CC BY
61
УДК 628.543
Д. В. Алексеев, А. А. Шагивалеев, Л. Р. Уразбахтина, И. В. Павлова
ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТОВ С ИНТЕНСИВНОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ КРУПНОТОННАЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ ОТ НЕРАСТВОРИМЫХ ПРИМЕСЕЙ
Ключевые слова: сточные воды, способы очистки сточных вод, отстаивание, осветление, фильтрование, центробежное разделение, флотация, аппараты для очистки сточных вод, аппараты с интенсивной гидродинамической средой.
Основным требованием, предъявляемым к аппаратурному оформлению процессов очистки промышленных стоков от нерастворимых взвесей, является высокая пропускная способность оборудования. Традиционное оборудование для очистки промышленных стоков от нерастворимых взвесей (отстаивание, осветление в слое взвешенного осадка, фильтрование) работает при низких скоростях жидкой фазы, как правило, не превышающих 1-2 м/с, что обуславливает либо низкую производительность аппаратов при стандартных габаритных размерах, либо чрезвычайно большие их габариты при высоких значениях производительности. Применение аппаратов с интенсивной гидродинамической средой (вихревых и закрученных потоков, струйных течений, турбулизация сплошной фазы) обеспечивает повышение технико-экономических показателей аппаратурного оформления и позволяет удовлетворить требованиям, которые выдвигаются к оборудованию в связи с повышением производительности.
Keywords:sewage, wastewater treatment process, sedimentation, clarification, filtration, centrifugal separation, flotation apparatus for wastewater treatment units with intensive hydrodynamic environment.
The main requirement for hardware design process industrial wastewater from insoluble suspensions is high throughput equipment. Traditional equipment for industrial wastewater from insoluble sediment (sedimentation, clarification in the layer of suspended sediment filtration) running at low speeds of the liquid phase, as a rule, does not exceed 2.1 m / s, which leads to a lower performance devices with standard dimensions, or their extremely large size at high performance.
The use of devices with intensive hydrodynamic environment (vortex and swirling flows, jet flows, turbulence in the continuous phase) enhances the technical and economic performance hardware design, and to satisfy the demands made to the equipment due to increased productivity.
Современный уровень мирового производства предполагает потребление в технологических целях огромных объемов пресной воды, достигающих в настоящее время 5 триллионов кубических метров в год. После использования воды в технологических процессах образуются промышленные стоки, которые подлежат глубокой очистке, как от растворимых примесей, так и от нерастворимых дисперсных (жидких и твердых) взвесей.
Сточные воды, отводимые с территории промышленных предприятий, по своёму составу могут быть разделены на [1,2]:
- производственные - используемые в технологическом процессе, в том числе:
1. сточные воды систем охлаждения;
2. сточные воды водоподготовительных установок;
3. стоки, загрязнённые нефтепродуктами;
4. стоки от химических очисток и консервации оборудования;
5. обмывочные воды и т.д.;
- бытовые - от санитарных узлов, душевых установок, от гидравлической уборки помещений и т.п., имеющихся на территории промышленных предприятий;
- атмосферные - дождевые и от таяния
снега.
Составы и количества перечисленных стоков различны. Они зависят от типа и мощности основ-
ного оборудования, качества исходной воды, способов водоподготовки, и др. Попадая в водоёмы, примеси сточных вод могут менять солевой состав, концентрацию кислорода, значение рН, температуру и другие показатели воды, затрудняющие процессы самоочищения водоёмов.
Загрязнённые производственные сточные воды могут содержать различные примеси, в том числе:
- минеральные (стоки предприятий металлургической, рудо- и угледобывающей, машиностроительной промышленности, заводы по производству минеральных удобрений, кислот, строительных изделий и материалов и др.);
- органические (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности, заводы по производству пластмасс, каучука и т.д.);
- одновременно минеральные и органические примеси (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, лёгкой, фармацевтической промышленности и т.д.).
Взвешенные вещества могут находиться в суспензии или эмульсии в грубодисперсном состоянии, в тонкодисперсном состоянии и в коллоидном виде.
Содержание взвешенных веществ в сточных водах изменяется от нескольких единиц до десятков тысяч мг/л.
Для многих технологических процессов актуальной задачей является очистка сточных вод от загрязняющих их нефтепродуктов. Промышленные сточные воды, загрязнённые нефтью и нефтепродуктами, в общем объёме промышленных стоков составляют наиболее значительную долю.
