Современные конструкции скорых фильтров

На рис 12.1 показан открытый скорый фильтр.

При площади одного фильтра более 30 м² фильтр разделён на две равные части распределительным каналом. Этот канал по высоте разбит на два изолированных друг от друга яруса. Через верхний ярус производится подача освет-ляемой воды и отвод отработавшей промывной водой, а через нижний – отвод фильтрата и подвод промывных вод.

На рис. 12.19 (слайд 34) показан напорный скорый фильтр, серийно выпускаемый нашей промышленностью. Подача осветляемой воды и отвод промывной осуществляется через центрально расположенную воронку, обращённой широким концом кверху. Фильтр не имеет поддерживающих слоёв, и фильтрующий материал располагается непосредственно на колпачковом или щелевом дренаже.

На рис. 12.20 показан разрез горизонтального напорного фильтра (слайд 35).

Фильтр не имеет поддерживающих гравийных слоёв. Загрузка фильтра предусмотрена сравнительно крупнозернистым материалом 0,5-1,5 мм.

Осветление воды в поле центробежных сил. Обработка воды фильтрованием через сетки и ткани

Одним из эффективных сооружений предварительной обработки мутных природных вод являются гидроциклоны, рис. 11.1 (слайд 36).

При цветении воды они имеют ряд преимуществ перед осветлителями:

- высокая удельная производительность;

- низкие капитальные и эксплуатационные затраты;

- достаточно высокий эффект осветления;

- возможность создания компактных автоматизированных установок с регулированием количественных и качественных показателей.

Принцип действия гидроциклона основан на сепарации частиц твёрдой фазы во вращающемся потоке жидкости. Скорость сепарирования частицы в центробежном поле гидроциклона превышает скорость осаждения эквивалентных частиц в гравитационном поле в сотни раз.

Гидроциклоны, работая в безреагентных схемах очистки воды, успешно заменяют горизонтальные отстойники.

Одним из предварительных методов осветления воды, отделения плавающих примесей является её фильтрование через различные сетки и ткани. К их числу относятся микрофильтры, микросетки и акустические фильтры.

За последние годы в мировой практике для удаления планктона их воды нашли широкое применение микрофильтры, выполненные в виде механизмов с вращающимися барабанами, оборудованными фильтрующими изделиями из тонкой металлической или пластмассовой сетки с размером ячеек 40-60 мкм рис. 11.2 (слайд 37). Интенсивность фильтрации 10-25 л/с∙м².

При обработке мутных вод по предложению И.С. Бабаева получают всё большее распространение акустические напорные фильтры (рис. 11.3), которые характеризуются значительной производительностью в сочетании с высоким эффектом осветления воды (слайд 38).

Лекция 7. Физико-химические методы очистки воды

План

1. Коагуляция и флокуляция.

2. Флотация.

3. Адсорбция.

4. Ионный обмен.

5. Экстракция.

6. Обратный осмос и ультра фильтрация

7. Десорбция, дезодорация, дегазация.

К физико-химическим методам очистки вод относят коагуляцию, флатацию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дисцилляцию, обратный осмос, ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из воды тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Использование физико-химических методов, например, для очистки сточных вод по сравнению с биохимическими имеет ряд преимуществ:

1. Возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнителей.

2. Достижение более глубокой и стабильной степени очистки.

3. Меньшие размеры сооружений.

4. Меньшая чувствительность к изменению нагрузок.

5. Возможность полной автоматизации.

6. Более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры.

7. Методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов.

8. Возможность рекуперации различных веществ.

Коагуляция и флокуляция

Рассмотренные выше способы осветления воды (отстаивание, фильтрование и др.) связаны с удалением из воды крупнодисперсных частиц. Для удаления коллоидно-дисперсных частиц эти методы непригодны.

На практике коллоидно-дисперсные частицы из воды выделяют коагулирова-нием.

Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения коллоидных и взвешенных частиц дисперсной системы, происходящий в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты.

Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперс-ных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм.

Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием физических и химических процессов.

В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов.

Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью адсорбировать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.

Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частицы двойного электрического слоя. Одна часть двойного электрического слоя фиксирована на поверхности раздела фаз, а другая образует облако ионов, т.е. одна часть слоя является неподвижной, а другая подвижной (диффузионный слой).

Разность потенциалов между неподвижной и подвижной частями называется дзетта-потенциалом или электрокинетическим потенциалом, отличной от термодинамического потенциала Е, который представляет разность потенциалов между частицей и жидкостью. ξ зависит от Е и толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые предохраняют частицы от слипания друг с другом.

Чтобы вызвать коагуляцию частиц, необходимо снизить величину их дзетта-потенциала добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от концентрации и валентности иона коагулянта. Чем выше валентность, тем выше коагулирующее действие, рис. 11.16 (слайд 39).

Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением.

