Experimente

E5. STUDIUL PROCESULUI DE COAGULARE – FLOCULARE AIMPURITĂŢILOR FINE ŞI COLOIDALE DIN APE

E5.1 OBIECTIVELE EXPERIMENTELOR

Experimentele au următoarele obiective:- să permită studierea fenomenului de coagulare - floculare a impurităţilor fine sau

coloidale dispersate în apele de alimentare sau uzate, fenomen pe care se bazează în practică tratamentul de înlăturare a turbidităţii şi culorii apelor;

- experimentele se vor face cu un stand de laborator care pune în evidenţă informaţii cantitative şi calitative despre intensitatea de floculare (generarea şi creşterea flocoanelor) în funcţie de gradul de agitare a apei supuse tratamentului, capacitatea de sedimentare a flocoanelor formate, limpezimea efluentului rezultat în urma tratamentului şi altele;

- aparatul utilizat este similar cu cele folosite în laboratoarele staţiilor pentru potabilizarea apei de alimentare sau a staţiilor de epurare a apelor uzate pentru stabilirea dozelor optime de reactiv (coagulant);

- în timpul experimentelor se vor determina dozele optime de coagulant pentru diferite feluri de reactivi (coagulanţi-floculanţi) şi ape brute supuse tratamentului, se va stabili pH-ul optim pentru care procesul de coagulare-floculare se desfăşoară cel mai corespunzător şi se vor studia efectele duratei şi intensităţii de amestecare asupra procesului de floculare.

E5.2 ASPECTE TEORETICE

În staţiile pentru tratarea apelor de alimentare, precum şi în staţiile de epurare a apelor uzate, operaţia tehnologică de limpezire a apei se face pe cale mecano-chimică, prin separarea prin sedimentare a impurităţilor solide din apele supuse tratamentului.

Sedimentarea (decantarea) este un fenomen fizico-mecanic de depunere gravitaţională a particulelor solide aflate în suspensie în lichidul supus procesului. Totuşi, în cazul decantării apelor naturale sau uzate, doar o parte dintre particulele solide se separă prin sedimentare (denumite particule sau suspensii sedimentabile), cealaltă parte, compusă în special din particule fine sau coloizi (care sunt particule foarte mici cu dimensiuni de 0,1 – 100 μm care sunt legate electrochimic de masa de apă) dispersaţi în apă, se separă prin sedimentare într-un interval de timp foarte îndelungat sau niciodată. Particulele fine şi coloizii dispersaţi în apă poartă numele de particule sau suspensii nesedimentabile şi conferă apei tulbureală (sau turbiditate) şi culoare, deci o calitate proastă a limpezimii sale, oricât de mult ar dura procesul de decantare. În scopul separării particulelor nedecantabile, apa este supusă şi unui tratament chimic de amestecare cu reactivi chimici (denumiţi coagulanţi – floculanţi), care se dispersează în apă sub formă de particule foarte fine, încărcate cu sarcină electrică pozitivă, şi care neutralizează legăturile electrochimice stabilite între particulele nedecantabile şi apă, facilitând astfel agregarea acestora în flocoane cu dimensiuni din ce în ce mai mari, şi prin aceasta, sedimentarea lor. Efectul tratamentului de coagulare – floculare este îndepărtarea din apa supusă tratamentului a tulburelii şi culorii, rezultând un efluent limpede şi cristalin.

Tratamentul de coagulare – floculare [4] se realizează într-o instalaţie plasată de regulă chiar în amontele decantorului din treapta mecanică de tratare a apelor, care este compusă din: staţie de preparare şi dozare a reactivilor, bazin de amestec şi bazin de reacţie.

