Для чего используется сульфат алюминия в очистке воды?

Как сульфат алюминия работает как коагулянт в очистке воды

Понимание процесса коагуляции и роль сульфата алюминия в дестабилизации взвешенных частиц

Очистка воды начинается с коагуляции — процесса, при котором мелкие примеси объединяются, чтобы их можно было удалить на последующих этапах. Сульфат алюминия (алюм) хорошо работает на этом этапе, потому что при растворении он выделяет трёхвалентные ионы алюминия (Al³⁺), которые нейтрализуют отрицательные заряды частиц, взвешенных в воде, таких как частицы глины, органические остатки и даже некоторые вредные микроорганизмы. Когда эти заряды нейтрализуются, частицы перестают отталкиваться друг от друга и начинают слипаться в процессе интенсивного перемешивания, который обычно длится около одной-двух минут. Большинство станций водоподготовки отмечают, что сульфат алюминия даёт наилучшие результаты при значении pH воды в диапазоне от 5,5 до 7,5. Количество необходимого сульфата алюминия может сильно варьироваться — обычно от 50 до 300 миллиграммов на литр, в зависимости от степени мутности воды и типа присутствующих загрязнителей.

Химический механизм сульфата алюминия в образовании хлопьев и удалении примесей

После выравнивания зарядов алюминий начинает разлагаться в результате гидролиза, в ходе которого образуется гидроксид алюминия (Al(OH)3). Это вещество образует желеобразный осадок, который отлично улавливает загрязняющие вещества, которые мы хотим удалить из воды. По мере формирования таких маленьких скоплений, называемых хлопьями, их размеры могут достигать от половины миллиметра до трёх миллиметров. Благодаря этому они хорошо оседают в очистных резервуарах. При правильной работе этот метод позволяет удалить от 85 % до почти 100 % мутности в пробах воды, а также около двух третей — четырёх пятых различных органических соединений. Исследования показывают, что гидроксидные хлопья прочно связываются с различными растворёнными загрязнителями, такими как ионы фосфатов и различные виды тяжёлых металлов, за счёт образования связей на своей поверхности. Такое прилипание фактически повышает общую эффективность всей системы очистки.

Сравнение с альтернативными коагулянтами: эффективность, стоимость и практические аспекты

Хлорид железа может удалять почти весь фосфор из воды, иногда до 98 %, что намного эффективнее, чем использование алюмокалиевых квасцов, которые обеспечивают удаление около 70–85 %. Однако недостаток хлорида железа заключается в том, что он гораздо быстрее разъедает трубы и оборудование, из-за чего муниципалитеты вынуждены тратить дополнительные средства на ремонт и замену. Синтетические полимеры — это ещё один вариант, позволяющий получать очень чистую воду с минимальным количеством осадка после обработки, но такие материалы имеют высокую стоимость, делающую их непрактичными для большинства обычных очистных сооружений. Поэтому многие города по-прежнему используют алюмокалиевые квасцы, несмотря на появление новых альтернатив. Алюмокалиевые квасцы применяются уже десятилетия, они надёжно работают без сложных процедур настройки и не требуют значительных расходов, как более современные варианты. Для местных органов власти, испытывающих нехватку средств и сталкивающихся со стареющей инфраструктурой, логично продолжать использовать проверенные методы, даже если они технически не являются самыми эффективными.

Экологические проблемы: остаточный алюминий и долгосрочная безопасность в очищенной воде

Всемирная организация здравоохранения установила максимально допустимый уровень остаточного алюминия в водопроводной воде — 0,2 миллиграмма на литр, поскольку существуют опасения по поводу возможного влияния на функцию мозга в долгосрочной перспективе. Установки по очистке воды, использующие современные методы фильтрации, могут снизить содержание следов алюминия примерно на 70–90 процентов по сравнению со старыми методами. Контроль уровня pH на протяжении всего процесса и добавление дополнительного этапа с использованием специальных мембран после обработки помогают гарантировать соблюдение безопасных пределов, установленных органами здравоохранения. Это позволяет сохранять здоровье людей, не снижая эффективность всего процесса очистки.

Повышение прозрачности воды и удаление мутности в муниципальных системах водоснабжения

Сульфат алюминия остается распространенным выбором для очистки воды в городах, поскольку он может снизить мутность воды примерно на 90%. Происходит это потому, что он нейтрализует электрические заряды мельчайших частиц, таких как частички глины, мелкий мусор и даже небольшие организмы, плавающие в воде. Эти частицы объединяются, образуя более крупные хлопья, которые легче оседают. Исследования, опубликованные в 2021 году, показали, что при правильном применении уровень мутности снижается ниже 0,3 NTU, что соответствует рекомендациям Всемирной организации здравоохранения по качеству питьевой воды. Высокая эффективность этого процесса означает меньшую нагрузку на фильтры на последующих этапах системы. Очистные сооружения работают в целом лучше и экономят деньги, что особенно важно для городских систем водоснабжения, обслуживающих миллионы людей каждый день.

