Кроме флотации к этим методам относятся коагуляция, флокуляция, адсорбция ионный обмен, экстракция, ректификация, выпаривание, дистилляция, обратный осмос, ультрафильтрация, кристаллизация, десорбция. Эти методы используются для удаления из сточной воды не только тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), но и растворимых газом минеральных и органических веществ, при этом достигается более глубокая и стабильная степень очистки. Выбор того или иного метода очистки или их сочетания производят с учетом санитарных и технических требований, предъявляемых к очищаемым производственным сточным водам, а также с учетом наличия необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности процесса в целом.
Коагуляция
Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц и объединение их в агрегаты при очистке сточных вод. Ее применяют для ускорения и увеличения эффективности осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна при удалении из воды коллоидно-дисперсных частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под действием добавляемых в воду специальных веществ – коагулянтов. Кислоты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под воздействием силы тяжести. Хлопья гидроксидов обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их, при этом коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд, вследствие чего возникает взаимное притяжение.
Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо иметь достаточный электрический потенциал. Эффект коагуляции зависит также от валентности иона – коагулянта, несущего заряд, противоположный заряду частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие. Поэтому в качестве коагулянтов используются соединения на основе многовалентных металлов: Al2(SO4)3∙18H2O, NaAlO2, Al2OH5Cl, тетраоксосульфаты алюминия с калием и аммония Kal(SO4)2∙12H2O и аммиачные NH4Al(SO4)2∙12H2O.
Сульфат алюминия наиболее эффективен в интервале значений рН=5-7,5. Он хорошо растворим в воде и имеет относительно невысокую стоимость. Применяют его в сухом виде или в виде 50%-ного раствора. Алюминат натрия применяют так же в сухом виде или в виде 45%-ного раствора. Алюминат натрия наиболее эффективен в щелочных средах с рН=9,3-9,8, способствует образованию быстро осаждающихся хлопьев. При необходимости нейтрализации избыточной щелочности могут использоваться кислоты или дымовые газы, содержащие СО2. тогда образование гидроксида алюминия протекает по реакции:
2NaAlO2+CO2+3H2O ↔ 2Al(OH)3+Na2CO3
В большинстве случаев используется смесь алюмината натрия и сульфата алюминия в соотношении от 10:1 до 20:1. Совместное употребление этих солей дает возможность повысить эффект осветления, увеличить скорость и плотность осаждения хлопьев, расширить оптимальную область рН среды.
6NaAlO2+Al2(SO4)3+12H2O ↔ 8Al(OH)3+3Na2SO4
Оксихлорид алюминия обладает меньшей кислотностью, поэтому пригоден для очистки слабощелочных вод, в виду присутствия в нем водорастворимого алюминия ускоряется хлопьеобразование и осаждение коагулированной взвеси. Из солей наиболее часто применяется в качестве коагулянтов сернокислое железо в виде Fe2(SO4)3∙2H2O, Fe2(SO4)3∙3H2O и FeSO4∙7H2O, а также хлорное железо. Наибольшее осветление происходит при использовании хлорного железа. Хлорное железо применяется в сухом виде или в виде 10-15%-ных растворов. Сульфаты используются в виде порошков, доза коагулянта зависит от рН сточной воды. Для Fe3+ рН=6-9, а для Fe2+ рН=9,5 и выше. Для подщелачивания сточной воды используют гидрид натрия и Са(ОН)2. Образование гидроксида с применением хлорного железа идет по реакции:
FeCl3+3H2O → Fe(OH)3+3HCl
а с использованием сульфатов, например железа (при условии подщелачивания):
Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3+3H2SO4
Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах сточных вод, более широкая область оптимальных значений рН среды, большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев, способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Но есть и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями окрашиваемых растворимых комплексов, сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры, мене развитая поверхность хлопьев. При использование смесей FeCl3 и Al2(SO4)3 в соотношении от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при их раздельном использовании. Происходит ускоренное осаждение хлопьев.
