Физико-химические методы очистки сточных вод
К физико-химическим методам очистки сточных вод относят флотацию, коагуляцию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.
Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с биохимическими имеет ряд преимуществ:
1) возможность удаления из сточных вод токсичных биохимически неокисляемых органических загрязнений;
2)достижение более глубокой и стабильной степени очистки;
3) меньшие размеры сооружений;
4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок;
5) возможность полной автоматизации;
6) более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры;
7) методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов;
8) возможность рекуперации различных веществ.
Флотация
Флотация – это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа и воды, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.
Флотационный процесс очистки производственных сточных вод применяется для вод, содержащих поверхностно-активные вещества, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы. Метод флотации заключается в образовании комплексов «частица-пузырек», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой воды. Прилипание частицы, находящейся в воде к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.
Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Степень смачиваемости водой твердых и газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания θ. Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные вещества – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т. е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и др.
Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:
где К — коэффициент скорости флотации, зависящей от гидродинамических и конструктивных параметров.
Эффективность осветления сточных вод флотацией может быть оценена по уравнению:
,
где H – высота слоя воды во флотационном аппарате;
n – число пузырьков в единице объема воды;
a – вероятность закрепления пузырька на частице при подъеме его на 1 см.
Из уравнения видно, что с увеличением слоя воды и числа пузырьков эффективность очистки воды повышается.
Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: флотация с выделением воздуха из растворов; флотация с механическим диспергированием воздуха; флотация с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотация и химическая флотация.
Флотация с выделением воздуха из раствора применяется для очистки сточных вод от очень мелких частиц загрязнений. Сущность способа заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнения. Могут применяться вакуумные и напорные флотаторы.
В вакуумных флотаторах насыщение сточной воды проходит при атмосферном давлении, а очистка под вакуумом. Такие аппараты используются при концентрации ЗВ не более 250-300 мг/дм3. Достоинства вакуумных флотаторов – образование и всплывание агрегатов «частица-пузырек» происходит в спокойной среде и минимальна вероятность разрушения; минимальны энергозатраты. Недостатки – необходимость создания герметичных аппаратов, сложность эксплуатации, ограничение по содержанию загрязнителей.
В напорных флотаторах насыщение проводится под давлением, очистка при атмосферном давлении. Аппараты используются при более широких диапазонах содержания загрязнителей (до 4-5 г/дм3).
На практике используют флотационные камеры различных конструкций. Схема флотационной камеры ("Аэрофлот") показана на рис. 7.
Рис. 7. Флотатор "Аэрофлот": 1 – камера; 2 – скребок; 3 – шламоприемник; 4 – поверхностные скребки
Сточную воду подают внутрь камеры, где выделяются пузырьки газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы. Пенный слой с твердыми частицами поверхностным скребком удаляют в шламоприемник. Осветленную воду выводят из камеры. Твердые частицы, оседающие под действием гравитационной силы на дно камеры, донным скребком сдвигают в приемник, удаляют через трубопровод.
Флотация с механическим диспергированием воздуха проводится в импеллерных пневматических и безнапорных установках. Импеллер – диск с радиальными обращенными вверх лопатками для диспергирования воздуха. При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. В безнапорных установках диспергирование воздуха происходит за счет завихрений, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса.
Степень диспергирования воздуха зависит окружной скорости вращения импеллера, которую принимают равной 12-15 м/с.
Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2-3 г/дм3) и содержащих нефть, нефтепродукты, жиры. Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высокая обводненность пены. Этот недостаток особенно значим при очистке сточных вод от ПАВ.
Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании воздуха через пористые керамические пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки, размер которых зависит от размера пор. 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. Сущность электрофлотационного метода очистки заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. При применении растворимых электродов (железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воде образуются хлопья гидроксидов железа или алюминия, являющихся коагулянтом. Происходит одновременно флотационная и коагуляционная очистка сточных вод, что повышает ее суммарную эффективность.
Химическая флотация. При введении в сточную воду некоторых веществ могут протекать химические процессы с выделением газов: О2, СО2, С12 и др. Пузырьки этих газов при некоторых условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов.