În staţia de gospodărire a reactivilor se realizează depozitarea, pregătirea formei de administrare (pulbere sau soluţie) şi dozarea coagulanţilor –floculanţi. În bazinul de amestec se realizează un amestec intim între reactivi şi apa brută supusă tratamentului prin agitare hidraulică (în amestecătoare cu camere cu şicane sau în amestecătoare cu salt hidraulic) sau mecanică (cu agitatoare mecanice cu palete sau prin introducerea reactivilor în admisia unei pompe centrifuge care transmite fluxul de apă brută spre decantoare). Timpul necesar amestecării coagulantului cu

53

Studiul procesului de coagulare – floculare a impurităților fine și coloidale din ape

apa brută este de 10-20 minute, în cazul amestecării hidraulice, şi de 15-30 minute, în cazul amestecării mecanice. Reacţia de floculare, adică formarea şi creşterea flocoanelor are loc în bazinul de reacţie şi în foarte multe cazuri chiar direct în decantorul primar. În timpul reacţiei de floculare este foarte favorabilă o agitare cu intensitate moderată a apei, pentru favorizarea creşterii şi a agregării flocoanelor, precum şi pentru împiedicarea sedimentării acestora în bazinul de reacţie (se menţionează că o agitare mai intensă a apei ar duce la fărâmiţarea flocoanelor, iar o agitare cu intensitate scăzută favorizează depunerea flocoanelor). În acest scop, bazinele de reacţie sunt prevăzute cu amestecătoare lente, de asemenea hidraulice sau mecanice (amestecătoare de tip camere cu orificii şi şicane, amestecătoare conice sau amestecătoare cu palete, cu arbori orizontali). Realizarea floculării direct în bazinele decantorului primar prezintă avantajul important că se evită fragmentarea flocoanelor la trecerea acestora din bazinul de reacţie în decantor, aşa cum se întâmplă de obicei atunci când construcţiile floculatorului şi decantorului sunt separate.

Folosirea reactivilor de coagulare-floculare în procesul de limpezire a apei conduce la depunerea în decantoare a unor volume de nămol de 2-3 ori mai mari decât cele rezultate din procesele de limpezire fără tratament de coagulare-floculare.

Reactivii de coagulare-floculare (denumiţi pe scurt coagulanţi) sunt substanţe chimice care, dacă sunt folosiţi în concentraţiile recomandate, nu sunt dăunători organismului uman. Cei mai uzuali reactivi folosiţi pentru tratarea atât a apelor pentru alimentare cât şi a apelor uzate sunt sulfatul de aluminiu şi sulfatul feros, iar mai rar se folosesc: clorură ferică, sulfat feric, silicat de sodiu, aluminat de sodiu.

Sulfatul de aluminiu Al2(SO4)3·18 H2O este un produs industrial solid, cu densitatea de 1620 kg/m3, care are în plus are şi proprietatea de a produce decolorarea apei. Prin dizolvarea în apă, acesta se combină cu bicarbonatul de calciu sau de magneziu, reducând duritatea temporară a apei şi formând hidroxid de aluminiu:

(E5.1)

Hidroxidul de aluminiu se repartizează în apă dispersat în particule fine, încărcate cu sarcină electrică pozitivă, neutralizând sarcina electrică negativă a particulelor coloidale din apa tratată.

La utilizarea sulfatului de aluminiu ca reactiv de coagulare, procesul de coagulare floculare are loc în mod corespunzător dacă apa are duritate suficientă. Dacă apa supusă nu are duritate suficientă, atunci trebuie introdus un reactiv de alcalinizare, astfel încât între doza de coagulant, duritatea temporară a apei şi doza reactiv de alcalinizare să existe relaţia:

(E5.2)

în care: x [mg/dm3] – doza de reactiv de alcalinizare; a [mg/dm3] – doza de sulfat de aluminiu pur; Dt [grade de duritate] – duritatea temporară; k [mg/dm3] – cantitatea de reactiv de alcalinizare necesară pentru mărirea

alcalinităţii apei cu 1 grad (k = 10 pentru var, k = 14,3 pentru sodă caustică, k = 18,9 pentru sodă calcinată.

Sulfatul feros FeSO4·H2O este un produs industrial solid, cu densitatea de 1890 kg/m3. Şi acesta, dacă este dizolvat în apă, reacţionează cu bicarbonatul de calciu sau de magneziu, formând bicarbonat acid feros şi sulfat de calciu sau de magneziu:

54

Experimente

(E5.3)

Ca şi hidroxidul de aluminiu, bicarbonatul acid feros neutralizează sarcina electrică a particulelor coloidale. Pentru producerea fenomenului de coagulare a suspensiilor coloidale din apă, este necesar ca acestea să aibă o alcalinitate corespunzătoare, exprimată prin duritatea temporară a apei. Se menţionează că în cazul utilizării sulfatului feros, dacă apa nu are suficientă alcalinitate (conferită de conţinutul în bicarbonat de calciu sau de magneziu, adică de duritatea sa), procesul de coagulare-floculare nu are loc. De aceea, în acest caz, apa supusă tratamentului trebuie să fie alcalinizată prin adăugare de var sau sodă.