Нефтесодержащие сточные воды образуются на нефтепромыслах при добыче нефти, на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах, на нефтебазах, на железнодорожных промывочно-пропарочных станциях при обработке нефтяных цистерн, на станциях перекачки нефтепродуктов, на машиностроительных заводах и тепловых электростанциях, в речных и морских портах при эксплуатации нефтеналивных судов и т.п. Нефтепримеси попадают в промышленные стоки при получении, хранении, переработке, а также при использовании нефтепродуктов в связи с возможными проливами.
Очистка сточных вод от нефтепродуктов сопряжена с определёнными трудностями, обусловленными тем, что часть нефтепродуктов находится в эмульгированном состоянии. Крупные частицы нефтепродуктов хорошо всплывают, а тяжёлые фракции (мазуты, битумы) оседают на дно, тогда как эмульгированные нефтепродукты сохраняют устойчивое взвешенное состояние, особенно при концентрациях не превышающих 1000 мг/л и в присутствии поверхностно-активных веществ, предохраняющих частицы эмульгированных нефтепродуктов от слияния. Таким образом, даже при продолжительном отстаивании в прудах-отстойниках невозможно обеспечить достаточный эффект очистки.
Для минимизации влияния примесей сточных вод на качество поверхностных природных вод для каждого выпуска сточных вод установлены нормативы предельно допустимых сбросов вредных веществ, исходя из условий не превышения предельно допустимых концентраций вредных веществ в контрольном створе водоёма. Так, для питьевой воды установлены ПДК по сотням вредных химических веществ [4]. Для водоёмов рыбохозяйственного значения требования к стокам более жесткие [5].
Для очистки промышленных стоков от нерастворимых примесей в настоящее время применяют различные способы водоочистки: отстаивание, осветление в слое взвешенного осадка, фильтрование, центробежные способы, флотацию.
Основным требованием, предъявляемым к аппаратурному оформлению процессов очистки промышленных стоков от нерастворимых взвесей, является высокая пропускная способность оборудования. Традиционное оборудование для очистки промышленных стоков от нерастворимых взвесей (отстаивание, осветление в слое взвешенного осадка, фильтрование) работает при низких скоростях жидкой фазы, как правило, не превышающих 1-2 м/с, что обуславливает либо низкую производительность аппаратов при стандартных габаритных размерах, либо чрезвычайно большие их габариты при высоких значениях производительности.
Применение аппаратов с интенсивной гидродинамической средой (вихревых и закрученных потоков, струйных течений, турбулизация сплошной
фазы) обеспечивает повышение технико-экономических показателей аппаратурного оформления и позволяет удовлетворить требованиям, которые выдвигаются к оборудованию в связи с повышением производительности.
В этой связи целесообразно провести классификацию способов и аппаратурного оформления для очистки стоков:
1. способы очистки промышленных стоков от нерастворимых примесей с применением аппаратов со спокойной средой: отстаивание, осветление в слое взвешенного осадка, фильтрование, некоторые способы флотации (пневматическая, напорная, электрофлотация);
2. способы очистки промышленных стоков от нерастворимых примесей с применением аппаратов с интенсивной гидродинамической средой: центробежные способы, флотация (импеллерная, струйная).
Ниже представлена краткая характеристика каждого из вышеуказанных способов очистки сточных вод промышленных предприятий.
Отстаивание
Отстаиванию подвергаются сточные воды, содержащие, как правило, грубодисперсные взвеси. Если плотность дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды, то взвешенные частицы под действием силы тяжести оседают на дно. Если же плотность взвешенных частиц меньше плотности жидкости, то они всплывают вверх под действием силы, которая определяется по закону Архимеда [6].
Скорость процесса отстаивания является основным технологическим фактором, определяющим его эффективность. Она зависит от скорости осаждения взвешенных частиц, а для ее определения необходимо знать законы движения частиц в жидкости: скорость движения частиц и силу сопротивления, возникающую при движении частиц в зависимости от их плотности, размера и формы, а также от физических свойств дисперсионной среды.
Идеальный случай свободного осаждения может иметь место в бесконечно большом объеме жидкости при движении в нём одной частицы. Можно считать, что закономерности свободного осаждения соблюдаются с достаточной степенью точности, если объемная концентрация осаждающихся частиц не превышает 0,5-1,0%.
Точное решение задачи о свободном движении частицы в жидкости было найдено теоретическим путем Габриэлем Стоксом на основе решения дифференциальных уравнений гидродинамики применительно к частному случаю движения шара очень малого размера с малой скоростью. Формула, полученная Стоксом, имеет следующий вид:
^ = -3п/м1У, (1)
где Б - сила сопротивления, ц - вязкость жидкости, d - диаметр частицы, V - скорость движения частицы.