Ме³⁺ + НОН → (МеОН)²⁺ + Н⁺

(МеОН)²⁺ + НОН → Ме(ОН)₂⁺ + Н⁺

Ме(ОН)₂⁺ + НОН → Ме(ОН)₃ + Н⁺

В действительности процесс гидролиза не протекает до конца, а промежуточные соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами. В качестве коагулянтов используют соли алюминия, железа и их смесей.

Флокуляция

Флокулянтами в химической технологии очистки воды называются вещества интенсифицирующие процесс хлопьеобразования гидроксида Al и Fe(III). Они принадлежат к классу линейных полимеров, для которых характерно цепочечная форма макромолекул. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах нескольких тысяч. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные вещества. Флокулянты делят на органические и неорганические.

В качестве флокулянтов из природных веществ используют крахмал, водорослевую крупку, белковые гидролизные дрожжи, картофельную мезгу, жмыхи и др.; из синтетических флокулянтов применяют прежде всего полиакриламид (ПАА).

Среди неорганических флокулянтов получил распространение активированный силикат натрия.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий:

- дозирование и смешение реагентов со сточной водой

- хлопьеобразование и осаждение хлопьев, рис. 11-17 (слайд 40).

Флотация

Гетерофазные примеси из воды можно выделить, используя явление избирательного смачивания, лежащего в основе процесса флотации.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых ди-спергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворимых веществ, например ПАВ. Такой процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированием.

Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических.

Элементарный акт пенной флотации состоит в том, что при сближении в воде газового пузырька с гидрофобной поверхностью частицы, адгезия которой к воде менее когезии молекул воды, разделяющий их тонкий слой воды становится неустойчивым и разрывается при достижении некоторого критического значения.

Прилипание пузырька к частице сопровождается образованием краевого угла смачивания. Вследствие кратковременности соприкосновения пузырька и частицы при их столкновении (0,001–0,002 с) вероятность слипания определяется кинетикой формирования краевого угла смачивания, рис. 11.19 (слайд 41).

Масса флотируемой частицы не должна превышать силы их прилипания к газовым пузырькам и подъемной силы последних.

Оптимальная крупность извлекаемых частиц находится в пределах 10^-3-10^-1

см.

Тонкодисперсные примеси (5-10 мкм) флотируются очень плохо и ухудшают извлечение крупных частиц.

Возможность образование флотационного комплекса частица-пузырек, скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависит от природы частиц, а так же характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и от способности частиц смачиваться водой.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачи-вания, тем больше вероятность прилипания и прочность удерживания пузырька 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, меркамптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины.

По некоторым данным, оптимальный размер пузырьков равен 15-30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками.

Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи (сосновое масло, крезол, фенол, алкилсульфат натрия). Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

В практике используют установки вакуумной флотации, установки напорной флотации, флотация при помощи пористых пластин, химическая, биологическая и ионная флотация.

Приготовление воздушного раствора ведут в насадочных адсорберах, рис. 10.2 (слайд 42).

Схема установки напорной флотации представлена на рис. 11.20 (слайд 42).

На рис.11.21 (слайд 42 (б)) приведена схема подачи воды при напорной флотации.

Рис. 10.5.

Рис. 11.22 (слайд 42 (а)).

3. Адсорбция

Адсорбционные методы широко применяются для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ невелика и они являются сильно токсичными.

Адсорбцию используют для очистки сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических соединений, ПАВ, красителей и др.

Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные вещества уничтожаются вместе с адсорбентом.

Эффективность очистки достигает 80-95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности.

Адсорбенты

В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (зола, шлаки, опилки).

Минеральные сорбенты - глины, селикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции используются мало, т.к. энергия взаимодействия этих молекул с водой велика.

Адсорбционная способность активных углей является следствием сильнораз-витой поверхности и пористости.

Характеристика некоторых активных углей приведена в таблице 11.8 (слайд 43).

Адсорбционные установки

Процесс адсорбционной очистки сточных вод ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней, рис. 11.29 (слайд 44).

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.

Более эффективно процесс протекает при использовании многоступенчатой установки.

Установки с псевдоожиженным слоем целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размеры частиц адсорбента 0,5-1,0 мм, скорость потока 8-12 м/час.

Ионный обмен

Ионнообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекупировать ценные вещества при высокой чистоте воды.

Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащие в ней на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие твердую фазу называются ионитами. Они практически нерастворимы в воде. Те из них, которые поглощают положительно заряженные ионы, называются катионитами, отрицательные – аниониты. Первые обладают кислотными свойствами, вторые – основными. Если иониты обменивают и катионы и анионы, называются амфотерными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита.

Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости.

Полная емкость – это количество поглощенного вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита.

Статическая емкость – это обменная емкость ионита при равновесии в дан-ных рабочих условиях. Она меньше полной.

Динамическая обменная емкость – это емкость ионита до проскока ионов в фильтрат, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.