Инженерная экология. Часть 4. Основы экологии производства. Учебное пособие

грузки равняется 1,5...2 м. Скорость фильтрования принимается равной

12...20 м/ч.

Рис. 6. Скоростной контактный фильтр:

1 – корпус; 2 – система удаления промывных вод; 3 – система подачи сточных вод; 4 – система подачи промывных вод; 5 – пористый дренаж;

6 – фильтрующий материал

В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой состо-

ит из зерен разных материалов, например из слоя антрацита и песка. Верхниеслоиимеютзернабольшегоразмера, чемнижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от конструкции однослойных. Они имеют более высокую производительность и большую продолжительность фильтрования.

Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтрующих вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Можно произвести водовоздушную промывку, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18 ... 22 л/м2·с, а воды – 6...7 л/м2·с. Возможна и трехэтапная промывка.

41

Сначала слой продувают воздухом, а затем воздуховодной смесью, на последнем этапе – водой. Продолжительность промывки – 5...7 мин.

Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3×0,3 до 0,5×0,5 мм. Микрофильтры применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Схема одного из микрофильтров показана на рис. 7 [11].

Рис. 7. Микрофильтр:

1 – вращающий барабан; 2 – устройство для промывки; 3 – лоток для сбора промывных вод; 4 – труба для отвода промывных вод; 5 – камера для удаления осветленной воды

Сточнаяводапоступает внутрь барабанаичерезотверстия проходит в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и при промывке с промывной водой поступают в лоток. Барабан вращается с частотой 6...20 об/мин. Скорость фильтрации до-

стигает 25...45 м3/(м2·ч).

При концентрации взвешенных частиц 15...20 мг/л эффективность очистки составляет 50...60% в зависимости от состава и свойств сточных вод, размера ячеек и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и т. д.).

42

Магнитные фильтры нашли широкое распространение, так как обеспечивают степень очистки до 80 %. Такие фильтры применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5...5 мкм) из жидкостей. Помимо магнитных частиц фильтры улавливают абразивные частицы, песок и другие загрязнения. Этому способствует эффект электризации немагнитных частиц. Магнитные фильтры могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом, их производительность достигает 60 м3/ч.

При прохождении сточных вод ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы размером 0,5...1 мкм намагничиваются и образуют агломераты размером до 50 мкм, которые удаляются фильтрованием либо осаждаются под действием гравитационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с направлением магнитного поля, так как при этом создаются наиболее благоприятные условия осаждения.

Степень очистки фильтрованием зависит от напряженности магнитного поля, скорости течения жидкости, ее вязкости, расположения силовых полей относительно направления потока жидкости.

Гидроциклоны. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые – для удаления осаждающих и всплывающих примесей. Гидроциклоны просты в устройстве, компактны, ихлегкообслуживать. Ониотличаютсявысокой производительностью и небольшой стоимостью.

При вращении жидкости в гидроциклонах на частицы действуют центробежныесилы, отбрасывающиетяжелыечастицыкперифериипотока, силысопротивлениядвижущегосяпотока, гравитационныесилыи силы инерции. Силы инерции незначительны и ими можно пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные силы значительно больше сил тяжести.

Скорость движения частицы в жидкости под действием центробежнойсилызависитотеедиаметрачастицы, разностиплотностейфаз, вязкости и плотности сточной воды и от ускорения центробежного поля.

Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат конической формы (рис. 8).

43

Рис. 8. Напорный циклон:

1 – корпус; 2 – входной патрубок;

3 – выходной патрубок

Гидроциклоны изготовляются диаметром от 10 до 700 мм, высота цилиндрической части примерно равна диаметру аппарата. Угол конусности равен 10...20°. Эффективность гидроциклонов находится на уров-

не 70 % [11].

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Такие аппараты называются мультигидроциклонами. Они наиболее эффективны при очистке небольших количеств воды от тонкодиспергированных примесей. Увеличение производительности этих аппаратов достигается путем компоновки их в блоки со значительным числом рабочих единиц. Для глубокой очистки последовательно устанавливают гидроциклоны разных типоразмеров.

Открытые (безнапорные) гидроциклоны применяют для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлическая крупность частиц 5 мм/с). Отнапорныхгидроциклоновониотличаютсябольшейпроизводительностью и меньшим гидравлическим сопротивлением.

44

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флокуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и т. д. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсионных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Коагуляция

Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсионных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсионных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсионых частиц, т. е. частиц размером 1...100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Вкачествекоагулянтовобычноиспользуютсолиалюминия– сульфат алюминия Al2(SO4)3, алюминат натрия NaAlO2; соли железа – сульфаты железа Fe2(SO4)3, Fe(SO4)3 и FeSO4, а также хлорное железо FeCl3 [11].