Clorura ferică FeCl3 este de asemenea un coagulant destul de utilizat, care dacă este dizolvat în apă reacţionează cu bicarbonatul de calciu sau de magneziu prezent în aceasta, formând hidroxid de fier, clorură de calciu sau de magneziu şi bioxid de carbon. Hidroxidul de fier se dispersează în particule fine şi neutralizează sarcina electrică a particulelor fine sau coloidale permiţând flocularea acestora.

(E5.4)

Şi în acest caz, dacă apa nu are suficientă alcalinitate, atunci se adaugă sodă în apă producându-se reacţii chimice de forma:

(E5.5)

Se menţionează că, în general, tratamentele de coagulare – floculare a particulelor fine şi coloizilor au ca principali factori de influenţă pH-ul şi temperatura apei. În cazul sulfatului de aluminiu, domeniul de valori al pH-ului în care reacţiile chimice de coagulare – floculare au loc este între 5,5–8 iar pentru sulfatul feros domeniul de valori al pH-ului pentru producerea reacţiilor de coagulare – floculare este între 8,5–11. În ceea ce priveşte temperatura, dacă apa supusă tratamentului are valori ale temperaturii mai mici de 4–5 oC, atunci conţine concentraţii reduse de impurităţi coloidale cu sarcină negativă, reacţiile chimice de coagulare producându-se foarte lent, îngreunând astfel exploatarea staţiilor de tratare a apelor.

Pentru îmbunătăţirea calităţii tratamentelor de coagulare – floculare, pe lângă reactivii de coagulare şi alcalinizare se mai introduc de regulă şi o serie de alţi reactivi denumiţi adjuvanţi ai coagulării, a căror folosire aduce următoarele avantaje: creşterea vitezei de floculare, obţinându-se flocoane de dimensiuni mai mari, mai dense şi mai rezistente la sfărmare; lărgirea domeniului pH-ului în care are loc procesul de coagulare – floculare; eficienţă crescută a procesului de coagulare – floculare la temperaturi scăzute; creşterea de 2-3 ori a vitezei de sedimentare a flocoanelor formate, ceea ce conduce la obţinerea unei ape mai bine limpezite.

Ca adjuvanţi ai coagulării pot fi menţionaţi: silicatul de sodiu, bentonita, cărbunele activ sau nalcolitul care trebuie activaţi cu acid sulfuric, acid clorhidric, acid carbonic, acid sulfuros, sulfat de aluminiu, clor gazos, etc.

Analiza apelor uzate în vederea facilitării proiectării fazelor de tratare implică, de cele mai multe ori, efectuarea experimentelor de coagulare-floculare în laborator. Aceste teste sunt folosite pe scară largă pentru controlul funcţionării instalaţiilor şi sunt efectuate cu regularitate de către operatorii staţiilor de tratare a apelor de alimentare şi uzate. Pentru a stabili ce reactivi

55

Studiul procesului de coagulare – floculare a impurităților fine și coloidale din ape

de coagulare sunt necesari, care sunt dozele optime ale acestora şi timpul necesar pentru reacţie, este necesară efectuarea studiilor în laborator a probelor de apă prelevate din decantoare.

Testele de coagulare-floculare în laborator se utilizează pentru a indica dozele optime de substanţe chimice necesare pentru îndepărtarea turbidităţii şi a culorii apei, inclusiv pentru operaţii auxiliare, precum ajustarea pH-ului şi adăugarea suplimentară de adjuvanţi.

