Флотационная очистка сточных вод

Вакуумная флотация

Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При  этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком  процессе флотации образование пузырьков  воздуха происходит в спокойной  среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек  и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.

Создание вакуума  в большом закрытом резервуаре представляет большие технические трудности  из-за необходимости большой герметизации системы и усиления конструкции  установки.

Напорная  флотация

Этот вид очистки  сточных вод выполняется в  две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков  воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных  частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. Если флотация проводится без  добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки сточных вод. Если флотационный процесс идет с добавлением химических реагентов, то такая очистка сточных  вод считается физико-химической. Применение химических реагентов улучшает качество очистки воды, но вызывает образование большого количества шлама, нуждающегося в дальнейшей переработке.

Современные схемы  флотационных установок можно разделить  на три основные группы.

с насыщением всего  потока сточной воды воздухом;

с насыщением части  потока сточной воды воздухом;

с насыщением части  очищенной воды воздухом и смешением  ее со сточной водой, поступающей  на очистку.

Первая схема  является наиболее простой. Сточная  вода насыщается воздухом под давлением  и поступает в напорный резервуар, в котором воздух растворяется, а  не растворившиеся пузырьки отделяются от воды. Воздух подается во всасывающую  линию насоса при помощи эжектора. Подача воздуха во всасывающий коллектор насоса способствует более интенсивному растворению воздуха в воде по отношению к предполагаемому растворению, рассчитанному по имеющимся эмпирическим формулам. Основной процесс растворения воздуха в воде происходит в напорных резервуарах. В функции напорных резервуаров входит также отделение нерастворившихся пузырьков воздуха от воды. При использовании во флотационном процессе химических реагентов напорные резервуары служат также для процессов образования хлопьев. Наибольшее распространение получили напорные резервуары с вертикальной перегородкой. Время пребывания воды в напорном резервуаре обычно составляет 1-2 мин.

Образование пузырьков  происходит в редукционном клапане, который поддерживает давление «до  себя», т.е. в системе насос - напорный резервуар - трубопровод. Редукционный клапан поддерживает практически постоянное давление. 

Дальнейшее движение пузырьков воздуха происходит во флотационной камере. Здесь пузырьки агрегируются с частицами. В промышленности используют флотаторы двух типов  в зависимости от формы в плане: прямоугольный и круглый.

В прямоугольном  флотаторе сточная вода подается в приемную камеру флотатора с  помощью распределительной перфорированной  трубы. Смесь сточной воды и воздуха  из приемной камеры переливается через  струегасящую перегородку в отстойную  камеру. Здесь происходит разделение сточной жидкости на очищенную воду и шлам. Очищенная вода отводится  из отстойной камеры с помощью  перфорированной трубы. Шлам сбрасывается в камеру пены скребками ленточного транспортера.

В прямоугольном  флотаторе сточная вода подается в приемную камеру.

Современные горизонтальные флотаторы имеют длину 2-36 м и  ширину до 6 м. На этой длине флотаторы  могут иметь не одну, а несколько  флотационных камер. В многокамерной  флотационной установке сток, содержащий нефть, с помощью гидроэлеватора, потребляющего около 50% рециркуляционного  расхода, поднимается в камеру грубой очистки, в центре которой установлен гидроциклон, а затем последовательно  проходит три флотационных отделения  и отстойную камеру. Флотационная очистка по этой схеме является наиболее простой.

Недостатки ее: повышенное эмульгирование нефтепродуктов и смол при перекачке центробежными  насосами, а также необходимость  перекачки под давлением всего  объема сточной жидкости.

Вторая схема  флотационной очистки отличается от первой тем, что воздухом насыщается только часть сточной воды. Эта  схема не избавляет от эмульгирования нефтепродуктов, но снижает энергетические затраты.

По третьей  схеме сточная вода подается непосредственно  во флотатор, а часть очищенной  воды насыщается воздухом и перемешивается со стоками перед флотатором.

Цилиндрические  флотаторы более компактны и  широко используются в промышленности. Они работают также по трем выше перечисленным схемам. Цилиндрические флотаторы рассчитаны на производительность 100-4000 м3/ч, т.е. на гораздо большую  производительность по сравнению с  прямоугольным флотатором.

Импеллерная флотация

Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных  вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их также  можно использовать для очистки  сточных вод других предприятий. Данный способ очистки в промышленности применяют редко из-за его небольшой  эффективности, высокой турбулентности потоков во флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностно-активные вещества.

Сущность этого  процесса заключается в диспергировании  воздуха в воде с помощью механической мешалки (импеллера). Импеллер, установленный  на дне флотационной камеры, приводится в движение от электродвигателя, который  расположен выше уровня воды во флотаторе. При вращении импеллера образуется зона пониженного давления и через  центральную трубу на его лопатки  попадает воздух. Одновременно через  отверстия на лопасти импеллера  поступает небольшое количество воды, которая перемешивается с воздухом и выбрасывается через боковые  отверстия во флотационную камеру, где пузырьки воздуха прилипают  к частицам и флотируют их на поверхность  воды. 

Степень измельчения  пузырьков воздуха зависит от окружной скорости импеллера. Для экономичного расходования электроэнергии и полного  использования объема камеры флотатора  диаметр импеллеров крупных флотационных машин редко превышает 750 мм, что  обусловливает установку большого числа флотационных камер. Это в  свою очередь усложняет технологическую  обвязку и удорожает эксплуатационные расходы. Импеллерные флотаторы  целесообразно применять при  очистке с высокой концентрацией (выше 2000-3000 мг/л) нерастворенных загрязнений, т.е. когда для флотации требуется  высокая степень насыщения воздухом сточной воды (0,1-0,5 объема воздуха  на один объем воды).

