Reoveepuhastuses sageli kasutatavate koagulantide, flokulatsiooni ja koagulantide võrdlev analüüs

Sissejuhatus:
Selles artiklis käsitletakse koagulante, flokulande ja koagulantide abivahendeid reovee puhastamisel. Neid aineid on vaja koagulatsiooniks ja settimiseks, flotatsiooniks ning muda konditsioneerimiseks ja veetustamiseks. Happed ja leelised on vajalikud ka pH reguleerimiseks. See artikkel tutvustab neid aineid mitmest vaatenurgast, sealhulgas kontseptuaalsest selgitusest, tavaliselt kasutatavate ainete võrdlevast analüüsist ja agentide valikut mõjutavatest teguritest!

1. Koagulatsioon
Koagulatsiooni põhiülesanne on elektrilise topeltkihi kokkusurumine või laeng neutraliseerida vesi, põhjustades pisikeste kolloidosakeste destabiliseerumist ja algselt agregeerumist, moodustades peened helbed (mikroflokid). Seda protsessi teostavad peamiselt koagulandid, tavaliselt positiivselt laetud anorgaanilised soolad.
2. Flokulatsioon
Peamiselt adsorptsiooni, sildade ja helvete tagasi{0}}kaasamise kaudu muutuvad juba destabiliseeritud peened helbed kolloidsemaks, agregeeruvad ja suurenevad, moodustades tihedaid suuri helvesid (flokulatsioon), mis on kergesti settivad või hõljuvad. See protsess saavutatakse peamiselt flokulantide (tavaliselt suure molekulmassiga polümeeride) abil.
3. Koagulantide abivahendid
Need on koagulandid, mida lisatakse koagulatsiooni/flokulatsiooni parandamiseks või konkreetsete veekvaliteedi probleemide lahendamiseks. Need ei ole ise esmased koagulandid ega flokulandid, vaid täidavad pigem täiendavat, suurendavat rolli, nagu pH reguleerimine, flokimassi suurendamine, floku struktuuri parandamine ja segavate ainete oksüdeerimine.

(I) Koagulandid
Esindajad:

Alumiiniumsulfaat: kõige traditsioonilisem ja laialdasemalt kasutatav.

Polüalumiiniumkloriid (PAC): tüüpiline anorgaaniline polümeerne koagulant.

Raudkloriid (FeCl3): üks sagedamini kasutatavatest rauasooladest.

Raudsulfaat (FeSO4·7H2O): vajab toimimiseks leeliselistes tingimustes oksüdeerimist raudrauaks.

Polüferrisulfaat (PFS): anorgaaniline polümeerne rauasoola koagulant.

Toimemehhanism: hüdrolüüs tekitab kõrge -valentse metalli katioone (Al⁺, Fe⁺) ja nende hüdroksiide, mis destabiliseerivad kolloidi kahekihilise kokkusurumise ja laengu neutraliseerimise kaudu.

Võrdlev analüüs:

PAC/PFS: võrreldes traditsiooniliste alumiiniumsulfaat-/raud(III)sooladega pakuvad need eeliseid, nagu vähendatud annus, kiire ja tihe helvete moodustumine, suurepärane settivus, laiem pH-vahemik (PAC on eriti tõhus neutraalses vahemikus), parem kohanemisvõime madalal -temperatuuril, suhteliselt madal alumiiniumi/rauda jääksisaldus ja madal söövitavus (PAC). Kulud on üldiselt kõrgemad kui traditsioonilised alumiiniumi/raud(III)soolad, kuid nende kõrge efektiivsuse tõttu võib kogukulu olla väiksem.

Alumiiniumsulfaat: suhteliselt odav ja ulatusliku kasutuskogemusega. Selle efektiivne pH-vahemik on aga kitsas (optimaalne pH 5,5-8, tavaliselt 6,5–7,5), halb toimivus madalal temperatuuril, kerged ja lahtised helbed, aeglane settimine, suur muda tootmine ja keskmine veetustamistõhusus. Heitvesi võib sisaldada palju alumiiniumi jääke (mis võib põhjustada terviseprobleeme).

Raud(III)soolad (FeCl₃, FeSO₄): need moodustavad alumiiniumisooladest raskemaid, tihedamaid helbeid, settivad kiiremini ja nende pH-vahemik on lai (FeCl₃ on efektiivne pH 4–12 juures, FeSO₃ aga vajab efektiivseks toimimiseks oksüdatsiooni). Need sobivad hästi madalate temperatuuridega ning eemaldavad suurepäraselt värvi ja sulfiidid. Siiski on need väga söövitavad (eriti FeCl₃) ja töödeldud vesi võib olla määrdunud (kollane või punane). FeSO₄ on ebamugav kasutada (see nõuab oksüdatsiooni) ja väljavoolav rauajääk võib ületada normi (põhjustab määrdumisprobleeme).

(II) Flokulandid
Esindajad:

Sünteetilised orgaanilised polümeerid (PAM): PAM võib jagada kolme tüüpi: anioonne polüakrüülamiid, mida tavaliselt kasutatakse koagulatsiooniks ja settimiseks, negatiivselt laetud molekulaarahelatega; katioonne polüakrüülamiid, mida kasutatakse muda konditsioneerimiseks ja veetustamiseks, positiivselt laetud rühmadega, nagu kvaternaarsed ammooniumisoolad; ja mitteioonne polüakrüülamiid.

Modifitseeritud looduslikud orgaanilised polümeerid: näiteks modifitseeritud tärklis ja kitosaan (katioonne).

Toimemehhanism: Polümeerahela aktiivsed rühmad (negatiivselt, positiivselt või neutraalselt laetud) adsorbeeruvad mitmele destabiliseeritud osakesele või mikroflokile, ühendades need "adsorptsioonsilla" kaudu, moodustades suured, tihedad flokud. Polümeerahela kaasahaarav toime aitab kaasa ka peente osakeste püüdmisele.

Võrdlev analüüs:

Katioonne PAM: enim kasutatav veetöötluses, eriti negatiivselt laetud kolloidide ja hõljuvate ainete puhul (enamik kanalisatsiooniosakesi on negatiivse laenguga). See mitte ainult ei ühenda, vaid sellel on ka laengut{1}}neutraliseeriv toime. See on eriti tõhus muda veetustamise tõhususe parandamisel. Selle molekulmass on tavaliselt kõrge (miljonid kuni kümned miljonid) ja selle annus on äärmiselt madal (tavaliselt 0,1–10 ppm). Hoolikalt tuleb valida sobiv ioonsus ja molekulmass, et vältida üledoseerimist, mis võib viia kolloidi taasstabiliseerumiseni (laengu ümberpööramine).

Anioonne PAM: tugineb peamiselt adsorptsioonisillale. Seda kasutatakse tavaliselt positiivse või neutraalse laenguga hõljuvate ainete töötlemiseks või flokulatsiooni edasiseks suurendamiseks pärast töötlemist anorgaanilise koagulandiga (sellisel juhul on mikroflokid positiivselt laetud). See on tõhusam väga häguse vee korral.

Neutraalne PAM: toetub peamiselt adsorptsioonile ja sildamisele. Sobib elektriliselt neutraalsetele või nõrgalt laetud süsteemidele. See on happelistes tingimustes (pH < 4) või kõrge soolsusega stabiilsem kui ioonne PAM.

Looduslikud modifitseeritud polümeerid: nagu kitosaan (katioon), ei ole-toksilised ja biolagunevad ning neid kasutatakse sageli toidu- ja joogivee töötlemisel või tundlikes rakendustes. Siiski on neil tavaliselt väiksem molekulmass, madalam laengutihedus, need on vähem stabiilsed kui sünteetiline PAM ja võivad olla kallimad.

(III) Koagulandid
1. pH regulaatorid

Tüüpilised ained: lubi (Ca(OH)2), naatriumhüdroksiid (NaOH), naatriumkarbonaat (Na2CO3), väävelhape (H2SO4), süsinikdioksiid (CO2).

Funktsioon: reguleerib toorvee pH vahemikku, kus koagulant on kõige tõhusam. Näiteks alumiiniumsoolade optimaalne pH on ligikaudu 6,5–7,5, rauasoolade pH on laiem (4–12) ja PAC (5–9). Lubi eemaldab ka fosforit ja soodustab koagulandi tootmist (pakkudes Ca²⁺).

2. Floc kaalumisained

Tüüpilised ained: aktiveeritud ränidioksiid, bentoniit, kaoliin.

Funktsioon: suurendab floki tihedust ja kaalu, kiirendab settimiskiirust ja parandab settepaagi tõhusust. Sobib eriti hästi madala-temperatuuri, madala-hägususega (kerged helbed raskesti settivad) või suure-hägususega (moodustab suuremaid ja tihedamaid flokke). Aktiveeritud ränidioksiid pakub ka adsorptsioonituumasid ja parandab floki struktuuri.

3. Oksüdandid

Tüüpilised ained: kloor (Cl2), naatriumhüpoklorit (NaClO), kaaliumpermanganaat (KMnO4), osoon (O3).

Funktsioon: Oksüdeerib ja lagundab vees sisalduvat orgaanilist ainet (näiteks humiinhapet), mis segab hüübimist, hävitades selle stabiilsuse ja kaitseomadused; oksüdeerib ja eemaldab redutseerivad ained (nagu Fe²⁺ kuni Fe³⁺); ja desinfitseerib (kaudselt).

4. Teised

Polüfosfaadid/fosfaadid: väike kogus võib stabiliseerida vees olevaid rauaioone ja takistada sadenemist; liigsed kogused võivad hüübimist häirida. Fosfori eemaldamine nõuab ranget kontrolli.

