Какви са приложенията на алуминиев сулфат в пречистването на вода?

Как функционира алуминиевият сулфат като коагулант в пречистването на вода

Разбиране на коагулацията и ролята на алуминиевия сулфат при деактивиране на окачени частици

Обработката на водата започва с коагулация, процес, при който се обединяват миниатюрни примеси, за да могат по-късно да бъдат премахнати. Алуминиевият сулфат работи изключително добре именно в този етап, защото при разтваряне освобождава тривалентни алуминиеви йони (Al³⁺), които ефективно неутрализират отрицателните заряди на частици, намиращи се във водата – като глинени частици, фрагменти от органични вещества и дори някои вредни микроби. Когато тези заряди бъдат неутрализирани, частиците спират да се отблъскват взаимно и започват да се агрегират по време на фазата на бързо смесване, която обикновено продължава около минута или две. Повечето водни станции установяват, че алуминиевият сулфат дава най-добри резултати, когато pH на водата е между 5,5 и 7,5. Количеството алуминиев сулфат, което трябва да се добави, варира значително – типично между 50 и 300 милиграма на литър, в зависимост от степента на замътеност на водата и вида на наличните замърсители.

Химически механизъм на алуминиевия сулфат при образуване на флокуленти и премахване на примеси

След като зарядите се изравнят, алуминият започва да се разгражда чрез хидролиза, при която се образува алуминиев хидроксид (Al(OH)3). Това вещество образува желиран твърд материал, който е изключително добър в улавянето на вещества, които искаме да премахнем от водата. Докато тези малки агрегати, наречени флокове, се развиват, те могат да достигнат размери от половин милиметър до три милиметра. Това им позволява лесно да се утаяват в третиращите резервоари. Когато всичко работи правилно, този метод премахва около 85 процента до почти цялата мътност от водните проби и отстранява приблизително две трети до четири пети от досадните органични съединения. Проучвания показват, че тези хидроксидни флокове се закачат за различни разтворени замърсители, като йони на фосфати и различни видове тежки метали, чрез образуване на връзки по повърхността им. Това залепване всъщност подобрява общата ефективност на цялата система за пречистване.

Сравнение с алтернативни коагуланти: Ефективност, разходи и практически аспекти

Хлоридът на желязо може да премахне почти целия фосфор от водата, понякога чак 98%, което е много по-добре в сравнение с алуминиевия сулфат, който премахва около 70 до 85%. Недостатъкът обаче е, че хлоридът на желязо разяжда тръбите и оборудването много по-бързо, което означава, че общините трябва да похарчат допълнително за ремонти и подмяна. Синтетичните полимери са друга възможност, която дава наистина прозрачна вода и оставя малко утайка след пречистването, но тези материали имат високи цени, които ги правят непрактични за повечето обикновени пречиствателни станции за отпадни води. Затова много градове все още използват алуминиев сулфат, въпреки наличието на нови алтернативи. Алуминиевият сулфат съществува от десетилетия, работи надеждно, без нужда от сложни процедури за настройка и не претоварва бюджета, както правят някои по-скъпи опции. За местните власти с ограничен бюджет и остаряваща инфраструктура, използването на познати решения има смисъл, дори ако те не са технически най-добрите на разположение.

Екологични притеснения: остатъчен алуминий и дългосрочна безопасност в обработената вода

Световната здравна организация е установила максимално допустимо ниво от 0,2 милиграма на литър за остатъчния алуминий в чешмяната вода, тъй като съществуват притеснения относно възможните ефекти върху мозъчната функция с течение на времето. Съоръженията за пречистване на вода, които използват по-нови методи за филтриране, могат да намалят тези следи от алуминий с около 70 до дори 90 процента в сравнение с по-старите методи. Проследяването на нивата на pH по време на целия процес и добавянето на допълнителна стъпка със специални мембрани след обработката помага да се гарантира, че ще се спазват безопасните граници, определени от здравните власти. Това поддържа хората здрави, без да намалява ефективността на целия процес на пречистване.

Подобряване на прозрачността на водата и премахване на мътността в общинските водоснабдителни системи

Сулфатът на алуминия продължава да бъде често срещан избор за пречистване на вода в градовете, тъй като може да намали мътността на водата с около 90%. Това се случва, защото той неутрализира електрическите заряди на микроскопични частици като парченца глина, фини прахови частици и дори малки организми, които се намират във водоснабдителната система. След това тези частици се обединяват, образувайки по-големи хлопи, които утаяват по-лесно. Проучване, публикувано през 2021 г., показа, че при правилно прилагане нивото на мътност пада под 0,3 NTU, което всъщност отговаря на насоките на Световната здравна организация за чиста питейна вода. Този ефективен резултат означава по-малко натоварване на филтрите по-нататък в системата. Така очистните съоръжения работят по-добре общо взето и спестяват пари, особено важно за големите градски водни системи, които обслужват милиони хора всеки ден.