Преимущество  таких машин заключается в  полной имитации процесса и возможности  быстрого получения предварительных  данных для расчета флотатора.

Флотация  с подачей воздуха  через пористые материалы

Для получения  пузырьков воздуха небольших  размеров можно использовать пористые материалы, которые должны иметь  достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания  пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое  влияние оказывает скорость истечения  воздуха из отверстия. Для получения  микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.

Преимущество  такой флотации заключается в  простоте конструкции установки  и уменьшении затрат электроэнергии. Недостатки этого метода - засорение  пор, разрушение пористого материала (керамики), а также трудности, связанные  с подбором мелкопористых материалов, обеспечивающих постоянство во времени  определенного размера пузырьков  воздуха.

В зависимости  от количества сточной жидкости применяют  вертикальные и горизонтальные флотаторы. Вертикальные флотаторы небольшой  производительности могут быть поточными  и противоточными.

В противоточном  флотаторе сточная жидкость по трубопроводу подается в верхнюю часть флотатора, представляющего собой цилиндр  высотой 2-4 м. В нижнюю часть флотатора  закачивается воздух. Последний поступает  в поддон, а оттуда через отверстия  керамических колпачков, которые закреплены на поддоне, во флотационную камеру. Здесь  пузырьки воздуха движутся снизу  вверх, а сточная вода - сверху вниз и из нижней части флотатора отводится по трубопроводу и регулятор уровня из флотатора. Образовавшаяся во флотаторе пена отводится с помощью желоба и шламоотводящей трубы за пределы флотатора.

Для очистки  больших количеств сточных вод  применяют горизонтальные флотаторы. Воздух во флотационную камеру поступает  через мелкопористые фильтросы, уложенные на дне. Сточная вода подается в верхнюю часть флотационной камеры, а отводится из нижней через  регулятор уровня. В этом случае пузырьки воздуха движутся вверх  вместе с потоком воды. Время пребывания воды во флотаторе определяется из условия максимального отделения  загрязнений из сточной воды и  возможности всплытия пены на ее поверхности.

Габариты флотаторов зависят от их производительности, размера воздушных отверстий, давления воздуха под фильтросами, уровня воды и др.

Э лектрофлотация

Сточная жидкость при пропускании через нее  постоянного электрического тока насыщается пузырьками водорода, образующегося  на катоде. Электрический ток, проходящий через сточную воду, изменяет химический состав жидкости, свойства и состояние  нерастворимых примесей. В одних  случаях эти изменения положительно влияют на процесс очистки стоков, в других - ими надо управлять, чтобы  получить максимальный эффект очистки.

При прохождении  воды через межэлектродное пространство протекают такие процессы, как  электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные реакции, а также реакции между отдельными продуктами электролиза. Интенсивность  происходящих процессов зависит  от химического состава сточной  воды, материала электродов, которые  могут быть растворимыми и нерастворимыми, и от параметров электрического тока (напряжение и плотность).

Применение растворимых  электродов (железных или алюминиевых) вызывает анодное растворение металла. В результате этого процесса в  воду переходят катионы железа или  алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными группами, образуют Al2O3, Al(OH)3 или Fe2O3, Fe(OH)3, являющиеся распространенными в  практике обработки водой коагулянтами. Одновременное образование хлопьев  коагулянта и пузырьков газа в  стесненных условиях межэлектродного  пространства создает предпосылки  для надежного закрепления газовых  пузырьков на хлопьях, интенсивной  коагуляции загрязнений, энергичного  протекания процессов сорбции, адгезии  и, как следствие, более эффективной  флотации.

Коагуляция загрязнений  в межэлектродном пространстве может  происходить не только за счет растворения  анода, но и в результате электрофизических  явлений, разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлора и кислорода), разрушающих  сольватные оболочки на поверхности  частиц. Эти процессы особенно выявляются в случае применения нерастворимых  электродов.

Выбор материала  электродов может быть увязан с агрегативной устойчивостью частиц загрязнений  в сточной жидкости. Материал и  геометрические параметры электродов влияют на размер пузырьков газа. Замена пластинчатых электродов на проволочную  сетку приводит к уменьшению крупности  пузырьков и, следовательно, к повышению  эффективности очистки воды.

Озонирование

Озон обладает высокой окислительной способностью и при нормальной температуре  разрушает многие органические вещества, находящиеся в воде. При этом процессе возможно одновременное окисление  примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание сточной воды и  насыщение ее кислородом. Преимуществом  этого метода является отсутствие химических реагентов при очистке сточных  вод.

Растворимость озона в воде зависит от pH и  количества примесей в воде. При  наличии в воде кислот и солей  растворимость озона увеличивается, а при наличии щелочей - уменьшается.

Озон самопроизвольно  диссоциирует на воздухе и в водном растворе, превращаясь в кислород. В водном растворе озон диссоциирует быстрее. С ростом температуры и pH скорость распада озона резко  возрастает.

Озон можно  получить разными методами, но наиболее экономичным является пропускание  воздуха или кислорода через  электрический разряд высокого напряжения (5000-25000 В) в генераторе озона (озонаторе), который состоит из двух электродов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.