Технологические основы флотационного процесса

Обработку сточных вод флотацией рекомендуют применять при цветности до 200 град для удаления твердых взвесей и эмульгированных капель органических веществ. Преимущества флотации перед осаждением - в ускорении осветления воды, возможности сокращения объема очистных сооружений, отказа от микрофильтрования.

При импеллерной флотации поступающая вода непрерывно движется сверху вниз и отводится в нижней части флотокамеры. Воздух засасывается в турбину по трубе, опущенной в камеру флотатора, окружная скорость турбины – 12 - 15 м/с. Насыщение сточной воды воздухом – около 0,5 м³/м³. Образующаяся пена сгоняется в сборный лоток отдельным устройством. Обводненность пены – не менее 80 %, продолжительность пребывания пены в сборнике – 1,5 - 2 ч. Наиболее часто применяется для очистки от нефтепродуктов.

Напорную флотацию используют более широко, причем продолжитнльность пребывания воды в контактном резервуаре для растворения воздуха принимают до 3 мин, объем вводимого воздуха – 3 - 5 % от объема вводимой воды. Объем флотокамеры рассчитывают на 20 - 60-ти минутное пребывание воды, удельную нагрузку – 6 - 8 м³/м² ч, давление воздуха – 3 -5 ат. На практике используют два вида технологических схем флотации, отличающихся использованием для насыщения воздухом части исходной воды или воды после осветления (рис. 4.1).

При использовании для насыщения воздухом исходной воды возможно засорение крупными примесями распределительной системы и аппаратуры. Применение для насыщения воздухом части осветленной воды увеличивает объем флотокамеры на величину объема воды, используемой для насыщения воздухом. Несмотря на некоторое удорожание процесса, вторая схема более надежна в эксплуатации. Для интенсификации процесса насыщения воды воздухом используют аппараты с насадкой из дерева, керамики и т. д. Уменьшению размеров пузырьков воздуха способствует наличие в стоках поверхностно-активных веществ. Выделению большего количества мелких пузырьков способствует также пересыщение воздухом. Так, повышение давления с 1,5´10⁵ до 5´10⁵ Па приводит к росту количества пузырьков в 5 раз.

В безнапорных флотаторах при распределении воздуха через проложенные по дну флотаторов перфорированные резиновые, пластмассовые, металлические трубки или керамические пористые фильтры минимальная интенсивность барботирования составляет 0,25 – 0,30 м³/(м²мин), обычно применяемая – 1 - 3 м³/(м²мин). Степень обводненности пены приближается к достигаемой в напорных флотаторах. Образующаяся при флотации пена, с одной стороны, должна быть достаточно прочной, чтобы не допускать обратного попадания загрязнений в воду. С другой стороны, пена должна быть подвижной для облегчения ее удаления из флотатора.

Стабилизации пены способствуют ПАВ, мелкие частицы взвеси. При флотации из-за флокуляции пузырьков и хлопьев могут образоваться крупные агрегаты, объединяющиеся между собой и способствующие появлению пленочно-структурной пены. Для обеспечения гидротранспорта пены влажность ее должна быть не менее 94 %.

Удаление пены из флотаторов проводят или кратковременным подъемом воды (уровня) с отводом через подвесные лотки по периметру флотокамеры, или с помощью скребковых механизмов. Потери воды при подъеме во время сброса пены составляют 1 - 1,5 % от расхода осветляемой воды.

а

б

Рис. 4.1. Технологическая схема напорной флотации: а - насыщение воздухом исходной воды; б - насыщение воздухом осветленной воды; 1,7 - подача исходной и отвод осветленной воды; 2 - смеситель; 3 - подача реагентов; 4 - камера хлопьеобразования; 5 - распределительное устройство; 6 - флотатор; 8 - подача водовоздушной смеси; 9 - ввод воздуха; 10 - контактный резервуар

Очистка воды фильтрованием

Завершающим этапом очистки воды от взвешенных веществ обычно является фильтрование. В процессе фильтрования из воды выделяют не только диспергированные частицы. Сущность фильтрации заключается в пропускании обрабатываемой воды через фильтрующий материал, проницаемой для воды и практически непроницаемый для твердых частиц. Процесс требует значительных затрат энергии, что предопределяет на большинстве очистных сооружений использование фильтрования на завершающем этапе обработки воды. По виду фильтрующего материала фильтры подразделяют на тканевые, сетчатые, каркасные, намывные, зернистые. Зернистые слои наиболее часто применяют в процессах очистки сточных вод.

При пропуске воды через слой зернистого материала в зависимости от заряда и соотношения размеров примесей воды и зерен фильтрующей загрузки может происходить три вида фильтрования: пленочное фильтрование - задержка примесей на поверхности фильтрующего слоя; объемное фильтрование - задержка примесей в порах фильтрующего слоя; смешанное фильтрование - одновременное образование примесями воды пленки на поверхности и отложение примесей в порах загрузки. Пленочное фильтрование – чисто механическое извлечение примесей, характерно для работы медленных фильтров.

Извлечение примесей из воды при объемном фильтровании и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки происходит под действием сил адгезии. Осадок, накапливающийся в слое из задержанных частиц взвеси, имеет непрочную структуру. Под влиянием сил потока жидкости эта структура может разрушаться, и часть прилипших частиц отрывается от зерен загрузки в виде мелких хлопьев и переносится в последующие слои загрузки (суффозия), где вновь задерживается. Осветление воды в слое зернистой загрузки можно рассматривать как результат противоположных процессов - адгезии и суффозии. В каждом элементарном слое фильтрующей загрузки осветление воды происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва.

Рассмотрим закономерности протекания процесса в элементе зернистой загрузки толщиной Dх на расстоянии Х от поверхности слоя (рис. 5.1).

К верхнему сечению единицы площади фильтра подводится вода, содержащая примеси с концентрацией С₁, а через нижнее сечение уходит осветленная вода, содержащая С₂ примесей. Уменьшение концентрации частиц примесей воды за данное расстояние Dх может быть охарактеризовано уравнением

Х

I I

II II

Рис. 5.1. Модель фильтровальной колонки

Градиент концентрации выражен частной производной , так как концентрация частиц в каждом сечении зависит от двух переменных: Х - расстояния от поверхности слоя и t - продолжительности фильтрования. Знак минус указывает на уменьшение концентрации взвешенных частиц с увеличением расстояния от поверхности слоя.

Степень осветления воды – результат действия двух противоположных явлений - адгезии и суффозии. На участке Dх DС = DС₁ - DС₂, где DС₁ - уменьшение концентрации частиц в потоке за счет их прилипания к зернам загрузки; DС₂ - увеличение концентрации частиц в потоке за счет их отрыва от зерен. Снижение концентрации частиц за счет адгезии пропорционально средней концентрации частиц в элементарном объеме и его толщине

DС₁ = b × С_ср × Dх, (5.1)

где b - параметр фильтрования, определяющий интенсивность прилипания и зависящий от условий процесса; С_ср – средняя концентрация частиц в объеме выделенного слоя.

Рост концентрации частиц за счет отрыва ранее прилипших частиц пропорционален количеству накопившихся частиц к данному моменту времени и обратно пропорционален количеству воды, проходящей через слой в единицу времени:

(5.2)

где – скорость фильтровании, r – плотность насыщения загрузки осадком; а – параметр фильтрования.

Плотность насыщения определяется количеством осадка, накопившемуся к данному моменту времени в единице объема элементарного слоя загрузки. Величина "а" определяет интенсивность отрыва и зависит от условий процесса фильтрования.

Из приведенных уравнений следует результирующее уравнение

, (5.3)

характеризующее специфику фильтрования суспензий через зернистую загрузку. Так как в уравнении две переменные величины - концентрация и плотность насыщения, то для описания процесса необходимо использовать еще одно уравнение, например, уравнение материального баланса.

Через поперечное сечение элементарного объема с единичной площадью в единицу времени проходит объем воды, равный скорости фильтрования. Следовательно масса частиц Q,задержанных слоем, равна

. (5.4)

Извлеченные из воды твердые частицы образуют осадок на зернах слоя. Скорость накопления отложений в слое или масса частиц в нем за единицу времени равна

(5.5)

, (5.6)

Дифференциальное уравнение баланса веществ показывает, что масса частиц, извлеченная слоем Dх в единицу времени, равна массе частиц, накопившихся в этом слое за тот же промежуток времени. Дифференцируя уравнение по времени и учитывая уравнение баланса, получаем уравнение, описывающее кинетику осветления воды:

(5.7)

Аналогично получено уравнение для расчета плотности насыщения взвешенными веществами фильтрующей загрузки во времени по высоте:

(5.8)

Приведенные уравнения трудно использовать в практических расчетах. Для практики рекомендуют использовать критерии подобия для процесса осветления воды, обсуждаемые в специальной литературе.