Очистка сточных вод флотацией

Флотация - один из видов адсорбционно-пузырькового разделения основанный на формировании всплывающих агломератов (флотокомплексов) загрязнений с диспергированной газовой фазой и последующим и отделением в виде концентрированного пенного продукта (флотошлама).

Традиционным признаком классификации флотационных сооружений принят способ получения диспергированной газовой фазы (ДГФ). Все существующие способы можно разделить на следующие группы: дробление газовой фазы (диспергирование) в толще жидкости; непосредственное выделение из обрабатываемой воды.

В соответствии с этим составлена классификация флотационных сооружений.

Рис.1. Классификация флотационных сооружений по способу получения ДГФ

Барботажное получение ДГФ. Одним из наиболее распространенных методов получения ДГФ в очистных сооружениях является барботаж. Диспергируемый газ проходит через поры (отверстия) фильтросного устройства, погруженного в воду, и образует поток газовых пузырьков. Размер образующихся пузырьков определяется условиями отрыва их от

кромки пор.

Для пузырьков сферической формы минимальная величина их диаметров может быть найдена по формуле:

1

где d_o - диаметр пор (отверстий), через которые поступает газ; σ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз "вода-газ"; g — ускорение свободного падения; ∆ρ - разность плотностей жидкости и газа.

Уравнение справедливо для невысокой скорости образования

пузырьков и не зависит от расхода газа. С увеличением расхода газа число пузырьков возрастает до тех пор, пока не будет достигнут критический расход - газа. При расходе газа выше критического последовательно отрывающиеся от отверстия пузырьки соприкасаются друг с другом и поднимаются в жидкости в виде цепочки пузырьков.

При установившемся гидродинамическом режиме скорость подъема пузырьков определяется по условию равенства подъемной силы и силы сопротивления среды, что для ламинарного режима движения пузырьков

приводит к известному закону Стокса:

2

μ - динамическая вязкость сточных вод.

Получение ДГФ механическим диспергированием. Для механического диспергирования газовой фазы используют различного вида устройства, движущиеся части которых попеременно то погружаются в жидкость, то выходят из нее. Однако в чистом виде метод механического диспергирования газовой фазы применяют редко. Чаще всего комбинируют истечение газов в виде пузырей с последующим их дополнительным диспергированием турбинкой. При этом газовая фаза образуется либо при истечении газов из барботера, расположенного ниже мешалки, либо газ подают прямо в мешалку, снабженную отверстиями.

В процессах механического диспергирования газовой фазы энергия тратится на ее дробление и на преодоление сил гидродинамического сопротивления жидкости. Обычно затраты энергии на диспергирование газовой фазы составляют 0,2-2% от общей затрачиваемой в процессе энергии. Механизм процесса диспергирования пузырьков при механических воздействиях достаточно сложен. Он включает стадии деформирования пузырьков под влиянием касательных или растягивающих напряжений в вытянутые эллипсоиды и последующего их дробления на более мелкие.

Размер частиц газовой дисперсии зависит от интенсивности перемешивания, продолжительности и температуры. Уменьшение межфазного поверхностного натяжения также способствует увеличению дисперсности эмульсии, при этом уменьшается удельная работа диспергирования.

Количественные закономерности получения ДГФ механическими методами в настоящее время изучены недостаточно.

Получение ДГФ из пересыщенных газовых растворов. В компрессионных и вакуумных флотационных установках ДГФ получают из пересыщенных растворов газа. Пересыщенный раствор газа в воде может быть получен или предварительным насыщением или в результате протекания химических, электрохимических, микробиологических и других процессов, сопровождающихся образованием газообразных продуктов реакций.

Выделение газовой фазы происходит на границах раздела фаз и, частично, в объеме жидкости. Пузырьки, образующиеся в объеме жидкости, имеют меньший размер, так как период нахождения их в воде вследствие процесса седиментации оказывается меньше. Уменьшение среднего размера пузырьков, полученных из пересыщенных газовых растворов, происходит при воздействии вибрации, ультразвука, понижении давления в сооружении.

