В настоящее время отрасль водоснабжения сталкивается с растущим давлением, требующим производства очищенной воды более высокого качества по более низкой цене. Обычные процессы очистки воды включают предварительную химическую обработку, коагуляцию, флокуляцию, отстаивание, фильтрацию и дезинфекцию. Оптимальное дозирование химикатов является неотъемлемой частью производительности каждого единичного процесса в линии обработки. Процесс коагуляции является одним из основных этапов производства питьевой воды. Этот процесс используется для удаления коллоидных частиц из сырой воды. Основная сложность на этом этапе процесса заключается в своевременном определении и автоматическом контроле оптимальной дозы коагулянта, связанной с резкими изменениями качества поступающей сырой воды. В современной практике используется метод тестирования в сосудах, при котором оптимальная доза коагулянта определяется в заводской лаборатории после ухудшения качества очищенной воды в одном или нескольких последующих процессах. Определенная доза коагулянта затем применяется на установке, где проводится дальнейшая оптимизация в полномасштабных условиях установки. Время отклика можно значительно сократить за счет автоматического контроля дозы коагулянта. Передозировка коагулянта приводит к более высоким затратам на обработку и возможным проблемам общественного здравоохранения, в то время как недостаточная дозировка может привести к несоблюдению Южноафриканского национального стандарта питьевой воды и менее эффективной работе завода. Прогнозируется, что изменение климата окажет значительное влияние на мутность сырой воды, особенно в сезон дождей. Эффект более заметен на станциях водоподготовки, использующих забор речной воды, чем на станциях, использующих водозабор плотины, но он затрагивает все растения. Эффективная автоматическая система контроля дозы коагулянта принесет пользу всей отрасли водоподготовки.

Перед проектом стояли следующие цели: 1. Определить надлежащие и подходящие методы автоматического контроля дозы коагулянта в системах водоподготовки. 2. Разработать математическую модель, предсказывающую оптимальную реакцию коагулянта (неорганического и органического) на изменение качества сырой воды. В  центре внимания этого исследовательского проекта находятся обычные водоочистные сооружения. Проект иллюстрирует обычные работы по очистке воды; за исключением процессов обработки, таких как умягчение, фильтры с активированным углем, биологическая очистка и обработка озоном или ультрафиолетом.

Целью обзора литературы было: • Изучение механизмов коагуляции неорганических и органических коагулянтов и их влияние на прогнозирование оптимальной дозы коагулянта. • Проанализируйте системы контроля дозы коагулянта, используемые в настоящее время на обычных водоочистных сооружениях в Южной Африке и во всем мире. • Обзор новых разработок в области автоматического управления дозой коагулянта и оценка их применимости к сырой воде и типам коагулянта. • Определите, какие системы подлежат дальнейшему исследованию.

Коагуляция, осаждение и фильтрация

Важнейшими процессами при очистке воды являются коагуляция, осаждение и фильтрация. Эти единичные процессы используются для удаления твердых загрязняющих веществ, а также растворенных твердых веществ, которые могут повлиять на здоровье человека. Типы и размеры частиц сильно влияют на эффективность процессов водоочистных сооружений. Джеймс Эдзвальд (2013) определяет процесс коагуляции как «все реакции и механизмы, которые приводят к агрегации частиц в обрабатываемой воде, включая превращения коагулянта (где применимо), дестабилизацию частиц, поглощение адсорбата и межчастичные контакты. Физический процесс создания контактов между частицами и агрегатов частиц (хлопьев) называется флокуляцией».

