МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ УСТАНОВКА ФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
MULTISTAGE DEVICE FOR FLOATATION WATER DECONTAMINATION

Изобретение относится к системам очистки воды и может быть использовано для очищения сточных вод с высокой концентрацией загрязнений, в частности для очистки масло- и нефтесодержащих сточных вод на нефтеперерабатывающих и нефтедобывающих комплексах, в энергетике, в пищевой промышленности и т.п.
Среди существующих на сегодняшний день методов очистки естественных и сточных вод от разнообразных загрязнений и нежелательных включений (масел, нефти, промышленных отходов, разного рода зависей и т.п.) флотация занимает одно из ведущих мест. В технологии водоочистки широкое распространение получила так называемая напорная флотация, реализуемая на практике с помощью установок, в основу работы которых заложенные четыре технологических схемы насыщения воздухом очищаемой воды:
- прямоточная с насыщением воздухом всего потока очищаемой воды;
- прямоточная с насыщением воздухом части потока очищаемой воды;
- циркуляционная с насыщением воздухом части потока очищенной воды;
- прямоточная с насыщением воздухом рабочей жидкости - растворов реагентов (Б.В.Дерюгин, С.С.Дукин и др. «Микрофлотация. Водоочистка, обогащение». Г. 1986, с.77).
3
Основными составными конструктивными элементами перечисленных установок являются: флотационная камера, центробежный насос, сатуратор, редукционный клапан и трубопроводы, обеспечивающие подвод и отвод очищаемой воды. При поступлении пресыщенной воды к флотореакторам избыточный воздух при уменьшении давления выделяется, образовывая мелкие пузырьки (10-80 мкм), с помощью которых флотируются наиболее диспергированные нефтепродукты. Главным недостатком напорной флотации является наличие границы насыщения воды воздухом и отсутствие пузырьков размером больше 80 мкм, что приводит к низкой эффективности, в особенности при очищении очень загрязненных вод (больше 30 мг/дм).
7
Для устранения этого недостатка установки дополнительно оснащают эжекторами, осуществляющими эжектирование воздуха в уже предварительно насыщенную растворенным газом воду (А.с. №715496, МПК: C02C 5/00, B03D 1/00, опубл. в Бюл. №6, 1980 г.). Этот прием создает условия для повышения насыщенности очищаемой воды воздухом, но в то же время требует дополнительных устройств диспергирования, введенного с помощью эжектора воздуха.
Одним из наиболее эффективных способов принудительного насыщения воды воздухом является струйная аэрация жидкости, осуществляемая путем проникновения через нее свободной струи, образованной той же жидкостью, которая подлежит аэрации. Эффективное проведение аэрации обусловлено захватом струей воды довольно большого объема воздуха, который в водной среде диспергируется, образовывая пузырьки размером 100-1000 мкм. Недостатком этого способа является отсутствие пузырьков размером меньше 100 мкм, способных "захватывать" мельчайшие дольки веществ, загрязняющих воду.
7
В а.с. №814878 (МПК: C02F 1/24, опубл. в Бюл. №11, 1981 г.) описана установка очистки воды, в состав которой входят две флотационные камеры, насос, напорный бак и дополнительный эжектор. В первой флотационной камере осуществляется разделение смеси под атмосферным давлением и удаление больших по размеру частиц загрязнений большими воздушными пузырьками. После этого вода, очищенная в первой камере, поступает во вторую камеру, куда одновременно отбирают и направляют часть очищенной рециркулирующей воды без дополнительного эжектирования в нее воздуха. Во второй камере происходит окончательное разделение смеси при атмосферном давлении и удаление мелких долек загрязнений мелкими пузырьками воздуха.
Эта установка имеет довольно сложное конструктивное выполнение, в особенности это касается контура рециркуляции и регулирования распределения потоков пресыщенной воздухом воды. Наличие в установке двух камер и дополнительного эжектора усложняет как технологический процесс, так и саму установку.
Известен многоступенчатый флотатор со струйной аэрацией, в котором аэрирующая вода под давлением поступает в сопло, откуда вытекает с большой скоростью и попадает в погруженную в воду на 0,01-0,03 м сопловую насадку, а потом - к камере флотореактора. (Б.С.Ксенофонтов, "Очистка сточных вод. Флотация и сгущение осадков", М., 1992, с.45). При этом струи воды захватывают большее количество воздуха, который под действием струи диспергируется на мелкие пузырьки. Струйная аэрация дает возможность насыщать очищаемую воду воздушными пузырьками размером от 100 до 1000 мкм.
Недостатком этого флотатора является отсутствие пузырьков размером меньше 100 мкм, что существенно снижает глубину очищения при наличии в воде мелкодисперсных примесей нефтепродуктов. Кроме этого незначительная глубина проникновения водно-воздушной струи (0,5-0,6 мм) приводит к необходимости снижения высоты флотатора и, как следствие, снижению его производительности.
