Использование новой технологии генерирования тонкодисперсной водовоздушной смеси для интенсификации флотационной очистки сточных вод

С.Ю. Андреев, Б.М. Гришин, И.Б. Ширшин, А.С. Шистеров, Г.П. Давыдов,

В.И. Кулапин, А.С. Колдов

Использование новой технологии генерирования тонкодисперсной водовоздушной смеси для интенсификации флотационной очистки сточных вод

Приведены результаты промышленного внедрения новой технологии безреагентной флотационной очистки сточных вод ТЭЦ, предусматривающей использование электрогидродинамических устройств для получения тонкодисперсной водовоздушной смеси. Внедрение предложенной технологии позволило увеличить эффективность безреагентной флотационной очистки в 1,5-1,9 раза.

Ключевые слова: сточные воды; флотационная очистка; водовоздушная смесь; электрогидродинамическое устройство; флотокомплекс.

Keywords: wastewater; flotation cleaning, water-air mixture;

electrohydrodynamic device; flotokompleks.

Современные теплоэлектроцентрали являются одним из крупнейших источников сточных вод, сбрасываемых в открытые водоемы. Так, в настоящее время годовой объем сточных вод, образующихся на теплоэлектроцентралях в нашей стране, достигает 1,2 км /год, что составляет 8,5% общего объема сточных вод, отводимых с ее территории. При ежегодно возрастающих объемах сточных вод общей тенденцией в промышленно развитых странах мира стало ужесточение требований к качеству их очистки. Принятие более строгих экологических норм в нашей стране проходит на фоне ограниченных финансовых возможностей промышленных предприятий, обусловленных экономической ситуацией. В этой связи возникает острая необходимость в применении принципиально новых технологических и конструктивных решений в области очистки сточных вод.

Флотационный процесс очистки основан на способности содержащихся в сточных водах гидрофобных частиц прилипать к границе раздела фаз (жидкость-газ). Граница раздела фаз (водяная пленка) создается при насыщении обрабатываемой жидкости пузырьками газа.

Пузырьки газа при всплывании сталкиваются с дисперсными частицами, в результате чего происходит их прилипание к поверхности пузырька (образование флотокомплекса). Флотокомплексы (дисперсная частица - пузырек) поднимаются на поверхность жидкости и создают пенный слой, в котором и происходит концентрирование дисперсной фазы.

Образование флотокомплекса сопровождается уменьшением свободной энергии системы. Для единицы площади контакта избыток свободной энергии выражается формулой:

Wy = еж.г

где &ж_г - коэффициент поверхностного натяжения на границе жид-

кость-газ, Дж/м ; в- краевой угол смачивания поверхности «флотируемая частица - жидкость» [град].

Величину (1 - cos q) называют мерой флотируемости частиц. Флотируются только частицы, имеющие гидрофобную поверхность (q>900; 1 - costff 1). Капельки нефтепродуктов в сточных водах имеют ярко выраженную гидрофобную поверхность и поэтому хорошо флотируются.

Эффективность флотационного процесса наряду со свойствами поверхности флотируемых частиц определяется также величиной удельной поверхности диспергированной газовой фазы Sy (м /м ) и показателем эффективности захвата всплывающим пузырьком флотируемой частицы - коэффициентом захвата Е.

Величина удельной поверхности является одной из важнейших характеристик газовой дисперсии, позволяющей судить о величине избыточной энергии дисперсной системы DW = Wу  Sу, Дж/м . Ее величина для дисперсной системы газовых пузырьков, имеющих строго сферическую форму диаметром dn < 0,8 мм может быть определена по формуле:

j м2/ м3

Sу = 6—, м2/м3,

у d„

где j- коэффициент газонаполнения флотационного объема

j =

W

W

WA W + W

ф ’ ж г

м

где Wф - объем флотационного бассейна, м3; Wz и Wx - объем газовой и жидкой фазы.

Согласно современным теоретическим моделям процесса флотации эффективность захвата дисперсной частицы Е всплывающим пузырьком воздуха прямопропорциональна отношению квадратов радиусов дисперсной частицы и пузырька воздуха.

Поскольку размер капелек частиц дисперсной нефтяной эмульсии в нефтесодержащих сточных водах колеблется в пределах гч=50-70 мкм, то процесс безреагентной флотации будет эффективен лишь при дисперсности пузырьков газа R0=60-85 мкм.

Среди методов получения пузырьков достаточно малого размера в настоящее время наиболее широко используется метод выделения газа из пересыщенного раствора жидкости - метод напорной флотации.

Метод напорной флотации предусматривает насыщение сточных вод воздухом под избыточным давлением и выделение из сточных вод тонкодисперсных пузырьков воздуха после сброса давления.

На первом этапе после сброса давления в жидкости образуются зародышевые пузырьки газа, размер которых определяется по формуле:

К, = ^£ж~,

Pi - Р2

где рі и р2 - соответственно давления до и после дросселирующего устройства, Па.