Уравнение (1.1), называемое законом Стокса, определяет силу сопротивления, которую испытывает частица при перемещении в жидкости. Это уравнение выведено при пренебрежении влиянием инерционных сил. Поэтому, закон Стокса справедлив
только для частиц малого размера, движущихся с малой скоростью, когда на сопротивление движению влияют только силы вязкости.
Увеличение размера и скорости движения частиц приводит к возникновению турбулентности при обтекании движущейся частицы жидкостью. В этом случае на движущуюся частицу начинают действовать инерционные силы, что приводит к нарушению линейности в законе Стокса. Рядом исследователей были предприняты попытки учесть влияние инерционных сил. Однако, все решения задачи о движении тела в жидкости оказываются справедливыми в отдельных областях значений скоростей и размеров тел.
Наиболее удачным следует считать представление закона сопротивления в таком виде:
р = др ж а 2у 2
(2)
где 4 - коэффициент сопротивления, рж - плотность жидкости, d - диаметр частицы (вычисляют как диаметр равновеликого по объему шара).
Коэффициент сопротивления 4 зависит от числа Рейнольдса. Как показали экспериментальные исследования, эта зависимость при значениях Яе< 1 подчиняется линейному закону сопротивления. С увеличением скорости осаждения и размера частиц (при Яе> 1) линейность закона нарушается. Существует три различных режима движения, каждому из которых соответствует определённый характер зависимости 4 = у (Яе):
* 24
ламинарный режим (Яе<1) -д =- (закон
Яе
Стокса);
- переходный режим (Яе= 1^500) -
д=
18,5
ке06
- автомодельный режим (Яе>500) -д = 0,44 (закон Ньютона).
Разделение неоднородных систем отстаиванием осуществляют в отстойниках. Большинство современных конструкций отстойников, применяемых для осветления воды, являются проточными [6], так как осаждение взвеси в них происходит при непрерывном движении воды от входа к выходу. Осаждение взвеси в потоке, движущемуся с малой скоростью, подчиняется закону осаждения в неподвижном объёме жидкости. В зависимости от направления движения воды различают 3 основных типа отстойников: горизонтальные, вертикальные и радиальные.
Чаще всего отстойники применяют для осветления мутных вод, в качестве первой ступени технологического процесса очистки воды, для «грубого осветления» воды при водоснабжении промышленных предприятий, а также при осаждении взвеси после её коагулирования.
Необходимую поверхность осаждения находят из следующего выражения:
р = у осв
V
где ^св - объёмный расход осветлённой жидкости.
Для интенсификации процесса необходимо вести отстаивание при повышенных температурах, так как с повышением температуры увеличивается скорость движения частиц за счет снижения вязкости. При этом необходимо иметь в виду, что с повышением температуры в жидкости усиливаются конвективные потоки, которые могут препятствовать осаждению малых частиц.
Производительность отстойников определяется скоростью осаждения частиц, т.е. продолжительностью процесса отстаивания, которую можно уменьшать за счет уменьшения высоты отстойников. В результате получают отстойники с небольшой высотой и значительной поверхностью осаждения.
Достоинства: возможность очистки больших объёмов стоков; универсальность процесса, т.е. возможность очистки, как от твёрдых, так и от жидких взвесей; простота процесса.
Недостатки: громоздкие очистные сооружения, требующие больших капитальных вложений; длительность процесса водоочистки.
Осветление в слое взвешенного осадка
Экспериментально [6] доказано, что эффект осветления воды резко возрастает при её прохождении через слой ранее образованного осадка. Подобные водоочистные сооружения называют осветлителями со слоем взвешенного осадка. Их применят как сооружения для предварительной обработки воды перед её фильтрованием. Осветлители обеспечивают высокий эффект осветления и имеют более высокую производительность, чем отстойники. Однако, конструкция осветлителей со взвешенным осадком и их эксплуатация более сложны.
При движении жидкости через пористую среду коэффициент сопротивления 4 и число Рейнольд-са находят по формулам:
Р0 тсо Л
д =
ЬРж V 26(1- тСо)
Яе =
Рж
М1 - тсо )
(4)
(5)
где р0 - перепад давления (потеря напора) в слое зернистого материала; Шсо - доля свободного объёма; Ь - толщина слоя; V - скорость фильтрования.
