Коагулянт для очистки сточных вод: сульфат алюминия, оксихлорид или хлорное железо

На локальных очистных сооружениях коагулянт чаще всего выбирают по цене за тонну или по тому, что закупали раньше. Потом выясняется, что в отстойнике мелкие рыхлые хлопья, pH на выходе упал, остаточный алюминий или железо не укладываются в нормы на сброс, а осадок плохо отдаёт воду на прессе. Три самых распространённых реагента — сульфат алюминия, оксихлорид алюминия и хлорное железо — работают по одному принципу, но ведут себя по-разному. Разберём, чем они отличаются и как выбрать коагулянт под конкретный сток.

Что делает коагулянт

Мелкая взвесь, коллоиды и часть органики в стоке не оседают сами: частицы заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга. Соль трёхвалентного металла — алюминия или железа — в воде гидролизуется. Положительно заряженные продукты гидролиза снимают заряд с частиц, а образующийся гидроксид металла выпадает объёмным осадком и захватывает загрязнения. Получаются хлопья, которые оседают в отстойнике или всплывают во флотаторе. Чтобы укрупнить их и ускорить осаждение, после коагулянта обычно вводят флокулянт.

Гидролиз идёт за счёт щёлочности воды: бикарбонаты переходят в углекислоту, и pH снижается. Именно здесь коагулянты различаются сильнее всего.

Сульфат алюминия

Самый массовый и обычно самый дешёвый коагулянт. Его сильные стороны — доступность и хорошо изученная технология. Слабые стороны:

• узкий рабочий диапазон pH — примерно 5,8–7,5. Выше и ниже гидроксид алюминия растворяется, в очищенной воде растёт остаточный алюминий;
• заметный расход щёлочности. Каждый килограмм товарного 14-водного сульфата алюминия связывает около 0,5 кг щёлочности в пересчёте на CaCO₃. Если исходная щёлочность ниже 30–45 мг/л CaCO₃, pH проседает настолько, что без подщелачивания известью, содой или щёлочью коагуляция не идёт;
• плохая работа в холодной воде — хлопья образуются медленно и получаются рыхлыми;
• в воду добавляются сульфаты, и растёт солесодержание.

Оксихлорид алюминия (полиоксихлорид, PAC)

Это алюминиевая соль, которая ещё на заводе частично нейтрализована: общая формула Alₙ(OH)ₘCl₃ₙ₋ₘ. Доля «уже связанных» гидроксидом валентностей алюминия называется основностью. Чем она выше, тем меньше щёлочности коагулянт отнимает у воды и тем слабее снижается pH.

На практике это даёт:

• расход щёлочности на 50–80 % меньше, чем у сульфата алюминия, в зависимости от основности;
• уверенную работу в холодной воде без корректировки pH;
• более плотный осадок и меньше остаточного алюминия.

Хлорное железо

Хлорное железо FeCl₃ поставляется в виде концентрированного раствора. Его особенности:

• широкий диапазон pH — ориентировочно 4–11, поэтому оно прощает колебания состава стока;
• тяжёлые, быстро оседающие хлопья, хорошая работа в холодной воде;
• эффективно осаждает фосфаты. Железосодержащие коагулянты — стандартное решение для реагентного удаления фосфора на городских очистных, в том числе в Беларуси: например, на станции аэрации в Витебске подбирали дозы хлорного железа и сульфата железа(III) и точки их ввода;
• осадок лучше обезвоживается. В сравнении четырёх коагулянтов на смеси первичного и вторичного осадка соли железа(III) дали лучший результат, сульфат алюминия — худший.

Недостатки тоже существенные. Раствор хлорного железа сильнокислый (pH ниже 1) и агрессивен к металлу. Он расходует больше всего щёлочности на килограмм — около 0,92 кг CaCO₃ на 1 кг FeCl₃ — и добавляет в сток хлориды. При передозировке остаточное железо окрашивает воду в жёлтый цвет.

Сравнение: сколько щёлочности съедает коагулянт

Удобнее всего сравнивать коагулянты по количеству введённого металла: на 1 моль Al³⁺ или Fe³⁺ в гидролизе расходуется 3 эквивалента щёлочности, а у оксихлорида часть из них уже «закрыта» гидроксидом. Пересчёт на 1 кг металла:

Коагулянт	Расход щёлочности на 1 кг металла, кг CaCO₃	Рабочий pH	Главное ограничение
Сульфат алюминия	5,6	≈ 5,8–7,5	Подкисление, плохо на холоде
Оксихлорид, основность 40 %	3,3	шире, чем у сульфата	Цена за килограмм
Оксихлорид, основность 70 %	1,7	шире, чем у сульфата	Цена за килограмм
Хлорное железо	2,7	≈ 4–11	Коррозия, хлориды, цветность

Расчёт: 1 кг алюминия — это 37,1 моль, или 111 эквивалентов; при эквивалентной массе CaCO₃ 50 г получается 5,6 кг. У оксихлорида расход уменьшается пропорционально основности: 5,6 × (1 − 0,4) = 3,3 кг. Для железа: 1 кг — 17,9 моль, 53,7 эквивалента, 2,7 кг CaCO₃.