Во второй фазе происходит выделение растворенного газа, объем которого тем больше, чем выше пересыщение жидкости газом. При пересыщении в 200% средний размер образующихся пузырьков воздуха составляет d^45 мкм, величина коэффициента газонаполнения при этом составляет j=0,035; при пе-

ресыщении 400% - dn=75 мкм; j=0,07; при пересыщении 800% - dn=110 мкм, j=0,14.

Опыт эксплуатации очистных сооружений нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ показал, что эффективность метода безреагентной напорной флотации Цф не может быть увеличена путем повышения степени пересыщения очищаемого потока воздухом за счет увеличения давления в сатураторе (рис.1).

Рис. 1. Зависимость эффективности нефтесодержащих сточных вод методом безреагентной напорной флотации от давления в сатураторе

Сотрудниками кафедры водоснабжения и водоотведения Пензенского государственного университета архитектуры и строительства была разработана новая технология приготовления высокодиспергированной водовоздушной смеси, положенная в основу схемы реконструкции участка очистки нефтесодержащих стоков ТЭЦ г.Пензы.

До реконструкции на участке очистки нефтесодержащих сточных вод ТЭЦ была реализована прямоточная схема напорной флотационной очистки с насыщением воздухом всего расхода сточных вод (рис.2а) производительностью 50 м /ч.

Нефтесодержащие сточные воды забираются насосом 1 из накопительного резервуара и под давлением подаются в напорный бак 3. Сточные воды насыщаются воздухом за чет эжектора 2, устанавливаемого на линии, соединяющей напорный и всасывающий патрубки насоса. Полученная газожидкостная смесь сжимается в насосе и подается в напорный резервуар (сатуратор) 3, где в течение 5 минут происходит растворение воздуха. Насыщенные воздухом сточные воды пропускаются через дросселирующее устройство 4 для понижения давления и далее поступают во флотатор 5, где образуются пузырьки воздуха, которые, проходя через слой сточных вод, транспортируют вверх частицы нефтепродуктов. Очищенные на флотаторе сточные воды подаются на глубокую доочистку в механический фильтр и фильтр с активированным углем.

Новая схема флотационной очистки включала в себя: приемный резервуар, насос, эжектор, устанавливаемый на напорной линии, электрогидродинамическое устройство 7, камеру с коалесцирующей загрузкой 9, классификатор фракций водовоздушной смеси 10, флотатор 5. Основным элементом новой схемы являлось электрогидродинамическое устройство.

a)

Воздух

Рис.2. Схемы реконструкции участка очистки замазученных сточных вод

ТЭЦ-1

а) до реконструкции, б) после реконструкции

Общий вид электрогидродинамического устройства и камеры с коалесцирующей загрузкой представлен на рис.3.

Новая схема предусматривает установку эжектора на линии, транспортирующей основной расход сточных вод. Газонаполнение водовоздушной смеси после эжектора составляло j=0,5-0,6.

В электрогидродинамическом устройстве под действием высокоградиентных турбулентных пульсаций и неоднородного электрического поля происходило диспергирование водовоздушной эмульсии и образование устойчивых воздушных пузырьков диаметром 50-200 мкм. При пропускании через камеру с коалесцирующей загрузкой пузырьки воздуха сохраняли свои размеры. В качестве коалесцирующей загрузки использовались кольца Рашига диаметром 50 мм. В межпоровом пространстве коалесцирующей загрузки протекали гидродинамические процессы, сопровождающиеся возникновением высокоградиентных пульсаций скорости потока и процессы адгезии - накопления на поверхности загрузки нефтепродуктов с образованием пленки, которая затем отрывалась с образованием крупных нефтяных капель, участвующих в процессах последующей гетерокоагуляции.

Рис.3. Общий вид электрогидродинамического устройства (ЭГДУ) и камеры с коалесцирующей загрузкой

Отделение пузырьков воздуха, имеющих диаметр более 100 мкм, осуществлялось в классификаторе фракций, после чего высокодисперсная газожидкостная смесь (47=40-100 мкм; j =0,08-0,12) подавалась на флотатор.

Реализация новой технологии на участке очистки нефтесодержащих стоков ТЭЦ позволила получить следующие результаты:

1. Получена однородная мелкодисперсная смесь, содержащая пузырьки воздуха диаметром 40-100 мкм.

2. Эффективность флотационного отделения нефтепродуктов из нефтесодержащих сточных вод увеличилась с 40-45% до 65-77%.

3. Коэффициент газонаполнения во флотационном объеме увеличился с 2,2-3,7% до 8-12%.

4. При повышении степени очистки нефтепродуктов на флотаторе продолжительность фильтроцикла доочистки сточных вод на угольном адсорбере увеличена в 2,0-2,5 раза при неизменном качестве фильтрата.

5. Предложенная технология очистки сточных вод рекомендуется к широкому внедрению на очистных сооружениях нефтесодержащих сточных вод предприятий энергетического комплекса.

Литература

1. Стахов Е. А. Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов.-Л: Недра, 1983.

2. Дерягин Б.В. Основы и контроль процессов флотации.-М.:Недра, 1980.

3. Классен В.И., Мокроусов В.А. Введение в теорию флотации.-М. :Росгормехиздат, 1959.