Способ очистки сточных вод флотацией — что это такое и какие виды бывают?

Флотация – способ очистки.
Стоки, проходящие очистку, проходят через отстойник, в котором крупные фрагменты опускаются на дно, потому что весят больше воды. В воде остаются нетонущие крупные частицы, флотация – способ очистки, помогает выделить сложные загрязнения данного типа. Способ является одной ступенью на этапе очистительного процесса нечистот.

В чем суть флотационного метода? Стоки проходят флотацию от примесей, которые легче водного состава. С английского слово флотация означает «плаванье на поверхности», похоже на русское слово флот. Цель метода является поднятие на поверхность частиц, чья плотность близка к воде, и они не тонут.

Очистка сточных вод

Этот метод успешно применяется для очистки стоков, содержащих волокна, нефтепродукты, масла и жиры, а также другие малорастворимые в воде вещества. Предварительно сточные воды переводят в суспензию и эмульсию с использованием специальных веществ.

Процесс флотации основывается на способности газовых пузырьков закрепляться на частицах, помогая им всплывать на поверхность жидкости.

Флотация на основе физических законов.

Флотация происходит благодаря соблюдению физических и химических законов. В основе лежит свойство веществ смачиваться. Особенность частиц в этом процессе влияет на их поведение, когда они находятся в пограничном состоянии между жидкостью и газом.

Выделяют такие виды частиц:

1.гидрофильный тип хорошо смачивается.

2.гидрофобный тип не смачивается

Если вещество гидрофобное, оно поддается флотации и выделяется данным методом.

Эффективность метода.

Определенные условия и факторы способствуют повышению эффективности метода.

Самыми важными считаются такие факторы, как:

1.уровень гидрофобности веществ. При высоком показателе этого свойства, вещества быстро присоединятся к воздушным пузырькам, формируя крупные комплексы шлама. Некоторые частицы включают вещества из двух составов, гидрофобного и гидрофильного типа. В стоковые воды добавляют реагенты, повышающие гидрофобность и ускоряющие процесс флотации.

2.уровень прочности и размер пенных пузырьков. Во время флотации пузырьки должны достигать размера, при котором они легко поднимутся на поверхность.

Внимание! Пузыри с очень большим размером всплывают быстрее, не успевая присоединить загрязняющие вещества в достаточном количестве. Пузыри должны отличаться прочностью, чтобы реже разрушаться в составе флотокомплекса.

3.процесс пенообразования должен быть равномерным и непрерывным. Эффективность определяется равномерным распределением пузырьков в воде, их частота.

Эти факторы повышают, добавив в нечистоты специальные реагенты.

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.

Виды

Главная действующая сила при флотационной очистке – это микроскопические полости воздуха, которые получают непосредственным выделением из воды или дроблением газовой составляющей по всей толще жидкости.
Способ получения насыщенных воздухом стоков, дробления пузырьков определяет классификацию флотационных методов.

С выделением воздуха из раствора

Технология очистки посредством выделения пузырьков из загрязненной водной среды подразумевает использование напора или вакуума.

Напорная

При напорной очистке флотацией в раствор, перекачанный в сатуратор, нагнетают воздушный поток. После чего масса поступает во флотационную камеру, давление в которой равно атмосферному.

Справка. Резкий перепад давления создает гидравлическую нагрузку на сточные воды, вследствие которой в толще водного слоя происходит «вскипание» с выделением большого количества пузырьков.

Образовавшиеся воздушные капсулы фиксируют на своей поверхности частицы примесей; агрегированные комплексы поднимаются в верхний слой, образуя флотационную пену.
Количество воздушных микроскопических полостей можно регулировать интенсивностью напора, что позволяет применять метод для большого количества загрязнений при концентрации, достигающей 5 г/л.

Подробнее о напорном способе флотационной очистки сточных вод смотрите в видео:

Эрлифтная

Для удаления отходов из сточных вод, поставляемых в химической промышленности, часто применяют эрлифтную модификацию метода. Очистка происходит благодаря перепадам высот, на которых расположены резервуары, что значительно сокращает энергозатраты на проведение флотации.

Емкость со сточной водой располагается на высоте, достигающей 30 м. Грязный поток поступает в аэратор, расположенный значительно ниже. В него нагнетают воздух, а затем поднимают массу по эрлифтным трубам во флотационную камеру.

Подъем воздушного потока стимулирует образование сначала воздушных пузырьков, а затем агрегированных комплексов. Вся грязь всплывает в верхнем слое, снизу остается относительно очищенная вода, которую подвергают дальнейшей обработке для приведения в нормальное состояние.

Вакуумная

При таком способе очистки водный раствор аэрируют для насыщения воздухом, затем в специальном отсеке удаляют нерастворившуюся воздушную часть. В камере флотации полученный раствор попадает в зону пониженного давления, значения которого меньше, чем атмосферные показатели.

