Флотационная очистка сточных вод

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

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых коллоидно-дисперсионных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются (метод пенной флотации), а также для удаления растворенных веществ (метод пенной сепарации). Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки. Флотация может быть использована вместе с флокуляцией.

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 методом флотации заключается в образовании комплексов "частицы - пузырьки", всплывании этих комплексов и удалении 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, характеризуется 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.

На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

При закреплении пузырька на частице образуется трехфазный периметр - линия, ограничивающая площадь прилипания пузырька и являющаяся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной (рис. 11.3).

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.

Р и с. 11.3. Схема прилипания пузырька воздуха 1 к взвешенной в воде частице 2

Удельная свободная поверхностная энергия образования комплекса "пузырек - частица" равна

(11.7)

где σ_жг - поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, θ→0, a cosθ→1, следовательно, прочность прилипания для них минимальна, а для несмачиваемых частиц - максимальна.

Вероятность образования комплекса "пузырек - частица" может быть определена по формуле:

(11.8)

где n - число пузырьков радиусом R_n в объеме V жидкости; r_ч - радиус частицы; - объемная концентрация газовой фазы.

Скорость подъема комплекса "пузырек - частица" может быть определена из соотношения подъемной силы Архимеда образовавшегося комплекса А_к, силы тяжести частицы G_Ч и силы сопротивления жидкой среды F_c при подъеме комплекса к поверхности жидкости:

(11.9)

где

Здесь ρ_ж, ρ_ч - соответственно плотности жидкости и частицы; V_п, V_ч, - соответственно объем пузырька и частицы; g - ускорение силы тяжести; ζ - суммарный коэффициент сопротивления при обтекании комплекса; - площадь поперечного ("миделева") сечения комплекса в направлении движения; d_э - эквивалентный диаметр комплекса "пузырек - частица"; w_κ - скорость подъема (всплывания) комплекса.

Из балансового соотношения (11.9) можно получить выражение !!! для скорости подъема комплекса в жидкой среде:

(11.10)

При ламинарном режиме движения комплекса, т.е. при действии закона Стокса, когда получим

(11.11)

Эффект разделения флотацией зависит от размера, количества и равномерности распределения пузырьков воздуха в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15...30, а максимальные 100...200 мкм.

Соотношение объемов газа в пузырьке и частицы можно определить из соотношения (11.9) при условии F_c = 0:

(11.12)

Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала частиц и равен 0,2... 1,5 мм.

Учитывая соотношение размеров пузырьков и флотируемых частиц, из формулы (11.12) следует, что на одной частице может быть прикреплено несколько пузырьков малых размеров.

Для стабилизации размеров пузырьков в процессе флотации вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз: сосновое масло, крезол, фенолы, алкил-сульфат натрия, обладающие собирательными и пенообразуюшими свойствами. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, т.е. большое газоОГЛАВЛЕНИЕ. Повышение концентрации примесей увеличивает вероятность столкновения и прилипания частиц к пузырькам.

В статических условиях образования комплекса "пузырек - частица" сила когезии (прилипания) пузырька к частице FG должна превышать вес флотируемой частицы G_ч и противодействуюшее капиллярное давление газа внутри пузырька р_к:

(11.13)

В динамических условиях всплытия комплекса наряду с весом частицы и капиллярным давлением в пузырьке силе когезии дополнительно противодействует сила сопротивления жидкой среды F_c:

(11.14)

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

(11.15)

где ρ_r - плотность газа; С_ч, С_г - объемная концентрация частиц и газа в воде.

Скорость движения частиц w_ч и пузырьков w_n относительно среды определяется по формулам:

(11.16)

(11.17)

где g - ускорение свободного падения (силы тяжести); μ_c - динамическая вязкость флотационной среды.

Скорость процесса выделения частиц флотацией описывается уравнением реакции первого порядка:

(11.18)

где k_ф - коэффициент скорости флотации, зависящий от динамических и конструктивных параметров.

Наилучшие условия разделения достигаются при соотношении между твердой и газообразной фазами G_г/G_ч = 0,01...0,1. Это соотношение определяется по формуле

(11.19)

где G, G_ч - 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.

От степени насыщения жидкости пузырьками воздуха определенной крупности различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки);

флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки); флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация;

биологическая и химическая флотация.

Флотация с выделением воздуха из раствора применяется при очистке сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность способа 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 пересыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1...5% объема обрабатываемой сточной воды.

Напорная флотация имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4...5 г/л и более.

Флотация с механическим диспергированием воздуха состоит в следующем. При перемещении струи воздуха в воде в последней создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины. Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2...3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты, жиры.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается простотой аппаратурного оформления процесса и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Величина отверстий должна быть 4...20 мкм, давление воздуха 0,1...0,2 МПа, продолжительность флотации 20... 30 мин.

Электрофлотация заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, а на аноде - кислород. Основную роль в процессе флотации частиц играют пузырьки, выделяющиеся на катоде.

При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа создает предпосылки для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоа-гуляционно-флотационными.

Биологическую и химическую флотацию применяют для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных вод образуется пена, имеющая различное строение, обычно пленочно-структурное, и содержащая значительное количество воды, особенно в нижних слоях; устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от количества и характера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывшего шлама наиболее интенсивно идет в первые 2 ч, далее он замедляется, а после 4 ч практически прекращается.