Кроме этих эффективных широко применяемых солей в качестве коагулянтов используют глины, алюминий-содержащие отходы производств, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния. Состав глинистых минералов: 70% SiO2, 24% Al2O3, 4% FeOx, 1-2% Na2O+K2O.
|
Оптимальную дозу коагулянта устанавливают на основе пробного процесса коагулирования. Скорость коагуляции зависит от концентрации веществ. По мере роста концентрации примесей в сточной воде степень коагуляции увеличивается. Влияет также на эффективность коагуляции разброс диапазона дисперсности частиц. В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Влияет форма частиц, например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные. Размер хлопьев в пределах 0,5-3 мм определяется соотношением между молекулярными силами, удерживающими частицы вместе и гидродинамическими усилиями отрыва, стремящимися разрушить агрегаты.
Флокуляция
Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц за счет добавления в сточные воды высоко молекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции, при флокуляции агрегация частиц происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул, адсорбированных на частицах флокулянта.
Флокуляцию проводят, в основном, для интенсификации процесса коагуляции (например, после обработки гидроксидом железа) с целью увеличения скорости осаждения. Флокулянты бывают синтетические и природные. К природным относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлоза. Наиболее распространенными флокулянтами являются полиакриламиды [СН2-СН-СООNН2]n. Полиакриламиды бывают технические (ПАА) и гидрализованные (ГППА).
ПАА получают взаимодействием акрилонитрила серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида. При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод ≈ 0,8-1 г/м3. ПАА действуют в широком диапазоне рН среды, но при рН больше 9 скорость осаждения хлопьев несколько снижается. Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: способности к адсорбции флокулянтов на твердых частицах, ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта и др. Причиной возникновения разветвленных структур хлопьев является адсорбция макромолекул флокулянтов на нескольких частицах с образованием между ними полярных мостиков.
Флотация
Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс называют пенной сепарацией или пенным концентрированней. Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки.
Достоинством флотации является непрерывность процесса, широкий диапазон применения, невысокие капитальные затраты, высокая степень очистки (95-98%), возможность дальнейшей рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточной воды, пониженной концентрацией ПАВ, легкоокисляемых веществ, бактерий, микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.
Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося вверх пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей, разделяющая их прослойка воды при некоторой критической величине прорывается и происходит слияние пузырька с частицей. Затем комплекс пузырек-частица поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц в исходной сточной воде. При закреплении пузырька на поверхности твердой частицы образуется как бы трехфазная периметрлиния, ограничивающая площадь прилипания пузырька и являющаяся границей трех фаз: твердой, жидкой, газообразной.
На величину смачивания поверхности взвешенных частиц водой влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ и электролита. ПАВ, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость водой, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей применяют также мыла, жирные кислоты, меркаптаны, амины и др. повышение гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности. Энергия образования комплекса пузырек-частица равна:
σ – поверхностное натяжение воды на границе с воздухом
для частиц, хорошо смачиваемых водой θ→0, а соs θ→1, следовательно, прочность прилипания минимальна для несмешиваемых частиц.
Эффект разделения флотации зависит от размера и количества пузырьков воздуха. Оптимальный размер должен находиться в пределах 15-30 мкм при большой степени насыщения воды пузырьками. Удельный расход воздуха в ходе процесса снижается с ростом концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят дополнительно в сточные воды пенообразователи, которые снижают поверхностную энергию раздела фаз. К пенообразователям относятся сосновое масло, крезол, фенолы, алкисульфат натрия и др. Вес частиц не должен быть больше силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырька. Размер частиц, которые хорошо фильтруются, зависит от плотности материала и колеблется в пределах 0,2-1,5 мм.
Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод- с выделением воздуха из растворов; с механическим дисперпфованием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.
Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяют для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнения. В зависимости от способа создания пересыщенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.
При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 29,9—39,9 кПа (225—300 мм рт. ст.). Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 мин.
Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде (вероятность разрушения агрегатов пузырек — частица сведена к минимуму); затрата энергии па процесс минимальна. Недостатки: незначительная степень насыщения стоков пузырь газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных частиц (не более 250—300 мг/л); необходимость сооружать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.
Напорные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4—5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты.
Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5—10 раз меньшее остаточное содержание загрязнений и имеют в 5—10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии: 1) насыщение воды воздухом под давлением; 2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Схема напорной флотации показана на рис. 12.
Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда ее перекачивают насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образующуюся водно-воздушную смесь направляют в напорную емкость, где при повышенном давлении (0,15—0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушной смеси во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Пену с твердыми частицами удаляют с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода выходит из нижней части флотатора. При использовании коагулянтов хлопьеобразование происходит в напорной емкости.
Рис. 14 Схема подачи воды при напорной флотации:
а – с рециркуляцией; б – с частичной подачей воды насосом; в – с рабочей жидкостью;
1 – приемные отделения; 2 – флотационные отделения; 3 – линии всасывания; 4 – насосы; 5 – напорные баки
В многокамерной флотационной установке с рециркуляцией очищенной воды сточная вода сначала поступает в гидроциклон, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем ее направляют в первую камеру, где смешивают с циркуляционной водой, насыщенной воздухом. Воздух выделяется в камере и флотирует загрязнение. Далее сточная вода поступает во вторую, а затем и третью камеры, в которых также происходит процесс флотации. После третьей камеры очищенную воду удаляют из установки. Часть циркулирующей воды насосом подают в напорную емкость, где растворяется воздух. Пену удаляют пеносъемниками.
Флотация с механическим диспергированием воздуха. Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинами насосного типа – импеллерами, которые представляют собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. Такие установки широко используют при обогащении полезных ископаемых и для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. Степень измельчения и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера. Чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффективность процесса.
Сточная вода поступает в приемный карман флотационном машины и по трубопроводу попадает в импеллер, который крутится на нижнем конце вала. Вал заключен в трубку, через которую засасывается воздух, так как при вращении импеллера обрадуется зона пониженного давления. Для флотации требуется высокая степень насыщения воды воздухом (0,1—0,5 объемов воздуха на 1 объем воды). Обычно флотационная машина состоит из нескольких последовательно соединенных камер.
|
Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании воздуха через пористые керамические пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки, размер которых равен:
,
где:
R и r – радиусы, соответственно, пузырьков и отверстий;
α – поверхностное натяжение воды.
Для очистки небольших количеств сточных вод применяют флотационные камеры с пористыми колпачками (рис. 17, б). Сточную воду подают сверху, а воздух в виде пузырьков — через пористые колпачки. Пена переливается в кольцевой желоб и удаляется из него. Осветленную воду отводят через регулятор уровня. Установки могут иметь одну или несколько ступеней. В установках большой производительности воздух подают через фильтросные пластины (рис. 17, в).
Эффект флотации зависит от величины отверстий материала, давления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе.
Этот способ флотации по сравнению с другими имеет следующие преимущества: простота конструкции флотационной камеры; меньшие затраты энергии (отсутствуют насосы, импеллеры). Недостатки способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого материала; трудность подбора материала с одинаковыми отверстиями, обеспечивающего образование мелких и равных по размеру пузырьков.
Электрофлотация. В данном процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц осуществляется с помощью пузырьков газов, образующихся в результате электролиза воды. При этом на аноде выделяются пузырьки кислорода, а на катоде – пузырьки водорода, которые играют более важную роль в процессе флотации, так как размер пузырьков водорода значительно меньше и составляет 20-100 мкм такие пузырьки обеспечивают лучший массообмен. Выделяясь на поверхности твердых частиц, способствуют эффекту флотации. Обеспечению нужной дисперсии пузырьков газов способствует правильный выбор материала, диаметр проволоки катода и подбор плотности тока. Оптимальные значения плотности тока составляют 200-260 А/м2.
При небольших расходах сточной воды (10-15 м3/ч) электрофлотационные установки могут быть однокамерными. При б о льших объемах расхода следует применять двухкамерные горизонтальные установки, состоящие из электродного отделения и отстойной части. В электродном отделении происходит насыщение газа, а в отстойниках – процесс разделения, который происходит во времени.
Таблица 5.