Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

271

(О

1 2 3

tip

Сточная вода

и коагулянт

Сточная вода а

Флокулянт

Очищенная

вода

Сточная вода

и коагулянты

Рис. II-18. Аппараты для коагу-

ляции: a — перегородчатый сме-

ситель: 1 — коридор, 2 — перего-

родка, 3 — окно; б — перегородча-

тая камера хлопьеобразования:

—

коридор, 2 — перегородки, 3 —

окно; в — коагулятор-осветлитель:

1 — корпус, 2 — желоб, 3 — от-

верстия для удаления осветленной

воды, 4 — воздухоотделитель, 5 —

центральная труба, 6 — распреде-

лительные трубы

цию применяют для очистки сточных вод многих производств: неф-

теперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумаж-

ных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Ее

используют также для выделения активного ила после биохимичес-

кой очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, ши-

рокий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплу ата-

ционные затраты, простая аппаратура, селективность выделения при-

месей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а

также возможность получения шлама более низкой влажности (90-

95%), высокая степень очистки (95-98%), возможность рекупера-

ции удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточ-

ных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ,

бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному про-

ведению последующих стадий очистки сточных вод.

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сбли-

272

жении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидро-

фобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой

критической толщине прорывается и происходит слипание пузырь-

ка с частицей. Затем комплекс частица —

пу

зырек подымается на

поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой

с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

Возможность образования флотационного комплекса частица —

пузырек, скорость процесса и прочность связи, продолжительность

существования комплекса зависят от природы частиц, а также от ха-

рактера взаимодействия реагентов с их поверхностью и от способ-

ности частиц смачиваться водой.

При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр-ли-

ния, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющий-

ся границей трех фаз — твердой, жидкой и газообразной. Касатель-

ная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и по-

верхность твердого тела образуют обращенный в воду угол 0, назы-

ваемый краевым утлом смачивания (рис. II-19).

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, ко-

торая характеризуется величиной краевого угла q. Чем больше крае-

вой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и проч-

ность удерживания пузырька на поверхности частицы. Прилипание

происходит при столкновении пузырька с частицей или при образо-

вании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину

смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбци-

онные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

Поверхностно-активные вещества—реагенты-собиратели, адсор-

бируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т. е. делают их

гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют мас-

ла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитио-

карбонаты, алкилсу льфаты, амины

и др. Повышения гидрофобности

частиц можно достичь и сорбцией

молеку л растворенных газов на их

поверхности.

Энергия образования комплек-

са пузырек — частица равна:

Рис И-19 Элементарный акт флота-

ции (1 — пузырек газа; 2 — твердая

частица)

273

A = CT(l-cose), (И 54)

где с — поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, 0 0, a cosO -> 1, сле-

довательно, прочность прилипания минимальна, для несмачиваемых

частиц — максимальна.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества

пузырьков воздуха. По некоторым данным, оптимальный размер пу-

зырьков равен 15-30 мкм. При этом необходимы высокая степень

насыщения воды пузырьками или большое газосодержание. Удель-

ный расход воздуха снижается с повышением концентрации приме-

сей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания.

Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в про-

цессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи,

которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним от-

носят сосновое масло, крезол, фонолы, алкилсульфат натрия и др.

Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообра-

зующими свойствами.

Вес частиц не должен превышать силы прилипания ее к пузырь-

ку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо фло-

тируются, зависит от плотности материала и равен 0,2-1,5 мм.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляци-

ей. Этот процесс иногда называют флотацией. При проведении фло-

тации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что ве-

роятность прилипания пузырьков газа к свежеобразованным хлопь-

ям выше, чем к хлопьям, имеющим "возраст" несколько часов. Веро-

ятность образования комплекса пузырек — частица может быть оп-

ределена по формуле:

-n 4/3xR

] /

= сД(1+г / R)

-l], (11.55)

где п — число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; г — ради-

ус частицы: с.=n4/3TcR

/ V — объемная концентрация газовой фазы.