Очистка технологических и сточных вод от нефтепродуктов в локальных очистных сооружениях моек автомобилей
Применяется в очистных сооружениях моек автомобилей, для очистки парового конденсата. Основным аппаратом является комбинированная флотационная машина с узлом доочистки, преимуществом которой является отсутствие фильтрующего материала. Схема установки представлена на рис. 8. 
Рис. 8. Принципиальная схема очистки сточных вод после мойки автомобилей: 1 – песколовки; 2 – резервуар грязной воды; 3 – насос подачи стока в грязенефтеловушку; 4 – насос откачки осадка; 5 – грязенефтеловушка; 6 – сборник осадка; 7 – флотомашина пневматическая; 8 – компрессор; 9 – сборник пенопродукта; 10 – фильтр доочистки; 11 – резервуар чистой воды
Качество очищенной воды после флотомашины достаточно для работы в замкнутом цикле, так как содержание нефтепродуктов не превышает 1-2 мг/дм3. При использовании фильтра доочистки содержание нефтепродуктов не превышает значения 0,05 мг/дм3. Оптимальная производительность одного модуля пневматической флотомашины – 5 т/ч.
Сточные воды стекают через решетку, на которой осуществляется мойка автомобилей, самотеком по наклонному желобу и направляются в расположенные последовательно три секции песколовки, представляющие собой отстойные резервуары прямоугольной формы, где осаждаются крупные фракции песка и загрязнений, и далее самотеком поступают в резервуар грязной воды. Осажденные в нем взвешенные вещества периодически удаляются погружным насосом 4.
Из резервуара грязной воды сточные воды с помощью погружного насоса 3 подаются в грязенефтеловушку, где происходит улавливание тонкодисперсных взвешенных веществ и частичное улавливание из воды нефтепродуктов. Осадок скапливается на дне и периодически удаляется в сборник 6, расположенный под грязенефтеловушкой.
Предварительно осветленная вода самотеком попадает в пневматическую флотомашину. В камерах флотомашины установлены резиновые перфорированные аэраторы, через которые от компрессора 8 подается сжатый воздух. Пенный продукт переливается в желоб, а затем в сборник пенопродукта 9, расположенный под флотомашиной. Таким же образом в пеносборник удаляются уловленные в грязенефтеловушке нефтепродукты.
Очищенная сточная вода самотеком поступает в безнапорный угольный фильтр для более полной очистки от нефтепродуктов и взвешенных веществ. Из фильтра доочистки вода подается в резервуар чистой воды 11, откуда по мере необходимости подается на мойку автомобилей с помощью насоса моечной машины.
Конструкция флотационной машины пневматического типа с пористыми аэраторами представлена на рис. 9. Она предусматривает корпус, разделенный на три или четыре камеры, с установленными в их нижней части пористыми аэраторами, выполненными из деформируемого (резина или полиэтилен) или недеформируемого (керамика или металл) материала.
Рис. 9. Конструкция флотационной машины пневматического типа с пористыми аэраторами: 1 – входной патрубок; 2 – корпус; 3 – перегородки; 4 – основные камеры; 5 – дополнительная камера; 6 – блок тонкослойного осветления; 7 – пенный желоб; 8 – камера очищенной воды; 9 – устройство регулирования уровня жидкости; 10 – выходной патрубок; 11 – опорожнение; 12 – аэраторы; 13 – патрубок для слива пены; 14 – рабочая камера
Принцип работы пневматической флотационной машины: исходная вода подается через входной патрубок, и далее движется в горизонтальном направлении через камеру с пористыми аэраторами и дополнительную камеру с блоком тонкослойного осветления и выводится из машины через устройство регулирования уровня и выходной патрубок. Уловленные загрязнения в виде пены (эмульсии с содержанием нефтепродуктов 10-20 %) самотеком удаляются через желоб и выходной патрубок.
Рассмотренные установки просты в обслуживании, не требуют больших затрат электроэнергии, работают в автоматическом режиме.