что такое доза коагулянта
Определения дозы коагулянта
1. Пробная коагуляция должна проходить по всему объему воды.
2. Отстаивание должно происходить в спокойном состоянии.
3. Необходимо поддерживать постоянную температуру.
Разницы между температурой начальной с температурой во время опыта не должно быть, поэтому следует проводить такие анализы в неотапливаемых помещениях. В начале опыта вводят большую дозу реагента, от 10 до 50 мг/л., затем при необходимости дозу снижают, до достижения оптимальной дозы (когда остаточного коагулянта на выходе нет). В отфильтрованной воде нужно определить основные характеристики как:
В пробах, где получены хорошие результаты, определяют показатели качества, такие как, окисляемость, рН, содержание катионов и анионов и пр. Пробная коагуляция позволяет определить такие дозы коагулянта, при которых эффективность коагуляции будет выше.
В этом случае результат не будет соответствовать тому, что получен от пробы отстоявшейся воды. Цветность воды при этом будет иметь значение в 2 раза меньше фактического значения. Вследствие данного явления, на многих очистных сооружениях возникает ошибка при определении оптимальных доз реагента (коагулянта) и это касается тех случаев, когда цветность служит показателем очистки сточной воды.
На качество воды стандартных критериев на выходе нет: они определяются для каждого очистного сооружения в зависимости от эффективности работы фильтров и отстойников. Ориентировочные дозы, определенные при пробной коагуляции требуют корректировки, так как невозможно рассчитать дозу реагента в лабораторных условиях для реальных промышленных процессов.
На качество воды стандартных критериев на выходе нет: они определяются для каждого очистного сооружения в зависимости от эффективности работы фильтров и отстойников. Ориентировочные дозы, определенные при пробной коагуляции требуют корректировки, так как невозможно рассчитать дозу реагента в лабораторных условиях для реальных промышленных процессов.
Если, все же, в процессе лабораторных испытаний не удалось установить оптимальную дозу, то возникает необходимость дополнительно ввести флокулянт или заменить ранее испытанный коагулянт другим.
Информация
Проблематика определения доз коагулянтов по цветности и перманганатной окисляемости при водоподготовке
Для отечественных низкомутных цветных водоемов таёжной зоны с преимущественно болотным питанием, при отсутствии высокого антропогенного загрязнения водоёма и отсутствии в нём чрезмерно высоких концентраций фитопланктона (а проблема фитопланктона для описываемых холодных водоемов не очень актуальна), загрязнение воды и, соответственно, грязевая нагрузка на очистные сооружения определяется количеством находящегося в воде водного гумуса.
Есть подобная формула и в отечественном нормативном документе, который может быть не очень широко известен среди специалистов ВКХ, поскольку относится к отраслевым нормам, издававшимся «РАО ЕЭС»:
Водный гумус напрямую выражается в окисляемости воды и только косвенно отражается в её цветности. Окисляемость, в отличие от цветности или мутности, однозначно и линейно определяет количество находящихся в воде органических веществ, которые требуют удаления в процессе водоподготовки.
Учитывая, что один миллиграмм-эквивалент оксида алюминия равен 17 мг (= 102/6), пересчёт формулы из РД 153-34.1-37.502 дает следующий расчёт дозы коагулянта по оксиду алюминия:
Данная формула не учитывает рН коагуляции, зависящий от исходной щёлочности воды, поэтому формула весьма приблизительная, но она подтверждает линейную зависимость дозы от окисляемости.
Цветность является более удобным параметром для рутинной оценки качества воды, но, в отличие от окисляемости, она нелинейно зависит от количества органических веществ воды, которые, повторимся, и требуют удаления в процессе водоподготовки. Кроме как от количества органического вещества – окисляемости, цветность зависит ещё от фракционного состава этих органических веществ (отношения по-разному «окрашенных» гидрофобных фракций гуминовых и фульво-кислот, нейтральных гидрофобный фракций, гидрофильных кислотных и нейтральных фракций) и от содержания железа, образующего с органическими веществами воды высоко-окрашенные коричневые органокомплексы.