Это приводит к обильному появлению пузырьков в окружении спокойной окружающей среды. Прилипание примесей к поверхности происходит прочно, сохраняется надежно до полного всплывания агрегата на поверхность.

Каждый из представленных методов позволяет успешно очищать сточные производственные воды с не очень крупными дисперсными частицами примесей.

С насыщением раствора воздухом

При некоторых видах загрязнений сточных масс воды раствор дополнительно насыщают воздухом по одному из нескольких возможных алгоритмов.

Импеллерная

Насыщение посредством небольших специальных турбин – импеллеров позволяет получать пузырьки маленьких размеров, которые могут адсорбировать молекулы жиров и продуктов переработки нефти.
Вращение лопастей, сориентированных вверх, создает вихревое движение в водной массе, приводит к образованию большого количества мелких пузырьков одинаково маленькой величины.

Вращение импеллера производится со строго заданной скоростью, обеспечивающей образование большого количества мелких пузырьков.

Важно! Превышение скорости вращения лопастей может мешать образованию агрегатов с загрязняющими частицами, поэтому недопустимо.

Метод позволяет убрать из стоков нерастворимые частицы при концентрации их в растворе, достигающей 3 г/л, а также компоненты нефтяных фракций, молекулы жиров.

Безнапорная и пневматическая

Без напора раствор можно насытить воздухом посредством вращения рабочего колеса, соединенного с насосом. Безнапорным способом формируются относительно большие пузырьки воздуха, которые фиксируют на себе:

• волокна;
• частицы шерсти;
• жировые капсулы.

Получившиеся агрегаты в целостном состоянии поднимаются вверх, очищая стоки.

При использовании пневматического нагнетания воздуха трубы с форсунками кладут внизу флотационных емкостей. Пневматические установки с форсунками на дне применяют в случае, если в среде имеются агрессивные вещества, контакт которых с вращающимися рабочими деталями допускать нельзя.

Барботажная

В качестве источников для насыщения сточных вод воздушными пузырьками иногда используются пористые структуры с одинаково маленькими ячейками, через которые с заданной скоростью пропускают воздушный поток.

Диаметр пор не превышает 20 мкм, что создает возможность подачи микроскопических порций воздуха.

Достоинством метода является интенсивное насыщение стоков, неудобство заключается в том, что мелкие ячейки часто забиваются грязевыми примесями. Если объем сточной воды не очень велик барботаж проводится в камере с пористыми колпачками. Агрегированная грязь образует пену в верхнем слое, которая стекает за пределы резервуара по специальному каналу.

Электролитическая

Большую эффективность демонстрирует электролиз сточных вод, при котором на катоде выделяется водород, а на анодном электроде газообразный кислород. Интенсивность электролиза можно регулировать составом и формой электродов.

Выделяющиеся газы, особенно при растворяющихся анодах из алюминиевых или железных сплавов, дополнительно увеличивают скорость агрегации примесей, способствуют обеззараживанию воды, упрощают ее последующую очистку.

Химической и биологической природы

Применение механических способов образования агрегатов и всплывание их на поверхность не всегда приводит к полному выделению дисперсных частиц. В качестве дополнительного источника газовых пузырьков используются химические реагенты окислительной или карбонатной природы.

Хлорсодержащие окислители проводят обеззараживание, выделяют в пространство молекулы

• активного хлора,
• кислорода.

Карбонатные добавки инициируют образование углекислого газа. Образующиеся газовые пузырьки адсорбируют примеси и выносят их в поверхностный пенный слой.

При флотационной очистке сточных вод с большим содержанием органических отходов, чаще всего бытового происхождения, образуется рыхлая пена. Для ее уплотнения используют биологическую технологию, которая заключается в том, что смесь нагревают и оставляют на несколько дней.

Благодаря присутствию микроорганизмов биомасса в таких условиях активно бродит, выделяя газы, которые

• проникают в пену,
• уплотняют ее,
• дополнительно убирают примеси из раствора.

Способы насыщения воды пузырьками

Существует немало приемов, которые обеспечивают появление в сточных водах газовых пузырьков. Основные способы, используемые при проведении флотации, это:

• Компрессионный (или же напорный) способ, основанный на повышении растворимости воздуха в воде при увеличении давления.
• Механический способ, основанный на интенсивном перемешивании жидкости с воздухом.
• Пропускание сточных вод через пористые материалы, что приводит к их диспергированию.
• Электрический способ, основанный на процессе электролиза воды, сопровождающимся появлением пузырьков газа.
• Химический способ, обуславливающий образование пузырьков в ходе химических реакций определенных реагентов с компонентами сточных вод.
• Вакуумный способ, характеризующийся снижением давления.