При движении жидкости через взвешенный в потоке слой площадью А, находящийся в состоянии динамического равновесия, сила давления жидкости на слой уравновешивается массой слоя Ш, которая равна
(6)
т = (Рч -Рж ) 8(1 - тсо )АЬ
Так как
РА = т
то
Р = (Р -Рж)8(1 -тсо)Ь,
(7)
Таким образом, для коэффициента сопротивления при движении жидкости через взвешенный слой
е -Рч - Р ж т1,а
(8)
Рж 6У2
Экспериментальные данные по изучению движения воды через взвешенные слои песка, гравия, дроблёного антрацита и стальных шариков показали, что зависимость между коэффициентом сопротивления и числом Рейнольдса выражается уравнением [6]
е(Яв) -е пр № + е. (9)
На рис. 1 приведены результаты экспериментальных данных.
1
9 7
5 3 1
ч—I—I—I—I—I—I—I—I—I—н
1 2 3
4 5
Рис. 1 - Зависимость £ от критерия Явпри движении воды через взвешенный слой мелкого гравия
Недостатки: данный способ водоочистки не позволяет добиться качественной очистки стоков промышленных предприятий от нерастворимых взвесей.
Фильтрование
Фильтрование - это процесс разделения неоднородных систем в искусственно созданных условиях с помощью пористых перегородок. Суспензии разделяют фильтрованием в тех случаях, когда взвешенные частицы слишком медленно осаждаются или для очистки сточных вод от тонкодисперсных загрязнений с небольшой концентрацией.
При фильтровании жидкость должна проходить через пористую перегородку, которая оказывает движению жидкости гидравлическое сопротивление. Чтобы жидкость могла преодолевать это сопротивление и проходить через поры фильтровальной перегородки, с обеих сторон перегородки создают разность давлений. Скорость процесса фильтрования пропорциональна разности давлений.
Твёрдые частицы, содержащиеся в суспензии, задерживаются на поверхности перегородки и образуют слой осадка (фильтрование с образованием осадка). Иногда твёрдые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются там, не образуя, осадка (фильтрование с закупориванием пор). Наиболее желательно фильтрование с образованием осадка, когда закупоривание пор фильтровальной перегородки твёрдыми частицами с соответствующим увеличением её сопротивления почти не происходит.
В начальный момент фильтрования гидравлическое сопротивление зависит от величины пор фильтрующей перегородки. По мере увеличения слоя осадка растет и его гидравлическое сопротивление. Вначале осадок играет положительную роль, как дополнительный слой фильтрующей среды. Чтобы уменьшить гидравлическое сопротивление слоя осадка, его периодически или непрерывно удаляют. От гидравлического сопротивления слоя осадка и пористой перегородки зависит скорость фильтрования, которая при прочих равных условиях обратно пропорциональна гидравлическому сопротивлению.
Обычно ввиду небольшого размера пор в слое осадка и фильтровальной перегородке, а также малой скорости движения жидкой фазы в порах можно считать, что фильтрование протекает в ламинарной области. При таком условии скорость фильтрования в каждый данный момент времени прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна вязкости жидкой фазы и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка и фильтровальной перегородки.
В качестве фильтровальных перегородок в настоящее время применяют бумагу, картон, хлопчатобумажные и шерстяные ткани, ткани из синтетических волокон, сетки из волосяных или металлических нитей, зернистые слои песка, диатомита и угля, пористые перегородки из кварца, шамота, спекшегося стеклянного или металлического порошка, а также из твёрдой резины. Средний размер и форма пор фильтровальных перегородок зависит от величины и формы элементов указанных материалов.
При выборе материала для фильтрующей перегородки учитывают следующие основные факторы: химические свойства обрабатываемой суспензии; необходимую разность давлений по обе стороны перегородки; степень дисперсности твёрдых частиц суспензии; производительность. Аппараты, предназначенные для фильтрования, называют фильтрами; их изготавливают периодического и непрерывного действия. В зависимости от вида фильтрующей перегородки, фильтры разделяют на три группы: с зернистой, тканевой и жесткой перегородками.
Недостатки: отсутствие универсальности, т.е. невозможность очистки от жидких взвесей, высокие эксплуатационные затраты на замену фильтрующих элементов.
Центробежное разделение
Интенсификация процесса разделения неоднородных систем привела к замене силы тяжести при гравитационном осаждении центробежными силами, возникающими при вращении потока жидкости. Под центрифугированием понимают процесс разделения суспензий и эмульсий, в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. В аппаратах со сплошными стенками производят разделение суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причём действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. В аппаратах с проницаемыми стенками осуществляется процесс разделения
суспензий по принципу фильтрования, причём вместо разности давлений используется действие центробежной силы.
