Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений

Подождите немного. Документ загружается.

261

ления агрегатов слипшихся частиц от жидкой фазы, как правило, осаж-

дением.

Различают два типа коагуляции: в свободном объеме (в камерах

хлопьеобразования) и контактную (в толще зернистой загрузки или в

массе взвешенного осадка).

Диспергированные, коллоидные и взвешенные частички приме-

сей воды в большинстве случаев имеют слабый отрицательный заряд,

что обуславливает их агрегатную

устойчивость в результате возникно-

вения межмолекулярных сил отталкивания. Снижение агрегативной

устойчивости примесей достигается добавлением к воде специальных

веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидрокси-

дов металлов, которые имеют слабый положительный заряд, большую

удельную поверхность и высокую адсорбционную способность. Хло-

пья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные

частицы, агрегировать их

и быстро осаждаться в воде.

В качестве коагулянтов обычно используются соли алюминия или

железа - сульфаты алюминия, железа (II, III), хлорида алюминия, хло-

рида железа (III), алюмината натрия, оксихлорида алюминия и др. Мо-

гут применяться смешанные коагулянты из указанных солей, а также

природные соединения, содержащие указанные соли, например, глино-

зем, Al

(SO

)

⋅18H

O. При использовании смесей Аl(SO

)

и FeСl

в со-

отношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирова-

ния, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит уско-

рение осаждения хлопьев. Кроме этих коагулянтов могут быть исполь-

зованы различные глины, алюминийсодержащие и железосодержащие

отходы производства (травильные растворы); пасты, смеси, шлаки, со-

держащие диоксид кремния. Коагуляция в среде с повышенной щелоч-

ностью

происходит быстрее, поэтому, если вода имеет низкую исход-

ную щелочность, в нее добавляют известь, едкий натр, соду и т.п.

При введении в осветляемую воду коагулянтов происходит их

гидролиз:

(SO

)

⇔ 2Al

+ 3SO

2−

;

+ 3H

O ⇔ Al(OH)

+ 3H

;

или

FeCl

⇔ Fe

+ 3Cl

−

;

+ 3H

O ⇔ Fe(OH)

+ 3H

Образующиеся гидроксиды алюминия и железа представляют со-

бой коллоидные вещества, которые сорбируют развитой хлопьевидной

поверхностью взвешенные мелкодисперсные и коллоидные загрязнеия,

262

а также бактерии, гуминовые вещества и некоторые растворенные со-

единения, например, ионы тяжелых металлов.

Скорость коагуляции зависит от концентрации смеси электроли-

тов, находящихся в воде и вносимых в воду вместе с коагулянтами.

При малых концентрациях эффективность соударения частиц близка к

нулю. По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивает-

ся, но не

все столкновения эффективны, такую коагуляцию называют

медленной. При большой концентрации электролита все столкновения

частиц закончиваются образованием агрегатов, тогда наступает быст-

рая коагуляция.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем

в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за

собой более мелкие.

На процесс коагуляции оказывают влияние также концентрация

водородных

ионов в воде (рН), анионный состав воды, правильный

выбор коагулянта, щелочность воды, температура, условия перемеши-

вания, быстрота смешения коагулянта с водой, содержание в воде есте-

ственных взвесей.

Доза коагулянтов при обработке природных вод зависит от цвет-

ности или мутности исходной воды и составляет 25-80 мг/л. При очи-

стке сточных вод вид

реагента и его дозу надлежит принимать на осно-

вании пробного коагулирования, по данным научно-исследовательских

организаций или по СНиП 2.04.03-85 “Канализация” для различных

отраслей промышленности в зависимости от вида и концентрации за-

грязняющих веществ. В этом случае доза для солей алюминия и железа

составляет 30-700 г/м

, извести - 1000-2500 г/м

Применение коагулянтов связано с трудностью регулирования

технологического режима работы очистных сооружений в условиях

постоянно меняющегося качества воды. Для стабилизации и интенси-

фикации процессов очистки воды с помощью коагулянтов к последним

добавляют специальные вещества - флокулянты. В качестве флокулян-

тов используют высокомолекулярные органические и минеральные со-

единения, хорошо растворимые в воде. Они

принадлежат к классу ли-

нейных полимеров, для которых характерна цепочная форма макромо-

лекул. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах от де-

сятков тысяч до нескольких миллионов, длина цепочки, состоящей из

ряда повторяющихся звеньев, достигает сотни нанометров.

