Способы флотационной обработки сточных вод

 

В практике очистки сточных вод разработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации.

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 происходит образование пузырьков воздуха и агрегатов «пузырек–частица», а во втором – всплывание шлама (пены) и осветление жидкости.

 

Флотация с выделением воздуха из раствора

 

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 его 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 пересыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1–5% объема обрабатываемой сточной воды.

 

1. Наибольшее распространение получила напорная флотация. Этот метод используется для как для очистки общего стока, так и для локальной очистки сточных вод.

Установки напорной флотации содержат:

- насос для подачи воздуха;

- сатуратор (напорный резервуар) для насыщения воды воздухом;

- устройства подачи воздуха в воду;

- флотокамеру, где флотируемые загрязнения выделяются в виде пены.

Установка напорной флотации работает следующим образом. Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда перекачивается насосом в напорный бак. Во всасывающий трубопровод перед баком засасывается воздух. При повышенном давлении воздух растворяется в воде. Вода подается во флотатор и переливается через струегасящую перегородку в его отстойную часть.

Флотатор работает при атмосферном давлении, поэтому из воды начинается выделяться воздух в виде высокодиспергированных пузырьков, к которым прилипают взвешенные частички примесей, образуя на поверхности воды пену. Пена с твердыми частицами удаляется с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода отводится из нижней части флотатора.

Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. По сравнению с нефтеловушками эти аппараты обеспечивают остаточное загрязнение в 5–10 раз меньше и имеют габариты примерно в 5–10 раз меньше.

 

2. Вакуумная флотация. Схема представлена на рисунке.

Схема вакуумной процесса флотации с выделением воздуха из раствора

1 – подача сточной воды; 2 – аэратор; 3 – деаэратор; 4 – флотационная камера; 5 – механизм сгребания пены; 6 – пеносборник; 7, 8 – отвод соответственно пены и обработанной сточной воды

 

Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается воздухом в аэрационной камере, откуда она поступает в деаэратор для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02–0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру, в которой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. 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.

Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде, что сводит к минимуму, вероятность разрушения агрегатов «пузырек–частица»; затрата энергии на процесс минимальна.

Недостатки вакуумной флотации: незначительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных частиц (не более 250–300 мг/л); необходимость создавать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

 

Флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерная флотация)

 

Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинками насосного типа – импеллерами, представляющими собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками.

На рисунке приведена схема двухкамерной прямоточной флотационной установки. Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру, в который по трубке засасывается воздух. Над импеллером расположен статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснимателем. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка сточной воды.

а б

Двухкамерная прямоточная флотационная установка:

а – поперечный разрез; б – продольный разрез

1 – отбойники; 2 – флотационная камера; 3 – вал импеллера; 4 – воздушная трубка; 5 – электродвигатель; 6 – пеносниматель; 7 – отверстия в статоре для внутренней циркуляции воды; 8 – статор; 9 – импеллер; 10, 11 – соответственно приемный и выпускной карман

 

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений и содержащих нефть, нефтепродукты, жиры. Импеллерную флотацию широко используют для процессов обогащения сырья и очистки сточных вод от веществ, легко переходящих в пену. Недостатком этого вида флотации является невозможность использования коагулянтов, так как при турбулентном перемешивании воды происходит разрушение хлопьев коагулянта.

 

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

 

Флотация с подачей воздуха через пористые материалыотличается простотой аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры.

Эффект флотации этим способом зависит от величины отверстий материала, давления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Преимущества данного метода: простая конструкция флотационной камеры; меньшие затраты энергии из-за отсутствия насосов, импеллеров.

Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор; трудность подбора мелкопористых материалов, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

 

Биологическая флотация

 

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревается паром в специальной емкости до 35–55ºС и при этих условиях выдерживается несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются. Таким путем влажность осадка можно понизить до 80% за 5–6 суток и тем самым упростить дальнейшую обработку осадков.

 

Ионная флотация

 

Кроме перечисленных методов можно выделить также ионную флотацию.

Ионная флотация – процесс извлечения ионов из растворов методом флотации.

Суть процесса сводится к следующему. В сточную воду вводится воздух и диспергируется каким-либо способом и собиратель (поверхностно-активное вещество). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пена удаляется из флотационной камеры и разрушается; из нее извлекаются сконцентрированные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (Mo, Cu, Pt, W, V, Re и др.). Процесс эффективен при низких концентрациях извлекаемых ионов.

