Очистное оборудование

Скачать каталог в электронном виде:

Каталог

Для просмотра документов в формате PDF. Вам необходимо скачать и установить программу Adobe Reader

Очистка сточных вод с помощью флотатора

Флотация - один из видов адсорбционно-пузырькового разделения, основанный на формировании всплывающих агломератов (флотационных установок) загрязнений с диспергированной газовой фазой и последующим их отделением в виде концентрированного пенного продукта (флотошлама).

  Традиционным признаком классификации флотационных установок принят способ получения диспергированной газовой фазы (ДГФ). Все существующие способы можно разделить на следующие группы: дробление газовой фазы (диспергирование) в толще жидкости; непосредственное выделение из обрабатываемой воды.

  Барботажное получение ДГФ. Одним из наиболее распространенных методов получения ДГФ в очистных сооружениях является барботаж. Диспергируемый газ проходит через поры (отверстия) инжекторногоустройства, погруженного в воду, и образует поток газовых пузырьков. Размер образующихся пузырьков определяется условиями отрыва их от хромки пор.

  Для пузырьков сферической формы минимальная величина их диаметров может быть найдена по формуле:

где d0 - диаметр пор (отверстий), через которые поступает газ; σ - поверхностное натяжение на границе раздела фаз “вода-газ”; g - ускорение свободного падения; Δр - разность плотностей жидкости и газа.

  Уравнение справедливо для невысокой скорости образования пузырьков и не зависит от расхода газа. С увеличением расхода газа число пузырьков возрастает до тех пор, пока не будет достигнут критический расход газа. При расходе газа выше критического последовательно отрывающиеся от отверстия пузырьки соприкасаются друг с другом и поднимаются в жидкости в виде цепочки пузырьков.

  При установившемся гидродинамическом режиме скорость подъема пузырьков определяется по условию равенства подъемной силы и силы сопротивления среды, что для ламинарного режима движения пузырьков приводит к известному закону Стокса:

  Vn =d2ngΔp/(18U),

  Где U - динамическая вязкость сточных вод. Получение ДГФ механическим диспергированием. Для механического диспергирования газовой фазы используют различного вида устройства, движущиеся части которых попеременно то погружаются в жидкость, то выходят из нее. Однако в чистом виде метод механического диспергирования газовой фазы применяют редко. Чаще всего комбинируют истечение газов в виде пузырей с последующим их дополнительным диспергированием турбиной. При этом газовая фаза образуется либо при истечении газов из барботера, расположенного ниже мешалки, либо газ подают прямо в мешалку, снабженную отверстиями.

  В процессах механического диспергирования газовой фазы энергия тратится на ее дробление и на преодоление сил гидродинамического сопротивления жидкости. Обычно затраты энергии на диспергирование газовой фазы составляют 0,2-2% от общей затрачиваемой в процессе энергий. Механизм флотатора процесса диспергирования пузырьков при механических воздействиях достаточно сложен. Он включает стадии деформирования пузырьков под влиянием касательных или растягивающих напряжений в вытянутые эллипсоиды и последующего их дробления на более мелкие.

  Размер частиц газовой дисперсии зависит от интенсивности перемешивания, продолжительности и температуры!

  Уменьшение межфазного поверхностного натяжения также способствует увеличению дисперсности эмульсии, при этом уменьшается удельная работа диспергирования.

  Количественные закономерности получения ДГФ механическими методами в настоящее время изучены недостаточно.

  Получение ДГФ из пересыщенных газовых растворов. В компрессионных и вакуумных флотационных установках ДГФ получают из пересыщенных растворов газа. Перенасыщенный раствор газа в воде может быть получен или предварительным насыщением или в результате протекания химических, электрохимических, микробиологических и других процессов, сопровождающихся образованием газообразных продуктов реакции.

  По сравнению с другими методами, получение ДГФ из пересыщенных газовых растворов обеспечивает наибольшую дисперсность газовой фазы в воде.

  Формирование ДГФ при протекании реакций во флотационной установке, сопровождающихся выделением газов. При протекании в очищаемой воде химических, биохимических и электрохимических реакций, сопровождающихся образованием газов, получаются пересыщенные газовые растворы, из которых выделяются пузырьки (флотация). Существенное отличие этого флотационного метода получения ДГФ от получения ее из пересыщенных газовых растворов - другой характер изменения пресыщения во времени. В начальный период реакции требуется некоторое время до возникновения состояния пресыщения жидкой фазы газовым компонентом. Далее характер пресыщения может быть различным.

  При проведении реакции в жидкой фазе степень пресыщения быстро увеличивается, достигает максимума, а затем по мере образования пузырьков и их роста снова уменьшается. Примером этого может служить взаимодействие растворов карбонатов с растворами кислот при их быстром смешении.

  Если в реакции флотации используют твердые исходные продукты, то газ выделяется преимущественно на их поверхности. Реакций с использованием твердых веществ являются саморегулирующимися, так как возникающая газовая фаза уменьшает доступ жидкого реагента в зону реакции до установления состояния подвижного равновесия.

