ФЛОТАЦИОННАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Очистка промышленных и городских сточных вод

При решении экологических проблем флотационная техника используется преимущественно в двух основных направлениях, а именно — в процессах очистки сточных вод и при сгущении активного ила. В первом случае используются практически все основные способы флотации: механическая (импеллерная), пневматическая, напорная и электрофлотация, и только в отдельных случаях известно применение флотации за счет газов, выделяемых в результате химических и биохимических реакций.

Во втором случае применяется преимущественно напорная флотация. Использование флотационной техники с различным способом аэрации жидкостей в первом случае обусловлено присутствием в жидкостях как частиц, обладающих хорошо выраженными гидрофобными свойствами (например, нефтепродукты и жиры), так и частиц, имеющих поверхность и с гидрофобными, и с гидрофильными участками (например, клетки микроорганизмов). Основные типы аппаратов напорной флотации, получившие наиболее широкое применение в практике очистки воды, представлены на рис. 8.1. Аппараты других конструкций и принципов действия применяются значительно реже.

Использование импеллерных флотомашин получило распространение также при очистке жидкостей, содержащих нефтепродукты, масла, жиры. По данным фирмы «Вемко» (США), при очистке нефтесодержащих сточных вод в четырехкамерной флотомашине очистка воды от нефтепродуктов достигает 10 мг/л. Как показывают результаты исследований, при использовании комбинированных способов флотационной очистки с применением импеллерной флотации возможно достижение значений концентрации нефтепродуктов до 2—3 мг/л. Такие результаты достигнуты при использовании комбинированной флотомашины ГосНИИсинтезбелок конструкции автора (рис. 8.2). Интенсификация флотационной очистки сточных вод в этом случае состоит в повышении степени аэрации жидкостей при одновременном снижении энергозатрат.

Схемы флотационных машин и аппаратов для очистки сточных вод

Рис. 8.1. Схемы флотационных машин и аппаратов для очистки сточных вод: о и б — механическая и пневматическая флотационные машины; виг — напорного и электрофлотационного аппаратов; 1 — исходная вода; 2 — загрязнения в виде пенного продукта; 3 — очищенная вода; 4 — воздух

Комбинированная механическая флотационная машина конструкции автора

Рис. 8.2. Комбинированная механическая флотационная машина конструкции автора:

1 — корпус; 2 — блок аэрации: 3 — импеллеры; 4 — сетка; 5 — осветлитель; 6 — шибер; 7 — пенный желоб; 8 — рама с подставкой

Применение пневматических флотомашин наиболее распространено при флотации тонкозернистых пульп и оборотных жидкостей. Аэрация жидкостей в этом случае осуществляется путем пропускания воздуха или какого-либо газа через различные пористые элементы, например, керамику, пористую резину и т.п.

Напорная флотация получила достаточно широкое распространение в процессах очистки сточных вод, например, от нефтепродуктов, масел, жиров и т.д. При этом напорную флотацию проводят как с использованием реагентов, так и без добавления различных химических веществ. Широкое использование данного способа очистки обусловлено как достаточно высоким эффектом очистки сточных вод, так и простым аппаратурным оформлением.

Высокий эффект очистки сточных вод при использовании напорной флотации достигается за счет того, что выделение пузырьков газа во флотокамере происходит непосредственно на частицах загрязнений. В этом случае вероятность слипания частиц загрязнений с пузырьком газа или воздуха близка к теоретически возможной.

При этом эффективность процесса существенно повышается при использовании газов, различно растворяющихся в воде. Так, последовательное введение в воду воздуха и углекислого газа ускоряет флотационный процесс в 2—3 раза. Сущность интенсификации этого способа заключается в том, что вводимый сначала под давлением порядка 0,4—0,6 МПа воздух выделяется во флотокамере в виде пузырьков размером 0,2—0,5 мм.

Возможности электрофлотации при очистке различных сточных вод достаточно хорошо известны. Однако практическая реализация этого способа показала много недостатков как аппаратурного, так и технологического характера. Прежде всего это относится к явлению пассивации электродов. При использовании этого явления в процессах электрообработки жидкостей установлено, что можно в определенной степени преодолеть негативное последствие пассивации электродов, хотя эффективность процесса очистки не удается поддерживать постоянно на высоком уровне.

Проведенные исследования показали, что электрофлотационная очистка наиболее эффективна при обработке электропроводных сред, например, отработанных жидкостей, содержащих соли, а также сточных вод гальванических производств. Практика эксплуатации электрофлотационного аппарата, внедренного на заводе «Физ- прибор» (г. Москва), в течение около 10 лет показала, что можно использовать небольшие установки производительностью 1—3 м3/ч для обезвреживания гальваностоков, например, от трехвалентного хрома, а также никеля и других тяжелых металлов.

Электрофлотационная техника уже в течение ряда десятилетий используется для очистки сточных вод. Однако до сих пор существуют проблемы для широкого использования этого способа. Проведенные нами в течение примерно 30 лет исследования по выяснению возможностей применения электрофлотационного способа очистки сточных вод показали эффективность его использования только в отдельных случаях, когда другие технологии не дают эффекта. На это указывает и мировой опыт использования электрофлотационной техники, в том числе и ведущих в области очистки сточных вод фирм. При этом следует отметить, что в случае использования электрофлотационной техники небольшой производительности (примерно 1—5 м3/ч) возможно получение конкурентных преимуществ этого способа по сравнению с другими. Проведенный нами уникальный промышленный эксперимент по испытанию электрофлотатора производительностью 100 м3/ч показал, что в условиях небольших производств эксплуатация такого аппарата затруднительна из-за большого расхода электроэнергии. Электрическая мощность такого аппарата составляет примерно 150—300 кВт — в зависимости от качественного состава сточных вод, в том числе от их удельной проводимости. Эти испытания подтвердили, что электрофлотационные аппараты такой производительности не следует применять в процессах очистки сточных вод. При использовании аппаратов малой производительности и особенно менее 1 м3/ч применять элекгрофлотаторы в отдельных случаях выгодно. Наш опыт их внедрения на различных предприятиях России и Финляндии это подтвердил.