В качестве прототипа изобретения принята многоступенчатая установка флотационного очищения воды, содержащая, по меньшей мере, два флотореактора и два флоторазделителя, соединенных последовательно вдоль потока очищаемой воды, насос рециркуляции, всасывающий трубопровод которого соединен с секцией очищенной воды, а напорный трубопровод через отводы соединен с флотореакторами каждой ступени, эжектор подачи воздуха, размещенный между всасывающим и напорным трубопроводами насоса рециркуляции, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды (Б.В.Дерюгин, С.С.Дукин и др. «Микрофлотация. Водоочистка, обогащение». Г. 1986, с.82).
В этой установке (флотаторе) вода, насыщенная воздухом с помощью эжектора, поступает в напорный бак-сатуратор, в котором осуществляется растворение воздуха, и кроме этого сепарация больших нерастворенных пузырьков, что приводит к их выделению в верхней зоне сатуратора.
Отделение пузырьков большого размера (большее 1 мм) является необходимым, так как их незначительная эффективность и высокая скорость всплывания приводят к разрушению флотопены во флотаторе. При поступлении пресыщенной воды к флотореакторам избыточный воздух при уменьшении давления выделяется, образовывая мелкие пузырьки (10-80 мкм), с помощью которых флотируются наиболее диспергированные нефтепродукты.
3
Недостатком этого устройства является сложность отладки режима флотации, которая выражается в необходимости точного регулирования количества воздуха, подаваемого эжектором, и спуска избыточного воздуха из сатуратора. Следующим недостатком устройства (как уже указывалось) является наличие границы насыщения воды растворенным воздухом, являющейся причиной низкой эффективности таких устройств, в особенности, при очистке очень загрязненных вод (больше 30 мг/дм), что определяется ограниченным диапазоном размеров флотирующих пузырьков.
В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции, увеличения глубины очистки сточных вод и повышения производительности работы многоступенчатой установки флотационного очищения воды путем усовершенствования ее конструкции, в частности, оснащения двухкамерными струйными аэраторами, которые дополнительно подсасывают и диспергируют воздух, выбора оптимального варианта пространственного размещения аэраторов и размеров основных конструктивных узлов установки, обеспечивающей возможность подведения к флотатору дополнительной массы диспергированого воздуха без применения дополнительных диспергирующих устройств, расширения диапазона размеров флотирующих пузырьков в границах от 10 до 1000 мкм, увеличения глубины флотатора, и тем самым повышения его производительности и глубины очищения загрязненной воды.
Поставленная задача достигается тем, что в многоступенчатой установке флотационной очистки воды, содержащей, по меньшей мере, два флотореактора и два флоторазделителя, соединенных последовательно вдоль потока очищаемой воды, насос рециркуляции, всасывающий трубопровод которого соединен с секцией очищенной воды, а напорный трубопровод через отводы соединен с флотореакторами каждой ступени, эжектор подачи воздуха, размещенный между всасывающим и напорным трубопроводами насоса рециркуляции, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды, согласно изобретению, отводы трубопровода насоса рециркуляции оснащены двухкамерными струйными аэраторами, соединенными с воздушными редукторами, причем двухкамерные струйные аэраторы установлены в нижней части флотореакторов, а объем секций флоторазделителей в 4-5 раз превышает объем секций флотореакторов.
Признаки, которые отличают предлагаемую очистительную установку от признаков подобных устройств, описанных в известном уровне техники, обуславливают достижение указанного выше технического результата.
Так, подача уже насыщенной воздухом воды к флотореакторам через двухкамерные струйные аэраторы обеспечивает дополнительное эжектирование воздуха в объеме очищаемой воды и интенсифицирует процесс насыщения ее воздушными пузырьками без необходимости применения дополнительных средств диспергирования. Конструкция двухкамерного струйного аэратора предусматривает возможность подсасывания воздуха при прохождении через его отверстие струй воды. Это приводит к образованию водно-воздушной смеси по периферии струи, а газонаполненная воздушная камера аэратора, которая размещена над его выходными отверстиями, обеспечивает высокую степень равномерности потоков из отверстий первой камеры (коллектора) аэратора. Кроме того, двухкамерный струйный аэратор благодаря особенностям своего конструктивного выполнения обеспечивает варьирование в широких границах содержимого воздуха в пульпе и размеров пузырьков, что разрешает создавать в объеме очищаемой воды равномерные потоки водно-воздушной смеси с заданным содержимым воздуха и заданными размерами пузырьков.
Таким образом, поступление уже насыщенной воздухом воды (насыщение осуществляется с помощью контура рециркуляции, в состав которого входит эжектор) к двухкамерным струйным аэраторам, которые, в свою очередь, дополнительно отсасывают и диспергируют воздух, разрешает ввести в установку флотационного очищения необходимое количество диспергированного воздуха и расширить диапазон флотирующих пузырьков в границах 10-1000 мкм.
