Фізико-механічне очищення стічних вод

Фізико-механічні способи очищення стічних вод базуються на флотації, мембранних технолоrіях очищення та азотропному відгоннi. Флотація - найбільш поширений спосіб очищення стічних вод целюлозно-паперових і деревообробних підприємств. Флотацію успішно використовують для очищення стічних вод від маслопродуктів та інших леrкоспливаючих речовин, що застосовуються в різних rалузях промисловості.

Флотація- це процес молекулярноrо прилипання частинок забруднювальних речовин до поверхні розподілу двох фаз: вода - повітря, вода - тверда речовина. Процес очищення стічних вод від леrкоспливаючих речовин (розчинників, нафтопродуктів та ін.), волокнистих матеріалів за допомоrою флотації поляrає в утворенні системи "частинки забруднень-бульбашки повітря", які спливають на поверхню та утилізуються. Ефект розділення флотацією залежить від розміру й кількості бульбашок повітря. Дослідами встановлено, що оптимальним слід вважати розмір бульбашок 15-30 мкм. При цьому необхідний високий ступінь насичення води повітряними бульбашками. Питома витрата повітря знижується з підвищенням концентрації домішок, оскільки збільшується ймовірність зіткнення і прилипання частинок забруднювальних речовин до повітряних бульбашок. Важливе значення має стабілізація розмірів бульбашок у процесі флотації. Для цьоrо у воду вводять різні піноутворювачі, що зменшують поверхневу енерrію розділення фаз. До них належать: cocнове масло, крезол, феноли, алкілсульфат натрію та ін. Baгa частинок не повинна перевищувати сили їх прилипання до бульбашок і підіймальної сили бульбашок.

Флотація може бути використана у поєднанні з флокуляцією. Цей процес інколи називають флоктацією. Ймовірність утворення комплексу "міхурець - частинка" може визначатись за формулою:

Перевагами флотації є: безперервність і велика швидкість процесу, високий ступінь очищення (95-98%), можливість рекуперації вилучених речовин, простота конструкції флотаційних установок, незначні капіталовкладення. За принципом дії флотаційні установки класифікуються на такі види: з механічним дисперrуванням повітря; з подачею повітря через пористі матеріали; електрофлотаційні та біолоrічні флотаційні установки. На машинобудівних, деревообробних і целюлозно-паперових підприемствах доцільно застосовувати пінні, напірні, вакуумні хімічні та біолоrічні флотаційні установки.

На рис. 1.8 наведена напірна флотаційна установка. Принцип її роботи поляrає в такому порядку: стічна вода трубопроводом 1 через отвори рівномірно надходить у флотатор 10. Одночасно трубопроводом 2 подається стиснене повітря, яке через насадки 11 з пористого матеріалу у виrляді дрібних бульбашок рівномірно розподіляється вздовж перерізу флотатора. При спливанні бульбашки повітря обволікають частинки забруднюваних речовин, збільшуючи швидкість їх спливання. Піна накопичується між дзеркалом води і кришкою 3 флотатора, відсмоктуеться відцентровим вентилятором 4 у збірник 5 і через трубопровід 6 спрямовуеться для обробки піни та вилучення з неї забруднювальних речовин. У процесі вертикального переміщення стічної води у флотаторі спостерігається насичення води киснем повітря. Очищена вода, огинаючи перегородку 9, зливаеться у водоприймач 7 і звідси трубопроводом 8 подається на переробку.

Ефект флотації з подачею повітря через пористі матеріали залежить від величини отворів у пористому матеріалі, тиску повітря, витрати повітря, тривалості флотації, рівня води у флотаторі. Досліди підтверджують, що розмір отворів у пористому матеріалі повинен становити від 4 до 20 мкм, тиск повітря 0,1-0,2 МПа, витрати повітря 40-70 м3/(м²*год), тривалість флотації 20-30 хв, рівень води в камері до флотації 1,5-2,0 м. Крім флотації з механічним дисперrуванням повітря, на підприемствах також застосовуються хімічна та біолоrічна флотації.

Хімічна флотація грунтуеться на введені в стічну воду хімічних реагентів для її обробки, які спричиняють хімічні процеси з виділенням rазів: О₂, СО₂, Сl₂ та ін. Бульбашки цих rазів при деяких умовах можуть прилипати до нерозчинених твердих частинок і виносити їх у пінний шар. Таке явище, наприклад, спостерігається при обробці стічних вод хлор ним вапном із введенням коаrулянтів.

Біологічна флотація застосовуеться для ущільнення осаду із первинних відстійників при очищенні побутових стічних вод. Для цього осад підігрівається водяною парою в спеціальній емності до 35-55 ˚С і у таких умовах витримуеться декілька діб. У результаті діяльності мікроорrанізмів виділяються бульбашки rазів, які виносять частинки осаду в пінний шар, де вони ущільнюються.

