Teoria koagulacji wody i jej wdrożenia techniczne

Koagulacja to najprościej przedstawiając proces zespalania drobnych trudno opadających cząsteczek  zanieczyszczeń wody w większe aglomeraty które łatwiej usunąć w procesach sedymentacji i/lub filtracji.

Z wielu metod prowadzenia koagulacji takich jak działanie promieniami β i γ, ogrzewanie, wymrażanie, działania mechaniczne, dehydratacja, w kręgu naszych rozważań pozostają procesy koagulacji chemicznej związane z dodawaniem do wody koagulantów.

Proces koagulacji wody zachodzi w  dwóch fazach: w pierwszej trwającej ułamki sekund po dodaniu dawki koagulantu, w wyniku reakcji chemiczno – fizycznych ma miejsce proces przekształcania koloidów stabilnych w niestabilne  (zmiany potencjału elektrycznego), w drugiej trwającej dłużej – od kilku do 30 minut – następuje tworzenie rozbudowanych aglomeratów cząstek, przy udziale mostków z grup wodorotlenkowych.

Obie wymienione wyżej fazy wymagają dostarczenia do mieszanki wody i koagulantu dużej ilości energii w postaci mieszania roztworu, szybkiego w fazie pierwszej i wolnego w drugiej.

Dla prawidłowego prowadzenia procesu koagulacji ważnym jest aby nie przedłużać czasu szybkiego mieszania – może to powodować  wtórne rozbijanie formujących się floków.

W wyniku koagulacji uzyskuje się :

• usuwanie mętności wywołanej obecnością krzemionki , gliny oraz kwasów humusowych
• redukcję barwy wywołanej obecnością glonów , zanieczyszczeń organicznych oraz   kwasów humusowych
• redukcję stężeń jonów metali ciężkich
• usuwanie fitoplanktonu
• usuwanie bakterii i wirusów na cząstkach koloidów
• obniżenie potencjału tworzenia THM
• redukcję węgla organicznego ( OWO )

Zagadnienie 1.  Koagulant.

Stosowane koagulanty :

– siarczan glinowy Al₂ (SO₄)₃ x 18 H₂O

– siarczan żelazowy Fe₂(SO₄)₃ x  9H₂O

– siarczan żelazawy FeSO₄ x 7H₂O

– chlorek żelazowy FeCl₃ x 6H₂O

– glinian sodowy Na₂Al₂O₄

– chlorek glinu AlCl₃

– chlorki poliglinu Al(OH)_nCL_n  – szeroka grupa asortymentowa wstępnie spolimeryzowanych produktów ( PAX , PAC ).

Koagulant glinowy czy żelazowy ?

Zaletami koagulantów żelazowych w stosunku do koagulantów glinowych są: niska cena, lepiej sedymentujące kłaczki, lepsza redukcja wysokich utlenialności ( ale tylko w warunkach optymalnych prowadzenia procesu).

Stosowanie koagulantów żelazowych jest jednak znacząco ograniczone w związku z niebezpieczeństwem powstawania barwnych chelatów (łączenie żelaza z kwasami humusowymi i innymi koloidami organicznymi). Dotyczy to zwłaszcza uzdatniania wody pitnej.

Dodatkowo koagulanty żelazowe obniżają pH wody w stopniu wyższym niż glinowe oraz powodują tworzenie większej ilości osadu tzw. chemicznego o około 20 – 55 %.

Bardzo popularnym i skutecznym procesem jest stosowanie koagulantów żelazowych przy współudziale wapna w procesach dekarbonizacji przemysłowych wód chłodniczych i technologicznych.

Doświadczenia z procesami koagulacji wód miękkich górskich wskazują na przydatność koagulantów glinowych typu PAX z niewielkim dodatkiem żelaza w postaci chlorku dla poprawy redukcji barwy i utlenialności.

Produkowane przez Kemipol Sp.z o.o. koagulanty PAX tworzą szeroką paletę produktów i typów różniących się następującymi parametrami :

 – zasadowość 26 – 90 % ( mole grupy OH/ 3 moli Al X 100% ) , rozróżniamy :

            – PAX niskozasadowy ( np. PAX 14 , PAX 16 , PAX 18 )

             – PAX średniozasadowy ( np. PAX XL10 , PAX XL1 , PAX XL60 )

             – PAX wysokozasadowy ( np. PAX XL 19H )

  – zawartość glinu 4,5 – 12,5 %

  – zawartość jonów Cl^–  5 – 22%

  – obecność lub brak modyfikatorów :

             – anionowe NO₃ , SO₄

             – kationowe Mg , Na , Si , Ca

  – tzw. moduł masowy czyli Al⁺ / Cl^–

  – polimeryzacja – czyli formy A1 , A2 , A3

Każdy z wyżej przedstawionych parametrów odgrywa pewną rolę w procesie koagulacji wody, np. obecność jonów siarczanowych sprzyja ewidentnie wzrostowi szybkości formowania floków.

Obecność jonów siarczanowych lub krzemionki powoduje także delikatne przesunięcie optymalnego pH procesu w kierunku kwasowym.

Efektywność koagulacji wody w dużym stopniu uzależniona jest od parametrów fizyko – chemicznych uzdatnianej wody jak i rodzaju stosowanego koagulantu i jego dawki , jednocześnie koagulacja wody niesie pewne konsekwencje w postaci zmiany parametrów wody i tutaj spotykamy wielką zależność od rodzaju koagulantu jak i dawki.

Zagadnienie 2. Wpływ parametrów wody koagulowanej na proces koagulacji.

pH wody

Wpływ pH koagulowanej wody widoczny jest w rozpuszczalności poszczególnych soli glinowych i żelazowych –  ilustruje rys. 1. co także znajduje swoje odzwierciedlenie w zawartości glinu resztkowego – rys. 2

Temperatura wody

Temperatura wody koagulowanej ma znaczny wpływ na proces koagulacji – zwłaszcza jej drugiej fazy – flokulacji. Przy niskich temperaturach wody rzędu 1 – 6 ⁰C wzrasta zawartość glinu resztkowego szczególnie przy stosowaniu siarczanu glinu. Zdarzają się przypadki całkowitego zahamowania procesu podczas dozowania siarczanu glinu do bardzo zimnej wody.

Twardość wody

Doświadczenia zebrane z wielu obiektów w Polsce potwierdzają badania labolatoryjne dowodzące wpływu twardości ogólnej wody na efekty koagulacji. Tutaj także zaznacza się  zależność od typu stosowanego koagulantu.

Potwierdza się delikatna różnica:  większe twardości wody sprzyjają wzrostowi redukcji barwy i w nieco mniejszym stopniu redukcji mętności. Ilustruje to schematycznie rys.3

Zagadnienie 3 . Zmiana parametrów wody w wyniku procesu koagulacji.

 Proces koagulacji wody zawsze powoduje zmiany parametrów wody takie jak :

• konsumcja alkaliczności
• produkcja CO₂
• spadek pH wody
• produkcja osadu tzw. „chemicznego”

O wielkości wyżej wymienionych czynników decyduje rodzaj użytego koagulantu jego zasadowość a także dawka .

Konsumpcja alkaliczności

Najwyższa konsumcja alkaliczności dla siarczanu glinu ( ALK ) , maleje stopniowo ze wzrostem zasadowości PAX-u. (rys. 4)

Przypomijmy , że pax niskozasadowy posiada zasadowość rzędu 33% i stosunek OH/Al około 1,0.

PAX średniozasadowy z zasadowością około 50% stosunek OH/Al rzędu 1,5.

PAX wysokozasadowy z zasadowościa około 90% , stosunek OH/Al rzędu 2,5. (rys. 5)

Produkcja CO₂  i zużycie HCO

Al₂(SO₄)₃ + 6 HCO₃ = 2Al(OH)₃ + 6 CO₂ + 3 SO₄

2 Al (OH)_1,5Cl_1,5 + 3 HCO₃ = 2Al(OH)₃ + 3 CO₂ + 3 Cl^–     PAX SZ 50%

Podsumowując :

dla produkcji 1 mola Al(OH) :

                                               ALK          PAX SZ50%

            – zużycie HCO                 3                1,5

            – produkcja CO₂                3             1,5

            – wzrost SO₄                   1,5             0

            – wzrost Cl^–                      0                 1,5

Zagadnienie 4 .  Techniczne sposoby prowadzenia koagulacji wody.

Procesy fizyko – chemiczne koagulacji to jeden aspekt sprawy, drugi to techniczny sposób jej prowadzenia.  Rodzaj uzdatnianej wody, wymagania dotyczące niezbędnego stopnia jej oczyszczenia ale także uwarunkowania lokalizacyjne, finansowe i wiele innych decydują nad wyborem sposobu prowadzenia koagulacji.

