Охрана вод часть 1

101

где К20 - константа скорости растворения воздуха при температуре 200С;

К20=0,35;

в20 - растворимость воздуха в воде при температуре 200С; вт - растворимость воздуха в воде при данной температуре; t - продолжительность насыщения жидкости воздухом, мин.

Так как растворимость газа в воде зависит от температуры, которая в сточных водах не регулируется, и продолжительности насыщения, то определять требуемый перепад давления следует при определённой продолжительности насыщения. В дальнейшем при подборе насосов и оборудования давление и продолжительность насыщения можно скорректировать в соответствии с формулами

6.2.2. Флотация с механическим диспергированием воздуха

Перемещающиеся в воде струи воздуха создают интенсивные вихревые потоки. Эти вихревые потоки воздействуют на воздушную струю таким образом, что она распадается на отдельные пузырьки. На этом принципе и основан метод флотации с механическим диспергированием воздуха.

Импеллерная флотация

Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру, в который подается воздух. Над импеллером расположен статор, выполненный в

102

виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанная с воздухом вода выбрасывается через статор, который обычно окружают решетками (для более мелкого диспергирования воздуха в воде). Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пенный слой удаляется лопастным пеноснимателем. Из первой камеры вода поступает во вторую, аналогичной конструкции, где происходит дополнительная её очистка.

Степень диспергирования воздуха в основном определяется окружной скоростью вращения импеллера. Окружную скорость обычно прини-

мают равной 10÷15 м/с. При этом диаметр импеллера составляет 200÷750 мм. Для оптимального размещения импеллеров во флотационной камере необходимо знать зону обслуживания каждого из них. Обычно зону обслуживания импеллера принимают в виде квадрата со стороной

а = 6dи ,

где dи - диаметр импеллера.

Высота флотационной камеры принимается равной 1,5÷3,0 м, а про-

должительность флотации - 20÷30 минут.

Объём флотационной камеры определяется в зависимости от расхода сточных вод (м3)

Vф = 0,025Qtф,

где Q - расход сточной воды, м3/ч;

Tф - продолжительность флотации, ч.

При этом пропускная способность флотатора (м3/ч) будет равна

Qф = 36dи2 Нф /(0,025tф) ,

где Нф - высота флотационной камеры, м.

103

Количество подаваемого импеллером воздуха (м3/с) определяется, исходя из удельного расхода воздуха на 1 м2 площади поверхности флотационной камеры,

Qв = 0,00027Вуд f ,

где Вуд - удельный расход воздуха на 1 м2 площади поверхности флотаци-

онной камеры, равный 40÷50 м3/(ч м2);

f - площадь поверхности флотационной камеры, м2.

Необходимое число флотационных камер определяют из соотноше-

ния

Пф = Q .

Qф

Импеллерные установки целесообразно применять для очистки сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более

2÷3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты, жиры.

Недостатком таких установок является высокая обводненность пены. Особенно существенным становится этот недостаток в случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ. Это связано с тем, что большой объём воды в пене требует сооружения дополнительных установок для её обработки, а это удорожает очистку в целом.

Безнапорная флотация

Диспергирование воздуха в установках безнапорной флотации происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насососа. Технологическая схема таких установок аналогична установкам напорной флотации, только в ней отсутствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Недостатком же этого способа является то, что образующиеся во флотационной камере пузырьки

105

6.2.3. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

Этот способ отличается простотой аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подаётся через мелкопористые фильтросные пластины, трубы,

насадки, уложенные на дне камеры. Размер пор должен составлять 4÷20

мкм, давление воздуха - 0,1÷0,2 МПа, продолжительность флотации - 20÷30 минут.

Расход воздуха определяется экспериментально.

Рабочий уровень обрабатываемой сточной воды - 1,2÷2,0 м. Несмотря на простоту, этот способ не получил распространения, что связано с его недостатками:

•возможностью зарастания и засорения пор;

•трудностью подбора мелкопористых материалов, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

6.3. СОРБЦИЯ

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твёрдым телом или жидкостью. При этом поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. Различают два вида сорбции:

1)абсорбция – поглощение вещества всей массой сорбента;

2)адсорбция - поглощение вещества поверхностным слоем сорбента.

Если сорбция сопровождается химическим взаимодействием сорбента с сорбатом, то её называют хемосорбцией.

Сорбция является одним из наиболее эффективных методов очистки сточных вод от растворенных органических веществ. Сорбционная очистка

106

может применяться самостоятельно и совместно с другими методами обработки воды на стадиях предварительной и глубокой очистки.

Преимуществами этого метода являются:

•возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей;

•высокая эффективность очистки слабоцентрированных сточных вод. Сорбционные методы эффективны для извлечения из сточных вод

ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использованием очищенных сточных вод в системах оборотного водообеспечения. Адсорбция растворенных веществ является результатом перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность сорбента под действием силового поля поверхности. При этом можно выделить два вида межмолекулярного взаимодействия:

1)молекул растворенного вещества с молекулами или атомами поверхности сорбента;

2)молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидротация).