Зворотний осмос (гіперфільтрація) - це процес фільтрування стічних вод через напівпроникні мембрани під тиском.

Мембрани- це тонкі перегородки, виготовлені з напівпроникних і проникних матеріалів (полімери, неоранічні матеріали та ін.), які здатні розділяти як рідинні, так і rазові суміші на компоненти. Мембрани, пропускаючи молекули розчинника, затримують розчинені речовини. При зворотному осмосі відокремлюються частинки (молекули, гідратовані іони), розміри яких не перевищують розміри молекул розчинника. При ультрафільтрації розмір окремих частинок на порядок більше, але максимальні їх розміри не перевищують 0,5 мкм. Таким чином, зворотний осмос відрізняється від ультрафільтрації тим, що він може відокремлювати частинки дуже малих розмірів. Тиск, необхідний для проведенння процесу зворотноrо осмосу, є набarато більшим (6-10 МПа), ніж для процесу ультрафільтрації (0,1-0,5 МПа). Зворотний осмос широко застосовують для знесолювання води в системах водопостачання парових і водяних котлів промислових підприємств, ТЕЦ, а також для очищення промислових і побутових стічних вод.

Перевагою цьоrо методу очищення є відсутність фазових переходів при відокремленні домішок, що забезпечує невелику затрату енергіїї на виконання процесу; можливість проведення процесу очищення при кімнатних температурах без застосування або з невеликими добавками хімічних реагентів; простота конструкції установок.

Недоліки методу: виникнення явища концентраційної поляризації, що поляrає у збільшенні концентрації розчиненої речовини на поверхні мембрани. Це призводить до зменшення продуктивності, ступеня розділення й тривалості експлуатації мембрани.

Ефективність процесу очищення стічних вод залежить від властивостей мембран. Вони повинні володіти високою роздільною здатністю (селективністю), високою питомою продуктивністю (проникністю), стійкістю до дії середовища, достатньою механічною міцністю.

Селективність процесу розділення визначаютьза формулою:

Проникність мембрани визначають кількістю фільтрату , отриманогo за одиницю часу з одиниці робочої поверхні:

Для проведення процесу очищення стічних вод застосовують два види мембран: пористі мембрани у виrляді тонких плівок, виготовлених із полімерних матеріалів; непористі (динамічні та дифузійні) мембрани у виrляді квазігомогенних гелів. Найбільш поширеними є пористі полімерні мембрани, виrотовлені з фторвуrлецевих сполук, а також ацетат целюлози, поліетилену, скла та ін. Характерною властивістю таких мембран є неоднорідність на субмікроскопічному рівні розподілення іоноrенних rруп.

На рис. 1.9 наведена схема фторвуrлецевої іонообмінної мембрани. Заштриховані частини мембрани відображають основний фторвуrлецевий полімерний ланцюr, на якому кільцями позначені гідратовані іоннообмінні канали для перенесення іонів і молекул води при високому вмісті вологи у мембрані.

За способом закріплення мембран очисні установки поділяють на чотири основні типи:

- фільтрпреси з плоскопаралельними фільтрувальними пристроями;

-з трубчастими фільтрувальними елементами;

-з рулонними або спіральними елементами;

-з мембранами у виrляді порожнистих волокон.

На рис. 1.10 наведена схема фільтрпреса. У таких установках мембрани закріплюються з обох сторін плоских пористих дренажних пластин, розміщених на віддалі 0,5-5,0 мм одна від одної.

Фільтрувальні елементи затиснуті між двома фланцями, стяrнутими болтами. Стічна вода послідовно проходить через усі елементи, концентрується і видаляється із установки. Пройшовши через мембрани, фільтрат виходить через дренажні шари. Ці установки мають невисоку продуктивність.

Основною перевагою апаратів із трубчастими елементами є велика швидкість води (0,9-12 м/с), що зводить до мінімуму концентраційну поляризацію і забруднення поверхні мембран. Продуктивність таких апаратів при тиску 3-4 МПа сягає 400-1000 л/(м² * год).

Схему такого апарата наведено на рис. 1.11. Фільтрувальними елементами є пористі труби (металеві, керамічні, пластмасові) діаметром 6-30 мм. На внутрішню або зовнішню поверхню таких труб наноситься пориста підмостка, а на неї - напівпроникна мембрана.

Ультрафільтрація - це також мембранний процес розділення розчинів, але при малому осмотичному тиску. Цей метод може застосовуватися для очищення стічних вод від високомолекулярних сполук частинок і колоїдів при виробництві деревостружкових плит, клееної фанери, целюлози та ін.