În cazul în care nu se pot face teste de laborator privind procesul de coagulare, dozele de reactivi de coagulare se pot stabili pe baza următoarelor date orientative (dozele de adjuvanţi activaţi se stabilesc de regulă la 10% din doza de coagulant):

- pentru ape de alimentare, captate din izvoare şi râuri de munte, dozele maxime uzuale sunt de 40 - 60 mg reactiv/dm3 apă, pentru sulfat de aluminiu, de 35 – 45 mg reactiv/dm3 apă, pentru sulfat feros şi de 25 – 30 mg reactiv/dm3 apă, pentru clorură ferică;

- pentru apă de alimentare, captată din râuri de şes, dozele maxime uzuale sunt de 60 - 100 mg reactiv/dm3 apă, pentru sulfat de aluminiu, de 45 – 55 mg reactiv/dm3 apă, pentru sulfat feros şi de 30 – 40 mg reactiv/dm3 apă, pentru clorură ferică;

- pentru apele uzate, doza de sulfat de aluminiu se stabileşte în funcţie de caracteristicile apelor supuse tratamentului, care variază foarte mult în funcţie de caz, valorile corespunzătoare ale dozelor de reactiv stabilindu-se mai ales pe cale experimentală.

E5.3 APARATURA ŞI MATERIALELE UTILIZATE

- Aparat de laborator pentru studiul floculării [9] (vezi figura E5.1);- Fotometru (vezi Aparate A1);- Aparat pentru măsurarea pH – ului (vezi Aparate A5);- Pipetă;- Reactivi chimici;- Caolin sau bentonită;- Cafea instant;- Apă de alimentare din surse de suprafaţă, apă uzată, apă de alimentare.

Fig E5.1 Schema aparatului pentru studiul floculării [9]

56

Experimente

Părţile componente ale aparatului pentru studiul floculării din figura E5.1 sunt următoarele:

1. Cadrul de bază al aparatului, dotat cu suport cu iluminaţie fluorescentă pentru vasele de testare;

2. Întrerupătorul general al aparatului;3. Vase gradate din sticlă (cu volumul de 1 l);4. Agitator cu palete;5. Mâner pentru poziţionarea agitatorului pe direcţie verticală;6. Display pentru indicarea turaţiei agitatorului;7. Display pentru indicarea duratei de amestecare a apei cu reactiv;8. Butoane pentru selectarea modului de lucru;9. Buton pentru selectarea reglării turaţiei agitatorului;10. Buton pentru selectarea reglării duratei de amestecare;11. Butoane pentru ajustarea valorilor impuse ale mărimilor reglate;12. Buton pentru pornirea sau oprirea agitatoarelor.

5.4 MODUL DE LUCRU

Pentru studiul coagulării-floculării impurităţilor fine şi coloidale din ape se vor efectua mai multe experimente, şi anume:

Experimentul 5.1 Determinarea dozei optime de coagulant [9]

- se colectează 20 - 50 l apă naturală dintr-o sursă de suprafaţă, înregistrându-se valorile temperaturii apei şi a mediului ambiant din momentul colectării; dacă apa este limpede şi lipsită de culoare este de dorit să se adauge o mică cantitate de caolin sau bentonită şi cafea instant pentru a mări turbiditatea şi colorarea apei;

- se determină valorile iniţiale ale turbidităţii (vezi Metodologia M3), culorii (vezi Metodologia M4) şi pH-ului apei utilizând fotometrul şi pH-metrul (vezi Aparate A1 şi A5);

- se prepară cantităţi suficiente de soluţii de coagulanţi (de exemplu: sulfat de aluminiu şi sulfat feric), care se obţin prin diluarea a 10 g de sare într-un litru de apă distilată, astfel încât dacă se adaugă 1 ml de soluţie de coagulant într-un litru de apă pentru probă se obţine o concentraţie 10 părţi per milion (10 p.p.m);

- se umplu cele şase vase gradate 3 ale aparatului pentru studiul floculării cu câte 1 l din apa care se testează;

- se aşează cele şase vase gradate 3 în poziţiile corespunzătoare pe suportul cadrului de bază 1 al aparatului, după care se introduc în fiecare vas agitatoarele cu palete 4 prin manipularea mânerelor 5 astfel încât paletele să fie poziţionate la cca. 10 mm de fundul vaselor;

- se conectează aparatul la reţeaua de curent (220 V) şi se pune în stare de funcţionare prin acţionarea întrerupătorului general 2 (lampa fluorescentă de la baza vaselor de probă se aprinde);

