Explicação detalhada dos princípios de coagulação e floculação do PAC Guia técnico fundamental para melhorar a eficiência do tratamento de água

Explicação detalhada dos princípios de coagulação e floculação do PAC: Melhorando abrangentemente a eficiência do tratamento de água

Em vários processos de tratamento de águas residuais industriais, purificação de água potável, tratamento de esgoto municipal e processos de tratamento de águas residuais de mineração,cloreto de polialumínio (PAC)é um dos coagulantes poliméricos inorgânicos mais amplamente utilizados. No entanto, muitos funcionários de engenharia em operações reais ainda tendem a ver a coagulação e a floculação como o mesmo processo, levando a projetos de equipamentos, dosagem de produtos químicos e configurações de parâmetros de mistura irracionais, o que por sua vez afeta o efeito geral do tratamento.

Na verdade, embora estas duas etapas estejam inter-relacionadas, elas têm mecanismos de ação, objetivos operacionais e requisitos de mistura completamente diferentes. Somente compreendendo corretamente a diferença entre a coagulação PAC e a floculação PAC o desempenho do tratamento do cloreto de polialumínio pode ser totalmente utilizado para alcançar taxas de remoção de turbidez mais altas, menor teor de sólidos suspensos totais (SST) e qualidade da água efluente mais estável.

Este artigo detalhará os princípios de funcionamento, as condições operacionais ideais e os fundamentos do projeto de engenharia do PAC em ambos os estágios e ajudará você a otimizar todo o processo de tratamento de água do PAC.

O que é coagulação?

A coagulação é o ponto de partida químico de toda a reação de tratamento de água

A coagulação é a primeira etapa de reação após a entrada do PAC no corpo d'água e também é a reação química mais rápida em todo o processo de tratamento de água. Quando o cloreto de polialumínio (PAC) é dosado em água bruta, seus componentes ativos de alumínio se dispersam rapidamente e interagem imediatamente com partículas coloidais carregadas negativamente.

Como sedimentos, colóides, matéria orgânica e partículas suspensas em corpos d'água naturais geralmente carregam cargas negativas, eles podem permanecer suspensos de forma estável na água por um longo tempo e não se sedimentam facilmente naturalmente. Os íons polinucleares de hidroxialumínio liberados pelo PAC podem neutralizar rapidamente as cargas na superfície dessas partículas, fazendo com que percam a estabilidade eletrostática e criando condições para posterior agregação de partículas.

Este processo é a Coagulação, cuja essência éNeutralização de Cargae desestabilização de partículas, em vez da formação de grandes flocos.

Portanto, no processo de aplicação de produtos químicos para tratamento de água PAC, a coagulação determina se a floculação subsequente pode prosseguir sem problemas e também é uma base importante que afeta a eficiência de todo o sistema de tratamento.

Por que a coagulação requer mistura rápida?

Como a coagulação é uma reação química instantânea, o PAC deve ser disperso uniformemente por todo o corpo d’água em um tempo muito curto.

Normalmente, leva apenas alguns milissegundos a alguns segundos desde o momento em que o PAC entra em contato com o corpo d'água até a conclusão da neutralização da carga.

Se a velocidade de mistura for insuficiente, o PAC não consegue difundir-se suficientemente; algumas partículas podem já ter reagido enquanto outras partículas permanecem num estado estável, resultando em:

Eficiência reduzida de utilização de produtos químicos

Diminuição da taxa de remoção de turbidez

Aumento do consumo de produtos químicos

Eficiência reduzida da floculação subsequente

Pior estabilidade da qualidade da água efluente

Portanto, em sistemas de tratamento de água industrial, a coagulação geralmente é configurada com equipamento de mistura rápida independente, como um Flash Mixer ou um agitador mecânico de alta-velocidade, para garantir que o PAC possa entrar rapidamente em contato total com todas as partículas.

Para projetos de engenharia que buscam melhorarEficiência de coagulação PAC, a mistura rápida e uniforme é muito mais importante do que simplesmente aumentar a dosagem de PAC.

Por que o PAC tem um desempenho mais eficiente na fase de coagulação?

Comparado com o sulfato de alumínio tradicional (alum),cloreto de polialumínio (PAC)tem vantagens técnicas óbvias porque o PAC é um coagulante de polímero inorgânico pré-polimerizado.

