Процесс очистки сточной воды коагуляцией

Общие принципы метода

Простейшим актом флотации считается прикрепление нерастворимых частиц (например, минеральных, масляных или каких-либо других) к пузырькам воздуха. Успешность проведения очистки зависит от того, с какой скоростью образуется связь между частицей и пузырьками, от прочности этой связи и от длительности существования этого комплекса. Что в свою очередь определяется природой частиц, склонностью к смачиванию водой и особенностям взаимодействия их с реагентами. Таким образом, флотация — это процесс, который зависит от множества факторов.

Элементарный акт может осуществляться по одному из следующих механизмов:

• пузырьки образуются сразу во взвешенных частицах;
• частицы взвеси прикрепляются к газовому пузырьку при столкновении с ним;
• на поверхности частицы образуется маленький пузырек, который объединяется с другим при столкновении и увеличивается в объеме.

Комплекс, который образуется в процессе флотации, в практически неподвижной среде может всплыть только при условии, что подъемная сила газового пузырька больше веса частицы. Это приведет к образованию пенного слоя на поверхности очищаемой воды.

Кроме того, площади поверхностей пузырьков и частиц в месте соприкосновения должны находится в определенном соотношении. Силы адгезии возрастают пропорционально размеру частиц в квадрате, поскольку периметр их соединения ограничивается размером наибольшей из их граней. А сила отрыва напрямую зависит от массы загрязняющей частицы (т.е. ее линейных размеров в кубе). Таким образом, при достижении некоторого размера частиц силы отрыва превышают силы прилипания. Значит, для успешной очистки стоков методом флотации важен не только характер связи взвеси с пузырьками, но и их размеры.

Реагентное хозяйство

В некоторых методах флотации для улучшения эффекта очистки используются следующие реагенты:

• реагенты для корректировки pH – это кислоты и щелочи, которые добавляются в воду для обеспечения нормальных условий работы коагулянта и флокулянта;
• коагулянты – реагенты, которые способствуют хлопьеобразования и представляют собой соли железа и алюминия;
• флокулянты – реагенты, которые создают более крупные и устойчивые хлопья (флокулы) и представляют собой полиакриламидные соединения.

Основными минусами наличия реагентного метода обработки воды являются необходимость присутствия персонала, а также площади, которые надо выделять под емкости и реакторы

Также очень важно правильно подобрать дозу реагентов, что возможно только эмпирическим путем

Разновидности флотации.

Процесс очистки заключается в образовании в воде воздушных диспергированных пузырьков. Чтобы метод работал, следует добиться формирования пузырей необходимого размера. Каким образом этого можно добиться.

1.Выделить из раствора пузырьки воздуха.

Применяя раствор для выделения пузырьков, применяют флотацию вакуумного либо напорного типа.

При напорной флотации нагнетают воздух, далее резко понижают давление в сети, этим создают выделение пузырьков в воду.

При вакуумной флотации вода проходит сквозь аэрационную камеру, там она впитывает воздух. Далее устремляется в дизаэратор, чтобы удалить нерастворенные частицы воздуха. Третий этап – это проход во флотационную камеру, здесь снижают давление воды, чем образуют множество пузырьков.

Данный метод применяют для удаления примеси мелкодисперсного характера.

2.Пропустить сквозь пористый материал воздух.

Способ для получения пузырьков считается самым простым по законам физики. Перед тем, как пустить воздух в стоки, он проходит через пластины, имеющие щели. Размер пузырьков зависит от диаметра пор.

3.С помощью электролизной флотации.

Для образования пузырьков в воду кладут два электрода, пропускающих ток. В процессе электролиза вода распадается на кислород с водородом. Электроды изготавливают из алюминия либо железа. Металлы способны выделять коагулянты, связывающие взвеси, образуя из них частицы в форме хлопьев. Пузырьки и хлопья соединяются друг с другом и устремляются на поверхность, формируя пену.

3.С помощью механического диспергирования.

В основе трех методов образования пузырьков лежит вихревой процесс, сопровождающийся перемешиванием.

Принцип работы бактерий

Сточные воды очищаются с помощью аэробных и анаэробных микроорганизмов. Различие состоит в использовании кислорода для очистки жидкости. Каждый метод предполагает применение особого механизма. 

Аэробное очищение

Его производят с помощью биопленки или активного ила. Стоки попадают в отстойник или резервуар с бактериями, а затем в систему подается кислород, за счет чего органика окисляется. Параллельно происходит нитрификация соединений. Процесс повторяется несколько раз, прежде чем начнется отстаивание жидкости. Лишний ил уходит на переработку, а некоторая его часть возвращается обратно в систему. Чистая вода проходит дополнительное очищение или поступает в водоем. 