По сравнению с другими методами, получение ДГФ из пересыщенных газовых растворов обеспечивает наибольшую дисперсность газовой фазы в воде.

Формирование ДГФ при протекании реакций, сопровождающихся выделением газов. При протекании в очищаемой воде химических, биохимических и электрохимических реакций, сопровождающихся образованием газов, получаются пересыщенные газовые растворы, из которых выделяются пузырьки. Существенное отличие этого метода получения ДГФ от получения ее из пересыщенных газовых растворов - другой характер изменения пересыщения во времени. В начальный период реакции требуется некоторое время до возникновения состояния пересыщения жидкой фазы газовым компонентом. Далее характер пересыщения может быть различным.

При проведении реакции в жидкой фазе степень пересыщения быстро увеличивается, достигает максимума, а затем по мере образования пузырьков и их роста снова уменьшается. Примером этого может служить взаимодействие растворов карбонатов с Ра створами кислот при их быстром смешивании.

Если в реакции используют твердые исходные продукты, то газ выделяется преимущественно на их поверхности. Реакции с использованием твердых веществ являются саморегулирующимися, так как возникающая газовая фаза уменьшает доступ жидкого реагента в зону реакции до установления состояния подвижного равновесия.

Пузырьки газов, образующиеся в электрохимических процессах, полидисперсных по размерам, а гистограммы получающихся газовых дисперсий изменяются во времени. Скорость газовыделения пропорциональна плотности тока и электрохимическому выходу реакции. Размер образующихся пузырьков зависит от поверхностных свойств границы раздела “газ - жидкость - твердое тело", значений электрохимического потенциала и перенапряжения.

Влияние величины рН на размер пузырьков обусловлено процессами концентрационной деполяризации. При уменьшении концентрации ионов водорода у поверхности катода концентрация электролита в двойном электрическом слое повышается, что вызывает уменьшение краевых углов смачивания и размеров пузырьков. Присутствие в сточных водах ПАВ, ионов тяжелых металлов и других примесей изменяет процессы газообразования, изменяя величину перенапряжения, и также снижает краевой угол смачивания.

Размеры пузырьков образующейся газовой дисперсии непостоянны по высоте флотаторов при любом способе их получения. Кроме условий образования, дисперсный состав пузырьков существенно зависит от гидродинамического режима флотационного сооружения, который оказывает непосредственное влияние на процессы коалесценции и сепарации.

Эффективность флотационной очистки сточных вод и ее технико-экономические показатели в значительной мере зависят от правильности выбора вида флотационного сооружения. Определяющим критерием при этом должны являться возможность и условия формирования в очищаемой воде устойчивого флотокомплекса.

Элементарный флотокомплекс может быть трех типов (рис.2.)

Пузырьки газа

Рис.2. Основные типы элементарных флотокомплексов:

а – газово-дисперсный; б – дисперсно-газовый; в – газово-молекулярный.

Первый тип образуется в результате столкновений дисперсных частиц загрязнений (твердых или жидких) с движущимися пузырьками воздуха или другого газа. Структура такого флотокомплекса, как правило, состоит из малого числа относительно крупных пузырьков. Условно, этот тип флотокомплекса можно назвать газово-дисперсным. Он характерен для флотационных установок с пневматической, гидромеханической или механической системой получения ДГФ.

Второй тип наблюдается при выделении газа из обрабатываемой воды в условиях уменьшения его растворимости. Поскольку вероятность зарождения пузырьков на межфазной границе во много раз больше вероятности их возникновения в объеме чистой воды, дисперсные частицы загрязнений становятся центрами формирования флотокомплексов. В дальнейшем в результате коалесценции газовой фазы он может трансформироваться в первый тип. Однако, при определенных условиях, например присутствие в воде ПАВ, второй тип флотокомплекса достаточно устойчив. Структурно он определяется как дисперсно-газовый. Флотокомплексы этого типа преобладают в компрессионных, вакуумных, электрохимических и других установках с получением ДГФ выделением ее из воды.

