Чебакова И.Б. Очистка сточных вод

Подождите немного. Документ загружается.

Удельный расход воздуха Q

уд.в

= 40 − 50 м

/ч на 1 м

площади поверхности

флотационной камеры. Количество подаваемого импеллером воздуха

вуд.в

0,000 278 f

⋅⋅, (2.4)

где

- площадь водного зеркала флотационной камеры, м

Необходимое число флотационных камер определяется из соотношения

. (2.5)

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с

высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2

− 3 г/л) и содержа-

щих нефть, нефтепродукты и жиры.

Недостатком импеллерной флотатации является относительно высокая обвод-

ненность пены. Особенно существенным этот недостаток становится существенным

в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных

ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные ус-

тановки для ее обработки,

что увеличивает стоимость очистки в целом.

Импеллерные флотационные установки широко используют при обогащении

полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с высоким со-

держанием взвешенных частиц (при концентрации более 2 г/л).

Безнапорная флотация

. Диспергирование воздуха в безнапорных установ-

ках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом

центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней от-

сутствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации.

Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую

крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается.

Безнапорные флотационные установки

обычно применяют для очистки сточ-

ных вод от жира и шерсти.

Пневматическая флотация

. Пневматические флотационные установки

применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси,

которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим

движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впус-

ка воздуха во флотационную камеру через сопла, которые расположены на

воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной

камеры на расстоянии 0,25

− 0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий сопел

составляет 1

− 1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3 − 0,5 МПа, глубина

флотатора принимается 3

− 4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100 −

200 м/с. Объем флотатора можно определить по формуле

аэр

60 (1 )

⋅

⋅−

, (2.6)

где

- продолжительность флотации, равная 15

− 20 мин;

аэр

0,2 0,3

=− - ко-

эффициент аэрации;

Q - расход сточной воды, м

/мин.

Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит

в пределах 15

− 20 м

/ч на м

площади проходного сечения флотатора.

Необходимое число сопел находят из выражения

⋅ϑ, (2.7)

где

- площадь отверстия одного сопла, м

;

- скорость выхода воздушной

струи;

Q - расход воздуха.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы

энергии, так как отсутствуют насосы и импеллеры и простоту конструкции флота-

ционной камеры. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые

пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации за-

висит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности фло-

тации, уровня воды

во флотаторе. Диаметр отверстий должен быть 4 − 20 мкм, рас-

ход воздуха в пределах 40

− 70 м

/ч на 1 м

проходного сечения флотатора, давле-

ние воздуха 0,1

− 0,2 МПа, продолжительность флотации 20 − 30 мин, расход возду-

ха определяется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной воды

до флотации 1,5

− 2 м. Продолжительность флотации составляет 20 − 30 мин. Недос-

татком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также

трудность подбора мелкопористых материалов с одинаковыми по диаметру отвер-

стиями, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

При пропускании воздуха через пористые керамические пластины и колпачки

получаются пузырьки, размер которых определяется по формуле

R6 r

⋅⋅σ

, (2.8)

где R - радиус пузырьков;

r - радиус отверстий в пористом материале;

- по-

верхностное натяжение воды.

III

Рис. 2.9. Схемы флотации при помощи пористых материалов: а – с пористыми

колпачками; б – с пористыми пластинами; I – подача сточной воды; II – под-

вод воздуха; III – отвод очищенной воды; 1 – флотационная камера; 2 – порис-

тые элементы; 3 – устройство для сбора пены; 4 – регулятор уровня

III

а)

б)

Давление для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по

формуле Лапласа

P4 rσ∆ = ⋅ , (2.9)

Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные

камеры с пористыми колпачками (рис. 2.9а) сточную воду подают в верхнюю

часть флотационной камеры 1, а воздух поступает через пористые колпачки 2.

Пена переливается через кольцевой желоб 3 и удаляется из него. Осветленную

воду отводят через регулятор уровня 4. Установки могут иметь одну или не-

сколько

ступеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды ис-

пользуют фильтровальные пластины (рис. 2.9б), схема флотации аналогична

предыдущей.

Электрофлотация

Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в

переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пу-

зырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электро-

лиза сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Основ-

ную роль в процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Раз

мер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого

угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных

особенностей. Замена пластинчатого катода на проволочный приводит к умень-

шению крупности пузырьков, следовательно, к повышению эффективности ра-

боты электрофлотатора.

