Коагуляция и флокуляция воды

Коагуляция это процесс, при котором мельчайшие взвешенные частицы в воде слипаются в более крупные и перестают быть устойчивой мутью. Коагулянт снимает электрический заряд, который удерживал частицы порознь, а флокулянт работает уже дальше и сшивает получившиеся зародыши хлопьев в рыхлые флокулы, которые можно осадить или отфильтровать. На водоканале это четыре последовательных этапа: быстрое смешение с реагентом, медленное хлопьеобразование, отстаивание и фильтрация. Главные коагулянты в России это сульфат алюминия, полиоксихлорид алюминия и соли железа, а самый распространённый флокулянт это полиакриламид. Дозу не берут из таблицы, её подбирают лабораторным пробным коагулированием, которое называют jar-test.

Слово «коагуляция» многозначное: им называют и свёртывание крови, и медицинские процедуры прижигания тканей, и загустевание белка при варке яйца. В этой статье речь только про водоподготовку, то есть про очистку природной и сточной воды реагентами. Разберём, почему мутная вода не отстаивается сама, чем коагулянт отличается от флокулянта, какие реагенты применяют на станциях водоподготовки и в бассейнах, сколько алюминия допустимо в питьевой воде и в каких случаях коагуляция вообще не нужна.

Питьевая вода в офисе без бутылей и реагентов

Коагуляция это работа водоканала, а в офисе задача другая: довести водопроводную воду до вкуса, которому доверяют сотрудники. Питьевые системы WATWELL подключаются к холодному водопроводу и делают это без бутылей и без химии.

• Вода не заканчивается, её не нужно заказывать, поднимать на этаж и хранить.
• Четыре ступени очистки: механическая, мембранная складчатая мультизонная, угольная и умягчение перед нагревом.
• Мембрана защищает более чем от 99,99% цист Cryptosporidium и Giardia, удаляет бактерии и патогены, минералы при этом сохраняются.
• Угольная ступень убирает запах и привкус хлора и органические примеси.
• Из одного диспенсера идёт холодная и горячая вода, есть режим газирования. Одного аппарата хватает на офис до 300 человек.
• Диспетчеризация 24/7 следит за давлением, температурой и ресурсом фильтров, сервис приезжает по сигналу системы.

Оставьте заявку, и мы подберём систему под ваше число сотрудников.

Почему мутная вода не становится прозрачной сама

Если набрать речную воду в банку и оставить на сутки, песок и крупная взвесь упадут на дно, а вода всё равно останется мутноватой или желтоватой. Виноваты коллоидные частицы: глинистые минералы, гумусовые вещества из торфа и болот, остатки водорослей, микроорганизмы. Их размер лежит примерно в диапазоне от одного нанометра до микрона, то есть в тысячи раз меньше песчинки.

Такие частицы не оседают по двум причинам. Первая: они настолько лёгкие, что броуновское движение молекул воды держит их во взвеси. Расчётное время оседания коллоида в спокойной воде измеряется неделями, а вода на станции проходит сооружения за часы. Вторая причина важнее: почти все природные коллоиды несут одинаковый отрицательный заряд поверхности. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому частицы разлетаются при каждом сближении и не могут слипнуться. Вокруг каждой частицы существует двойной электрический слой, и его потенциал в коллоидной химии называют дзета-потенциалом. Пока дзета-потенциал по модулю велик, взвесь устойчива, и никакой отстойник её не осветлит.

Из этого следует главная идея реагентной очистки: чтобы вода стала прозрачной, частицы нужно не поймать, а заставить объединиться.

Что такое коагуляция и при чём тут заряд

Коагуляция это слипание коллоидных частиц в более крупные агрегаты после того, как их взаимное отталкивание ослабло. Коагулировать значит переходить из устойчивой взвеси в состояние, когда частицы объединяются.

В воду вводят коагулянт, соль многовалентного металла: алюминия или железа. Дальше происходит несколько процессов одновременно.