Флотационная среда состоит из воды, пузырьков воздуха и твер-

дых частиц. Плотность среды равна:

=р

(1-с

-с

)+р

+р

г}

(11.56)

где р

, р

, — плотность соответственно жидкости частиц и газа;

объемная с

, с

— объемная концентрация соответственно частиц и

газа в воде.

Скорость движения частиц V

и пузырьков V

относительно сре-

ды определяется по формулам:

19 Зак. 6

274

V= -2/9

/ц

[(1-с

)(р

/ р

-1)+с

], (11.57)

v=-l/9gR

cPac

[l+c

/ р

-1)-с

], (11.58)

где g — ускорение свободного падения (силы тяжести); ц

— дина-

мическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается

уравнением реакции первого порядка:

/ dx = -Kc

, (11.59)

где К — коэффициент скорости флотации, зависящей от гидродина-

мических и конструктивных параметров.

Наиболее благоприятные условия разделения достигаются при

соотношении между твердой и газообразной фазами G

/ G

= 0,01-

0,1. Это соотношение определяется по формуле:

=l,3b(fP-l)Q,/c

Q, (11.60)

где G

и G

— масса соответственно воздуха и твердых веществ, г; b —

растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной

температуре, см

/л; f— степень насыщения (обычно f = 0,5-0,8); P —

абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом; Q

—

количество воды, насыщенной воздухом, м

/ч; Q — расход сточной

воды, м

/ч.

Различают следующие способы флотационной обработки сточ-

ных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим дис-

пергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материа-

лы, электрофлотацию и химическу

флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ при-

меняют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие

частицы загрязнений. Сущность способа заключается в создании пе-

ресыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьше-

нии давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые

флотируют загрязнение. В зависимости от способа создания пересы-

щенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, напорную и

эрлифтную флотацию.

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насы-

щают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а

затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом под-

держивается разрежение 29,9-39,9 кПа (225-300 мм рт. ст.). Выделя-

ющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений.

Процесс флотации длится около 20 мин.

275

Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков

газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде (веро-

ятность разрушения агрегатов пузырек — частица сведена к мини-

муму); затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки: незна-

чительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот

способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных

частиц (не более 250-300 мг/л); необходимость сооружать гермети-

чески закрытые флотаторы и размещать в них скребковые меха-

низмы.

Напорные установки имеют большее распространение, чем ва-

куумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флота-

ция позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4-

5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагу-

лянты.

Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с неф-

теловушками в 5-10 раз меньшее остаточное содержание загрязне-

ний и имеют в 5-10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется

в две стадии: 1) насыщение воды воздухом под давлением: 2) выде-

ление растворенного газа под атмосферным давлением. Схема на-

порной флотации показана на рис. II-20.

Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда ее перека-

чивают насосом, во всасывающий трубопровод которого засасыва-

ется воздух. Образующуюся водно-воздушную смесь направляют в

напорную емкость, где при повышенном давлении (0,15-0,4 МПа)

воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушной сме-

си во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воз-

дух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы.

Рис. II-20. Схема установки напорной флотации: 1 — емкость; 2 — насос; 3 —

напорный бак; 4 — флотатор

276

Пену с твердыми частицами удаляют с поверхности воды скребко-

вым механизмом. Осветленная вода выходит из нижней части фло-

татора. При использовании коагулянтов хлопьеобразование проис-

ходит в напорной емкости.

В данной схеме вся сточная вода, поступающая на флотацию,

насыщается воздухом. Имеются и другие схемы (рис. II-21). В схе-

мах с рециркуляцией (л) и с насыщением части потока — частичной

подачей воды насосом (б) — через напорную емкость подается лишь

часть неочищенной сточной воды. Такие схемы рекомендуется ис-

пользовать, если проводится предварительная коагуляция сточных

вод с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев

коагулянтов в насосе.

Схема с рабочей жидкостью (в) используется при большой кон-

центрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной

установки по схеме, представленной на рис. II-20, малоэффективна.