Разновидности технологии

Различные методики друг от друга отличаются в первую очередь по насыщаемости жидкости газами. Принято говорить о:

• выделении из раствора воздуха;
• диспергировании при применении механического воздействия;
• применении пористых материалов для подачи воздушного потока;
• химической технологии;
• биологической флотации;
• использовании электричества.

Установки, при помощи которых осуществляется флотация ПАВ и других примесей в жидкостях, бывают двухкамерные или однокамерные. Если камера только одна, то в ней жидкость наполняется газами и здесь же из нее выделяют загрязняющие компоненты. При наличии двух камер в одной происходит контакт с воздушным потоком, а в другом смесь может отстаиваться, во время чего шлам всплывает, а жидкость осветляется.

Напорная флотация

Является наиболее эффективной для извлечения мелкодисперсных и коллоидных взвесей низкой концентрации. Очищаемую воду насыщают воздухом под давлением до 7 МПа в специальном реакторе — сатураторе. После выхода воды из него давление резко снижается до нормального (атмосферного), что провоцирует интенсивный процесс выделения пузырьков воздуха.

Для того чтобы значительно повысить эффективность очистки вод, флотацию сочетают с коагуляцией и флокуляцией. Оба этих приема способствуют увеличению размера нерастворенных частиц. Коагулянтами являются как неорганические соединения, обычно соли трехвалентного железа или алюминия, так и некоторые органические вещества. Флокулянтами являются особые полимеры, молекулы которых в водной среде образуют заряженную сетку, способную притягивать загрязняющие частицы, что приводит к появлению хлопьевидных агрегатов.

Области применения

• Обогащение полезных ископаемых (руд цветных металлов, редких и рассеянных элементов, угля, самородной серы);
• Разделение минералов комплексных руд;
• Разделение солей;
• Очистка сточных вод, в частности для выделения капель масел и нефтепродуктов.
• Дрожжевое производство (способ концентрирования)

В мире благодаря флотации вовлекаются в промышленное производство месторождения тонковкрапленных руд и обеспечивается комплексное использование полезных ископаемых. Фабрики выпускают до пяти видов концентратов. В ряде случаев хвосты флотации не являются отходами, а используются в качестве стройматериалов, удобрений для сельского хозяйства и в др. целях. Флотация является ведущим процессом при обогащении руд цветных металлов. Внедряется использование оборотной воды, что снижает загрязнение водоёмов.

Установки и технологические схемы

Установки, которые осуществляют напорную флотацию, могут размещаться не только в помещениях, но и вне их. Так, первые подходят для небольших объемов, если расход воды составляет не более 20 м3/ч, а вторые имеют гораздо большую производительность. Часто устраивается комбинированное размещение сооружений, когда крупные объекты, например, сатуратор и флотокамера, находятся под открытым небом, а насосы в помещении.

В случае размещения установок в условиях возможного понижения температуры воздуха до отрицательных значений нужно предусмотреть систему подогрева пены. Классическая установка для проведения компрессионной флотации состоит из следующего оборудования:

• Насоса для подачи жидкостей.
• Компрессора для подвода воздуха (или какого-либо газа) в систему водоочистки.
• Сатуратора (другое его название — напор­ный бак), в котором производится растворение воздуха в сточных водах.
• Флотокамеры, если процессом предусмотрена стадия укрупнения частиц взвеси.
• Реагентное устройство, включающее приспособления для дозирования и смешивания реагентов с очищаемой жидкостью.
• Систему контроля процесса очистки.

Техноло­гические схемы, предусматривающие очистку сточных вод методом флотации с повышением давления, могут быть:

1. Прямоточными, когда полный объем очищаемой жидкости проходит через сатуратор.
2. Рециркуляционными, когда через сатуратор проходит лишь 20 — 50 % осветленной жидкости.
3. Частично прямоточными, когда порядка 30 -70 % неочищенных вод поступает в сатуратор, а остальная их часть подается сразу во флотокамеру.

При выборе одной из этих схем берут во внимание физико-химические свойства очищаемых стоков, требования к степени очистки, местные условия и экономические показатели.

Технологии и точность

Флотация дает возможность выявить бактерии, стойкие к воздействию кислот, а также провести иммунологический анализ. Наиболее простой и легкий в реализации способ – это гравитационная флотация, также известная как стоячая. Он требует относительно мало времени на свою реализацию.

Альтернативный вариант – использование медицинских центрифуг. Этот метод более чувствителен, его результаты точнее ориентировочно в восемь раз. Если органические выделения пациента содержат небольшой процент гельминтов, гравитационный метод может показать их отсутствие, но этот результат окажется ложным. Чтобы быть уверенным в точности итогов, следует применять центрифуги.

