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)nCLn – 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)
![Rys. 5. Zużycie alkaliczności [mekv H/l]](https://seidel-przywecki.eu/wp-content/uploads/2021/03/Rys.5.png)
Produkcja CO2 i zużycie HCO
Al2(SO4)3 + 6 HCO3 = 2Al(OH)3 + 6 CO2 + 3 SO4
2 Al (OH)1,5Cl1,5 + 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