Флотация – это метод очистки воды, основанный на прилипании

Флотация – это метод очистки воды, основанный на прилипании взвешенных в ней
примесей к пузырькам воздуха и всплывании их на поверхность.
Флотационные очистки можно разделить в зависимости от способа получения
пузырьков:

Флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные).

Флотация с механическим деспергированием воздуха (безнапорные и
пневматические флотационные установки).

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы.

Электрофлотация.

Биологическая и химическая флотация.
1. Вакуумная флотация с выделением воздуха из раствора.
Применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень
мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки
воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасыщенного раствора
воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует
микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения.
Количество воздуха, которое должно выделиться из перенасыщенного раствора и
обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1 − 5 % от
объема обрабатываемой сточной воды.
Вакуумная флотация (рис. 1)[1].
1
Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается
воздухом в течение 1 − 2 мин в аэрационной камере 1, откуда она поступает в
деаэратор 2 для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием
разрежения (0,02 − 0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3,
в которой растворившийся воздух при атмосферном давлении выделяется в виде
пузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность
пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин. Скапливающаяся пена
вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной
сточной
воды
обеспечивается
необходимая
разность
отметок
уровней
во
флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.
Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа,
их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов
«пузырек-частица» происходят в спокойной среде и вероятность их разрушения
сводится к минимуму. Минимальны также энергозатраты на насыщение жидкости
воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.
Недостатки метода:
— необходимость сооружения герметичных резервуаров;
— сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок;
— ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок
(концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).
2. Напорная флотации с выделением воздуха из раствора.
Флотационные установки особенно распространены в бумажной и целлюлозной
промышленности для регенерации тонких волокон из сточных вод, прошедших
сита.
Напорная флотация получила наиболее широкое распространение и используется
при концентрации загрязнений до 4-5 г/л и более В процессе напорной флотации
сточная вода или определённая доля уже очищенной воды насыщается воздухом под
давлением 4-6 атм и далее подаётся через разгрузочную арматуру (распылительные
форсунки) в резервуар флотации. Резкое падение давления до атмосферного уровня
приводит к вспениванию жидкости (барботаж) за счёт интенсивного выделения
растворённого воздуха в форме мельчайших пузырьков газа. В контактносмесительной зоне резервуара они оседают на внешней поверхности твёрдых частиц.
2
Возникающая при этом дополнительная подъёмная сила увлекает твёрдые примеси в
верхнюю зону резервуара, откуда они далее отводятся механически.
Для эффективного отделения твёрдой субстанции время контакта должно быть в
пределах от 20 до 45 мин.
Определение размеров резервуара зависит от скорости
подъёма и горизонтального перемещения комплексов «пузырёк+твёрдое». Скорость
подъёма зависит наряду с другими показателями флотации от давления насыщения
и расхода оборотной воды. Поскольку два последних параметра можно произвольно
менять в ходе процесса флотации, то их принято называть управляющими
параметрами.
Рис. 2 [2]. Схема напорной флотации с насыщением оборотной воды воздухом
(Abwasser - сточная вода; Flotatwasser - вода после флотации; Flotatschlamm флотационный шлам; Druckluft - сжатый воздух; Druckwasser - вода, насыщенная
воздухом)
3. Флотация с механическим диспергированием воздуха
При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение,
под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки.
Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию. Импеллерная
флотация (рис. 3)[1]. Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных
импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков,
что позволяет получить пузырьки определенной величины. Основным элементом
такой установки является импеллер – небольшая турбина насосного типа,
3
представляющая собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. Сточная
вода из приемного кармана 1 поступает к импеллеру 6, в который по трубке 4
засасывается воздух. Импеллер крутится на нижнем конце вала, заключенного в
трубку через которую всасывается воздух по патрубку 4, так как при его вращении
образуется зона пониженного давления им. Над импеллером расположен статор 3 в
виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные
импеллером вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки 7, расположенные
вокруг статора, способствуют более мелкому перемешиванию воздуха в воде.
Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая
флотируемые
частицы,
удаляется
лопастным
пеноснимателем.
Обычно
флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединенных
камер. Диаметр импеллеров 600 − 700 мм. Из первой камеры вода поступает во
вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка сточной
воды.
Степень диспергирования воздуха и эффективность очистки зависят от скорости
вращения импеллера. Чем выше скорость импеллера, тем меньше пузырьки и тем
выше эффективность процесса. Однако при высоких скоростях резко возрастает
4
турбулентность потока и может происходить разрушение хлопьевидных частиц, что
приведет, наоборот, к снижению эффективности процесса очистки. Диаметр
импеллера должен быть не более 750 мм. Зона обслуживания импеллера не должна
превышать размеров квадрата со стороной равной шести диаметрам импеллера.
Высота флотационной камеры принимается равной 1,5 − 3 м, продолжительность
флотации 15 − 20 мин.
Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с
высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2 − 3 г/л) и содержащих
нефть, нефтепродукты и жиры. Недостатком импеллерной флотатации является
относительно
высокая
обводненность
пены.
Особенно
существенным
этот
недостаток становится существенным 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
увеличивает стоимость очистки в целом.
4. Безнапорная флотация.
Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых
потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации
аналогична напорной, но в ней отсутствует сатуратор, что является преимуществом
безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки
имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц
снижается. Безнапорные флотационные установки обычно применяют для очистки
сточных вод от жира и шерсти.
5. Пневматическая флотация.
Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод,
содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам,
импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха
достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые
расположены на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно
флотационной камеры на расстоянии 0,25 − 0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий
сопел составляет 1 − 1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3 − 0,5 МПа, глубина
флотатора принимается 3 − 4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100 − 200 м/с.
5
Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит в
пределах 15 − 20 м3/ч на м2 площади проходного сечения флотатора.
6. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы.
К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы
энергии, так как отсутствуют насосы и импеллеры и простоту конструкции
флотационной
мелкопористые
камеры.
Воздух
пластины,
во
трубы,
флотационную
насадки,
камеру
уложенные
на
подается
дне
через
камеры.
Эффективность флотации зависит от величины отверстий материала, расхода
воздуха продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Диаметр
отверстий должен быть 4 − 20 мкм, расход воздуха в пределах 40 − 70 м3/ч на 1 м2
проходного сечения флотатора, давление воздуха 0,1 − 0,2 МПа, продолжительность
флотации 20 − 30 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочий
уровень обрабатываемой сточной воды до флотации 1,5 − 2 м. Продолжительность
флотации составляет 20 − 30 мин. Недостатком этого метода является возможность
зарастания и засорения пор, разрушение пористого материала (керамики), а также
трудность подбора мелкопористых материалов с одинаковыми по диаметру
отверстиями, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков
воздуха.
Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные камеры с
пористыми колпачками (рис. 2.9а) [1] сточную воду подают в верхнюю часть
флотационной камеры 1, а воздух поступает через пористые колпачки 2. Пена
переливается через кольцевой желоб 3 и удаляется из него. Осветленную воду
6
отводят через регулятор уровня 4. Установки могут иметь одну или несколько
ступеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды используют
фильтровальные пластины (рис. 2.9б)[1], схема флотации аналогична предыдущей.
Преимущество такой флотации заключается в простоте конструкции установки и
уменьшении затрат электроэнергии. Недостатки этого метода - засорение пор,
разрушение пористого материала (керамики), а также трудности, связанные с
подбором мелкопористых материалов, обеспечивающих постоянство во времени
определенного размера пузырьков воздуха.
В зависимости от количества сточной жидкости применяют вертикальные и
горизонтальные флотаторы. Вертикальные флотаторы небольшой
производительности могут быть поточными и противоточными.
В противоточном флотаторе сточная жидкость по трубопроводу подается в верхнюю
часть флотатора, представляющего собой цилиндр высотой 2-4 м. В нижнюю часть
флотатора закачивается воздух. Последний поступает в поддон, а оттуда через