Väikese molekuliga katioonsed polümeerid: kasutatakse mõnikord eelkoagulantidena või koagulantide abiainetena laengu neutraliseerimise parandamiseks.

1. Vee kvaliteet

Saasteaine tüüp ja kontsentratsioon: kolloidid, hõljuvad ained, orgaaniline aine (KHT/BOD), värvus, hägusus, toitained (N/P), pH, temperatuur, aluselisus, kõvadus, soolsus, redokspotentsiaal jne. Näiteks on rauasoolad paremad kui alumiiniumsoolad kõrge -fosforisisaldusega reovee puhastamiseks; PAC või rauasoolad + aktiveeritud ränidioksiid on efektiivsemad madala-temperatuuri ja madala hägususega vee töötlemisel.

Laenguomadused: Kolloidosakesed on tavaliselt negatiivselt laetud, muutes katioonsed koagulandid ja flokulandid (PAC, CPAM) eriti tõhusaks.

2. Ravi eesmärgid

Peamine eemaldamise sihtmärk: hõljuvad tahked ained/hägusus, fosfor, COD, värv, raskmetallid või muu.

Heitvee kvaliteedinõuded: SS, TP, värvi, jääkmetalli ioonide (Al/Fe) jne piirangud.

Muda omadused: kas seda on lihtne settida, kontsentreerida ja veetustada?

3. Ravi protsess

Traditsioonilisel settimisel, flotatsioonil, kiiretel{0}}selgititel ja membraanide eraldamisel (membraani saastumise minimeerimiseks) on floki suuruse, tiheduse ja tugevusega erinevad nõuded. Floteerimiseks on vaja kergemaid ja ujuvamaid flokke.

4. Majanduslik efektiivsus

Kemikaalide maksumus: ühiku hind ja annus.

Kasutuskulud: seadmed (pumbad, segamine, ladustamine), energiatarve, tööjõud ning muda töötlemise ja kõrvaldamise kulud (erinevad kemikaalid erinevad oluliselt muda mahu ja veetustamise jõudluse poolest).

Üldkulu: suure{0}}tõhusate kemikaalide (nagu PAC ja CPAM) ühikuhind võib olla kõrgem, kuid nende väiksem annus, paremad tulemused ja väiksemad mudatöötluskulud võivad kaasa tuua madalamad üldkulud.

5. Operatiivjuhtimine ja ohutus

Lahustuvus, valmistamise ja doseerimise lihtsus ning stabiilsus.

Sööbivus, toksilisus ja ladustamisohutus (nt FeCl₃ tugev söövitavus ja PAM-i kuivpulbri tolmu plahvatusoht).

Mõju töötajate tervisele ja keskkonnale.

Reoveepuhastuses koagulantide{0}}flokuleerivate ainete valimine on keeruline ja kriitiline otsus. Universaalselt rakendatavat agenti pole. Praktilisel rakendamisel tuleks järgida järgmisi põhimõtteid:

1. Täpne diagnoos ja sihipärane ravi: põhiprobleemi selgeks tuvastamiseks tuleb läbi viia üksikasjalik veekvaliteedi analüüs (nt hägusus, KHT, TP, pH, temperatuur ja zeta potentsiaal).

2. Koagulatsioon, millele järgneb sünergilise efektiivsuse saavutamiseks flokulatsioon. Tavaliselt lisatakse kolloidi destabiliseerimiseks esmalt koagulant (nagu PAC), seejärel flokulant (nagu CPAM), et soodustada helveste kasvu ja settimist. PAC + CPAM kombinatsioon on praegu kõige laialdasemalt kasutatav lähenemisviis.

3. Rõhutage koagulantide abivahendite paindlikku kasutamist: kui esmane aine on ebaefektiivne (nt madal temperatuur ja madal hägusus), võib koagulandi abiaine (nt aktiveeritud ränihape) sobiv valik tulemusi oluliselt parandada.

4. Tugevdage eksperimentaalset valideerimist. Piloottestid on kõige olulisemad vahendid kemikaalide tüüpide sõelumisel, optimaalse annuse ja pH määramisel ning tõhususe ennustamisel. Enne projektitaotluse esitamist tuleb läbi viia põhjalikud segamiskatsed.

5. Täieliku-tsükli maksumuse kaalutlused: arvestage mitte ainult kemikaali ühikuhinnaga, vaid ka selliste tegurite igakülgset hindamist nagu annus, töötlemise tõhusus, muda tootmine ja veetustamine ning seadmete hoolduskulud.

6. Keskenduge ohutusele ja keskkonnale. Eelistage kemikaale, mis on väga tõhusad, madala-toksilisuse, madala-jäägisisaldusega (nt vältige alumiiniumsoolade kasutamist joogivees) ja hõlpsasti kasutatavaid. Rõhutage kasutaja kaitset ja kemikaalide ladustamise ohutust.