Разделение неоднородных систем центрифугированием, с физической точки зрения, можно рассматривать как процесс свободного или стесненного осаждения взвешенных частиц в жидкости под действием центробежного силового поля. Процесс выделения дисперсных частиц из водной среды можно осуществить в гидроциклонах и центрифугах.
Центробежная сила возникает при вращении центрифуги и находящейся в ней жидкости. Она возникает, как сила инерции при вращательном движении тел, и направлена всегда по радиусу от оси вращения к периферии. Если обозначить: О -вес вращающегося тела; г - расстояние от оси вращения до центра тяжести тела; а - угловая скорость вращения, то центробежную силу С можно определить следующим уравнением:
а2 г
с = О— = О • Рг, 8
(10)
а2 г
где
8
= Рг - критерий Фруда. Он определяется
центробежной силой, развиваемой 1 кг веса тела, и называется фактором разделения. Рг показывает во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести.
По величине фактора разделения центрифуги можно условно разделить на две группы: нормальные центрифуги (Рг<3500) и сверх центрифуги (Рг>3500).
Произведение фактора разделения Ргна поверхность осаждения твёрдой фазы в роторе центрифуги называется индексом производительности центрифуги и обозначается Е:
Е = Рг • 5. (11)
Индекс производительности Е численно равен поверхности осаждения отстойника, в котором достигается та же производительность, что и в центрифуге. Величина Е характеризует влияние конструктивных факторов на способность центрифуги разделять данную неоднородную систему.
Для отделения от жидкости дисперсной фазы, находящейся в ней в состоянии тонкого измельчения (желатин, клей и др.), применяют центрифуги, в которых барабан вращается с повышенной скоростью - до 40 тыс. об/мин. Такие аппараты, называемые сверхцентрифугами, применяют, например, для выделения жира из промывных вод и для извлечения воды из минеральных масел.
Гидроциклоны
Процесс осветления воды в гидроциклоне осуществляется под действием разности значений центробежной силы для твёрдой и жидкой фаз, возникающей вследствие интенсивного вращения. Значение этой силы [6]
Р = 3 Т 2( Рч - Р ж ) , (12)
6 г
где V - скорость входа воды в аппарат; г- расстояние от центра гидроциклона до оси входного отверстия.
Производительность гидроциклона может быть определена по формуле
0 = 3600а/иг28АЯ , (13)
где а = 0,85-0,90 - коэффициент, учитывающий потери воды в осадке; цг- коэффициент расхода гидроциклона; А - площадь сечения питающего патрубка; АН - потеря напора в гидроциклоне.
Достоинства: простота и компактность аппаратурного оформления, низкие капитальные и эксплуатационные затраты, высокая производительность.
Недостатки: центрифугирование в большинстве случаев не дает хорошего разделения. После центрифугирования получают более или менее загрязненный фугат и влажный осадок.
Вихревые сепараторы
В связи с тем, что в гидроциклонах присутствуют два встречных течения сплошной фазы (периферийный и приосевой) в них наблюдается эффект «вторичного уноса», что снижает качество очистки жидкости от тонкодисперсных фракций. Этого недостатка лишены прямоточно-вихревые сепараторы, в которых реализуется вращательно-поступательное движение несущего потока, но при отсутствии встречных течений в объёме аппарата.
Лабораторные исследования и промышленные испытания прямоточно-вихревых сепараторов [7] подтвердили их высокую эффективность в широком диапазоне нагрузок и показали, что они наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к сепарационным устройствам. Прямоточно-вихревые сепараторы просты в изготовлении и надёжны в работе, обладают высокой пропускной способностью и небольшим гидродинамическим сопротивлением. Высокая скорость движения сплошного потока в вихревых сепараторах позволяет создать компактные высокопроизводительные аппараты с высокой эффективностью сепарации.
Однако, несмотря на очевидную перспективность прямоточно-вихревых сепараторов, предназначенных главным образом для очистки больших объёмов промышленных стоков, как от жидких, так и от твёрдых взвесей, их промышленная реализация сдерживается отсутствием научно-обоснованных методов расчёта их характеристик и параметров.