Um grande número de estruturas poliméricas de alumínio altamente ativas já são formadas dentro do PAC, especialmente os policátions $\\text{Al}_{13}$ existentes de forma estável, que podem participar diretamente da reação de coagulação sem passar por um complexo-processo de hidrólise no local.

Portanto, quando o PAC entra na água bruta, ele pode completar rapidamente:

Neutralização de carga

Desestabilização coloidal

Formação de micro-flocos

Criando condições de reação para floculação

Por outro lado, o alúmen tradicional precisa completar-passo a{1}}passo sua reação de hidrólise em água antes de poder formar íons de alumínio ativos, de modo que toda a velocidade da reação é significativamente mais lenta.

Além disso, o processo de hidrólise do alúmen é facilmente afetado pelas mudanças de temperatura e pH. Em estações-de baixas temperaturas ou quando o pH da água bruta se desvia da faixa ideal, a reação de hidrólise muitas vezes não pode prosseguir completamente, levando a um declínio na eficiência do tratamento.

Como os componentes ativos do PAC são formados antecipadamente, ele tem melhor adaptabilidade às mudanças de temperatura e pH, e ainda pode manter alta eficiência de coagulação sob baixas temperaturas, alta turbidez e condições complexas de qualidade da água. Esta é também uma razão importante pela qual cada vez mais empresas industriais, estações de tratamento de água municipais e projetos de mineração adotamCoagulantes PAC de alta eficiência.

Condições operacionais de coagulação recomendadas para PAC

Para exercer plenamente o desempenho do PAC na etapa de Coagulação, recomenda-se que o sistema de mistura rápida atenda aos seguintes parâmetros operacionais:

Os parâmetros acima podem ajudar o PAC a alcançar difusão uniforme no menor tempo, melhorar a utilização de produtos químicos e formar micro-flocos estáveis ​​para o estágio de floculação subsequente.

Vale ressaltar que se o valor G for muito baixo, o contato entre o PAC e as partículas será insuficiente; se o tempo de mistura rápida for muito longo, causará desperdício de energia e terá efeito limitado na melhoria dos resultados da coagulação. Portanto, noProcesso PAC para Tratamento de Águas Residuais Industriais, os parâmetros operacionais devem ser otimizados ainda mais através de um Jar Test baseado nas características da água bruta.

Coagulação e floculação não são o mesmo processo

Muitos profissionais de tratamento de água estão acostumados a referir-se coletivamente à Coagulação e à Floculação como "coagulação", mas do ponto de vista do processo, as duas na verdade realizam tarefas diferentes.

A coagulação é uma reação química concluída rapidamente cujo objetivo principal é eliminar a repulsão eletrostática entre as partículas e desestabilizar os colóides; enquanto a floculação é um processo de agregação física subsequente que faz com que esses micro{0}}flocos já desestabilizados colidam continuamente e cresçam sob agitação lenta, eventualmente formando grandes flocos de partículas que podem se assentar rapidamente.

Portanto, os dois não apenas diferem em seu mecanismo de ação, mas também têm requisitos completamente opostos em relação ao projeto do equipamento e às condições de mistura.

Precisamente porque os dois exigem ambientes operacionais completamente diferentes, os sistemas modernos de tratamento de água geralmente empregam zonas independentes de mistura rápida e zonas de floculação lenta para garantir que o PAC possa exercer seu melhor desempenho em ambos os estágios, respectivamente.

Compreender a diferença essencial entre Coagulação e Floculação não só ajuda a otimizar o efeito de dosagem do PAC, mas também reduz efetivamente o consumo de produtos químicos, melhora a eficiência de sedimentação e aumenta a estabilidade operacional do sistema geral de tratamento de água.

Por que a Floculação determina o efeito de sedimentação final?

Depois de completarCoagulação, embora as partículas coloidais na água bruta tenham perdido sua estabilidade eletrostática, os flocos formados neste momento são meramente micro-flocos de tamanho extremamente pequeno e peso leve. Embora esses micro-flocos possam entrar em contato uns com os outros, eles ainda são insuficientes para se sedimentarem rapidamente pelo seu próprio peso.