отверстия керамических колпачков, которые закреплены на поддоне, во
флотационную камеру. Здесь пузырьки воздуха движутся снизу вверх, а сточная
вода - сверху вниз и из нижней части флотатора по регулятору уровня отводится по
трубопроводу из флотатора. Образовавшаяся во флотаторе пена отводится с
помощью желоба и шламоотводящей трубы за пределы флотатора.
Для очистки больших количеств сточных вод применяют горизонтальные
флотаторы. Воздух во флотационную камеру поступает через мелкопористые
фильтросы, уложенные на дне. Сточная вода подается в верхнюю часть
флотационной камеры, а отводится из нижней через регулятор уровня. В этом случае
пузырьки воздуха движутся вверх вместе с потоком воды. Время пребывания воды
во флотаторе определяется из условия максимального отделения загрязнений из
сточной воды и возможности всплытия пены на ее поверхности.
Габариты флотаторов зависят от их производительности, размера воздушных
отверстий, давления воздуха под фильтросами, уровня воды и др.
7. Электрофлотация.
Метод применяется для очистка сточных вод промышленных предприятий
от: нефтепродуктов, масел, органических загрязнений, ионов тяжелых металлов,
7
взвешеных веществ, ПАВ,очистка горячих стоков металлургических и иных
производств.
Процесс электрофлотации заключается в образовании при пропускании постоянного
электрического тока через водный раствор мелкодисперсных пузырьков
электролитических газов (водорода и кислорода), равномерно распределяемых в
объёме обрабатываемой воды [3]. Газовые пузырьки, поднимаясь вверх,
сталкиваются с дисперсными частицами загрязнений, прилипают к ним и затем
флотируют их на поверхность воды, образуя устойчивый пенный слой – флотошлам.
Сюда же выносятся отдельные растворимые загрязнения, адсорбирующиеся на
дисперсных частицах. Основные преимущества электрофлотационных установок:
небольшие капитальные затраты; высокое качество очистки; простота
обслуживания; минимальное время обработки; широкий диапазон применения.
Загрязненная вода, обработанная реагентами, подается в приемную камеру, затем
переливается через перегородку в основную камеру. В результате электролиза на
поверхности нерастворимых электродов происходит активное выделение пузырьков
газа, которые, поднимаясь вверх, захватывают коллоидные частицы загрязнений и
выносят их на поверхность, образуя флотошлам. Образующийся флотошлам
удаляется скребковым механизмом в направлении против течения воды во
флотаторе в шламоприемный карман.
Рис.4 [1] Электрофлотационная установка.
8
Очищенная вода направляется на последующие стадии очистки или в канализацию.
Механический скребок представляет собой цепной скребковый механизм,
размещенный на рамной конструкции с установленными на нем электроприводом и
редуктором.
В электрофлотационных установках l используются нерастворимые электроды.
В процессе работы электродов выделяются кислород и водород, для их отвода
необходимо наличие вытяжной вентиляции.
Степень очистки в элеткрофлотационных установках может достигать 99,9%, т.к
поток жидкости практически ламинарный и не происходит разрушение агломератов
образовавшихся из флотокомплексов и пузырьков газа.
8. Химическая флотация.
Метод химической флотации основан на обработке сточной воды реагентами. В
результате химических реакций образуются пузырьки газа: кислород, углекислый
газ, хлор и другие, которые флотируют примеси из воды. Конструкции установок
для химической флотации чаще всего состоят из двух камер. В первой камере,
снабженной лопастной мешалкой, происходит смешивание очищаемой воды и
реагента. Во второй камере – флотореакторе происходят химические реакции с
образованием флотокомпонентов. Образовавшийся шлам с помощью скребка
удаляется в шламоприемник.
Кроме
того,
концентрации
при
флотации
происходит
поверхностно-активных
аэрация
сточных
веществ
и
вод,
снижение
многочисленных
микроорганизмов. Достоинства флотации является высокая степень очистки (до 95
%), большая скорость процесса, простая аппаратура.
9. Биологический метод
Этот метод применяется для уплотнения осадка из первичных осадков при очистке
городских сточных вод.
Осадок из первичных отстойников собирается в специальные резервуары, где
подогревается паром до температуры 35—55° С, и при такой температуре
выдерживается несколько суток. За время развития и деятельности микроорганизмов
9
выделяются пузырьки газа, которыми частицы осадка уносятся в пенный слой,
уплотняются и обезвоживаются.
Таким путем можно понизить влажность осадка до 80% и тем самым облегчить и
удешевить его дальнейшую обработку, особенно при использовании механического
обезвоживания.
Данной степени обезвоживания осадка из первичных отстойников можно достичь
при температуре 35° С за 120 ч.
10
Литература
1.
Химическая и физическая очистка сточных вод [WWW]
http://www.gaps.tstu.ru/win-1251/lab/sreda/ope/ob_ecol_html/h_ochistka.html
(01.12.2015)
2.
Методы флокации [WWW]
http://www.vo-da.ru/articles/flotatsionnaya-ochistka-stochnyih-vod (01.12.2015)
3.
Коганвсий А.М., Клименко Н.А. Очистка и использование сточных вод.Москва, Химия 1983. -стр. 51-70.
11