При применении растворимых электродов (обычно железных или алюми-

ниевых) на аноде происходит анодное

растворение металла, в результате чего

в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию

хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пу-

зырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает

благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на

хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффектив-

ность флотационного процесса. Такие

установки называются электрокоагуля-

ционно-флотационными. При пропускной способности до 10

− 15 м

/ч уста-

новки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности

−

двухкамерными горизонтального (рис. 2.10) или вертикального типа. Расчет

установок для электрофлотации и электрокоагуляции сводится к определению

общего объема

установки, объемов

электродного отделения и камеры

флотации

уэф

WWW

+ . (2.10)

Объем электродного отделения (рис. 2.10) определяется из возможности раз-

мещения в нем необходимой электродной системы. Так при расчете горизонталь-

ной установки ширина секции В принимается в зависимости от производительно-

сти Q. Если Q

< 90 м

/ч, то В = 2 м, если Q = 90 − 180 м

/ч, то В = 2,5 − 3 м.

Число пластин электродов, размещаемых в установке

(2 )

()

−

⋅+

δ+

, (2.11)

где

a100мм= - зазор между крайними пластинами и стенками камеры;

15 20=−a мм

- зазор между пластинами; 6 10 мм

=− - толщина пластин.

Тогда необходимая площадь пластин электродов:

эаэ

ff 1)

−

, (2.12)

где

аэ

f - активная поверхность электродов, м

аэ

fEQi

⋅ . (2.13)

Здесь

Ε - удельное количество электричества, А⋅ч в 1 м

объема камеры флотатора;

- расчетный расход сточных вод, м

/ч; i - плотность тока на электродах, А/м

Величины

Ε и i определяются экспериментальным путем. При обработке

сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбина-

тов, кожевенных заводов, мясокомбинатов и др.

Ε = 100 − 600 А⋅ч в 1 м

объема

флотационной камеры, i =50

− 200 А/м

, напряжение постоянного тока 5 − 10 В.

Определив

и назначив высоту пластин электродов

=1 − 1,5 м находим длину

пластин электродов

ээ

, а затем определяем длину электродной камеры:

+⋅a

. (2.14)

Рис.2.10. Горизонтальный электрофлотатор: 1 – впускная камера; 2 – решетка-

успокоитель;

3 – электродная система; 4 – механизм для сгребания пены; 5 – пе-

носборник; 6 – опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка; I – подача сточ-

ной воды; II – отвод обработанной сточной воды; III – отвод пенного шлама

III

Тогда объем электродной камеры, в составит

эээ

WBHL

⋅⋅, (2.15)

где

- рабочая высота электродной камеры:

123

hh h

. (2.16)

Объем флотационной камеры

⋅ ,

где

t- продолжительность флотации определяемая экспериментально и прини-

мая обычно равной 0,3

− 0,75 ч.

Длину

L и высоту

H флотационной камеры подсчитывают исходя из ее

объема

W и ширины В.

При осуществлении процесса электрофлотации необходимо определить массу ме-

талла электродов, переходящую в раствор, а также срок службы электродной системы.

эТ

ЭЕ

⋅⋅, (2.17)

где

- масса металла, переходящего 1 м

раствора, г; Э - электрохимический эк-

вивалент, г/А⋅ч для Fe

=1,042,

=0,695,

=0,396 г/(А⋅ч);

0,5 0,95

=÷ - ко-

эффициент выхода по току, определяется экспериментально.

Срок службы электродной системы

сут

1000

ТМ

=⋅ ⋅

, (2.18)

где Т – время работы электродной системы, сут; М - масса металла электродов, ко-

торая растворяется в процессе электролиза, кг:

ээ э

kf n

γ⋅ ⋅ ⋅δ⋅

. (2.19)

γ - плотность металла электродов, кг/м

;

0,8 0,9

− - коэффициент использова-

ния материала электродов;

сут

Q- суточный расход сточных вод.

Протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-

восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание

сточных вод. Использование алюминиевых и железных электродов обуславливает

переход ионов алюминия и железа в раствор, что способствует коагулированию

мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.

Биологическая и химическая флотация

Применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации

сточных вод образуется пена, имеющая обычно пленочно-структурное строение.

Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних слоях, а

устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от характера флоти-

руемых материалов. Процесс уплотнения всплывающего шлама наиболее интен-

сивно идет в

первые два часа, далее он замедляется, а после четырех часов прак-

тически прекращается полностью. Были выведены общие закономерности уплот-

нения пенного шлама для различных по составу сточных вод на основании анали-

за графиков уплотнения. Если за единицу принять объем шлама в момент време-

ни, когда все пузырьки воздуха поднялись в пенный

слой, что в проточных уста-

новках соответствует продолжительности флотации 30 мин, то относительный

объем шлама через 1; 2; 3 и 4 ч составляет соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.

Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифициро-

ван нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. В

большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесооб-

разна.

Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах неко-

торых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О

, СО

, Сl

и др.)

в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать к нерас-

творенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление,

например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введени-

ем коагулянтов.

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных

отстойников при очистке бытовых сточных вод.

Для этой цели осадок подогрева-

ют паром в специальной емкости до 35 − 55 °С и при этих условиях выдерживают

несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пу-

зырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняют-

ся и обезвреживаются. Таким путем за 5 − 6 сут влажность осадка можно пони-

зить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку.

Ионная флотация – это процесс, который ведется следующим образом: в сточ-

ную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и соби-

ратель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противо-

положный по знаку заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя

и загрязнений

концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену.

Пену удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцен-

трированные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для

извлечения из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и

другие).

3. СОРБЦИЯ

Сорбция – это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды

другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называет-

ся сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. В зависимости от механизма сорбции

различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а

поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента −

адсорбция. Сорбция, со-

провождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым вещест-

вом, называется хемосорбцией.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глу-

бокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предпри-

ятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и

других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться

самостоятельно и совместно с биологической,

как метод предварительной и

глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность по-

глощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки,

особенно слабо концентрированных сточных вод.

Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод

ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования

очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных

предприятий. Адсорбция растворенных веществ – результат перехода молекулы

растворенного вещества из

раствора на поверхность твердого сорбента под дейст-

вием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмоле-

кулярного взаимодействия

молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности

сорбента;

молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).

Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с

какой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента.

Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее

противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сор-

бента и тем слабее

адсорбируется вещество из раствора.

Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содер-

жатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты или слабые

электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например,

содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании

в сточных водах только неорганических соединений, а также низких одноатомных

спиртов этот метод

не применим.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые при-

родные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, актив-

ные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются

активированные угли различных марок.

Минеральные сорбенты используют мало, так как энергия взаимодействия их

с молекулами воды велика – иногда превышает энергию адсорбции

. Пористость

этих углей составляет 60 − 75 %, а удельная площадь поверхности 400 − 900 м

на

единицу веса сорбента. Адсорбционные свойства активированных углей в значи-

тельной мере зависит от структуры пор, их величины, распределения по разме-

рам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся

на крупно- и мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подразде-

ляются на три вида:

- макропоры - 0,1 – 2 мкм;

- переходные – 0,004 – 0,1

мкм;

- микропоры - < 0,004 мкм.

Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хоро-

шо − с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эф-

фективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8 − 5,0

нм), чтобы их по-

верхность была доступна для больших и сложных органических молекул. При ма-

лом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную ем-

кость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регене-

рации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации

угля будут небольшими. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться во-

дой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки ис-

пользуют мелкозернистые адсорбенты с частицами размерами 0,25 − 0,5 мм и вы-

сокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.

Важно, чтобы угли обладали

малой каталитической активностью по от-

ношению к реакциям окисления, конденсации и др., так как некоторые орга-

нические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмо-

ляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмолившиеся вещества заби-

вают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. На-

конец, они должны иметь низкую стоимость, не уменьшать

адсорбционную ем-

кость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.

Сырьем для активных углей может быть практически любой углеродсодер-

жащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходи пищевой, целлюлозно-

бумажной и других отраслей промышленности. В табл. 3.1. представлены ха-

рактеристики активированных углей.

Таблица 3.1

Марка

Полная

емкость,

см

/г

Емкость

микро-

пор, см

/г

Основной раз-

мер зерен, мм

Насыпная

масса, кг

АГ – 2 0,6 0,3

3,5

600

БАУ 1,5 0,22

3,5

260

АР - 3 0,7 0,19

5,5

550

КАД - йодатный 1,0 0,23

380

КАД - молотый - 0,12

0,04

СКТ 0,98 0,51

3,5

420

Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирую-

щих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется

микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие раз-

мер частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная ем-

кость которых соответствует поглощающей способности сорбента.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на

единицу объема или

массы сорбента.

Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых

частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т. е. движет-

ся вместе с ней, а также в динамических условиях, когда частица жидкости пере-

мещается относительно сорбента.

Таким образом, сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество,

находится в газообразной или жидкой фазе

, приведено в контакт с неподвижным

сорбентом или перемешиваются с ним. Так происходит в аппаратах с перемеши-

вающими устройствами. Динамической сорбцию называют в тех случаях, когда

поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или газообразной фазе,

которая фильтруется через слой сорбента. Так происходит в аппаратах с псевдо-

ожиженным слоем, фильтрах.

В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность

сорбента. Статическая активность характеризуется количеством поглощенного

вещества на единицу

массы сорбента к моменту достижения равновесия в опреде-

ленных условиях (постоянных температуре жидкости и начальной концентрации

вещества). Динамическая активность сорбента характеризуется временем от нача-

ла пропускания сорбата до его проскока, т.е. до появления за слоем сорбента, или

максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы

сорбента до момента появления сорбируемого

вещества через слой сорбента. Ди-

намическая активность в промышленных адсорберах составляет 45 − 90%. На

практике сорбционные процессы осуществляют, как правило, в динамических ус-

ловиях, так как это обеспечивает непрерывность технологического процесса и

возможность его автоматизации. Между количеством вещества, адсорбированно-

го сорбентом и оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает рав-

новесие,

подчиняющееся закону распределения.

Сорбция − процесс обратимый, т. е. адсорбированное вещество (сорбат) может

переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости

протекания прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорцио-

нальны концентрации вещества в растворе и поверхности сорбента. Поэтому в

начальный период процесса сорбции, т. е. при максимальной концентрации

веще-

ства в растворе, скорость сорбции также максимальна. По мере повышения кон-

центрации растворенного вещества на поверхности сорбента увеличивается число

сорбированных молекул, переходящих обратно в раствор. С момента, когда коли-

чество сорбируемых из раствора (в единицу времени) молекул становится равным

количеству молекул, переходящих с поверхности сорбента в раствор, концентра-

ция

раствора становится постоянной. Эта концентрация называется равновесной.

Если после достижения адсорбционного равновесия несколько повысить концен-

трацию обрабатываемого раствора, то сорбент сможет извлечь из него еще неко-

торое количество растворенного вещества. Но нарушаемое таким образом равно-

весие будет восстанавливаться лишь до полного использования сорбционной спо-

собности (емкости) сорбента, после чего повышение концентрации

вещества в

растворе не изменяет количества сорбируемого вещества.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента явля-

ется изотерма сорбции (рис. 3.1), которая описывается уравнением Фрейндлиха и

Лентмюра. Уравнение после преобразования эмпирических коэффициентов и до-

пущений, сделанных с учетом слабо концентрированного раствора сточных вод,

имеет вид

а = k

адс

⋅С

равн

, (3.1)

где

а - удельная адсорбция, кг/кг;

адс

- адсорбционная константа распределения сор-

бата между сорбентом и раствором, ее величина при прочих равных условиях зависит

от температуры;

авн

- равновесная концентрация адсорбируемого из раствора веще-

ства на сорбенте, кг/кг.

Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое и в таком

же слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещества.

Для поверхностно активных веществ эта разность больше нуля. С увеличением кон-

центрации раствора разность концентраций достигает предельного значения, когда

весь поверхностный слой занят молекулами поверхностно-активного вещества.

Если в сточной воде присутствует несколько компонентов, то для опреде-

ления возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят

значение стандартной дифференциальной свободной энергии

F+

и опреде-

ляют разность между максимальным и минимальным значением. При усло-

вии

мин

макс

FF10,5−≤++

кДж/моль совместная адсорбция всех компонентов

возможна. Если это условие не соблюдается, то очистку проводят последова-

тельно в несколько ступеней.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры

растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем

случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: переноса вещества из

сточной

воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область),

собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента

(внутридиффузионная область). Принято считать, что скорость собственно ад-

сорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, ли-

митирующей стадией может быть внешняя диффузия либо внутренняя. В некото-

рых случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями.

Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в основном опре-

деляется интенсивностью турбулентности потока, которая в первую очередь зави-

сит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массо-

б)

а)

равн

∆

пр

Рис. 3.1. Изотерма сорбции: а - в статических условиях, б - в динамических

равн

мах

равн