Флотация
Большой интерес в силу своей универсальности, высокой производительности и эффективности представляет способ флотации при очистке сточных вод промышленных предприятий [8-11]. Долгое время флотация, как способ очистки сточных вод от нерастворимых загрязнений, не находила широкого распространения. В прошлом этот способ успешно использовался в бумажной промышленности. Позднее его стали применять в основном на нефтепромысловых и нефтеперерабатывающих предприятиях и там, где сточные воды содержат отходы нефти,
смолы и продукты её переработки. В последнее время интерес к практическому использованию флотации сильно возрос. Исследована и доказана возможность очистки флотацией сточных вод целого ряда предприятий, таких как заводы искусственного волокна, кожевенные, механические, пищевые комбинаты, а также предприятий энергетического комплекса и др.
Флотация основана на способности пузырьков газа, введенных в обрабатываемую воду, взаимодействовать с взвешенными в ней частицами и подниматься вместе с ними на поверхность осветляемой жидкости. Эффект осветления воды при флотации определяется в основном адгезионно-поверхностными свойствами пузырьков воздуха и взвеси, что даёт возможность удалять из воды как твёрдую, так и жидкую тонкодисперсную взвесь. В сочетании с процессами коагуляции и флокуляции флотация обеспечивает высокоэффективную очистку сточных вод - до 98-99% [8-11].
Практикой очистки сточных вод, а также экспериментальными исследованиями, выработаны различные конструкции и способы флотационного разделения неоднородных систем. Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха или газа [8-14]. По этому принципу выделяют следующие способы флотационной обработки сточных вод:
1) флотация с механическим диспергированием воздуха (пневматическая, импеллерная, струйная);
2) флотация с выделением воздуха из раствора (напорная, вакуумная);
3) электрофлотация.
Флотация с механическим диспергированием воздуха
Пневматический способ аэрации заключается в том, что воздух вводят в машину под давлением, вдувая его через пористые перегородки или через патрубки [8-11]. Пневматическая флотация выгодно отличается от флотации других типов возможностью подачи воздуха в любом количестве и сравнительно небольшим расходом электроэнергии. В то же время пневматическая флотация имеет существенный недостаток. Воздух, который поступает в пневматические машины, плохо диспергируется и, в результате, образуются воздушные пузырьки повышенной крупности, что отрицательно сказывается на процессе флотации. Применение для этой цели пористых перегородок не дало положительного эффекта, так как их быстро забивает шламом, кроме того, водо-воздушная смесь в аппаратах подобного типа недостаточно интенсивно перемешивается. Плохое диспергирование воздуха в пневматических машинах вызывает снижение эффективности очистки и повышенный расход реагентов.
Пневматическую флотацию применяют при очистке сточных вод, содержащих примеси, агрессивные по отношению к механизмам (насосам, мешалкам) имеющим движущие части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путём впуска воздуха во флотационную камеру через специальные со-
пла, которые располагаются на воздухораспределительных трубах, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 250-300 мм друг от друга. Продолжительность флотации t при таком диспергировании воздуха составляет 15-20 минут, но в каждом случае она должна устанавливаться экспериментально, так же, как и интенсивность аэрации. Глубина флотатора принимается 3-4 м, а его объём находят из формулы:
О t
Ж --^-, (14)
24 • 60(1 - а)
где а - коэффициент аэрации, который ориентировочно может быть принят 0,2-0,3.
Расход воздуха составляет
V - Ш, (15) где ¥ - площадь водного зеркала флотационной камеры; I - интенсивность аэрации (ориентировочно 15-20 м3/м3).
Число сопел определяют по формуле
V
п --, (16)
3600/5
где /- площадь отверстия одного сопла ( = 1-1,2 мм); 5- скорость воздушной струи (100-200 м/с).
Пропуская воздух через мелкие отверстия, можно получить микропузырьки, способные более эффективно флотировать содержащиеся в жидкости загрязнения [8-11]. Для этого необходима относительно небольшая скорость истечения воздуха из отверстия, достаточное расстояние между отверстиями и наличие в жидкости реагентов-пенообразователей, способных снизить поверхностное натяжение на границе раздела фаз.
Флотация при подаче воздуха через различные пористые материалы имеет определённые преимущества: сохраняется простота конструкций флотационных камер; уменьшаются затраты на электроэнергию, отсутствуют сложные механизмы (насосы, импеллеры), что особенно важно при очистке агрессивных сточных вод. Недостатком является возможность зарастания и засорения пор и трудность подбора мелкопористых материалов, обеспечивающих подачу мелких и близких по размерам пузырьков.