При гидролизе солей алюминия и железа в воде образуются малорастворимые гидроокиси – это основной процесс, определяющий кинетику и эффективность очистки воды коагуляцией.

Уменьшение расхода коагулянта достигается обеспечением оптимальных значений рН [ 13 ].

45

Процесс образования хлопьев протекает по реакциям:

Аl2(SO4)3 + 6H2О → 2Al(OH)3↓+3Н2SO4; FeCl3 + 3H2О → Fe(ОН)3↓+ HCl;

Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3 ↓+3H2SO4.

При подщелачивании сточных вод используют NaOH и Ca(OH)2: 2FeCl3+3Ca(OH)2→2Fe(OH)3↓+3CaCl2;

Fe2(SO4)3+3Ca(OH)2→2Fe(OH)3↓+3CaSO4.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкую область оптимальных значений pH среды; большую прочность и гидравлическую крупность хлопьев; возможность использования для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионовжелезаснекоторымиорганическимисоединениямисильноокрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей Аl2(SO4)3 и 2FeCl3 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов.

Флокуляция

Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции, при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

46

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлозы и т. д. Активный диоксид кремния (xSiO2· yH2O) – наиболее распространенный неорганический флокулянт. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получили полиакриламид [-CH2-CH-CONH2]n, технический (ПАА) и гидролизованный (ГППА) [11].

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. Коллоидные частицы заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий:

•дозирование и смешение реагентов со сточной водой;

•хлопьеобразование и осаждение хлопьев.

На рис. 9 приведена схема очистки сточных вод коагуляцией.

Рис. 9. Схема установки для очистки сточных вод коагуляцией:

1 – емкость для приготовления растворов; 2 – дозатор; 3 – смеситель; 4 – камера хлопьеобразования; 5 – отстойник

Длясмешениякоагулянтовсводойприменяютгидравлическиеимеханические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления и скорости потока воды.

47

Достоинства, которыми обладает метод очистки сточных вод коогуляцией:

•простота оборудования, предназначенного для процесса коагуля-

ции;

•невысокая стоимость монтажных работ;

•простота ввода, увеличения и уменьшения реагентов, что позволяет применять коагуляцию при значительных колебаниях количества и качества сточных вод;

•возможность остановки процесса очистки или его возобновления (при этом перерыв не влияет на протекание процесса).

К недостаткам следует отнести:

•образование значительных объемов осадков, имеющих большую влажность, трудно поддающихся обезвоживанию;

•повышенное содержание ионов SO4 и Cr в очищенной воде, приводящее к коррозии оборотных систем водоснабжения;

•большой расход минеральных коагулянтов [ 13 ].

Флотация

Флотация – это способ очистки сточных вод от гидрофобных веществ (жиров, масел, мазута и т. д.) с помощью пузырьков воздуха, которые, закрепляясь на поверхности извлекаемых частиц, выносят их на поверхность очищаемойводы и затемудаляютсяспециальнымиустройствами.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Элементарный акт флотации заключается в следующем. При сближении поднимающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей (рис. 10). Затем комплекс «пузырек–частица» поднимается на поверхностьводы, гдепузырькисобираются, ивозникаетпенныйслойс более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

48

Рис. 10. Схема прилипания пузырька к взвешенной в воде частице:

1 – пузырек газа; 2 – твердая частица

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, котораяхарактеризуетсявеличинойкраевогоугласмачиванияθ. Чембольше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при образовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей поверхностно-активных частиц (ПАВ), электролитов и т. п.

Поверхностно-активные вещества. Реагенты-собиратели, адсор-

бируясьначастицах, понижаютихсмачиваемость, т. е. делаютихгидрофобными. Вкачествереагентов-собирателейиспользуютмасла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и т. д. Повышения гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, прочность прилипания минимальна, для несмачиваемых частиц – максимальна.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. По некоторым данным, оптимальный размер пузырьковравен15...30 мкм. Приэтомнеобходимавысокаястепеньнасыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увели-

49

чивается 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 т. д. 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 [11].

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.

Различаютследующиеспособыфлотационнойобработкисточныхвод:

•выделение воздуха из растворов;

•механическое диспергирование воздуха;

•подача воздуха через пористые материалы;

•электрофлотация, химическая и биологическая флотация и т. д. Флотацию с выделением воздуха из раствора применяют для очист-

ки 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, напорную и эрлифтную флотацию.

Привакуумнойфлотациисточнуюводупредварительнонасыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 225...300 мм рт. ст. Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около

20мин.

Кдостоинствам этого способа следует отнести то, что образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной сре-

50