В качестве природных флокулянтов используют крахмал, водо-

рослевую крупку, белковые гидролизные дрожжи, картофельную мез-

гу

, жмыхи и др. Наиболее распространенными неорганическими фло-

кулянтами являются активированый силикат натрия (активная кремне-

263

вая кислота) и активный диоксид кремния (хSiO

⋅уН

О). Активная

кремневая кислота относится к флокулянтам анионного типа. Из син-

тетических флокулянтов применяют прежде всего органический поли-

мер полиакриламид (ПАА), который является анионным флокулянтом.

Выпускают также флокулянты катионного типа (ВА-2, ВА-3), которые

в отличие от флокулянта анионного типа ПАА вызывают образование

крупных хлопьев без обработки воды коагулянтами.

Использование флокулянтов позволяет

снизить дозы коагулянтов,

уменьшить продолжительность процесса коагулирования, повысить

скорость осаждения образующихся хлопьев.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлени-

ях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных час-

тиц, образовании сетчатой структуры молекул флокулянта, слипания

коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. ПАА образует в воде

длинные цепочки вытянутой или

изогнутой формы. Из-за такой формы

молекулы ПАА адсорбция происходит в разных местах с несколькими

частицами гидроксида, в результате чего последние связываются по-

лимерными мостиками в тяжелые, крупные и прочные хорошо осаж-

дающиеся агрегаты. ПАА выпускается в виде 7-9 % геля.

Флокулянты обычно применяют в дополнение к основному коа-

гулянту, реже самостоятельно. Доза

анионных флокулянтов в дополне-

ние к коагулянтам при очистке промышленных сточных вод 0,5-3 г/м

доза катионных флокулянтов при тех же условиях выше и составляет

2,5-20 г/м

. Средние дозы флокулянтов 0,5-1 г/м

Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от со-

става сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и

последовательности введения коагулянтов и флокулянтов.

14.1.2. Сооружения коагуляции и флокуляции

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состо-

ит из следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточ-

ной водой, хлопьеобразование и осаждение хлопьев. Приготовление и

дозирование коагулянтов производят в виде растворов или суспензий.

Растворение коагулянтов осуществляют в растворных баках, концен-

трация раствора при этом должна составлять 10-17 %. Для перемеши-

вания в

растворные баки подают сжатый воздух через перфорирован-

ные трубы. Концентрированные растворы коагулянтов перемешивают

с водой в расходных баках лопастными мешалками, воздухом или цир-

264

куляционными насосами до концентрации 1-10 %, флокулянтов - до

0,1-1 %.

Для смешения сточной воды с коагулянтами применяют смесите-

ли: дырчатые, перегородчатые, шайбовые, вертикальные и механиче-

ские с лопастными или пропеллерными мешалками. В первых четырех

типах аппаратов смешение происходит вследствие изменения направ-

ления движения и скорости потока воды, они относятся к гидравличе-

ским. Дырчатый и

перегородчатый смесители выполняются в виде

прямоугольного железобетонного или металлического лотка с перего-

родками. В первом случае в перегородке имеются отверстия, во втором

- проемы в середине или по бокам, примыкающим к стенкам смесите-

ля. Скорость движения воды в лотке 0,6 м/с, в отверстиях перегородок

или проемов 1 м/с.

Вертикальный (вихревой) смеситель

имеет нижнюю коническую,

верхнюю цилиндрическую часть. Вода с коагулянтом поступает в ко-

ническую часть со скоростью 1 м/с, при движении ее вверх к цилинд-

рической части скорость уменьшается до 25 мм/с, за счет чего и проис-

ходит перемешивание.