Portanto, a etapa principal que realmente determina o efeito de clarificação, a velocidade de sedimentação e a taxa de remoção total de sólidos suspensos (SST) é a Floculação.

Ao contrário da coagulação, a floculação é um processo físico de agregação. Nesta fase, os micro-flocos já desestabilizados colidem, adsorvem e combinam-se continuamente sob agitação lenta, crescendo gradualmente em macro{2}}flocos visíveis a olho nu, que podem eventualmente assentar rapidamente ou ser efetivamente interceptados pelo sistema de filtração.

Paracloreto de polialumínio (PAC), a floculação não é apenas uma continuação natural após a coagulação, mas também um elo importante para todo o processo de tratamento de água PACpara obter remoção de turbidez de alta-eficiência.

Como o PAC promove o crescimento de flocos durante a fase de floculação?

Muitas pessoas pensam que o PAC desempenha apenas um papel na fase de coagulação, mas na verdade não é o caso.

Depois de entrar no estágio de Floculação, a estrutura pré-polimerizada dentrocloreto de polialumínio (PAC)continua a desempenhar um papel. Além de terem completado a neutralização de carga, as cadeias poliméricas no PAC podem conectar ainda mais diferentes micro{1}}flocos, formando "pontes" estáveis ​​entre partículas e promovendo múltiplos micro-flocos para se combinarem e crescerem continuamente.

Este efeito é comumente referido como Ponte de Polímero.

Precisamente pela presença da ação de ponte, os grandes flocos de partículas formados pelo PAC geralmente possuem as seguintes vantagens:

Tamanho de floco maior

Estrutura mais compacta

Velocidade de assentamento mais rápida

Maior resistência ao cisalhamento

Melhor desempenho subsequente de desidratação de lodo

Comparado com o alume tradicional (alum), o PAC pode não apenas completar a coagulação mais rapidamente, mas também promover continuamente o crescimento de flocos durante o estágio de floculação, de modo que a eficiência geral do tratamento é geralmente maior.

Especialmente nas seguintes aplicações, as vantagens do PAC são mais pronunciadas:

Tratamento de águas residuais industriais

Tratamento de águas residuais de mineração

Águas residuais de lavagem de carvão de mina de carvão

Tratamento de águas residuais de fábrica de papel

Tratamento de águas residuais de tingimento têxtil

Tratamento de esgoto municipal

Para essas qualidades de água com alto teor de sólidos suspensos e alta turbidez, o PAC pode reduzir significativamente o tempo de formação de flocos e melhorar a eficiência de sedimentação, reduzindo assim a carga operacional em tanques de sedimentação e sistemas de filtração subsequentes.

Por que a floculação deve empregar mistura-de baixa velocidade?

O objetivo da floculação não é uma reação rápida, mas fornecer oportunidades de colisão suficientes para micro-flocos.

Se a agitação em alta-velocidade como a da Coagulação ainda for usada neste estágio, um grande número de grandes flocos de partículas já formados será continuamente submetido a forças de cisalhamento e quebrado novamente em partículas finas.

Isto não só reduz a velocidade de sedimentação, mas também aumenta a turbidez do efluente.

Portanto, durante o processo de floculação do PAC, a energia de mistura deve ser significativamente reduzida, mantendo a circulação de fluido suficiente.

Recomenda-se agitação mecânica lenta e contínua para que as partículas possam:

Colidir naturalmente

Adsorver um ao outro

Crescer continuamente

Evite quebras

A prática provou que a floculação estável-de baixa velocidade geralmente é melhor para melhorar os efeitos do tratamento do que simplesmente aumentar a dosagem de PAC.

Parâmetros operacionais de floculação recomendados para PAC

Para obter flocos estáveis ​​de partículas grandes, recomenda-se que o sistema de Floculação adote as seguintes condições de operação:

Entre eles, um Projeto de Energia de Mistura Cônica é o mais recomendado.

Nomeadamente:

A primeira célula mantém uma energia de mistura ligeiramente superior;

A segunda célula diminui gradualmente;

A terceira célula continua a diminuir;

Mantenha a menor força de cisalhamento antes de finalmente entrar no tanque de sedimentação.

Esse design permite que os flocos cresçam continuamente sem serem quebrados devido à agitação excessiva nos estágios posteriores e, portanto, é amplamente utilizado em-projetos de tratamento de água PAC de grande escala.