На моль металла сульфат алюминия и хлорное железо отнимают щёлочность одинаково — по 3 эквивалента. Разница на килограмм только кажущаяся: атом железа вдвое тяжелее атома алюминия. А в пересчёте на товарный продукт хлорное железо самое «кислое» из трёх: 0,92 кг CaCO₃ на килограмм FeCl₃ против 0,5 кг на килограмм сульфата алюминия. Пересчитать щёлочность из мг-экв/л в мг/л CaCO₃ и обратно можно в нашем калькуляторе единиц.

Как выбрать под свой сток

Отправная точка — анализ стока и задача, которую нужно решить:

• Мягкая вода, низкая щёлочность, после коагуляции падает pH — оксихлорид алюминия высокой основности: он отнимает меньше всего щёлочности и чаще позволяет обойтись без подщелачивания.
• Много взвеси, высокая мутность — оксихлорид алюминия или хлорное железо, если важна скорость осаждения.
• Нужно снизить фосфор до норм на сброс — соли железа или алюминия; железо чаще, если параллельно важно хорошее обезвоживание осадка.
• Органика и жиры: молочные, мясные, пищевые производства — состав таких стоков сильно меняется, поэтому без серии джар-тестов реагент не выбрать.
• Холодный сток зимой — оксихлорид алюминия или хлорное железо, а не сульфат алюминия.
• Есть биологическая очистка после реагентной — следите за щёлочностью: нитрификация сама её расходует, и коагулянт, отнявший запас, может остановить процесс.

Помимо цены за килограмм сравнивайте стоимость обработки кубометра стока целиком: коагулянт плюс подщелачивание, флокулянт, утилизация осадка и ремонт оборудования.

Джар-тест: обязательная проверка перед промышленными испытаниями

Всё сказанное выше — ориентир. На похожих по анализу стоках лучшие реагенты нередко оказываются разными, поэтому перед промышленными испытаниями обязательно проводят серию джар-тестов (от английского jar — «банка, стакан»). Это пробное коагулирование в лаборатории: в маленьком масштабе повторяют то, что будет происходить на очистных.

Как проходит один тест:

1. Отбирают свежую представительную пробу стока и сразу измеряют температуру, pH, мутность и щёлочность.
2. Разливают пробу в несколько одинаковых стаканов — обычно шесть — и ставят их на многоместную мешалку. Один стакан оставляют без реагента как контрольный.
3. Вводят коагулянт: в каждый стакан свою дозу или другой реагент.
4. Повторяют режим сооружений. Около минуты — быстрое перемешивание, как в смесителе. Затем 20–25 минут медленного перемешивания со ступенчатым снижением скорости — это камера хлопьеобразования. Флокулянт, если он нужен, вводят на этой стадии. В конце 15–30 минут отстаивания без перемешивания — как в отстойнике.
5. Оценивают результат: время появления первых хлопьев, скорость их осаждения, мутность и цветность над осадком, конечный pH, остаточный алюминий или железо, объём осадка.

Лучшим считают вариант с наименьшим расходом реагента, при котором достигнута нужная прозрачность, хлопья быстро оседают, а pH остаётся в допустимых пределах.

Почему нужна именно серия, а не один тест. Сначала сравнивают разные коагулянты, затем уточняют дозу и pH для лучшего из них, потом подбирают флокулянт. Пробы стоит повторить в разные смены и сезоны: зимой холодный сток ведёт себя иначе, а на производствах состав меняется в течение суток. Только после этого реагент запускают на промышленные испытания — на реальном потоке с контролем на выходе. Так не приходится проверять неподходящий коагулянт на всей станции и расплачиваться за это сбросом сверх норм.

Что делать на практике

1. Сделать анализ стока: pH, щёлочность, взвешенные вещества, ХПК, фосфор, температура зимой и летом, требования к сбросу.
2. Провести серию джар-тестов на нескольких коагулянтах параллельно, как описано выше. Дозу подбираем по анализу воды и результатам тестов.
3. Подобрать флокулянт. Коагулянт снимает заряд, флокулянт собирает частицы в крупные прочные хлопья. Для минеральной взвеси чаще подходят анионные марки, для обезвоживания органических осадков — катионные.
4. Проверить материалы. Хлорное железо и сульфат алюминия разрушают углеродистую сталь; для хлорного железа нестойка и нержавеющая сталь 316L. Ёмкости, трубопроводы и головки насосов выбирайте по таблице химстойкости: обычно это полиэтилен, полипропилен, ПВХ или ПВДФ.
5. Дозировать пропорционально расходу. Коагулянт, поданный с запасом «на всякий случай», перезаряжает частицы, и они снова расходятся, а нехватка оставляет мутность. Мы собираем станции приготовления и дозирования СТОРКТЭК под объект и комплектуем их насосами-дозаторами E01: у них есть входы для внешних сигналов управления, например от расходомера стока, а проточную часть подбираем под реагент — PP, PVC, PVDF или PTFE.
6. Провести промышленные испытания выбранного по джар-тестам реагента на действующих сооружениях.
7. Контролировать. После запуска регулярно проверяйте pH и щёлочность после смесителя, мутность и остаточный металл на выходе, влажность обезвоженного осадка. Состав стока меняется по сменам и сезонам — дозу периодически пересматривают.

Если хотите понять, какой коагулянт подойдёт вашему стоку, пришлите анализ или заполните опросный лист по очистке сточных вод. Наши инженеры проведут серию джар-тестов, подберут коагулянт и флокулянт, рассчитают расход и сопроводят промышленные испытания.