 

Адсорбция

 

Адсорбция – самопроизвольный процесс поглощения (концентрирования) веществ из воды или газовой фазы поверхностью твердого поглотителя (адсорбента).

Сущность метода заключается в концентрировании примесей, содержащихся в воде, на поверхности твердого сорбента.

Вещество, поглощаемое в процессе адсорбции, называется адсорбтивом, а извлекаемый компонент, который перешел в адсорбированное состояние, – адсорбатом.

Различают физическую и химическую адсорбцию (или хемосорбцию). При физической адсорбции адсорбируемое вещество (адсорбтив или адсорбат) не взаимодействует химически с адсорбентом. Физическая адсорбция обратима. Обратный процесс называется десорбцией. Хемосорбция сопровождается образование химического соединения адсорбата с адсорбентом.

Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика. Данным методом проводится очистка от органическим веществ, которые биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными.

Этот метод используется для очистки сточных вод от фенолов, ароматических и нитросоединений, ПАВ, пестицидов, красителей и др. Адсорбционная очистка широко применяется для очистки сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности.

Метод адсорбционной очистки воды прост, эффективен и сравнительно дешев.

 

Адсорбционная очистка бывает:

– регенеративной, т.е. с извлечением из адсорбента уловленных им веществ и дальнейшем их использовании;

– деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод загрязнения уничтожаются, как не имеющие технической ценности, иногда вместе с адсорбентом.

 

Эффективность адсорбции веществ из водных растворов зависит, в основном, от следующих параметров:

- химической природы поверхности адсорбента;

- величины поверхности адсорбента и ее доступности;

- химического строения извлекаемого компонента;

- состояния извлекаемого вещества в растворе в присутствии сильных электролитов.

 

Скорость процесса адсорбции определяются следующие факторы:

- концентрация извлекаемых веществ;

- природа и структура растворенных веществ;

- температура воды;

- вид и свойства адсорбента.

При увеличении температуры системы активность адсорбента уменьшается, т.к. процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты.

 

Процесс адсорбции складывается из трех стадий:

– перенос вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область);

– собственно адсорбционный процесс;

– перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область).

Скорость собственно адсорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя диффузия, либо внутренняя диффузия. В некоторых случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями.

 

Преимущества адсорбционного метода очистки сточных вод:

– высокая эффективность при малой концентрации примесей в воде, т.е. в случаях, когда использование других методов становится экономически нецелесообразным или вообще невозможным;

– возможность регенерации адсорбированных примесей;

– очистка сточных вод, содержащих несколько загрязняющих веществ.

С технико-экономической точки зрения, адсорбция весьма эффективна для извлечения из сточных вод ценных продуктов с целью использования их в замкнутом цикле основного производства.

Степень адсорбционной очистки достигает 80–95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

 

Адсорбенты и их свойства

 

Адсорбенты, применяемые для очистки воды, представляют собой измельченные порошкообразные материалы или гранулы диаметром 0,5–1,0 мм. Порошкообразыне адсорбенты добавляют в воду, которая находится в осветлителе. Гранулированные адсорбенты используют в аппарате, имеющем устройство, подобное напорному фильтру.

В качестве сорбентов используют активные угли, отходы производства (золу, шлаки, опилки, бурый уголь, торф, коксовую мелочь). Отходы производства, используемые в качестве адсорбентов, обладают худшими характеристиками в сравнении с активным углем, но имеют меньшую стоимость. Кроме того, эти сорбенты не регенерируют, что дополнительно удешевляет процесс. Кроме того, применяются, но значительно реже, различные сорта глин, активированные оксиды железа и алюминия (гидраты окислов).

Для адсорбции органических веществ должны применяться, прежде всего, углеродистые пористые материалы (различные активные угли) или синтетические материалы. Полярные гидрофильные материалы (глины, силикагели, гидраты окислов) для этого непригодны, так как энергия взаимодействия с молекулами воды почти равна или выше энергии адсорбции молекул органических веществ.

Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли.

Угли, используемые для очистки сточных вод, должны обладать определенными свойствами:

– угли должны быстро смачиваться водой;

– быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул;

– должны иметь высокую адсорбционную емкость при малом времени контакта с водой;

– высокую селективность;

– малую удерживающую способность при регенерации;

– должны быть прочными, не подвергаться истиранию и быть инертными по отношению к адсорбату и растворителю (воде).