- se selectează modul de funcţionare manual apăsând tasta MAN;- se reglează turaţia de amestecare a apei cu soluţia de coagulant la valoarea de 100

rot/min prin apăsarea concomitentă a butonului 9, pentru selectarea reglării turaţiei agitatorului şi a butoanelor 11, pentru ajustarea valorilor impuse ale mărimilor reglate până când pe display-ul 6 pentru indicarea turaţiei agitatorului apare valoarea dorită a acesteia;

- se reglează durata de amestecare a apei cu soluţia de coagulant la un minut prin apăsarea concomitentă a butonului 10, pentru selectarea reglării duratei de amestecare şi a butoanelor 11, pentru ajustarea valorilor impuse ale mărimilor reglate până când pe display-ul 7 pentru indicarea duratei de amestecare apare valoarea dorită a acesteia;

- cu o pipetă se introduc diferite cantităţi de soluţie de sulfat de aluminiu în cele şase vase gradate astfel: în vasul 1 nu se introduce nimic (vas martor), în vasul 2 se introduce 1 ml de

57

Studiul procesului de coagulare – floculare a impurităților fine și coloidale din ape

soluţie, în vasul 3 se introduc 2 ml de soluţie, în vasul 4 se introduc 3 ml de soluţie, în vasul 5 se introduc 4 ml de soluţie, iar în vasul 6 se introduc 5 ml de soluţie;

- se porneşte amestecarea apei cu soluţia de coagulant în cele şase vase gradate prin acţionarea butonului 12 pentru pornirea sau oprirea agitatoarelor;

- după terminarea fazei de amestecare a apei cu soluţia de coagulant în cele şase vase gradate, se reglează valorile turaţiei de amestecare la valoarea de 30 rot/min şi a duratei de amestecare la 20 min, prin manevrele prezentate anterior, prin care se iniţiază procesul de floculare;

- se observă procesele de floculare din vasele gradate înregistrându-se momentele în care apar primele flocoane vizibile în fiecare dintre vase (se menţionează că dacă în vase apar flocoane mari este necesară reducerea valorii turaţiei de amestecare);

- după terminarea fazei de floculare se opresc agitatoarele şi se scot din vase prin acţionarea corespunzătoare a mânerelor 5;

- se lasă în repaus vasele pentru o durată de cca. 30 min pentru ca flocoanele să se depună (sedimenteze), apoi se înregistrează turbiditatea, culoarea şi pH-ul apei limpezite (supernatantului) din fiecare vas gradat, precum şi înălţimea stratului de nămol depus în fiecare vas;

- pe baza comparaţiei dintre calităţile supernatanţilor obţinuţi (în special turbiditatea şi culoarea) în vasele gradate se stabileşte doza optimă de coagulant; se menţionează că dacă nu se obţin rezultate satisfăcătoare se repetă experimentele cu alte gamă de concentraţii ale coagulantului până când se pot trage concluzii clare asupra dozei optime de coagulant; de asemenea se vor înregistra valorile limită minime ale concentraţiei de coagulant de la care se sesizează efectul tratamentului cu coagulanţi;

- se repetă experimentele, aşa cum s-a arătat anterior, folosind ca reactiv de coagulare soluţia de sulfat de feric;

- se vor comenta diferenţele care apar între procesele de coagulare –floculare atunci când se folosesc ca reactivi sărurile de aluminiu sau sărurile de fier.

Experimentul 5.2 Determinarea pH-ului optim la care are loc procesul de coagulare – floculare [9]

- se prepară apă brută (adică apă pe care se vor face încercările, aşa cum a fost indicat în experimentul 5.1) la care se ajustează valorea pH-ului prin adăugare de acid sulfuric sau hidroxid de sodiu, astfel încât să se obţină probe cu valori ale pH-ului de 6; 6,5; 7; 7,5; 8 şi 9;

- se umplu vasele gradate cu apă brută cu diferite pH-uri şi se procedează ca la experimentul 5.1, în acest caz introducându-se în vasele gradate doza optimă de coagulant determinată prin încercările de la experimentul 5.1 (se poate utiliza atât sulfat de aluminiu cât şi sulfat feric);

- în urma încercărilor se înregistrează pentru fiecare vas: turbiditatea, culoarea şi pH-ul final ale apei limpezite (supernatantului), precum şi înălţimea straturilor de nămol depus;

- se vor reprezenta grafic curbele de variaţie ale turbidităţii şi culorii supernatanţilor obţinuţe în funcţie de pH-ul iniţial şi de pH-ul final;

- se va stabili care este valoarea optimă a pH-ului iniţial al apei brute pentru care se obţine calitatea cea mai bună a supernatantului obţinut (din punct de vedere al turbidităţii şi culorii) atunci când se utilizează doza optimă de coagulant, determinată în cadrul experimentului 5.1.

