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

Подождите немного. Документ загружается.

тировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м³/ч, при-

нимаются прямоугольные флотаторы в плане камеры глубиной 1-1,5 м, с расхо-

дом более 100 м

/ч – радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м. Глубина зон

флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжительность пребы-

вания сточной воды в них соответственно 5 и 15 мин.

По схемам (рис. 1.23 и 1.24) вся сточная вода, поступающая на флотацию,

насыщается воздухом. Схемы с рециркуляцией (рис. 1.25, а) и с частичной пода-

чей воды насосом (рис. 1.25, б) рекомендуется использовать, если проводится

предварительная коагуляция сточной воды с целью предотвращения или умень-

шения разрушения хлопьев в насосе.

В этих схемах только часть сточной воды подается насосом и насыщается воз-

духом. Схема с рабочей жидкостью (рис. 1.25, в) используется при большой кон-

центрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по

схеме (рис. 1.23.) 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. Недостат-

ком схемы является большой расход энергии на перекачку рабочей жидкости.

Сточные воды (рис. 1.26), насыщенные воздухом, поступают во флотацион-

ную камеру 3 снизу через вращающийся водораспределитель 2. Выделяющиеся

из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращаю-

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

Обработанная вода отводится с днища флотатора 1 и по вертикальным кана-

лам переливается в отводящий кольцевой лоток 5. Пропускная способность одно-

го радиального флотатора не должна превышать 1000 м

/ч.

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.

Рис. 1.25. 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

Применяются также многокамерные флотационные установки. В многокамер-

ной установке (рис. 1.27) загрязненная сточная вода, скапливаясь в емкости 1,

насосом 2 сначала подается в гидроциклон 4, где удаляется часть взвешенных ча-

стиц. Затем ее направляют в первую камеру флотатора 3, где сточная вода смеши-

вается с циркуляционной водой из напорного бака 6, насыщенной воздухом, по-

ступающей через аэраторы 7.

Рис.1.26. Схема радиального флотатора:

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

III – опорожнение флотатора и отвод осадка; IV – отвод пены

III

Рис. 1.27. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией:

I – подача сточной воды; II – отвод очищенной воды; 1 – емкость;

2 – насос; 3 – флотатор; 4 – гидроциклон; 5 – пеносъемник; 6 – напорный бак;

7 – аэраторы; 8 – насос

шлам

В первой камepe флотатора выделяются пузырьки воздуха, которые и флоти-

руют загрязнения. После этого сточная вода поступает во вторую камеру и в по-

следующие, в которых также происходит процесс флотации, после смешения

сточной воды с очищенной. Таким образом, происходит многоступенчатая

очистка сточной воды. Пройдя последнюю камеру флотатора, очищенная вода

удаляется из установки – линия II. Пена удаляется пеносъемниками 5. Часть

очищенной воды подается насосом 8 в напорный бак 6, где растворяется воздух,

поступающий во всасывающую магистраль насоса. В случае необходимости од-

новременного 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 га-

зы. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефте-

продуктов, жиров масел, ПАВ, волокнистых веществ и других.

Эрлифтная флотация (рис. 1.28).

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической

промышленности.

Простота устройства и снижение затрат энергии при эрлифтной флотации на

проведение процесса в 2-4 раза, по сравнению с напорной флотацией являются до-

стоинствами способа. Но конструкция установки требует значительного перепада

отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и флотаци-

онной камерой, что значительно сужает область применения этого метода.

Сточная вода из емкости 1, находящейся на высоте 20-30 м, поступает в аэра-

тор – 3 по трубопроводу 2. Туда же подаётся сжатый воздух – линия II который

растворяется в воде под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному

трубопроводу 4, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется

во флотаторе 5.

Образующаяся пена с частичками загрязнений удаляется самотеком или скребка-

ми – линия III. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку – линия IV.

Рис. 1.28. Схема эрлифтной флотации:

I – подача сточной воды; II – подача воздуха;

III – отвод шлама; IV – отвод очищенной воды

III

–30 м

5.2.2. Флотация с механическим диспергированием воздуха

При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое дви-

жение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные

пузырьки. Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию.

Импеллерная флотация (рис. 1.29). Энергичное перемешивание сточной во-

ды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мел-

ких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величи-

ны. Основным элементом такой установки является импеллер – небольшая тур-

бина насосного типа, представляющая собой диск с радиальными обращенными

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, заключенного в трубку через которую всасывается воздух по па-

трубку 4, т.к. 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 перемешиванию воздуха в воде.

