Очистка сточных вод от гидрофобных загрязнений с помощью флотационных комбинированных установок

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, высокую эффективность очистки жиросодержащих сточных вод обеспечивает использование комбинированных флотационных установок. Они позволяют достигать высокой степени очистки стоков от гидрофобных загрязнений, причем с высокой начальной концентрацией загрязнений.

Очистка нефтесодержащих сточных вод по-прежнему остается актуальной на протяжении последних десятилетий и, кроме того, возникающие новые задачи требуют в ряде случаев разработки комплексных установок [1-2]. Предлагаемая комбинированная установка для очистки нефтесодержащих сточных вод вклюает горизонтальную тонкослойную нефтеловушку, пневматическую флотационную машину и фильтр доочистки, причем для повышения эффективности очистки отстойник и флотационная установка снабжены блоками тонкослойного осветления с гидрофобными гофрированными поверхностями полок, выполненных в виде совокупности полукругов или половин эллипсов, а флотационная машина и фильтр доочистки содержат комбинированную фильтрующую загрузку, состоящую из частиц различной крупности размером от 0,5 до 5,0 мм, причем крупность уменьшается сверху вниз, а загрузка фильтра содержит магнитную и немагнитную части, магнитная часть выполнена из колец Рашига.

В состав комбинированной установки (рис. 1) входят:
- горизонтальная нефтеловушка, включающая корпус 2 с входным патрубком 1, тонкослойные блоки 3, донную часть для сбора осадка 4, трубопровод для откачки осадка 5, полупогружную перегородку 6, устройство для регулирования уровня жидкости 7, выходной патрубок 8;
- пневматическая флотационная машина, состоящая из корпуса 10 с входным патрубком 9, разделенного перегородками 11 на три секции, в нижней части которых установлены пористые аэраторы 12, а также включающего блок тонкослойного осветления 13, комбинированную фильтрующую загрузку 14, устройство для регулирования уровня жидкости 15, камеру условно чистой воды 16, выходной патрубок 17;
- фильтр доочистки, выполненный в виде цилиндрического корпуса 19 с магнитной частью фильтрующей загрузки 20 и немагнитной частью 21, с выходным патрубком 22. При этом блоки тонкослойного осветления 3 и 13 выполнены в виде совокупности полукругов или полуэллипсов с гидрофобной поверхностью, а комбинированная загрузка 14 состоит из частиц различной крупности размером от 0,5 до 5,0 мм, причем крупность уменьшается сверху вниз.

Установка для очистки сточных вод работает следующим образом.

Исходные нефтесодержащие сточные воды поступают через приемный патрубок 1 в корпус 2 горизонтального отстойника, где происходит осаждение частиц твердой фазы размером примерно до 0,1…0,01 мм, а также всплытие грубодисперсных эмульгированных масел или нефтепродуктов, и при этом всплытие происходит в межполочных пространствах блоков тонкослойного осветлителя 3. За счет формы полок осветлителя 3, выполненного в виде совокупности полукругов или полуэллипсов, происходит интенсивная коалесценция всплывающих капель масел или нефтепродуктов, что ускоряет их отделение от воды. Для удаления осевшей твердой фазы из донной части 4 предусмотрен трубопровод 5. Из горизонтального отстойника предварительно осветленная жидкость самотеком, через устройство регулирования уровня жидкости 7, выходной патрубок 8 и входной патрубок 9 попадает в пневматическую флотационную машину 10.

В указанной флотационной машине, состоящей из трех секций и разделенных перегородками 11, происходит извлечение тонкодисперсных капель масел и нефтепродуктов путем всплывания их вместе с пузырьками воздуха, образующимися при диспергировании газа продавливанием его в жидкость через затопленные отверстия в резиновых аэраторах 12. Капли нефтепродуктов вместе с пузырьками воздуха (флотокомплексы) всплывают за счет действия архимедовых сил, образуя в верхней части камеры пенный слой, который удаляется самотеком через специальный патрубок в пеносборник (на рис. 1 не показаны). Очищенная жидкость выводится из флотационной машины путем прохождения через блок тонкослойного осветления 13, представляющий совокупность полок, выполненных в виде полукругов или полуэллипсов, и комбинированную фильтрующую загрузку 14 с уменьшающимся сверху вниз размером, в которых микропузырьки, содержащиеся в во- де, взаимодействуют между собой, что в итоге приводит к интенсивной коалесценции тонкодисперсных пузырьков и образованию более крупных флотокомплексов. Такие пузырьки воздуха быстро всплывают в пенный слой, что ведет к дополнительному осветлению очищаемой воды от гидрофобных загрязнений, например масел или нефтепродуктов.