Experimentul 5.3 Determinarea efectului intensităţii şi duratei de amestecare asupra procesului de coagulare-floculare [9]

- se umplu cele şase vase gradate cu cate 1 l de apă brută şi se amestecă cu doza optimă de coagulant determinată în cadrul experimentului 5.1, regimul de amestecare al apei cu soluţia de coagulant fiind identic cu cel de la experimentul menţionat;

58

Experimente

- se realizează flocularea cu durate de timp diferite pentru cele vase gradate de 10, 15, 20, 25, 30 respectiv 40 minute (prin scoaterea pe rând a paletelor agitatoarelor din vase după duratele menţionate);

- după scoaterea paletelor agitatoarelor din vase se lasă cca. 30 de minute pentru sedimentarea flocoanelor, după care se vor înregistra turbiditatea, culoarea şi pH-ul supernatantului, precum şi înălţimea stratului de nămol depus în fiecare vas;

- se vor reprezenta grafic curbele de variaţie ale turbidităţii şi culorii supernatanţilor în funcţie de durata de timp de floculare aplicată;

- similar se por face încercări pentru diferite valori ale turaţiei agitatorului (de exemplu: 20 rot/min, 25 rot/min şi 30 rot/min) pentru o durată de timp a floculării de 30 minute, după care se vor înregistra de asemenea turbiditatea, culoarea şi pH-ul supernatantului, precum şi înălţimea stratului de nămol depus în fiecare vas;

- se vor reprezenta grafic curbele de variaţie ale turbidităţii şi culorii supernatanţilor în funcţie de turaţia agitatorului, adică de intensitatea de amestecare din timpul procesului de floculare.

E5.5 ÎNREGISTRAREA ŞI PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE

Înregistrarea atât a datelor experimentale, cât şi a celor calculate, se va face în următoarele tabele, pe baza cărora se ridică curbele de variaţie indicate:

Tabelul E5.1

Vasul

Doza de coagulant[p.p.m]

Momentul apariţiei

primului flocon[min]

Turbiditatea[FAU]

Culoarea[Hazen]

pH-ul Înălţimea

stratului denămol[mm]

Iniţială Finală Iniţială Finală Iniţial Final

123456123456

Reactivul utilizat: Doza optimă de reactiv:

Tabelul E5.2

Vasul

pH-ulapei brute

Momentul apariţieiprimului flocon

[min]

Turbiditatea[FAU]

Culoarea[Hazen]

pH-ul supernatantului

Înălţimeastratului de

nămol[mm]Iniţială Finală Iniţială Finală

1 62 6,53 74 7,55 86 9

Reactivul utilizat: Doza de reactiv utilizată: Valoarea optimă a pH-ului:

59

Studiul procesului de coagulare – floculare a impurităților fine și coloidale din ape

Tabelul E5.3

Vasul

Duratafazei de floculare

[min]

Momentul apariţiei primului flocon

[min]

Turbiditatea[FAU]

Culoarea[Hazen]

pH-ulÎnălţimea

stratului denămol[mm]Iniţială Finală Iniţială Finală Iniţial Final

1 102 153 204 255 306 40

Reactivul utilizat: Doza de reactiv utilizată: Durata optimă a fazei de floculare:

Tabelul E5.4

Vasul

Turaţia de amestecarela floculare[rot/min]

Momentul apariţieiprimului flocon

[min]

Turbiditatea[FAU]

Culoarea[Hazen]

pH-ulÎnălţimea

stratului denămol[mm]Iniţială Finală Iniţială Finală Iniţial Final

1 202 253 304 205 256 30

Reactivul utilizat: Doza de reactiv utilizată: Turaţia optimă de amestecare la floculare:

60