три семейства реагентов, и большинство использует больше одного из них.

• Гидролизующиеся соли металлов — сульфат алюминия, полиалюминия хлорид, хлорид железа (III) и сульфат железа (II). В воде они гидролизуются до положительно заряженных частиц, нейтрализующих заряд частиц, а при повышенных дозах выпадают в осадок гидроксида, который увлекает частицы за собой.
• Органические полимеры — флокулянты на основе полиакриламида (PAM), поставляемые в анионных, катионных или неионогенных марках. Длинная цепь связывает уже дестабилизированные частицы, а катионные марки несут положительный заряд, который сам выполняет часть нейтрализации.
• Коррекция pH и щёлочности — известь, каустическая сода или кислота, которыми воду переводят в диапазон, где работает выбранный коагулянт. Соли алюминия и железа расходуют щёлочность в ходе реакции, поэтому процесс работает с тем pH, который установился после дозирования.

Причина, по которой реагентов больше одного, в том, что эти две задачи лучше решаются разными молекулами. Соль металла нейтрализует заряд в пределах диапазона pH, который нужно установить для имеющейся воды; полимер строит хлопье с такой длиной цепи, какой у соли металла нет. Одна соль металла на сложной воде или один полимер на устойчивом коллоиде — так станция и начинает гнать дозу значительно выше необходимой. Поставщики коагулянтов публикуют ориентировочные диапазоны, взятые из практики водопроводных станций, но эти диапазоны описывают реагент, а не вашу воду. Значение, которое имеет смысл, определяют на воде, которую станция будет очищать в действительности.

Почему дозу нельзя взять из таблицы

Оптимальная доза данного коагулянта смещается вместе с водой. Мутность и взвешенные вещества, щёлочность и pH, температура, доля органики, цветность и ионная сила — всё это её сдвигает, причём не в одну сторону. Один и тот же сульфат алюминия при одной и той же дозе может дать быстро оседающее хлопье в одной исходной воде и мелкую взвесь, уходящую прямо через водослив, в другой. Поэтому две станции близкой производительности на двух разных реках могут работать с сильно разными дозами.

Поверх свойств самой воды есть две переменные. Холодная вода замедляет гидролиз и образование хлопьев, поэтому доза, работающая летом, зимой может не дать результата, и для компенсации может потребоваться более длительная флокуляция. А доза соли металла, заданная нормой по фосфору, а не по прозрачности, определяется химией осаждения: она следует соотношению металла и фосфора в воде, и это другой расчёт, чем тот, что определяет, что выглядит прозрачным в стакане.

Вывод: дозу определяют, а не находят в справочнике, и способ определения — пробный тест (jar test): лабораторная копия станции, которую выполняют в шести стаканах на реальной воде при дозах, выбранных вокруг ожидаемого диапазона.

Пробный тест, шаг за шагом

Пробный тест — это стандартная практика, а не единый фиксированный стандарт, и лаборатории различаются в деталях. Приведённая ниже методика — общепринятый лабораторный метод, и значения в ней те, которые обычно для него приводят; поэтому их следует читать как отправной метод, а не как спецификацию. Важнее точных значений то, что одна и та же процедура повторяется каждый раз, чтобы два результата можно было сравнить.

• Наполните шесть одинаковых стаканов одной и той же исходной водой одинаковой температуры до одинакового объёма — обычно это около одного литра на стакан.
• Сначала измерьте исходную воду: мутность или взвешенные вещества, pH, щёлочность, а также ХПК или общий фосфор, если именно эти параметры станция должна удалять.
• Задайте лестницу доз коагулянта вокруг ожидаемого диапазона, оставив один стакан без дозирования в качестве контроля. Широкие ступени, когда диапазон неизвестен, затем узкие ступени, когда ответ уже виден.
• Быстрое перемешивание: интенсивно перемешивайте стаканы короткое время — порядка одной минуты, — чтобы коагулянт распределился до начала реакции.
• Медленное перемешивание: снизьте скорость и перемешивайте мягко в течение периода флокуляции, порядка 15–20 минут, чтобы хлопья успели вырасти и не разрушились.
• Остановите мешалки и дайте стаканам отстояться в течение периода осаждения, порядка 20–30 минут.
• Оценивайте надосадочную жидкость, а не весь стакан. Отбирайте пробу на одной и той же глубине в каждом стакане, затем измерьте в пробе мутность и целевой параметр.
• Повторите с более узкой лестницей вокруг двух лучших стаканов и повторяйте весь тест всякий раз, когда исходная вода существенно меняется.