С помощью центробежного насоса 18 через выходной патрубок 17 вода подается на доочистку на фильтр 19. Сначала жидкость проходит через магнитную часть фильтра 20, выполненную из колец Рашига. В слое магнитной загрузки происходит улавливание мелкодисперсных ферромагнитных загрязнений. Затем жидкость проходит через немагнитную часть фильтра 21, которая состоит из твердых адсорбентов (предпочтительно используются активированные угли различных марок или современные углеволокнистые адсорбенты (например, бусофит, адсорбционное волокно «Увисорб», углен и другие углеподобные материалы, адсорбенты на основе торфа и др.). При прохождении воды через слой угля происходит глубокая доочистка сточных вод, в частности от растворенных загрязнений. Далее, через выходной патрубок 22, жидкость выводится из установки.

При проектировании и изготовлении таких установок следует также учесть, что скорость процессов коалесценции может быть значительно (на несколько порядков) увеличена при фильтровании эмульсии через различные пористые среды. При этом в поровом пространстве протекают процессы межкапельной (градиентной, ортокинетической) и контактной коалесценции. Очевидно, что для масло- и жиросодержащих эмульсий поверхность коалесцирующего материала должна быть гидрофобной.

В качестве фильтрующей загрузки можно использовать специально обработанные стеклянные шарики, гранулы полиэтилена, полипропилена и полистирола. Размеры гранул, зерен должны соответствовать размерам капель обрабатываемой эмульсии. Коалесцирующие материалы с размерами гранул 2-4 мм эффективно разделяют водонефтяные эмульсии с размерами капель 20-25 мкм и выше. Чем выше дисперсность эмульсий, тем меньшие размеры гранул должна иметь коалесцирующая загрузка. Желательно, чтобы поверхность загрузки была не только гидрофобной, но и шероховатой - это увеличивает эффективность коалесценции.

Для разделения тонкодисперсных эмульсий наиболее эффективен метод коалесценции на волокнистых материалах, т.к. толщина волокон гораздо меньше (5-8 мкм), чем диаметр гранул зернистой загрузки. Для осуществления процесса достаточен слой материала 10-15 мм. Применять эти материалы можно для эмульсий, не содержащих механических примесей и вязких веществ, т.к. регенерировать их очень сложно. Удобнее всего использовать эти материалы в виде патронов или картриджей.

Эффективным устройством для отделения минерализованных микропузырьков от жидкости является фильтр с фильтрующей загрузкой из торфа и угля (рис. 2).

Это устройство для отделения микропузырьков от жидкости включает корпус с установленными на внешней стороне патрубками для ввода в вывода жидкости, осадка, промывной воды и вывода газовой фазы в содержащую внутри камеру дегазации, причем камера дегазации разделена на две секции, при этом в первой по ходу обработки жидкость движется в виде нисходящего потока, а во второй - в виде восходящего потока и при этом соотношение площадей сечения секций нисходящего и восходящего потоков составляет от 1,0:1,5 до 1,0:3,0 и, кроме того, секции наполнены дисперсной гидрофобной насадкой с размером частиц 1-15 мм, порозность слоя дисперсной насадки в секции с нисходящим потоком составляет 0,4-0,5, а в камере с восходящим - 0,55-0,85.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1, с установленными на его внешней стороне патрубками для ввода жидкости 2, для отвода жидкости, осадка и промывной воды 3, отвода газа 4, секции камеры с восходящим потоком 5, секции с нисходящим потоком 6, частиц дисперсной насадки 7 и решетки 8.

В качестве дисперсной насадки используются уголь (антрацит) и торф с размером частиц примерно 1-15 мм. Принцип работы предлагаемого устройства состоит в следующем. Исходная жидкость, содержащая микропузырьки, через патрубок 2 поступает в секцию 6 и движется в виде нисходящего потока через слой насадки из угля и торфа в соотношении 1:1 с порозностью 0,4-0,5 в зависимости от размера частиц насадки, имеющих диаметр 1-15 мм. Микропузырьки, содержащиеся в жидкости, сталкиваются с частицами дисперсной насадки 7 и между собой и коалесцируют при этом, образуя крупные пузырьки, скорость всплывания которых превышает 20 см/сек., что позволяет им всплыть против встречного потока жидкости.

В дальнейшем жидкость поступает в секцию 5, в которой за счет восходящего потока насадка переходит в состояние псевдоожижения. При этом порозность слоя дисперсной насадки в этой камере составляет 0,55- 0,85. При порозности менее 0,55 насадка не может перейти в состояние псевдоожижения из-за большого количества частиц насадки, имеющих размер 1-15 мм, а при порозности слоя более 0,85 происходит проскок микропузырьков между частицами насадки и не достигаются эффект коалесценции пузырьков на частицах насадки и образование крупных пузырьков, имеющих большую скорость всплытия.

Жидкость, освобожденная от микропузырьков, выходит через патрубок 3, а газ, содержащийся в микропузырьках, после их коалесценции и образования крупных пузырей, всплывающих на поверхность и впоследствии разрушающихся, выводят через патрубок 4.

Эффект очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием в качестве фильтрующей загрузки из торфа и углей, в том числе и антрацита, обусловлен не только коалесценцией масла, но и адсорбцией растворенных нефтепродуктов на частицах торфа и угля.

На основе рассмотренных выше комбинированных машин и аппаратов разработан и внедрен способ очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты (рис. 3).

Технологическая схема очистки нефтесодержащих сточных вод включает песколовки 1, отстойник 2, насос 3, фильтрат с загрузкой на основе торфа и углей, комбинированную флотомашину механического типа 5, пеносборник 6. При очистке нефтесодержащих сточных вод эффективность очистки с использованием этой схемы достигает 95-96%, причем концентрация нефтепродуктов в очищенной сточной воде после флотомашины составляет 10-14 мг/л, а после фильтра с загрузкой из торфа и углей - до 0,4-0,5 мг/л. Очистка жиросодержащих сточных вод с использованием механических флотомашин и флотационной колонны позволяет достичь степени извлечения жира 95-99% (рис. 4).

Жиросодержащие сточные воды поступают в канализационную насосную станцию (КНС) с концентрацией жира 1500-2000 мг/л и взвешенных веществ 1000-15 000 мг/л. Из КНС частично отстоявшиеся сточные воды с концентрацией жира около 1000- 3000 мг/л и взвешенных веществ около 1250 мг/л при помощи насоса направляют в камеру предварительного фильтрования 1 для задержания крупных взвешенных частиц размером более 5 мм, которые в виде осадка собирают в специальный сборник (на рис. 4 не показан).

Образовавшийся в водах КНС верхний слой всплывшего жира с помощью насоса также подают в тот же специальный сборник, откуда жиромасса удаляется по мере накопления. После фильтрования очищаемые сточные воды подают во флотационные жироловушки 2, в которых происходит извлечение жира на 80-90% от значения его концентрации в исходных сточных водах и взвешенных веществ на 30-40%.

Осветленная вода из флотационной жироловушки поступает далее с помощью насосов 3 на доочистку во флотационную колонну 4, в которой содержание жира и взвешенных веществ уменьшается до норм сброса в городскую канализацию.

Извлекаемые в пену, образующуюся при флотации, частицы жира и взвешенных веществ в виде жиромассы с влажностью 80-90% поступают в сборник пенного продукта 5, откуда удаляются по мере накопления.

Результаты испытаний этой установки на стадии локальной очистки жиросодержащих сточных вод представлены в таблице 1.

Данные свидетельствуют о высокой эффективности очистки жиросодержащих сточных вод с использованием комбинированных флотационных установок. Следует отметить, что после пребывания в течение 1-2 суток в промежуточном резервуаре эффективность очистки сточных вод снижается, что связано, по-видимому, с окислением жиров и худшей их флотируемостью.

Таким образом, использование комбинированных флотационных установок позволяет достигать высокой степени очистки сточных вод от гидрофобных загрязнений, например жиров, причем с высокой начальной концентрацией загрязнений. При этом целесообразно очистке подвергать свежеобразованные сточные воды без их длительного выдерживания в промежуточных резервуарах.

Литература:
1. Ксенофонтов Б.С. Очистка воды и почвы флотацией. - М.: Новые технологии, 2004.- 224 с.
2. Ксенофонтов Б.С. Флотационная обработка воды, отходов и почвы. - М.: Новые технологии. 2010. 272 с.

Журнал «Вода Magazine», №2 (66), 2013 г.