Чебакова И.Б. Очистка сточных вод

Подождите немного. Документ загружается.

го полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные результаты этот

метод дает также при обработке сточных вод гальванических цехов, где потребляе-

мая мощность на 1 м

обрабатываемой сточной воды составляет 0,4 − 0,5 кВт за

один час работы.

Электрокоагуляция применяется для отчистки сточных вод гальванических и

травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а так же цианов.

Схема установки (рис. 1.7) предназначена для отчистки сточных вод от шести-

валентного хрома. Сточная вода из промывочной ванны 2 гальванического участ-

ка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает в

промывочный электролизёр 6, в ко-

тором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12

− 14 В от выпря-

мителя 4. При пропускании электрического тока с плотностью 50

− 100 А/м

че-

рез сточную воду, движущуюся по длине электролизёра 6 в течение 10

− 15 мин,

происходит анодное растворение стальных электродов и образующиеся при этом

ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром до трехва-

лентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и трехвалентного

хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)

, Fe(OH)

, Cr(OH)

Сточная вода со взвешенными в ней гидроксидами поступает из электролизёра 6

в центрифугу 7 , в которой происходит отделение гидроксидов железа

и хрома и удаление их через трубопровод 8 . Очищенная от хрома вода по трубопро-

воду 10 поступает для дальнейшей отчистки или при закрытом вентиле 9 по трубо-

проводу 11 поступает для повторного использования в промывочных ваннах.

Рис. 1.7. Схема электрокоагуляционной очистки сточных вод: 1 – насос;

2 – промывочная ванна; 3 – трубопровод; 4 – выпрямитель электрического тока;

5 – электроды; 6 – элеторолизер; 7

− центрифуга; 8 – отвод осадка; 9 – вентиль;

10 – слив очищенной воды; 11 – трубопровод для подачи воды при повторном

использовании

2. ФЛОТАЦИЯ

Флотация − это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого ма-

териала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости,

обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев,

а также поверхностными явлениями смачивания. Флотацию применяют для уда-

ления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно

плохо отстаиваются.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих

ПАВ (поверхно-

стно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы

методом флотации заключается в образовании комплексов "пузырек- частица",

всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверх-

ности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может

быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособле-

ний брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся

в ней, к поверхности газового

пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое

смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса "пузырек-частица" зави-

сит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия

веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех случаях, когда

флотацию применяют для удаления растворенных

веществ, например ПАВ, про-

цесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированием.

Возможность образования флотационного комплекса "пузырек-частица", ско-

рость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса

зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их

поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырь-

ка образуется трехфазный

периметр – линия, ограничивающий площадь прилипа-

ния пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной.

Касательная к поверхности пузырька (рис. 2.1) в точке трехфазного периметра и

поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол

θ , называемый

краевым углом смачивания.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возраста-

нием которой способность жидкости смачи-

вать твердые тела слабеет. Внешним прояв-

лением способности жидкости к смачиванию

является величина ее поверхностного натя-

жения на границе с газовой средой, а также

разность полярностей на границе жидкой и

твердой фаз.

Процесс флотации идет эффек-

тивно при поверхностном натяжении воды

не более 60 – 65 мН/м. Степень смачиваемо-

сти водой твердых или газовых частиц, взве-

шенных в воде, характеризуется величиной

краевого угла смачивания

θ . Чем больше угол

, тем более гидрофобна поверхность частицы,

Рис. 2.1. Схема образования ком-

плекса "пузырек-частица"

таким образом, увеличиваются вероятность прилипания к ней и прочность удер-

жания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой

смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют

размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в

сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15 –30 мкм, а макси-

мальные 100 – 200 мкм.

Таким образом,

процесс флотации заключается в следующем – при сближении

в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей раз-

деляющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и

происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс "пузырек-частица"

поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный

слой с более высокой концентрацией

частиц, чем в исходной сточной воде.

Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при обра-

зовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемо-

сти поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутст-

вие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные вещества –

реагенты-собиратели, адсорбируясь на

частицах, понижают их смачиваемость, т.е.

делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют масла,

жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкил-

сульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность частиц можно

сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность.

