Коагуляция-флокуляция — классический способ убрать из воды коллоиды, часть органики и связать кремний перед мембраной обратного осмоса. Если исходная вода содержит много взвешенных веществ и даёт высокий SDI, фильтр не справится сам: коллоиды слишком мелкие, чтобы их задержать механически. Их сначала нужно «склеить» в более крупные частицы.
В этой статье — когда нужна коагуляция, какие реагенты применяются, куда их вводить и почему алюминиевые коагулянты, при всей их эффективности, перед мембраной обратного осмоса не рекомендуются.
Когда нужна коагуляция перед обратным осмосом
Коагуляция-флокуляция применяется, когда исходная вода содержит высокую концентрацию взвешенных веществ, что приводит к высокому SDI. В таких случаях используется классическая схема: хлопья гидроксида подращивают и осаждают в специально спроектированных реакционных камерах, шлам удаляется, а осветлённая вода далее проходит медийную фильтрацию.
В качестве реакторов применяют либо осветлитель контактного типа (solids-contact clarifier), либо компактный реактор коагуляции-флокуляции. Для воды с SDI лишь немного выше 5 применима in-line коагуляция: коагулянт впрыскивается в поток исходной воды, эффективно перемешивается, образующиеся микрохлопья сразу снимаются медийным фильтром. Метод нормирован стандартом ASTM D 4188.
Дополнительно полиэлектролит, добавленный перед фильтрацией, иногда улучшает снижение SDI.
Мембраны обратного осмоса, нанофильтрации и ультрафильтрации
Элементы 2540, 4040, 8040 — серии BW, SW, LP, ULP, XLP, FR, HOR.
Реагенты: FeCl₃, Al₂(SO₄)₃, полиэлектролиты
В качестве коагулянтов перед мембраной применяют:
- Сульфат железа и хлорное железо (FeCl₃) — разрушают отрицательный поверхностный заряд коллоидов и захватывают их в свежеобразовавшиеся микрохлопья гидроксида железа.
- Алюминиевые коагулянты (например, сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃) — также эффективны, но не рекомендуются из-за риска фоулинга остаточным алюминием. Об этом — в отдельном разделе ниже.
- Алюминат натрия и FeCl₃ — применяются в схемах известкового умягчения для попутного снижения концентрации кремния: в осадок уходит карбонат кальция вместе с комплексом кремниевой кислоты, оксида алюминия и железа.
Типовая доза коагулянта — 10–30 мг/л, но подбирается индивидуально по конкретной воде. Решающее значение имеет быстрое диспергирование: рекомендуется встроенный статический миксер или точка впрыска на всасе бустерного насоса.
Флокулянты
Флокулянты — это растворимые высокомолекулярные органические соединения (например, линейные полиакриламиды). Их назначение — укрепить микрохлопья гидроксида и улучшить их фильтруемость, либо «связать» коллоидные частицы между собой. По типу активных групп флокулянты делятся на:
- катионные (положительный заряд);
- анионные (отрицательный заряд);
- неионные (близкие к нейтральным).
Перед мембраной обратного осмоса предпочтительны анионные или неионные флокулянты. Катионные не рекомендуются: при их остаточном присутствии в воде они вступают в реакцию с антискалантом (почти все антискаланты заряжены отрицательно) и с многовалентными катионами — алюминием, железом. Образуется гелеобразный продукт, который крайне тяжело удалить с мембранных элементов. На нескольких установках обратного осмоса именно такая реакция была причиной тяжёлого фоулинга мембран.
Точка ввода и обязательная фильтрация после
Коагулянт всегда вводится до стадии разделения твёрдой и жидкой фазы — медийного фильтра или осветлителя. Без последующей фильтрации применять коагуляцию нельзя: реагент должен войти в состав агломератов и быть удалён вместе с ними. Иначе сам коагулянт становится источником загрязнения мембраны.
Важно избегать проскока хлопьев через медийный фильтр(channeling — каналообразование в загрузке): пропущенные хлопья осядут уже на мембране. Это типовая причина «непонятного» падения потока на чистой по входным показателям системе.
Дополнительный риск — реакция остатков коагулянта с антискалантом, вводимым после фильтра. Антискаланты заряжены отрицательно и реагируют с катионными коагулянтами и катионными флокулянтами. Образуется тот самый гель, который оседает на мембранах. Поэтому точка ввода антискаланта должна быть выбрана так, чтобы остаточные коагулянт и флокулянт были уже сняты на фильтре.
Прямое влияние коагулянта/флокулянта на мембрану зависит от ионной силы воды: для солоноватой и для морской воды результат может отличаться. Чтобы минимизировать этот риск, и выбирают анионные или неионные флокулянты.
Риск передозировки и алюминиевый фоулинг
Это смежная тема — раздел «Предотвращение алюминиевого фоулинга», но она напрямую следует из решения, какой коагулянт использовать. Если при коагуляции применяются алюминиевые продукты, в питательную воду мембраны может уходить остаточный алюминий — и это создаёт сразу несколько проблем.
Источники алюминиевого фоулинга:
- проскок хлопьев из стадии предподготовки, где использован алюминиевый коагулянт;
- постосаждение алюминиевого флокулянта при плохом контроле pH;
- реакция алюминия с кремнием — образуются силикаты алюминия;
- природный минеральный ил и коллоидные алюмосиликаты исходной воды.
Силикаты алюминия откладываются как на первой, так и на последней ступени установок обратного осмоса и нанофильтрации. Даже малые концентрации алюминия — порядка 50 мкг/л — могут приводить к снижению производительности.
Ключевые факторы:
- Алюминий реагирует с кремнием. Даже при низкой концентрации кремния (10 мг/л) возможен фоулинг силикатом алюминия. Применение алюминиевых продуктов в предподготовке существенно увеличивает риск алюминиевого фоулинга. Поэтому применять алюминиевые продукты не рекомендуется — рекомендуются продукты на основе железа.
- Растворимость алюминия минимальна при pH 6,5.Именно на этом pH должна идти флокуляция. Систему обратного осмоса и нанофильтрации предпочтительно эксплуатировать при pH 7–9 (диапазон зависит от анализа воды — нужно избегать карбонатной накипи), чтобы держать алюминий в растворённом виде.
- Антискаланты на полимерах (например, на основе акриловой кислоты) чувствительны к присутствию металлов — железа и алюминия. Если антискалант подобран неверно, он «дезактивируется» (отравляется) — возможно образование накипи и фоулинг самим антискалантом. Кроме того, такой фоулинг становится питанием для микроорганизмов, и развивается биообрастание.
- Тонкие частицы глины и песка. Их рекомендуется снимать на стадии предподготовки — медийной фильтрацией, ультрафильтрацией или микрофильтрацией. Иногда для этого необходимы коагулянты — чтобы укрупнить частицы до размера, снимаемого последующей фильтрацией.
Чтобы минимизировать алюминиевый фоулинг, содержание алюминия в воде питания мембраны должно быть ниже 0,05 мг/л. Это же пороговое значение действует и для трёхвалентного железа: и Al³⁺, и Fe³⁺ должны быть менее 0,05 мг/л в воде питания мембраны, даже если кремний ниже насыщения. Поскольку соли Al³⁺ и Fe³⁺ применяются для коагуляции в муниципальной и промышленной водоподготовке, их концентрации требуется измерять регулярно и точно — даже когда сама исходная вода не содержит высоких уровней этих ионов.
Установки обратного осмоса АКВАПЛЕКС
Готовые промышленные и коммерческие системы 4040 и 8040 от 0,25 до 50 м³/ч.