  Пузырькигазов, образующиеся в электрохимических процессах, полидисперсные по размерам, а гистограммы получающихгазовых дисперсий изменяются во времени. Скорость газ выделения пропорциональна плотности тока и электрохимическому выходу реакции. Размер образующихся пузырьков зависит от поверхностных свойств границы раздела “газ –жидкость - твердое тело , значении электрохимического потенциала и пе­ренапряжение.

  Влияние величины рН на размер пузырьков обусловлено процес­сами концентрационной деполяризации. При уменьшении концентрации ионов водорода у поверхности катода концентрация электролита в двойном электрическом слое повышается, что вызывает уменьшение краевых углов смачивания и размеров пузырьков. Присутствие в сточных водах ПАВ, ионов тяжелых металлов и других примесей изменяет процессы газообразования, изменяя величину перенапряжения, и также снижает краевой угол смачивания.

  Размеры пузырьков, образующейся газовой дисперсии непо­стоянны по высоте флотаторов при любом способе их получения. Кроме условий образования, дисперсный состав пузырьков существенно зависит «г-гидродинамического режима флотационной установки», который ока­зывает непосредственное влияние на процессы коалесценции и сепарации

  Эффективность флотационной очистки сточных вод и ее технико-экономические показатели в значительной мере зависят от правильности
выбора вида флотационной установки (очистных сооружений). Определяющим критерием приэтом должны являться возможность и условия формирования в очищаемой
воде устойчивого флотокомплекса.

  Элементарныйфлотокомплекс может быть трех типов:

 

Пузырьки газа

Основные типы установок флотации: а - газово-дисперсный; б - дисперсно-газовый; в - газово-молекулярный.

Первый тип работы флотатор, образуется в результате столкновений дисперсных частиц загрязнений (твердых или жидких) с движущимися пузырьками воз­духа или другого газа. Структура такой флотационной установки, как правило, состоит из малого числа относительно крупных пузырьков. Условно, этот тип флотационной установкиможно назвать газово-дисперсным. Он характерен для флотационных установок с пневматической, гидромеханической или механической системой получения ДГФ. Второй тип флотаторов, наблюдается при выделении газа из обрабатываемой воды в условиях уменьшения его растворимости. Поскольку вероятностьзарождения пузырьков на межфазной границе во много раз больше вероятности их возникновения в объеме чистой воды, дисперсные частицы загрязнений становятся центрами формирования флотационных установок. В дальнейшем в результате коалесценциигазовой фазы он может трансформироваться в первый тип. Однако, при определенных условиях, например присутствие в воде ПАВ, второй тип флотационных установок достаточно устойчив. Структурно он определяется как дисперсно-газовый. Флотационные установки этого типа преобладают в компрессионных, вакуумных,электрохимических и других установках с получением ДГФ выделением ее из воды. Многие органические вещества, входящие в систему загрязнений сточных вод, проявляют сорбционные свойства на границе раздела фаз “вода-газ”. Контакт всплывающих пузырьков газа с такими веществами при­водит к образованию на их поверхности адсорбционного слоя, формирующий третий тип флотационных установок- газово-молекулярный. Наличие этого типа в структуре флотационной пульпы обуславливается главным образом физи­ко-химическими свойствами системы загрязнений и мало зависит от вида флотационной установки. Типичным примером является флотационная установка.возникающий при контакте пузырьков с молекулам ПАВ. При гидромеханическом взаимодействии воды, загрязнений и фло­токомплексов внутри камеры флотации, наибольшую устойчивость прояв­ляет структура газово-молекулярногофлотокомплекса, а наименьшую — I газово-дисперсного. Материальный баланс потоков во флотаторе в общем виде представлен уравнением: Co ·Qwк· QK = C(QW-QK), где Qw - расход сточных вод, поступающий во флотатор, м3/ч; QK - расход отводимогофлотошлама м3/ч;Co, С, Ск - концентрация загрязнений в поступающей воде, очищенной во флотошламе соответственно, г/м3. Принимая показатель фракционирования E=QK / Qw , а также учитывая адсорбционный механизм извлечения загрязнений на ДГФ, может быть получено основное уравнение для выражения концентрации загрязнений в воде при адсорбционно-пузырьковом разделении. Выбор типа, схемы осуществляют на основании анализа структурно механических свойств флотационной установке и необходимой эффективности, очистки воды. Все типы флотационных сооружений содержат ряд общих конструктивных элементов. К ним относятся камера флотации, которая может быть одна и многосекционной, система распределения подаваемой на очистку воды, система подачи ДГФ, устройства для сбора и удаления флотошлама. Важным элементом конструкции является система выпуска очищенной воды, обеспечивающая постоянство гидравлического уровня в очистных сооружениях. Конструктивные особенности разных типов флотаторов и состав вспомогательного оборудования в значительной мере обусловлены способом получения ДГФ. Барботажные флотационные сооружения отличаются простотой и относительно малыми расходами энергии. Для уменьшения отрицательного влияния продольного перемешивания в камере флотация обычно выделяют две и более последовательные секции. Воздух во флотатор камеру подается через мелкопористые фильтроносные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Размер пор обычно находится пределах 50-200 мкм, давление воздуха,0,2 МПа, продолжительность флотации 20-40 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочая глубина камеры флотатора 1,5-3 м. Недостатками этого типа сооружений являются значительная интенсивность перемешивания и возможность зарастания пор фильтроносныхэлементов, а также трудность подбора для них мелкопористых материалов, обеспечивающих получение мелких, близких по размерам пузырьков воздуха. Барботажные флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих загрязнения, способные образовывать достаточно прочные флотокомплексы и обладающие устойчивым пенообразованием. Флотационные установки с механическим диспергированием воздуха имеют круглую или квадратную в плане камеру флотации. В состав внутреннего оборудования входят воздушная труба, турбинка (импеллер) с валом привода, статор и спрямляющая решетка. Сточная вода из приемного кармана поступает к вращающемуся импеллеру, который по воздушной трубе подсасывает воздух.