Энергия образования комплекса "пузырек-частица"

A(1Cos)

σ⋅ − θ , (2.1)

где

σ - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой,

стремится к нулю, следователь-

но, Cos

θ стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна.

Для не смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса "пузы-

рек-частица" будет максимальной.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков

воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или

большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается

с повыше-

нием концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и

прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе

флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьша-

ют поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол,

фенолы, алкилсульфаты натрия.

Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к

пузырьку и подъем-

ной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от

плотности материала и равен 0,2

− 1,5 мм.

В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные

конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для

отчистки сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-

бумажная промышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и

химическая. Флотацию используют для выделения активного ила после биохими-

ческой отчистки.

Достоинствами флотации являются:

1) непрерывность процесса;

2) широкий диапазон применения;

3) небольшие капитальные и эксплутационные затраты;

4) простота аппаратуры;

5) селективность выделения примесей;

6) более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;

7) возможность получения шлама более низкой влажности (90

− 95 %);

8) высокая степень отчистки (95

− 98 %);

9) возможность рекуперации удаляемых веществ.

Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации

ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способству-

ет успешному проведению следующих стадий очистки.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связа-

ны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По

этому принципу, можно выделить следующие способы обработки

производствен-

ных сточных вод:

флотация с выделением воздуха из раствора;

флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, без-

напорные и пневматические флотационные установки);

флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

электрофлотация;

биологическая и химическая флотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (ка-

мер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одно-

временно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирую-

щихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и от-

стойного отделений, в первом отделении происходят образование

пузырьков воз-

духа и агрегатов "пузырек-частица", а во втором

− всплывание шлама (пены) и

осветление жидкости.

Флотация с выделением воздуха из раствора

Применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень

мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пу-

зырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасыщенного рас-

твора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух об-

разует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде за-

грязнения. Количество воздуха, которое

должно выделиться из перенасыщенного

раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет

− 5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В зависимости от способа соз-

дания пузырьков различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

Вакуумная флотация (рис. 2.2).

Преимуществом вакуумной флотации является то,

что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание

образовавшихся агрегатов "пузырек-частица" происходят в спокойной среде и веро-

ятность их разрушения сводится к минимуму. Минимальны также энергозатраты на

насыщение жидкости воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.

Недостатки метода:

необходимость сооружения герметичных резервуаров;

сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок;

ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок

(концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).

Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается

воздухом в течение 1

− 2 мин в аэрационной камере 1, откуда она поступает в де-

аэратор 2 для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разреже-

ния (0,02

− 0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3, в кото-

рой растворившийся воздух

при атмосферном давлении

выделяется в виде пузырьков и

выносит частицы загрязнений

в пенный слой. Продолжи-

тельность пребывания сточной

воды во флотационной камере

20 мин, а нагрузка на 1 м

площади поверхности около

200 м

/сут. Скапливающаяся

пена вращающимися скребка-

ми удаляется в пеносборник.

Для отвода обработанной

сточной воды обеспечивается

необходимая разность отметок

уровней во флотационной ка-

мере и приемном резервуаре

или устанавливаются насосы.

Напорная флотация (рис. 2.3)

. Установки напорной флотации просты и

надежны в эксплуатации. Этот метод имеет более широкий диапазон приме-

нения, поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответ-

ствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной

концентрации загрязнений до 4

− 5 г/л и более. Для увеличения степени

очистки в сточную воду добавляют коагулянты. Аппараты напорной флота-

ции обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5

− 10 раз меньше ос-

таточное содержание загрязнений и имеют в 5

− 10 раз меньшие габариты.

Процесс осуществляется в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под

повышенным давлением и выделение растворенного газа под атмосферным

давлением. Напорные флотационные установки имеют производительность от

III

Рис.2.2. Схема вакуумной флотации: I – подача

сточной воды; II – отвод пены; III – отвод обра-

ботанной сточной воды;

1 – аэратор; 2 – деаэра-

тор; 3 – флотационная камера; 4 – механизм сгре-

бания пены

5 до 2000 м

/ч. Пребывание воды в напорной емкости составляет 10 − 15 мин, а

во флотационной камере – 10

− 20 мин.

При напорной флотации (рис. 2.3)

сточные воды по трубопроводу насо-

сом 2 подаются в напорный бак 3 (са-

туратор) из приемного резервуара 1.