Загрязнения

Коагуляция способствует удалению как органических, так и неорганических загрязнений в растворенных и взвешенных формах. Эти загрязняющие вещества влияют на качество воды и процесс водоподготовки. Частицы, обнаруженные в воде, сильно различаются по концентрации, происхождению и размеру. Выветривание почвы и биологические процессы являются основными источниками большинства частиц, обнаруживаемых в воде. Частицы глины, ила и земного детрита образуются в результате выветривания почвы; другие биологические частицы, содержащиеся в воде, включают водоросли, простейшие, бактерии и другие высшие микроорганизмы. Некоторые взвешенные твердые частицы образуются в результате химических и биологических процессов в источнике воды, в то время как атмосферное осаждение происходит, когда загрязняющие вещества, такие как пыль, сажа, пепел, споры пыльцы, клетки водорослей и другие переносимые по воздуху частицы, переносятся из воздуха в воду. Наличие частиц в воде негативно влияет на процессы водоподготовки, эстетику и здоровье человека. Взвешенные частицы могут вызвать загрязнение в процессе очистки воды и оказать нежелательное влияние на эффективность процесса удаления, например, коллоиды могут защитить микроорганизмы от дезинфекции. Частицы со светорассеивающими свойствами могут увеличивать мутность воды, придавая воде нежелательный мутный вид. Что еще более важно, такие частицы, как патогенные микроорганизмы, влияют на здоровье человека.

Природное органическое вещество

Природное органическое вещество (NOM) возникает как вне водного объекта (переносится в водный объект), так и внутри водного объекта в виде: • Органического вещества в виде твердых частиц, т.е. водоросли, • Растворенный органический углерод, напр. белки, • Органические вещества, образующиеся в результате дыхания и распада. Большая часть NOM в незагрязненных водах состоит из гуминовых веществ. Гуминовые вещества образуются из почвы, химических и биологических процессов, таких как разложение растительности и т. д. Гуминовые вещества делятся на более растворимую фульвокислоту, которая преобладает в большинстве вод, и менее растворимую гуминовую кислоту. Эти вещества являются анионными и имеют различную молекулярную массу. Присутствие NOM выше его порогового значения имеет следующие нежелательные эффекты: • Придает воде неприемлемый с эстетической точки зрения цвет • Влияет на стабильность частиц • Увеличивает щелочность • Способствует возникновению проблем с запахом и вкусом • Действует как предшественник побочных продуктов дезинфекции и других побочных продуктов. продукты • Отрицательно влияет на процессы водоподготовки, такие как дозирование химикатов • Вызывает коррозию.

Теория двойного электрического слоя

Наиболее эффективным способом удаления загрязняющих частиц посредством коагуляции является нейтрализация заряда. Все типы коагулянтов (при определенных условиях) следуют этому механизму коагуляции. Концепция нейтрализации заряда тесно связана с электростатической природой коллоида или частицы. Эта электростатическая устойчивость объясняется теорией двойного электрического слоя. Коллоид заряжен отрицательно и притягивает положительные ионы из раствора к своей поверхности, образуя плотный положительный слой, называемый слоем Штерна. Положительные ионы по-прежнему притягиваются к отрицательному коллоиду, но теперь отталкиваются слоем Штерна, создавая новый слой вокруг слоя Штерна, называемый диффузным слоем. Диффузный слой имеет более высокую концентрацию положительных ионов ближе к коллоиду, которая постепенно уменьшается по мере удаления от коллоида, пока не будет достигнута равновесная концентрация положительных и отрицательных ионов. Дзета-потенциал, обычно обозначаемый греческой буквой дзета (ȗ), объясняется с помощью теория двойного электрического слоя, как показано.

Плоскость скольжения/сдвига обычно находится там, где встречаются слой Штерна и диффузный слой; дзета-потенциал представляет собой потенциальную энергию между дисперсионной средой (объемной жидкостью) и плоскостью скольжения/сдвига. Дзета-потенциал является индикатором стабильности частицы и суммарного поверхностного заряда. Чем дальше значение дзета-потенциала от нуля (как положительного, так и отрицательного), тем более устойчивы частицы к агрегации. Отрицательный дзета-потенциал указывает на отрицательный суммарный поверхностный заряд.

Механизмы коагуляции

На коагуляцию влияют следующие факторы: • Общий органический углерод и растворенный органический углерод (цвет) • Концентрация коллоида (мутность) • Температура • pH • Анионы и катионы в растворе • Электрофоретическая подвижность или дзета-потенциал • Тип коагулянта • Дозировка коагулянта Однако механизмы коагуляции обычно ограничиваются нейтрализацией поверхностного заряда, сменой флокуляции, адсорбцией и образованием мостиков между частицами, как описано ниже.

