Применение импеллерной флотации для очистки сточных вод

В статье рассматривается процесс импеллерной флотации в сравнении с напорной, анализируется зависимость его эффетивности от нескольких факторов, в том числе от поверхностного натяжения водной фаз; приводятся результаты исследований зависимости поверхностного натяжения водной фазы от температуры, взвешенных веществ, концентрации солей, ПАВ. Приводится конструктивная оценка решений импеллерных флотаторов, приводятся результаты их применения при очистке нескольких видов промышленных стоков.

Ключевые слова: импеллерная флотация, напорная флотация, поверхностное натяжение водной фазы, конструктивные решения импеллерных флотаторов.

К одному из часто применяемых методов очистки сточных вод относится флотация, сущность которой заключается в адсорбции загрязнений на поверхности пузырьков воздуха с последующим выделением их на поверхность воды с образованием пены. Съем пены с поверхности воды в сооружениях флотации более прост, чем удаление выпавшего осадка в отстойниках, кроме того, влажность флотошламом ниже, а следовательно, меньше их объем. Несмотря на кажущуюся простоту этого метода, флотация - достаточно сложный процесс, эффективность которого зависит от множества факторов: характеристики воды, свойств поверхности загрязнений, применяемого для флотации газа, а также от гидродинамических условий проведения процесса во флотокамерах и пр. [1-4].

Известно несколько видов флотации, отличающихся методами приготовления дисперсной воздушной (газовой) фазы, являющейся основой этого процесса:
- пенная сепарация, когда воздух (газ) диспергируется проходя через пористую перегородку (мембрану, дырчатые или пористые трубы);
- напорная флотация, когда вода перед подачей в открытый резервуар (флотокамеру) насыщается под давлением воздухом или газом. При снижении давления на входе во флотокамеру, вследствие снижения растворимости воздуха (газа) в воде, из воды выделяются мелкие пузырьки воздуха (газа), сорбирующие загрязнения;
- вакуумная флотация, при которой снижение давления производится принудительным отсосом воздуха;
- импеллерная флотация, в которой дисперсная воздушная фаза производится благодаря подсосу и последующему диспергированию воздуха импеллером (ротором), вращающимся в объеме, ограниченным перфорированным статором, через отверстия в котором водовоздушная смесь выходит во флотокамеру;
- электрофлотация, в которой мелкодисперсная газовая фаза образуется за счет диссоциации жид- кой фазы (воды) в электрическом поле между электродами;
- химическая флотация, при которой газовая фаза образуется вследствие химических реакций.

Наиболее часто применяется напорная флотация, при которой образуется наиболее устойчивая и однородная мелкодисперсная воздушная фаза.

Основным конкурентом напорной флотации, по нашему мнению, является импеллерная флотация, которая может применяться при значительных расходах сточных вод более 500-1000 м3/ч. Применение других методов ограничено расходом очищаемой воды.

Основные преимущества импеллерной флотации по сравнению с напорной:
- отсутствие дополнительного оборудования (сатураторов, насосов высокого давления, компрессоров или эжекторов, запорной арматуры);
- простота конструкции;
- повышение компактности очистной установки или сооружений.

В своей работе [5] Мещереков Н.Ф. рекомендует окружную скорость вращения импеллера принимать равной 9 м/с, а зазор между ротором и статором - 9 мм. В тоже время фирма Wemco устанавливает диспергаторы, в которых зазор может достигать до 250 мм, а скорость вращения ротора при его значительных размера намного меньше. Обследование импеллерных флотаторов (депураторов) Wemco, смонтированных на нефтеперерабатывающих заводах, показало, что не везде они обеспечивают требуемую эффективность. По нашему мнению, это объясняется разной характеристикой подаваемой воды. Кроме того, на некоторых объектах наблюдается повышенный отвод воды вместе с пенопродуктами. Причина этого недостатка заключается в том, что установленный на выходе воды из флотатора Wemco клапан, который должен автоматически поддерживать уровень воды в нем при изменении расхода воды, поступающей на флотаторы, не успевает реагировать на изменение поступающего расхода воды. Поэтому флотатор (депуратор) переполняется, и вода удаляется вместе с пенопродуктами через боковые окна, служащие для вывода пены.

Исследования показывают, что дисперсность водо-воздушной фазы, производимая диспергаторами, зависит от поверхностного натяжения водной фазы. При больших значениях образуются воздушные пузырьки большей величины, что снижает эффективность процесса. С учетом этого свойства в области обогащения полезных ископаемых [2, 3, 5, 6] для повышения эффективности импеллерной флотации используются реагенты-пенообразователи, меняющие этот параметр, снижая его величину.

В лабораторных условиях была изучена зависимость поверхностного натяжения от нескольких факторов, встречающихся при оценке характеристики сточных вод. Исследования проводились на дистиллированной воде с добавлением разных веществ: солей, взвешенных веществ (глина), ПАВ, а также оценивалось влияние температуры. Величины исследуемых параметров изменялись в разных пределах. Поверхностное натяжение определялось методом отрыва небольшого отрезка (l = 25 мм) проволоки от поверхности воды. Усилия измерялись торсионными весами.

Полученные результаты представлены на рис. 1, 2, 3.

Их анализ свидетельствует о тесной связи поверхностного натяжения с выбранными параметрами. Так, если концентрация солей, взвешенных веществ увеличивается (рис. 2), это позволяет сделать вывод о причине увеличения воздушных пузырей в водо-воздушной фазе и снижении эффекта очистки. С другой стороны, известно, что при снижении поверхностного натяжения поступающих сточных вод величины диаметров диспергируемых пузырьков становятся меньше, а следовательно, повышается эффект флотационного выделения загрязнений. График на рис. 3 свидетельствует, что для снижения величины поверхностного натяжения при регулировании процесса эффективности импеллерной флотации, обеспечивающей требуемый эффект, необходимо дозирование в сточную воду ПАВ лишь в небольших количествах, которые будут удаляться с пенопродуктами.

Обращает внимание зависимость величины поверхностного натяжения (рис. 1) от температуры. Из графика следует, что с повышением температуры поверхностное натяжение снижается. Если это приемлемо для процесса импеллерной флотации, то эффективность напорной также будет снижаться. Последнее объясняется снижением растворимости воздуха в воде при увеличении температуры.

Результаты исследований свидетельствуют, что в каждом конкретном случае перед решением применения метода флотации требуется определять характеристику воды и, в частности, поверхностное натяжение.

С помощью регулирования показателя поверхностного натяжения возможно для эффективной очистки сточных вод добиться практически в любом случае необходимого дисперсного состава водо-воздушной фазы, производимого импеллерным диспергатором для достижения необходимого эффекта очистки.

Необходимым условием применения процесса флотации является также смачиваемость взвешенных загрязнений. Потому при решении о применимости этого метода требуется оценивать этот параметр. С учетом этого метод флотации широко применяется при очистке сточных вод, содержащих масла и нефтепродукты, например, на нефтеперерабатывающих заводах.

Импеллерные флотаторы имеют прямоугольный корпус, который удобен при компоновке очистных сооружений. Его объем разделен съемными перегородками на несколько зон.

Первая зона - аванкамера - служит для смешения с применяемыми реагентами и может использоваться как камера реакции и камера хлопьеобразования. Долее через перфорированную перегородку вода поступает во флотокамеру с импеллерными диспергаторами, затем также через перегородки она проходит через вторую и третью камеры флотации. Количество камер в импеллерном флотаторе зависит от необходимой продолжительности пребывания воды в них. Это определяется опытным путем. Количество диспергаторов в камерах зависит от производительности флотатора и необходимого объема водо-воздушной фазы. Так, при поступлении на один флотатор 300 м3/ч требуется два диспергатора мощностью ~3 кВт. Следует заметить, что до настоящего времени не установлена зависимость объема воздушной фазы о размеров диспергатора и параметров его работы в схемах очистки сточных вод. Поэтому в каждом случае количество диспергаторов одного размера назначается эмпирически на основе эксплуатации работающих флотаторов. Вместе с тем необходимо отметить, что в процессе импеллерной флотации количество воздуха в дисперсной фазе значительно больше, чем при напорной флотации той же производительности, что ограничивается растворимостью воздуха в воде. Потому при регулировании показателей водной фазы поступающих сточных вод и конструктивных параметров в импеллерном флотаторе можно получить весьма высокие показатели эффективности очистки.

Как показали исследования, гидродинамический режим во флотока- мерах препятствует выделению микропузырьков воздуха (газа) диаметром 0,5 мм, объем которых, а, следовательно, и общая поверхность сорбции, может быть значительной. С учетом этого для выделения микропузырьков за последней флотокамерой предусматривается объем тонкослойного отстаивания. [7]

Пройдя объем отстаивания, водный поток проходит под полупогруженной перегородкой и через водослив переливается в водоприемный объем. Этот объем на ряде объектов используется как приемная камера насосной установки, подающей воду на последующие сооружения, например, на фильтры.

