Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперсных твердых примесей с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования применяется также после физико-химических и биологических методов очистки, т. к. некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений.

Для очистки сточных вод промышленных предприятий используют два класса фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из связанных пористых материалов.

Фильтры с зернистой перегородкой представляют собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывается слой поддерживающего материала, затем – фильтрующий материал.

Важной характеристикой пористой среды является порозность и удельная поверхность. Порозность зависит от структуры пористой среды и связана не только с размером зерен, но и с их формой и укладкой:

где ε – порозность, VB– объем, занимаемый телом. При ε = 0, среда превращается в сплошное тело, а при ε = 1 – в максимально пористое тело (размера стенок твердого вещества так малы, что VB→ 0).

Удельная поверхность слоя определяется не только общей порозностью, но и порозностью отдельных зерен, а также зависит от формы зерен:

где а – удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, м2/м3; ψ – коэффициент формы зерен; dЭ – эквивалентный диаметр зерен, м.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений.

В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим материалом. Такой процесс характерен для медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования.

Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скоростных фильтров.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1–2 м, в закрытых 0,5–1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кирпичные резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2 – 0,3 м/ч; при 25 – 30 мг/л – 0,1–0,2 м/ч.

Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же материала, у многослойных – из различных материалов. Схема скоростного фильтра приведена на рис. 1.12.

Сточная вода подается по коллектору и через отверстия в нем равномерно распределяется по сечению фильтра. Нисходящий поток сточной воды проходит через слои фильтрующего материала и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку подачей промывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористобетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий материал (в 2 – 4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5–2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12 – 20 м/ч.

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.

Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является вертикальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное движение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5 – 3 мм) или гранитный щебень (3 – 10 мм). Схема фильтра показана на рис. 1.13.

Сточная вода подается в коллектор, откуда через каналы и отверстия поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал перекачивают гидроэлеватором по трубе в промывное устройство. Расчетная скорость фильтрации 15 м/ч; расход промывной воды 1 – 2% от производительности фильтра; необходимый напор перед фильтром 2 – 2,5 м. Эффективность очистки составляет 50 – 55%.

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. 1.14.

Сточная вода поступает внутрь барабана и через отверстия 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 мин –1. Скорость фильтрации достигает 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.

Магнитные фильтры обеспечивают степень очистки 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 до 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 или осаждаются под действием гравитационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с направлением магнитного поля, т. к. при этом создаются наиболее благоприятные условия осаждения.

Магнитные сепараторы делят на три группы:

1. сепараторы, в которых отделение ферромагнитных частиц идет непосредственно под действием постоянного магнита;
2. сепараторы, в которых отделителями частиц служат специальные ферромагнитные элементы, помещенные в силовом поле постоянного магнита;
3. фильтры-сепараторы, представляющие собой комбинацию постоянных магнитов с различными механическими фильтрующими элементами. Наиболее простыми сепараторами являются магнитные уловители и магнитные патроны.

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

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемешивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.

Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,003-0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1-10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки сточных вод достаточно хорошо удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяются методы коагуляции: агрегативно устойчивая система при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под действием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые скопления.

Методы коагуляции и флокуляция широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от вида коллоидных частиц;  концентрации и степени дисперсности коллоидных частиц; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала.

Коагуляция вод, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, может происходить при пропуске сточных вод через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавшимися трудно растворимыми гидроксидами алюминия и железа.

Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г A12(SO4) и 1 г железа – введению 2,9 г FеСl3 и 3,6 г Fe2(SO4)3. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1 г алюминия – 12, а 1 г железа – 2,9 Вт∙ч. Плотность тока рекомендуется не более 10 А/м2 расстояние между электродами не более 20 мм, а скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с. Метод электрохимического коагулирования может быть применен для разработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания является несомненным достоинством метода электрохимической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и металлов, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой сточной воды ограничивают область применения этого метода.

На рис. 1.20 изображена электрокоагуляционная установка по очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответственно 0,3-7,5 и 0,5-8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением 10-18 В.