Нейтрализация поверхностного заряда

Нейтрализация поверхностного заряда представляет собой наиболее простой для мониторинга механизм коагуляции. Это также контролирующий механизм большинства типов коагулянтов. Для автоматического дозирования коагулянта рекомендуется использовать этот механизм коагуляции. Однако этот метод требует точного контроля, поскольку он очень чувствителен к дозе коагулянта, так как работает в ограниченном диапазоне и может быть проблематичным для разбавленных суспензий.

Этот механизм нейтрализации заряда происходит за счет прямого уменьшения суммарного поверхностного заряда, что, в свою очередь, уменьшает толщину диффузного слоя. Это уменьшение толщины диффузного слоя уменьшает количество энергии, необходимой для приведения частиц в контакт. Нейтрализация заряда происходит двумя способами: • Преобладающий механизм действия заключается в том, что коагулянт, несущий заряд, противоположный суммарному заряду поверхности частицы, адсорбируется на поверхности частицы и нейтрализует частицу; эта нейтрализация затем позволяет агрегировать. • Второй способ добиться нейтрализации заряда – изменить химический состав раствора; например, если стабилизация вызвана ионизацией, то регулирование pH раствора приведет к нейтрализации поверхности, что, в свою очередь, приведет к дестабилизации заряда. Гетерокоагуляция аналогична нейтрализации заряда тем, что коагулянт адсорбируется на некоторых частицах, изменяя поверхностный заряд. Это приводит к тому, что частицы с разным суммарным поверхностным зарядом обладают повышенным электростатическим притяжением, увеличивая взаимодействие между частицами.

Адсорбция и образование мостиков между частицами

Этот механизм коагуляции имеет место, когда коагулянт с высокой молекулярной массой и множеством реакционноспособных центров адсорбируется более чем на одной поверхности частиц. В этом случае коагулянт действует как мостик между частицами. Рисунок 2.3 иллюстрирует этот механизм, который полезен для процессов обезвоживания и фильтрации.

Сметающая флокуляция

Сметающая флокуляция происходит, когда используются большие дозы коагулянтов на основе минеральных солей и образуются очень крупные осадки гидроксидов. Частицы запутываются в осадке и могут быть «выметены» из раствора при осаждении. Этот механизм показан ниже. Зачистную флокуляцию нелегко контролировать, и она требует больших доз коагулянта. Эти механизмы могут возникать как одновременно, так и последовательно; однако, какой механизм на самом деле происходит, зависит от факторов, влияющих на коагуляцию, упомянутых ранее в этом разделе. При передозировке минеральных солевых коагулянтов возможна повторная стабилизация частиц и увеличение остаточной мутности. При добавлении большего количества коагулянта на основе минеральной соли преобладающим механизмом будет флокуляция при зачистке, которая снова уменьшит мутность. При передозировке органических/полиэлектролитных коагулянтов частицы могут снова стабилизироваться и увеличить мутность. Если дозировать еще больше органического/полиэлектролитного коагулянта, остаточная мутность не снижается.

Коагулянты

В водоподготовке используются два типа коагулянтов; коагулянты на основе неорганических солей металлов и полимерные/полиэлектролитные коагулянты. Коагулянты на основе неорганических или минеральных солей использовались веками, тогда как полимерные (полиэлектролитные) коагулянты появились относительно недавно (Leopold and Freese, 2009). Полимерные коагулянты могут использоваться как в качестве первичных коагулянтов, так и для дальнейшего добавления в качестве флокулянтов (обезвоживание осадка)/добавок коагулянта (фильтрация).

Коагулянты на основе минеральной соли.

