Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов

Подождите немного. Документ загружается.

Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смеше-

ния с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от

пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакции. В течение одного часа

допускается колебание температуры не более чем на 1

С, а расхода – не более чем

на 10 %. Скорость коагуляции (рис. 1.18) зависит от концентрации электролита.

При малых числах соударений ча-

стиц, т.е. отношений числа столкновений

окончившихся слипанием скорость близ-

ка к нулю (у = 0). По мере роста концен-

трации скорость коагуляции повышается,

но не все столкновения эффективны – та-

кую коагуляцию называют медленной.

При





наступает быстрая коагуляция,

при которой все столкновения частиц за-

канчиваются образованием агрегатов.

Скорость быстрой коагуляции для

неподвижной среды при броуновском

движении частиц по теории Смолухов-

ского равна

0 x

k ( n n ) .

  



Количество частиц в единице объема воды за время Т для быстрой и

медленной коагуляции определяются по формулам

0 0

x t

1 / 2 1 / 2

n n

n ; n .

1 1

T T

 



 

  

Для ламинарного и турбулентного движения потока воды число взаимо-

действий частиц за единицу времени в единицу объема жидкости

n и

n вы-

числяется по формулам

2 1 2

2 2 2

т 1 2 1 2

n ,

6 n G ( d d )

n 5 n n R V V ,



   

     

где

n – число агрегатов частиц; k – константа коагуляции, k = 4πD, R = 8πDr;

D – коэффициент диффузии одиночных частиц; r – радиус частиц; R – расстоя-

ния, на которые должны приблизиться частицы, чтобы произошло их объедине-

ние в агрегаты: R ≈ 2r;

n – начальная концентрация частиц; Т

1/2

– время коагуля-

ции, в течение которого количество частиц в единице объема уменьшается вдвое;



– коэффициент эффективности столкновений частиц; n

и n

– число взаимо-

действий частиц за единицу времени в единицу объема соответственно для лами-

нарного и турбулентного движения потока воды; n

и n

– число частиц с разме-

ром d

и d

соответственно; G – скоростной градиент: G = d

/ d

; V

и V

– сред-

неквадратичные скорости двух коагулирующих частиц.







Рис. 1.18. Общая зависимость от-

носительной скорости коагуляции

от концентрации электролита

В полудисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодис-

персных, т.к. крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие.

Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные

частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные.

Размер хлопьев (в пределах 0,5-3 мм) определяется соотношением между мо-

лекулярными силами, удерживающими частицы вместе, и гидродинамическими

силами отрыва, стремящимися разрушить агрегаты. Для характеристики хлопьев

пользуются (определением) понятием эквивалентного диаметра

э oc x ф

d 0,136 ( p 1 ) K ,

 

 

    

 

где



– кинематическая вязкость воды; р

– плотность хлопьев;



– скорость

свободного осаждения; К

– коэффициент формы хлопьев.

Плотность хлопьев определяется с учетом плотностей воды р

и твердой фазы

p и объема твердого вещества в единице объема хлопьев



x в т т в

p p ( p p ).



   

Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся

частиц и пластичности. Агломераты частиц, неоднородных по размеру, прочнее,

чем однородных. Вследствие выделения газов из воды, а также в результате аэра-

ции и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которые сопровождаются

уменьшением плотности хлопьев и снижением скорости осаждения.

Резкие колебания скорости движения воды не допускаются. Величина восходя-

щей скорости потока в зоне осветления зависит от концентрации взвешенных ве-

ществ. Так, при обработке сточных вод сульфатом алюминия при содержании взве-

шенных веществ в одном литре до 40 мг расчетная скорость восходящего потока:

до 400 мг/л,

400-1000 мг/л

1000-2500 мг/л

pacч

= 0,8-1,0 мм/с;

pасч

= 1,0-1,1 мм/с;

pac

= 1,1-1,2 мм/с.

Высота слоя взвешенного осадка принимается равной 1,5-2,5 м; высота за-

щитной зоны от верха осадкоотводящих окон или труб до лотков для сбора

осветленной воды 1-1,5 м; низ осадкоприемных окон или кромка осадкоотводя-

щих труб располагается на расстоянии 1,5-1,75 м выше перехода наклонных сте-

нок осветлителя в вертикальные; угол наклона к горизонту нижних частей стенок

осветлителей и осадкоуплотнителей принимается не менее 45

С.

Избыток шлама, накапливающегося в осветлителе со взвешенным слоем

осадка (рис. 1.19), перетекает под действием разности плотностей осветленной

воды и взвешенного слоя в осадкоуплотнитель – это осветлитель с естественным

отсосом шлама, либо отсасывается вследствие разностей уровней отбора воды из

рабочей камеры и уплотнителя – это осветлитель с принудительным отсосом из-

бытка шлама. Осветлители второй конструкции работают эффективнее.