Дальнейшее развитие электрофлотационной техники во многом связано с развитием теоретических основ этого способа, а также с использованием новых материалов для электродов, совершенствованием конструкций электрофлотаторов, в том числе комбинированного типа. Отдельные разработки аппаратов такого типа были доведены нами до внедрения. Однако до сих пор отсутствуют теоретические основы этого способа на основе общих представлений о флотационном процессе, что препятствует его совершенствованию. В этой связи предлагается рассмотреть этот способ на основе многостадийной модели флотации Ксенофонтова, развитой для других способов флотации. При этом учитываются главные особенности электрофлотационного способа. Рассмотрим процессы, протекающие в электрофлотационной машине с выделением кислорода на аноде и водорода на катоде (рис. 8.3).

Схема флотационной машины — электрофлотация на кислороде

Рис. 8.3. Схема флотационной машины — электрофлотация на кислороде:

  • 7 — корпус; 2,7 — полупогружные перегородки; 3 — патрубок подвода воды; 4 — пенный желоб; 5 — патрубок отвода пены; б — патрубок отвода воды; 8 — катод;
  • 9 — анод

В данном случае процесс протекает по схеме, представленной на рис. 8.4.

В данной схеме А — частицы загрязнений в исходном состоянии, В — флотокомплексы с пузырьками водорода, С — флотокомплексы с пузырьками кислорода, D — состояние частиц в пенном слое; константа к{ характеризует вероятность образования флотокомплекса при взаимодействии частицы загрязнения с пузырьком водорода, константа к2 характеризует вероятность образования флотокомплекса при взаимодействии частицы загрязнения с пузырьком кислорода, к2 характеризует всплытие флотокомплекса с пузырьком водорода, к4 характеризует всплытие флотокомплекса с пузырьком кислорода.

Система дифференциальных уравнений в этом случае будет выглядеть следующим образом:

Схема процесса электрофлотации

Рис. 8.4. Схема процесса электрофлотации

Начальные условия для данной системы дифференциальных уравнений следующие: при t = О

Получено решение данной системы:

где а = кх + к2.

Для более точного описания процесса флотации нефтепродуктов следует учесть константу, характеризующую самостоятельное всплытие капель нефти. Схема процесса тогда выглядит так, как представлено на рис. 8.5.

Схема процесса электрофлотации нефтепродуктов

Рис. 8.5. Схема процесса электрофлотации нефтепродуктов

Система дифференциальных уравнений в этом случае будет выглядеть следующим образом:

Начальные условия для данной системы дифференциальных уравнений следующие: при t = О

Получено решение данной системы:

где a = A:, + k2 + ?6.

Наряду с рассмотренными типами электрофлотаторов используются также электрофлотационные аппараты комбинированного типа, такие как внедренный автором на заводе «Физприбор» (рис. 8.6), отличительной особенностью которого является секция смешения, выполненная в виде усеченной пирамиды. В нее поступают сточные воды вместе с реагентом, предварительно подвергаясь обработке индуцированным электрическим полем на участке трубы, на котором с внешней стороны расположен электромагнит. Далее происходит перемешивание и флотация сфлокулированных частиц тонкодисперсной суспензии в зоне создания псевдоожиженного слоя из полимерных частиц размером 1,5—2,5 мм между решетками. Затем происходит флотоочистка в камере с импеллером и доочистка в электрофлотационной камере. Эффективность работы такого аппарата по нефтепродуктам может достигать 99%.

Этот тип электрофлотационного аппарата целесообразно использовать, когда необходимо применение реагентов, без которых процесс флотоочистки не дает желаемого результата.

Наряду с рассмотренными основными флотационными способами очистки сточных вод разработаны и другие, например, ионная флотация для очистки сточных вод от ионов металлов.

Ионная флотация — метод разделения, в котором используются специфические свойства, характерные для поверхности раздела фаз «жидкость —газ», с целью концентрирования ионов или других заряженных частиц из водных растворов. Применение ионной флотации для извлечения металлов из разбавленных растворов достаточно известно. В 1959 г. Ф. Себба (ЮАР) первым описал этот процесс. В дальнейшем другие разработчики, в том числе и наши

Схема электрофлотационного аппарата комбинированного типа

Рис. 8.6. Схема электрофлотационного аппарата комбинированного типа:

7 — корпус; 2 — патрубок подачи грязной воды; 3 — патрубок подачи реагента; 4 — патрубок отвода очищенной воды; 5 — пенный желоб с выводным патрубком; 6 — камера смешения реагента с грязной водой; 7 — камера механической флотации; 8 — камера электрокоагуляции; 9 — камера электрофлотации; 10 — электромагнитная катушка; 11 — патрубок подачи воздуха; 72 — импеллер; 13, 14 — электроды (аноды и катоды); 15 — привод пеносъемного устройства; 16 — межкамерная перегородка; 77— псевдоожиженная насадка

соотечественники С.Ф. Кузькин и А.М. Гольман, распространили этот способ на промышленное внедрение в процессах обогащения полезных ископаемых. Так как в литературе по водоочистке этот способ недостаточно освещен, приведем его более подробное описание.

В случае флотации ионов и молекул концентрации извлекаемого компонента по порядку величины обычно не превышают 10~4— КГ3 М, а в случае флотации осадков — 10-3— 10-2 М. При этом низкие концентрации, а также коллоидный размер извлекаемых частиц обусловливают невозможность эффективного выделения компонентов большинством существующих способов.

Для проведения процесса в раствор вводятся поверхностно активные ионы (ионы собирателя), заряд которых противоположен по знаку зарядам концентрируемых ионов — ионов коллигенда (от лат. colligere — собирать). Затем в раствор снизу через пористую перегородку 3 подается газ 7, образующий пузырьки воздуха 4 (рис. 8.7). При этом происходит резкое увеличение поверхности раздела фаз. Пузырьки адсорбируют поверхностно активное вещество вместе с противоположно заряженными ионами извлекаемого компонента и затем образуют пену 5 на поверхности раствора. Здесь пузырьки разрушаются, в результате чего образуется пенка 6 (мало растворимый, гидрофобный твердый продукт, плавающий на поверхности жидкости), содержащая данные ионы в концентрированном виде — сублат (от лат. sublatum — поднятый).

Данный физико-химический процесс основан на взаимодействии извлекаемого иона (коллигенда), поверхностно-активного вещества (собирателя) и пузырька газа в растворе жидкости. Важнейшую роль при этом играет собиратель.

Собиратели создают или увеличивают способность частиц концентрироваться на поверхности пузырьков. В большинстве случаев это высоко поверхностно-активные органические соединения по- лярно-аполярного (дифильного) строения (рис. 8.8).

Схема камеры ионной флотации

Рис. 8.7. Схема камеры ионной флотации:

  • 7 — резервуар; 2 — исходный раствор; 3 — пористая перегородка; 4 — пузырьки газа; 5 — пена; 6 — сублат; 7 — ввод сжатого газа; 8 — отвод очищенного раствора через спускной кран; 9 — подвод собирателя; 10 — подвод исходного раствора;
  • 11 — отвод уловленного сублата

Своей полярной группой собиратель электростатически притягивает коллигенд к поверхности пузырьков или образует с ним координационное или любое другое поверхностно-активное соединение. Неполярная группа является гидрофобизатором и включает обычно один или несколько углеводородных радикалов.

Удачный выбор собирателя предопределяет успех извлечения металлов этим способом.

В литературе предлагаются различные схемы систем очистки сточных вод от тяжелых металлов.

В общем случае анализ той или иной технологии является многокритериальной задачей. Перечислим основные критерии:

  • • эффективность очистки;
  • • длительность процесса очистки;
  • • энергоемкость;
  • • ресурсоемкость (в том числе реагенты);
  • • затраты;
  • • простота конструкции (при производстве и эксплуатации);
  • • количество и класс опасности отходов;
  • • возможность переработки и вторичного использования отходов;
  • • безопасность работы.
Дифильное строение молекулы собирателя

Рис. 8.8. Дифильное строение молекулы собирателя

Рассмотрев качественно некоторые из указанных критериев, можно сделать вывод, что технология ионной флотации является предпочтительной.

Количество необходимых для ионной флотации реагентов определяется количеством извлекаемых загрязнений. При этом стоимость собирателей примерно сравнима со стоимостью ионообменных смол, но несколько ниже стоимости мембран для ультрафильтрации.

Важным преимуществом ионной флотации по сравнению с методами ионного обмена и ультрафильтрации является отсутствие необходимости предварительной очистки от масел, ПАВ и других органических веществ, а также тонкой очистки от взвешенных веществ. Более того, ионная флотация является универсальным способом удаления как ионов тяжелых металлов, так и перечисленных выше веществ.

Все указанные методы до некоторой степени позволяют осуществлять регенерацию рабочих компонентов, однако при ионной флотации можно получать регенерированный собиратель, превосходящий по флотационным свойствам исходный реагент.

С точки зрения затрат на обезвреживание и захоронение отходов выбранный метод представляется экономически наиболее выгодным. Дело в том, что ультрафильтрация и ионный обмен дают опасные отходы, в то время как при ионной флотации образуются пенные продукты, практически полностью перерабатываемые в товарную продукцию. При этом в некоторых случаях схема может стать самоокупаемой.

Наконец, сравнивая расходы электроэнергии, можно сказать, что ионная флотация требует не больше электроэнергии, чем ионный обмен и тем более ультрафильтрация.

Таким образом, для заданного в исходных данных случая очистки сточных вод в качестве наилучшей доступной технологии выбираем ионную флотацию. Предлагаемая схема очистки сточных вод приведена на рис. 8.9.

Принципиальная схема очистных сооружений

Рис. 8.9. Принципиальная схема очистных сооружений:

7 — решетки; 2 — песколовки; 3 — отстойники; 4 — реактор смешения; 5 — бак с реагентом; б — флотаторы; 7 — фильтры (клиноптилолит)

Согласно схеме сначала сточная вода подвергается механической очистке на стандартном оборудовании: решетках, песколовках и отстойниках. Затем вода поступает на реактор смешения, куда добавляется реагент (собиратель ЭМКО). Полученная суспензия попадает на флотаторы, где происходит ее глубокая очистка от тяжелых металлов. На конечном этапе происходит доочистка стоков на фильтре с загрузкой из клиноптилолита для удаления остатков взвешенных веществ и тяжелых металлов с целью достижения требований качества воды для возможности ее сброса в городскую канализацию.

