1.5.2. Флотация

висит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех случаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированнием.

Возможность образования флотационного комплекса "пузырек-частица", скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с

их поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пузырька образуется трехфазный периметр – линия, ограничивающий площадь прилипания пузырька и яв-

ляющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька (рис. 1.22) в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращен-

ный в жидкость угол θ, называемый краевым углом смачивания.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела

слабеет. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина ее поверхностного натяжения на границе с газовой средой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном на-

тяжении воды не более 60÷65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания θ. Чем боль-

ше угол θ, тем более гидрофобна поверхность частицы, таким образом, увеличиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пу-

зырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15÷30 мкм, а макси-

мальные 100÷200 мкм.

Таким образом, процесс флотации заключается в следующем – при сближении в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается 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.

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 ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные вещества – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реаген- тов-собирателей используют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, алкил-сульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность частиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность.

Энергия образования комплекса "пузырек-частица" [5]:

где σ – поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

33

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, θ стремится к нулю, следовательно, cosθ стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для несмачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса "пузырек-частица" будет максимальной.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, т.к. увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, крезол, фенолы, алкил-сульфаты натрия.

Вес частицы 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.

В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая. Флотацию используют для выделения активного ила после биохимической отчистки.

Достоинствами флотации являются:

1)непрерывность процесса;

2)широкий диапазон применения;

3)небольшие капитальные и эксплутационные затраты;

4)простота аппаратуры;

5)селективность выделения примесей;

6)более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;

7)возможность получения шлама более низкой влажности (90-95 %);

8)высокая степень отчистки (95-98 %);

9)возможность рекуперации удаляемых веществ.

Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способствует успешному проведению следующих стадий очистки.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу, можно выделить следующие способы обработки производственных сточных вод:

-флотация с выделением воздуха из раствора;

-флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки);

-флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

-электрофлотация;

-биологическая и химическая флотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходят образование пузырьков воздуха и агрегатов "пузырек-частица", а во втором – всплывание шлама (пены) и осветление жидкости.

1.5.2.1. Флотация с выделением воздуха из раствора

Применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидко-

34

сти. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из перенасыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации,

обычно составляет 1÷5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В зависимости от способа создания пузырьков различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

- сложность эксплуатации

вакуумных флотационных установок; - ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок (концентра-

ция загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).

Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается воздухом в течение 1÷2 мин в аэрационной камере 1, откуда она поступает в деаэратор 2 для удаления

нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02÷0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3, в которой растворившийся воздух при атмосферном давлении выделяется в виде пузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1 м2 площади поверхности около 200 м3/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной воды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.

Напорная флотация (рис. 1.24). Установки напорной флотации просты и надежны в эксплуатации. Этот метод имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки

сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4÷5 г/л и более. Для увеличения степени очистки в сточную воду добавляют коагулянты. Аппараты напорной флотации обес-

печивают по сравнению с нефтеловушками в 5÷10 раз меньше остаточное содержание за-

грязнений и имеют в 5÷10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под повышенным давлением и выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Напорные флотационные установки имеют производи-

тельность от 5 до 2000 м3/ч. Пребывание воды в напорной емкости составляет 10÷15 мин, а во флотационной камере – 10÷20 мин.

35

III

II

Рис. 1.24. Схема напорной флотации:

I – подача сточной воды; II – подача воздуха; III – отвод пены;

IV – отвод обработанной воды

При напорной флотации (рис. 1.24) сточные воды по трубопроводу насосом 2 подаются в напорный бак 3 (сатуратор) из приемного резервуара 1. На всасывающем трубопроводе имеется патрубок для подсоса воздуха. Сатуратор или напорная емкость служит для равномерного растворения воздуха в сточной воде. Объем сатуратора рассчитывают на необходи-

мую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1÷3 мин) при избыточном давлении

0,15÷0,4 МПа.

Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3÷5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода подается во флотационную камеру 4, где при атмосферном давлении растворенный воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники. Отвод пены осуществляется по линии III в верхней части флотатора. Осветленная вода отводится из нижней части флотатора – линия IV. Площадь

флотационной камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 6÷10 м3/ч на 1 м2 площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин.

Объем засасываемого воздуха составляет 1,5÷5 % от объема очищаемой воды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений. При проектировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м³/ч, принимаются прямоугольные флота-

торы в плане камеры глубиной 1÷1,5 м, с расходом более 100 м3/ч – радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м. Глубина зон флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжительность пребывания сточной воды в них соответственно 5 и 15 мин.

По схемам (рис. 1.23 и 1.24) вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыщается воздухом. Схемы с рециркуляцией (рис. 1.25, а) и с частичной подачей воды насосом (рис. 1.25, б) рекомендуется использовать, если проводится предварительная коагуляция сточной воды с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев в насосе.

36

Рис.1.26. Схема радиального флотатора:

I – подача сточной воды; II – отвод обработанной сточной воды; III – опорожнение флотатора и отвод осадка; IV – отвод пены

Применяются также многокамерные флотационные установки. В многокамерной установке (рис. 1.27) загрязненная сточная вода, скапливаясь в емкости 1, насосом 2 сначала подается в гидроциклон 4, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем ее направляют в первую камеру флотатора 3, где сточная вода смешивается с циркуляционной водой из напорного бака 6, насыщенной воздухом, поступающей через аэраторы 7.

II

шлам

I

Рис. 1.27. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией:

I – подача сточной воды; II – отвод очищенной воды; 1 – емкость;

2 – насос; 3 – флотатор; 4 – гидроциклон; 5 – пеносъемник; 6 – напорный бак; 7 – аэраторы; 8 – насос

В первой камepe флотатора выделяются пузырьки воздуха, которые и флотируют загрязнения. После этого сточная вода поступает во вторую камеру и в последующие, в кото-

38