Анаэробная очистка

Если в стоках много органики, твердых веществ и активного ила, их можно очистить с помощью метаногенеза, который происходит с участием анаэробных бактерий. При этом способе жидкость обрабатывается в резервуаре с микроорганизмами, в результате чего возникает метан и углекислый газ. Затем газы удаляются, а осадок проходит в центрифугу, в которой отделяется ил. После этого чистая вода возвращается в водоем, а ил высушивается, дезинфицируется и применяется для компостов. 

Коротко о гальваническом производстве

К гальваническим способам нанесения покрытия относятся:

• хромирование;
• цинкование;
• свинцевание;
• кадмирование;
• меднение;
• никелирование;
• лужение;
• латунирование.

Гальваническое покрытие металла:

• продлевает срок эксплуатации оборудования;
• защищает от коррозии;
• используется в декоративных целях.

Гальваника как технология обработки металлических изделий – электрохимический процесс, при котором происходит осаждение слоя металла на поверхность изделия.

В нем участвуют:

• обрабатываемый элемент;
• электролит;
• два электрода;
• электрический ток.

Электролит – токопроводящая жидкая структура, раствор солей металла для будущего покрытия. Осаждение слоя металла на поверхность изделия происходит следующим образом — когда сквозь электролит проходит электрический ток, соли металла распадаются на ионы и оседают на поверхности тонкой пленкой.

Коагулянты

Для коагуляции СВ используют минеральные или полимерные добавки:

• бентонит;
• известь;
• электролиты;
• растворимые соли алюминия;
• соли железа и их соединения;
• соли магния: хлорид магния, сульфат магния;
• глины;
• шлаки, содержащие диоксид кремния;
• полиакриламид.

Полимерные вещества стимулируют агрегацию твердых загрязнений.

В качестве коагулянтов могут использоваться различные промышленные отходы – шламы и утратившие качество растворы производства этилбензола, травления металлов, например:

• хлорид алюминия;
• сульфат двухвалентного железа;
• известковый шлам.

Выбор коагулянта для очистки стоков зависит от:

• состава вещества;
• физико-химических свойств;
• концентрации и состава загрязнений;
• рН и солевого состава воды
• экономической целесообразности применения для очистки стоков определенного качества.

Объем используемого коагулянта зависит от:

• его категории;
• расхода;
• состава;
• требований к качеству очистки воды;
• определяется экспериментально.

Наиболее эффективные коагулянты – соли железа:

• активны при низкой температуре воды;
• имеют широкий диапазон оптимальных значений рН и качества водной среды;
• образуют быстроосаждаемые хлопья с высокой плотностью, прочностью и гидравлической крупностью;
• ликвидируют неприятные запахи сероводородных соединений.

Среди недостатков соединений железа как коагулянтов:

• образуют в результате реакции с органикой сильно окрашивающие растворимые комплексы;
• обладают сильными кислотными свойствами, что приводит к коррозийному разрушению оборудования;
• недостаточно развитая поверхность хлопьев.

Еще более качественный результат коагуляции достигается при смешивании сульфата алюминия и хлорного железа.

Коагулянты обычно хранятся в емкостях (баках или резервуарах) в виде раствора или порошкового (кускового) продукта. Из растворных резервуаров коагулянты перекачивают (пересыпают) в расходные емкости, а затем дозируют в обрабатываемую СВ с помощью дозаторов.

Реагенты смешивают с загрязненной водой в смесителях различных конструкций:

• перегородчатых;
• шайбовых;
• вертикальных;
• дырчатых;
• механических с пропеллерными или лопастными мешалками.

Хлопья формируются в течение 10–40 минут в перегородчатых, вихревых, водоворотных камерах хлопьеобразования. Некоторые модели предполагают механическое перемешивание.

Отведение воды в камеры хлопьеобразования и осветлители осуществляется через трубопроводы или лотки.

Суть метода

Флотация – один из физико-химических методов обработки промышленных и хозбытовых стоков путем выделения загрязнений с помощью пузырьков воздуха. В основе термина лежит английское «flotation» – «плаванье на поверхности воды». У французов для этих целей заимствовано слово «flotter» – «плавать».

Флотация применяется, чтобы собрать на поверхности сточной жидкости загрязнения с явно выраженными гидрофобными свойствами – мелкие твердые частицы, коллоидно-дисперсионные взвеси и другие примеси с плотностью, близкой воде, не обладающие способностью к осаждению.