Согласно предлагаемой схеме очистных сооружений на начальном этапе сточная вода проходит через решетку для удаления крупных механических загрязнений. Так как мы имеем две параллельные линии оборудования, нам необходимо подобрать две решетки производительностью не менее 12 м3/ч каждая. В результате была выбрана механическая решетка Rotamatro5 со следующими техническими данными: производительность 18 м3/ч; ширина Прозоров — 4 мм; угол наклона — 60°.

Далее вода попадает в песколовки, где происходит гравитационное отделение песка (размер удаляемых частиц >0,15 мм). Для небольшого расхода сточных вод целесообразно применять вертикальные песколовки. Исходя из имеющихся данных, была подобрана вертикальная песколовка LPB 450, имеющая следующие параметры: максимальный расход — 5,5 л/с (19,8 м3/ч); диаметр рабочей части корпуса — 450 мм; эффективность удаления взвешенных веществ — Лп = 40%.

В результате улавливания и отделения осадка расход сточных вод, поступающих на следующее оборудование, уменьшится. Для определения новой величины расхода составим уравнение массового баланса по взвешенным веществам:

где т, — массовый расход взвешенных веществ, поступающих в песколовки; т2 массовый расход взвешенных веществ, выходящих из песколовок; т3 — массовый расход уловленных взвешенных веществ.

Массовый расход равен произведению концентрации вещества и расхода воды:

где С, = 200 мг/л = 0,2 кг/м3 — концентрация взвешенных веществ на входе в песколовки; ?), = 24 м3/ч — расход входного потока воды; С2 = С,(1 — г|„) = 0,2(1 — 0,4) = 0,12 кг/м3 — концентрация взвешенных веществ на выходе из песколовок; Q2 = Qx Q3 расход воды на выходе из песколовок; С3 = 100 кг/м3 — концентрация взвешенных веществ в осадке (90% влажности); (93 — расход воды, уходящей с осадком.

Принимая Q3 за неизвестное, из уравнения находим, что (23 = 0,01922 м3/ч, a Q2 = 23,98 м3/ч. Рассчитанные значения вносим в табл. 8.1.

После этого вода поступает в отстойники для очистки от механических примесей размером > 5 мкм. В связи с малым расходом выбираем вертикальный отстойник со следующими характеристиками: производительность — 12 м3/ч; эффективность — 55%.

Рассчитаем требуемую площадь зоны осаждения /’вертикального отстойника по формуле

Результаты расчета требуемой эффективности и производительности оборудования

Оборудование

Концентрация на входе, мг/л

Концентрация на выходе, мг/л

Эффективность, %

Расход

воды,

М3

взвешенные

вещества

медь

взвешенные

вещества

медь

взвешенные

вещества

медь

Решетки

200

0,85

200

0,85

24

Песколовки

200

0,85

120

0,85

40

24

Отстойники

120

0,85

54

0,85

55

23,98

Флотаторы

54

0,85

54

0,009

98,9

23,95

Фильтры

54

0,009

10

0,003

82

70

22,75

где р — коэффициент, учитывающий объемное использование отстойника (р = 1,3); q — расчетный расход воды, м3/ч; v — расчетная скорость восходящего потока (для очистки воды без применения коагулянта v = 0,15 мм/с).

Подставляя известные величины в формулу для определения площади зоны осаждения F, получаем:

Эта площадь соответствует циллиндрическому аппарату диаметром 6 м.

В результате расчета, считая влажность осадка равной 95%, получим, что расход воды, уходящей с осадком, равен 0,03169 м3/ч, а значит, расход воды, приходящей на флотатор, — 23,95 м3/ч.

На стадии флотации происходит выделение тяжелых металлов с исходной концентрацией 5,38 мг/л. Согласно данным АО «ГосНИИСинтезбелок» (данные автора), отводимая пена составляет 5% от общего расхода воды через флотаторы, т.е. 1,2 м3/ч, а на последующую очистку переходит 22,75 м3/ч.

В качестве заключительного этапа очистки применяем фильтры с клиноптилолитовой загрузкой. Согласно проведенным расчетам на входе в фильтры концентрация взвешенных веществ равна 54 мг/л, а тяжелых металлов (меди) — 0,009 мг/л. Применение фильтра позволяет достичь требуемой эффективности очистки как по взвешенным веществам, так и по тяжелым металлам.

Согласно исходным данным расход воды, проходящей через один аппарат:

В соответствии со СНиП 2.04.03-85 высоту рабочей зоны Я принимаем равной 1 м.

Скорость движения жидкости в камере должна быть не более 5 мм/с, поэтому пусть v = 2,5 мм/с = 2,5* 10_3 м/с.

Тогда рассчитаем ширину камеры В по формуле

Примем В = 1,6 м и пересчитаем скорость жидкости для полученных размеров проходного сечения:

Данное значение соответствует установленным требованиям.

Согласно СНиП 2.04.03-85 продолжительность флотации т составляет 20—30 мин. Примем т = 20 мин = 1200 с.

Исходя из рассчитанной скорости движения жидкости в аппарате, получим необходимую рабочую длину L флотатора:

Принимаем L = 2,5 м. Тогда время флотации т составит:

Согласно СНиП 2.04.03-85 гидравлическая нагрузка во флотационном аппарате должна быть равна Г = 3—6 м3/(м2 ч). Проверим выполнение данного условия:

Данное значение соответствует установленным требованиям.