Премахване на органични вещества, патогени и тежки метали чрез коагулация

Начинът, по който алуминиевият сулфат действа при коагулацията, означава, че може едновременно да премахва различни видове замърсители. Органичните вещества, разтворени във водата, се закрепват за флокулите от хидроксид на алуминий, които се образуват по време на обработката. Бактерии като E. coli, както и паразити като Giardia, също се задържат физически в този процес. Когато рН се поддържа около 6,5 до 7,5, проучвания показват степен на премахване между 85% и 92% за тежки метали, включително олово, арсен и хром. Това прави метода изключително ценен, тъй като позволява едновременното премахване на множество замърсители, намалявайки нуждата от допълнителна дезинфекция. Въпреки това, точното дозиране има голямо значение, защото прекомерното количество нереагирал алуминий може да надвиши безопасната граница от 0,2 mg на литър, което не е полезно за никого.

Повишаване на ефективността на утаяването и филтрирането след обработка с алуминиев сулфат

Когато се третират с алуминиев калиев гвоздей, флокулите се утаяват около 40 до 60 процента по-бързо в утаителните резервоари в сравнение с частици без обработка, което значително подобрява отделянето на твърдите вещества. По-бързото утаяване означава, че филтрите се запушват по-рядко и могат да работят по-дълго време преди да се нуждаят от почистване, като така се намалява необходимостта от обратно промиване с около 30%. Интересното е как лепкавата консистенция на флокулите от алуминиев хидроксид действа като допълнителен филтриращ слой в пясъчните филтри. Тези флокули задържат микроскопично малки частици с размер под един микрометър, които случайно са пропуснати през първоначалния етап на коагулация. Всички тези подобрения заедно означават, че качествените системи за пречистване могат да отстраняват повече от 99,9% от всички частици от крайния изходящ воден поток.

Ефективно премахване на фосфора от битови и индустриални отпадъчни води

Алуминият работи доста добре при премахване на фосфора благодарение на реакцията с лиганди, за която толкова често говорим в кръговете по пречистване на води. По същество, когато йоните Al3+ влязат в контакт с ортофосфатните йони (PO4^3-), те се комбинират и образуват алуминиев фосфат (AlPO4), който не се разтваря във вода. Този продукт след това се утаява и се премахва чрез механично филтриране. Анализирайки данни от 45 различни пречиствателни съоръжения за отпадни води в Европа, изследователи установиха, че използването на алуминий намалява нивата на общ фосфор под 0,5 мг/л в около 88 процента от тези съоръжения. Това всъщност отговаря на изискванията на Директивата за водите на ЕС относно стандартите за чиста вода. Продуктът показва особено добри резултати при пречистване на отпадни потоци от хранителни производители и текстилни предприятия, тъй като тяхното оттичане често съдържа изключително високи нива на фосфор, понякога надхвърлящи 15 мг/л според концентрационните тестове.

Намаляване на замътеността и замърсителите в отпадни води с високо натоварване

Двойният ефект на алуминия от коагулация и флокулация го прави подходящ за третиране на сложни и тежки отпадъчни води:

• Колоидни суспензии : неутрализира отрицателно заредени частици във води с мътност над 1000 NTU
• Тежки метали : Тъжни метали: съвместно изсипва Pb2+ и Cr3+ чрез образуване на хидроксид при pH 9 - 9,5
• Органични натоварвания : Намалява потреблението на химичен кислород (COD) с 65-80% в отпадъчните води от хартиенето чрез свързване с лигнин и протеини

Данните от полето от седем индустриални парка в Китай показват, че алумът постига 98% от общото отстраняване на суспендирани твърди вещества (TSS) в потоци с начално съдържание на твърди вещества над 5000 mg/l, което показва стабилна ефективност при тежки условия.

Случайно проучване: Успешно прилагане в градските пречиствателни инсталации за отпадъчни води

Европейска общинска инсталация, обслужваща 1,2 милиона жители, постигна значителни подобрения след преминаването си към коагулация с алуминиев сулфат. За обработването на 300 000 m3/ден от отпадъчни води, съоръжението съобщава:

В продължение на 18 месеца на изпитание, в инсталацията остатъчните нива на алуминий са под 0,2 mg/l, като същевременно се постига 94% отстраняване на фосфор и 82% намаляване на COD, което потвърждава ефективността и икономическата жизнеспособност на алуминия при управление

Оптимизиране на производителността на алуминиевия сулфат: дозиране, рН и условия на водата

Идеален диапазон на pH и дозировъчни стратегии за максимална ефективност на коагулацията

Най-добри резултати за коагулация се постигат, когато нивото на рН остава между около 5,5 и 7,5. В рамките на този диапазон процесът става много по-ефективен, понякога се подобрява с 40 до 60 процента в сравнение с това, което се случва извън тези числа. Когато става въпрос за това колко алмун да се използва, повечето лечения изискват между 5 и 200 милиграма на литър. Но ако водата е много кална или има много замърсители, в някои случаи може да се наложи да се вземат до 500 мг/л. Това помага да се избегне използването на твърде много алуминий, който може да остави излишък от алуминий във водата, надвишаващ безопасната граница от 0,2 mg/l, определена от Световната здравна организация. Това затруднява образуването на подходящи класове и в крайна сметка намалява ефективността на цялото лечение.