Наиболее распространенными коагулянтами являются минеральные соли, такие как сульфаты или хлориды, содержащие ионы железа или алюминия. При растворении в воде эти коагулянты образуют продукты гидролиза. Существует два возможных механизма удаления твердых частиц с помощью этого типа коагулянта: • Нейтрализация заряда: это происходит путем образования многозарядных комплексов с повышенной адсорбцией. Эти механизмы требуют определенного диапазона pH для оптимальной работы. • Флокуляция подметанием Коагулянты на основе солей металлов также используются для удаления природных органических веществ. Механизмы для этого следующие: • Нейтрализация заряда, вызванная связыванием частиц металлов с анионными участками органического материала • Флокуляция зачистки. Для достижения оптимальных характеристик растворимость осадка должна быть минимальной; точка минимальной растворимости (оптимальный рН для осаждения) находится в определенном диапазоне рН для каждого металла. Диаграммы коагуляции представляют собой обобщенные диаграммы, показывающие диапазон pH и дозировку коагулянта, необходимую для создания правильной среды для определенных механизмов коагуляции. Ниже показаны диаграммы коагуляции для солей железа и алюминия. На диаграмме коагуляции квасцов видно, что малая доза коагулянта (3-10 мг/л) и рН 5 позволяют нейтрализации заряда быть доминирующим механизмом коагуляции. Диаграмма коагуляции железа показывает, что при использовании хлорида железа задействованы два механизма, и что доминирующим механизмом является флокуляция.

В качестве коагулянтов из минеральных солей обычно используются хлорид железа, сульфат алюминия (квасцы) и хлорид полиалюминия (ПАХ), причем наиболее широко используются квасцы. Полиалюминийхлорид представляет собой предварительно гидролизованный коагулянт на основе минеральной соли, который, как говорят, обладает свойствами полимерных/полиэлектролитных коагулянтов, а также коагулянтов на основе минеральной соли. Эти соли меньше зависят от температуры, процесса смешивания и рН.

Полиэлектролитные/полимерные коагулянты

Активированный диоксид кремния был первым используемым полиэлектролитом. Его готовили на месте путем подкисления раствора силиката натрия. Отрицательно заряженные полисиликатные соединения образовывались при подкислении и добавлялись в сырую воду вместе с коагулянтами на основе солей металлов. Активированный кремнезем используется для очистки воды с низкой мутностью; хотя немногие современные заводы используют его.

Натуральные коагулянты

Натуральные органические коагулянты в основном используются в развивающихся странах, поскольку они дешевле, чем их синтетические аналоги. Они сделаны из природных органических соединений, которые включают мацерированные семена Moringa oleifera, хитозан из ракообразных и лигнин, такой как модифицированный крафт-лигнин и лигносульфонаты.

Полиэлектролитные коагулянты

Полиэлектролитные коагулянты синтезируются из субъединиц, называемых мономерами, и будут полимерными коагулянтами, используемыми в ходе исследовательского проекта. Полимерные коагулянты доступны в различных формах, а именно анионных, катионных и неионогенных (Leopold and Freese, 2009). На международном уровне эти коагулянты в основном используются в качестве флокулянтов или вспомогательных средств для коагуляции и могут использоваться в сочетании с коагулянтами на основе минеральных солей для усиления коагуляции. Катионные полиэлектролиты используются в качестве первичных коагулянтов или вспомогательных коагулянтов. Они имеют относительно низкую молекулярную массу и используют нейтрализацию поверхностного заряда в качестве механизма коагуляции. Эти полиэлектролиты менее эффективны в водах с высоким содержанием органических веществ и разбавляют неорганические суспензии, поскольку они не способны осуществлять флокуляцию зачистки. Анионные и неионогенные полиэлектролиты используются в качестве флокулянтов при обезвоживании осадка и в качестве фильтрующих добавок. Они имеют высокую молекулярную массу, и механизм коагуляции, который они используют, представляет собой образование мостиков между частицами.

Механизмы коагуляции органических коагулянтов: • Нейтрализация заряда, вызванная адсорбцией ионов на поверхности частиц. • Межчастичные мостики: молекула полимера с высокой молекулярной массой адсорбируется одновременно более чем на одной частице, физически сближая частицы.

Выбор коагулянта

Выбор подходящего коагулянта зависит от качества сырой воды, стоимости реагентов, опасного характера реагента и процесса очистки воды. Прежде чем коагулянт может быть одобрен, необходимо провести физические тесты, чтобы установить правильный коагулянт и дозировку. Баночный тест наряду со спектрофотометрией можно использовать для подбора коагулянта, подбора дозировки и определения оптимального рН. После выбора подходящего продукта и дозы следует постоянно проводить рутинные испытания в сосудах для оптимизации работы установки.