Очистка воды коагуляцией и фильтрацией

Подавляющее число водоочистных сооружений в мире используют одни и те же технологии. И последовательно применяют такие методы очистки: коагуляция (+ флокуляция), отстаивание, фильтрацию и обеззараживание. Это наиболее распространенная схема очистки грязной воды и водоподготовки питьевой, которая используется с начала 20 века.

В этой статье мы в основном будем говорить о водоподготовке. Хотя эти же способы используются и для очистки сточных вод.

Авторы: Родион Магомедов, Алексей Кулаков
Время прочтения: 8 мин.

Метод очистки воды коагуляцией

Задача процесса водоподготовки подразумевает удаление из поверхностных, грунтовых вод различных механических примесей, коллоидных и взвешенных веществ. Повысить эффективность водоподготовки помогает метод очистки воды коагуляцией. Коагулирование обеспечивает лучшее выпадение загрязнений в осадок, тем самым ускоряя дальнейшее осаждение и фильтрацию.

Что такое коагуляция и флокуляция?

Коагуляция (Coagulatio — свертывание, сгущение, укрупнение) простыми словами — это объединение мелких частиц в более крупные. Коагуляция приводит к объединению мельчайших взвешенных примесей и выпадению их в виде хлопьевидного осадка.

Реагенты, применяемые для коагуляции, называют коагулянтами. Для коагуляции обычно используют соли алюминия или железа, такие как сульфат алюминия и сульфат или хлорида железа.

Главная особенность коагулянтов – их частицы имеют положительный заряд. Растворенные и взвешенные примеси заряжены отрицательно. Поэтому, в результате взаимодействия коагулянта и взвесей, они слипаются и образуют более крупные образования.

Рис 1: Коагуляция, флокуляция и осаждение

Иногда после коагулянта добавляют еще и флокулянт. Флокулянт - это компонент на основе полимера, который склеивает коагулированные взвеси между собой. В результате, удаляемые примеси собираются в крупные хлопья (флокулы), которые легче отфильтровать или собрать в осадок. Чем больше и тяжелее частица, тем быстрее она оседает или задерживается на фильтрующем материале.

В таблице ниже представлено как время осаждения включений зависит от их размера.

В процессе очистки методом коагуляции важно также время реакции и качество смешения реагента с водой. Коагулянт добавляют в воду, где он быстро смешивается и дальше циркулирует по системе. После реагентной обработки воду можно напрямую подавать на следующую по технологии стадию очистки, например:

После реагентной обработки воду можно напрямую подавать на следующую по технологии стадию очистки, например:

• на механические фильтры с зернистой засыпкой (песок, гравий);
• на отстойник, где флокулы оседают на дно под действием силы тяжести;
• на флотатор (метод очистки сточных вод), где взвешенные примеси удаляют пенной флотацией;
• на установки микро или ультрафильтрации.

Какие примеси убираются при очистке воды методом коагуляции?

Методом коагуляции из воды эффективно удаляют:

• Природные органические вещества и органические соединения, включая растворенные
• Взвешенные частицы, включая неорганические вещества (например, железо)

Высокое содержание органических соединений может вызвать неприятных вкус или запах или окрасить воду в коричневый оттенок. Однако, несмотря на то, что коагуляция удаляет часть взвешенных и некоторое количество растворенных частиц, в воде могут оставаться вирусы и бактерии.

В международном исследовании, опубликованном в 1998 году, приводятся данные, что коагуляция и осаждение удаляют от 27 до 84 процентов вирусов и от 32 до 87 процентов бактерий. Но обычно патогенные микроорганизмы удаляются из воды, только потому, что оттуда удаляются растворенные частицы, к которым они прикреплены.

На картинке ниже в воду был добавлен коагулянт и взвеси начали склеиваться и оседать.

Рис.2: Лабораторный тест коагулянта на станции водоподготовки

Хотя коагуляция не может задержать все мельчайшие организмы и вирусы она является важным предварительным элементом очистки, поскольку удаляет растворенные органические примеси, которые затрудняют последующее обеззараживание. В этом случае после коагуляции требуется меньшее количество хлорсодержащих веществ, необходимых для полного обеззараживания воды.

Это позволяет городским очистным сооружениям удешевить процесс, так как используется меньше хлорсодержащих компонентов. При этом качество воды будет выше, потому что снижается содержание тригалометанов, которые образуются как побочный продукт при реакции хлорсодержащих соединений с органическими примесями.

Чтобы сократить количество вредных веществ в чистой воде, следует соблюдать технику безопасности и не превышать дозировку обеззараживающих компонентов, так как в процессе реакции образуются дополнительные примеси и побочные продукты. Их состав зависит от используемого реактива. Примеры коагулянтов и образующихся соединений:

Большинство городских очистных станций используют в качестве коагулянта сернокислый алюминий. Обычно дозировка рассчитывается таким образом, чтобы все примеси извлекались с осадком.

Тем не менее, допускается, что очищенная вода, в которую добавлялись коагулянты на основе алюминия, может содержать некоторое количество алюминия.

Метод очистки воды фильтрацией

Фильтрование - способ механической очистки, при котором очищаемая жидкость проходит через слой фильтрующего пористого материала, где задерживаются частицы определенного размера. С ее помощью можно проводить как грубую, так и тонкую очистку.