В качестве рабочей жидкости используют природную или очищен-

ную сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно

превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в

этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и бо-

лее быстрого всплывания их. Недостаток схемы — большой расход

энергии на перекачивание рабочей жидкости.

Напорные флотационные установки имеют производительность

от 5-10 до 1000-2000 м

/ч. Они работают при изменении парамет-

ров в следующих пределах: давление в напорной емкости 0,17-

0.39 МПа: время пребывания в напорной емкости 14 мин, а во фло-

тационной камере 10-20 мин. Объем засасываемого воздуха состав-

Сточная 1

вода /

У-

Воздух

Очищен

наявода"

Сточная 1 2

вода ^—-J-

Сточная 1 2

вода

Очищен-

ная вода

Воздух

Сточная

/ вода!

7Ч-

Очи-

щен-

ная

Tefrda

Воздух

ОС

(б

Рис II-21. Схемы подачи воды при напорной флотации: a — с рециркуляци-

ей, о с частичной подачей воды насосом;

в —

с рабочей жидкостью:

— прием-

ные отделения, 2 — флотационные отделения; 3 — линии всасывания; 4 — насо-

сы. 5 - напорные баки

277

ляет 1,5-5% от объема очищаемой воды. Значения параметров зави-

сят от концентрации и свойств загрязнений.

В случае необходимости одновременного проведения процесса

флотации и окисления загрязнений необходимо насыщать воду воз-

духом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения про-

цесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инер-

тные газы.

На практике используют флотационные камеры различных кон-

струкций. Схема флотационной камеры ("Аэрофлотор") показана на

рис. II-22.

Сточную воду подают внутрь камеры, где выделяются пузырьки

газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы.

Пенный слой с твердыми частицами поверхностным скребком уда-

ляют в шламоприемник. Осветленную воду выводят из камеры. Твер-

дые частицы, оседающие под действием гравитационной силы на

дно камеры, донным скребком сдвигают в приемник, удаляют через

трубопровод.

Применяют и другие цилиндрические флотаторы, которые име-

ют разный диаметр, а следовательно, и разную производительность.

Они отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и пены.

Например, флотатор производительностью 600 м

/ч имеет диа-

метр 12 м. Схема многокамерной флотационной установки с рецир-

куляцией очищенной воды представлена на рис.П-23. В этой уста-

новке загрязненная сточная вода сначала поступает в гидроциклон,

где удаляется часть взвешенных

частиц. Затем ее направляют в

первую камеру, где смешивают

с циркуляционной водой, насы-

щенной воздухом. Воздух выде-

ляется в камере и флотирует заг-

рязнение. Далее сточная вода

поступает во вторую, а затем в

третью камеры, в которых так-

же происходит процесс флота-

ции. После третьей камеры очи-

Рис. 11-22. Флотатор "Аэрофлот":

1 — камера; 2 — скребок; 3 — шла-

моприемник; 4 — поверхностные

скребки

Очищен-

ная вода

Сточная

вода

278

Очищенная

вода

—>

Шла**

Сточная

вода

Рис. 11-23. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляци-

ей: 1 — емкость; 2 — насос; 3 — флотационная камера: 4 — гидроциклон; 5 —

пеносъемник; 6 — напорный бак; 7 — аэраторы

щеннуто воду удаляют из установки. Часть цирку лирующей воды на-

сосом подают в напорную емкость, где растворяется ВОЗДУ

Х.

Пену

удаляют пеносъемниками.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в

химической промышленности. Они просты по устройству; затраты

энергии на проведение процесса в них в 2-4 раза меньше, чем в на-

порных установках. Недостаток этих установок — необходимость

размещения флотационных камер на большой высоте. Схема эрлиф-

тной установки показана на рис. II-24.