Предлагаемый вариант конструктивного выполнения установки обеспечивает достижение результата, альтернативного тому, который имеет место во флотаторе, оснащенном баком-сатуратором (прототип), но без последнего. Отсутствие сатуратора существенно упрощает установку, снижает ее материалоемкость и в то же время повышает производительность ее работы. Такая установка не требует установления дополнительных диспергаторов, которыми оснащены известные флотаторы.
Двухкамерные струйные аэраторы генерируют направленный вверх навстречу потоку очищаемой воды поток водно-воздушной эмульсии. Это обуславливает возможность увеличения глубины флотатора и установление аэраторов в нижней части флотореакторов без риска снижения эффективности процесса очистки. Наоборот, увеличение глубины флотатора (а, значит, и его объема) приведет к повышению глубины очистки загрязненной воды и производительности работы установки.
Для повышения количества воздуха, растворенного в объеме очищаемой воды, в предлагаемом варианте выполнения установки диаметр напорного трубопровода насоса рециркуляции увеличен так, чтобы обеспечить скорость потока насыщенной воздухом воды в границах 0,25-0,4 м/с.
Повышение объема секций флоторазделителей в 4-5 раз по отношению к объему секций флотореакторов создает условия для снижения скорости потока и всплывания воздушных пузырьков с захваченными наиболее диспергированными частицами загрязнений. Уменьшать или увеличивать предусмотренное предлагаемым техническим решением соотношение объемов секций нецелесообразно, так как именно при условии, что объем секций флоторазделителей в 4-5 раз превышает объем секций флотореакторов, снижается скорость потока и обеспечивается всплывание наименьших воздушных пузырьков. При уменьшении этого соотношения возможно поступление нефтепродуктов, захваченных наименьшими пузырьками, к следующей секции флотации (и секции очищенной воды), что приведет к уменьшению глубины очищения. Увеличение этого соотношения приведет к дополнительным расходам на создание устройства без увеличения его производительности.
Сущность предложенной многоступенчатой установки для очистки воды поясняется чертежом.
Установка оснащена горизонтальным баком 1, который разделен перегородками 2 на ряд последовательно установленных вдоль потока очищаемой воды секций 3, 4, 5, 6 и 7. В верхней части секции 3 находится распределительное устройство 8, через которое подается вода, подлежащая очищению.
Насыщение воды воздухом происходит в контуре рециркуляции очищенной воды, содержащем насос 9, всасывающий трубопровод 10 которого установлен в секции очищенной воды. Напорный трубопровод 11 и всасывающий трубопровод 10 насоса соединены байпасом 12, в котором установлен струйный эжектор 13. Отводы 14 оснащены двухкамерными струйными аэраторами 15, дополнительно подсасывающими воздух через воздушные редукторы 16.
Секции 3 и 5, в которых установлены (погружены) двухкамерные струйные аэраторы 15, являются флотореакторами, а секции 4, 6 - флоторазделителями.
Поступление в установку воды осуществляется через трубопровод подвода очищаемой воды 17, а отвод уже очищенной воды - через трубопровод 18.
Установка работает следующим образом.
Загрязненная вода трубопроводом 17 подается в верхнюю часть секции 3 через распределительное устройство 8, что обеспечивает равномерное распределение очищаемого потока по поперечному сечению секции. Насыщение воды воздухом происходит в контуре рециркуляции очищенной воды. В напорный трубопровод 11 вместе с водой поступает диспергированный воздух, часть которого под действием давления в трубопроводе растворяется в воде. Для увеличения количества растворенного воздуха сечение напорного трубопровода увеличено. Отводами 14 водно-воздушная смесь подается в двухкамерные струйные аэраторы 15, с помощью которых диспергируется нерастворенный и дополнительно подсасываемый через воздушные редукторы 16 воздух. Таким образом, очищаемая вода насыщается выделенными из пресыщенного раствора пузырьками воздуха размером 10-80 мкм и пузырьками размером 50-1000 мкм, которые диспергированы струйными аэраторами.
В секциях 3 и 5, в которых установлены двухкамерные струйные аэраторы 15, благодаря противотоку осуществляется интенсивное перемешивание очищаемой воды с водно-воздушной эмульсией, создаваемой аэраторами 15. Во флотореакторах наименее диспергированные примеси нефтепродуктов всплывают на поверхность воды в виде флотопены.
Объем и, соответственно, скорость потока во флотореакторе выбираются таким образом, что вода, насыщенная мельчайшими воздушными пузырьками, скорость течения которых маленькая, поступает в секции 4 и 6 (флоторазделителей). Объем секций флоторазделителей в 4-5 раз превышает объем флотореакторов, что обеспечивает снижение скорости потока и всплывание пузырьков с захваченными наиболее диспергированными нефтепродуктами. Очищенная вода отводится из секции 7 через трубопровод 18.
Применение для дополнительной аэрации воды двухкамерных струйных аэраторов разрешает ввести более 10% воздуха от расходов воды без применения дополнительных устройств для его диспергирования.