Por que a combinação de PAC e PAM produz melhores resultados?

Embora o PAC possa completar simultaneamente a coagulação e parte da floculação, para algumas qualidades de água complexas, confiar apenas no PAC ainda não consegue alcançar o melhor efeito de sedimentação.

Neste momento,poliacrilamida (PAM)geralmente é adicionado como floculante auxiliar.

Os dois produtos químicos desempenham funções completamente diferentes:

O PAM possui cadeias poliméricas extremamente longas que podem conectar ainda mais vários micro{0}}flocos formados pelo PAC, fazendo-os crescer rapidamente em flocos de partículas grandes mais compactos.

Portanto, nas seguintes condições de trabalho, PAC + PAM geralmente consegue obter melhores efeitos de tratamento do que usar apenas PAC:

Decantação rápida em-tanques de sedimentação de alto rendimento

Remoção de partículas ultrafinas

Remoção de argila e limo de carvão

Remoção de sólidos minerais em suspensão

Tratamento de águas residuais de lavagem de carvão

Desidratação de lodo

Tratamento de água bruta-em baixa temperatura

Para empresas que precisam melhorar a eficiência de decantação e reduzir o teor de umidade do lodo, utilizandoPAC e PAM para tratamento de águas residuais industriaistornou-se um esquema de processo relativamente maduro e econômico.

Sequência correta de dosagem para PAC e PAM

A sequência de dosagem química afeta diretamente todo o resultado da Floculação.

O fluxo de trabalho de dosagem recomendado é o seguinte:

Passo 1: Dosagem rápida de PAC

O PAC deve primeiro ser doseado na zona de mistura rápida. O tempo de mistura rápido é mantido por 30-60 segundos para permitir que o PAC complete totalmente a reação de coagulação.

Etapa 2: PAM entra na zona de mixagem lenta

Após as partículas terem completado a desestabilização, o PAM é então adicionado na entrada de Floculação. Subsequentemente, a mistura lenta é mantida durante 15-25 minutos para permitir que o PAM exerça plenamente o seu papel de ponte e promova a formação de grandes flocos de partículas.

Passo 3: Entrando no sistema de sedimentação

Depois que grandes flocos maduros de partículas entram no tanque de sedimentação, é possível obter uma sedimentação rápida, melhorando a clareza do efluente e reduzindo a pressão operacional nos sistemas de filtração subsequentes.

Por que o PAM não pode ser adicionado primeiro?

Este é um erro comum cometido por muitos operadores de campo.

Se as partículas ainda estiverem num estado electrostaticamente estável, embora o PAM possa entrar no corpo de água, não consegue ligar eficazmente as partículas, e a maioria das longas cadeias moleculares perderá o seu efeito, o que não só aumenta os custos operacionais, mas também pode levar a resíduos químicos.

Portanto, em qualquer Processo de Floculação PAC, deve-se sempre aderir a:O PAC completa a coagulação primeiro e o PAM então fortalece a floculação.

Somente seguindo este princípio as respectivas vantagens de ambos os produtos químicos podem ser totalmente utilizadas para alcançar maior eficiência de tratamento, velocidade de sedimentação mais rápida e qualidade de água de efluente mais estável.

Problemas comuns e esquemas de otimização para sistemas de mistura PAC

Mesmo que o cloreto de polialumínio (PAC) de alta{0}qualidade seja selecionado, se os parâmetros operacionais dos dois estágios de coagulação e floculação forem definidos de maneira injustificada, isso ainda poderá levar a um declínio na taxa de remoção de turbidez, a um aumento no consumo de produtos químicos e a flutuações na qualidade da água do efluente. Portanto, noProcesso de Tratamento de Água PAC, a otimização do processo é muitas vezes mais importante do que simplesmente aumentar a dosagem química.

Listados abaixo estão vários dos tipos de problemas mais comuns na engenharia real e suas recomendações de otimização correspondentes.