При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15-30 с и пропускной способности 1,5-3 м3/ч на 1 м2 площади поверхности электродов одного полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные результаты этот метод дает также при обработке сточных вод гальванических цехов, где потребляемая мощность на 1 м3 обрабатываемой сточной воды составляет 0,4-0,5 кВт за один час работы.

Электрокоагуляция применяется для отчистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а так же цианов.

Схема установки (рис. 1.21) предназначена для отчистки сточных вод от шестивалентного хрома. Сточная вода из промывочной ванны 2 гальванического участка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает в промывочный электролизёр 6, в котором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12-14 В от выпрямителя 4.

При пропускании электрического тока с плотностью 50-100 А/м2 через сточную воду, движущуюся по длине электролизёра 6 в течение 10-15 мин, происходит анодное растворение стальных электродов, и образующиеся при этом ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром до трехвалентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и трехвалентного хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)2, Fe(OH)3, Cr(OH)3. Сточная вода со взвешенными в ней гидроксидами поступает из электролизёра 6 в центрифугу 7, в которой происходят – отделение гидроксидов железа и хрома и удаление их через трубопровод 8. Очищенная от хрома вода по трубопроводу 10 поступает для дальнейшей отчистки или при закрытом вентиле 9 по трубопроводу 11 поступает для повторного использования в промывочных ваннах.

Флотация – это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверхностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы методом флотации заключается в образовании комплексов "пузырек-частица", всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса "пузырек-частица" зависит 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 являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Касательная к поверхности пузырька (рис. 1.22) в точке трехфазного периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол , 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 натяжении воды не более 60-65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания . Чем больше угол , 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 пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15-30 мкм, а максимальные 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 реагентов-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":

A=σ∙(l – Cos θ),             (1.1)

где σ – поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.

Для частиц, хорошо смачиваемых водой, стремится к нулю, следовательно, Cos θ 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.

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 жидкости. 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.

Вакуумная флотация (рис. 1.23). Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов "пузырек-частица" происходят в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму. Минимальны также энергозатраты на насыщение жидкости воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков.

Недостатки метода:

• необходимость сооружения герметичных резервуаров;
• сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок;
• ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок (концентрация 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 обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5-10 раз меньше остаточное содержание загрязнений 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 производительность от 5 до 2000 м3/ч. Пребывание воды в напорной емкости составляет 10-15 мин, а во флотационной камере – 10-20 мин.

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 необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1-3 мин) при избыточном давлении 0,15-0,4 МПа.

SHAPE  \* MERGEFORMAT

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 флотаторы 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.

В этих схемах только часть сточной воды подается насосом и насыщается воздухом. Схема с рабочей жидкостью (рис. 1.25, в) используется при большой концентрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по схеме (рис. 1.23.) малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют уже очищенную или природную воду. При этом объем рабочей жидкости превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого их всплывания. Недостатком схемы является большой расход энергии на перекачку рабочей жидкости.

Сточные воды (рис. 1.26), насыщенные воздухом, поступают во флотационную камеру 3 снизу через вращающийся водораспределитель 2. Выделяющиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом 4 пена сгребается в лоток и удаляется – линия IV.

Обработанная вода отводится с днища флотатора 1 и по вертикальным каналам переливается в отводящий кольцевой лоток 5. Пропускная способность одного радиального флотатора не должна превышать 1000 м3/ч.

Применяют цилиндрические флотаторы, имеющие разный диаметр, следовательно, разную производительность. Флотаторы отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и механизма сбора пены и ее отводом.

SHAPE  \* MERGEFORMAT

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.

SHAPE  \* MERGEFORMAT

В первой камepe флотатора выделяются пузырьки воздуха, которые и флотируют загрязнения. После этого сточная вода поступает во вторую камеру и в последующие, в которых также происходит процесс флотации, после смешения сточной воды с очищенной. Таким образом, происходит многоступенчатая очистка сточной воды. Пройдя последнюю камеру флотатора, очищенная вода удаляется из установки – линия II. Пена удаляется пеносъемниками 5. Часть очищенной воды подается насосом 8 в напорный бак 6, где растворяется воздух, поступающий во всасывающую магистраль насоса. В случае необходимости одновременного проведения процессов флотации и окисления загрязнений сточную воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инертные газы. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, жиров масел, ПАВ, волокнистых веществ и других.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности.