Разность сил этих двух межмолекулярных взаимодействий определяет силу, с которой извлеченное из раствора вещество удерживается на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидротации молекул сорбата, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и, соответственно, тем слабее адсорбируется это вещество из раствора.

Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов, этот метод неприменим.

107

В качестве сорбентов используют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Адсорбционные свойства того или иного сорбента зависят в основном от структуры пор, их величины и распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор сорбенты подразделяются на мелко- и крупнопористые и смешанного типа.

Поры по размеру делят на три вида:

1)макропоры (0,1-2,0 мкм);

2)поры переходного размера (0,004-0,1 мкм);

3)микропоры (менее 0,004 мкм).

Макропоры и переходные поры в основном играют роль транспортирующих каналов, адсорбционная способность сорбента определяется главным образом микропористой структурой.

Растворенные органические вещества, имеющие размеры частиц менее 0,001 мкм, заполняют объём микропор сорбента, полная ёмкость которых соответствует поглощающей способности сорбента.

Важной величиной, характеризирующей сорбент является его активность, которая представляет собой количество поглощаемого вещества на единицу объёма или массы сорбента (кг/м3, кг/кг).

Процесс сорбции может осуществляться в различных условиях. При этом выделяют два типа условий:

1)статические условия (частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т.е. движется вместе с последней);

2)динамические условия (частица жидкости перемещается относительно сорбента).

Всоответствии с этим различают статическую и динамическую активности.

108

Статическая активность сорбента - это максимальное количество вещества, поглощенного единицей объёма или массы сорбента к моменту достижения равновесия при постоянной температуре и начальной концентрации вещества.

Динамическая активность сорбента – максимальное количество вещества, поглощенного единицей объёма или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточной воды через слой сорбента.

Динамическая активность обычно составляет 45÷90% статической. Соотношение между количеством адсорбированного вещества и ко-

личеством вещества, оставшегося в растворе, находится в соответствии с законом распределения, который определяет момент наступления равновесия между этими количествами вещества.

Сорбция является обратимым процессом, т.е. адсорбированное вещество может переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости протекания сорбции и обратного процесса (десорбции) пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности сорбента. Поэтому в начальный момент (концентрация сорбата в растворе максимальна) скорость сорбции будет максимальной. С течением времени по мере увеличения количества вещества на сорбенте увеличивается скорость процесса десорбции.

Когда скорости прямого и обратного процессов сравняются, концентрация вещества в растворе станет постоянной. Эту концентрацию вещества называют равновесной. Если после достижения сорбционного равновесия повысить концентрацию извлекаемого вещества, то сорбент может принять еще некоторое количество этого вещества. Однако нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного исчерпания сорбционной ёмкости (способности) данного сорбента; после че-

109

го повышение концентрации вещества в растворе не будет менять величины адсорбции.

Одним из основных критериев оценки сорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции (рис. 6.1).

Аналитически изотерма сорбции описывается уравнением Ленгмюра, которое можно представить в следующем виде:

а = КадсСравн ,

где а – удельная адсорбция, кг/кг; Кадс – адсорбционная константа распределения сорбата между сорбентом и раствором;

Сравн – равновесная концентрация адсорбируемого вещества на сорбенте, кг/кг.

Рис. 6.1. Изотермы сорбции

а– сорбция в статических условиях;

б– сорбция в динамических условиях; аmax – максимальная ёмкость сорбента;

аравн – предельная насыщенность сорбента, соответствующая концентрации вещества; Сн – начальная концентрация сорбируемого вещества в сточной воде;

Сравн – равновесная концентрация;

∆τ - время, в течение которого концентрация вещества в фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке до Сн;

τпр - время проскока;

110

В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод, вида и крупности сорбента и т.д. назначают ту или иную схему сорбционной очистки и тип адсорбера.

Перед сооружениями биохимической очистки применяют насыпные фильтры с диаметром зерен сорбента 3÷5 мм или адсорбер с псевдоожи-

женным слоем сорбента (диаметр зерен - 0,5÷1,0 мм). При глубокой очистке сточных вод и возврате их в систему оборотного водообеспечения применяют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен сорбента 0,1 мм и менее.

Наиболее простым сооружением является насыпной фильтр. Это сооружение представляет собой колонну с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильтрования зависит от концентрации загрязняющих веществ в воде и составляет 1÷12 м/ч, круп-

ность зерен сорбента – 0,8÷5,0 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования – снизу вверх. Это связано с тем, что в данном случае происходит равномерное заполнение всего сечения фильтра и относительно легко вытесняется воздух или другие газы, попадающие в слой сорбента вместе со сточной водой. В аппарате слой зерен сорбента укладывают на решетку. Обычно используют решетки с отверстиями диаметром 5÷10 мм и шагом 10÷20 мм. На них укладывают поддерживающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400÷500 мм, предохраняющий зерна сорбента от проваливания в подрешеточное пространство и обеспечивающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем щебня и покрывают решеткой.