Флотопена из камер флотации и из зоны тонкослойного отстаивания может удаляться в сборные лотки, располагаемые поперек корпуса в конце каждой зоны. Из лотков пена отводится в общий пеносборный лоток, расположенный вдоль боковой стенки корпуса. Из лотка самотеком пена отводится в пеноприемный резервуар, где она разрушается, вода возвращается на повторную очистку, а нефтепродукты подаются на утилизацию.

Образующийся осевший в зоне тонкослойного отстаивания осадок специальным узлом гидросмыва при опорожненном корпусе смывается к шламоотводящим патрубкам, присоединенным через задвижки к общему шламопроводу, по которому направляется в шламоприемный колодец и далее подаётся на обработку.

Результаты промышленной эксплуатации импеллерных флотаторов производства ООО «Стройинжиниринг СМ» свидетельствуют о высокой эффективности их применения в схемах очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов с предварительной реагентной обработкой (флокулянт Zetag дозой 1,5 мг/л). Так, при изменении концентрации нефтепродуктов в воде расходом 300 м3/ч, поступающей на флотацию, 225 - 634 мг/л (это превышает допустимые нормы) в воде, после импеллерных флотаторов с тремя флотокамерами, оборудованными двумя диспергаторами, их содержание составляло 14,4-19 мг/л. На нефтяных терминалах при использовании коагулянта «Аква-Аурат» 30 дозой до 20 мг/л при поступлении сточных вод с концентрацией до 20 мг/л их концентрация в отфлотированной воде была 3-5 мг/л. Расходы производственных продуктов в смеси с поверхностными стоками составляли порядка 110 м3/ч.

На маслонефтезаводе содержание нефтепродуктов в очищенной воде при применении в качестве коагулянта «Аква-Аурат» 30 дозой 5-7 мг/л их концентрация в очищенной воде изменялась в пределах 4 мг/л.

Выводы:
1. При решении схемы очистки сточных вод промышленных предприятий каждый раз требуется определять характеристику водной фазы и содержащихся в ней загрязнений.
2. При правильной оценке воды, загрязнений и регулировании всех параметров импеллерная флотация обеспечивает высокую эффективность очистки воды от масел нефтепродуктов и других плохо смачиваемых загрязнений.

Литература:
1. Ребиндер П.А. Новые исследования в области флотации. Москва - Ленинград, 1937 г.
2. Классен В.И., Морозов В.А. Введение в теорию флотации. Москва, изд. «Госгортехиздат», 1959 г.
3. Рубинштейн Ю.Б., Филипов Ю.А. Кинетика флотации. Москва, изд. «Недра», 1980 г.
4. Пономарев В.Г. Процессы разделения суспензий сточных вод. Конструкции сооружений. Москва, изд. «Союз Дизайн», 2014 г.
5. Мещереков Н.Ф. Кондиционирующие и флотирующие аппараты и машины. Москва, изд. «Недра», 1990 г.
6. Семиошко В.М., Гольберг Ю.С. Флотация марганцевых руд. Москва изд. «Недра» 1970 г.
7. Патент № 2349553 Россия.

 The use of impeller flotation for wastewater treatment

The article discusses the impeller flotation process in comparison with the pressure, the dependence of its efficiency on several factors, including the surface tension of the aqueous phase; the results of studying the dependence of the surface tension of the aqueous phase on temperature, suspended solids, concentration of salts, surfactants. The constructive solution assessment impeller flotation, the results of their application in the purification of several types of industrial effluents.

Keywords: impeller floatation, pressure flotation, the surface tension of the aqueous phase, constructive solutions impeller flotation.

Ulanovsky Yakov Benedictovich, Doctor of Engineering, President of the group of companies JSC «Sinemet».

Ponomarev Victor Georgievich, Doctor of Engineering, Professor, scientific Director of LLC «Stroyengineering CM». 117587, Russia, Moscow, Varshavskoe sh., D. 125, p. 1. Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript..

Arsenteva Tatiana Nikolaevna, Lead Engineer-technologist, LLC «Stroyengineering CM».

Журнал «Вода Magazine», №9 (97), 2015 г.