Флотационная очистка сточных вод

Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергией поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых дисперсионных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются, а также для удаления растворенных веществ, например, поверхностно-активных веществ (ПАВ). Процесс очистки сточных вод от ПАВ называют пенной сепарацией или пенным концентрированием. Флотацию применяют для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих производств, искусственного волокна, целлюлозно-бумажного, кожевенного, пищевых, химических производств. Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки.

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

Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов "частицы - пузырьки", всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Смачивающаяся способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60…65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуются величиной краевого угла смачивания θ. Чем больше угол θ, тем больше гидрофобия поверхности частицы, т.е. увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются.

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

При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр-линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз – твердой, жидкой и газообразной (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Схема элементарного акта флотации: 1 – пузырек газа;

2 – твердая частица.

Касательная к поверхности пузырька в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в воду угол θ, называемый краевым углом смачивания.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла θ. Чем больше краевой угол смачивания, 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.

ПАВ – (реагенты-собиратели), адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. являются гидрофобными. В качестве реагентовсобирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, алкилсульфаты, амины. Повышения гидрофобности частиц можно достичь также адсорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Энергия образования комплекса “пузырек-частица” равна

А = σ (1- cos θ) (5.54)

где σ – поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, θ → 0, а cos θ → 1, следовательно, прочность прилипания минимальна, а для несмачиваемых частиц – максимальна.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. Оптимальный размер пузырьков равен 15…30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Повышение концентрации примесей увеличивает вероятность столкновения и прилипания частиц к пузырькам. Для стабилизации размеров пузырьков в процессе флотации вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз: сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия, обладающие собирательными и пенообразующими свойствами.

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

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Вероятность образования комплекса “пузырек-частица” может быть определена по формуле:

ω = [n ∙4/3 π(R_п + r_ч)³ – n ∙4/3 π R_п³]/V = C_r [(1 + r_ч/R_п)³ - 1] (5.55)

где n – число пузырьков радиуса Rп в объеме V жидкости; rч – радиус частицы; Сг = n.4/3 π Rп³/V – объемная концентрация газовой фазы.

Плотность флотационной среды, состоящей из воды, пузырьков воздуха и твердых частиц, равна

ρ_с = ρ_ж(1- С_ч – С_r) + ρ_чС_ч + ρ_r С_r (5.56)

где ρж, ρч, ρг – плотность жидкости, частиц и газа; Сч, Сг – объемная концентрация частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц wч и пузырьков vп относительно среды определяется по формулам:

w_ч = -2/9(g r²/μ_c ρ_ж)[(1- С_ч)(ρ_ч/ρ_ж – 1) + С_r] (5.57)

v_п = 1/9(g R²/μ_с ρ_ж)[1+С_ч(ρ_ч/ρ_ж –1) – С_r] (5.58)

где g – ускорение свободного падения (силы тяжести); μс – динамическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:

dC_ч/dτ = - k_ф ∙C_ч (5.59)

где kф – коэффициент скорости флотации, зависящий от динамических и конструктивных параметров.

Наилучшие условия разделения достигаются при соотношении между твердой и газообразной фазами Gг/Gч = 0,01…0,1. Это соотношение определяется по формуле:

G_r/G_ч = 1,3 b(f P – 1)Q₁/(C_ч ∙Q) (5.60)

где Gг, Gч – масса воздуха и твердых частиц, г; b – растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении и данной температуре, см³/л; f – степень насыщения (обычно f = 0,5…0,8); Р – абсолютное давление, при котором вода насыщается воздухом; Q1 – количество воды, насыщенной воздухом, м³/ч; Q – расход сточной воды, м³/ч.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

- с выделением воздуха из растворов;

- с механическим диспергированием воздуха;

- с подачей воздуха через пористые материалы;

- электрофлотацию;

- химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяют 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 перенасыщенного раствора воздуха в воде различают, вакуумную, напорную 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…39,3 кПа (225…300 мм рт.ст). Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 минут. Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде, что сводит к минимуму, вероятность разрушения агрегатов "пузырек-частица"; затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки: незначительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвешенных частиц (не более 250-300 мг/л); необходимость создавать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

Напорные флотационные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация (рис. 5.8) позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4…5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляются коагулянты. Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5…10 раз меньше 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.

Рис. 5.8. Схема напорной флотации:

1 - емкость; 2 - насос; 3 - напорный бак; 4 - флотатор.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5…10 до 1000…2000 м³/ч. Они работают при давлении в напорной емкости 0,17…0,39 МПа, время пребывания в ней 14 минут, а во флотационной камере (емкости) 10…20 минут. Объем засасывания воздуха составляет 1,5…5% от объема очищаемой воды. В случае необходимости одновременного окисления загрязнений воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или азотом. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию подают инертные газы.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности (рис. 5.9). Они просты по устройству, затрата 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:

Рис. 5.9. Схема эрлифтной флотации:

1 – емкость; 2 – трубопровод; 3 – аэратор; 4 – труба эрлифта; 5 – флотатор.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинками насосного типа – импеллерами, представляющими собой диск с радиальными, обращенными вверх, лопатками. Такие установки применяются для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). Степень измельчения вихревых газовых потоков на пузырьки и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера: чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффективность процесса.

Пневматические установки применяют для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные к движущимся механизмам. Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его через специальные сопла с отверстиями диаметром 1…1,2 мм, с давлением перед ними 0,3…0,5 МПа. Скорость струи воздуха на выходе из сопла 100-200 м/с. Продолжительность флотации – в пределах 15…20 мин.

Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании воздуха через керамические пористые пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки, размер которых равен:

R_п = 6(r_о².σ)^1/4 (5.61)

где Rп, rо – радиусы пузырьков и отверстий; σ – поверхностное натяжение воды.

Давление, необходимое для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по формуле Лапласа:

Δр=4σ/r_о (5.62)

Этот метод имеет следующие преимущества: простая конструкция флотационной камеры; меньшие затраты энергии из-за отсутствия насосов, импеллеров. Недостатки способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого материала; неоднородность размеров отверстий пористого материалы.

Эффект флотации этим способом зависит от величины отверстий материала, давления воздуха, расхода воздуха, продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Размер отверстий должен быть 4…20 мкм, давление воздуха 0,1…0,2 МПа, расход воздуха 40…70 м³/(м².ч), продолжительность флотации 20…30 мин, уровень воды в камере до флотации 1,5…2м.