Коагуляция (реагентный метод) – дестабилизация коллоидных систем загрязнений (процесс укрупнения дисперсных частиц за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты). Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме жидкости. Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспенизии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001 – 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1 – 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более. Мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются.
Для осаждения мельчайших взвешенных и коллоидных частиц к воде добавляют реагенты – раствор коагулянта (чаще всего применяют соли алюминия и железа — сернокислый алюминий Аl2(SО4)3 и хлорное железо FeCl3, а также соли магния, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств). В результате реакции коагулянта с солями, содержащимися в воде, образуются хлопья, которые при осаждении увлекают за собой взвеси и коллоидные вещества. Хлопья затем удаляются отстаиванием из нижней части аппарата.
Приготовление и дозирование коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках. Затем концентрированные расходы коагулянтов перемешивают с водой в специальных смесителях различного типа. В камерах хлопьеобразования происходит образование хлопьев коагулянта.
Для интенсификации образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа и снижения расхода коагулянтов используют флокулянты. Флокуляция – разновидность коагуляции, процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В процессе флокуляции мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием флокулянтов образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. В качестве флокулянтовиспользуют природные и синтетические органические полимеры, чаще всего полиакриламид, а также крахмал, поливиниловый спирт, диоксид кремния.
Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.
Коагулянты
Существует две крупные серии коагулянтов:
1) Минеральные коагулянты, представляющие собой соли металлов (FeCl3, Al2(SO4)2 и т.п.)и полимеризованные соли металлов.
2) Органические коагулянты, среди которых следует, в частности, назвать полиамиды, дициандиамидные и меламиноформальдегидные смолы.
Характеристики коагулянтов:
Органические коагулянты обладают двумя основными характеристиками:
— Очень высокой плотностью катионных зарядов – для нейтрализации отрицательных зарядов, находящихся на поверхности коллоидов.
— Относительно низким молекулярным весом – для создания хорошей диффузии катионных зарядов вокруг каждой частицы и, вследствие их небольшой вязкости, – хорошим распределением коагулянта в сточной воде.
Жидкие органические коагулянты отличаются относительно низкой вязкостью (менее 2 000 сП).
Диапазон концентраций активного вещества составляет 8 – 70 %. Чаще всего значения концентраций находятся в пределах от 40 до 50 %.
Принцип действия: коагулянты, как минеральные, так и органические, содержат активные группы: катионные заряды (+).
Катионные заряды обладают большим сродством к поверхности очень мелких и коллоидных частиц, находящихся в воде во взвешенном состоянии, которые окружены противоположными электрическими зарядами(-). Поэтому катионные заряды, поступающие при введении коагулянта, будут способствовать ослаблению электрических сил отталкивания путем нейтрализации зарядов вокруг каждой коллоидной частицы.
Нейтрализация зарядов приводит к дестабилизации очень мелких частиц, в результате чего образуются агломераты частиц. Эти агломераты называются хлопьями или микрохлопьями. Хлопья, состоящие из множества отдельных частиц, легко удаляются из суспензии в ходе очистки воды.
Коагулянты используются в растворе с большим или меньшим разведением. Процент разведения напрямую зависит от параметров обрабатываемого раствора (концентрация, вязкость и т. д.) и производственного оборудования (насос, расход и т. д.).
Непосредственное введение коагулянта возможно, хотя рекомендуется его предварительно развести до 0,5 — 10 %.
Дозировка коагулянта, естественно, зависит от числа зарядов, нейтрализуемых в среде, а, следовательно, от концентрации коллоидных частиц в очищаемой воде.
На дозировку также влияют такие параметры, как:
— Перемешивание: коагулянт необходимо хорошо размешать в очищаемом растворе для того, чтобы нейтрализовать все заряды, окружающие коллоидные частицы (мгновенное перемешивание с рекомендуемым градиентом скорости 1 000 с-1).
— Разведение коагулянта: чем сильнее разбавление коагулянта, тем лучше его дисперсия в очищаемой воде, а, следовательно, вокруг нейтрализуемых зарядов.
Процесс коагуляции показан на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 – Процесс коагуляции
Флокулянты
Органические флокулянты отличаются от коагулянтов следующими характеристиками:
— У них значительно более высокий молекулярный вес: от 3 000 000 до 20 000 000, который позволяет флокулянту склеивать между собой уже дестабилизированные частицы.
— Ионный заряд, который зависит от обрабатываемых стоков, и может быть на 0 — 100 % анионным (-) или катионным (+).
— Могут иметь разные физические формы: жидкую, порошковую, гранулированную
и эмульсионную.
Мы различаем две крупные категории флокулянтов: анионные флокулянты (рис. 1.7), которые приносят в среду анионные заряды (-) и катионные флокулянты (рис. 1.8), которые приносят в среду катионные заряды (+).Возможны разные процентыионного заряда: от 0 до 100 %.В этом случае говорят о мольном проценте анионности или катионности.
Рисунок 1.7 –Пример анионногофлокулянта
Рисунок 1.8 – Пример катионногофлокулянта
Флокулянты, находящиеся в водном растворе, содержат активные группы: заряды(+)и/или заряды (-). В зависимости от большей или меньшей степени ионностифлокулянта взаимодействие частиц осуществляется посредством ионных, а также водородных (в случае не ионных полимеров) связей.
Поэтому тип и процент электрических зарядов, вносимых в обрабатываемую флокулянтом среду, должны выбираться в лаборатории, где их можно оптимально подогнать к типам частиц, присутствующих в воде: минеральных, органических и т. д.