Метод фильтрации широко распространен, как в крупных установках водоочистки, так и в бытовых фильтрах малой производительности.

Что происходит с водой во время процесса фильтрации?

Обычно в современных станциях очистки после коагуляции вода под напором поступает на фильтрационную установку, где удаляются примеси за счет продавливания потока, через засыпанный материал. При этом фильтры могут быть сорбционными (используются зернистые сорбенты) или механическими (примеси улавливаются в зазорах между зернами минеральной засыпки). Установки механической фильтрации могут содержать засыпку различной зернистости и в зависимости от этого задерживать загрязнения разной величины.

На рисунке ниже приведен образец самодельного фильтра с несколькими слоями засыпки, которые удерживают разные частицы. Например, диаметр мелкозернистого песка равен 0.1 мм, таким образом, только частицы мельче 0.1 мм могут пройти через этот слой. Но следуют помнить, что такая система сама по себе не обеспечивает достаточного качества воды, так как многие вредные примеси меньше 0.1мм (например, вирусы имеют размер 0.000001мм и меньше).

Рис.3: Самодельный фильтр

Существуют два основных типа фильтрации через песок и гравий: медленная и ускоренная

Медленная песчаная фильтрация

Медленные песочные фильтры (также называются английскими) для очистки воды используют бактерии. Микроорганизмы размножаются в верхнем слое песка и со временем там образуется слой, который называют «schumtzdecke» (немец. – грязное одеяло) или биопленкой.

Этот слой нужно чистить раз в два месяца, когда он становится слишком толстым или когда его пропускная способность снижается слишком сильно. После того как биопленка удалена, бактериям нужно несколько дней, чтобы вновь размножиться. После этого систему можно использовать снова.

Медленные песчаные фильтры применялись на протяжении многих лет. Первые системы начали эксплуатироваться в 19 веке в Лондоне. Недостаток подобных систем – габариты. Иначе говоря, требуется большая площадь песчаного слоя, поскольку вода просачивается через песок слишком медленно – средняя скорость составляет 0.1-0.3 метра в час.

Размеры и регулярные остановки на очистку привели к тому, что в начале 20 столетия водоподготовка медленной фильтрацией стала заменяться ускоренной.

Быстрые песчаные фильтры

Скорые фильтры используют не биологический, а физический способ задержания примесей. Подобные системы получили широкое распространение благодаря небольшим размерам и высокой производительности. По конструкции такие фильтры бывают напорные и самотечные. Во время напорной фильтрации вода проходит через песок со скоростью до 20 метров в час. Очистка обычно проводится дважды в день обратной промывкой, после чего фильтр возвращается в работу.

Однако современные технологии позволяют повысить эффективность медленных фильтров и уменьшить их размеры. Более того, есть примеры, когда современные методы очистки не смогли обеспечить нужного качества, а более «древние» – справились. Так, например, д-р Ханс Питерсон (Канада) обнаружил, что применение биологического процесса в сочетании с быстрыми фильтрами позволяет очистить воду из канадских озер до требуемых показателей.

Возможности современных способов очистки, таких как осаждение и песчаная фильтрация, приведены на схеме ниже, где они сравниваются с мембранными системами: обратным осмосом, ультра и нанофильтрацией. Мембранные системы можно еще назвать фильтрами тонкой очистки.

Рис.4: Возможности технологий фильтрации воды

Минеральные включения размером более 1 мм (графий, песок) можно удалить осаждением. Загрязнения размером 0.1мм (мелкозернистый песок) удаляются на песчаных фильтрах. Но со временем поры забиваются, и примеси не отфильтровываются. Поэтому иногда используют комбинацию материалов, чтобы большие частицы не закупоривали отверстия слишком рано.

Используя для засыпки более мелкозернистые материалы и добавляя коагулянт можно удалять частицы размером от 1 до 100 микрон.

Что удаляется во время фильтрации?

Размер удаляемых частиц, зависит от типа фильтрующей установки. Медленные фильтры удаляют простейшие одноклеточные микроорганизмы и вирусы. В результате получается довольно чистая вода, хотя в качестве мер предосторожностей мы рекомендуем обеззаразить ее.

Быстрые фильтры задерживают взвешенные частицы, к которым могут прикрепляться бактерии, тем не менее, очищенная вода содержит и бактерии. и вирусы.

Таким образом, хотя очистные сооружения задерживают большое количество вредных примесей, после фильтрации требуется обеззараживание, чтобы получить пригодную для питья воду.

Однако, несмотря на то, что скорые песочные фильтры не могут удалить бактерии и вирусы, механическая фильтрация – это важный элемент очистных сооружений. Подобно коагуляции, фильтрация удаляет взвешенные и растворенные вещества. Это также снижает потребность в хлорсодержащих соединениях, требуемых для обеззараживания.

Наша компания производит станции водоподготовки в блочно-модульном исполнении, для обеспечения водой поселков и промышленных объектов, которые удалены от коммуникаций центрального водоснабжения. В технологии очистки применяем методы коагуляции и фильтрации в напорном режиме на механических и сорбционных фильтрах, а также различные способы обеззараживания обеззараживания.