Охрана вод часть 1

91

тем активации жидкого стекла (водного раствора селиката натрия mNa2O nSiO3) серной кислотой, сернокислым аммонием, хлором и др.

6.1.2.Удаление загрязнений при коагуляции

иотстаивании сточных вод

Вэтом случае наиболее важными процессами являются смешение реагентов с водой, хлопьеобразование и отстаивание, т.к. именно на этих стадиях очистки достигается значительное снижение концентрации основных загрязняющих веществ.

При этом необходимо учитывать, что на эффективность процесса коагуляции большое влияние оказывают рН и щелочность воды, её температура, количество взвешенных веществ и степень их дисперсности, порядок введения в жидкость реагентов. В большинстве случаев ввод флокулянта должен осуществляться через 1-2 минуты после введения коагулянта.

При введении в воду солей алюминия или железа процесс их гидротации идет через серию промежуточных соединений в результате реакций

сгидроксильными ионами и полимеризации. Образующиеся промежуточные продукты

Al (OH ) 2 + , Al (OH ) +2 , Al 6 (OH )153 + , Al 8 (OH ) +20 , Al (OH ) −4 , Fe (OH ) 2 − , Fe (OH )3, Fe (OH ) −4

оказывают более эффективное воздействие на частицы загрязнений, чем гидроокиси алюминия и железа. Время существования этих промежуточных соединений не превышает 1 с. Поэтому важным является обеспечение такого режима смешения реагента с водой, при котором коагулянт вступает в контакт с максимальным числом частиц загрязнений до того, как закончится реакция гидролиза и полимеризации.

92

Исследованиями установлено, что при использовании сернокислого алюминия наилучший эффект очистки сточных вод достигается при продолжительности перемешивания в течение 15 с и градиенте скорости Gт=200 с-1. Дальнейшее увеличение продолжительности смешения приводит к разрушению образовавшихся хлопьев. Снижение градиента скорости до Gт=70 с-1 приводит к необходимости увеличения продолжительности смешения.

При использовании хлорного железа эффект осветления сточной воды не снижается при времени смешения до 3-х минут, что объясняется большой прочностью хлопьев гидроокиси железа. Однако при снижении градиента скорости смешения Gт от 200 с-1 до 70 с-1 эффект осветления ухудшается. Сочетание сернокислого алюминия с ПАА или АК приводит к образованию прочных скоагулированных структур при градиенте скорости смешения Gт=50÷60 с-1 и времени перемещения 10÷15 минут. В этом случае скоагулированные загрязнения обычно удаляются отстаиванием или флотацией. Если хлопьеобразование завершено и во время осаждения не происходит гравитационной коагуляции, то время, необходимое для осветления воды до определённой мутности, пропорционально высоте слоя:

τ1 h1 =τ2 h2 ,

где τ - время осветления; h – высота слоя жидкости.

Если хлопьеобразование не завершено, или осаждение сопровождается гравитационной коагуляцией, то в этом случае действует следующее соотношение:

τ1 τ2 = h1 h2 n ,

93

где n – показатель, характеризующий степень гравитационной коагуляции,

определяемый экспериментально (n=0,3÷0,7, причем меньшие значения соответствуют более полной и эффективной коагуляции).

В практических условиях время осаждения скоагулированной жидкости определяется по кинетическим кривым выпадения скоагулированной взвеси. Обычно оно равно 1,5÷2,0 часа, реже 1 или 3÷4 часа.

Для хозяйственно-бытовых сточных вод установлены эффективные дозы реагентов: FeCl3 - 60 ÷78 мг/л, Fe2(SO4)3 – 150 мг/л, Al2(SO4)3 - 100 ÷ 120 мг/л, смешанный коагулянт – (80+80) мг/л, ПАА - 1÷1,2 мг/л; АК – 10 ÷12 мг/л по SiO2. Оптимальная продолжительность отстаивания сточ-

ных вод для всех видов коагулянтов составляет 1,5÷2,0 часа. Область оптимальных значений рН сточных вод при которых коагуляция протекает эффективно составляет: для FeCl3 – 3,2 ÷8,9; Fe2(SO4)3 – 11; смешанного коагулянта и Al2(SO4)3 - 6 ÷8. Коагуляция протекает удовлетворительно при температуре сточных вод не ниже 70С. При её снижении до 3,30С и уменьшении рН коагуляция сточных вод сернокислым алюминием резко ухудшается. В меньшей мере ухудшение происходит при использовании хлорного железа, сернокислого железа и смешанного коагулянта.