Простота устройства и снижение затрат энергии при эрлифтной флотации на проведение процесса в 2-4 раза, по сравнению с напорной флотацией являются достоинствами способа. Но конструкция установки требует значительного перепада отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и флотационной камерой, что значительно сужает область применения этого метода.

Сточная вода из емкости 1, находящейся на высоте 20-30 м, поступает в аэратор – 3 по трубопроводу 2. Туда же подаётся сжатый воздух – линия II который растворяется в воде под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу 4, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе 5.

Образующаяся пена с частичками загрязнений удаляется самотеком или скребками – линия III. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку – линия IV.

При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию.

Импеллерная флотация (рис. 1.29). Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины. Основным элементом такой установки является импеллер – небольшая турбина насосного типа, представляющая собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. Сточная вода из приемного кармана 1 поступает к импеллеру 6, в который по трубке 4 засасывается воздух. Импеллер крутится на нижнем конце вала, заключенного в трубку через которую всасывается воздух по патрубку 4, т.к. при его вращении образуется зона пониженного давления им. Над импеллером расположен статор 3 в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Перемешанные импеллером вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки 7, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому перемешиванию воздуха в воде.

Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содержащая флогируемые частицы, удаляется лопастым пеноснимателем. Обычно флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединенных камер. Диаметр импеллеров 600-700 мм. Из первой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка сточной воды.

Степень диспергирования воздуха и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера. Чем выше скорость импеллера, тем меньше пузырьки и тем выше эффективность процесса. Однако при высоких скоростях резко возрастает турбулентность потока и может происходить разрушение хлопьевидных частиц, что приведет, наоборот, к снижению эффективности процесса очистки. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона обслуживания импеллера не должна превышать размеров квадрата со стороной равной шести диаметрам импеллера. Высота флотационной камеры Нф принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 15-20 мин. Объем флотационной камеры находят по формуле:

где – объем, м3; Q – расход сточных вод, м3/ч.

Пропускная способность флотатора:

Удельный расход воздуха Qyд в = 40-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности.

Удельный расход воздуха Qyд в = 40-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности флотационной камеры.

Количество подаваемого импеллером воздуха:

Qв= 0,000 278·Qуд.в.·f, (1.2)

где f – площадь водного зеркала флотационной камеры, м2.

Необходимое число флотационных камер определяется из соотношения

(1.3)

Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2-3 г/л) и содержащих нефть, нефтепродукты и жиры.

Недостатком импеллерной флотации является относительно высокая обводненность пены. Особенно существенным этот недостаток становится в тех случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных ПАВ, т.к. большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные установки для ее обработки, что увеличивает стоимость очистки в целом.

Импеллерные флотационные установки широко используют при обогащении полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (при концентрации более 2 г/л).

Безнапорная флотация. Диспергирование воздуха в безнапорных установках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Образующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую крупность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безнапорные флотационные установки обычно применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти.

Пневматическая флотация. Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые расположены на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25-0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий сопел составляет 1-1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3-0,5 МПа, глубина флотатора принимается 3-4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100-200 м/с. Объем флотатора можно определить по формуле

где – продолжительность флотации, равная 15 – 20 мин; kaэр = 0,2-0,3 – коэффициент аэрации; – расход сточной воды, м3/мин.

Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит в пределах 15 – 20 м3/ч на м2 площади проходного сечения флотатора.

Необходимое число сопел находят из выражения:

nc=Qв/ fc·ξ ,

где fc – площадь отверстия одного сопла, м2; ξ – скорость выхода воздушной     струи; Qв– расход воздуха.

К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы энергии, т.к. отсутствуют насосы и импеллеры, и простоту конструкции флотационной камеры. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые пластины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации зависит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности флотации, уровня воды во флотаторе. Диаметр отверстий должен быть 4-20 мкм, расход воздуха в пределах 40-70 м3/ч на 1 м2 проходного сечения флотатора, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации 20-30 мин, расход воздуха определяется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной водой до флотации 1,5-2 м. Продолжительность флотации составляет 20-30 мин. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов с одинаковыми по диаметру отверстиями, обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.