Приведённые скорости и времена относятся к лаборатории, а не к станции. На объекте коагуляцию и флокуляцию проектируют исходя из энергии, рассеиваемой на единицу объёма, и времени пребывания воды на каждой стадии, а лабораторный результат задаёт потребность в реагенте, которую этот проект должен обеспечить. Таблица объёма резервуара и времени пребывания показывает, как время пребывания превращается в объём резервуара, когда доза известна.

Записывайте не только победившую дозу. Полезные записи: доза, pH, измеренный после дозирования, скорости и длительность перемешивания, время осаждения, результат по надосадочной жидкости, размер и вид хлопьев и объём осевшего осадка — последняя цифра и есть та нагрузка, которую получит стадия обезвоживания.

Типичные ошибки

• Принимать лучший стакан за дозу для закупки. Самая прозрачная надосадочная жидкость в лестнице часто оказывается за точкой убывающей отдачи, а стоимость реагента и объём осадка растут вместе с дозой. Доза, которую берут дальше, — наименьшая, дающая целевой результат с запасом.
• Передозировка сверх оптимума. Избыток соли металла или катионного полимера меняет заряд частиц и повторно стабилизирует то, что уже было дестабилизировано, поэтому с ростом дозы мутность снова растёт. Лестница, которая ухудшается в верхней части, демонстрирует именно это, а не ошибку эксперимента.
• Оценивать тест только по прозрачности там, где действует норма по фосфору. Химическое удаление фосфора следует соотношению металла и фосфора в воде, и визуальная прозрачность надосадочной жидкости плохо на это указывает.
• Готовить полимер слишком концентрированным. Порошковый флокулянт, затворённый в крепкий раствор, образует комки, которые так и не растворяются полностью, а нерастворившаяся часть — это и потерянный реагент, и источник ошибки в дозе. Рабочие растворы делают слабыми и дают им время созреть до дозирования.
• Сокращать быстрое перемешивание или вести его слишком мягко. Коагулянт должен дойти до всего объёма до начала реакции; медленная первая стадия оставляет часть дозы реагировать локально и не даёт стадии флокуляции материала для роста.
• Испытывать воду, которой на станции не будет. Проба, постоявшая без дела, согревшаяся в дороге или отобранная в один спокойный час, не отражает нагрузку, которую станция должна обрабатывать на пике, и доза, выбранная по ней, окажется неверной именно тогда, когда это важно.
• Измерять pH только до дозирования. Соли металлов расходуют щёлочность, а реакцию определяет тот pH, который установился после добавления реагента.

Самопроверка перед фиксацией дозы

• Проба — это та вода, которую станция будет очищать, отобранная в той точке и в то время, которые определяют нагрузку?
• Есть ли в наборе контроль без реагента, чтобы отделить действие реагента от того, что вода делает сама?
• Измеряли ли pH после дозирования, а не только до него?
• Указана ли доза для товарного продукта в поставляемом виде, с содержанием действующего вещества, чтобы тест и закупка совпадали?
• Проверена ли доза на пиковой нагрузке, а не только на средней?
• Достаточно ли разбавлен рабочий раствор полимера для дозировочного насоса и хватило ли ему времени на созревание?
• Записан ли объём осевшего осадка, чтобы была известна нагрузка на последующее обезвоживание?
• Сужали ли победившую дозу второй лестницей или подтверждали её на второй пробе?

От дозы к системе дозирования

Пробный тест даёт число; станция должна воспроизводить это число каждый день, при любом расходе и нагрузке. Порошковый полимер требует затворения, созревания и дозирования, и оборудование для этой работы описано на странице химической и глубокой доочистки, где автоматическая установка для приготовления полимера готовит и дозирует флокулянт на объекте, а не вручную. Вместе с дозой должны идти две детали: товарный продукт и содержание в нём действующего вещества, чтобы лабораторная доза и закупленный реагент были одним и тем же, и разбавление, которое выдерживает дозировочный насос. Расход дозирования, подходящий вашей марке полимера и задаче обезвоживания, подтверждается с заводом для вашего полимера и вашего осадка, а не берётся из таблицы. Таблица расчётного качества исходного стока и таблица нормативов сброса задают нагрузку, которую должна обеспечить система дозирования, а страницы оборудования для обезвоживания осадка описывают, что происходит с осадком, который даёт доза.