На всасывающем трубопроводе име-

ется патрубок для подсоса воздуха.

Сатуратор или напорная емкость слу-

жит для равномерного растворения

воздуха в сточной воде. Объем сату-

ратора рассчитывают на необходимую

продолжительность насыщения

воз-

духом (обычно 1

− 3 мин) при избы-

точном давлении 0,15

− 0,4 МПа. Количество растворяющегося в сатураторе воз-

духа должно составлять 3

− 5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насы-

щенная воздухом вода подается во флотационную камеру 4, где при атмосфер-

ном давлении растворенный воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует

взвешенные частицы. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами

для сгребания пены в пеносборники. Отвод пены осуществляется по линии III в

верхней части флотатора. Осветленная вода отводится из

нижней части флота-

тора – линия IV. Площадь флотационной камеры следует принимать исходя из

гидравлической нагрузки 6

− 10 м

/ч на 1 м

площади поверхности камеры. Про-

должительность флотации составляет 20 мин.

Объем засасываемого воздуха составляет 1,5

− 5 % от объема очищаемой во-

ды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений. При

проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м

/ч

принимаются прямоугольные флотаторы в плане камеры глубиной 1

− 1,5 м,

с расходом более 100 м

/ч - радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м. Глу-

бина зон флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжитель-

ность пребывания сточной воды в них соответственно 5 и 15 мин.

По схемам (рис. 2.2 и 2.3) вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыща-

ется воздухом. Схемы с рециркуляцией (рис. 2.4а) и с частичной подачей

воды насо-

сом (рис. 2.4б) рекомендуется использовать, если проводится предварительная коа-

гуляция сточной воды с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопь-

ев в насосе. В этих схемах только часть сточной воды подается насосом и насыщает-

ся воздухом. Схема с рабочей жидкостью (рис. 2.4в) используется при большой кон-

центрации загрязнений в сточной

воде, когда работа флотационной установки по

схеме (рис. 2.2) малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют уже

очищенную или природную воду. При этом объем рабочей жидкости превышает

объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-

за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого их всплывания. Недостатком

схемы является большой расход

энергии на перекачку рабочей жидкости.

Рис. 2.3. Схема напорной флотации: I –

подача сточной воды; II – подача возду-

ха; III – отвод пены; IV – отвод обрабо-

Рис. 2.4. Схемы подачи воды при напорной флотации: а – с рециркуляцией;

б – с частичной подачей воды насосом; в – с рабочей жидкостью; I – подача

воды; II – отвод очищенной воды; III - подача воздуха; IV – дополнительная

подача чистой воды;

1 – приемное отделение; 2 – флотационное отделение; 3 –

насос; 4 – напорный бак

III

Сточные воды (рис. 2.5), насыщенные воздухом, поступают во флотационную

камеру 3 снизу через вращающийся водораспределитель 2. Выделяющиеся из во-

ды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся

механизмом 4 пена сгребается в лоток и удаляется – линия IV. Обработанная вода

отводится с днища флотатора 1 и по вертикальным каналам переливается в отво-

дящий кольцевой лоток 5. Пропускная

способность одного радиального флотато-

ра не должна превышать 1000 м

/ч.

III

Рис. 2.5. Схема радиального флотатора: I – подача сточной воды; II – отвод

обработанной сточной воды; III – опорожнение

флотатора и отвод осадка;

IV – отвод пены

Применяют цилиндрические флотаторы, имеющие разный диаметр, следова-

тельно, разную производительность. Флотаторы отличаются конструкцией ввода и

вывода сточной воды и механизма сбора пены и ее отводом. Применяются также

многокамерные флотационные установки. В многокамерной установке (рис. 2.6) за-

грязненная сточная вода, скапливаясь в емкости 1, насосом 2 сначала подается в гид-

роциклон 4, где удаляется часть

взвешенных частиц. Затем ее направляют в первую

камеру флотатора 3, где сточная вода смешивается с циркуляционной водой из на-

порного бака 6, насыщенной воздухом, поступающей через аэраторы 7. В первой ка-

мере флотатора выделяются пузырьки воздуха, которые и флотируют загрязнения.

После этого сточная вода поступает во вторую камеру и в последующие, в которых

также

происходит процесс флотации, после смешения сточной воды с очищенной.