1. O efeito de coagulação é bom, mas a velocidade de sedimentação é lenta

Possíveis causas

Se a água bruta puder formar rapidamente micro{0}}flocos após mistura rápida, mas a velocidade de sedimentação dentro do tanque de sedimentação for lenta, isso geralmente indica que a coagulação foi concluída, enquanto o estágio de floculação não atingiu seu estado ideal. As principais causas deste fenômeno incluem:

Tempo de retenção de floculação insuficiente;

Energia excessiva de mistura lenta;

Grandes flocos de partículas entram no tanque de sedimentação antes de serem totalmente formados.

Recomendações de otimização

As seguintes medidas são recomendadas:

Reduzir adequadamente a intensidade de mistura (diminuir o valor G) na etapa de Floculação;

Prolongue o tempo de retenção da mistura lenta;

Para água de qualidade com muitas partículas finas, o PAM pode ser adicionado para ajudar na formação de pontes e aumentar a taxa de crescimento de flocos.

Ao otimizar o processo de floculação, a eficiência de sedimentação geralmente pode ser significativamente melhorada, ao mesmo tempo em que reduz a turbidez do efluente e o teor de sólidos suspensos.

2. A formação de flocos é lenta após a dosagem de PAC

Possíveis causas

Se os flocos óbvios ainda não puderem se formar muito tempo após a adição do PAC, geralmente não é um problema com o produto PAC em si, mas sim causado pelos seguintes fatores:

Dosagem insuficiente de PAC;

Dispersão não{0}}uniforme durante mistura rápida;

O valor do pH da água bruta se desvia da faixa ideal de trabalho do PAC;

Mudanças sazonais ocorrem na qualidade da água bruta.

Recomendações de otimização

Recomenda-se realizar primeiro um Jar Test para reconfirmar a dosagem ideal de PAC. Ao mesmo tempo, verifique:

Se o equipamento de mistura rápida pode atingir o valor G recomendado de $200\\text{--}400\\text{ s}^{-1}$;

Se o PAC pode ser disperso uniformemente em $30\\text{--}60\\text{ segundos}$;

Se o pH da água bruta é adequado para que o PAC exerça seu melhor efeito de coagulação.

Para diferentes estações e diferentes fontes de água, o esquema de dosagem do PAC deve ser ajustado dinamicamente de acordo com as mudanças na qualidade da água, em vez de adotar uma dosagem fixa por um longo período.

3. Grandes flocos de partículas se quebram após entrar no tanque de sedimentação

Possíveis causas

Se grandes flocos já se formaram durante a fase de floculação, mas tornam-se menores novamente ou mesmo flutuam após entrarem no tanque de sedimentação, isso indica que os flocos estão sujeitos a grandes forças de cisalhamento. As causas comuns incluem:

Velocidade excessiva do fluxo na entrada do tanque de sedimentação;

Projeto desarrazoado da estrutura de distribuição de água;

Turbulência severa no fluxo de água;

Perturbação excessiva da manta de lama.

Recomendações de otimização

Recomenda-se focar na verificação:

Redução da velocidade do fluxo na entrada do tanque de sedimentação;

Otimizando a estrutura do guia de fluxo;

Adição de defletores ou placas de deflexão quando necessário;

Reduzindo a turbulência de entrada.

Em muitos casos, não é que o desempenho do PAC seja insuficiente, mas sim que o projeto hidráulico do tanque de sedimentação restringe as realizações da Floculação.

4. O efeito do tratamento diminui no inverno

Por que a baixa temperatura afeta o tratamento da água?

Depois que a temperatura da água cai no inverno, a viscosidade do fluido aumenta e a velocidade de movimento das partículas diminui, de modo que a probabilidade de colisões entre as partículas é significativamente reduzida. Isso significa:

A velocidade de floculação diminui;

O tempo de crescimento dos flocos torna-se mais longo;

A eficiência da liquidação diminui.

Comparado com o alume tradicional (alum),cloreto de polialumínio (PAC)tem melhor adaptabilidade a ambientes-de baixa temperatura devido à sua estrutura pré-polimerizada, portanto, geralmente ainda consegue manter uma alta eficiência de coagulação.

Recomendações de otimização

Sob condições-de baixa temperatura, as seguintes medidas podem ser tomadas:

Prolongue adequadamente o tempo de Floculação;

Reduza a intensidade da mistura para minimizar a quebra dos flocos;

Adicionar PAM como floculante auxiliar;

Re-otimize a dosagem de PAC com base em um Jar Test.

