170003 (Основы защиты атмосферы и гидросферы), страница 2

Для проведения процесса фильтрования могут быть использованы фильтры любой конструкции. Однако при очистке сточных вод, как правило, приходится иметь дело с большими объемами воды, поэтому выбирают фильтры, для работы которых не требуется применения больших давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем. Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резервуар, в нижней части которого, имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал. Производительность фильтра определяется скоростью фильтрования, т.е. объемом воды, прошедшим в единицу времени через единицу поверхности м³/(м²с). Скорость фильтрования зависит от вида и крупности зерен материала, от природы и концентрации фильтрующих веществ.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности фильтрующего зернистого слоя, называемого загрузкой; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим, материалом. Такой процесс характерен для так называемых медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала силами прилипания. Такой процесс характерен для скоростных фильтров.

При фильтровании сточной воды через слой зернистого материала протекает одновременно два процесса: 1) прилипание частиц к поверхности фильтрующего материала; 2) отрыв ранее прилипших частиц. Задержка частиц поверхностью зерен или ранее осажденными частицами происходит под действием молекулярных сил, сил химического сродства и адсорбции.

Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движущегося потока, который в результате трения срывает их с поверхности фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступающих в единицу времени на поверхность фильтрующего слоя и покидающих ее, наступает насыщение поверхности и она перестает осветлять сточные воды. Величина сил прилипания зависит от крупности и формы зерен, их химического состава, от шероховатости поверхности, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Фильтры с зернистым слоем подразделяются на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1–2 м, в закрытых 0,5–1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используются для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или керамические резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц. При содержании взвешенных примесей в сточных водах до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2–0,3 м/ч; при 25–50 мг/л – 0,1 – 0,2 м/ч. Достоинством таких фильтров является высокая степень очистки. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из однородного материала, у многослойных – из различных материалов.

Сточная вода в фильтр подается через систему 3 (внутрь фильтра), проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку, подавая через систему 4 промывные воды, которые движутся снизу вверх. Промывная вода вместе с удаляемыми примесями отводится через систему 2.

Дренажное устройство выполняется из пористобетонных сборных плит. На нем размещается фильтрующий материал в 2–4 слоя одинакового или разного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки 1,5–2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12–20 м/ч.

В многослойных скорых фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов, например из слоев антрацита и песка. Верхние слои состоят из зерен большего размера, чем зерна нижних слоев. Конструкция их аналогична конструкции однослойных фильтров, но они отличаются более высокой производительностью и большей продолжительностью фильтрования. Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтруемых вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, ведут очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть проведена водовоздушная промывка, при которой сначала зернистой слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18–22 л/(м²с), а воды – от 6 до 7 л/см². Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, затем обрабатывают смесью воздух – вода и, наконец, промывают водой. Продолжительность промывки 5- 7 мин.

Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через слой сеток с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют размер ячеек от 0,3х0,3 до 0,5х0,5 мм. Микрофильтры (рис. 15) применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов.

Сточная вода поступает внутрь барабана и проходит через отверстия в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и при промывке с промывной водой поступает в лоток. Барабан вращается с частотой 6–20 мин^-1. Скорость фильтрации у микрофильтров равна 25–45 м³/(м²ч). При концентрации взвешенных частиц 15–20 мг/л эффективность очистки составляет 50–60%. Эффект очистки зависит от состава и свойств сточных вод, размера ячеек сеток и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.)

Магнитные фильтры применяются для удаления из жидкостей мелких ферромагнитных частиц (размером 0,5–5 мкм). Они могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом. При прохождении ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы намагничиваются и образуют агломераты. Направление потока должно совпадать с направлением магнитного поля. Широкое распространение нашли магнитные сепараторы, которые имеют эффективность очистки 80–90% при производительности до 60 м³/ч.

3. Флотация с выделением воздуха в растворе

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс называют «пенной сепарацией» или «пенным концентрированием». Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Она используется также для выделения активного ила после биохимической очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость, процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90–95%), высокая степень очистки (95–98%), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.

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

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла (рис. 4). Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при возникновении пузырька из раствора 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, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и др. Повышение гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. По некоторым данным оптимальный размер пузырьков равен 15–30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят: сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия и др. Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

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

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Этот процесс называют иногда флоктацией. При проведении флотации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что вероятность прилипания пузырьков газа к свежеобразованным хлопьям выше, чем к хлопьям, имеющим «возраст» несколько часов. Вероятность образования комплекса пузырек-частица может быть определена по формуле

где n – число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; r – радиус частицы; – объемная концентрация газовой фазы.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяется 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 пересыщенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, наборную 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 29,9–39,9 кПа (225–300 мм. рт. ст.). Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 мин.

Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде (вероятность разрушения агрегатов пузырек-частица сведена к минимуму); затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки: незначительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвещенных частиц (не более 250–300 мг/л); необходимость сооружать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

Напорные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4–5 г./л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты.

Принципиальная схема напорной флотации показана на рис. 6. Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5–10 раз меньшее 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.

Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда перекачивается насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образующаяся водно-воздушная смесь направляется в напорную емкость где при повышенном течении (0,15–0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушного раствора во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Пена с твердыми частицами удаляется с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода удаляется из нижней части флотатора. При использовании коагулянтов хлопкообразования происходит в напорной емкости.

В данной схеме вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыщается воздухом. Имеются и другие схемы (рис. 7). В схемах с рециркуляцией (а) и насыщением части потока – частичной подачей воды насосом (б) через напорную емкость подается лишь часть неочищенной сточной воды. Такие схемы рекомендуется использовать, если проводится предварительная коагуляция сточных вод с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев коагулянтов в насосе.

Схема с рабочей жидкостью (в) используется при большой концентрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по схеме, представленной на рис. 6, малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют природную или очищенную сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого всплывания их. Недостаток схемы – большой расход энергии на перекачивание рабочей жидкости.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5–10 до 1000–2000 м³/ч. Они работают при изменении параметров в следующих пределах: давление в напорной емкости 0,17 – 0,39 МПа; время пребывания в напорной емкости 14 мин, а во флотационной камере 10–20 мин. Объем засасываемого воздуха составляет 1,5–5% от объема очищаемой воды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений.