Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
- Какая химия для клининга заводская Москва
-

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

Учебное пособие – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 192 с.

Предыдущая

Глава 1. Основы очистки сточных вод

5. Физико-химические процессы очистки сточных вод

5.2. Флотация

Флотация – это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала 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 примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов "пузырек-частица", всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособлений 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" зависит 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, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированнием.

Возможность образования флотационного комплекса "пузырек-частица", скорость 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 пузырька образуется трехфазный периметр – линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька (рис. 1.22) в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол , называемый краевым углом смачивания.

Рис. 1.22. Схема образования комплекса "пузырек-частица"

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60-65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания . Чем больше угол , тем более гидрофобна поверхность частицы, таким образом, увеличиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания 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 максимальные 100-200 мкм.

Таким образом, процесс флотации заключается в следующем – при сближении в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разделяющая 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 образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие 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=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 несмачиваемых 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 большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, т.к. увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол, фенолы, алкил-сульфаты натрия.

Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной 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 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 способствует успешному проведению следующих стадий очистки.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу, можно выделить следующие способы обработки производственных сточных вод:

- флотация с выделением воздуха из раствора;

- флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные 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 (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходят образование пузырьков воздуха 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 мелкие пузырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из перенасыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1-5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В зависимости от способа создания пузырьков различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

Вакуумная флотация (рис. 1.23). 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 вероятность их разрушения сводится к минимуму. Минимальны также энергозатраты на насыщение жидкости воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.

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

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 деаэратор 2 для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (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 м2 площади поверхности около 200 м3/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.

Напорная флотация (рис. 1.24). Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. Этот метод имеет более широкий диапазон применения, 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 сравнению 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 установки имеют производительность от 5 до 2000 м3/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 всасывающем трубопроводе имеется патрубок для подсоса воздуха. Сатуратор или напорная емкость служит для равномерного растворения воздуха в сточной воде. Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1-3 мин) при избыточном давлении 0,15-0,4 МПа.

Рис. 1.24. Схема напорной флотации:

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

IV – отвод обработанной воды

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 м3/ч на 1 м2 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 проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м³/ч, принимаются прямоугольные флотаторы в плане камеры глубиной 1-1,5 м, с расходом более 100 м3/ч – радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м. Глубина зон флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжительность пребывания 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 подачей воды насосом (рис. 1.25, б) рекомендуется использовать, если проводится предварительная коагуляция сточной воды с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев в насосе.

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

В этих схемах только часть сточной воды подается насосом и насыщается воздухом. Схема с рабочей жидкостью (рис. 1.25, в) используется при большой концентрации 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. Недостатком схемы является большой расход энергии на перекачку рабочей жидкости.

Сточные воды (рис. 1.26), насыщенные воздухом, поступают во флотационную камеру 3 снизу через вращающийся водораспределитель 2. Выделяющиеся из воды 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 отводящий кольцевой лоток 5. Пропускная способность одного радиального флотатора не должна превышать 1000 м3/ч.

Применяют цилиндрические флотаторы, имеющие разный диаметр, следовательно, разную производительность. Флотаторы отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и механизма сбора пены и ее отводом.

Рис.1.26. Схема радиального флотатора:

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

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

Применяются также многокамерные флотационные установки. В многокамерной установке (рис. 1.27) загрязненная сточная вода, скапливаясь в емкости 1, насосом 2 сначала подается в гидроциклон 4, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем ее направляют в первую камеру флотатора 3, где сточная вода смешивается с циркуляционной водой из напорного бака 6, насыщенной воздухом, поступающей через аэраторы 7.

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

В первой камере 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 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 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. 1.28).

Рис. 1.28. Схема эрлифтной флотации:

I – подача сточной воды; II – подача воздуха;

III – отвод шлама; IV – отвод очищенной воды

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 достоинствами способа. Но конструкция установки требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и флотационной камерой, что значительно сужает область применения этого метода.

Сточная вода из емкости 1, находящейся на высоте 20-30 м, поступает в аэратор – 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 скребками – линия III. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку – линия IV.

 

5.2.2. Флотация с механическим диспергированием воздуха

При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию. Импеллерная флотация (рис. 1.29). Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины. Основным элементом такой установки является импеллер – небольшая турбина 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 патрубку 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

Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флогируемые частицы, удаляется лопастым пеноснимателем. Обычно флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединенных камер. Диаметр импеллеров 600-700 мм. Из первой камеры вода поступает 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 скоростях резко возрастает турбулентность потока и может происходить разрушение хлопьевидных частиц, что приведет, наоборот, к снижению эффективности процесса очистки. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона обслуживания импеллера не должна превышать размеров квадрата со стороной равной шести диаметрам импеллера. Высота флотационной камеры Нф принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 15-20 мин. Объем флотационной камеры находят по формуле

где  – объем, м3; Q – расход сточных вод, м3/ч.

Пропускная способность флотатора

Удельный расход воздуха Qyд в = 40-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности.

Удельный расход воздуха Qyд в = 40-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности флотационной камеры. Количество подаваемого импеллером воздуха

Qв= 0,000 278·Qуд.в.·f,                                         (1.2)

где f – площадь водного зеркала флотационной камеры, м2.