Далее в подтверждение наших доводов можно рассмотреть противоречие, заключающееся в двух формулах из СНиП 2.04.02: формуле (6) из п. 6.16 для определения дозы коагулянта для цветных вод и формуле (11) из п. 6.65 для определения количества образующихся при коагуляции взвешенных веществ:
Выдержка из СНиП 2.04.02-84 п. 6.65:
Св = М + КкДк + 0,25Ц + Вн (11)
По СНиП получается, что доза коагулянта зависит от цветности в степени ½ (иными словами, существует квадратичная зависимость цветности и дозы), а количество взвешенных веществ поступающих из смесителя в отстойник, т.е. количество образующегося шлама от прошедшей в смесителе коагуляции, зависит от цветности линейно с коэффициентом 0,25. Очевидно, что из теории и практики коагуляции (теория ДЛФО и теория быстрой гетерокоагуляции по Смолуховскому) одновременное выполнение обоих условий невозможно:
Обе рассмотренные СНиПовские формулы крайне приблизительны. Но особенно сомнителен коэффициент 0,25 перед цветностью в формуле расчета количества образующегося шлама, поскольку при коагуляции, повторимся, количество фактически удаляемых в шлам органических загрязнений определяется не цветностью, а перманганатной окисляемостью. На цветность ни в расчете доз коагулянтов, ни в расчете массы образующегося шлама однозначно полагаться не стоит. Цветность зависит от количества загрязнений и не линейно, и не квадратично. Повторимся, что в СНиПе 2.04.02 доза коагулянта определяется по корню из цветности, чем признаётся, что доза, а соответственно и ПО, и объём образующегося шлама, зависят от цветности не линейно, а в степени ½. Но цветность сильно зависит от фракционного состава гумуса и от содержания в воде железа. Поэтому количество органогенного коагулята, т.е. шлама от коагуляции природных органических загрязнений воды – водного гумуса, определяется разностью ПО: ПО исходной и ПО после коагуляции. Далее очевидно, что для нейтрализации отрицательного электрокинетического потенциала одной единицы водного гумуса, потребуется одна единица положительнозаряженных коагулирующих агентов, в данном случае ионов алюминия и его гидроксокомплексов.
| Водоисточник | Диапазон цветности, град. | Диапазон ПО, мг/л | Показатель степени «γ» в зависимости Цветн.≈ПО γ | Дозы коагулянта расчётные по СНиП, мгAl2O3/л | Дозы коагулянта фактические, мгAl2O3/л |
| СНиП 2.04.02 | ПО≈D≈ √ Цветн., или Цветн.≈ПО2 | 2,0 | |||
| р. Нева, г. Санкт-Петербург за 2004-2014 гг. | 20-65°, ср. 32° | 6,6-12,2, ср. 8,4 | 1,6-1,8 (на разных ВОС) | 5,4-9,7, ср. 6,8 | 5,0-8,0, ср. 6,0 |
| Онежское оз., г. Петрозаводск (Петрозаводская губа, 2003-2014 гг.) | 30-200°, ср. 80° | 6,1-22,1, ср. 12,2 | 1,27 (точно) | 5,4-14,1, ср. 9,0 (КО) | 5,0-13,0, ср. 8,0 |
| р. Тура, г.Тюмень (2012-2013 гг., высокая антропогенная нагрузка) | 35-165°, ср. 74° | 13,1-27,3, ср. 20,1 | 2,4 | 7,1-15,4, ср. 10,3 | 9,6-26,9, ср. 17,1 |
| Волчихинское вдхр. г. Екатеринбург (2009-2015 гг.) | 15-63°, ср. 31 ° | 5,0-13,4, ср. 7,7 | 2,0 | 4,6-8,8, ср. 6,3 | 1,6-7,8, ср. 4,5 |
Известно, что при определении ПО водный гумус окисляется в пересчёте на конечные продукты окисления (диоксид углерода, вода, элементарный азот) на 40-50%. На 100% гумус перманганатом, в отличие от бихромата, не окисляется, и от макромолекул гумуса остаются недоокисленными устойчивые «осколки»: от «ароматики» – бензойные кислоты, двойные связи и альфа-замещённые атомы углерода окисляются до соответствующих карбоновых кислот, а насыщенные линейные и циклические участки молекул (которых мало) остаются без изменений.
Это допущение о 40-50% окислении гумуса перманганатом подтверждается, кроме литературных данных, двумя характеристиками воды: Во-первых, бихроматное ХПК (химическое потребление кислорода – бихроматная окисляемость, при которой окисляется практически всё и полностью), которое составляет уже 90-95% от теоретически возможного потребления кислорода – ТПК, антропогенно малозагрязненных поверхностных вод, примерно в 2,0-2,5 раза выше ПО. Это несложно установить, проведя определение ХПК лужской воды в лаборатории сточных вод на канализационных очистных сооружениях.
В литературе, например, Куцева Н.К. Общий органический углерод-показатель содержания органических веществвводе //Питьевая вода. 2006. №6. Стр. 24-26 для природной воды поверхностных водоисточников содержание общего органического углерода (определяется по ГОСТ 52991-2008) примерно равно значению перманганатной окисляемости, т.е. 1 мг ПО ≈ 1 мг углерода ≈ 1,8 мг водного гумуса (поскольку, как мы установили, в гумусе 55% углерода по массе).
Тогда при указанных выше допущениях и литературных данных, 1 мг удаленной ПО примерно соответствует 1,8 мг удалённого в шлам гумуса.
Далее обратимся к литературным данным о составе водопроводного осадка, которые также подтвердят правоту предыдущих рассуждений.
Янин Е.П. Осадок водопроводных станций (состав, обработка, утилизация) // Экологическая экспертиза, 2010, № 5, с. 3–45.
Тогда имеем, что внесение 1 мг коагулянта по оксиду Al2O3 (или 1,5 мг по гидроксиду Al(OH)3, что одно и то же), приводит к удалению примерно 0,9 мг перманганатной окисляемости и образованию примерно 3,5 мг гумусного (органического) шлама.
Примеры расчета дозы рабочего раствора коагулянта и флокулянта на основании их товарных характеристик
где Стов – это доза товарного коагулянта, которую необходимо ввести в сточную воду, Скоаг – это доза реагента по активному веществу, Какт – это доза активного вещества в реагенте. На примере характеристик сульфата алюминия торговой марки АЛГ, выпускаемого компанией «Кемира», рассчитаем необходимое количество реагента для его дозы, составляющей 50 мг/л, или 0,05 кг/ м3 по активному веществу. Так как процентное содержание Al2O3 составляет 17-18%, то для расчета можно принять его как 17,5 %. Значит на кубический метр объема сточной воды, или же на литр, должно будет приходиться:
Стов= 0,05*100/17,5=0,285 кг/м3,
или 285 грамм на 1000 литров сточной воды товарного сульфата алюминия, или 285 миллиграмм на литр.
Vтов= Скоаг*100/p*Какт, м3/ м3,
где Vтов – это объем дозы жидкого товарного коагулянта, а p – плотность товарного коагулянта. Этот объем, составляющий 50 мг/л по оксиду железа можно рассчитать на примере коагулянта хлорида железа, торговой марки PIX-111, выпускаемого в виде 40% товарного раствора. Плотность этого раствора составляет в среднем 1420 кг/м3. Содержание железа (Fe3+) в нем составляет 13,7 + 0,2%, что в пересчете на Fe2О3 составляет 19,57%. Исходя из этих данных Vтов=0,05*100/1420*19,57= 0,00017925 м3/ м3, или 179,25 мл на тысячу литров сточной воды, или же 0,18 миллилитров на один литр.
Для того, чтобы рассчитать объем дозируемого рабочего раствора коагулянта, приготовленного из гранулированного порошка, используется формула:
Vкоаг= Стов*100/ pраб*Краб, м3/ м3,
где Стов – это вычисленная весовая доза товарного коагулянта, Краб – концентрация дозируемого рабочего раствора коагулянта, а pраб- его плотность. Для 10% раствора сульфата алюминия его pраб= 1105 кг/м3, Стов= 0,285 кг/м3, поэтому:
Vкоаг= 0,285 *100/1105*10=0,0025 м3/ м3,
или 2,5 миллилитра 10% раствора сульфата алюминия на литр сточной воды.
Vкоаг= 0,000005 *100/1000*0,05 = 0,00001 м3/ м3,
или 0,1 миллилитра раствора флокулянта на литр обрабатываемой сточной воды.
Подбор и дозировка коагулянта и флокулянта
Правильный выбор дозы коагулянта и флокулянта снижает нагрузку на оборудование и оптимизирует стоимость обработки воды. На первый взгляд, рассчитать процентное соотношение веществ несложно самостоятельно, однако мы рекомендуем доверить работу с цифрами компетентным специалистам. При подборе технологии необходимо учесть специфику примесей, температуру и объем жидкости, концентрацию растворенных солей, стадию обработки, следующую за коагуляцией и прочие факторы. Без соответствующего опыта есть шанс совершить ошибки, чреватые не только потерей средств, но и вредом для окружающей среды и человеческого здоровья.
Почему коагулянты и флокулянты используют вместе
Флокулянты – своеобразные катализаторы реакции коагуляции. Их применение дает возможность снижать концентрацию действующих веществ при приготовлении раствора коагулянта. Также формула «2 в 1» способствует ускорению процессов хлопьеобразования и выпадения осадка, укрупнению образующихся частиц, расширяет температурный диапазон эффективного действия обоих выбранных препаратов.
