Очистка сточных вод – процесс многоэтапный.

Мелкодисперсные частицы, которые не осаждаются, являясь легче воды, удаляются с помощью флотации.

В данной статье мы разбираемся, как происходит выделение сложных загрязнителей на флотационных установках, изучаем виды флотационной обработки, а также изучаем преимущества и недостатки различных технологий.

Суть метода

Флотация – один из физико-химических методов обработки промышленных и хозбытовых стоков путем выделения загрязнений с помощью пузырьков воздуха. В основе термина лежит английское «flotation» – «плаванье на поверхности воды». У французов для этих целей заимствовано слово «flotter» – «плавать».

Флотация применяется, чтобы собрать на поверхности сточной жидкости загрязнения с явно выраженными гидрофобными свойствами – мелкие твердые частицы, коллоидно-дисперсионные взвеси и другие примеси с плотностью, близкой воде, не обладающие способностью к осаждению.

Всплывая, воздушные пузырьки захватывают часть загрязнений и выносят их на поверхность воды, образуя пленку или пенный слой (флотошлам).

В основе метода – способность различных веществ к смачиванию и процесс прилипания частиц флотируемой массы к границе фаз жидкости и газа, который происходит в результате избытка свободной энергии поверхностных пограничных слоев.

 

Фото 4

Соединения, отличающиеся хорошей способностью к смачиванию, называются гидрофильными, а несмачиваемые вещества относятся к гидрофобным. Процесс флотации запускается только в случае несмачивания или недостаточного смачивания частицы водой. Смачивающий потенциал жидкости зависит от ее полярности – чем выше показатель, тем ниже способность смачивать твердые тела.

Описание

Алгоритм обработки стоков с применением флотации:

  1. В сточный раствор определенным способом поступает диспергированный воздух.
  2. Происходит сближение гидрофобных частиц и капсул воздуха.
  3. Между гидрофобным элементом и пузырьком начинает истончаться прослойка, затем происходит прилипание. Причина заключается в превышении силы взаимодействия между молекулами воды над уровнем адгезивного контакта между водой и гидрофобными элементами.
  4. Результатом контакта становится флотокомплекс «гидрофобная частица + пузырек газа».
  5. Плотность сформировавшегося агрегата ниже плотности среды, поэтому он поднимается на поверхность, образуя пенный концентрат флотационного шлама.

Всплывшие с пеной примеси затем снимаются при помощи специального оборудования и направляются на обезвоживание.

Прочность агрегата «частица-пузырек» зависит от размеров и физико-химических качеств пузырька и частицы, свойств сточной жидкости, гидродинамических условий, других факторов. Если пузырьки воздуха большие, то скорости пузырька и частицы значительно различаются – до такой степени, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушной капсулы.

Кроме того, такие пузырьки при быстром перемещении активно перемешивают воду, разъединяя уже соединенные комплексы.

Поэтому, чтобы флотатор показывал достаточную эффективность, размер пузырьков регулируется, чтобы при превышении определенных параметров они не могли попасть во флотационную камеру.

В зависимости от метода формирования пузырьков существуют следующие виды флотации:

  1. Обработка пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с применением пористых материалов).
  2. Обработка пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная,напорная).
  3. Электрофлотация.

Факторы эффективности

Различные обстоятельства способны увеличивать или снижать эффективность флотационной обработки.

Среди наиболее значительных такие:

  1. Показатель гидрофобности веществ. При высоких значениях частицы активнее контактируют с воздушными капсулами, образуя устойчивые флотокомплексы. Примеси абсолютно гидрофобными бывают редко – в составе обычно присутствуют и гидрофильные компоненты. Чтобы увеличить гидрофобность загрязнений, в стоки вводят различные реагенты.
  2. Размер и устойчивость пенных капсул.В результате флотации должны сформироваться воздушные пузырьки такого размера, чтобы могли всплывать на поверхность воды. При этом они не должны быть слишком крупными — в этом случае они будут подниматься слишком быстро, не успев соединиться с достаточным количеством загрязняющих частиц. Кроме того, воздушные капсулы должны быть прочными, и не разрушаться.
  3. Равномерное образование пены. Множество капсул воздуха, равномерно распределенных в сточной жидкости, делают процесс обработки более качественным.

Установки для флотации не применяются в качестве единственного инструмента очистки стоков. Они используются в комплексе с другим оборудованием, например, в тандеме с сооружениями для первичной механической обработки (отстойниками). Технология может применяться одновременно с флокуляцией.

Фото 3

Флотация максимально качественно очищает стоки от ПАВ, нефтяных фракций, смолоподобных образований, жиров, полимеров, волокнистых примесей. Кроме того, с помощью флотации отделяют активный ил после биохимической обработки загрязненных сточных вод различного происхождения.

