Физико-химические методы очистки сточных вод от ПАВ

Измельчение пузырьков воздуха  достигается при пропускании  его через специальные сопла  на воздухораспределительных трубках. Обычно применяют сопла с отверстиями  диаметром 1,0 — 1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3 — 0,5 МПа. Скорость струи  воздуха на выходе из сопел 100 — 200 м/с. Продолжительность флотации в каждом случае устанавливают экспериментально, обычно в пределах 15 — 20 мин.

Флотация при помощи пористых пластин. При пропускании воздуха  через пористые керамические пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки.

Этот способ флотации по сравнению  с другими имеет следующие  преимущества: простота конструкции  флотационной камеры; меньшие затраты  энергии (отсутствуют насосы, импеллеры). .Недостатки способа: частое засорение и зарастание отверстий пористого материала; трудность подбора материала с одинаковыми отверстиями, обеспечивающего образование мелких и равных по размеру пузырьков.

Для очистки небольших  количеств сточных вод применяют флотационные камеры с пористыми колпачками. Сточную воду подают сверху, а воздух в виде пузырьков — через пористые колпачки. Пена переливается в кольцевой желоб и удаляется из него. Осветленную воду отводят через регулятор уровня. Установки могут иметь одну или несколько ступеней. В установках большой производительности воздух подают через фильтросные пластины.

Эффект флотации зависит  от величины отверстий материала, давления воздуха, расхода воздуха, продолжительности  флотации, уровня воды во флотаторе. По опытным данным размер отверстий  должен быть от 4 до 20 мкм, давление воздуха 0,1— 0,2 МПа, расход воздуха 40—70 м³/(м²*ч), продолжительность флотации 20—30 мин, уровень воды в камере до флотации 1,5—2,0 м.

Другие способы флотации, химическая, биологическая и ионная флотации.

Химическая флотация. При  введении в сточную воду некоторых  веществ для ее обработки могут протекать химические процессы с выделением газов: О₂ СО₂ и др. Пузырьки этих газов при некоторых условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Сточные воды поступают в реакционную камеру. Туда же подают реагенты. Во избежание дегазации время пребывания сточной воды в камере должно быть минимальным. После насыщения вода поступает во флотационную камеру. Недостаток метода — большой расход реагентов.

Ионная флотация. Этот процесс  ведут следующим образом: в сточную  воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (поверхностно-активные вещества). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют  заряд, противоположный 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.

Очистка методом пенного  фракционирования (пенной сепарацией). Пенное фракционирование основано на селективной адсорбции одного или  нескольких растворенных веществ на поверхности газовых пузырьков, которые поднимаются вверх через  раствор. Образовавшаяся пена обогащается  адсорбированным веществом, что  и обеспечивает парциальную сепарацию  компонентов раствора.

Этот процесс используют для удаления ПАВ из сточной воды; он аналогичен процессу адсорбции на твердых сорбентах.

Сепаратор имеет несколько  камер, в каждую из которых вводят воздух. Высота слоя воды в камерах  составляет 0,5—0,8 м. Очищенная вода поступает в сборник, а пену вентилятором подают в циклон (в вентиляторе  происходит частичное разрушение пены), где газовая фаза отделяется от жидкости. Из циклона смесь воды с пеной  поступает в отстойник, где происходит разделение. Вода поступает в камеру сепаратора, а пена в камеру концентрирования.

В процессе пенной сепарации  происходит не только извлечение ПАВ, но неодновременное удаление из воды суспендированных или эмульгированных частиц, а также частичное удаление растворенных веществ.

Воздух в сточную воду можно подавать через перфорированные  трубы, мелкопористые материалы, при  помощи импеллера, а также из пересыщенных растворов при снижении давления над жидкостью (при напорной флотации) и при электрофлотации. Наибольшая степень удаления ПАВ из сточной воды достигается при диспергировании воздуха через пористые пластины.

В процессе разделения образуется пена с повышенной концентрацией  ПАВ, количество которой пропорционально  концентрации ПАВ и расходу сточной  воды. Выделение ПАВ из стойкой  пены связано со значительными трудностями, поэтому она в большинстве  случаев является отходом.

Процесс разрушения пенного  слоя протекает с небольшой скоростью.

Для ускорения процесса разрушения пены могут быть использованы пеногасители, в качестве которых применяют кремний - органические и германий - органические соединения. Однако при использовании пеногасителей происходит дополнительное загрязнение пеноконденсата. Исходя из этого, целесообразнее использовать термические, электрические и механические способности гашения пены.

Таким образом, процесс очистки  сточных вод от ПАВ методом  пенного фракционирования имеет  следующие недостатки: 1) образуется обогащенный ПАВ конденсат, который  медленно разрушается; 2) при увеличении концентрации ПАВ в сточной воде эффективность очистки снижается.

Предложен способ очистки  от ПАВ, сочетающий пенное фракционирование и радиационную деструкцию и исключающий отход пены. Процесс можно проводить в одном или двух аппаратах.

Метод позволяет очищать  сточные воды с высоким содержанием  ПАВ любого типа и строения. Следует  отметить, что полная деструкция ПАВ  до воды и СО₂ экономически нецелесообразна. Радиационную деструкцию проводят до образования продуктов, легко окисляемых биологически.

Адсорбция. Адсорбционные  методы широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической  очистки, а также в локальных  установках, если концентрация этих веществ  в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента.

Адсорбцию используют для  обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических  нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ. Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбщюнной очистки достигает 80—95% и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

Адсорбенты. В качестве сорбентов  используют активные угли, синтетические  сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки и др.).

Минеральные сорбенты — глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции различных веществ из сточных вод используют мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика — иногда превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активные угли, однако они должны обладать определенными свойствами.

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 переднего 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  размером 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., так как 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.

Адсорбционная способность  активных углей является следствием сильно развитой поверхности и пористости. Основы процесса адсорбции. Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов  активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбирующиеся  — вогнутую. Изотерму адсорбции  вещества, находящегося в сточной  воде, определяют опытным путем.

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 и сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешне диффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос  вещества внутри зерен адсорбента (внутри диффузионная область). Принято считать, что скорость собственно адсорбции  велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя диффузия либо внутренняя диффузия. В некоторых  случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями.

Во внешне диффузионной области  скорость массопереноса в основном определяется интенсивностью турбулентности потока, которая в первую очередь  зависит от скорости жидкости. Во внутри диффузионной 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 внутри диффузионной области, сопротивление  которой можно снизить, изменяя  структуру адсорбента, уменьшая размеры  зерна. При значениях w и d меньше указанных, процесс лимитируется по внешне диффузионной области, при больших значениях — во внутри диффузионной.

Адсорбционные установки. Процесс  адсорбционной очистки сточной  воды ведут при интенсивном перемешивании  адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в  псевдосжиженном 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.

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  адсорбёнта, сколько необходимо для  снижения концентрации загрязнений, затем  адсорбент отделяют отстаиванием или  фильтрованием, а сточную воду направляют во вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент. По окончани процесса адсорбции во второй ступени концентрация загрязнений в воде уменьшается от C₁ до С₂ и т. д.

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 м³/(м²-ч). Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером в пределах 1,5—5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, расположенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.

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

В момент проскока в колонне  появляется слой адсорбента, который  не работает. Этот слой называют «мертвым»  слоем. 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.

Установки с псевдосжиженным 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. Скорость потока для частиц указанных размеров находится в пределах, 8—12 м/ч.

Регенерация адсорбента. 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 вещество извлекают из конденсата.