Удаление органических веществ, патогенов и тяжелых металлов путем коагуляции

То, как работает сульфат алюминия в процессе коагуляции, позволяет одновременно удалять самые разные загрязнители. Органические вещества, растворённые в воде, прилипают к хлопьям гидроксида алюминия, образующимся в процессе обработки. Бактерии, такие как кишечная палочка (E. coli), и паразиты, например лямблии, также физически задерживаются в этом процессе. Когда значение pH поддерживается в диапазоне от 6,5 до 7,5, исследования показывают эффективность удаления тяжёлых металлов — таких как свинец, мышьяк и хром — в пределах от 85% до 92%. Ценность этого метода заключается в способности одновременно устранять множество загрязнителей, сокращая потребность в дополнительной дезинфекции. Однако очень важно правильно подобрать дозировку, поскольку избыток оставшегося алюминия может превысить безопасный предел в 0,2 мг на литр, что небезопасно для здоровья.

Повышение эффективности осаждения и фильтрации после обработки сульфатом алюминия

При обработке сульфатом алюминия хлопья оседают примерно на 40–60 процентов быстрее в отстойниках по сравнению с необработанными частицами, что значительно улучшает отделение твёрдых веществ. Более быстрое осаждение означает, что фильтры засоряются реже, и могут работать дольше до очистки, сокращая количество обратной промывки примерно на 30%. Интересно, что липкая консистенция хлопьев гидроксида алюминия действует как дополнительный фильтрующий слой внутри песчаных фильтров. Эти хлопья захватывают мельчайшие частицы размером менее одного микрометра, которые каким-то образом прошли через первую стадию коагуляции. Все эти улучшения вместе позволяют качественным системам очистки удалять более чем 99,9% всех взвешенных частиц из конечного объёма очищенной воды.

Эффективное удаление фосфора из коммунальных и промышленных сточных вод

Аллюминий довольно хорошо выводит фосфор благодаря тем реакциям обмена лигандами, о которых мы так много говорим в кругах очистки воды. В основном, когда ионы Al3+ встречаются с этими ионами ортофосфата (PO4^3-), они объединяются, чтобы сделать фосфат алюминия (AlPO4), который не растворяется в воде. Затем это вещество оседает и отфильтровывается механически. Исследователи, изучив данные 45 различных водоотведения по всей Европе, обнаружили, что использование аллюминия снижает уровень фосфора до 0,5 мг/л примерно на 88 процентах этих заводов. Это на самом деле соответствует требованиям рамочной директивы ЕС по воде для стандартов чистой воды. Этот материал действительно блестит при обработке стоков отходов от пищевых предприятий и текстильных производителей, так как их сток имеет тенденцию иметь безумно высокий уровень фосфора, иногда достигая 15 мг/л в тестах концентрации.

Уменьшение затуманивания и загрязнения в высокозагруженных сточных водах

Благодаря двойному действию коагуляции и флокуляции, алюминий подходит для обработки сложных сточных вод с высокой нагрузкой:

• Коллоидные суспензии : нейтрализует отрицательно заряженные частицы в водах с мутностью более 1000 НТУ
• Тяжелые металлы : Тяжелые металлы: Соопасипации Pb2+ и Cr3+ через образование гидроксида при pH 9 - 9,5
• Органические нагрузки : уменьшает потребность химического кислорода (COD) на 65-80% в сточных отходах бумажной фабрики путем связывания с лигнином и белками

Полевые данные из семи промышленных парков Китая показывают, что аллюм удаляет 98% от общего количества суспендируемых твердых веществ (TSS) в потоках с начальным содержанием твердых веществ выше 5000 мг/л, демонстрируя надежную производительность в сложных условиях

Тематическое исследование: Успешное применение в городских очистных сооружениях

Европейская муниципальная установка, обслуживающая 1,2 миллиона жителей, добилась значительных улучшений после перехода на коагуляцию сульфатом алюминия. За счет обработки 300 000 м3 сточных вод в день, предприятие сообщило:

В течение 18 месяцев испытаний на заводе уровень остаточного алюминия оставался ниже 0,2 мг/л, при этом удалялся фосфор на 94% и уменьшался СОД на 82%, что подтверждает эффективность и экономическую жизнеспособность алюминия в крупномасштабном обра

Оптимизация эффективности сульфата алюминия: дозировка, рН и условия воды

Оптимальный диапазон pH и стратегии дозирования для максимальной эффективности коагуляции

Наилучшие результаты коагуляции достигаются при значении pH в диапазоне примерно от 5,5 до 7,5. В этом диапазоне процесс становится значительно более эффективным — иногда эффективность повышается на 40–60 процентов по сравнению с показателями за пределами этих значений. Что касается количества используемого сульфата алюминия, большинство методов обработки требуют от 5 до 200 миллиграмм на литр. Однако если вода сильно мутная или содержит большое количество загрязняющих веществ, в некоторых случаях может потребоваться до 500 мг/л. Для точного определения оптимальных параметров в конкретном месте наиболее надёжным методом остаётся пробирочное испытание (jar test). Это позволяет избежать чрезмерного использования сульфата алюминия, который может оставить в воде избыточное содержание алюминия сверх безопасного предела Всемирной организации здравоохранения в 0,2 мг/л. Как только значение pH превышает 7,5, начинаются проблемы, поскольку гидроксид алюминия становится менее растворимым. Это затрудняет образование правильных хлопьев и в конечном итоге снижает общую эффективность всего процесса очистки.