1. Сначала идёт гидролиз: соль в воде распадается, и образуются положительно заряженные гидроксокомплексы металла, а затем малорастворимый гидроксид, например Al (OH)₃ или Fe (OH)₃.
2. Потом заряд нейтрализуется. Положительные ионы подходят к отрицательно заряженной поверхности частиц и сжимают двойной слой. Дзета-потенциал падает почти до нуля, отталкивание исчезает, и частицы начинают слипаться при столкновениях.
3. Частицы захватываются в осадок: хлопья гидроксида металла растут в объёме воды и механически увлекают за собой всё, что попадается по пути. Этот механизм в литературе называют осадочной коагуляцией, и на реальных станциях он часто главный.
4. Параллельно идёт адсорбция. На свежем гидроксиде хорошо закрепляются растворённые органические вещества, которые дают воде цветность, а также часть фосфатов и тяжёлых металлов.

Гидролиз идёт с выделением кислоты, поэтому коагулянт снижает pH и расходует щёлочность воды. Если щёлочности не хватает, реакция останавливается на полпути, хлопья не образуются, а алюминий остаётся в растворённом виде. Поэтому на станциях вместе с коагулянтом дозируют известь или соду.

Что такое флокуляция и что такое флокулы

После коагуляции в воде плавают микрохлопья размером в десятки микрон. Они уже не отталкиваются, но всё ещё слишком мелкие и рыхлые, чтобы быстро осесть или задержаться на песчаном фильтре. Флокуляция это вторая стадия, на которой микрохлопья соединяются в крупные агрегаты. Сами агрегаты называют флокулами, от латинского floccus, то есть клочок шерсти.

Флокуляция может идти сама по себе за счёт медленного перемешивания: частицы сталкиваются и срастаются. Но процесс сильно ускоряет флокулянт, длинная полимерная молекула. Один конец цепи прилипает к одной частице, другой к соседней, и между ними возникает мостик. Такие мостики связывают десятки микрохлопьев в плотную флокулу размером в миллиметры, которая оседает в отстойнике за минуты.

По заряду флокулянты делят на анионные и катионные, отдельно выделяют неионные. Анионный флокулянт несёт отрицательный заряд и хорошо работает уже после коагулянта, когда заряд частиц нейтрализован. Катионный несёт положительный заряд и может сам частично выполнять роль коагулянта, поэтому его применяют на осадках и в сточных водах, богатых органикой. Неионный универсален, но уступает по эффективности в сложных случаях. Написание «флоакулянт» встречается в поиске, но это опечатка, правильно только «флокулянт».

Коагулянт и флокулянт: в чём разница

Эти два слова часто путают, а производители бытовой химии для бассейнов вообще продают под названием «коагулянт» и «флокулянт» один и тот же флакон. Разница всё же есть, и она принципиальная.

Таблица 1. Отличие коагулянта от флокулянта

Короткий ответ на вопрос, чем отличается коагуляция от флокуляции: коагуляция это разрушение устойчивости взвеси, флокуляция это укрупнение уже слипшихся частиц. Ещё одно похожее слово это коалесценция, но она про другое: так называют слияние капель жидкости, например капель нефти или масла в воде, а не слипание твёрдых частиц.

Какие бывают коагулянты

Таблица 2. Основные коагулянты в водоподготовке

Сульфат алюминия остаётся стандартом по цене, но у него есть слабое место: при температуре воды около нуля гидролиз замедляется, хлопья получаются мелкими и плохо оседают. Именно поэтому многие водоканалы зимой переходят на полиоксихлорид алюминия. Он поступает на станцию уже в частично гидролизованном виде, поэтому активно образует хлопья на холоде, слабее подкисляет воду и даёт меньше остаточного алюминия.

Соли железа дают более тяжёлый и плотный осадок и лучше работают в щелочной воде. Минус в том, что при недостаточной дозе или неверном pH часть железа остаётся в воде и окрашивает её в желтоватый цвет, а сама соль корродирует оборудование.

Отдельно стоит электрокоагуляция: реагент не покупают, а получают прямо в воде, пропуская ток между алюминиевыми или железными электродами. Метод применяют на промышленных и нефтесодержащих стоках, для городской водоподготовки он слишком энергоёмок.