Исходя из концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой сточной воде

, при известных расчетах скорости восходящего потока воды в зоне осветлителя

расч

, эталонной концентрации взвешенных веществ во взвешенном слое С

(при

скорости движения воды 1 мм/с) и концентрации взвешенных веществ в осадке по-

сле его уплотнения С

шл

, можно определить расход воды и размеры осветлителя

(табл. 1.1). Расчетный расход сточной воды, проходящей через осветлитель

н к

расч осв

шл

С С

Q Q 1 ,

 

 



  

 

 

 

 

где Q

осв

– расход сточных вод, выходящих из осветлителя, м

/ч; С

– конечная

концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м

Таблица 1.1

Параметры для расчета осветлителя со взвешенным слоем осадка.

, г/м

paсч

, м/с С

, г/м

шл

после уплотнения, г/м

4 ч

6 ч

100-400 2,8-3,6 1000-2000 20000 24000

400-1000 3,6-4 2000-2500 25000 27000

1000-2000 4-4,3 2500-10000 32000 34000

Площадь осветлителя F

зо

, с вертикальным осадкоуплотнителем находим по

выражению

 

н к

осв зо оу осв p p расч

шл

C С

F F F Q 1 k 1 k / V ,



 

 



 

       

 

 

 

 

 

где F

зо

, F

оу

– площадь зоны соответственно осветления и осадкоуплотнения, м²;

k – коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем

н к

p расч

k 1 V ,



  

где



– коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуплотнитель;



= 1,15-1,2.

Площадь осветителя с поддонным осадкоуплотнителем

 

н к

осн зо отв осв p расч p отв

шл

С С

F F F Q 1 k / V 1 k V ,



 

 



 

        

 

 

 

 

 

Рис. 1.19. Схема осветлителя со взвешенным слоем осадка:

1 – воздухоотделитель; 2 – спускная труба; 3 – осадкоотводящие трубы;

4 – осадкоуплотнитель; 5 – трубопровод отводящего осадка;

6 – отвод осветленной воды

где F

отв

– площадь поперечного сечения осадкоотводящих труб, м² ; V

отв

– ско-

рость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах, равная 90-140 м/ч.

Объем зоны накопления и уплотнения осадка W

зу

(часть объема осадкоуплот-

нителя, которая расположена на 0,5-0,7 м и ниже нижней кромки осадкоотводя-

щих труб (или окон) должен удовлетворять условию:





зу расч н к шл

W Q t C

С / С ,

   

где t = 3-6 ч – продолжительность уплотнения шлама.

5.1.1. Электрокоагуляция

Коагуляция вод, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, может

происходить при пропуске сточных вод через электролизер с анодом, изготовлен-

ным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока иони-

зируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются

образовавшимися трудно растворимыми гидроксидами алюминия и железа.

Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г A1

(SO

) и 1 г

железа – введению 2,9 г FеСl

и 3,6 г Fe

(SO

)

. Теоретический расход электроэнер-

гии для растворения 1 г алюминия – 12, а 1 г железа – 2,9 Вт∙ч. Плотность тока ре-

комендуется не более 10 А/м

расстояние между электродами не более 20 мм, а

скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с. Метод электрохи-

мического коагулирования может быть применен для разработки сточных вод, со-

держащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы,

фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяй-

ства, простота обслуживания является несомненным достоинством метода элек-

трохимической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и ме-

таллов, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности

электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагре-

вания обрабатываемой сточной воды ограничивают область применения этого ме-

тода.

На рис. 1.20 изображена электрокоагуляционная установка по очистке сточных

вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответ-

ственно 0,3-7,5 и 0,5-8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре через систему плос-

ких стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, про-

пускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм

под напряжением 10-18 В.

При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15-30 с

и пропускной способности 1,5-3 м

/ч на 1 м

площади поверхности электродов

одного полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные резуль-

таты этот метод дает также при обработке сточных вод гальванических цехов,

где потребляемая 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. 1.21) предназначена для отчистки сточных вод от ше-

стивалентного хрома. Сточная вода из промывочной ванны 2 гальванического

участка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает в промывочный электролизёр 6, в

котором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12-14 В от выпря-

мителя 4.

Рис. 1.20. Электрокоагуляционная установка:

I – подача сточной воды; II – отвод осветленной воды; III –

выпуск осадка;

1 – отстойник; 2 – резервуар-электрокоагулятор; 3 – пакет плоских листо-

вых стальных электродов; 4 – выпрямитель электротока

III

Рис. 1.21. Схема электрокоагуляционной очистки сточных вод:

1 – насос; 2 – промывочная ванна; 3 – трубопровод; 4 – выпрямитель электриче-

ского тока; 5 – электроды; 6 – электролизер; 7 – центрифуга; 8 – отвод осадка;

9 – вентиль; 10 – слив очищенной воды; 11 –

трубопровод для подачи воды при

повторном использовании

При пропускании электрического тока с плотностью 50-100 А/м

через

сточную воду, движущуюся по длине электролизёра 6 в течение 10-15 мин, про-

исходит 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 происходят – отделение гидроксидов железа и хрома

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

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

проводу 11 поступает для повторного использования в промывочных ваннах.