В основе метода – способность различных веществ к смачиванию и процесс прилипания частиц флотируемой массы к границе фаз жидкости и газа, который происходит в результате избытка свободной энергии поверхностных пограничных слоев.

Соединения, отличающиеся хорошей способностью к смачиванию, называются гидрофильными, а несмачиваемые вещества относятся к гидрофобным. Процесс флотации запускается только в случае несмачивания или недостаточного смачивания частицы водой. Смачивающий потенциал жидкости зависит от ее полярности – чем выше показатель, тем ниже способность смачивать твердые тела.

Описание

Алгоритм обработки стоков с применением флотации:

1. В сточный раствор определенным способом поступает диспергированный воздух.
2. Происходит сближение гидрофобных частиц и капсул воздуха.
3. Между гидрофобным элементом и пузырьком начинает истончаться прослойка, затем происходит прилипание. Причина заключается в превышении силы взаимодействия между молекулами воды над уровнем адгезивного контакта между водой и гидрофобными элементами.
4. Результатом контакта становится флотокомплекс «гидрофобная частица + пузырек газа».
5. Плотность сформировавшегося агрегата ниже плотности среды, поэтому он поднимается на поверхность, образуя пенный концентрат флотационного шлама.

Всплывшие с пеной примеси затем снимаются при помощи специального оборудования и направляются на обезвоживание.

Прочность агрегата «частица-пузырек» зависит от размеров и физико-химических качеств пузырька и частицы, свойств сточной жидкости, гидродинамических условий, других факторов. Если пузырьки воздуха большие, то скорости пузырька и частицы значительно различаются – до такой степени, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушной капсулы.

Поэтому, чтобы флотатор показывал достаточную эффективность, размер пузырьков регулируется, чтобы при превышении определенных параметров они не могли попасть во флотационную камеру.

В зависимости от метода формирования пузырьков существуют следующие виды флотации:

1. Обработка пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с применением пористых материалов).
2. Обработка пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная,напорная).
3. Электрофлотация.

Факторы эффективности

Различные обстоятельства способны увеличивать или снижать эффективность флотационной обработки.

Среди наиболее значительных такие:

1. Показатель гидрофобности веществ. При высоких значениях частицы активнее контактируют с воздушными капсулами, образуя устойчивые флотокомплексы. Примеси абсолютно гидрофобными бывают редко – в составе обычно присутствуют и гидрофильные компоненты. Чтобы увеличить гидрофобность загрязнений, в стоки вводят различные реагенты.
2. Размер и устойчивость пенных капсул.В результате флотации должны сформироваться воздушные пузырьки такого размера, чтобы могли всплывать на поверхность воды. При этом они не должны быть слишком крупными — в этом случае они будут подниматься слишком быстро, не успев соединиться с достаточным количеством загрязняющих частиц. Кроме того, воздушные капсулы должны быть прочными, и не разрушаться.
3. Равномерное образование пены. Множество капсул воздуха, равномерно распределенных в сточной жидкости, делают процесс обработки более качественным.

Установки для флотации не применяются в качестве единственного инструмента очистки стоков. Они используются в комплексе с другим оборудованием, например, в тандеме с сооружениями для первичной механической обработки (отстойниками). Технология может применяться одновременно с флокуляцией.

Флотация максимально качественно очищает стоки от ПАВ, нефтяных фракций, смолоподобных образований, жиров, полимеров, волокнистых примесей. Кроме того, с помощью флотации отделяют активный ил после биохимической обработки загрязненных сточных вод различного происхождения.

Процесс флокуляции

Адсорбционная флокуляция происходит при определённых соотношениях концентраций полимера-флокулянта и частиц дисперсной фазы, при определённых молекулярно-структурных характеристиках флокулянта и поверхностно-химических свойствах и дисперсном составе флокулируемых частиц. На кинетику и полноту флокуляции, структуру и свойства образовавшегося флокулята влияют, с одной стороны, молекулярная масса, степень ионизации, конформационная способность (гибкость) макромолекул флокулянта, с другой – знак и плотность поверхностных зарядов, размер и форма частиц. Наиболее эффективна флокуляция при оптимальной степени адсорбционного заполнения поверхности частиц полимером, близкой к 0,5, Избыток флокулянта может не только ухудшить флокуляцию, но в некоторых случаях вызвать обратный процесс (пептизацию) и даже повысить агрегативную устойчивость системы. Уменьшение содержания флокулянта в дисперсионной среде, например разбавлением, до концентраций ниже порога флокуляции обычно не приводит к распаду флокул на первичные частицы.

