Коагуляция и флокуляция

Коагуляция (реагентный метод) – дестабилизация коллоидных систем загрязнений (процесс укрупнения дисперсных частиц за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты). Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме жидкости. Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспенизии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001 – 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1 – 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более. Мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются.

Для осаждения мельчайших взвешенных и коллоидных частиц к воде добавляют реагенты – раствор коагулянта (чаще всего применяют соли алюминия и железа - сернокислый алюминий Аl₂(SО₄)₃ и хлорное железо FeCl₃, а также соли магния, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств). В результате реакции коагулянта с солями, содержащимися в воде, образуются хлопья, которые при осаждении увлекают за собой взвеси и коллоидные вещества. Хлопья затем удаляются отстаиванием из нижней части аппарата.

Приготовление и дозирование коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках. Затем концентрированные расходы коагулянтов перемешивают с водой в специальных смесителях различного типа. В камерах хлопьеобразования происходит образование хлопьев коагулянта.

Для интенсификации образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа и снижения расхода коагулянтов используют флокулянты. Флокуляция – разновидность коагуляции, процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В процессе флокуляции мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием флокулянтов образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. В качестве флокулянтовиспользуют природные и синтетические органические полимеры, чаще всего полиакриламид, а также крахмал, поливиниловый спирт, диоксид кремния.

Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.

 

Коагулянты

 

Существует две крупные серии коагулянтов:

1) Минеральные коагулянты, представляющие собой соли металлов (FeCl₃, Al₂(SO₄)₂ и т.п.)и полимеризованные соли металлов.

2) Органические коагулянты, среди которых следует, в частности, назвать полиамиды, дициандиамидные и меламиноформальдегидные смолы.

Характеристики коагулянтов:

Органические коагулянты обладают двумя основными характеристиками:

- Очень высокой плотностью катионных зарядов – для нейтрализации отрицательных зарядов, находящихся на поверхности коллоидов.

- Относительно низким молекулярным весом – для создания хорошей диффузии катионных зарядов вокруг каждой частицы и, вследствие их небольшой вязкости, – хорошим распределением коагулянта в сточной воде.

Жидкие органические коагулянты отличаются относительно низкой вязкостью (менее 2 000 сП).

Диапазон концентраций активного вещества составляет 8 – 70 %. Чаще всего значения концентраций находятся в пределах от 40 до 50 %.

Принцип действия: коагулянты, как минеральные, так и органические, содержат активные группы: катионные заряды (+).

Катионные заряды обладают большим сродством к поверхности очень мелких и коллоидных частиц, находящихся в воде во взвешенном состоянии, которые окружены противоположными электрическими зарядами(-). Поэтому катионные заряды, поступающие при введении коагулянта, будут способствовать ослаблению электрических сил отталкивания путем нейтрализации зарядов вокруг каждой коллоидной частицы.

Нейтрализация зарядов приводит к дестабилизации очень мелких частиц, в результате чего образуются агломераты частиц. Эти агломераты называются хлопьями или микрохлопьями. Хлопья, состоящие из множества отдельных частиц, легко удаляются из суспензии в ходе очистки воды.

Коагулянты используются в растворе с большим или меньшим разведением. Процент разведения напрямую зависит от параметров обрабатываемого раствора (концентрация, вязкость и т. д.) и производственного оборудования (насос, расход и т. д.).

Непосредственное введение коагулянта возможно, хотя рекомендуется его предварительно развести до 0,5 - 10 %.

Дозировка коагулянта, естественно, зависит от числа зарядов, нейтрализуемых в среде, а, следовательно, от концентрации коллоидных частиц в очищаемой воде.

На дозировку также влияют такие параметры, как:

- Перемешивание: коагулянт необходимо хорошо размешать в очищаемом растворе для того, чтобы нейтрализовать все заряды, окружающие коллоидные частицы (мгновенное перемешивание с рекомендуемым градиентом скорости 1 000 с^-1).

- Разведение коагулянта: чем сильнее разбавление коагулянта, тем лучше его дисперсия в очищаемой воде, а, следовательно, вокруг нейтрализуемых зарядов.

Процесс коагуляции показан на рисунке 1.6.

 

Рисунок 1.6 – Процесс коагуляции

Флокулянты

Органические флокулянты отличаются от коагулянтов следующими характеристиками:

- У них значительно более высокий молекулярный вес: от 3 000 000 до 20 000 000, который позволяет флокулянту склеивать между собой уже дестабилизированные частицы.

- Ионный заряд, который зависит от обрабатываемых стоков, и может быть на 0 - 100 % анионным (-) или катионным (+).

- Могут иметь разные физические формы: жидкую, порошковую, гранулированную

и эмульсионную.

Мы различаем две крупные категории флокулянтов: анионные флокулянты (рис. 1.7), которые приносят в среду анионные заряды (-) и катионные флокулянты (рис. 1.8), которые приносят в среду катионные заряды (+).Возможны разные процентыионного заряда: от 0 до 100 %.В этом случае говорят о мольном проценте анионности или катионности.

 

Рисунок 1.7 –Пример анионногофлокулянта

Рисунок 1.8 – Пример катионногофлокулянта

 

Флокулянты, находящиеся в водном растворе, содержат активные группы: заряды(+)и/или заряды (-). В зависимости от большей или меньшей степени ионностифлокулянта взаимодействие частиц осуществляется посредством ионных, а также водородных (в случае не ионных полимеров) связей.