Аппарат разобьем на две камеры длиной 1,25 м.

Таким образом, рассчитываемая флотомашина будет иметь следующие размеры рабочей части: Н= 1 м; В = 1,6 м; L = 2,5 м. Рабочий объем аппарата Vp = Н В L = 4 м3. Объем одной камеры составляет 2 м3. Обозначение аппарата — ПФМ-2. Общий объем аппарата — 6,17 м3. Тогда коэффициент технического использования К= VJV0 = 4/6,17 = 0,65.

Для улавливания микрофлотокомплексов во флотомашине предусмотрен тонкослойный блок. Он представляет собой многоярусную конструкцию из наклонных гофрированных пластин. По аналогии с тонкослойным блоком в отстойниках принимаем угол наклона пластин к горизонту 60°.

Согласно нашим данным средняя скорость всплытия микрофло- токомплекса vB = 0,5 мм/с. Высоту яруса hB, т.е. вертикальную проекцию расстояния между пластинами, примем равной 20 мм. Тогда время всплытия флотокомплекса определяетсятак: t = hJvB = = 20/0,5 = 40 с. За это время микрофлотокомплексы достигают поверхности верхней пластины, где происходит коалесценция, а образовавшийся более крупный флотокомплекс всплывает на поверхность.

Остальные размеры пластин принимаем из конструктивных соображений и исходя из требований СНиП для горизонтальной скорости движения воды в аппарате (не более 5 мм/с). В результате имеем 25 пластин, которые образуют 24 щели.

Найдем скорость движения воды в одной щели между пластинами:

Горизонтальная проекция скорости воды будет равна половине скорости в щели: vr = 4,36 мм/с (что соответствует установленным требованиям).

Определим длину пластины:

Расчет размеров струйного аппарата (эжектора) для аэрирования воды во флотомашине.

Исходные данные для расчета:

  • • давление рабочей среды перед эжектором рр = 300 кПа;
  • • давление воздуха перед эжектором рн= 100 кПа;
  • • объемный расход эжектируемого воздуха VB = 5 м3/ч;
  • • давление водовоздушной смеси после диффузорарс = 108,8 кПа;
  • • температура рабочей жидкости tp = 20°С.

Объемный коэффициент эжекции определяется по формуле:

где рп = 2,34 кПа — парциальное давление насыщенного пара при температуре рабочей жидкости.

Тогда расход рабочей жидкости, необходимой для эжекции воздуха, равен:

Скорость истечения рабочей жидкости из сопла эжектора найдем по формуле

где ср = 0,95 — коэффициент скорости; рв — плотность воды (рв = 1000 кг/м3).

Диаметр рабочего сопла определяем так:

Примем dp = 7,3 мм.

Оптимальное отношение сечений камеры смешения/3 и рабочего сопла/р1 (основной геометрический параметр эжектора) находим из выражения

Тогда диаметр камеры смешения определяем из выражения

Примем d3= 13,1 мм.

Минимальное давление рабочей воды, при котором возможна работа эжектора, равно:

Данное значение не превышает заданного, значит, эжектор работоспособен при давлении, указанном в исходных данных.

Длина камеры смешения определяется по следующей формуле:

Принимаем /кс = 250 мм. Остальные размеры принимаем исходя из конструктивных соображений.

Совершенствованием флотационной техники путем сочетания различных функций в одном корпусе аппарата занимаются многие разработчики, в том числе и мы. При этом в одном корпусе флотационной машины или аппарата устанавливаются, например, блоки аэрации для осуществления флотационного процесса и элементы конструкций, характерные для процесса отстаивания, и в итоге получается комбинированный аппарат — флотоотстойник. Хорошо известны также флотомашины, в которых сочетаются функции кондиционирующих и флотационных аппаратов. Однако до сих пор не существует четких методических подходов к разработке многофункциональных аппаратов, в которых основным процессом является флотация.

Нами в последние годы предприняты успешные попытки создания комбинированных аппаратов — флотокомбайнов, в которых последовательно осуществляются такие подготовительные процессы, как коагуляция, флокуляция и некоторые другие, способствующие разделению осветляемой системы, а также непосредственно процессы флотации, отстаивания и фильтрации. Создание и внедрение таких флотокомбайнов осуществляются нами на очистных сооружениях различных производств.

Автор разработал механические флотационные машины, в частности ФКМО-0.15 (рис. 8.10), на основе комбинированного способа извлечения гидрофобных загрязнений, позволяющие интенсифицировать флотационный процесс. Они отличаются от известных наличием дополнительных струйных аэраторов в виде коллектора с трубами, внутри которых установлены сопла, а также пластинчатым осветлителем в виде блока наклонных полок, установленных на расстоянии 5— 10 см друг от друга. Применение указанных выше струйных аэраторов повышает степень аэрации и уменьшает размеры пузырьков воздуха, а пластинчатый осветлитель специальной конструкции позволяет уменьшить вынос комплексов частиц — микропузырьков, не успевающих всплыть в предыдущих камерах, таким образом значительно повышая эффективность очистки.

Схема многокамерной флотационной механической машины

Рис. 8.10. Схема многокамерной флотационной механической машины:

7 — корпус; 2 — патрубок для подачи сточной воды; 3 — механическая мешалка; 4 — струйные аэраторы; 5 — патрубок для слива пены; б — пенный желоб; 7 — патрубок для слива очищенной воды; 8 — блок тонкослойного осветления

В настоящее время во флотационных аппаратах любого типа наблюдается, что наиболее мелкие флотокомплексы, которые из-за малой скорости всплытия не успевают достигать пенного слоя, уносятся с потоком очищаемой жидкости.

Сравнительные показатели эффективности очистки сточных вод от нефтепродуктов комбинированных флотомашин (флотоком- байнов) и зарубежных аналогов (фирма Wemco, США) представлены в табл. 8.2.

Анализ представленных в табл. 8.2 данных показывает, что по эффективности очистки сточных вод от нефтепродуктов большинство из разработанных комбинированных флотационных машин и аппаратов превосходит современные зарубежные аналоги. Наиболее эффективными являются комбинированные пневматические флото- машины, но, как уже упоминалось выше, у них есть ряд недостатков,

Очистка сточных вод от нефтепродуктов на комбинированных флотационных машинах

Типы флотационных машин и аппаратов

Концентрация нефтепродуктов, мг/л

исходная

конечная

Механические ФКМО*

50-100

5-10

Пневматические ФКП*

50-100

0,5-5

Напорные*

50-100

1-5

Электрофлотационные*

50-100

1-5

Механические (фирмы Wemco, США)**

50-100

10

* Данные испытаний. ** Рекламные данные.

устранение которых позволит гарантированно достигать нормативных значений основных показателей качества очистки воды, особенно при ее сбросе в открытый водоем.

Принцип работы комбинированных флотационных аппаратов (флотокомбайнов) можно упрощенно представить в виде схемы, приведенной на рис. 8.11.

Схема очистки воды во флотокомбайне

Рис. 8.11. Схема очистки воды во флотокомбайне

Очистка сточных вод во флотокомбайнах осуществляется с использованием нескольких технологических процессов, но доминирующим является флотационный. Рассмотрим схему и принцип действия наиболее простого по устройству флотокомбайна (рис. 8.12). Такой флотокомбайн включает корпус, на внешней стороне которого находятся патрубки для подачи грязной воды, реагентов, рабочей жидкости (воды с пузырьками воздуха) и патрубки для отвода осадка, флотошлама и очищенной воды. Рабочее пространство внутри корпуса разделено на зоны кондиционирования (I), отстаивания (И), коалесценции микрофлотокомплексов (III), непосредственно флотации (IV).

Схема очистки воды во флотокомбайне

Рис. 8.12. Схема очистки воды во флотокомбайне

Принцип работы флотокомбайна состоит в следующем. На стадии кондиционирования происходит образование флотоком- плексов «частица — пузырек» (зона I). При этом, как правило, не все частицы загрязнений слипаются с пузырьками воздуха, а, оставаясь в одиночном состоянии или в виде агрегатов, выпадают в осадок (зона II).

Частицы, слипшиеся с малыми пузырьками, образуют микрофло- токомплексы (зона I), которые медленно всплывают и увлекаются потоком очищаемой жидкости, движущейся в горизонтальном направлении. Такие микрофлотокомплексы, достигая сетчатой перегородки, контактируют между собой с образованием, как правило, более крупных пузырьков (зона III), которые быстро всплывают, образуя флотошлам (зона флотации IV). Очищенная вода, проходя сетчатую перегородку, отводится с помощью специального устройства и далее выводится из флотокомбайна через выходной патрубок. Анализ этих стадий показывает, что в целом их связывает флотационный процесс очистки воды.

Развиваемый нами подход к решению флотационных и сопутствующих задач основан на аналогии рассмотрения указанных процессов подобно последовательным и обратимым реакциям.

Для общего случая схема процесса (рис. 8.13) и система уравнений будут представлены в следующем виде:

Общий случай флотационного процесса согласно модели Ксенофонтова

Рис. 8.13. Общий случай флотационного процесса согласно модели Ксенофонтова:

При этом константы, характеризующие переходы из одного состояния в другое, для приведенного на рис. 8.13 процесса можно определить с использованием выражений

где q — скорость барботирования; Е — эффективность захвата частиц всплывающим пузырьком газа при флотации; к0 фактор полидисперсности пузырьков; D — средний диаметр пузырьков во флотационной ячейке;

где А — безразмерный коэффициент; Сф — концентрация флотоком- плексов «частица —пузырек»; Ga градиент скорости в зоне аэрации, определяемый отношением разности скоростей к разности расстояния между рассматриваемыми точками; М — отношение диаметра частицы к диаметру пузырька; — концентрация пузырьков

в подпенном слое;

где упод — скорость подъема флотокомплекса; h — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя;

где F— коэффициент пропорциональности; Gn градиент скорости в подпенном слое; Сп концентрация пузырьков в пене; dcpсредний диаметр пузырьков в пене;

где — скорость осаждения частиц твердой фазы, выпадающих из пенного слоя; И — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя;

где t — время; х — текущее расстояние от границы пенного слоя; |/ — коэффициент диффузии частиц твердой фазы в жидкость; h — расстояние от зоны аэрации до пенного слоя.

Представляет интерес рассмотрение последовательности и схемы процессов, происходящих во флотокомбайне при очистке сточных вод от различных гидрофобных загрязнений.

Флотационную очистку нефтесодержащих сточных вод рассмотрим на примере модели процесса Л—>С с начальными условиями t = О, СА = а0, Св = Сс= 0.

Кинетические уравнения будут иметь следующий вид:

Тогда решение будет представлено в виде: п 1 , к2

При t = tm=-In— концентрация промежуточного продукта

к2~К К

достигает максимума:

Концентрация конечного продукта при этом будет определяться из следующего соотношения:

Проверка этого соотношения путем сравнения теоретических и экспериментальных данных указывает на возможность его использования в практических расчетах.