Рис. 1.29. Схема двухкамерной импеллерной флотационной установки:

I – подача сточной воды; II – отвод очищенной воды

А-А

Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содер-

жащая флогируемые частицы, удаляется лопастым пеноснимателем. Обычно

флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединен-

ных камер. Диаметр импеллеров 600-700 мм. Из первой камеры вода поступа-

ет во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная 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 скоро-

стях резко возрастает турбулентность потока и может происходить разруше-

ние хлопьевидных частиц, что приведет, наоборот, к снижению эффективно-

сти процесса очистки. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона

обслуживания импеллера не должна превышать размеров квадрата со сторо-

ной равной шести диаметрам импеллера. Высота флотационной камеры Н

принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 15-20 мин. Объем

флотационной камеры находят по формуле

ф ф

W 0,025 Q t ,

  

где

W – объем, м

; Q – расход сточных вод, м

/ч.

Пропускная способность флотатора

36 d H

Q .

0,025 t

 





Удельный расход воздуха Q

yд в

= 40-50 м

/ч на 1 м

площади поверхности.

Удельный расход воздуха Q

yд в

= 40-50 м

/ч на 1 м

площади поверхности флота-

ционной камеры. Количество подаваемого импеллером воздуха

= 0,000 278∙Q

уд.в.∙

f, (1.2)

где f – площадь водного зеркала флотационной камеры, м

Необходимое число флотационных камер определяется из соотношения

n Q Q



(1.3)

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод

с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2-3 г/л) и содер-

жащих нефть, нефтепродукты и жиры.

Недостатком импеллерной флотации является относительно высокая об-

водненность пены. Особенно существенным этот недостаток становится в тех

случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных

ПАВ, т.к. большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные

установки для ее обработки, что увеличивает стоимость очистки в целом.

Импеллерные флотационные установки широко используют при обогаще-

нии полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с вы-

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

Безнапорная флотация. Диспергирование воздуха в безнапорных уста-

новках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом

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

ствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Обра-

зующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую круп-

ность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Без-

напорные флотационные установки обычно применяют для очистки сточных

вод от жира и шерсти.

Пневматическая флотация. Пневматические флотационные установки

применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, ко-

торые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим дви-

жущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска

воздуха во флотационную камеру через сопла, которые расположены на воз-

духораспределительных 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 при-

нимается 3-4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100-200 м/с. Объем фло-

татора можно определить по формуле

ф ф

аэр

Q t

W ,

60 ( 1 k )





 

где

t – продолжительность флотации, равная 15 – 20 мин; k

aэр

= 0,2-0,3 – коэф-

фициент 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

/ f

∙ξ ,

где f

– площадь отверстия одного сопла, м

; ξ – скорость выхода воздушной

струи; Q

– расход воздуха.

5.2.3. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы

энергии, т.к. отсутствуют насосы и импеллеры, и простоту конструкции флотацион-

ной камеры. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые пла-

стины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации зави-

сит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности флота-

ции, уровня воды во флотаторе. Диаметр отверстий должен быть 4-20 мкм, расход

воздуха в пределах 40-70 м

/ч на 1 м

проходного сечения флотатора, давление воз-

духа 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации 20-30 мин, расход воздуха опреде-

ляется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной водой до фло-

тации 1,5-2 м. Продолжительность флотации составляет 20-30 мин. Недостатком

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

подбора мелкопористых материалов с одинаковыми по диаметру отверстиями,

обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

При пропускании воздуха через пористые керамические пластины и колпачки

получаются пузырьки, размер которых определяется по формуле

4 2

R 6 r ,



  

(1.4)

где R – радиус пузырьков; r – радиус отверстий в пористом материале; σ – по-

верхностное натяжение воды.

Давление для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по

формуле Лапласа

P 4 / r.

 

 

(1.5)

Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные ка-

меры с пористыми колпачками (рис. 1.30, а). Сточную воду подают в верхнюю

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

на переливается через кольцевой желоб 3 и удаляется из него. Осветленную воду

отводят через регулятор уровня 4. Установки могут иметь одну или несколько сту-

пеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды используют фильтро-

вальные пластины (рис. 1.30, б), схема флотации аналогична предыдущей.

5.2.4. Электрофлотация

Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в

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

ков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза

сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Основную роль в

процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков,

отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого угла смачивания,

кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных особенностей. Заме-

на пластинчатого катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пу-

зырьков, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора.

III

Рис. 1.30. Схемы флотации при помощи пористых материалов:

а – с пористыми колпачками; б – с пористыми пластинами;

I – подача сточной воды; II – подвод воздуха; III – отвод очищенной воды;

1 – флотационная камера; 2 – пористые элементы; 3 – устройство для сбора пе

ны;

4 – регулятор уровня

III

При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых)

на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду перехо-

дят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей.

Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных

условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надеж-

ного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязне-

ний, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки

называются электрокоагуляционно-флотационными. При пропускной способности до

10-15 м

/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способ-

ности – двухкамерными горизонтального (рис. 1.31) или вертикального типа. Расчет

установок для электрофлотации и электрокоагуляции сводится к определению обще-

го объема W

установки, объемов W

электродного отделения и камеры флотации W

= W

(1.6)

Объем электродного отделения (рис. 1.31) определяется из возможности раз-

мещения в нем необходимой электродной системы.

Так при расчете горизонтальной установки ширина секции В принимается в

зависимости от производительности 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

1 2

( B 2 a a )

n ,

( a )



  





Рис. 1.31. Горизонтальный электрофлотатор:

1 – впускная камера; 2 – решетка-успокоитель; 3 – электродная система;

4 – механизм для сгребания пены; 5 – пеносборник; 6 – опорожнение электрофло-

татора и выпуск осадка; I – подача сточной воды; II –

отвод обработанной сточной

воды; III – отвод пенного шлама.

б)

III

где а

= 100 мм – зазор между крайними пластинами и стенками камеры;

= 15-20 мм – зазор между пластинами; δ = 6-10 мм – толщина пластин.

Тогда необходимая площадь пластин электродов:

= f

аэ

/ (n

– l),

где f

аэ

– активная поверхность электродов, м

аэ

= E∙Q / i,

где Е – удельное количество электричества, А·ч, в 1 м

объема камеры флотатора:

Q – расчетный расход сточных вод, м

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

Величины Е и i определяются экспериментальным путем. При обработке

сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбина-

тов, кожевенных заводов, мясокомбинатов и др. Е = 100-600 А/ч в 1 м

объема

флотационной камеры, 150-200 А/м

, напряжение постоянного тока 5-10 В. Опре-

делив f, и назначив высоту пластин электродов h

= l - 1,5 м находим длину пла-

стин электродов l

= f / h

, а затем определяем длину электродной камеры

+ 2∙а

Тогда объем электродной камеры, составит

=B H

где Н

– рабочая высота электродной камеры

= h

+ h

Объем флотационной камеры

= Q t

где t

– продолжительность флотации определяемая экспериментально и прини-

мая обычно равной 0,3-0,75 ч.

Длину L

и высоту Н

флотационной камеры подсчитывают исходя из ее объ-

ема H

и ширины В.

При осуществлении процесса электрофлотации необходимо определить массу

металла электродов, переходящую в раствор, а также срок службы электродной

системы

= k

Э∙Е, (1.7)

где m

– масса металла, переходящего 1 м

раствора, г; Э – электрохимиче-

ский эквивалент, г/(А·ч) для Fe

=l,042, Fe

=0,695, Al

=0,396 г/(А·ч);

= 0,5-0,95 – коэффициент выхода по току, определяется экспериментально.

Срок службы электродной системы:

сут

1000

Т М Q ,

  

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

которая растворяется в процессе электролиза, кг:

э э э

М k f n ,

М k i,

 



    

  

где γ – плотность металла электродов, кг/м

; k

= 0,8-9 – коэффициент использо-

вания материала электродов; Q

сут

– суточный расход сточных вод.

Протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-

восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание

сточных вод. Использование алюминиевых и железных электродов обуславлива-

ет переход ионов алюминия и железа в раствор, что способствует коагулирова-

нию мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.

5.2.5. Биологическая и химическая флотация

Применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации

сточных вод образуется пена, имеющая обычно пленочно-структурное строе-

ние. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних

слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от харак-

тера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывающего шлама

наиболее интенсивно идет в первые два часа, далее он замедляется, а после

четырех часов практически прекращается полностью. Были выведены общие

закономерности уплотнения пенного шлама для различных по составу сточ-

ных вод на основании анализа графиков уплотнения. Если за единицу при-

нять объем шлама в момент времени, когда все пузырьки воздуха поднялись в

пенный слой, что в проточных установках соответствует продолжительности

флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1; 2; 3 и 4 ч составля-

ет соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.

Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован

нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. В большин-

стве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна.

Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах

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

, СО

, Сl

и др.) в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать

к нерастворенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое

явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью

с введением коагулянтов.

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных

отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогре-

вают паром в специальной емкости до 35-55

С и при этих условиях выдержи-

вают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются

пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплот-

няются и обезвреживаются. Таким путем за 5-6 сут влажность осадка можно по-

низить 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 собира-

тель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противопо-

ложный по знаку заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений кон-

центрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пену

удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцентриро-

ванные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлече-

ния из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и др.).