Виды флотации

Суть процесса флотации заключается в насыщении сточных вод воздухом. Главное «орудие» технологии – микроскопические воздушные сферы, которые образуются при выделении из воды или в результате дробления газовой составляющей по всему объему жидкости.

Главное в классификации флотационных методов – способ насыщения стоков воздухом, технология дробления пузырьков. Разбираемся с особенностями применения каждого способа.

Выделение воздушных пузырьков

Технология выделения воздуха позволяет получать самые микроскопические воздушные сферы, поэтому часто применяется при очистке сточных вод, в которых концентрируются мелкодисперсные примеси. Принцип флотации состоит в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости, он выделяется в виде микропузырьков, захватывающих нежелательные примеси.

Объем воздуха, который должен обеспечить достаточную эффективность обработки, составляет 1-5 % от массы стоков.

Для выделения воздушных капсул используют напорную или вакуумную флотацию. Первый метод заключается в нагнетании воздуха и последующем резком снижении давления, что способствует выделению массы пузырьков в растворе.

Технология позволяет регулировать степень пересыщения, чтобы добиться нужной эффективности при начальной концентрации загрязнений от 4-5 г/л и выше, поэтому применяется чаще.

Флотация с применением вакуума происходит иначе. На начальном этапе очистки жидкость проходит через камеру аэрации, насыщаясь воздухом. Затем она поступает в дизаэратор для удаления нерастворенного воздуха. На заключительном этапе стоки проходят через флотационную камеру.

В резервуаре жидкость в зоне низкого давления (ниже атмосферного), что приводит к энергичному образованию пузырьковой массы. Примеси прочно прилипают к поверхности капсулы воздуха и надежно удерживаются вплоть до окончательного всплывания.

Фото 6

Пропускание воздуха через пористые материалы

Это самый простой способ получения диспергированного потока воздуха и самый экономичный по расходу энергии. У метода есть и другое название – «барботажный».

Воздух перед подачей во флотационную камеру предварительно пропускают через:

  • пористые материалы;
  • трубы;
  • насадки;
  • пластины со сквозными отверстиями.

Диаметр микроскопических пузырьков определяется размерами пор (примерно 4–20 мкм). Давление воздуха составляет 0,1-0,2 МПа, продолжительность обработки – около получаса.

Если объем стоков невелик, флотация проводится в камере, оснащенной пористыми колпачками. Агрегированные воздухом примеси образуют пену в верхнем слое, которая отводится из емкости по специальному каналу.

Преимущество флотации с применением пористых структур заключается в активном насыщении стоков, к недостаткам можно отнести тот факт, что маленькие отверстия материалов периодически забиваются загрязняющими примесями.

Эрлифтная

Эта технология флотации часто применяется для обработки стоков химических производств. Основа обработки – перепад высот, на которых установлены емкости, что существенно уменьшает объем энергозатрат.

Камера с жидкостью размещается на высоте 30 м. Загрязненный сточная масса поступает в аэратор, который расположен гораздо ниже. В воду нагнетается воздух, а затем водный поток по эрлифтным трубам направляется в камеру флотации.

Подъем воздуха сначала способствует образованию воздушных капсул, а затем стимулирует формирование комплексов «частица-пузырек».

Агрегированные примеси всплывают и собираются на поверхности, а внизу остается относительно очищенная вода, которая в дальнейшем может подвергаться дополнительной обработке до достижения заданных нормативных значений.

Фото 7

Электролизная флотация

Суть электрофлотации – в переносе загрязнений из сточной жидкости на ее поверхность с помощью капсул газа, образующихся при электролизе. В стоки опускаются два электрода из железа или алюминия, через которые проходит электроток.

В результате процесса электролиза вода, окружающая электроды, распадается на пузырьки водорода и кислорода – на катоде выделяется водород, а на аноде кислород. Главная роль для «захвата» примесей отведена сферам, образующимся на катоде.

Металлы в составе электродов выделяют коагулянты, которые связывают частицы и превращают их в хлопьевидные соединения, затем хлопья объединяются с воздушными пузырьками и концентрируются на поверхности воды в виде пенного слоя.

Одновременное формирование хлопьев коагулянта и воздушных пузырьков способствует надежной фиксации газовых капсул на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что в совокупности дает качественный результат очистки.

Механическое диспергирование

Перемещение потока воздуха в воде стимулирует активное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные капсулы.