Диспергирование газа в жидкости путём механического перемешивания называют агитационным. С помощью механических перемешивающих устройств, в качестве которых применяют лопастные, пропеллерные и турбинные вращающиеся мешалки, можно наиболее эффективно аэрировать неоднородные системы. Получение пузырьков заданных размеров, необходимых для флотации, связано с энергичным перемешиванием жидкости и созданием в ней большого количества мелких потоков. Это достигается в специальных флотационных аппаратах, оборудованных импеллерами. Механизм диспергирования воздуха в механических машинах является довольно сложным.
Во флотационных аппаратах механического типа в жидкости, интенсивно перемешиваемой вращающимися импеллерами, образуются круговые потоки, которые обеспечивают с одной стороны,
засасывание атмосферного воздуха, а с другой -образование пузырьков путём дробления струи воздуха механическим воздействием жидкости [8-11]. Объём воздуха, засасываемый в единицу времени, зависит главным образом от частоты вращения импеллера, его размеров и глубины погружения. Количество засасываемого импеллером воздуха пропорционально кубу частоты вращения импеллера и моменту инерции лопасти импеллера I относительно оси вала:
I = |(/3-А3), (17)
где к - высота лопасти; I и 1г- радиусы от центра вращения до начала и конца лопасти.
Для работы импеллера необходимо затрачивать мощность пропорционально кубу его диаметра. При этом установлено, что введение дополнительного воздуха во флотационную камеру без интенсификации перемешивания не повышает эффективности флотации.
Достоинством импеллерной флотации является то, что обеспечивается хорошая аэрация жидкости. К недостаткам этого способа относится сложность конструкции, большой расход электроэнергии и наличие вращающихся и быстроизнашивающихся частей.
Флотация с выделением воздуха из раствора
Этот способ довольно широко применяется в практике очистки сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной жидкости загрязнения [8-10].
В зависимости от того, как создаётся пересыщенный раствор воздуха в воде, рассматриваемый способ флотации можно подразделить на вакуумную и напорную.
К числу недостатков этого способа следует отнести незначительную и ограниченную степень насыщения стоков пузырьками газа, что сужает диапазон применения вакуумной и напорной флотации и не позволяет применять её для жидкостей со сравнительно высокой концентрацией нерастворён-ных примесей. Другим недостатком является необходимость сооружения герметически закрытых резервуаров, что сопряжено с определёнными конструктивными и эксплуатационными трудностями.
Электрофлотация
Сущность электрофлотационного способа очистки сточных вод заключается в переносе вещества из жидкости на её поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе воды [14]. Газовые пузырьки поднимаются в жидкости, сталкиваются со взвешенными частицами, прилипают к ним и флотируют их на поверхность жидкости.
Для питания электролизёров применяют постоянный ток. В процессе электролиза воды на катоде выделяется водород, на аноде - кислород. Основную роль в процессе флотации частиц выполняют, как правило, пузырьки, выделяющиеся с поверхности катода. Пузырьки газа возникают на по-
верхности электрода, растут и по достижении определённого диаметра отрываются от поверхности. Возникновение пузырьков на электродах, как и при кипении жидкости, происходит в некоторых точках - центрах газообразования (выступах, шероховатостях и т.п.). Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит не только от величины краевого угла смачивания, но и кривизны поверхности электрода. Замена пластинчатых катодов на проволочную сетку приводит к уменьшению крупности пузырьков, и, следовательно, к повышению эффективности очистки. С увеличением толщины проволоки размеры пузырьков возрастают.
Для получения требуемого числа пузырьков определённого размера необходим правильный подбор материала и диаметра проволоки катода, а также плотности тока. Изменяя плотность тока, можно варьировать степень насыщенности пульпы пузырьками и таким образом регулировать скорость флотационной очистки сточных вод.
В сточной жидкости при прохождении её через межэлектродное пространство происходят такие процессы, как электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные реакции; продукты электролиза взаимодействуют друг с другом и с другими компонентами. Интенсивность перечисленных процессов зависит, во-первых, от химического состава жидкости, во-вторых, от материала электродов, которые могут быть растворимые и нерастворимые, и, в-третьих, от параметров электрического тока: напряжения, плотности на электродах.
В случае применения растворимых электродов (железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными группами, образуют гидраты окиси, являющиеся распространёнными в практике водообработки коагулянтами.
Существенным преимуществом электрофлотации перед напорной флотацией является возможность неограниченного насыщения очищаемой жидкости пузырьками газа, а также простота осуществления процесса газонасыщения. Особенности, присущие электрофлотации, значительно расширяют область её применения. Возможность неограниченного газонасыщения воды пузырьками высокой дисперсности позволяет использовать электрофлотацию для извлечения мелких частиц, а простота процесса газонасыщения обеспечивает ей существенные преимущества перед другими видами флотации при очистке малых количеств загрязнённых вод.