Влияние температуры воды, щелочности и ионного состава

Вода с температурой ниже 10 градусов Цельсия значительно замедляет скорость протекания реакций в процессах очистки. Это означает, что хлопья образуются намного медленнее — иногда на 30–50 процентов дольше обычного, — и операторам приходится увеличивать продолжительность перемешивания. Что касается уровней щелочности, они играют важную роль в предотвращении чрезмерной кислотности системы после добавления сульфата алюминия. Если щелочность падает ниже 50 миллиграммов на литр в пересчёте на карбонат кальция, большинству очистных сооружений требуется дополнительная известь или сода-аш для поддержания стабильного pH, достаточного для нормальной работы. Другая проблема возникает при высокой ионной силе воды — выше 1000 микросименсов на сантиметр. Такие условия фактически сжимают тонкие электрические слои вокруг частиц, из-за чего те хуже агрегируются. Результат? Эффективность коагуляции в таких условиях снижается примерно на 40 процентов. Все эти факторы показывают, почему наличие качественных систем мониторинга в реальном времени имеет такое большое значение, особенно для объектов, сталкивающихся с изменяющимся качеством воды в разные сезоны.

Преимущества и вызовы использования сульфата алюминия в очистке воды

Ключевые преимущества: экономичность, надежность и универсальность в различных системах очистки

Alum, или сульфат алюминия, является экономичным и надежным коагулянтом, который широко используется на многих объектах очистки воды как в муниципальных, так и в промышленных условиях. По сравнению с такими вариантами, как хлорид железа, он снижает эксплуатационные расходы примерно на 30–50 процентов, при этом обеспечивая эффективность удаления выше 95% таких загрязнителей, как мутность и вредные патогены. Универсальность этого вещества заключается в его эффективной работе как в небольших сельских системах водоснабжения, так и на крупных городских очистных сооружениях. Операторы могут корректировать дозировку в зависимости от текущего качества воды. При поддержании уровня pH в оптимальном диапазоне около 5,5–7,5 alum удаляет примерно 70–90% органических загрязняющих веществ. И честно говоря, когда особенно важны финансовые затраты, alum зачастую оказывается выгоднее решений на основе PAC для предприятий, внимательно следящих за своими бюджетами.

Распространенные ограничения: образование шлама, необходимость корректировки pH и экологические аспекты

У алюмокалиевых квасцов есть и недостатки. Они образуют на 15–30 процентов больше осадка по сравнению с синтетическими полимерами, что влечёт за собой более высокие расходы на утилизацию и усложняет логистику обращения с отходами. При разложении в процессах очистки воды алюминий фактически снижает уровень pH. Для компенсации этого эффекта станциям водоочистки приходится тратить деньги на щелочные вещества, такие как известь. Закупки этих химикатов могут составлять почти 20 % общего операционного бюджета только для поддержания нужного уровня кислотности воды. Экологические регуляторы внимательно следят за тем, сколько алюминия остаётся в обработанной воде после очистки, поэтому соблюдение рекомендации Всемирной организации здравоохранения — не более 0,2 мг на литр — становится необходимым. Хорошая новость заключается в том, что последние исследования показывают: при точной настройке дозирования и использовании современных систем фильтрации можно сократить образование осадка примерно на 40 %. Такой подход также помогает соответствовать важным стандартам EPA и AWWA по качеству питьевой воды, не жертвуя её безопасностью.

Часто задаваемые вопросы

Какова основная роль сульфата алюминия в очистке воды?

Сульфат алюминия действует как коагулянт в процессе очистки воды, способствуя дестабилизации взвешенных частиц, чтобы их можно было эффективно удалить на последующих этапах обработки.

Как сульфат алюминия влияет на уровень pH обрабатываемой воды?

Сульфат алюминия обычно снижает уровень pH обрабатываемой воды, поэтому на установках зачастую необходимо добавлять щелочные вещества, такие как известь, для поддержания оптимального диапазона pH для эффективной обработки.

Существуют ли экологические проблемы, связанные с использованием сульфата алюминия?

Да, остаточный алюминий в очищенной воде вызывает опасения, поскольку он может оказывать потенциальное воздействие на здоровье. Поэтому системы очистки стремятся поддерживать остаточное содержание ниже 0,2 мг/л, как рекомендовано Всемирной организацией здравоохранения.

Почему сульфат алюминия предпочтительнее других коагулянтов, несмотря на его ограничения?

Сульфат алюминия является экономически эффективным, надежным и универсальным, что делает его предпочтительным выбором для многих муниципалитетов, особенно тех, которые сталкиваются с ограниченностью бюджета и имеют существующую инфраструктуру.