Среди механических способов получения воздушных пузырьков выделяются 3 основных:

  1. Безнапорный. Это результат применения колеса, которое соединено с центробежным насосом. Пузырьки при таком методе флотации получаются достаточно крупными и подходят для фиксирования на себе жировых капсул и волокнистых частиц, например, шерсти. Сформировавшиеся агрегаты «частица-пузырек» поднимаются на поверхность, очищая стоки.
  2. Пневматический. Стоки насыщаются воздухом через форсунки труб, уложенных на дне резервуара. Метод подходит для очистки сточных жидкостей, загрязненных агрессивными веществами, которые способны повредить вращающиеся флотационные узлы – импеллер и колесо.
  3. Импеллерный. Установка перемешивает воду турбиной с направленными вверх лопастями. В результате получается множество одинаковых воздушных микросфер – по размеру идеально подходящих для адсорбирования компонентов нефтепродуктов, жиров, а также нерастворимых частиц при концентрации их в растворе до 3 г/л. На размер пузырьков влияет скорость турбины – чем она выше, тем меньше диаметр. Импеллер должен работать с определенной скоростью, превышение показателя вращения лопастей способно мешать формированию флотокомплексов. Импеллерная флотация применяется достаточно редко. Причины – недостаточная эффективность очистки, высокая турбулентность потоков во флотационной камере, разрушающая хлопьевидные соединения, необходимость применения ПАВ.

Метод пенной флотации

При этом способе стоки проходят предварительную обработку реагентами. Затем пузырьки воздуха выталкивают добавки на поверхность, образуя слой пены, который и выносит различные загрязняющие соединения. Иногда в стоки вводится пенообразователь, повышающий устойчивость пены.

Реагенты значительно повышают качество работы оборудования.

Среди флотодобавок выделяются 3 основные категории:

  1. Коллекторы. Вводятся для удаления водной пленки с поверхности взвешенных частиц – для прочного соединения с капсулами газа.
  2. Регуляторы или модификаторы. Регулируют количество прилипающих частиц, а также качество и устойчивость контакта.
  3. Пенообразователи. Добавляются, чтобы увеличить плотность оболочки воздушных капсул. Другая функция – контролировать размер пузырьков, препятствуя их увеличению.

 

Фото 10

Реагенты подбираются в зависимости от вида флотационной обработки и состава очищаемой сточной жидкости.

Биологическая и химическая

Применение химических реагентов (окислительных или карбонатных) приводит к полному выделению дисперсных частиц.

Метод используется для уплотнения осадков сточных вод. Хлорсодержащие окислители обеззараживают стоки, выделяя молекулы активного хлора и кислорода. Карбонатные реагенты способствуют образованию углекислого газа. Образующиеся пузырьки адсорбируют загрязнения и выносят их в поверхностный пенный слой.

Пена обычно имеет пленочно-структурное строение и содержит много воды, процесс уплотнения всплывшего шлама наиболее интенсивен в первые два часа, затем замедляется и через четыре часа завершается.

При флотационной обработке стоков с высокой концентрацией органики, как правило, бытовой природы, образуется рыхлая пена. Для уплотнения пенного слоя используют биологический метод. Алгоритм биофлотации прост – смесь нагревают и оставляют на несколько суток.

Присутствующие в биомассе микроорганизмы заставляют ее активно бродить, выделяя газы, которые проникают в пену, попутно извлекая примеси из раствора. В результате пенный слой становится значительно уплотненным.

Флотационные установки

Очистка стоков производится с помощью различных флотационных установок. Оборудование классифицируется по способу образования воздушных капсул.

Аппарат состоит из следующих узлов:

  • резервуара с насосом, предназначенным для смешивания кислорода с водой и реагентами;
  • танка флотации с клапаном для отведения избыточного воздуха;
  • дегазатора для удаления остаточного кислорода.

Принцип работы:

  1. Вода попадает в рабочую емкость, где насыщается мелкодисперсным воздухом.
  2. Насыщенная воздушными пузырьками сточная жидкость поступает в камеру флотации для взаимодействия гидрофобных примесей с пузырьками газа.
  3. В результате изменения поверхностного натяжения воды начинается постепенное уменьшение, а затем происходит разрыв слоя между гидрофобными частицами и воздушными капсулами.
  4. На поверхности жидкости формируется грязный пенный слой.
  5. Пена удаляется с помощью грабельных или скребковых устройств.

Установки делятся на три основные категории:

  1. Создающие микропузырьки.
  2. Напорные.
  3. Гравитационные.

Все флотаторы работают по принципу пенной флотации, но каждая из систем наиболее эффективна для обработки определенных стоков различной степени загрязненности с отличающимся составом.

Фото 11

Выпускаются в виде одно- или двухкамерных аппаратов. Однокамерные наиболее результативны при флотации крупными пузырьками. Для процесса с микропузырьками более эффективна двухкамерная емкость.

В первой камере обеспечиваются условия для взаимодействия частиц, а во второй создается благоприятная гидродинамическая среда для завершения процесса и формирования пены.

Среди установок бывают аппараты с:

  • горизонтальным;
  • вертикальным;
  • угловым движением стоков.

Самыми эффективными считаются аппараты с угловым направлением движения воды, наименее эффективными – установки с вертикальной струей.