Электрохимические методы очистки сточных вод

В отдельную категорию выделим электрохимические методики очистки стоков. Это:

1. Электрокоагуляция – жидкость пропускают между электродами при воздействии постоянной силы тока. В процессе электрокоагуляции коллоидные частички увеличиваются в размерах за счет ориентации по силовым линиям электромагнитного поля и их объединения. Постоянный ток вызывает процессы электролиза при образовании водородных ионов на катоде, а также растворение анодного металла. Гидроксиды металлов, в свою очередь, захватывают тонкодисперсные, растворенные вещества.
2. Электорофлотация – очистка сопровождается образованием газов, захватывающих взвешенные примеси. Размерные параметры пузырьков оказывают непосредственное влияние на качество, степень очистки воды. В отличие от обычной флотации, при электролизе пузырьки имеют маленькие размеры и распределяются максимально равномерно.
3. Электрофоретический метод – идеальный способ изъятия веществ с отрицательным зарядом. Электрическое поле не дает отрицательно заряженным частичкам коагулировать.
4. Электроосмос – вода под воздействием электрического поля проходит по капиллярам, а все примеси остаются на поверхностях пористых перегородок.

Учтите, что степень загрязнения сточных вод определить визуально невозможно – жидкость может выглядеть достаточно чистой и прозрачной, но при этом будет содержать большое количество вредных или даже опасных для здоровья примесей. Пестициды, тяжелые металлы, радиоактивные элементы, нефть – ВОЗ говорит, что 80% заболеваний развивается именно по причине постоянного употребления некачественной питьевой воды

Поэтому очистка стоков – важная задача, решению которой нужно уделять максимальное внимание. Меланома – одна из опаснейших и самых агрессивных форм рака, которая отличается стремительным ростом опухоли и ее ранним метастазированием

Плюсы, минусы и особенности метода

Структура сформировавшихся конгломератов рыхлая и пространственная, поэтому влажность осадка может достигать 99 %. Для обработки высококонцентрированных и интенсивно окрашенных стоков расход реагентов составляет 1-4 кг/м3, при этом объем осадка доходит до 10-20 % объема обработанной воды.

Минусы метода как технологии самостоятельной очистки

• большой расход коагулянтов;
• значительное количество осадка;
• сложность его утилизации;
• увеличение уровня минерализации воды.

Коагуляция целесообразна при небольших расходах СВ и при наличии недорогих коагулянтов.

Объем твердых примесей во время коагуляции уменьшается, но для достижения этого результата требуется введение добавок аналогичной химической природы. Некоторые соединения (например, кремнезем) становятся источниками поступления в воду опасных мышьяка, фтора, меди.

Ил также достаточно опасен из-за происхождения добавляемых компонентов. Масса и токсичность осадка приводят к увеличению затрат на обезвоживание и утилизацию.

Низкая температура среды замедляет хлопьеобразования, поэтому период коагуляции зимой продолжительнее, чем летом.

Но и плюсов у технологии немало:

• ускоряется процесс общей очистки стоков;
• вода очищается сразу от множества разнородных примесей;
• очистка может проводиться не в специальных резервуарах, а прямо в механической фильтрационной системе путем введения реагента в трубопровод с исходной водой непосредственно перед подачей на фильтрование;
• осаждаются самые мелкие коллоидные частицы и минеральные загрязнения – те, что обычно могут не осесть во время седиментации (физической очистки воды с использованием силы тяжести для удаления взвешенных частиц), и способны преодолеть барьеры последующей системы фильтрации;
• во время коагуляции вместе с твердыми загрязнениями в осадок увлекаются и микроорганизмы, что способствует обеззараживанию воды.

Чтобы оптимизировать расход коагулянтов, СВ должны быть в диапазоне оптимальных значений рН. Например, коагуляцию солями алюминия проводят при значениях рН=4,5, солями алюминия – при рН>9.

Способы дезинфекции очищенных вод

Дезинфекция применяется на последнем этапе комплексной очистки воды. Самое популярное применение имеет обработка её УФ излучением и хлором. Хлор традиционно используется на большинстве очистных сооружений. Но, поскольку он сам является токсичным загрязнителем, во многих странах от него стали отказываться, отдавая предпочтение таким соединениям, как гипохлорит и озон.

Пирогенная очистка

Такой способ очистки сточных вод применяется в случае образования стойких химических соединений. Для этого используют специальные печи и факелы. Печи больше распространены в развитых странах, но этот способ довольно дорогой. В России используют факельный метод, который обходится гораздо дешевле. Для этого загрязненные стоки вводятся в зону горения факела и обезвреживаются термическим методом.

Мобильные средства очистки воды

Если необходимость очистки возникает лишь периодически, а объём стоков не велик, то бывает целесообразно использовать не стационарные, а передвижные конструкции для очищения вод. Они включают в себя угольный фильтр, барботёры, насос и обеззараживающую ёмкость.

Что нужно учесть при выборе очистных систем

На современном рынке существует большое количество разных установок для очистки воды

Что бы выбрать из них оптимальную, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

1. Технология, используемая для очистки. Её эффективность и производительность.
2. Срок эксплуатации.
3. Из каких материалов выполнена конструкция очистных.
4. Безопасность и лёгкость в эксплуатации.
5. Наличие у производителя гигиенического заключения.

Помимо этого важно будет учесть и географические особенности местности, размеры участка, структуру почвы, уровень грунтовых вод, сезонность или круглогодичность пользования

Сооружения для механической очистки

Отстойники

Отстойники применяются в двух вариантах очистки – в качестве предварительного этапа (частичная очистка) или как основная процедура.

Первый используется, если конечный результат требует максимального удаления всех категорий примесей за счет фильтров, биологических или химических систем. Второго способа достаточно, если удаление только механических включений полностью отвечает установленным требованиям к санитарному состоянию очищенной воды.

Отстойники различаются режимами работы:

1. Проточные – сооружения, в которых примеси удаляются при постоянном движении воды. Это устройства непрерывного действия.
2. Контактные – сооружения периодического действия. При этом режиме водный раствор время от времени остается в покое. На этой стадии примеси осаждаются, частично очищенная жидкость направляется на дальнейшую обработку, а в отстойник подается следующая порция.

Кроме того, отстойники характеризуются общими конструкционными признаками. Остановимся на этом моменте подробнее.

Горизонтальные

Эти емкости часто имеют прямоугольное сечение, разделены на несколько отсеков, оснащены водораспределительными и водосборными аппаратами, а также (в некоторых случаях) приспособлениями для удаления осадка.

Стоки поступают из подводящего трубопровода. Нерастворимые частицы осаждаются на протоке. Чтобы осадок удалялся самотеком, дно делают с небольшим уклоном.

В высокопроизводительных отстойниках могут устанавливаться скребки или насосы, но подобное оборудование требует гидравлического/электрического привода, что приводит к дополнительным затратам на электроэнергию.

Вертикальные

Резервуары круглого или прямоугольного сечения оснащаются камерой осаждения осадка, стоком для отвода жидкости, устройством для задерживания всплывающих загрязнений.

Примеси осаждаются при движении воды от центра резервуара к стенкам. Чтобы увеличить эффективность, нижнюю часть делают под наклоном – конусом или пирамидой.

Производительность средняя, основное применение – для мехочистки хозбытовых стоков. Эффективность очистки – около 50 %.

Радиальные

Это разновидность горизонтальных отстойников. Поток СВ движется горизонтально, в направлении от центра сооружения к периферии.

Сооружения отличает высокая производительность, позволяющая применять их для удаления нерастворимых примесей при больших расходах производственных стоков.

На выбор наиболее эффективной конструкции влияют:

• требуемая производительность;
• технологии удаления осадка;
• рельеф земельного участка;
• состав грунтов;
• уровень подземных вод.

Отстойники – элемент практически всех очистных сооружений. Технологию механической очистки в отстойниках отличает простота конструкции и возможность реализации без электроэнергии.

Оба фактора значительно снижают затраты на очистку СВ – как капитальные, так и эксплуатационные.

Осветлители

Сооружения, выделяющие механические включения с помощью плавучих фильтров, (осветлители) тоже считают отстойниками. Для ускорения осаждения частиц могут использоваться коагулянты или флокулянты – реагенты, способствующие их укрупнению.

Эффективность очистки достигает 70-80%. Часто осветлители эксплуатируются целым блоком из нескольких сооружений.

Современные проблемы нехватки питьевой воды. Основные источники загрязнения

С каждым годом чистой питьевой воды становится все меньше, при этом основными ее загрязнителями являются предприятия разных сфер деятельности. Организации работают с агрессивными, токсичными веществами, которые в скапливаются в сточных водах. При отсутствии должной водоподготовки использовать стоки в бытовых и, тем более, пищевых целях нельзя, поскольку в них содержатся ПАВы, токсины, соли тяжелых металлов и другие небезопасные для здоровья человека компоненты. Для удаления загрязнений сегодня широко применяются физико-химические методы очистки воды, о которых мы поговорим далее.