Таким образом, происходит многоступенчатая очистка сточной воды. Пройдя послед-

нюю камеру флотатора, очищенная вода удаляется из установки – линия II. Пена уда-

ляется пеносъемниками 5. Часть очищенной воды подается насосом 8 в напорный бак

6, где растворяется воздух, поступающий во всасывающую магистраль насоса.

В случае необходимости

одновременного проведения процессов флотации и

окисления загрязнений сточную воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом

или озоном. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию следует

подавать инертные газы. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от

нефти, нефтепродуктов, жиров масел, ПАВ, волокнистых веществ и других.

Эрлифтная флотация

(рис. 2.7). Эрлифтные установки применяют для очистки

сточных вод в химической промышленности. Простота устройства и снижение за-

трат энергии при эрлифтной флотации на проведение процесса в 2

− 4 раза, по

Рис. 2.6. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией:

I – подача сточной воды; II – отвод очищенной воды;

1 – емкость; 2 – на-

сос; 3 – флотатор; 4 – гидроциклон; 5 – пеносъемник; 6 – напорный бак;

7 – аэраторы; 8 – насос

шлам

8 6

III

20–30 м

Рис. 2.7. Схема эрлифтной флотации: I

–

подача сточной воды; II – подача

воздуха; III – отвод шлама; IV – отвод

очищенной воды

сравнению с напорной флотацией

ляются достоинствами способа. Но

конструкция установки требует значи-

тельного перепада отметок по высоте

между питательным резервуаром со

сточной водой и флотационной каме-

рой, что значительно сужает область

применения этого метода.

Сточная вода из емкости 1, нахо-

дящейся на высоте 20

− 30 м, поступа-

ет в аэратор 3 по трубопроводу 2. Туда

же подается сжатый воздух – линия II,

который растворяется в воде под по-

вышенным давлением. Поднимаясь по

эрлифтному трубопроводу 4, жидкость

обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе 5. Образую-

щаяся пена с частичками загрязнений удаляется самотеком или скребками – ли-

ния III. Осветленную воду направляют на дальнейшую

очистку – линия IV.

Флотация с механическим диспергированием воздуха

При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое дви-

жение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пу-

зырьки. Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию.

Импеллерная флотация

(рис. 2.8). Энергичное перемешивание сточной воды

во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мел-

ких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной вели-

чины. Основным элементом такой установки является импеллер – небольшая

турбина насосного типа, представляющая собой диск с радиальными обращен-

ными вверх лопатками.

Сточная вода из приемного кармана 1 поступает

к импеллеру 6, в который

по трубке 4 засасывается воздух. Импеллер крутится на нижнем конце вала, за-

ключенного в трубку через которую всасывается воздух по патрубку 4, так как

при его вращении образуется зона пониженного давления им. Над импеллером

расположен статор 3 в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции

воды. Перемешанные импеллером вода и

воздух выбрасываются через статор.

Решетки 7, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому пере-

мешиванию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над

решеткой. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пе-

носнимателем. Обычно флотационная установка состоит из нескольких после-

довательно соединенных камер. Диаметр импеллеров 600

− 700 мм. Из первой

камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит до-

полнительная очистка сточной воды.

Степень диспергирования воздуха и эффективность очистки зависят от скорости

вращения импеллера. Чем выше скорость импеллера, тем меньше пузырьки и тем

выше эффективность процесса. Однако при высоких скоростях резко возрастает

турбулентность потока и может происходить разрушение хлопьевидных частиц, что

приведет, наоборот, к снижению эффективности процесса очистки. Диаметр импел-

лера должен быть

не более 750 мм. Зона обслуживания импеллера не должна пре-

вышать размеров квадрата со стороной равной шести диаметрам импеллера. Высота

флотационной камеры H

принимается равной 1,5 − 3 м, продолжительность фло-

тации 15

− 20 мин. Объем флотационной камеры находят по формуле

фф

0,025 Q

⋅⋅, (2.2)

где

- объем , м

;

- расход сточных вод, м

/ч.

Пропускная способность флотатора

0,025

⋅

. (2.3)

Рис.2.8. Схема двухкамерной импеллерной флотационной установки:

I – подача сточной воды; II – отвод очищенной воды

А-А