Недостатками электрофлотации является низкая степень насыщения воды пузырьками водорода (до 2 л на 1м3 жидкости), что вызывает необходимость увеличения длительности флотационного извлечения, что в свою очередь приводит к резкому и непропорциональному росту удельных энергозатрат. Кроме того, в процессе электрофлотации происходит анодное растворение метала, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия. Это приводит к образованию гидроокисей и солей и может потребовать дополнительной очистки.
Ещё одним из недостатков установок для электрофлотации является возможность образования при их работе взрывоопасной смеси газов, что требует проведения специальных мероприятий, обеспечивающих безопасные условия эксплуатации оборудования.
Вывод: анализ используемых способов очистки стоков от нерастворимых примесей показал, что большинство из них имеют существенные недостатки и не позволяют очищать крупнотоннажные стоки промышленных предприятий с должной эффективностью. В этой связи представляется перспективной дальнейшее совершенствование процессов разделения неоднородных систем жидкость -жидкость или жидкость - твёрдое тело, на основе глубокого изучения физических явлений, происходящих при очистке промышленных стоков.
Неудовлетворительна работа применяемого оборудования при очистке больших объёмов стоков обусловлена использованием морально устаревшего оборудования, которое не в состоянии обеспечить всё возрастающие требования к качеству процесса разделения и объёмам производства. Поэтому важное значение приобретает разработка комплексной очистки стоков промышленных предприятий от нерастворимых взвесей, позволяющей интенсифицировать, повысить производительность и эффективность очистки стоков на базе создания и широкого внедрения новых, высоко производительных и эффективных устройств с интенсивной гидродинамической средой.
Литература:
1. Кульский, Л. А. Химия и микробиология воды. Практикум: учеб. пособие для студентов инженерно-строительных ин-тов / Л. А. Кульский, Т. М. Левченко, М. В. Петрова. - К. : Вища школа, 1976. - 116 с.
2. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности Л., Химия, 1977. 520с.
3. Очистка маслосодержащих сточных вод. Пушкарёв
B.В., Южанинов А.Г., Мэн С.К., «Металлургия», 1980, 200 с.
4. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».
5. Перечень рыбохозяйственных нормативов предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохо-зяйственное значение. - М.: Изд-во ВНИРО, 1999. -304 с.
6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов - 10-е изд., стереотипное, доработанное. Перепеч. с изд. 1973 г. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2004. - 753 с.
7. Овчинников А.А., Шадрин А.А., Алексеев Д.В., Николаев Н.А. Разделение гетерогенных систем жидкость-жидкость и жидкость-твёрдая фаза в прямоточных вихревых сепараторах // Теоретические основы химической технологии, 2006, том 40, №4, с.442-446.
8. Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности Л., Химия, 1977. 520с.
9. Очистка производственных сточных вод / Под ред.
C.В. Яковлева, Я.А. Карелина, Ю.М. Ласкова, Ю.В. Воронова. - М.: Стройиздат, 1979. 320с.
10. Мещеряков Н.Ф. Флотационные машины. - М.: изд-во "Недра", 1972, 250с.
11. Копылов В.А. Очистка сточных вод напорной флотацией. М.: "Лесная промышленность", 1978. 96с.
12. Мацнев А.И. Очистка сточных вод флотацией. - Киев, Будгвельник, 1976, 132с.
13. Мацнев А.И. Применение флотации для очистки сточных вод. - Киев, 1965, 90с.
14. Матов Б.М. Флотация в пищевой промышленности. -М., Пищевая промышленность, 1976. 167с.
© Д. В. Алексеев - доцент каф. экономики и организации производства КГЭУ, alex-dima@list.ru; А. А. Шагивалеев- доцент каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; Л. Р. Уразбахтина- доцент каф. экономики и организации производства КГЭУ; И. В. Павлова- ст. преп. каф. экономики КНИТУ, Iren_51@mail.ru.
© D. V. Alekseev - docent, business administration, KSPEU, alex-dima@list.ru; A. A. Shagivaleev - docent, Equipmentof Food Production, KNRTU; L. R. Urazbahtina - docent, business administration, KSPEU; 1 V. Pavlova - senior Lecturer, Department of economy of KNRTU, Iren_51@mail.ru.