Znane są trzy sposoby :

• koagulacja objętościowa (zbiorniki szybkiego i wolnego mieszania, sedymentacja i filtracja)
• koagulacja kontaktowa (komory szybkiego mieszania, strefa osadu zawieszonego, filtracja)
• koagulacja powierzchniowa (koagulant dodawany bezpośrednio przed złożem filtracyjnym)

Każdy sposób prowadzenia koagulacji posiada pewne wymagania dotyczące szybkości tworzenia floków , ich opadalności i wielkości. Skrótowo

• koagulacja klasyczna objętościowa najlepiej pracuje z koagulantem dającym duże dobrze opadające floki, czas ich tworzenia może być dłuższy – zbliżony do czasu łącznego przepływu wody przez komory szybkiego i wolnego mieszania, może wynieść 20 – 60 minut.
• koagulacja kontaktowa wymaga spójnych floków z dobrą aglomeracją o średniej opadalności i czasie tworzenia nieco krótszym od koagulacji objętościowej (rząd 20 – 30 minut)
• koagulacja powierzchniowa wymaga szybkiego czasu tworzenia kłaczków w kontakcie ze złożem filtra (rzędu kilku minut maksymalnie) przy warunku, że tworzone kłaczki będą drobne co sprzyja procesowi koagulacji oraz czasowi tzw. filtrocyklu.

Jak ważne są w/w warunki i jak niekiedy trudno je spełnić mogą poświadczyć eksploatatorzy małych gminnych kompaktowych stacji uzdatniania wody którym zaprojektowano i zrealizowano technologię zakładającą 10 – 20 minutowy przepływ uzdatnianej wody przez linię koagulacji i filtracji.

Reasumując, prawidłowy dobór koagulantu powinien uwzględniać :

• pełny zakres parametrów fizyko – chemicznych wody surowej w okresach pełnorocznych (w tym okresy posuchy i deszczowe)
• sposób prowadzenia koagulacji ( objętościowa , kontaktowa lub powierzchniowa )

Projekt linii koagulacji i filtracji z kolei winien uwzględniać dopasowanie wymiarowe  do kryteriów które stawia optymalny koagulant. Jak widać jest tutaj reakcja dwustronna.

Projekt powinien być doprecyzowany pod kątem czasów przepływu po zakończeniu okresu testów laboratoryjnych i pilotowych , ważne szczególnie przy projekcie zakładającym koagulację kontaktową lub powierzchniową.

Zagadnienie 5 . Przydatność poszczególnych grup PAX-ów w zależności od ich zasadowości.

Przedstawione wyżej w zagadnieniach 1 –  4 dane tłumaczą jednoznacznie rosnącą rolę koagulantów typu PAX.

Pozostaje pytanie czy jest możliwe usystematyzowanie tabelaryczne poszczególnych grup PAX-u uwzględniające sposób prowadzenia koagulacji , rodzaj koagulowanej wody i co istotne – zasadowość PAX-u ?

Ten parametr wybija się na czołowe miejsce w klasyfikacji polichlorków glinu. Zasadowość PAX-u ma także wpływ na skuteczność redukcji mętności i zawiesiny    koagulowanej wody co ilustruje wykres na rys. 6

Poniżej przedstawiono skrótowo cechy poszczególnych grup PAX.

PAX-y niskozasadowe

Przydatne, gdy:

• wysoka buforowość wody surowej,
• brak problemów z agresywnym CO₂,
• pH w zakresie 7,5÷8,0,
• brak problemów z glinem resztkowym,
• lepsza od ALK skuteczność przy wodach zimnych.

Cechy:

• bardzo dobra redukcja mętności,
• cena niższa od ŚZ i WZ,
• małe wymagania magazynowe (temp. krzepnięcia – 20°C).

PAX-y średniozasadowe

Przydatne, gdy:

• pH wody surowej 7,0÷8,5,
• alkaliczność wody surowej niska lub średnia.

Cechy:

• największa szybkość tworzenia kłaczków,
• najbardziej skuteczna redukcja mętności (zwłaszcza dla 8÷10 NTU, pH 7,5÷8,2),
• dobra skuteczność dla wód zimnych,
• mniejszy poziom glinu resztkowego.

PAX-y wysokozasadowe

Przydatne, gdy:

• alkaliczność wody surowej niska lub średnia,
• woda surowa o charakterze agresywnym (CO₂).

Cechy:

• najniższy poziom glinu resztkowego (są przypadki nawet przy pH > 8,5, Al < 0,1 mg/l),
• najmniejsza produkcja CO₂,
• najlepsza redukcja organiki (10÷30%),
• najmniejszy spadek pH wody po koagulacji,
• najmniejsze dawki.

Przy uwzględnieniu licznych doświadczeń w skali technicznej z Polski i Europy można skonstruować niżej przedstawioną tabelę zalecanych zastosowań, jak w tab.1

Zbigniew Smołka, Kemipol Sp. z o.o.

Źródło: Forum Eksploatatora 4/2018