Благодаря очень высокому молекулярному весу флокулянты позволяют увеличить размер уже дестабилизированных (с применением коагуляции или без нее) частиц и, таким образом, ускорить разделение жидкости и твердого вещества. Перед употреблением флокулянты в обязательном порядке следует растворить. Растворение зависит от формы выпуска:
— Для продуктов в твердом виде: после надлежащего диспергирования в воде отдельно каждой гранулы – перемешивание примерно в течение часа, которое необходимо для созревания.
Перемешивание должно быть достаточным для получения суспензии, но не слишком быстрым, чтобы избежать механического разрушения полимера. После созревания должен получиться однородный и вязкий раствор.
— Для эмульсий: необходимо интенсивное перемешивание, когда эмульсия вступит в контакт с водой. Созревание происходит мгновенно, и раствор можно использовать немедленно. Тем не менее, рекомендуется выдержать 10 минут для созревания.
— Для жидкостей: достаточно разбавления в технологической линии, оснащенной статической мешалкой[7].
На рисунке 1.9 показан процесс флокуляции.
Рисунок 1.9 –Процесс флокуляции
Флотация
Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно воздуха и жидкости. Флотация основана на всплывании дисперсных частиц вместе с пузырьками воздуха. Метод применяется для очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть и нефтепродукты, жиры, масла, волокнистые частицы. Процесс очистки состоит в образовании комплексов «частицы – пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего загрязнения, и последующего удаления этого слоя с поверхности.
Существуют различные способы флотационной обработки производственных сточных вод.
1) Флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки). Сущность метода состоит в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной воде, при выделении которого образуются макропузырьки, позволяющие удалять сильнодиспергированные загрязнения. Количество воздуха,выделяющегося из раствора и необходимого для обеспечения эффективной флотации, составляет 1 – 5% от объема обрабатываемой воды.
Вакуумная флотация используется для очистки сточных вод, если концентрация загрязнений в них не превышает 250 мг/л. Способ характеризуется достаточно низкими энергозатратами на проведение процесса флотации, а также высокой стабильностью всплывающих агрегатов «частица – пузырек воздуха» (вероятность их разрушения минимальна). Недостатками способа кроме указанного выше ограничения по концентрации загрязнений в сточных водах является достаточно высокая сложность создания и эксплуатации вакуумных систем. Схема процесса вакуумной флотации представлена на рисунке 1.3.
1 – подача сточной воды . 2 – аэратор .
3 – деаэратор . 4 – флотационная камера .
5 – механизм сгребания пены . 6 – пеносборник .
7 – отвод пены . 8 – отвод отработанной сточной воды
Рисунок 1.3 – Схема процесса вакуумной флотации
Принцип работы вакуумного флотатора заключается в следующем. Сточную воду в течение нескольких минут насыщают воздухом, потом ее направляют в деаэратор, где удаляется нерастворившийся воздух, и под действием разрежения (0,02 – 0,03 МПа)сточные воды поступают во флотационную камеру. В ней под действием вакуума воздух выделяется в виде микропузырьков, которые взаимодействую с частицами загрязнений и переносят их на поверхность жидкости в пенный слой, откуда пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник.
2) Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений 4 – 5 г/л и более. Схема процесса напорной флотации представлена на рис. 1.4. Очищенная вода насыщается в сатураторе воздухом под избыточным давлением 0,3 – 0,5 МПа. Продолжительность насыщения – 1 – 3 мин. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха составляет 3 – 5% от объема обрабатываемой воды. Насыщенная воздухом вода направляется во флотационную камеру, где из нее выделяются пузырьки воздуха, которые взаимодействуют с загрязнителями и переводят их в слой пены на поверхности воды. Образующаяся пена удаляется в пеносборник. Продолжительность флотации составляет около 20 мин.
1 – подача сточной воды . 2 – подача воздуха . 3 – насос . 4 – сатуратор (напорный бак) . 5 – флотационная камера . 6 – механизм для сгребания пены . 7 – пеносборник . 8 – отвод пены . 9 – отвод обработанной сточной воды
Рисунок 1.4 – Схема процесса напорной флотации
Напорная флотация позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод. Флотаторы могут представлять собой отстойники радиального типа со встроенной флотационной камерой, имеющей механизм для сгребания пены (рис. 1.5).
I – очищенная вода . II – опорожнение .
III – нефтепродукты .IV – вода на очистку
1 – сборный лоток для воды . 2 – пеноудерживающая перегородка .
3 – лоток для сбора пены . 4 – отстойная камера . 5 –привод скребков .
6 – флотационная камера . 7 – скребки для сгона нефтепродуктов .
8 – ходовой мостик . 9 – кольцевой водослив .
10 – вращающийся водораспределитель.
Рисунок 1.5 – Радиальный флотатор
3) Флотация с механическим диспергированием воздуха создается в импеллерных установках. В них интенсивное перемешивание сточной воды производится импеллером, расположенным на дне камеры, который диспергирует засасываемую струю воздуха на отдельные пузырьки определенного размера. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастнымпеноснимателем.
4) Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается простотой аппаратурного оформления и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки и другие барботажные устройства, уложенные на дне камеры. Величина отверстий находится в пределах 4 – 20 мкм, давление воздуха 0,1 – 0,2 МПа, продолжительность флотации 20 – 30 мин. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