Электрофлотация

Этот метод стали использовать во второй половине 20-го века. Тогда обнаружилось, что электролизные газы гораздо эффективнее, чем инертные или воздух, увеличивают интенсивность флотации. Это позволяет выделять нерастворимые в водах нефтепродукты, смазочные масла, малорастворимые соединения тяжелых и цветных металлов, которые образуют в стоках устойчивые эмульсии. Но помимо электролизных газов на удаление некоторых примесей влияет искусственно созданное электрическое поле, в котором заряженные частицы движутся к противоположно заряженным электродам.

Существенным недостатком электрофлотации является малая производительность, высокая стоимость электродов, их износ и загрязнение, а также взрывоопасность.

Плюсы и минусы метода очистки.

Метод флотации считается популярным. Способ используют для стоков производства, в городских системах очистки.

Флотация имеет свои положительные характеристики:

1.низкая цена метода.

2.не требуется сложного специального оборудования.

3.некоторые частицы подвержены флотации быстрее, чем они бы осели на дно.

4.методом можно извлекать из воды даже нефтепродукты.

5.шлам, который образуется почти не содержит воды, поэтому ее потеря невелика.

Метод имеет не только плюсы, но минусы.

К недостаткам относят:

1.флотацией можно удалить не все частицы грязи, а только которые относятся к гидрофобным.

2.дополнительные расходы на реагенты, которые приходится применять в некоторых ситуациях.

3.любой тип грязи имеет свои особенности удаления, нет существует единого метода для извлечения взвесей разного характера.

Обогащение руд

Процесс флотации успешно применяется при первичной переработке всевозможных руд, позволяющий отделить ценную фракцию с повышенным содержанием металла или его соединений. Основывается он на различиях свойств поверхности разделяемых минералов.

Флотация руды представляет собой трехфазный процесс:

• твердая фаза представляет собой измельченное полезное ископаемое;
• жидкой фазой является пульпа;
• газовую фазу образуют пузырьки воздуха, пропускаемые через пульпу.

Флотация бывает пенной, пленочной или масляной — в зависимости от формы продукта, образующегося на поверхности жидкой фазы.

Это важно!

В современной промышленности высоко ценятся различные руды, далеко не все они отличаются гидрофобностью, а значит, описанная технология не будет работать для их извлечения. Тогда применяют химические составы – реагенты. Это такие компоненты, благодаря которым целевые частицы либо приобретают гидрофобные качества, либо теряют их.

Существуют следующие реагенты:

• образователи пены;
• регуляторы, повышающие гидрофильность;
• собиратели;
• активаторы, формирующие такие условия, в которых собиратели закрепляются на поверхности;
• депрессоры, исключающие увеличение гидрофобности веществ (применяются для того, чтобы процесс стал более селективным).

Используемые реагенты

Для повышения эффективности очищения применяются химические вещества-собиратели:

• коагулянты – реагенты, способствующие образованию хлопьев и представляющие собой соли железа и алюминия;
• флокулянты (полиакриламидные соединения) – вещества, создающие более крупные и устойчивые хлопья (флокулы);
• кислотные и щелочные реагенты, позволяющие корректировать pH. Их добавляют в воду, чтобы обеспечить нормальные условия работы двух предыдущих видов реактивов.

Для стабилизации пенообразования применяют также сосновое масло, фенолы, крезол. Они позволяют предохранить воздушные пузырьки от разрушения, делая их упругими. Это способствует удалению большего количества загрязнений из канализационных стоков.

Использование химических реактивов, позволяющих улучшить процесс, требует точного подбора дозировки, что возможно достичь лишь опытным путем.

Преимущества и недостатки

Применение устройств для флотации имеет как достоинства, так и несовершенства. К плюсам причисляются:

• простота обслуживания машин;
• бюджетность большинства способов;
• высокое качество и скорость очищения стоков.

С помощью методики можно удалить большую часть мелкодисперсных примесей, но не все. К недостаткам также можно отнести необходимость в дополнительном использовании реагентов, чтобы повысить степень гидрофорбности грязевых частиц. В случае применения электрического флотатора, требуется точно настроить прибор для создания пузырей необходимого диаметра.

Конструкция и назначение флотаторов

Устройство промышленного флотатора

Очистка жидкости производится с помощью флотационных блочных установок. Основными узлами аппаратов являются:

• емкость с насосом, который смешивает кислород с жидкостью и реагентами;
• танк флотации с клапаном для устранения избытков воздуха;
• дегазатор для удаления остаточного кислорода.

Флотационные блоки не применяют как самостоятельные инструменты очищения. Их используют в комплексе на очистительных установках промышленных предприятий и автомоек, поскольку они требуют подготовки – обработки канализационных стоков механическим путем.