5.2. 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 удаления из сточных вод диспергированных при-

месей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверх-

ностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материа-

лы 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 приспособ-

лений брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газо-

вого пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или пло-

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

зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимо-

действия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех слу-

чаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например

ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированнием.

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 пу-

зырька образуется трехфазный периметр – линия, ограничивающий площадь

прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газо-

образной. Касательная к поверхности пузырька (рис. 1.22) в точке трехфазного

периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол



, называемый краевым углом смачивания.

Смачивающая способность жидкости

зависит от ее полярности, с возрастанием

которой способность жидкости смачивать

твердые тела слабеет. Внешним проявлени-

ем способности жидкости к смачиванию яв-

ляется величина ее поверхностного натяже-

ния 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,

взвешенных в воде, характеризуется вели-

чиной краевого угла смачивания



. Чем

больше угол



, тем более гидрофобна по-

верхность частицы, таким образом, увели-

чиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхно-

сти 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. Оптималь-

ные размеры воздушных пузырьков 15-30 мкм, а максимальные 100-200 мкм.

Таким образом, процесс флотации заключается в следующем – при сближении

в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разде-

ляющая 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 об-

разовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачивае-

мости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и при-

сутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные ве-

щества – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачива-

емость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей исполь-

зуют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбо-

наты, алкил-сульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность ча-

стиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность.

Энергия образования комплекса "пузырек-частица":

A=σ∙(l – Cos θ)

, (1.1)

где σ – поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой,



стремится к нулю, следовательно,

Cos θ стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для не-

смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса "пузырек-

частица" будет максимальной.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков

воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или

Рис. 1.22. Схема образования ком-

плекса "пузырек-частица"



большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повыше-

нием концентрации примесей, т.к. увеличивается вероятность столкновения и

прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе

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

шают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, кре-

зол, фенолы, алкил-сульфаты натрия.

Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъ-

емной 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 кон-

структивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки

сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная про-

мышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая.

Флотацию используют для выделения активного ила после биохимической 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 производ-

ственных 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.

5.2.1. Флотация с выделением воздуха из раствора

Применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих

очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мел-

кие пузырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасы-

щенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого рас-

твора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в

сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из

перенасыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флота-

ции, обычно составляет 1-5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В за-

висимости от способа создания пузырьков различают вакуумную, напорную и

эрлифтную флотацию.

Вакуумная флотация

(рис. 1.23). Преимуществом

вакуумной флотации явля-

ется то, что образование

пузырьков газа, их слипа-

ние с частицами загрязне-

ний и всплывание образо-

вавшихся агрегатов "пузы-

рек-частица" происходят в

спокойной среде и вероят-

ность их разрушения сво-

дится к минимуму. Мини-

мальны также энергозатра-

ты 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 разре-

жения (0,02-0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3, в

которой растворившийся воздух при атмосферном давлении выделяется в виде

пузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность

пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1 м

площади поверхности около 200 м

/сут. Скапливающаяся пена вращающимися

скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной воды

обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере

и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.

III

1 2

Рис. 1.23. Схема вакуумной флотации:

I – подача сточной воды; II – отвод пены;

III – отвод обработанной сточной воды;

1 – аэратор; 2 – деаэратор; 3 – флотационная

камера; 4 – механизм сгребания пены

Напорная флотация (рис. 1.24). Установки напорной флотации просты и

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

ния, поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответствии 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 флотации обеспечивают по сравне-

нию с нефтеловушками в 5-10 раз меньше остаточное 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 уста-

новки имеют производительность от 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. 1.24) сточные воды по трубопроводу насосом 2

подаются в напорный бак 3 (сатуратор) из приемного резервуара 1. На всасыва-

ющем трубопроводе имеется патрубок для подсоса воздуха. Сатуратор или

напорная емкость служит для равномерного растворения воздуха в сточной воде.

Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыще-

ния воздухом (обычно 1-3 мин) при избыточном давлении 0,15-0,4 МПа.

Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3-5 %

объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода подается во

флотационную камеру 4, где при атмосферном 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 флотатора – линия IV. Площадь флотационной

камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 6-10 м

/ч на 1 м

площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин.

Объем засасываемого воздуха составляет 1,5-5 % от объема очищаемой воды.

Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений. При проек-

Рис. 1.24. Схема напорной флотации:

I – подача сточной воды; II – подача воздуха; III – отвод пены;

IV – отвод обработанной воды

III