Какие бывают флокулянты

Самый распространённый синтетический флокулянт это полиакриламид, сокращённо ПАА. Полимер с очень длинной цепью выпускается в анионной и катионной форме, есть и неионный вариант. Дозы измеряются десятыми долями миллиграмма на литр, готовят его в виде очень слабого раствора концентрацией 0,05-0,1%, потому что густой раствор полимера не размешивается в объёме воды.

У полиакриламида есть нюанс. Сам полимер не токсичен, но в нём остаётся немного непрореагировавшего мономера акриламида, а акриламид токсичен. ВОЗ установила норматив по акриламиду в питьевой воде 0,0005 мг/л и отмечает, что при типичном ограничении дозы полимера в 1 мг/л и содержании мономера 0,05% теоретический максимум как раз и составит 0,5 мкг/л, а на практике концентрация обычно ниже в 2-3 раза. Производители обязаны ограничивать свободный мономер, а водоканалы держать остаточный акриламид на технически достижимом минимуме. Основной источник акриламида для человека это не вода, а жареная и печёная пища.

Природные флокулянты применяли задолго до синтетических: активированная кремнёвая кислота, крахмал и его производные, альгинаты из бурых водорослей, хитозан, галактоманнаны из семян гуара. Отдельно упоминают семена дерева моринга масличная: они содержат катионный белок, который работает и как коагулянт, и как флокулянт, этот способ до сих пор используют в сельских районах Африки и Южной Азии. Природные реагенты биоразлагаемы, но уступают синтетическим по эффективности и хуже хранятся.

Слово «флокуляция» встречается и в пивоварении: флокуляция дрожжей это способность дрожжевых клеток слипаться в хлопья и оседать в конце брожения. Механизм похожий, но реагенты там не нужны.

Как это устроено на водоканале

Классическая схема реагентного осветления поверхностной воды состоит из четырёх этапов.

1. На этапе смешения коагулянт вводят в поток и разгоняют по всему объёму за считанные секунды, в вихревых или перегородчатых смесителях либо прямой подачей в напорный трубопровод. Реагент должен равномерно распределиться раньше, чем закончится гидролиз, иначе часть воды получит избыток, а часть не получит ничего.
2. Затем вода переходит в камеру хлопьеобразования, где её перемешивают медленно, 10-30 минут. Здесь вводят флокулянт. Перемешивание должно быть достаточным, чтобы частицы сталкивались, но не настолько сильным, чтобы разбивать выросшие флокулы.
3. Дальше вода отстаивается: в горизонтальном отстойнике или осветлителе со взвешенным осадком хлопья опускаются на дно, а осветлённая вода уходит сверху.
4. Последнюю мелочь задерживает скорый фильтр с загрузкой из кварцевого песка или гидроантрацита. На станциях с маломутной водой отстойник иногда пропускают и ведут воду сразу на контактные осветлители, где коагуляция и фильтрация совмещены.

После этого воду обеззараживают хлором, гипохлоритом, озоном или ультрафиолетом. Как именно, подробно описано в материале про состав воды из-под крана и её обеззараживание. На сточных водах логика такая же, но дозы выше, а флокулянты чаще катионные, потому что стоки насыщены органикой.

Эффективность коагуляции контролируют по показателям качества воды: мутности и цветности после отстойника и фильтра, остаточному алюминию или железу, pH и щёлочности, иногда по перманганатной окисляемости.

Как подбирают дозу: пробное коагулирование, оно же jar-test

Универсальной дозы коагулянта не существует. Она зависит от мутности и цветности исходной воды, температуры, pH, щёлочности и состава органики, а всё это меняется от сезона к сезону и после каждого дождя. Поэтому дозу подбирают экспериментально методом пробного коагулирования, которое в англоязычной практике называют jar-test, а в русской «джар-тест».

Схема опыта такая. Берут шесть одинаковых стаканов объёмом от 0,5 до 2 литров, наполняют исследуемой водой и ставят на установку с шестью синхронными мешалками. До опыта замеряют температуру, pH, мутность и цветность. В каждый стакан вводят свою дозу коагулянта: для слабозагрязнённой воды начинают с 15-40 мг/л с шагом 5 мг/л, при высокой мутности с 30-60 мг/л, при высокой цветности доза доходит до 100 мг/л. Дальше быстрое перемешивание, около 120 оборотов в минуту три минуты или 180 оборотов минуту, затем медленное, примерно 50 оборотов в минуту 10-20 минут, и отстаивание около 30 минут. После этого в каждом стакане измеряют мутность и остаточный металл.