 

Количество извлекаемых из воды примесей зависит от природы сорбента и примесей, от площади поверхности сорбента, на которой идет сорбция, условий проведения процесса.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств адсорбента является изотерма адсорбции. Изотерма адсорбции характеризует зависимость количества адсорбированного вещества А от его равновесной концентрации в растворе С_р. Типы возможных изотерм адсорбции представлены на рисунке. Вещества, хорошо сорбируемые из водных растворов, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо сорбируемые – вогнутую.

Рисунок 5. – Изотермы адсорбции:

1 – резковыпуклая, 2 – выпуклая, 3 – линейная, 4 – S -образная, 5 – вогнутая

 

Величину адсорбции А (мг/г) рассчитываю по формуле:

,

где С₀ – исходная концентрация извлекаемого вещества, мг/л;

С_р – равновесной концентрации извлекаемого вещества, мг/л;

V – объем обрабатываемого раствора, л;

m – масса активного угля, г.

Виды адсорбционной очистки

 

 

В зависимости от условий проведения процесса различают:

- сорбцию в статических условиях;

- сорбцию в динамических условиях.

Сорбция в статических условиях заключается в контактировании воды с определенным количеством адсорбента в течение некоторого времени и с последующим отделением отработанного сорбента путем фильтрования, отстаивания и т.д. Последовательным введением в отделяемую воду новых порций сорбента можно достичь практически любой заданной степени очистки или концентрации извлекаемого компонента. Для интенсификации процесса сорбции осуществляется интенсивное перемешивание адсорбента с водой.

Сорбция в статических условиях осуществляется периодически. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.

Многоступенчатая схема адсорбции позволяет проводить процесс очистки более эффективно. В такой схеме новая порция адсорбента приводится в контакт с уже частично очищенной водой. Многоступенчатая схема позволяет значительно сократить расход сорбента по сравнению с одноступенчатой адсорбцией при сохранении эффективности очистки. Чаще всего многоступенчатая схема очистки применяется в случаях, когда использованный адсорбент не регенерируется.

Сорбционная установка с последовательным введением сорбента:

1, 2 – подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 – резервуары с перемешивающим устройством; 4 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 – выпуск обработанной сточной воды; 6 – выпуски отработанного сорбента

 

 

Существует схема многоступенчатой адсорбции с противоточным введением адсорбента. Адсорбент вводят однократно в последнюю ступень, и он движется навстречу сточной воде. По этой схеме процесс очистки ведут непрерывно, т.е. периодическая схема адсорбции превращается в схему многоступенчатой противоточной адсорбции. Такая схема позволяет проводить очистку воды при значительно меньшем расходе адсорбента, чем по схеме с последовательным введением сорбента. Однако, такая установка дороже и сложнее в эксплуатации.

	1

Сорбционная установка с противоточным введением сорбента:

1 – подача сточной воды; 2 – резервуары с перемешивающим устройством; 3 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 – подача сорбента; 5 – выпуск обработанной сточной воды; 6 – резервуар для сбора сорбента; 7 – насосы для перекачки сорбента; 8 – выпуск отработанного сорбента

Сорбцию в статических условиях в аппаратах с псевдоожиженным слоем применяют при использовании мелкозернистого (0,25–0,3 мм) и пылевого (0,04 мм) адсорбента для сорбции из трудно фильтруемых сточных вод. В псевдоожиженном слое частицы сорбента в меньшей степени заиливаются взвешенными веществами, содержащимися в воде.

Псевдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна расширившегося слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту.

На рисунке изображен одноступенчатый аппарат непрерывного действия со взвешенным слоем адсорбента. В нижнюю часть аппарата через центральную трубу либо через боковой патрубок, подсоединенный к конусному днищу, поступает сточная вода. Сорбент в виде 5–20%-ной суспензии поступает в верхнюю расширенную часть центральной трубы, где сточная вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается в нижней части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Обработанная сточная вода отводится в верхний кольцевой желоб.

Адсорбер непрерывного действия со взвешенным слоем:

1 – подача сточной воды; 2 – подвод сорбента; 3 – вывод очищенной воды; 4 – вывод угольной суспензии; 5 – сборник отработанного сорбента; 6 – решетка; 7 – корпус; 8 – отстойная зона

 

 

Сорбция в динамических условиях заключается в фильтровании жидкости через слой адсорбента до проскока в фильтрат извлекаемых веществ в количестве, превышающем заданный по технологическим условиям предел, например, до появления в фильтрате концентрации вещества, превышающего его ПДК в водоеме, либо допустимый уровень содержания органических веществ в технической воде в случае возврата очищенных стоков на предприятии.

Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента являются достаточно простыми и надежными аппаратами, поэтому широко применяются в технологии очистки сточных вод. Такие аппараты используются на установках большой и малой производительности для очистки общезаводских промышленных сточных вод, а также для доочистки биологически очищенных стоков.

Сорбция в динамических условиях является более эффективной, так как при фильтровании воды через слой сорбента достигается практически полное извлечение примесей. С экономической точки зрения сорбция в динамических условиях предпочтительна потому, что позволяет более полно использовать сорбент и реже проводить его регенерацию.

 

Существует два типа аппаратов с неподвижным слоем адсорбента:

- открытые (безнапорные) адсорберы, выполненные в виде резервуаров прямоугольного или круглого сечения (;

- закрытые (напорные) адсорберы, представляющие собой стальные цилиндрические колонны.

Каждый аппарат оборудуется необходимым числом задвижек и вентилей для управления работой аппарата, отбора проб воды и выпуска воздуха или газов, попадающих в адсорбер вместе с очищаемой водой.

Безнапорный железобетонный адсорбер:

1 – корпус; 2 – активированный уголь; 3 – желоб для сбора очищенной воды; 4 – дренажная система; 5 – поддерживающие гравийные слои; 6 – трубопроводы поверхностной промывки слоя адсорбента; 7 – трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 8 – трубопровод отвода очищенной воды; 9 – трубопровод подачи взрыхляющей воды

 

Схема вертикального напорного адсорбера:

1 – корпус; 2 – неподвижный слой активированного угля; 3 – отбойник; 4 – трубопровод подачи очищаемой сточной воды; 5 – трубка для сброса воздуха; 6 – люк; 7 – трубопровод гидровыгрузки активированного угля; 8 – трубопровод отвода очищенной воды; 9 – трубопровод подачи взрыхляющей воды; 10 – распределительная система труб

 

 

Направление движения жидкости в адсорберах с неподвижным слоем может быть как сверху вниз, так и снизу вверх:

- при фильтровании воды сверху вниз верхний слой активированного угля наряду с поглощением растворенных органических загрязнений задерживает высокодисперсные взвеси, если предварительно они не были удалены из сточной воды. Накопление осадка в слое загрузки является крайне нежелательным явлением, т.к. вследствие этого уменьшается свободный объем межзернового пространства слоя угля и увеличивается гидравлическое сопротивление загрузки;

- направление фильтрования снизу вверх является наиболее рациональным, т.к. в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха или газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой. В адсорберах с движением очищаемой воды снизу вверх приходится производить отмывку всего неподвижного слоя в случае его загрязнения тонкодисперсной взвесью.

 

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3–5 последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.

 

Ионообменная очистка

 

Ионный обмен, или ионообменная сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита.

Иониты – это высокомолекулярные органические вещества трехмерной структуры, практически нерастворимые в воде и органических растворителях и обратимо обменивающие ионы, входящие в их состав, на эквивалентное количество других ионов из раствора одинакового заряда.

Отличие ионообменных процессов от адсорбционных заключается в том, что обмен ионами между раствором и ионитом связан с протеканием гетерогенной химической реакции. При ионообменной очистке происходит хемосорбция.

Ионообменная очистка используется для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси в ионном виде.

Для очистки сточных вод метод ионного обмена применяют обычно на завершающей стадии и в тех случаях, когда к воде, выходящей из очистных сооружений, предъявляют повышенные требования.

Этот метод является одним из основных способов умягчения, опреснения и обессоливания вод, а также способом рекуперации растворенных ионных компонентов. Установки ионообменного обессоливания воды эксплуатируют в системах водоподготовки для получения воды высокой степени чистоты.

Метод ионного обмена применяют в тех случаях, когда в растворе содержатся небольшие концентрации загрязняющих веществ или на завершающей стадии очистки.

 

Можно назвать следующие преимущества ионообменного метода очистки сточных вод:

- возможность утилизации ценных веществ, содержащихся в сточных водах;

- очистка воды от загрязнителей до ПДК;

- небольшие площади, занимаемые очистными установками.

Процессы ионообменной очистки сточных вод по технико-экономическим показателям успешно конкурируют с другими методами очистки.