Сравнение расчетных и экспериментальных значений эффективности очистки сточных вод от взвешенных веществ показывает на небольшое расхождение, не превышающее примерно 10%, что позволяет пользоваться расчетными данными для оценки эффективности очистки сточных вод.

Флотационную очистку ПАВ-содержащих сточных вод с концентрированием в пенном слое рассмотрим на примере модели процесса А——)С—>X с начальными условиями t = 0, СА = а0, СвСсх 0.

В этом случае будем иметь следующую систему уравнений:

Решение:

В случае рассмотрения процесса АР2...Р„ —>X с начальными условиями t = 0,CA=a0, СР = СР =... = СР = 0 получим решение для промежуточных продуктов:

/fc /t

Рассмотрим также процесс /4 + 5—L2—>D с начальными условиями t = О, СА = я0, Сг = ?0, CP = CD = с0.

Кинетические уравнения будут иметь вид:

Решение:

где Lx = — интегральный логарифм.

В случае рассмотрения процесса А^—>Р, 2Р—с начальными условиями t = 0,CA= а0, СР = Сс = 0 решение будет иметь вид:

? iJj (liyfx j

где x = a0 у-, (3 = ———-=r, i мнимая единица; J0, У, — функции k HX)2iy]x^

Бесселя; Щ HX) функции Ганкеля.

Для процесса 2А—>Р—>С с начальными условиями t = О, Сл = а0, Ср = Сс = 0 решение имеет вид:

где Т1 = ^0; т = 1 + в0Лг1/; С/,тах =^Г1Т^ахй0; интегральная пока-

лС| 2

зательная функция.

Для процесса 2А——>Р 2Р—>Сс начальными условиями ? = О, Сл = я0, С/, = Сс = 0 получим решение в следующем виде:

гдег| = —; т = 1 + а0к^; а = (1 + 2г|)|/2. к2

Если процесс включает ряд последовательных стадий и константа скорости одной из них много меньше константы скорости остальных стадий, то такая стадия, как известно, является лимитирующей, и именно она определяет скорость всего процесса. Например, для процесса типа А——2^—>В, если к] меньше к2 и к3, то лимитирующей является первая стадия, если же к2 меньше к] и к3, то лимитирует вторая стадия и т.д. В рассмотренном случае эффективность флотационного процесса можно оценить путем исследования решения именно лимитирующей стадии, и на основе данного анализа можно прогнозировать возможности интенсификации этого процесса.

Дальнейшее развитие технологии очистки сточных вод во флото- комбайнах показало, что целесообразно использовать более сложные процессы, чем при применении обычной флотационной техники. Это касается практически всех процессов, в том числе перемешивания реагентов с очищаемой водой, образования и сгущения пенного продукта и осадка. Рассмотрим основные стадии процессов, происходящих в рабочем пространстве флотокомбайна при очистке сточных вод. Схема разработанного нами флотокомбайна представлена на рис. 8.14.

Схема флотокомбайна (разработка автора, патент РФ на полезную модель № 170182)

Рис. 8.14. Схема флотокомбайна (разработка автора, патент РФ на полезную модель № 170182)

Флотокомбайн для очистки сточных вод включает корпус 7, на внешней стороне которого находятся патрубки для подачи сточной воды 2, отвода сточной воды 3, вывода пенного продукта 5, эжектора 19 с выводным патрубком флотошлама 9, гидроциклона 8 с выводным патрубком сгущенного продукта 10 и отводным патрубком жидкой фазы 7, отвода сгущенного флотошлама 11, осветленной жидкости 6, вывода осадка 12, подачи рабочей жидкости 21, с дополнительно установленными на внешней стороне блоком обезвоживания осадка 13, состоящим из внутренней камеры 14 и внешних управляющих устройств 15, обжимного хомута 16 и поддона 17 для сбора фильтрата. При этом внутри флотокомбайна расположены перфорированные перегородки 20 и устройство регулирования очищенной воды 18.

Принцип работы флотокомбайна заключается в следующем. Исходная сточная вода через патрубок 2 поступает в корпус 1 флотокомбайна, где происходит ее смешение с рабочей жидкостью, поступающей через патрубок 21. В результате смешения этих потоков происходит образование флотокомплексов «частицы загрязнений — газовые пузырьки, содержащиеся в рабочей жидкости». Образовавшиеся флотокомплексы с пузырьками размером 1 мм и более достаточно быстро всплывают в пенный слой, а флотокомплексы с меньшим размером газовых пузырьков, называемые ми- крофлотокомплексами, увлекаются потоком очищаемой жидкости, которая далее фильтруется через перфорированные перегородки 20. При прохождении через перфорации микрофлотокомплексы коалесцируют, объединяясь в более крупные флотокомплексы, и далее всплывают в пенный слой, который собирается в пенном желобе 4 и далее выводится через патрубок 5. После этого флотошлам всасывается в эжектор 19, где под действием сжатого воздуха происходят разрушение пенного продукта и его превращение в жидкость, содержащую исходные загрязнения. После эжектора жидкость направляется в гидроциклон 8, где происходит ее разделение на сгущенный концентрат и очищенную жидкость. Далее сгущенный концентрат по трубопроводу 11 поступает во внутреннее пространство 14 блока 13, в котором размещается мешок из синтетической ткани. Под действием внешних усилий от управляющих устройств 15 происходит обезвоживание осадка, находящегося в мешке. При этом от осадка отжимается фильтрат, который собирается в поддоне 77, а обезвоженный осадок удаляется вместе с мешком.