Para as regiões do Norte, para os projectos de abastecimento de água municipal e de operações mineiras de Inverno, estas medidas podem normalmente melhorar significativamente os resultados do tratamento.

Tabela de comparação rápida de coagulação e floculação

Esta tabela de comparação pode ajudar o pessoal de engenharia a avaliar rapidamente o status operacional do sistema e tomar medidas de otimização correspondentes para diferentes estágios.

Perguntas frequentes (FAQ)

1.O PAC sempre precisa ser usado em combinação com o PAM?

Não necessariamente. Para água de qualidade com turbidez moderada e tempo de floculação suficiente, o uso apenas de PAC pode formar flocos com bom desempenho de sedimentação. Contudo, para as seguintes condições de trabalho, recomenda-se um processo combinado PAC e PAM:

Grande quantidade de partículas ultrafinas;

Águas residuais de mineração com{0}}alta turbidez;

Águas residuais de lavagem de carvão;

Operação em-baixa temperatura no inverno;

Elevados requisitos para desidratação de lamas;

Sistemas de tratamento-de grande fluxo que exigem sedimentação rápida.

2. A coagulação e a floculação podem ser concluídas no mesmo tanque?

Teoricamente sim, mas geralmente não é recomendado. A razão é que a energia de mistura exigida pelos dois é completamente diferente:

A coagulação requer mistura-de alta velocidade;

A floculação requer agitação lenta. Se for adotada a mesma velocidade de mistura, é difícil equilibrar ambas as reações. Portanto, a maioria dos sistemas modernos de tratamento de água estabelecerá zonas independentes de mistura rápida e zonas de floculação lenta para obter efeitos de tratamento mais estáveis.

3.Como avaliar se a floculação atingiu seu melhor estado?

Um julgamento preliminar pode ser feito observando as características dos flocos: flocos de{0}}alta qualidade geralmente possuem as seguintes características:

Claramente visível a olho nu;

O tamanho é aproximadamente do tamanho de uma cabeça de alfinete ao tamanho de uma ervilha;

Estrutura compacta, não facilmente quebrada;

Capaz de assentar rapidamente após parar a agitação. Se o corpo de água ainda parecer uniformemente turvo, isso indica que as condições de floculação ainda precisam de otimização adicional.

4.Por que o Jar Test (Jar Test) é importante?

A qualidade da água varia muito entre diferentes regiões, diferentes estações e diferentes águas residuais industriais, e nenhuma dosagem fixa única é aplicável a todos os projetos. Um Jar Test pode ajudar os usuários a determinar rapidamente:

Dosagem ideal de PAC;

Se o PAM precisa ser adicionado;

Faixa ideal de pH;

Tempo ideal de coagulação e floculação;

Intensidade de mistura recomendada. Portanto, no momento da entrada oficial em produção ou quando a qualidade da água muda, recomenda-se priorizar a realização de um teste de béquer para obter os melhores parâmetros operacionais.

Conclusão

Coagulação e Floculação, embora pertençam ao mesmo processo de tratamento de água, realizam tarefas completamente diferentes.

A coagulação é responsável por completar rapidamente a neutralização de carga para fazer com que as partículas coloidais percam estabilidade; A floculação, por meio de mistura lenta, permite que micro{0}}flocos colidam continuamente, formem pontes e cresçam em grandes flocos de partículas que são fáceis de sedimentar.

Como um coagulante polimérico inorgânico eficiente,cloreto de polialumínio (PAC)pode não apenas concluir rapidamente a coagulação, mas também promover continuamente o crescimento de flocos durante o estágio de floculação. Através de um projeto razoável de mistura rápida, floculação lenta e esquemas combinados de dosagem de PAC e PAM, as taxas de remoção de turbidez, as taxas de remoção de sólidos suspensos e a estabilidade operacional geral podem ser significativamente melhoradas.

Para indústrias como purificação de água potável, tratamento de esgoto municipal, tratamento de águas residuais industriais, tratamento de águas residuais de mineração, bem como fabricação de papel e tingimento têxtil, uma compreensão profunda dos mecanismos de funcionamento da coagulação e floculação é uma base importante para otimizar os efeitos da aplicação de PAC, reduzindo custos operacionais e melhorando a eficiência do tratamento.

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