При пропускании воздуха через пористые керамические пластины и колпачки получаются пузырьки, размер которых определяется по формуле:

(1.4)

где R – радиус пузырьков; r – радиус отверстий в пористом материале; σ – поверхностное натяжение воды.

Давление для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по формуле Лапласа

(1.5)

Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные камеры с пористыми колпачками (рис. 1.30, а). Сточную воду подают в верхнюю часть флотационной камеры 1, а воздух поступает через пористые колпачки 2. Пена переливается через кольцевой желоб 3 и удаляется из него. Осветленную воду отводят через регулятор уровня 4. Установки могут иметь одну или несколько ступеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды используют фильтровальные пластины (рис. 1.30, б), схема флотации аналогична предыдущей.

SHAPE  \* MERGEFORMAT

Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде – кислород. Основную роль в процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков, отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого угла смачивания, кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных особенностей. Замена пластинчатого катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пузырьков, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора.

При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционно-флотационными. При пропускной способности до 10-15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности – двухкамерными горизонтального (рис. 1.31) или вертикального типа. Расчет установок для электрофлотации и электрокоагуляции сводится к определению общего объема Wy установки, объемов Wз электродного отделения и камеры флотации Wф

Wу = Wз+Wф (1.6)

Объем электродного отделения (рис. 1.31) определяется из возможности размещения в нем необходимой электродной системы.

Так при расчете горизонтальной установки ширина секции В
принимается в зависимости от производительности Q.

Если Q < 90 м3/ч, то В = 2 м, если Q = 90-180 м3/ч, то В = 2,5-3 м.

Число пластин электродов, размещаемых в установке

где а1 = 100 мм – зазор между крайними пластинами и стенками камеры;  а2 = 15-20 мм – зазор между пластинами; δ = 6-10 мм – толщина пластин.

Тогда необходимая площадь пластин электродов:

fs = fаэ/ (nэ – l),

где fаэ – активная поверхность электродов, м2.

fаэ = E·Q / i,

где Е – удельное количество электричества, А·ч, в 1 м3 объема камеры флотатора: Q – расчетный расход сточных вод, м3/ч; i– плотность тока на электродах, А/м2.

Величины Е и i определяются экспериментальным путем. При обработке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбинатов, кожевенных заводов, мясокомбинатов и др. Е = 100-600 А/ч в 1 м3 объема флотационной камеры, 150-200 А/м2, напряжение постоянного тока 5-10 В. Определив f, и назначив высоту пластин электродов hэ = l - 1,5 м находим длину пластин электродов lэ = f / hэ, а затем определяем длину электродной камеры

Lэ=lэ + 2·а1.

Тогда объем электродной камеры, составит

Wз=BHэLэ,

где Нэ – рабочая высота электродной камеры

Нэ = h1 + h2 + h3

Объем флотационной камеры

Wз = Qtф,

гдеtф – продолжительность флотации определяемая экспериментально и принимая обычно равной 0,3-0,75 ч.

Длину Lф и высоту Нф флотационной камеры подсчитывают исходя из ее объема Hф и ширины В.

При осуществлении процесса электрофлотации необходимо определить массу металла электродов, переходящую в раствор, а также срок службы электродной системы

mэ = kт Э·Е, (1.7)

где mэ – масса металла, переходящего 1 м3 раствора, г; Э – электрохимический эквивалент, г/(А·ч) для Fe2+=l,042, Fe3+=0,695, Al3+=0,396 г/(А·ч);   kт = 0,5-0,95 – коэффициент выхода по току, определяется экспериментально.

Срок службы электродной системы:

где Т – время работы электродной системы, сут; М – масса металла электродов, которая растворяется в процессе электролиза, кг:

где γ – плотность металла электродов, кг/м3; kэ = 0,8-9 – коэффициент использования материала электродов; Qсут – суточный расход сточных вод.

Протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Использование алюминиевых и железных электродов обуславливает переход ионов алюминия и железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.

Применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации сточных вод образуется пена, имеющая обычно пленочно-структурное строение. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от характера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывающего шлама наиболее интенсивно идет в первые два часа, далее он замедляется, а после четырех часов практически прекращается полностью. Были выведены общие закономерности уплотнения пенного шлама для различных по составу сточных вод на основании анализа графиков уплотнения. Если за единицу принять объем шлама в момент времени, когда все пузырьки воздуха поднялись в пенный слой, что в проточных установках соответствует продолжительности флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1; 2; 3 и 4 ч составляет соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.

Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. В большинстве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна.

Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах некоторых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О2, СО2, Сl и др.) в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать к нерастворенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов.

Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревают паром в специальной емкости до 35-55 0С и при этих условиях выдерживают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвреживаются. Таким путем за 5-6 сут влажность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку.

Ионная флотация – это процесс, который ведется следующим образом: в сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный по знаку заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пену удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцентрированные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и др.).

Сорбция – это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию. Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента – адсорбция. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод.

Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного взаимодействия:

• молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности сорбента;
• молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).

Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с какой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.

Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низких одноатомных спиртов этот метод не применим.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые природные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются активированные угли различных марок.

Минеральные сорбенты используют мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами воды велика – иногда превышает энергию адсорбции. Пористость этих углей составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности 400-900 м2 на единицу веса сорбента. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависит от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно - и мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подразделяются на три вида:

• макропоры – 0,1-2 мкм;
• переходные – 0,004-0,1 мкм;
• микропоры – 0,004 мкм.

Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо – с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8-5,0 нм), чтобы их поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул. При малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размерами 0,25-0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.

Важно, чтобы угли обладали малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., т.к. некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмелившиеся вещества забивают поры адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они должны иметь низкую стоимость, не уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.

Сырьем для активных углей может быть практически любой углеродсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности. В табл. 1.2 представлены характеристики активированных углей.

Таблица 1.2

Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие размер частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует поглощающей способности сорбента.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента.

Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т.е. движется вместе с ней, а также в динамических условиях, когда частица жидкости перемещается относительно сорбента.

Таким образом, сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество, находится в газообразной или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешиваются с ним. Так происходит в аппаратах с перемешивающими устройствами. Динамической сорбцию называют в тех случаях, когда поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Так происходит в аппаратах с псевдоожиженным слоем, фильтрах.

В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность характеризуется количеством поглощенного вещества на единицу массы сорбента к моменту достижения равновесия в определенных условиях (постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества). Динамическая активность сорбента характеризуется временем от начала пропускания сорбата до его проскока, т.е. до появления за слоем сорбента, или максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого вещества через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45-90 %. На практике сорбционные процессы осуществляют, как правило, в динамических условиях, т.к. это обеспечивает непрерывность технологического процесса и возможность его автоматизации. Между количеством вещества, адсорбированного сорбентом и оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает равновесие, подчиняющееся закону распределения.

Сорбция – процесс обратимый, т.е. адсорбированное вещество (сорбат) может переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости протекания прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и поверхности сорбента. Поэтому в начальный период процесса сорбции, т. е. при максимальной концентрации вещества в растворе, скорость сорбции также максимальна. По мере повышения концентрации растворенного вещества на поверхности сорбента увеличивается число сорбированных молекул, переходящих обратно в раствор. С момента, когда количество сорбируемых из раствора (в единицу времени) молекул становится равным количеству молекул, переходящих с поверхности сорбента в раствор, концентрация раствора становится постоянной. Эта концентрация называется равновесной. Если после достижения адсорбционного равновесия несколько повысить концентрацию обрабатываемого раствора, то сорбент сможет извлечь из него еще некоторое количество растворенного вещества. Но нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного использования сорбционной способности (емкости) сорбента, после чего повышение концентрации вещества в растворе не изменяет количества сорбируемого вещества.

Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции (рис. 1.32), которая описывается уравнением Фрейндлиха и Ленгмюра. Уравнение после преобразования эмпирических коэффициентов и допущений, сделанных с учетом слабо концентрированного раствора сточных вод, имеет вид

а = kадс·Cравн, (1.8)

где а – удельная адсорбция, кг/кг;kадс– адсорбционная константа распределения сорбата между сорбентом и раствором, ее величина при прочих равных зависит от температуры; Сравн – равновесная концентрация адсорбируемого из раствора вещества на сорбенте, кг/кг.

SHAPE  \* MERGEFORMAT

Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое и в таком же слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещества. Для поверхностно-активных веществ эта разность больше нуля. С увеличением концентрации раствора разность концентраций достигает предельного значения, когда весь поверхностный слой занят молекулами поверхностно-активного вещества.

Если в сточной воде присутствует несколько компонентов, то для определения возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят значение стандартной дифференциальной свободной энергии и определяют разность между максимальным и минимальным значением. При условии

кДж/моль совместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это условие не соблюдается, то очистку проводят последовательно в несколько ступеней.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутридиффузионная область). Принято считать, что скорость адсорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя диффузия либо внутренняя. В некоторых случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями.

Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в основном определяется интенсивностью турбулентности потока, которая в первую очередь зависит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопереноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерен, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопроводности.

Учитывая все эти обстоятельства, определяют условия, при которых адсорбционная очистка сточных вод идет с оптимальной скоростью. Процесс целесообразно проводить при таких гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался во внутридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру адсорбента, уменьшая размеры зерна. Для ориентировочных расчетов рекомендуется принимать следующие значения скорости и диаметра зерна адсорбента:
= 1,8 м/ч и d3 = 2,5 мм. При значениях и d3 меньше указанных процесс лимитируется по внешнедиффузионной области, при больших значениях – во внутридиффузионной.

В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод и крупности сорбента и др. назначают схему сорбционной очистки и тип адсорбера. Так, например, перед сооружениями биологической очистки применяют насыпные фильтры с диаметром зерен сорбента 3-5 мм или адсорберы с псевдоожиженным слоем сорбента с диаметром зерен 0,5-1 мм. При глубокой очистке производственных сточных вод и возврате их в систему оборотного водоснабжения применяют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен до 0,1 мм.

Наиболее простым является насыпной фильтр, представляющий колонну с насыпным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и составляет 1-6 м/ч, крупность зерен сорбента – 1,5-5 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования жидкости снизу вверх, т.к. в этом случае происходит равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха и газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой.

В колонне слой зерен сорбента укладывают на беспровальную решетку с отверстиями диаметром 5-10 мм и шагом 10-20 мм, на которые укладывают поддерживающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400-500 мм, предохраняющий зерна сорбента от проваливания в подрешеченное пространство и обеспечивающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем щебня и покрывают решеткой (т.е. повторяют укладку в обратном направлении).

Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют при регенеративной очистке сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов. Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара.

При расчете насыпных фильтров время защитного их действия определяют по формуле

(1.9)

где kзд – коэффициент защитного действия, определяемый экспериментально;  Н – высота слоя сорбента;
– потеря времени защитного действия

где – пористость сорбента; – время, в течение которого концентрация веществ в фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке Сдп до Сн.

Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активированными углями имеют выпуклую изотерму сорбции, а плохо адсорбируемые – вогнутую. Величина определяется по выходной кривой динамики сорбции, устанавливаемой экспериментально. По выходной кривой определяется момент появления сорбата в фильтрате – время проскока, а после этого момента фиксируется увеличение концентрации сорбата до максимального, соответствующего Сн.

Количество вещества, задерживаемого насыпным фильтром:

V = (H – h)·F·aд (1.10)

где h – эмпирическая константа; F – площадь фильтра, м2; ад – динамическая активность сорбента, кг/м3.

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3-5 последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Сн до Ск, затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют на вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент.

Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного времени и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием или фильтрованием. При последовательном введении (рис. 1.33) новых порций сорбента в очищаемую воду можно очистить ее от загрязняющих веществ до любой концентрации. В основе расчета таких адсорбционных аппаратов с перемешивающими устройствами лежит уравнение материального баланса

m·a + Q·Cpaвн = Q·Сн, (1.11)

где m – количество сорбента, кг, Q – количество обрабатываемых сточных вод, м3.