Влияние на температурата на водата, алкалността и йонния състав

Водата, която е под 10 градуса по Целзий наистина забавя бързината на реакциите по време на лечението. Това означава, че стадата се формират много по-бавно, понякога отнемайки от 30 до 50 процента повече от нормалното, а операторите трябва да смесват нещата за продължителни периоди. Когато става въпрос за нивата на алкалност, те играят голяма роля в запазването на системата от твърде киселинна след добавяне на алум. Ако алкалността падне под 50 милиграма на литър като калциев карбонат, повечето пречиствателни станции в крайна сметка се нуждаят от допълнителен варов или сода, само за да запазят рН достатъчно стабилен за правилна работа. Друго предизвикателство се появява, когато има висока йонна сила във водата, над 1000 микросимена на сантиметър. Това състояние всъщност смазва тези малки електрически слоеве около частиците, което ги прави да се сгъстяват по-малко ефективно. Какъв е резултатът? Коагулацията работи с около 40% по-зле при тези условия. Всички тези променливи показват защо наличието на добри системи за мониторинг в реално време прави такава разлика, особено за съоръженията, които се занимават с променящото се качество на водата през различните сезони.

Предимства и предизвикателства при използването на алуминиев сулфат в пречистването на вода

Основни предимства: икономическа ефективност, надеждност и универсалност в различните системи за пречистване

Алум, или алуминиев сулфат, се отличава като икономичен и надежден коагулант, използван в много съоръжения за пречистване на вода – както в общински, така и в индустриални условия. В сравнение с алтернативи като хлорид на желязо, той намалява експлоатационните разходи с приблизително 30 до 50 процента, като едновременно осигурява степен на премахване над 95% на замърсители като мътност и вредни патогени. Универсалността на веществото идва от добрия му ефект както при малки водни системи в селски райони, така и при големи градски пречистителни станции. Операторите могат да регулират дозировката според текущото качество на водата всеки ден. Когато нивата на pH останат в оптималния диапазон от около 5,5 до 7,5, алум успява да премахне около 70 до 90% от досадните органични замърсители. И нека да сме честни – когато парите имат значение, алум често надминава решенията с PAC, особено за съоръжения, следящи стриктно бюджета си.

Чести ограничения: образуване на утайка, необходимост от коригиране на рН и околната среда

Алуминиевият сулфат обаче има и някои недостатъци. Той образува около 15 до 30 процента повече утайка в сравнение със синтетичните полимери, което означава по-високи разходи за отстраняване и по-сложна логистика за управление на отпадъците. Когато алуминиевият сулфат се разгражда в процесите на пречистване на вода, той всъщност понижава рН нивото. За да се компенсира този ефект, пречиствателните съоръжения трябва да изразходват средства за алкални вещества като вар. Закупуването на тези химикали може да заема почти 20% от общия им експлоатационен бюджет, само за да се поддържа правилното ниво на киселинност на водата. Органите по околната среда внимателно следят количеството алуминий, оставащо в пречистената вода след обработката, така че е задължително да се спазва препоръката на Световната здравна организация за не повече от 0,2 mg на литър. Добрата новина е, че последни изследвания показват, че когато операторите прецизно настроят методите си за дозиране и ги комбинират с по-нови системи за филтриране, те могат да намалят образуването на утайка с около 40%. Този подход също помага да се отговаря на важните стандарти на EPA и AWWA за безопасна питейна вода, без да се компрометира качеството.

Често задавани въпроси

Каква е основната роля на алуминиев сулфат при пречистването на вода?

Алуминиевият сулфат действа като коагулант при пречистването на вода, като помогня за деестабилизиране на окачени частици, така че те да могат ефективно да бъдат премахнати чрез допълнителни процеси за обработка.

Как алуминиевият сулфат влияе на нивата на pH на пречистената вода?

Алуминиевият сулфат има тенденция да понижава нивата на pH на пречистената вода, поради което често е необходимо съоръженията да добавят алкални вещества като вар, за да поддържат оптималния диапазон на pH за ефективна обработка.

Има ли екологични опасения, свързани с използването на алуминиев сулфат?

Да, остатъчният алуминий в пречистената вода е проблем, тъй като може да има потенциално въздействие върху здравето. Затова системите за обработка се стремят да поддържат остатъчните нива под 0,2 mg/L, както препоръчва Световната здравна организация.

Защо алуминиевият сулфат се предпочита пред други коагуланти, въпреки ограниченията му?

Сулфатът на алуминия е икономически изгоден, надежден и универсален, което го превръща в предпочитан избор за много общини, особено за тези с ограничени бюджети и съществуваща инфраструктура.