Сточная вода из емкости, находящейся на высоте 20-30 м, посту-

пает в аэратор. Туда же подают сжатый воздух, который растворяет-

ся под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубо-

проводу; жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выде-

ляется во флотаторе. Образующаяся пена с частицами удаляется са-

мотеком или скребком. Осветленную воду' направляют на дальней-

шую ОЧИСТКУ'.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. К это-

му* виду' флотации относятся импеллерные пневматические и безна-

порные установки. В импеллерных флотационных машинах диспер-

гирование воздуха обеспечивается турбинками насосного типа— им-

пеллерами, которые представляют собой диск с радиальными обра-

279

Рис. II-24. Схема эрлифтной установки: 1 — емкость; 2 — трубопровод; 3 —

аэратор; 4 — труба эрлифта; 5 — флотатор

щенными вверх лопатками. Такие установки широко используют при

обогащении полезных ископаемых. В последнее время их стали при-

менять и для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешен-

ных частиц (более 2 г/л). При вращении импеллера в жидкости воз-

никает большое число мелких вихревых потоков, которые разбива-

ются на пузырьки определенной величины Степень измельчения и

эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера.

Чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффектив-

ность процесса. Однако при высоких окружных скоростях резко возр а-

стает турбулентность потока и может произойти разрушение хлопье-

видных частиц, что приведет к снижению эффективности процесса

очистки. Схема флотационной машины с импеллером показана на

рис. П-25,а.

Сточная вода поступает в приемный карман флотационной ма-

шины и по трубопроводу попадает в импеллер, который крутится на

нижнем конце вала. Вал заключен в трубку, через которую засасыва-

ется воздух, так как при вращении импеллера образуется зона пони-

женного давления. Для флотации требуется высокая степень насы-

щения воды воздухом (0,1-0,5 объемов воздуха на 1 объем воды).

Обычно флотационная машина состоит из нескольких последователь-

но соединенных камер. Диаметр импеллеров 600-700 мм.

Пневматические установки применяют для очистки сточных

вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные по отношению

к механизмам, имеющим движущиеся части (насосы, импеллеры).

Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его

280

через специальные сопла на воздухораспределительных трубках.

Обычно применяют сопла с отверстиями диаметром 1,0-1,2 мм, ра-

бочее давление перед ними 0,3-0,5 Мпа. Скорость струи воздуха на

выходе из сопел 100-200 м/с. Продолжительность флотации в каж-

дом случае устанавливают экспериментально, обычно в пределах 15-

20 мин.

Безнапорные установки. Схемы установок такие же, как и для

напорной флотации (рис. II-20 и И-21), но без напорной емкости.

Диспергирование воздуха в них происходит за счет завихрений, со-

здаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Следовательно,

не требуется дополнительного давления. Однако пузырьки газа по-

лучаются более крупными, чем в установках напорной флотации,

поэтому они не рекомендуются для удаления мелких частиц.

Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании

воздуха через пористые керамические пластины или колпачки полу-

чаются мелкие пузырьки, размер которых равен:

R =

V^> (П.61)

где Rnr — радиусы соответственно пузырьков и отверстий; о —

поверхностное натяжение воды.

Давление, необходимое для преодоления сил поверхностного на-

тяжения, определяется по формуле Лапласа:

AP = 4 а/г. (11.62)

Этот способ флотации по сравнению с другими имеет следующие

преимущества: простота конструкции флотационной камеры; мень-

шие затраты энергии (отсутствуют насосы, импеллеры). Недостатки

способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого мате-

риала; трудность подбора материала с одинаковыми отверстиями,

обеспечивающего образование мелких и равных по размеру пузырь-

ков.

Для очистки небольших количеств сточных вод применяют фло-

тационные камеры с пористыми колпачками (рис. Н-25,6). Сточную

воду подают сверху, а воздух в виде пузырьков — через пористые

колпачки. Пена переливается в кольцевой желоб и удаляется из него.

Осветленную воду отводят через регулятор уровня. Установки могут

иметь одну или несколько ступеней. В установках большой произ-

водительности воздух подают через фильтросные пластины

(рис.

П-25,«).

Эффект флотации зависит от величины отверстий материала, дав-

ления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня