Флотация с выделением воздуха в растворе

3. Флотация с выделением воздуха в растворе

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 концентрированием». Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Она используется также для выделения активного ила после биохимической очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость, процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90–95%), высокая степень очистки (95–98%), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс пузырек-частица подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла Q (рис. 4). Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при возникновении 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, ксантогенаты, дитиокарбонаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и др. Повышение гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. По некоторым данным оптимальный размер пузырьков равен 15–30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят: сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия и др. Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

Вес частиц не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала и равен 0,2–1,5 мм.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Этот процесс называют иногда флоктацией. При проведении флотации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что вероятность прилипания пузырьков газа к свежеобразованным хлопьям выше, чем к хлопьям, имеющим «возраст» несколько часов. Вероятность образования комплекса пузырек-частица может быть определена по формуле

где n – число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; r – радиус частицы;  – объемная концентрация газовой фазы.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяется 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, наборную 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 на процесс минимальна. Недостатки: незначительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвещенных 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.

Принципиальная схема напорной флотации показана на рис. 6. 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.

Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда перекачивается насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образующаяся водно-воздушная смесь направляется в напорную емкость где при повышенном течении (0,15–0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушного раствора во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Пена с твердыми частицами удаляется с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода удаляется из нижней части флотатора. При использовании коагулянтов хлопкообразования происходит в напорной емкости.

В данной схеме вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыщается воздухом. Имеются и другие схемы (рис. 7). В схемах с рециркуляцией (а) и насыщением части потока – частичной подачей воды насосом (б) через напорную емкость подается лишь часть неочищенной сточной воды. Такие схемы рекомендуется использовать, если проводится предварительная коагуляция сточных вод с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев коагулянтов в насосе.

Схема с рабочей жидкостью (в) используется при большой концентрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по схеме, представленной на рис. 6, малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют природную или очищенную сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого всплывания их. Недостаток схемы – большой расход энергии на перекачивание рабочей жидкости.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5–10 до 1000–2000 м³/ч. Они работают при изменении параметров в следующих пределах: давление в напорной емкости 0,17 – 0,39 МПа; время пребывания в напорной емкости 14 мин, а во флотационной камере 10–20 мин. Объем засасываемого воздуха составляет 1,5–5% от объема очищаемой воды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений.

В случае необходимости одновременного проведения процесса флотации и окисления загрязнений необходимо насыщать воду воздухом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инертные газы.

Сточная вода подается внутрь камеры, где выделяются пузырьки газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы. Пенный слой с твердыми частицами поверхностным скребком удаляется в шлакоприемник. Осветленная вода удаляется из камеры. Твердые частицы, оседающие под действием гравитационной силы на дно камеры, сдвигаются и удаляются через трубопровод.

Применяются и другие цилиндрические флотаторы, которые имеют разный диаметр, а, следовательно, и разную производительность. Они отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и пены. Например, флотатор производительностью 600 м³/ч имеет диаметр 12 м. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией очищенной воды представлена на рис. 9. В этой установке загрязненная сточная вода сначала поступает в гидроциклон, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем она направляется в первую камеру, где смешивается с циркуляционной водой, насыщенным воздухом. Воздух выделяется в камере и флотирует загрязнение. Далее сточная вода поступает во вторую, а затем в третью камеры очищенная вода удаляется из установки. Часть воды, которая циркулирует, подается насосом в напорную емкость, где растворяется воздух. Удаление пены производится пеносъемниками.

Эрлифтные установки. Такие установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Они просты по устройству, и затраты энергии на проведение процесса в них в 2–4 раза меньше, чем в напорных установках. Недостаток этих установок – необходимость размещения флотационных камер на большой высоте.

Сточная вода из емкости, находящейся на высоте 20–30 м, поступает в аэратор. Туда же подается сжатый воздух, который растворяется под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе. Образующаяся пена с частицами удаляются самотеком или скребком. Осветленная вода направляется на дальнейшую очистку.

Литература

1.  Лекции В.В. Макарова, электронный вариант

2.  Канализация. Наружные сети и сооружения. СниП2.04.03–85

3.  Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. - М.:Высшая Школа-1987. – 479 с.