Физико-химические методы очистки сточных вод от ПАВ

1.2 Физико-химическая очистка

К физико-химическим методам  очистки сточных вод относят  коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных  взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных  и органических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных  вод по сравнению с биохимическими имеет ряд преимуществ: 1) возможность  удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений; 2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки; 3) меньшие размеры сооружений; 4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок; 5) возможность полной автоматизации; 6) более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры; 7) методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов; 8) возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических  требований, предъявляемых к очищенным  производственным сточным водам  с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных  вод и концентрации загрязнений  в них, наличия необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности  процесса.

Коагуляция - это процесс  укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения  в агрегаты. В очистке сточных  вод ее применяют для ускорения  процесса осаждения тонкодисперсных  примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием

добавляемых к ним специальных  веществ — коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов  металлов, которые быстро оседают  под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так .как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частиц двойного электрического слоя. Одна часть  двойного слоя фиксирована на поверхности  раздела фаз, а другая создает  облако ионов, т. е. одна часть двойного слоя является неподвижной, а другая подвижной (диффузный слой). Разность потенциалов, возникающая между  неподвижной и подвижной частями  слоя (в объеме жидкости) называется дзета-потенциалом (£) или электрокинетическим потенциалом, отличным от термодинамического потенциала (Е), который представляет собой разность потенциалов между поверхностью частиц и жидкостью. Дзета-потенциал зависит как от (Е), так и от толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые предохраняют частицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных частиц загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на поверхности этих частиц, обусловливает высокую стабильность коллоидной системы.

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить  величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.

Для начала коагуляции частицы  должны приблизиться друг к другу  на расстояние, при котором между  ними действуют силы притяжения и  химического сродства. Сближение  частиц происходит в результате броуновского движения, а также при ламинарном или турбулентном движении потока воды. Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением.

Соли железа как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед  солями алюминия: лучшее действие при  низких температурах воды; более широкая  область оптимальных значений рН среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность  использовать для вод с более  широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные  запахи и привкусы, обусловленные  присутствием сероводорода. Однако имеются  и недостатки: образование при  реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей Al₂(SO₄)₃ и FeCl₃ в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев. Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминий содержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Оптимальную дозу реагента устанавливают  на основании пробного коагулирования. Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита.

При малых концентрациях  электролита эффективность соударений частиц, т. е. отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к, общему числу  столкновений, близка к нулю. По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны — такую коагуляцию называют медленной. При общем числе столкновений, равномуеднице наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при  оседании увлекают за собой более  мелкие. Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные.

Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтовпозволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляций и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Для очистки сточных вод  используют природные и синтетические  флокулянты. К природнымфлокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры, целлюлозы и др.

Процесс очистки сточных  вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев. Для смешения коагулянтов с водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды. В механических смесителях-аппаратах с мешалкой процесс перемешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки,.

После смешения сточных вод  с реагентами воду направляют в камеры хлопьеобразования. Используют перегородчатые, вихревые и с механическими мешалками  камеры. Образование хлопьев в  камерах протекает медленно за 10 — 30 мин. Перегородчатая камера - представляет собой резервуар, разделенный перегородками  на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды в  коридора: принимают 0,2—0,3 м/с.

Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях. Часто стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате.

Флотация. Флотацию применяют  для удаления из сточных вод нерастворимых  диспергированных примесей, которые  самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например, ПАВ. Такой процесс  называют пенной сепарацией или пенным концентрированием. Флотацию применяют  для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Ее используют также для  выделения активного ила после  биохимической очистки. Достоинствами  флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие  капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность  выделения примесей, по сравнению  с отстаиванием большая скорость процесса, а также возможность  получения шлама более низкой влажности (90—95%), высокая степень  очистки (95—98%),' возможность рекуперации  удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением  концентрации ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному  проведению последующих стадий очистки  сточных вод.

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при  сближении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной  частицей разделяющая их прослойка  воды при некоторой критической  толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем  комплекс пузырек — частица подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией  частиц, чем в исходной сточной  воде.

Возможность образования  флотационного комплекса частица  — пузырек, скорость процесса и прочность  связи, продолжительность существования  комплекса зависят от природы  частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и  от способности частиц смачиваться  водой.

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, алкилсульфаты, амины и др. Повышения гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Для частиц, хорошо смачиваемых  водой, следовательно прочность прилипания минимальна, для несмачиваемых частиц — максимальна.

Эффект разделения флотацией  зависит от размера и количества пузырьков воздуха. По некоторым  данным, оптимальный размер пузырьков  равен 15 — 30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большоегазосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят: масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия и др. Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

Вес частиц 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.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Этот процесс иногда называют флотацией. При проведении флотации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что вероятность прилипания пузырьков газа к свежа образованным хлопьям выше, чем к хлопьям, имеющим «возраст» несколько часов. Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяют  для очистки сточных вод, которые  содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается в  создании пересыщенного раствора воздуха  в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнения. В зависимости от способа создания пересыщенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, напорную и эрлифтную флотацию.

Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Они просты по устройству, затраты энергии на проведение процесса в них в 2—4 раза: меньше, чем в напорных установках.

Сточная вода из емкости, находящейся  на высоте 20—30 м, поступает в аэратор. Туда же подают сжатый воздух, который  растворяется под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе. Образующаяся пена с частицами удаляется самотеком или скребком. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинами  насосного типа — импеллерами.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинами  насосного типа – импеллерами которые представляют собой диск с радиальными обращенными: вверх лопатками. Такие установки широко используют при обогащении полезных ископаемых. В последнее время их стали применять и для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. Степень измельчения и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера.

Чем больше скорость, тем  меньше пузырек и тем больше эффективность  процесса. Однако при высоких окружных скоростях резко возрастает турбулентность потока и может произойти разрушение хлопьевидных частиц, что приведет к снижению эффективности процесса очистки. Сточная вода поступает в приемный карман флотационной машины по трубопроводу попадает в импеллер, который крутится на нижнем конце вала. Вал заключен в трубку, через которую засасывается воздух, так как при вращении импеллера образуется зона пониженного давления. Для флотации требуется высокая степень насыщения воды воздухом (0,1—0,5 объемов воздуха на 1 объем воды). Обычно флотационная машина состоит из нескольких последовательно соединенных камер. Диаметр импеллеров 600—-700 мм.

Пневматические установки  применяют для очистки сточных  вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные по отношению к механизмам, имеющим движущиеся части (насосы, импеллеры).