Рабочей считают не ту дозу, которая дала лучший результат любой ценой, а наименьшую дозу, при которой вода уже соответствует нормативам. Избыток реагента это и лишние деньги, и лишний алюминий в воде, и больше осадка. Флокулянт подбирают тем же способом, но отдельно, уже поверх выбранной дозы коагулянта.

Остаточный алюминий и норматив

Часть введённого алюминия неизбежно остаётся в очищенной воде. Именно поэтому остаточный алюминий это ключевой показатель контроля, а не второстепенная деталь.

В России норматив задан СанПиН 1.2.3685-21: предельно допустимая концентрация алюминия в питьевой воде составляет 0,2 мг/л. Прежний СанПиН 2.1.4.1074-01 допускал 0,5 мг/л, то есть требования ужесточились более чем вдвое.

ВОЗ формального норматива по алюминию в питьевой воде не устанавливает. В руководстве по качеству питьевой воды сказано, что расчётное значение, основанное на допустимом поступлении, могло бы составить 0,9 мг/л, но вместо него предложены практически достижимые уровни: 0,1 мг/л и ниже для крупных станций водоподготовки и 0,2 мг/л и ниже для небольших. Логика в том, что грамотно настроенная коагуляция сама по себе позволяет удерживать алюминий на этом уровне.

Про связь алюминия из питьевой воды с болезнью Альцгеймера ВОЗ высказывается осторожно: отдельные эпидемиологические работы такую связь предполагали, но методические ограничения и неучтённые сопутствующие факторы не позволяют говорить о причинно-следственной связи. Основное поступление алюминия в организм идёт с пищей, а не с водой.

Проверить остаточный алюминий в своём кране можно по протоколу анализа водоканала за свой район, об этом есть отдельный материал: можно ли пить воду из-под крана.

Коагулянт в бассейне и в быту

В бассейне ту же химию применяют против характерной «молочной» мути, которую песочный фильтр не ловит: частицы проходят сквозь загрузку. Коагулянт для бассейна продают в жидком виде, в картриджах для скиммера и в таблетках, действующее вещество обычно то же, соединения алюминия.

Три правила, которые чаще всего нарушают.

• Сначала pH, потом реагент. Коагулянт в бассейне работает примерно в диапазоне pH 7,0-7,6. При другом значении он либо не даёт хлопьев, либо сам мутит воду.
• Картриджным фильтрам коагулянт противопоказан. Хлопья намертво забивают картридж, ткань и бумажные элементы, а в надувных и каркасных бассейнах других фильтров обычно нет. Там флокулянт применяют только «на осадок»: дают воде отстояться при выключенном насосе и собирают хлопья со дна донным пылесосом или сачком.
• Песочный фильтр после коагулянта нужно промывать чаще. Реагент склеивает песок в комки, между которыми вода начинает проскакивать без фильтрации.

В быту дома коагулянт не нужен. Его задачи бытовые фильтры закрывают механически: картридж грубой очистки, угольная ступень и мембрана. Фильтр задерживает частицы, а коагулянт их укрупняет, и для кухонного крана первое проще и дешевле. Варианты разобраны в статье как очистить воду из крана дома.

Что бывает при передозировке

Больше реагента не значит чище вода. Перебор даёт обратный эффект, который в литературе называют перезарядкой частиц: избыточные положительные ионы не просто нейтрализуют заряд, а меняют его знак. Частицы снова получают одинаковый заряд, теперь положительный, и снова начинают отталкиваться. Взвесь стабилизируется, вода мутнеет вместо того, чтобы осветлиться.

Остальные последствия передозировки:

• растёт остаточный алюминий или железо в очищенной воде;
• сильно падает pH, вода становится агрессивной к трубам и оборудованию;
• увеличивается объём осадка, который нужно обезвоживать и вывозить;
• в бассейне появляется стойкая белесая муть и налёт на стенках;
• фильтры забиваются быстрее и требуют внеплановой промывки.