Механические флотаторы

Это резервуары, в которых стоки для насыщения воздухом перемешиваются лопастями. Используются для обработки стоков с высокой концентрацией взвешенных загрязнений, склонных к пенообразованию.

Напорный флотатор

Флотационная установка с подачей воздуха под давлением через сатуратор показывает самую высокую эффективность. Из-за перепада давления происходит активное образование мелких воздушных пузырьков. Поверхностное натяжение способствует их соединению с молекулами загрязнений. Флотошлам всплывает на поверхность, затем механически удаляется.

Напорное устройство используют, когда плотность примесей примерно равнозначна плотности воды. В этом варианте мелкодисперсные частицы не выпадают в осадок.

Флотаторы импеллерного типа

Импеллер (механическая мешалка), установленный на дне флотационной камеры, приводится в движение электродвигателем, расположенным выше уровня жидкости во флотаторе. Задача импеллера – диспергирование воздуха в воде.

При вращении создается зона пониженного давления и на лопасти поступает воздух и небольшой объем воды.

Жидкость перемешивается с капсулами газа и подается во флотационную камеру, где воздушные пузырьки прилипают к частицам и флотируют их на поверхность, размер пузырьков зависит от скорости импеллера.

Импеллерные установки применяются при очистке стоков с высокой концентрацией (> 3000 мг/л) нерастворенных примесей в условиях, когда необходим значительный уровень насыщения воздухом сточного раствора (до 0,5 объема воздуха на 1 объем воды).

Электрофлотатор

Электрофлотатор представляет собой установку для обработки стоков от тяжелых металлов, нефтепродуктов и ПАВ методом электрофлотации. Особенность устройства – возможность реализации замкнутого цикла оборотного водоснабжения.

Принцип работы электрофлотатора – электрохимические процессы выделения кислорода и водорода в процессе электролиза и флотационный эффект всплытия загрязнений на поверхность сточной жидкости.

Фото 12

Электрофлотационный модуль состоит из:

  • электрофлотатора с блоком нерастворимых электродов;
  • пеносборного (скребкового) механизма;
  • источника питания;
  • накопительных резервуаров для сточных и очищенных вод;
  • насосного оборудования.

Вариант наиболее эффективен при установке алюминиевых или железных стержней. Ионы металлов выступают вспомогательными реагентами для формирования устойчивых соединений частиц загрязнений и капсул газа.

Плюс электрофлотатора – простая конструкция, не занимающая много места. Кроме того, не требуются емкости для реагентов и сатураторы. Но есть и недостатки – значительные затраты на электроэнергию, необходима установка оборудования для вывода водорода.

Плюсы и минусы

В пользу флотации как метода очистки стоков говорит много факторов:

  • непрерывность процесса;
  • не требует больших финансовых затрат как на старте, так и при последующем использовании установок (невысокие капитальные и эксплуатационные затраты);
  • простое оборудование;
  • широкая сфера применения;
  • высокий уровень очистки;
  • предпочтительный метод для определенных взвесей – процесс идет гораздо быстрее, чем осаждение примесей способом отстаивания;
  • селективность выделения примесей;
  • шлам имеет невысокое содержание влаги, что ценно для транспортировки и утилизации;
  • возможность рекуперации удаляемых веществ.

Но как и у любой другой технологии очистки, у флотации имеется и ряд недостатков:

  • метод не является самостоятельным, требует дополнительных технологий очистки;
  • удаляется только часть загрязнений, поскольку эффективность зависит от гидрофобности частиц;
  • иногда требуются дополнительные затраты на расход реагентов, улучшающих качество пены и усиливающих гидрофобность примесей;
  • метод не является универсальным — каждый вид загрязнителя требует индивидуального подхода;
  • существует необходимость строго контролировать количество и размеры воздушных пузырьков.

В качестве альтернативы вместо флотации применяются механические способы очистки стоков, например, отстаивание.

Видео по теме

Предлагаем посмотреть видео, где описан весь процесс флотации схематично:

Заключение

Флотация проводится при участии немногих простых устройств – агрегатов для выделения/подачи воздуха и механизмов для удаления пенного слоя. Способ дает хорошие результаты при минимальных затратах.

Преимуществ у флотации немало, но метод не является самостоятельной и окончательной очисткой стоков от нежелательных примесей – это лишь один из этапов сложной обработки. Во время флотации вода освобождается от нефтепродуктов и масел, которые практически невозможно извлечь другими способами, а также от различных волокон.

В большинстве случаев флотация идет после этапа отстойников, чтобы удалить загрязнения, которые не подвержены осаждению. Для повышения эффективности в сточную жидкость иногда вводят реагенты, регулирующие интенсивность приклеивания частиц к воздушным пузырькам. В некоторых случаях применяют вещества, стимулирующие пенообразование, что ускоряет дальнейшее отделение загрязненной пены.