Решая это уравнение относительно m и учитывая зависимость (1.8), можно записать

Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концентрация сорбата в сточной воде

Для расчета сорбционных установок необходимо иметь изотерму сорбции, знать константу адсорбции и задаваться требуемой степенью очистки, иначе говоря, величиной сорбата в обрабатываемой сточной воде.

Если расчет величин ведется для технологической схемы с последовательным введением сорбента, то при двухступенчатой очистке

где С2к – концентрация сорбата после второй ступени, кг/м3; m2– количество вводимого сорбента, кг.

При числе ступеней n концентрацию сорбента после очистки определяют по формуле

Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень mn, подсчитывают по уравнению:

Общее количество сорбента m = n · mn.

При проектировании сорбционных установок с противоточным введением сорбента концентрацию вещества в обработанной сточной воде после n ступеней находят по выражению

Здесь kадс ≈ 0,7 - 0,8 – коэффициент распределения.

Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологической схемы только в последнюю ступень установки, определяют по уравнению:

где

Число ступеней устанавливают по зависимости   n = К – 1, где

Противоточные сорбционные установки (рис. 1.34) применяют значительно шире благодаря более экономичному расходованию сорбента.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2-4 до 5-6 м/ч через 1 м поперечного сечения колонны. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размерами 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, уложенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 1.35). По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую.

В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой Lc, который не работает. Этот слой называют «мертвым». Если одновременно выводить из колонны «мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные дозаторы.

Скорость перемещения работающего слоя

где  – скорость воды в колонне; aад – динамическая емкость адсорбента.

Длина работающего слоя

где μ – количество поглощенного вещества; S – площадь поперечного сечения слоя; β – коэффициент массопередачи; Сср – средняя движущая сила адсорбции.

При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде средняя движущая сила процесса может быть вычислена как средняя логарифмическая из движущих сил на концах адсорбера.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, заиливающих сорбентов, а также в случае, если равновесие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. Псевдоожижение слоя возникает при повышение скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна увеличившегося в объеме слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту. Важнейшими показателями работы установки с псевдоожиженным слоем сорбента является относительная пористость

где Wсорб – объем частиц сорбента, образующих псевдоожиженный слой; Wп.сл – объем псевдоожиженного слоя.

В цилиндрических колоннах вместо показателя «относительная пористость» используется показатель «относительное расширение слоя», равный отношению высот псевдоожиженного и неподвижного слоев: Нп.сл./Ннеп.сл., оптимальная величина которого равна 1,5. При этом размеры частиц активированного угля составляют 0,25-1,0мм, что отвечает скорости потока сточной воды 7-10 м/ч.

В настоящее время применяют цилиндрические одноярусные адсорберы    (рис. 1.36). Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 2-2,5 раза больше диаметра основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30°-60°. Непосредственно под коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5-10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25-1 мм и преимущественным содержанием фракции  0,5-0,75 мм. Высота неподвижного слоя составляет 2,5-2,7 м.

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5-1,6.Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с автоматическим дозатором. Сорбент в виде  5-20 % суспензии поступает в верхнюю расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера подается сточная вода. В трубе эта вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Обработанная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги.

Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного действия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5-1 мм. Скорости потока для частиц указанных размеров находится в пределах 8-12 м/с.

Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) равна 200-300°С, а инертных газов – 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих – в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот).

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800 °С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15-20 %). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от вида сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы:

• экстрагирование органическим растворителем;
• изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе;
• отгонка адсорбированного вещества с водяным паром;
• испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя.

В отдельных случаях осуществляют химическое превращение сорбированных веществ с последующей десорбцией.

Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом температура воздуха должна быть 120-140 0С, перегретого пара – 200-300 0С, а дымовых или инертных газов 300-500 0С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из активированного угля составляет 3-12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве десорбентов могут быть использованы низкокипящие легко перегоняющиеся с водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и другие. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или теплоносителями.

При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При применении термического метода следует учитывать потери сорбента (потери активированного угля составляют 5-10 %). Из затрат на сорбционную очистку 30-35 % составляют расходы на активированный уголь.