Многие органические вещества, входящие в систему загрязнений сточных вод, проявляют сорбционные свойства на границе раздела фаз “вода-газ". Контакт всплывающих пузырьков газа с такими веществами приводит к образованию на их поверхности адсорбционного слоя, формируя третий тип флотокомплексов - газово-молекулярный. Наличие этого типа в структуре флотационной пульпы обуславливается главным образом физико-химическими свойствами системы загрязнений и мало зависит от вида флотационного сооружения. Типичным примером является флотокомплекс, возникающий при контакте пузырьков с молекулами ПАВ.

При гидромеханическом взаимодействии воды, загрязнений и флотокомплексов внутри камеры флотации, наибольшую устойчивость проявляет структура газово-молекулярного флотокомплекса, а наименьшую-газово-дисперсного.

Основные технологические схемы применения флотационных методов очистки сточных вод приведены на рис.3.

Рис.3. Технологические схемы флотационных установок:

1 - камера флотации; 2 - сатуратор

По схеме "а" осуществляют флотационные процессы, в которых используют барботажный, пневмомеханический, электрохимический и другие способы получения ДГФ непосредственно во флотационной к

Схемы "б" и "в" распространены при компрессионном и вакуумном способах, а схема "г" - при компрессионном и гидромеханическом.

Материальный баланс потоков во флотаторе в общем виде представлен уравнением:

3

Где Q_w - расход сточных вод, поступающий во флотатор, м³/ч;Q_k - расход отводимого флотошлама м³/ч; С_о, С, С_к - концентрация загрязнений в поступающей воде, очищенной и во флотошламе соответственно, г/м³.

Принимая показатель фракционирования Е=Q_к/Q_w, а также учитывая адсорбционный механизм извлечения загрязнений на ДГФ, может быть получено основное уравнение для выражения концентрации загрязнений в воде при адсорбционно-пузырьковом разделении:

4

Где Сτ - текущая концентрация загрязнений во флотаторе, г/м³; q_φ—удельный расход газа, равный отношению расхода газа к общему расходу очищаемой воды, м³/м³;ψ_D—функция, определяющая поверхность ДГФ в единичном объеме диспергированного газа, м²/м³; А_ψ- адсорбция, отнесенная к единице поверхности газовой фазы, г/м².

Уравнение (4) непосредственно применимо к описанию процессов флотации по схемам "а" и "б". Баланс материальных потоков в схемах “в” и "г" приводит к следующим выражениям, определяющим концентрацию загрязнений в камере флотации (см. рис.3):

по схеме "в"

5

Где D - показатель деления потока, определяемый как D=Q_D/Q_w, здесь Q_D- расход воды, отделяемый для приготовления водовоздушной смеси, м³/ч.

По схеме "г":

6

Где D - указатель возврата рабочей жидкости, R=Q_R/Q_W, здесь Q_R – расход воды, возвращаемый для приготовления водовоздушной смеси, м³/ч.

Текущее содержание загрязнений С_τ во флотационной камере зависит от адсорбционного равновесия, количества и удельной поверхности ДГФ. Концентрация загрязнений в воде на выходе из сооружения С определяется как поступающих результирующая трех материальных потоков загрязнений: поступающих со сточными водами (Со); возвращаемых с частью очищенной воды (С) и адсорбционным потоком (q_φψ_DA_ψ) а также гидродинамической обстановкой внутри флотатора.

Рис.4. Флотаторы:

а - барботажный; б - импеллерный; в - компрессионный; г – электрохимический;

1,3 - подача сточных вод и отведение очищенной воды; 2 - отведение флотошлама; 4 - система получения газовой дисперсии; 5 - камера флотации; 6 – пеносъемное устройство

Выбор типа схемы осуществляют на основании анализа структурно-механических свойств флотокомплекса и необходимой эффективности очистки воды.

Все типы флотационных сооружений содержат ряд общих конструктивных элементов. К ним относятся камера флотации, которая может быть одно- и многосекционной, система распределения подаваемой на очистку воды, система подачи ДГФ, устройства для сбора и удаления флотошлама. Важным элементом конструкции является система выпуска очищенной воды, обеспечивающая постоянство гидравлического уровня в сооружении.

Конструктивные особенности разных типов флотационных сооружений и состав вспомогательного оборудования в значительной мере обусловлены способом получения ДГФ.