С точки зрения снижения ХПК, БПК и цветности лучшего извлечения из воды бактериальных загрязнений наилучшим коагулянтом принято считать сернокислый алюминий.

В оптимальных условиях эффективность действия АК и ПАА практически одинакова. При температуре воды ниже 3,30С эффективность действия ПАА резко снижается. Влияние низкой температуры воды устраня-

ется при более высоких дозах ПАА (10÷12 мг/л). АК более предпочтительна, так как при снижении температуры эффективность действия её не уменьшается, а доза не увеличивается.

94

При длительном отстаивании 1,5÷2,0 часа эффект очистки бытовых сточных вод в лабораторных условиях, при использовании сернокислого алюминия и АК достигал по взвешенным веществам – 80%; по БПКполн и

ХПК - 55÷60%; по азоту общему и СПАВ - 30÷35%; по фосфатам - 70÷90%; по коли-индексу - 75÷90%. Аналогичные результаты получаются в промышленных условиях.

6.2. ФЛОТАЦИЯ

Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще всего воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки методом флотации сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, волокнистые материалы и др., заключается в образовании комплексов "частицы-пузырьки", всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящейся в жидкости, возможно только в случае, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание этой частицы жидкостью.

Внешним проявлением к смачиванию является величина поверхностного натяжения её на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе "жидкость-частица". Флотация эффективно идет при значениях поверхностного натяжения воды не более 60-65 мН/м. Степень смачиваемости водой взвешенных частиц характеризуется величиной краевого угла смачивания θ. Чем больше угол смачивания, тем более гид-

95

рофобна поверхность частицы, т.е. увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на её поверхности воздушных пузырьков. Эти частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют следующие величины: размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков - 15-30 мкм, а максимальные – 100-200 мкм.

В практике очистки сточных вод используют различные конструктивные схемы, приёмы и способы флотации.

Наиболее существенные принципиальные различия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определённой крупности. По этому принципу можно выделить следующие виды флотации:

1)с выделением воздуха из раствора (вакуумная, напорная и эрлифтная);

2)с механическим диспергированием воздуха (импеллерная, безнапорная и пневматическая);

3)с подачей воздуха через пористые материалы;

4)электрофлотация (этот вид относят к безреагентным методам очистки сточных вод).

6.2.1.Флотация с выделением воздуха из раствора

Этот способ флотации применяется при очистке сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получить самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность его заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной воде, создание которого возможно из-за изменения растворимости воздуха в воде при изменении давления. Выделяющийся из такого раствора воздух при снижении давления образует микропузырьки, которые флотируют содержащиеся в сточ-

96

ной воде загрязнения. Необходимое для осуществления процесса флотации количество воздуха обеспечивает заданную эффективность флотации.

Обычно оно составляет 1÷5% объёма обрабатываемой сточной воды.

Вакуумная флотация

Процесс вакуумной флотации осуществляется в следующей последовательности. Сточная вода, поступающая на флотацию, предварительно насыщается воздухом в течение 1÷2 минут в аэрационной камере. Затем она поступает в деаэратор для удаления не растворившегося воздуха. Да-

лее под действием разряжения (0,02÷0,03 МПа) сточная вода поступает во флотационную камеру, в которой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность нахождения сточной воды во флотационной камере - 20 минут, при нагрузке на 1 м2 площади поверхности - около 200 м3/сут. Образующаяся пена удаляется скребковым механизмом в пеносборник. Для обвода обработанной сточной воды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.

Кпреимуществам вакуумной флотации можно отнести следующие:

•образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов "пузырек-частица" проходят в спокойной среде, и вероятность их разрушения сводится к минимуму;

•минимальные затраты на насыщение воды воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.

В то же время, этот способ очистки сточных вод обладает сущест-

венными недостатками:

• необходимость сооружения герметически закрытых резервуаров;

97

•сложность эксплуатации вакуумных установок;

•ограниченный диапазон применения (концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).

Напорная флотация

При напорной флотации процесс насыщения сточной воды воздухом осуществляется в специальном сооружении, называемом напорным баком или сатуратором, в который подаётся под давлением очищаемая вода и сжатый воздух.

В зависимости от объёма насыщаемой воздухом сточной воды и технологического исполнения процесса флотации можно выделить следующие типы технологических схем реализации этого способа очистки воды:

1)прямоточная флотация с насыщением воздухом всего объёма сточной воды или части потока;

2)флотация с рециркуляцией насыщенной воздухом воды.

Объём сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом сточной воды при избыточном давлении

0,3÷0,7 мПа. Обычно продолжительность насыщения составляет 1÷3 минуты. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха при этом будет равно 3÷5% от объёма обрабатываемой воды.

Насыщенная воздухом вода из сатуратора подаётся во флотационную камеру, где происходит образование и выделение пузырьков газа, которые всплывают вместе с частицами загрязнений. Образующаяся пена удаляется с поверхности воды с помощью скребкового механизма в пеносборник.

При наибольшей высоте всасывания (до 2 м) и незначительных ко-

лебаниях уровня воды в приёмном резервуаре (0,5÷1,0 м) воздух может подаваться через эжектор во всасывающий патрубок насоса. Количество

98

подаваемого, в этом случае, воздуха зависит от начальной концентрации загрязняющих веществ и составляет 15; 20; 28; 40 л на 1 кг извлекаемых веществ при их исходном содержании соответственно 3,0 ÷4,0; 1,0; 0,5 и менее 0,2 г/л. Площадь флотационной камеры принимается исходя из гидравлической нагрузки (3 ÷6 м3/ч на 1м2 площади поверхности камеры). Продолжительность флотации составляет 20 ÷30 минут.

Взависимости от количества очищаемой сточной воды форма флотатора в плане будет различной. Рекомендуется при расходах воды до 100 м3/ч применять прямоугольные флотационные камеры с глубиной 1,0 ÷1,5 м, а при расходах более 100 м3/ч – радиальные флотационные камеры с глубиной не менее 3 м. В радиальных флотаторах глубина зон флотации и отстаивания должна быть не менее 1,5м, а продолжительность пребывания воды в них соответственно не менее 5 и 10 минут.

Взависимости от направления движения воды флотаторы можно подразделить на три типа:

1)флотаторы с горизонтальным движением воды (при расходе воды до

100 м3/ч);

2)флотаторы с вертикальным движением воды (при расходе воды до 200

м3/ч);

3)флотаторы с радиальным движением воды (при расходе воды до 1000

м3/ч).

При этом горизонтальная скорость движения воды в горизонтальных и радиальных флотационных камерах составляет не более 5мм/с.

Основным преимуществом напорной флотации является возможность регулирования степени насыщения сточной воды воздухом и, соответственно, степени очистки.

Напорную флотацию применяют в основном для очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов, жиров, масел, ПАВ и волокнистых веществ.

99

Эрлифтная флотация

При эрлифтной флотации затраты энергии в 2-4 раза меньше, чем при напорной флотации. Но конструкция установок такого типа требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и аэратором, а также между аэратором и флотацион-

ной камерой. Разность отметок составляет 20÷30 м. Это обстоятельство значительно сужает область применения этого способа.

Расчет сооружений флотации с выделением воздуха из раствора

Основным параметром, определяющим эффективность флотации, является размер пузырьков воздуха: минимальный размер пузырьков воздуха можно приближенно оценить, основываясь на законе Генри, который можно представить следующей формулой:

где Рп - карциальное давление воздуха; к - константа Генри, зависящая от свойств газа и его температуры;

С - концентрация растворённого воздуха вокруг пузырька. При этом давление в пузырьке

Рп = Рср + 2σг−ж , (30)

R

min

где Рср - давление в среде, окружающей пузырёк;

σг−ж - поверхностное натяжение на границе "газ-жидкость"; Rmin - радиус пузырька.

100

При этом Рср характеризуется некоторой величиной кС1. Тогда с учетом уравнений (29) и (30) получим

где (С-С1) - определяет величину пересыщения раствора.

Если предположить, что вода предварительно насыщена воздухом, то уравнение (31) можно представить в следующем виде:

Rmin = 2σ−г−ж ,

( Р Р1 )

где (Р-Р1) - перепад давления.

Из приведенных выше выражений видно, что для образования мелких пузырьков необходимо либо понизить поверхностное натяжение на границе "вода-воздух", либо увеличить перепад давления или величину пересыщения раствора.

Количество воздуха, которое должно выделиться из раствора для обеспечения заданного эффекта флотации можно определить экспериментально. При этом задаётся либо величина разрежения (при вакуумной флотации), либо давление насыщения (напорная флотация).

Количество воздуха в случае напорной флотации можно подсчитать по формуле

у = (Р −1)в −(Рв −ва )е−кТ t ,

где в - концентрация воздуха, соответствующая полному насыщению при данной температуре и атмосферном давлении, мг/л; ва - растворимость азота в воде при данной температуре и атмосферном давлении, мг/л;

кт - константа скорости растворения воздуха в воде, 1/мин.

КТ = К20 вв20 ,

Т