Необходимое число флотационных камер определяется из соотношения

                                                   (1.3)

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2-3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты и жиры.

Недостатком импеллерной флотации является относительно высокая обводненность 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 обогащении полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (при концентрации более 2 г/л).

Безнапорная флотация. Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствует 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 сточных 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 впуска 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

где  – продолжительность флотации, равная 15 – 20 мин; kaэр = 0,2-0,3 – коэффициент аэрации;  – расход сточной воды, м3/мин.

Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит в пределах 15 – 20 м3/ч на м2 площади проходного сечения флотатора.

Необходимое число сопел находят из выражения

nc=Qв / fc·ξ ,

где fc – площадь отверстия одного сопла, м2; ξ – скорость выхода воздушной     струи; Qв – 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 флотационной камеры. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации зависит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Диаметр отверстий должен быть 4-20 мкм, расход воздуха в пределах 40-70 м3/ч на 1 м2 проходного сечения флотатора, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации 20-30 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной водой до флотации 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

                                                (1.4)

где R – радиус пузырьков; r – радиус отверстий в пористом материале; σ – поверхностное натяжение воды.

Давление для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по формуле Лапласа

                                                    (1.5)

Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные камеры с пористыми колпачками (рис. 1.30, а). 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 несколько ступеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды используют фильтровальные пластины (рис. 1.30, б), схема флотации аналогична предыдущей.

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 пены; 4 – регулятор уровня

5.2.4. Электрофлотация

Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков 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. Замена пластинчатого катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пузырьков, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора.

При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) 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 пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно-флотационными. При пропускной способности до 10-15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности – двухкамерными горизонтального (рис. 1.31) или вертикального типа. Расчет установок для электрофлотации и электрокоагуляции сводится к определению общего объема Wy установки, объемов Wз электродного отделения и камеры флотации Wф

Wу = Wз+Wф                                                      (1.6)

Объем электродного отделения (рис. 1.31) определяется из возможности размещения в нем необходимой электродной системы.

Рис. 1.31. Горизонтальный электрофлотатор:

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

4 – механизм для сгребания пены; 5 – пеносборник; 6 – опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка; I – подача сточной воды;  II – отвод обработанной сточной воды; III – отвод пенного шлама.

Так при расчете горизонтальной установки ширина секции В принимается в зависимости от производительности Q.

Если Q < 90 м3/ч, то В = 2 м, если Q = 90-180 м3/ч, то В = 2,5-3 м.

Число пластин электродов, размещаемых в установке

где а1 = 100 мм – зазор между крайними пластинами и стенками камеры;              а2 = 15-20 мм – зазор между пластинами; δ = 6-10 мм – толщина пластин.

Тогда необходимая площадь пластин электродов:

fs = fаэ / (nэ – l),

где fаэ – активная поверхность электродов, м2.

fаэ = E·Q / i,

где Е – удельное количество электричества, А·ч, в 1 м3 объема камеры флотатора: Q – расчетный расход сточных вод, м3/ч; i – плотность тока на электродах, А/м2.

Величины Е и i определяются экспериментальным путем. При обработке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбинатов, кожевенных заводов, мясокомбинатов и др. Е = 100-600 А/ч в 1 м3 объема флотационной камеры, 150-200 А/м2, напряжение постоянного тока 5-10 В. Определив f, и назначив высоту пластин электродов hэ = l - 1,5 м находим длину пластин электродов     lэ = f / hэ, а затем определяем длину электродной камеры

Lэ=lэ + 2·а1.

Тогда объем электродной камеры, составит

Wз=B Hэ Lэ,

где Нэ – рабочая высота электродной камеры

Нэ = h1 + h2 + h3

Объем флотационной камеры

Wз = Q tф,

где tф – продолжительность флотации определяемая экспериментально и принимая обычно равной 0,3-0,75 ч.

Длину Lф и высоту Нф флотационной камеры подсчитывают исходя из ее объема Hф и ширины В.

При осуществлении процесса электрофлотации необходимо определить массу металла электродов, переходящую в раствор, а также срок службы электродной системы

mэ = kт Э·Е,                                                     (1.7)

где mэ – масса металла, переходящего 1 м3 раствора, г; Э – электрохимический эквивалент, г/(А·ч) для Fe2+=l,042, Fe3+=0,695, Al3+=0,396 г/(А·ч);       kт = 0,5-0,95 – коэффициент выхода по току, определяется экспериментально.

Срок службы электродной системы:

где Т – время работы электродной системы, сут; М – масса металла электродов, которая растворяется в процессе электролиза, кг:

где γ – плотность металла электродов, кг/м3; kэ = 0,8-9 – коэффициент использования материала электродов; Qсут – 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.

5.2.5. Биологическая и химическая флотация

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 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 сточных вод на основании анализа графиков уплотнения. Если за единицу принять 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 составляет 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 большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна.

Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах некоторых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О2, СО2, 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 подогревают паром в специальной емкости до 35-55 0С и при этих условиях выдерживают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвреживаются. Таким путем за 5-6 сут влажность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку.

Ионная флотация – это процесс, который ведется следующим образом: в сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный 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 сконцентрированные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и др.).

Предыдущая