Недостаток дозы выглядит иначе: хлопья мелкие, оседают медленно, мутность после отстойника почти не снижается. Поэтому подбор дозы это всегда поиск середины, а не движение в одну сторону.

Когда коагуляция не нужна

Коагуляция имеет смысл там, где в воде много коллоидной взвеси и органики, то есть на поверхностных источниках: реках, озёрах, водохранилищах. В ряде случаев она не нужна вовсе.

• В артезианской скважине глубокая подземная вода прозрачная, коллоидов в ней практически нет. Типичные проблемы там другие: железо, марганец, жёсткость, иногда сероводород. Их решают окислением и фильтрацией, а не коагулянтом. Подробнее в статье про систему очистки воды из скважины.
• В квартире с городским водопроводом воду уже осветлили на станции, повторно коагулировать нечего. Дома работают с остаточным хлором, вкусом, запахом и жёсткостью.
• Если в колодце чистая вода и анализ показывает низкую мутность, достаточно механической фильтрации и обеззараживания.
• В офисные питьевые системы вода приходит уже подготовленная, и задача ступеней очистки другая: снять остаточный хлор, задержать бактерии и цисты, смягчить воду перед нагревом. Как устроены такие ступени, описано в разборе ступени очистки воды.

Короткие ответы на частые вопросы (FAQ)

Что такое коагуляция простыми словами?

Это слипание мельчайших частиц грязи в воде в более крупные комочки после того, как в воду добавили специальный реагент. Крупные комочки уже можно осадить или отфильтровать.

Что такое коагулянт?

Соль алюминия или железа, которая снимает электрический заряд с коллоидных частиц и заставляет их объединяться. К коагулянтам относят сульфат алюминия, полиоксихлорид алюминия, хлорид и сульфат железа.

Чем коагулянт отличается от флокулянта?

Коагулянт это соль металла, он нейтрализует заряд частиц и запускает слипание. Флокулянт это полимер, он связывает уже слипшиеся микрохлопья в крупные флокулы. Коагулянт вводят первым, флокулянт вторым.

Какая доза коагулянта нужна?

Универсальной нет. При пробном коагулировании обычно начинают с 15-40 мг/л для слабозагрязнённой воды и с 30-60 мг/л при высокой мутности, а при высокой цветности доходят до 100 мг/л. Рабочей считают минимальную дозу, при которой вода уже проходит по нормативам.

Сколько алюминия допустимо в питьевой воде?

По СанПиН 1.2.3685-21 предельно допустимая концентрация составляет 0,2 мг/л. ВОЗ формального норматива не устанавливает, но называет практически достижимыми уровни 0,1 мг/л для крупных станций и 0,2 мг/л для небольших.

Опасен ли полиакриламид в питьевой воде?

Сам полимер не токсичен, вопрос вызывает остаточный мономер акриламида. Норматив ВОЗ по акриламиду в питьевой воде равен 0,0005 мг/л, и водоканалы обязаны держать его содержание на технически достижимом минимуме.

Можно ли лить флокулянт в каркасный бассейн с картриджным фильтром?

Нет. Хлопья забьют картридж. В таком бассейне реагент применяют только при выключенном насосе, а осадок затем собирают со дна донным пылесосом или сачком.

Нужен ли коагулянт для скважины или домашнего водопровода?

Как правило нет. В артезианской воде коллоидной взвеси почти нет, а водопроводную воду уже осветлили на станции. Дома задачи решают механика, уголь и мембрана.

Как подобрать дозу коагулянта на практике

Не берите дозу из таблицы, а сделайте пробное коагулирование. Наберите воду в несколько одинаковых банок, добавьте в каждую разное количество коагулянта, перемешайте сначала быстро, потом медленно, и дайте отстояться. Рабочая доза та, при которой вода светлеет сильнее всего, а не самая большая: перебор реагента ухудшает воду вместо того, чтобы её очистить. Флокулянт добавляйте уже после коагулянта, когда пошли микрохлопья. После запуска сдайте пробу на остаточный алюминий и сверьте с нормативом 0,2 мг/л. Если у вас квартира с городской водой или артезианская скважина, этот шаг пропускайте: вода там уже осветлена или изначально прозрачна, и коагулянт не нужен.