В механических смесителях - аппаратах с мешалками, процесс

перемешивания должен быть равномерным и медленным

, чтобы обра-

зовавшиеся хлопья не разрушались при вращении мешалки. Продол-

жительность пребывания воды в смесителях 1-2 мин.

Рис. 14.1. Камеры хлопьеобразования

а – перегородчатая:

1 - сточная вода; 2 – отстойник; 3 - шиберы; 4 - коридоры;

5 - канал опорожнения

б – вихревая: 1 - сточная вода; 2 - сборный лоток; 3 - отстойник; 4 - сборный

канал осадка

в – водоворотная:

1 - сточная вода; 2 - водоворотная камера хлопьеобразова-

ния; 3 - гаситель турбулентности потока; 4 - вертикальный смеситель; 5 - отвод

осветленной воды; 6 - перилив; 7 - сборный лоток; 8 - отвод осадка

265

После смешения сточных вод с реагентом вода направляется в

камеры хлопьеобразования, служащие для образования хлопьев коагу-

лянтов. Используют перегородчатые, вихревые, водоворотные и с ме-

ханическими мешалками камеры (рис.14.1).

Перегородчатая камера представляет собой резервуар, разделен-

ный вертикальными или горизонтальными перегородками на 8-10 ко-

ридоров, скорость движения воды составляет 0,2-0,3 м/с, продолжи-

тельность пребывания

20-30 минут. Такие камеры конструктивно объ-

единяют с горизонтальными отстойниками. Вихревые камеры работа-

ют по принципу вихревых смесителей. Скорость движения воды в

нижней конической части 0,7 м/с, в верхнем сечении 4-5 мм/с, продол-

жительность пребывания 6-10 мин.

Водоворотная камера хлопьеобразования конструктивно объеди-

няется с вертикальными отстойниками, совмещаясь с его центральной

трубой. В

верхнюю часть смесителя вводится сточная вода с враща-

тельной скоростью на выходе из сопла 2-3 м/с. В нижней части камеры

перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движе-

ния воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15-20 минут.

Иногда смесители и камеры хлопьеобразования объединяют в од-

но сооружение. Часто стадии смешения, коагулирования и

отстаивания

также проводят в одном аппарате.

Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях.

Наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания

сточных вод, когда на первой ступени осуществляется простое отстаи-

вание в отстойнике без коагулянта, а на второй - отстаивание после

предварительной обработки сточных вод коагулянтами и флокулянта-

ми.

14.2.

ЛОТАЦИЯ

14.2.1. Физико-химические основы и способы флотации

Флотация - это процесс, основанный на молекулярном слипании

коллоидных и дисперсных примесей с пузырьками воздуха, всплыва-

нии комплекса пузырек-частица на поверхность воды с образованием

пены. При этом происходит концентрирование частиц в образовав-

шемся пенном слое, затем пена удаляется с поверхности воды.

266

Рис. 14.2. Схема прилипания

пузырька воздуха к

взвешенной частице

Флотационные установки используются для удаления из сточных

вод масел, нефтепродуктов, смол, гидроксидов, ПАВ, полимеров, во-

локнистых материалов, разделения иловых смесей и др. Флотацию

применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтепере-

рабатывающих, искусственного во-

локна, целлюлозно-бумажных, ма-

шиностроительных, пищевых, коже-

венных, химических.

Эффект прилипания зависит от

смачиваемости частицы, которая ха

рактеризуется величиной краевого

угла θ (рис.14.2). Чем больше крае-

вой угол смачивания, тем более гид-

рофобна поверхность частицы, тем

больше вероятность прилипания и

прочность удержания пузырька воз-

духа на ее поверхности. Внешним

проявлением способности жидкости к смачиваемости является величи-

на поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также

разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс фло-

тации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более

60-65 мН/м.