Барботажные флотационные сооружения отличаются простой и относительно малыми расходами энергии (рис.4, а). Для уменьшения отрицательного влияния продольного перемешивания в камере флотации обычно выделяют две и более последовательные секции. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Размер пор обычно находится в пределах 50-200 мкм, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации 20-40 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочая глубина камеры флотации 1,5-3 м.

Недостатками этого типа сооружений являются значительная интенсивность перемешивания и возможность зарастания пор фильтросных элементов, а также трудность подбора для них мелкопористых материалов, обеспечивающих получение мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

Барботажные флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих загрязнения, способные образовывать достаточно прочные флотокомплексы и обладающие устойчивым пенообразованием.

Флотационные установки с механическим диспергированием воздуха имеют круглую или квадратную в плане камеру флотации (рис.4, б). В состав внутреннего оборудования входят воздушная труба, турбинка (импеллер) с валом привода, статор и спрямляющая решетка.

Сточная вода из приемного кармана поступает к вращающемуся импеллеру, который по воздушной трубе подсасывает воздух. Над импеллером расположен неподвижный статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Смесь воды и воздуха выбрасывается импеллером через статор. Спрямляющая решетка, расположенная вокруг статора, способствует более мелкому диспергированию воздуха в воде и уменьшению скорости выхода водо-воздушной смеси в камеру флотации. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснимателем. Обычно импеллерная флотационная установка включает несколько последовательных камер.

Степень диспергирования воздуха зависит от окружной скорости вращения импеллера, которую принимают равной 10-15 м/с. Диаметр импеллера должен быть 200-750 мм. Зона, обслуживаемая импеллером, не должна превышать размеров квадрата со стороной 6с1и, (где с1и — диаметр импеллера). Высота флотационной камеры принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 20-30 мин.

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией дисперсных загрязнений (более 2 – 3 г/л) преимущественно таких, как нефть, нефтепродукты, жиры.

Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высокая обводненность пены. Особенно существенным становится этот недостаток в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные установки для ее обработки, что удорожает очистку в целом.

Флотационные сооружения с использованием компрессионного метода плучения ДГФ получили достаточно широкое распространение в составе малых и средних очистных комплексов (рис.4, в). Напорная флотация по сравнению с вакуумной используется чаще, поскольку позволяет регулировать степень пресыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4-5 г/л и более. Флотационные камеры компрессионных флотаторов в зависимости от структуры загрязнений сточных вод могут быть дополнены совмещенной зоной отстаивания.

При напорной флотации сточные воды под давлением 0,3-0,5 МПа подаются в напорный бак (сатуратор). Туда же компрессором подают воздух. Возможна также подача воздуха через водовоздушный эжектор, установленный на байпасной линии насоса. Количество подаваемого воздуха зависит от начальной и конечной концентрации загрязняюших веществ, а также их свойств. Насыщенная воздухом вода из сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной вода пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборник.

При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м³/ч принимаются прямоугольные в плане камеры глубиной 1-1,5 м, при большей производительности — радиальные флотаторы глубиной не более 3 м.

Компрессионные флотаторы применяют для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, масел, жиров, ПАВ, волокнистых веществ, а также для отделения скоагулированных загрязнений.

К недостатками компрессионных флотаторов относятся ограниченность удельного расхода воздуха, и сложность эксплуатации вспомогательного оборудования для приготовления водовоздушной смеси.

Электрофлотаторы выполняют круглыми или прямоугольными в плане глубиной 1-2 м (рис.4, г). В состав внутреннего оборудования входят блоки электродов, конструкции которых весьма разнообразны. Различают плоскостные, коаксиальные, сетчатые и объемные блоки. Дополнительное оборудование включает системы энергопитания, контроля состава воздуха и управления системой вентиляции.

Электрофлотационные установки универсальны по применению. Производительность флотаторов ограничивается технико-экономической целесообразностью.

Основными недостатками электрофлотаторов являются ограниченность срока службы или высокая стоимость электродов, а также необходимость устройства систем обеспечения взрыво- и химической безопасности.