Расчет дозы коагулянта и флокулянта
Логично, что чем выше концентрация загрязняющий веществ, тем больше реагентов потребуется. Существуют формулы расчета дозы коагулянтов для очистки воды. Используют ту или иную из них в зависимости от агрегатного состояния препарата.
Порошкообразные средства (например, сульфат алюминия):
Стов = Скоаг*100/Какт, кг/м3
Средства в виде водного раствора (например, хлорид железа, 40%):
Vтов= Скоаг100/pКакт, м3/ м3
Средства в виде водного раствора, изготовленного из гранулята (например, сульфат алюминия, 10%):
Vкоаг= Стов100/ pрабКраб, м3/ м3
При приготовлении растворов флокулянтов для введения, их концентрацию доводят до 0,05-0,1%, что позволяет условно считать плотность сопоставимой с аналогичным показателем обычной воды. Соответственно, использовать последнюю из указанных формул можно также для расчета дозировки флокулянтов в виде порошка или эмульсии.
Как подбирают оптимальную дозу коагулянта и флокулянта
Подбор реагентов осуществляется в лаборатории путем моделирования условий, в которых будет проходить реакция. Далее отбирают пробы воды и выполняют их тестовое коагулирование. При определении дозы коагулянта ориентируются исключительно на соответствие лабораторных условий производственным реалиям.
Во время испытаний пробы воды обрабатывают в цилиндрах либо стаканах химреагентами, создавая условия, аналогичные обычному режиму смешивания. При этом важно в точности смоделировать действующий на предприятии режим физико-химической водоочистки. Воду с растворенными в ней реагентами перемешивают, чередуя высокие обороты (180 об/мин), позволяющие равномерно распределить препараты по всему объему, с низкими скоростями (до 50 об/мин). Во второй фазе формируются хлопья для дальнейшего выпадения в осадок. Для смешивания в лабораторных условиях применяют стеклянную палочку либо магнитную мешалку.
Визуальную оценку правильного подбора дозы коагулянта выполняют по мутности и цветности. Первый критерий говорит о присутствии взвешенных и коллоидных компонентов, второй – о преобладании растворенных компонентов, способных окрашивать воду. На основании наблюдений делают вывод о правильном выборе дозировки коагулянтов. Вывод об эффективности препаратов делают, ориентируясь на минимальное время выпадения в осадок или всплывание хлопьеобразных компонентов, а также на органолептические свойства воды.
После образования осадка воду отстаивают около 30 минут, затем оценивают результат по таким критериям:
В специализированных лабораториях взаимосвязь дозы коагулянта и процесса коагуляции исследуют при помощи специализированных агрегатов, рассчитанных на проверку эффективности различных препаратов в равных условиях. Тестирование по методике пробной коагуляции проводят с применением мерных цилиндров емкостью 0,5-2 литра.
Как зависят цветность и мутность воды от дозы коагулянта
Для понимания, как зависит цветность от дозы коагулянта, нужно учесть не только концентрацию пигментированных веществ, растворенных в воде, но и качество взаимодействия с ними гидроксида металла, который входит в состав реагента. Иными словами, оценку следует проводить, исходя из влияния, которое может оказать каждый компонент, присутствующий в исследуемой жидкости.
Зависимость дозы коагулянта от щелочности воды прямо пропорциональна. Чем выше показатели щелочности, тем больше расход реагента. И наоборот, повышение кислотности среды приводит к уменьшению расхода препарата.
Для грамотного определения дозы коагулянта в воде следует учесть состав растворенных органических компонентов, влияющих на цветность. К примеру, для нейтрализации гуминовых кислот требуются меньшая концентрация реагента, чем в случае с сульфокислотами или дубильными веществами. Если окрашивание воды вызвано присутствием железосодержащих растворимых агломераций, для их нейтрализации и скорейшего осаждения рекомендуется создать условия для ощелачивания среды.
На практике вопрос, как рассчитать дозу коагулянта, решается в зависимости от характеристик мутности и цветности воды. Также учитываются показатели щелочности и диапазон рН, в котором удалить их станет проще всего. Как правило, доза коагулянта для очистки воды с повышенной цветностью и небольшой мутностью рассчитывается по формуле: корень квадратный из показателя цветности. Если оба показателя примерно сопоставимы, в расчетах используется большее из значений.
Методические указания по очистке исходной воды коагулянтами на ТЭС
Методические указания устанавливают технические требования к технологии обработки исходной воды методами коагуляции, осветлителям, механическим фильтрам, методам расчета и выбора технологических схем предварительной очистки вуодыц, наладке и эксплуатации оборудования предварительной очистки воды на электростанциях и котельных, работающих на водах поврехностных источников (реки, озера, водоемы).