Интенсификация процесса флотации достигается гидрофобизаци-

ей поверхности дисперсных примесей реагентами, которые избира-

тельно сорбируясь на поверхности частичек, понижают их смачивае-

мость, в результате чего улучшается прилипание частичек примесей к

пузырькам воздуха. В качестве таких реагентов используют коагулян-

ты, флокулянты, для создания оптимальной рН среды применяют из-

весть, кислоты, едкий натр.

Флотируемость частиц различной крупности зависит от размеров

и количества пузырьков воздуха (лучший эффект достигается при вы-

сокой степени насыщения воды пузырьками), поверхностного натяже-

ния воды, присутствия в воде примесей ПАВ

, электролитов и др.

Достоинствами флотации является непрерывность процесса, ши-

рокий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатаци-

онные затраты, высокая степень очистки (95-98 %), большая скорость

процесса по сравнению с отстаиванием, возможность рекуперации

удаляемых веществ.

В зависимости от метода насыщения воды пузырьками воздуха, а,

следовательно, от их размеров различают следующие способы флота-

ционной

обработки сточных вод:

267

1) флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумная, на-

порная, эрлифтная);

2) флотация с механическим диспергированием воздуха (импел-

лерная, безнапорная, пневматическая);

3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы или

перфорированные элементы (барботажная);

4) электрофлотация;

5) биологическая и химическая флотация.

14.2.2. Флотационные установки

Флотационные установки могут состоять из одного или двух от-

делений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отде-

лении происходит одновременно насыщение жидкости пузырьками

воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных

установках, состоящих из приемного и отстойного отделения, в первом

происходит образование пузырьков воздуха и агрегатов пузырек-

частица, а

во втором - всплывание шлама (пены) и осветление жидко-

сти.

Наиболее широко в процессах очистки сточных вод используется

напорная флотация. Она позволяет очищать сточные воды с концен-

трацией взвесей до 4-5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду до-

бавляют коагулянты. Установки напорной флотации просты и надежны

в эксплуатации. Принципиальная схема

напорной флотации приведена

на рис.14.3.

Установка для напорной флотации включает резервуар сточной

Рис. 14.3. Схема напорной флотации

1 - емкость; 2 - насос; 3 - сатуратор; 4 - флотатор

268

воды, насосы, эжекторы или компрессоры, напорный резервуар для на-

сыщения воды воздухом (сатуратор), флотационную камеру и обору-

дование для сбора и удаления пены с загрязнениями.

Из резервуара вода перекачивается насосом, во всасывающий

трубопровод которого засасывается воздух. Образующаяся водо-

воздушная смесь направляется в напорную емкость, где при повышен-

ном давлении (0,15-0,4 МПа) воздух

растворяется в воде. При поступ-

лении водо-воздушного раствора во флотатор, который работает при

атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флоти-

рует взвешенные частицы. Таким образом, образование пузырьков газа

происходит вследствие уменьшения растворимости воздуха в воде при

снижении давления. Количество растворяющегося в сатураторе возду-

ха должно составлять 1,5-5 % объема

обрабатываемой сточной воды.

Рассмотренная схема является прямоточной.

Имеются и другие схемы напорной флотации: с рециркуляцией,

когда в сатуратор подается 20-50 % очищенной воды; с частично пря-

моточной схемой, когда в сатуратор направляется 30-70 % неочищен-

ной воды, а остальная часть - сразу же во флотатор; с рабочей жидко-

стью (рис.14.4).

Флотаторы представляют собой отстойники радиального типа

встроенной флотационной камерой глубиной не менее 3 м, имеющей

механизм для сгребания пены. Могут быть прямоугольные многока-

мерные флотаторы, их глубина 1-1,5 м. Первые применяются при рас-

ходе воды более 100 м

/ч, вторые - до 100 м

/ч.

Продолжительность пребывания воды во флотационной камере

при напорной флотации составляет от 5-7 до 20 мин.

Рис. 14.4. Схемы подачи воды при напорной флотации:

а - с рециркуляцией; б - с частично прямоточной схемой; в - с рабочей

жидкостью

1 - приемное отделение; 2 - флотатор; 3 - линия всасывания; 4 - насос; 5 - напор-

ный бак

269

Рис.14.6. Импеллерный флотатор

1 - камера; 2 - труба; 3 - вал; 4 - импеллер

Рис. 14.5. Схема эрлифтной

флотационной установки

1- емкость; 2 - трубопровод; 3 - аэратор;

4 - труба эрлифта; 5 - флотатор

Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от

нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, ПАВ и волокнистых веществ.

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насы-

щают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а

затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом под-

держивается разряжение.

При эрлифтной флотации затраты энергии в 2-4 раза меньше

, чем

при напорной, но конструкция установки требует значительного пере-

пада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной

водой, аэратором и флотационной камерой (до 20-30 м), что значи-

тельно сужает область применения этого метода (рис.14.5).

Флотация с механическим диспергированием воздуха осуществ-

ляется импеллерами - турбинками насосного типа. При вращении им-

пеллера в

жидкости возникает большое число мелких вихревых пото-

ков, которые разбиваются на

пузырьки определенной ве-

личины. Такие установки

применяют для очистки

сточных вод, с высоким со-

держанием взвешенных час-

тиц (более 2 г/л). Эффектив-

ность очистки импеллерной

флотацией зависит от скоро-

сти враще-ния импеллера.

Схема флотационной маши-

ны с импеллером показана

на

рис.14.6.

Сточная вода поступает

в приемный карман флотаци-

онной машины и по трубопроводу попадает в импеллер, который вра-

щается на нижнем конце вала. Вал заключен в трубку, через которую

засасывается воздух, так как при вращении импеллера образуется зона

пониженного давления. Обычно флотационная машина состоит из не-

скольких последовательно соединенных

камер. Скорость вращения

импеллера 12-15 м/с, диаметр импеллера 600-700 мм.

При пневматической

флотации измельчение пу-

зырьков воздуха достигается

путем впуска воздуха во фло-

тационную камеру через спе-

циальные сопла на возду-

270

хораспределительных труб-ках, укладываемых на дно флотационной

камеры. Такие установки применяются при очистке сточных вод, со-

дер-жащих растворенные при-меси, агрессивные по отношению к ме-

ханизмам, имеющим движущиеся части (насосы, импеллеры).

Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит

за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробеж-

ного насоса. Схема флотации аналогична

напорной, но в ней отсутст-

вует сатуратор, что и является преимуществом безнапорной флотации.

Флотация воздуха через пористые материалы (барботажная) от-

личается простотой аппаратурного оформления процесса и относи-

тельно малыми расходами энергии. Однако происходит частое зарас-

тание и засорение отверстий пористого материала, а также имеются

трудности в подборе материала с одинаковыми

отверстиями пор, обес-

печивающими образование мелких и равных по размерам пузырьков.

Химическая флотация заключается во введении в сточную воду

химических реагентов, которые выделяют пузырьки газа: О

, СО

, Cl

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.

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из

первичных отстойников. При этом осадок подогревается паром в спе-

циальной

емкости до 35-55

С и при этих условиях выдерживается не-

сколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяют-

ся пузырьки газа, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где

они уплотняются и обезвоживаются. Таким путем за 5-6 суток влаж-

ность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его

дальнейшую обработку.

Ионной флотацией извлекают из воды

ионы. В сточную воду вво-

дят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо из вышеописанных

способов, и собиратель (поверхностно-активное вещество, которое

сорбируясь на частицах, понижает их смачиваемость, т.е. делает гид-

рофобными). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд,

противоположный заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и за-

грязнений

концентрируются на поверхности газовых пузырьков и вы-

носятся ими в пену. Этот процесс можно использовать для удаления из

сточных вод таких металлов, как Mo, W, V, Pt, Re и др.

Для удаления из воды ПАВ используют пенную сепарацию или

пенное фракционирование, основанные на селективной адсорбции од-

ного или нескольких растворенных веществ на поверхности газовых

пузырьков, которые

поднимаются наверх. Образовавшаяся пена обо-