Чистая вода выводится из рабочего пространства корпуса 1 с помощью устройства 18 и патрубка 6.

Следует отметить, что с использованием флотокомбайна можно получить достаточно высокую степень осветления очищаемой воды — в ряде случаев на 20—25% превышающую аналогичный показатель с применением известных аппаратов-аналогов. Кроме того, в этом случае получается осадок, обезвоженный до остаточного вла- госодержания 85—90%.

Оценку происходящих во флотокомбайне процессов выполним постадийно.

После поступления сточной воды и рабочей жидкости в рабочее пространство флотокомбайна происходит образование флотокомплексов «частица — пузырек». При этом, как правило, не все частицы загрязнений слипаются с пузырьками воздуха и, оставаясь в одиночном состоянии или в виде агрегатов, выпадают в осадок.

Частицы, слипшиеся с малыми пузырьками, образуют микроф- лотокомплексы, которые медленно всплывают, затем их увлекает поток очищаемой жидкости, движущийся в горизонтальном направлении. Такие микрофлотокомплексы, достигая сетчатой перегородки, контактируют между собой с образованием, как правило, более крупных пузырьков, которые быстро всплывают, образуя фло- тошлам. Очищенная вода, проходя сетчатую перегородку, отводится с помощью специального устройства и далее выводится из флото- комбайна через выходной патрубок. Эффект очистки воды в этом случае значительно превышает достигнутые результаты на установках-аналогах. Рассмотрим схемы процессов во флотокомбайне указанного выше типа.

Обозначим концентрацию загрязнений в воде через С, где часть загрязнений, отличающихся гидрофобными свойствами, — это С а другая часть — это гидрофильные загрязнения С2.

При этом

Пусть флотационный процесс извлечения происходит по следующей схеме: А—»В——^—^Х. Для начальных условий t =

= о,с1 = я0,с; = с‘ = с}=о.

Кинетические уравнения имеют вид:

Константы k—k3 характеризуют скорости процессов перехода извлекаемых гидрофобных частиц из состояния А в В, С и X с получением сгущенного флотошлама.

Решение:

Д ля сопутствующего процесса отстаивания имеем А ——» D—^-^7 с начальными условиями t = О, С = b0, C2D = C2Y= 0.

Можно записать следующие кинетические уравнения:

Здесь константы к4 и /с5 характеризуют скорости процессов перехода извлекаемых гидрофильных частиц из состояния А в D и 7с получением сгущенного осадка.

Решение:

тт 1,^5

При t = tm =-In— концентрация промежуточного продукта

к54 к4

достигает максимума:

Концентрация конечного продукта:

Сравнение теоретических и экспериментальных данных указывает на возможность использования в практических расчетах предложенных математических моделей. При этом следует отметить, что теоретические данные превышают экспериментальные результаты.

Это указывает на то, что некоторые предположения упрощены и не учитывают отдельных явлений, хотя, видимо, они не оказывают существенного влияния на эффективность очистки, так как расхождение не превышает 10%. Порядок такого расхождения существенно не влияет на расчеты основных габаритных размеров флотоком- байна.

В наиболее простом варианте флотокомбайна в виде флотоот- стойника можно осуществить более глубокую очистку сточных вод по сравнению с использованием обычной техники, в частности, повысить степень извлечения загрязнений примерно на 10-15% и повысить удельную гидравлическую нагрузку на 20—25% по сравнению с соответствующими показателями известных флотоотстойников.

Были проведены испытания и внедрение флотоотстойника (рис. 8.15).

Фото промышленного образца флотоотстойника Результаты этих испытаний представлены в табл. 8.3

Рис. 8.15. Фото промышленного образца флотоотстойника Результаты этих испытаний представлены в табл. 8.3.

Результаты опытно-промышленных испытаний комбинированной флотационной установки

Наименование определяемого ингредиента

Норматив,

мг/дм3

Результат измерения концентрации загрязняющих веществ, мг/дм3

1*

2

3

4

5

Вход

Выход

Вход

Выход

Вход

Выход

Вход

Выход

Вход

Выход

Водородный показатель pH

6,5-8,5

7,83

7,93

10,51

8,63

7,76

8,38

7,74

7,96

8,7

7,9

Цинк

2,5

0,63

0,44

0,27

0,13

0,184

0,048

0,192

0,026

0,117

0,055

Железо общее

1,0

0,35

0,104

0,19

0,09

0,81

0,19

0,44

0,13

0,34

0,16

Сульфаты

< 300

222

184

**

125

ПО

175

138

263

133

Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

0,1

0,615

0,012

0,328

< 0,025

0,157

0,052

0,56

< 0,025

0,235

< 0,025

Нефтепродукты

0,5

1,16

0,068

1,9

0,09

2,03

0,016

1,35

0,12

1,6

0,162

Фосфор

общий

0,2

0,27

0,071

1,30

0,141

0,14

0,09

0,17

0,131

* Номера режимов испытаний. ** Данные отсутствуют.

Представленные в табл. 8.3 данные не превышают установленных нормативов, что подтверждает высокую эффективность очистки сточных вод с использованием флотоотстойника. В случае необходимости интенсификации процесса очистки можно добиться путем использования дополнительных узлов, например, путем установки блоков электрообработки, вибровоздействия и т.д. В отдельных случаях эффективность очистки от использования указанных дополнительных блоков может быть повышена на 40—50%.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >