1.4: Коагуляція та флокуляція

Цілі навчання

Прочитавши цю главу, ви зможете визначити та пояснити наступне:

• Типи коагулянтів
• Хімія коагуляції
• Системи змішування як для коагуляції, так і флокуляції
• Теорія процесів флокуляції
• Формула фунтів

Одним з найважливіших етапів процесу водопідготовки є видалення зважених речовин. Двокомпонентний процес очищення води включає хімічну дезактивацію та фізичне видалення патогенних організмів. Фізичне видалення хвороботворних мікроорганізмів здійснюється в кілька етапів. Перші два етапи включають процеси згортання і флокуляції. У цьому процесі колоїдні частинки дестабілізуються, щоб зібрати весь зважений матеріал разом. Їх також можна назвати нестабільними твердими речовинами. Цей процес збільшує розміри частинок, що сприяє видаленню під час процесу фільтра. Більші частинки флоку будуть видалені в процесі осадження та фільтрації. Коагуляція відбувається дуже швидко в процесі швидкого змішування або спалаху суміші. Процес спалаху суміші триває лише кілька секунд, оскільки коагулянт швидко змішується і реагує з сирою необробленою водою. Флок набере в розмірах під час другого етапу флокуляції. Фільтрація не може відбуватися без належної коагуляції та флокуляції.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення очищення води EPA знаходиться у відкритому доступі

Типи коагулянтів

В основному при згортанні використовуються два види коагулянтів. Первинний коагулянт та коагулянт будуть використані під час швидкого процесу змішування. Колоїдні поверхні негативні, тому позитивно заряджені солі металів використовуються в якості первинних коагулянтів. Коагулянт розчиняється у воді і іонізується. Іонізувати - це коли молекула втрачає або отримує електрон, щоб утворити іон. Три найпоширеніші коагулянти, що використовуються для очищення води, - це сульфат алюмінію (квасцы), сульфат заліза та хлорид заліза. Найбільш часто використовуваним первинним коагулянтом у водопідготовці є квасцы через його широкої доступності та доступності.

Синтетичні полімери часто використовуються як коагулянт та фільтруючий засіб, але також використовуються як первинний коагулянт. Оператори використовують різні заряджені групи полімерів, відомі як катіонні (позитивні), аніонні (негативні) та неіонні (без іонізуючих груп). Коагуляційні допоміжні засоби допомагають у побудові встановленого флоку.

Важливі речі, які слід враховувати при виборі полімеру:

• Передозування полімеру може знизити ефективність процесу коагуляції і спричинити зв'язування фільтрів і збільшення напору в фільтрах.
• Не всі припливні води створюються рівними. Кожне джерело води має різну хімію, і необхідно провести випробування баночок, щоб побачити, який полімер найкраще працює з конкретною джерельною водою.
• Поширений стандарт вибору полімеру не існує. Різні держави мають хімічні стандарти затвердження, які повинні бути виконані.
• Додавання хлору може вплинути на ефективність полімеру
• Як і у будь-якого хімічного речовини, існує межа дозування

Хімія

Як і багато процесів в водопідготовці, теорія коагуляції дуже складна. Як оператор, ви повинні мати базове розуміння хімії, яка бере участь у кожному процесі. Коагулянт, доданий у воду, буде реагувати з лужністю у воді, утворюючи нерозчинний флок. Нерозчинний - це те, що не розчиниться. Якщо зграя не сформована належним чином, то оператори не можуть ефективно видалити патогенні мікроорганізми з очищеної води. Лужність не така, як рН. Це стає дуже заплутаним, оскільки «лужна вода» стала більш широко популяризованим маркетинговим терміном. Лужність - це здатність води нейтралізувати кислоту на основі її складу карбонату, бікарбонату або гідроксиду. Міра лужності - це кількість кислоти, яку потрібно було б додати у воду, щоб знизити рН до 4,5, і тут виникає плутанина.

Коагуляція найбільш ефективна в діапазоні рН 5-7 через здатність вод реагувати з лужністю. У цьому діапазоні вода має тенденцію буферувати або залишатися в тому ж діапазоні рН і дозволить повністю змішувати хімічні речовини коагулянта. Якщо сира вода має низький рН, для збільшення рН можуть бути додані такі засоби, як кальцинована сода.

Правильні випробування якості води повинні проводитися операторами, щоб сприяти належному додаванню хімічних речовин коагулянтів. Недозування коагулянтів спричинить проблеми з утворенням флоку, тоді як передозування коагулянтів може спричинити засмічення під час процесу фільтрування. Засмічення фільтрів призводять до проблем з втратою напору в фільтрах і підвищеної промивки фільтра.

Змішування

Як зазначалося раніше, процес згортання завершується протягом декількох секунд. Змішування може бути досягнуто за допомогою гідравлічних змішувачів, механічного змішування, дифузорів або насосних блендерів. Гідравлічні змішувачі використовують потік для досягнення змішування. Цей вид змішування вимагає достатнього потоку, щоб створити порушення у воді для досягнення належного змішування. Механічні змішувачі вимагають найбільшої кількості енергії, оскільки для досягнення змішування вони вимагають електричного джерела. Дифузори застосовують рівномірний потік під час процесу згортання, але можуть вимагати багатьох коригувань після зміни потоку. Нарешті, насоси можуть бути використані для штовхання коагулянта в потік води. Змішування може відбуватися в басейні, каналі або трубопроводі.

Флокуляція

Флокуляція - це повільний процес змішування, який змушує дрібні частинки зливатися в більші частинки, які легше осідають. Потім частинки легше видаляються в процесі осадження та фільтрації. Процес флокуляції досягається шляхом контролю швидкості ударів між частинками в міру їх набуття розміру. Розмір Floc може коливатися від 0,1 мм-3 мм. Розмір виробленого флоку залежить від того, який тип процесу обробки використовується на конкретному заводі. Важливо, щоб флок мав хороший розмір, а також щільність, тому флок не буде зсуватися під час процесу осідання та фільтрації. Цей процес набагато довше, ніж коагуляція триває приблизно 15-45 хвилин.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Процес коагуляції-флокуляції Відкритим університетом та партнерами ліцензується відповідно до CC BY-NC-SA 4.0

Показано вище: Частина флеш-суміші також відома як коагуляція. Хімічні речовини додаються разом, і процес відбувається протягом декількох секунд. Після спалаху суміші вода прямує до басейнів флокуляції, щоб частинки флоку збиралися в розмірах.

Механічні флокулятори можуть встановлюватися як горизонтально, так і вертикально. Горизонтальний тип використовує лопатеві змішувачі, тоді як змішувачі вертикального типу можуть включати змішувачі для лопатки, турбіни та гвинта. Форма та розмір флокуляційного басейну визначаються типом використовуваного змішування та суміжними структурами, такими як басейни відстійників. Флокуляційні басейни зазвичай розділені на 3 відсіки. Швидкість змішування зменшується в кожному відсіку, щоб запобігти розбиванню частинок, коли вони стають більшими. Якщо частинки розпадаються під час флокуляції, частинки будуть складати важче навантаження на фільтри під час процесу фільтрації, що спричиняє менший час роботи фільтра. Це явище буде розглянуто більш детально в главі 6.

Моніторинг та контроль технологічних процесів

Процес коагуляції та флокуляції вимагає великої уваги до деталей на цьому шляху. Оператор не може просто встановити дозу і «сподіватися» все вийде. Якість води може часто змінюватися, і оператори повинні гарантувати, що вони знаходяться на вершині мінливих умов. Один із способів, яким оператор може досягти цього, - це тестування банки. Це лабораторна процедура, яка знаходить найкращу дозу коагулянту на основі умов якості води.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Зображення тесту баночки Jigchen L. Norbu ліцензовано відповідно до CC BY-SA 4.0

Ефективність водоочисних споруд визначається комбінованим показником каламутності стоків. Ефективність індивідуального фільтра також ретельно контролюється. Це буде детально обговорюватися в розділі фільтрації тексту, але важливо мати основне розуміння цієї концепції на цьому етапі процесу лікування. Водопідготовка - процес тривалий. Те, що відбувається зараз, може мати серйозні наслідки в процесі лікування. З огляду на це, тестування баночок та моніторинг рослин є все більш критичними. Тестування баночок та лабораторний відбір проб гарантують, що вода, яка теоретично обробляється зараз, буде безпечною при вході в систему розподілу годин відтепер.

Під час ненормальних умов операторам важливо робити нотатки та інформувати старших операторів та/або керівника. Ведення обліку є важливим, оскільки оператори можуть повернутися до нотаток, використовуваних з попереднього досвіду. Наприклад, велика подія дощу змінила вплив каламутності, що надходить на очисну споруду. Подібна подія сталася за три роки до цього, і вплив каламутності дуже схожий на ті, які оператори бачать в даний час. Чи не було б приємно мати запис про те, що зробили оператори три роки тому? Сподіваємось, операційний персонал від трьох років тому відзначив зміни дози коагулянту, швидкості змішування, попиту на хлор та інші суттєві зміни заводу.

Посилена коагуляція

Посилений процес коагуляції використовується для видалення природних органічних речовин шляхом регулювання рН та дози коагулянту для видалення найбільшої кількості суспензії в процесі лікування. Додавання кислоти використовується для досягнення належного рН, на відміну від обробки розгортки, коли оператор передозує коагулянт для досягнення правильного діапазону рН. Посилена коагуляція відбувається при більш низькому рН. і відповідно буде спостерігатися поліпшення в лікуванні, таких як:

• Гумінові і фульвові молекули краще відокремлюються при більш низькому рН. Гумінові та фульвокислоти - це органічні кислоти, які зазвичай містяться в джерелах сирої води.
• Для лікування потрібно менше коагулянта
• Флокуляція поліпшується при більш низькому рН
• Добавка сірчаної кислоти перед додаванням коагулянту - це передумови органічної речовини

Фунти Формула (Хімічні проблеми дозування)

Одним з найважливіших розрахунків, які буде використовувати оператор, є «Формула фунтів». Формула фунтів може бути використана для вирішення математичних завдань води, включаючи міліграмів на літр до фунтів на день, швидкість подачі, дозування хлору, відсоток міцності та розрахунки розведення. Формула для розрахунків фунтів така:

Швидкість подачі (фунтів/день) = дозування (частин на мільйон) × Витрата (мільйон галонів на день) × 8.34 фунтів/гал

Нижче наведена формула фунтів, виражена в механічному колесі. Механічне колесо може бути використано для вирішення проблеми хімічного дозування шляхом підключення даної інформації, а потім множення або ділення, як зазначено для визначення розчину. Наприклад, очисна споруда буде виробляти 2 МГ на добу. Доза хлору становить 3,0 мг/л Скільки фунтів хлору буде використовувати оператор?

Швидкість подачі = 3,0 × 2 × 8,34

Швидкість подачі = 50 фунтів/день

Важливо відзначити, що при використанні формули фунтів, виробництво води завжди виражається в MGD. Наприклад, проблема може запитати, що таке виробництво хлору для водоочисної станції, яка виробляє 1 000 000 галонів на день. Це найпростіший вираз, тому що 1 000 000 ÷ 1 000 000 = 1.

EX: Оператор очищення води повинен супер хлорувати бак на 650 000 галонів при 50 ppm. Скільки хлору повинен додати оператор?

50 × 6,5 × 8,34 = 271 фунтів

* Ви повинні розділити 650 000 на один мільйон, щоб отримати .65 для вирішення рівняння. Округлите до найближчого десятого або сотого місця, щоб отримати максимально точну відповідь. Пам'ятайте, що ви повинні показати всю роботу під час іспитів, щоб отримати кредит, але формат все ще множинний вибір, тому будьте обережні при округленні.

Практика Фунти Формула Проблеми

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Норма дозування сухих квасцов становить 15 мг/л, добова витрата очисної споруди становить 5 МГ. Скільки кілограмів сухих квасцов в день потрібно?

Рішення

Швидкість подачі = 15 мг/л × 5 MGD × 8.34 фунтів/гал

Швидкість подачі = 625,5 фунтів/день

* Ця проблема зразка досить проста. Підключіть числа до рівняння і помножте, щоб отримати відповідь.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Очисна споруда використовує 300 фунтів квасцов на день. Вихід заводу становить 2 500 000 галонів на день. Яка доза?

Рішення

Крок 1:2 500 000 ÷ 1 000 000 = 2,5 МГД

Доза = 300 фунтів/добу/ (2,5 × 8,34)

Доза = 250/20,85

Доза = 12 мг/л

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Скільки фунтів 65% доступного хлору повинен оператор додати до очисної споруди з дозою 3,0 мг/л і рослинним виходом 5 MGD?

Рішення

* Почніть рівняння, як зазвичай. Оскільки ви додаєте розчин хлору, який не становить 100 відсотків, для вирішення проблеми необхідний додатковий крок. Пам'ятайте, якщо розчин хлору не є 100 відсотків доступного хлору, вам знадобиться більше, щоб правильно дозувати!

Швидкість подачі = 3,0 × 5 × 8,34 = 125 фунтів/день

Далі потрібно буде зробити регулювання виходячи з міцності хлору.

(6,5) (х фунтів/день) = 125 фунтів/день

х = 125,65

х = 192 фунтів/добу

Примітка: Якщо число менше, ніж початкове число, ви множите замість ділення. Вам завжди знадобиться більше хімічних речовин, якщо це не 100% міцність.

Приклад\(\PageIndex{4}\)

Резервуар для води висотою 30 футів і діаметром 100 f повинен бути дозований при 50 ppm для дезінфекції. Скільки фунтів 65% гіпохлориту кальцію потрібно додати до дози бака?

Рішення

0,785 × 100 футів × 100 футів × 30 футів × 7,48 гал/фут ³ = 1,761,540 галонів

1 761 540 галонів/1,000,000 = 1,76 МГД

Швидкість подачі = 50 × 1,76 × 8,34 = 733,92 фунтів/добу

(6,5) (х) = 734

х = 734/,65

х = 1129 фунтів

Огляд глави

1. Оптимальна доза коагулянту визначається ___________.
   1. Тест на хлор
   2. Тест на флокуляцію
   3. Тест на баночку
   4. Тест на згортання
2. Найпоширеніший первинний коагулянт - ___________.
   1. квасцов
   2. катіонний полімер
   3. Фтор
   4. аніонний полімер
3. Бактерії та віруси належать до розміру частинок, відомого як ___________.
   1. Підвісна
   2. Розчинений
   3. проціджений
   4. Колоїдний
4. Мета коагуляції - ___________.
   1. Збільшення часу роботи фільтра
   2. Збільшення мулу
   3. Збільшення розміру частинок
   4. Дестабілізують колоїдні частинки
5. Метою флокуляції є ___________.
   1. Дестабілізують колоїдні частинки
   2. Збільшення розміру частинок
   3. Зменшити мул
   4. Зменшити час роботи фільтра
6. Первинні коагулянтні засоби, що використовуються в процесі лікування, є ___________.
   1. Полі-алюміній хлорид
   2. Сульфат алюмінію
   3. Хлорид заліза
   4. Все вищесказане
7. Флокуляція використовується для посилення ___________.
   1. Кількість зіткнень частинок для збільшення флока
   2. Нейтралізація заряду
   3. Дисперсія хімічних речовин у воді
   4. Швидкість осідання флока
8. Якщо є проблема з утворенням зграїв, що б ви вважали за зміну?
   1. Відрегулюйте дозу коагулянту
   2. Залишайтеся курсом
   3. Відрегулюйте інтенсивність змішування
   4. І 1, і 3
9. Який етап в процесі лікування найкоротший?
   1. Фільтрація
   2. осідання
   3. Флокуляція
   4. коагуляція
10. Для зниження рН для посиленої коагуляції оператор додасть ___________.
    1. хлор
    2. Сірчана кислота
    3. Лайм
    4. каустична сода
11. Як довго триває процес флокуляції?
    1. Секунди
    2. 5-10 хвилин
    3. 15-45 хвилин
    4. Понад годину
12. Функція флокуляційного басейну - до ___________.
    1. Осідають колоїдні частинки
    2. Дестабілізують колоїдні частинки
    3. Змішайте хімічні речовини
    4. Дозвольте зваженим частинкам рости
13. Очисна споруда має максимальний вихід 30 MGD і дози хлориду заліза в 75 мг/л Скільки фунтів хлориду заліза робить рослина використовувати в день?
    1. 18 765
    2. 17 765
    3. 19 765
    4. 16 765
14. Очисна споруда використовує 750 фунтів квасцов на день, як це лікує 15 MGD. Якою була норма дози?
    1. 4 мг/л
    2. 5 мг/л
    3. 6 мг/л
    4. 7 мг/л
15. Очисна споруда працює на 1500 галонів на хвилину і використовує 500 фунтів квасцов на день. Яка доза квасцов?
    1. 18 мг/л
    2. 28 мг/л
    3. 8 мг/л
    4. 38 мг/л