Поэтому тип и процент электрических зарядов, вносимых в обрабатываемую  флокулянтом среду, должны выбираться в лаборатории, где их можно оптимально подогнать к типам частиц, присутствующих в воде: минеральных, органических и т. д.

Благодаря очень высокому молекулярному весу флокулянты позволяют увеличить размер уже дестабилизированных (с применением коагуляции или без нее) частиц и, таким образом, ускорить разделение жидкости и твердого вещества. Перед употреблением флокулянты в обязательном порядке следует растворить. Растворение зависит от формы выпуска:

- Для продуктов в твердом виде: после надлежащего диспергирования в воде отдельно каждой гранулы – перемешивание примерно в течение часа, которое необходимо для созревания.

Перемешивание должно быть достаточным для получения суспензии, но не слишком быстрым, чтобы избежать механического разрушения полимера. После созревания должен получиться однородный и вязкий раствор.

- Для эмульсий: необходимо интенсивное перемешивание, когда эмульсия вступит в контакт с водой. Созревание происходит мгновенно, и раствор можно использовать немедленно. Тем не менее, рекомендуется выдержать 10 минут для созревания.

- Для жидкостей: достаточно разбавления в технологической линии, оснащенной статической мешалкой[7].

На рисунке 1.9 показан процесс флокуляции.

Рисунок 1.9 –Процесс флокуляции

 

Флотация

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно воздуха и жидкости. Флотация основана на всплывании дисперсных частиц вместе с пузырьками воздуха. Метод применяется для очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть и нефтепродукты, жиры, масла, волокнистые частицы. Процесс очистки состоит в образовании комплексов «частицы – пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего загрязнения, и последующего удаления этого слоя с поверхности.

Существуют различные способы флотационной обработки производственных сточных вод.

1) Флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки). Сущность метода состоит в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной воде, при выделении которого образуются макропузырьки, позволяющие удалять сильнодиспергированные загрязнения. Количество воздуха,выделяющегося из раствора и необходимого для обеспечения эффективной флотации, составляет 1 – 5% от объема обрабатываемой воды.

Вакуумная флотация используется для очистки сточных вод, если концентрация загрязнений в них не превышает 250 мг/л. Способ характеризуется достаточно низкими энергозатратами на проведение процесса флотации, а также высокой стабильностью всплывающих агрегатов «частица – пузырек воздуха» (вероятность их разрушения минимальна). Недостатками способа кроме указанного выше ограничения по концентрации загрязнений в сточных водах является достаточно высокая сложность создания и эксплуатации вакуумных систем. Схема процесса вакуумной флотации представлена на рисунке 1.3.

 

 

1 – подача сточной воды; 2 – аэратор;

3 – деаэратор; 4 – флотационная камера;

5 – механизм сгребания пены; 6 – пеносборник;

7 – отвод пены; 8 – отвод отработанной сточной воды

 

Рисунок 1.3 – Схема процесса вакуумной флотации

 

Принцип работы вакуумного флотатора заключается в следующем. Сточную воду в течение нескольких минут насыщают воздухом, потом ее направляют в деаэратор, где удаляется нерастворившийся воздух, и под действием разрежения (0,02 – 0,03 МПа)сточные воды поступают во флотационную камеру. В ней под действием вакуума воздух выделяется в виде микропузырьков, которые взаимодействую с частицами загрязнений и переносят их на поверхность жидкости в пенный слой, откуда пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник.

2) Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений 4 – 5 г/л и более. Схема процесса напорной флотации представлена на рис. 1.4. Очищенная вода насыщается в сатураторе воздухом под избыточным давлением 0,3 – 0,5 МПа. Продолжительность насыщения – 1 – 3 мин. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха составляет 3 – 5% от объема обрабатываемой воды. Насыщенная воздухом вода направляется во флотационную камеру, где из нее выделяются пузырьки воздуха, которые взаимодействуют с загрязнителями и переводят их в слой пены на поверхности воды. Образующаяся пена удаляется в пеносборник. Продолжительность флотации составляет около 20 мин.

1 – подача сточной воды; 2 – подача воздуха; 3 – насос; 4 – сатуратор (напорный бак); 5 – флотационная камера; 6 – механизм для сгребания пены; 7 – пеносборник; 8 – отвод пены; 9 – отвод обработанной сточной воды

 

Рисунок 1.4 – Схема процесса напорной флотации

 

Напорная флотация позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод. Флотаторы могут представлять собой отстойники радиального типа со встроенной флотационной камерой, имеющей механизм для сгребания пены (рис. 1.5).

I – очищенная вода; II – опорожнение;

III – нефтепродукты;IV – вода на очистку

1 – сборный лоток для воды; 2 – пеноудерживающая перегородка;

3 – лоток для сбора пены; 4 – отстойная камера; 5 –привод скребков;

6 – флотационная камера; 7 – скребки для сгона нефтепродуктов;

8 – ходовой мостик; 9 – кольцевой водослив;

10 – вращающийся водораспределитель.

 

Рисунок 1.5 – Радиальный флотатор

 

3) Флотация с механическим диспергированием воздуха создается в импеллерных установках. В них интенсивное перемешивание сточной воды производится импеллером, расположенным на дне камеры, который диспергирует засасываемую струю воздуха на отдельные пузырьки определенного размера. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастнымпеноснимателем.

4) Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается простотой аппаратурного оформления и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки и другие барботажные устройства, уложенные на дне камеры. Величина отверстий находится в пределах 4 – 20 мкм, давление воздуха 0,1 – 0,2 МПа, продолжительность флотации 20 – 30 мин. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов.

 

 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