Над импеллером расположен неподвижный статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Смесь воды и воздуха выбрасывается импеллером через статор. Спрямляющая решетка, расположенная вокруг статора, способствует более мелкому диспергированию воздуха в воде и уменьшению скорости выхода водо-воздушной смеси в камеру флотации. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастнымпеноснимателем. Обычно импеллерная флотационная установка включает несколько последовательных камер. Степень диспергирования воздуха зависит от окружной скорости вращения импеллера, которую принимают равной 10-15 м/с. Диаметр импеллера должен быть 200-750 мм. Зона, обслуживаемая импеллером, не должна превышать размеров квадрата со стороной 6dи, (где dи — диаметру импеллера). Высота флотационной камеры принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 20-30 мин. Применение импеллерныхустановок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией дисперсных загрязнений (более 2-3 г/л) преимущественно таких, как нефть, нефтепродукты, жиры. Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высокаяобводненность пены. Особенно существенным становится этот недостаток в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, так как большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные установки для ее обработки, что удорожает очистку в целом. Флотационные установки с использованием компрессионного метода получения ДГФ получили достаточно широкое распространение в составе малых и средних очистных комплексов. Напорнаяфлотация по сравнению с вакуумной используется чаще, поскольку позволяет регулировать степень пресыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4-5 г/л и более. Флотационные камеры компрессионных флотаторов в зависимости от структуры загрязнений сточных вод могут быть дополнены совмещенной зоной отстаивания. При напорной флотации сточные воды под давлением 0,3-0,5 МПа подаются в напорный бак (сатуратор). Туда же компрессоров подают воздух. Возможна так же подача воздуха через водовоздушный эжектор, установленный на байпасной линии насоса. Количество подаваемого воздух зависит от начальной и конечной концентрации загрязняющих веществ, а также их свойств. Насыщенная воздухом вода из сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборник. При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м3/ч принимаются прямоугольные в плане камеры глубиной 1-1,5 м, при большей производительности — радиальные флотаторы глубиной не более 3 м. Компрессионные флотаторы применяют для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, масел, жиров, ПАВ, волокнистых веществ, а также для отделения с коагулированных загрязнений. К недостатками компрессионных флотаторов относятся ограниченность удельного расхода воздуха и сложность эксплуатации вспомогательного оборудования для приготовления водовоздушной смеси, Электрофлотаторыизготавливают круглыми или прямоугольными в плане глубиной 1-2 м. В состав внутреннего оборудования входят блоки электродов, конструкции которых весьма разнообразны. Различают плоскостные, коаксиальные, сетчатые и объемные блоки. Дополнительное оборудование включает системы энергопитания, контроля состава воздуха и управления системой вентиляции. Электрофлотационные установки универсальны по применению. Производительность флотаторов ограничивается технико-экономической целесообразностью. Основными недостатками электрофлотаторов являются ограниченность срока службы или высокая стоимость электродов, а также необходимость устройства систем обеспечения взрыво- и химической безопасности. Проектирование и расчет сооружений флотационной установки очистки сточных вод. Проектирование флотаторов включает расчет системы диспергирования воздуха или газа и определение размеров сооружения. . Для определения требуемого расхода газа Qr, м3/ч, рекомендуется использовать удельный расход газовой фазы на единицу массы отделяемых загрязнений. Выделение газовой фазы во флотаторе происходит на границах раздела фаз и, частично, в объеме жидкости. Пузырьки, образующиеся в объеме жидкости, имеют меньший размер, так как период нахождения их в воде вследствие процесса седиментации оказывается меньше. Уменьшение среднего размера пузырьков, полученных из пересыщенных газовых растворов, происходит при воздействии вибрации, ультразвука, понижении давления в сооружении.