СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИЕЙ
METHOD OF SEWAGE TREATMENT BY PRESSURE FLOATATION

Способ относится к технологиям очистки сточных вод и может быть использован при очистке сточных вод с высоким уровнем загрязнения, например, в целлюлозно-бумажной промышленности при производстве из древесины волокнистых полуфабрикатов, в частности, высокого выхода, в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.
В технической литературе (Пузырев С.С. Современная технология механической массы, т.2. Механическая масса из щепы. СпБ, изд ЛТА, 1996 г.) приводятся сведения по способу очистки сточной воды химической флотацией, включающем введение в воду химических реагентов для коагуляции и флокуляции, флотирование взвешенных загрязнений, отделение флотопены от осветленной воды. Недостатком способа является низкая эффективность очистки в расчете на БПК и ХПК.
Известен также способ флотации сточных вод (SU, №1835802 А1, МПК С02F 1/24), включающий введение коагулянта, активного ила в качестве флокулянта, насыщение полученной смеси растворенным под давлением воздухом и разделение сточной воды на очищенную воду и пенный слой загрязнений. Испытания способа проведены на установке, в которой процессы насыщения воды воздухом под давлением (сатурирование воды) и флотации проводят в одной камере, то есть последовательно. Соответственно, производительность такой установки не может быть высокой. Это обстоятельство определяет недостаток способа.
Ближайшим по технической сущности и назначению к предлагаемому изобретению является способ очистки сточных вод напорной флотацией (заявка №2007102694 от 21.01.2007 г., МПК С02F 1/24, решение о выдаче патента от 18.12.2007 г.). Способ включает введение в воду реагентов для коагуляции и флокуляции загрязнений, насыщение газом части потока очищаемой воды или ее смеси с очищенной водой, последующее дросселирование насыщенной газом воды, смешение ее с остальной частью очищаемой воды и эжектирование смеси в объем флотокамеры. К недостаткам способа относятся невысокая скорость сатурирования воды газом, необходимость разбавления воды с высоким уровнем загрязнения перед ее подачей на сатурирование во избежание образования осадка в сатураторе, а также ограничения по объему флотокамеры, поскольку при точечном эжектировании водовоздушной смеси в объем флотокамеры нельзя использовать флотокамеру с большой площадью ее горизонтального сечения.
Эти факторы снижают производительность установки в целом.
Положительным результатом от использования предлагаемого изобретения являются интенсификация процесса флотационной очистки благодаря высокой скорости сатурирования воды без появления в ней пузырьков газа, обеспечение возможности использовать флотокамеру большого объема, а также обеспечение возможности подвергать очистке сточную воду с высоким содержанием взвешенных загрязнений без ее разбавления перед сатурированием.
Указанные результат достигается тем, что в способе очистки сточных вод напорной флотацией, включающем введение в воду реагентов для коагуляции, флокуляции и флотации загрязнений, насыщение воды в сатураторе газом - воздухом или его смесью с диоксидом углерода при повышенном давлении газа, дросселирование сатурированной воды, эжектирование ее в объем флотокамеры, флотирование взвешенных примесей, отделение от воды пенного слоя, согласно изобретению для насыщения воды газом используют сатуратор, выполненный в виде цилиндрического корпуса, снабженного пористым элементом, разделяющим его внутреннее пространство на две соосные продольные полости, сообщающиеся между собой через поры элемента, газ подают под давлением по одну сторону элемента, воду под давлением подают тангенциально к поверхности корпуса по другую сторону элемента, причем давление газа выше давления воды, а дросселирование сатурированной воды и ее эжектирование проводят в многоярусном дисковом водораспределителе, расположенном в объеме флотокамеры. Газ подают под давлением 0,5-0,6 МПа, а воду под давлением 0,35-0,45 МПа. Воду в сатуратор можно подавать в виде основного и дополнительного потоков.
Способ в промышленном масштабе осуществляют следующим образом. Сточную воду сначала отстаивают для удаления крупных взвешенным частиц. При необходимости для охлаждения отстоявшейся сточной воды в нее добавляют холодную свежую воду. В очищаемую воду подают химические реагенты для коагуляции, флокуляции, флотации загрязнений, а также активный ил. Затем в сатуратор под давлением подают воду и газ - воздух или его смесь с диоксидом углерода. Сатуратор выполнен в виде цилиндрического корпуса и снабжен пористым элементом, разделяющим его внутренне пространство на две соосные продольные полости, сообщающиеся между собой исключительно через поры элемента.
Вид поперечного сечения сатуратора показан на фиг.1, где 1 - корпус, 2 - пористый элемент, состоящий из нескольких герметично соединенных между собой боковыми сторонами секций; 3 - крепление секций боковыми сторонами одна к другой, 4 - внешняя полость для водной среды, 5 - средство тангенциальной подачи водной среды в полость 4; 6 - средство подачи дополнительного потока водной среды, 7 - полость для газа, 8 - труба для подачи газа в полость 7. Средство 6 выполнено в виде расположенной в полости продольно оси корпуса трубы с патрубками, через которые касательно к внутренней поверхности корпуса воду подают в нескольких точках по длине корпуса.
Газ подают под давлением 0,5-0,6 МПа в полость 7 сатуратора, а в полость 4 посредством насоса высокого давления (на схеме не показан) подают воду. Давление газа в полости 7 выше давления воды в полости 4. Газ вследствие перепада давления между газовой и жидкой фазами проходит через пористую перегородку сатуратора, выходит из нее в виде мельчайших пузырьков, которые вращающимся потоком воды смываются с поверхности перегородки и сразу же растворяются в воде. В установившемся процессе давление газожидкостной смеси в полости 4 определяется сопротивлением кольцевых щелевых диффузоров водораспределителя. Обычно оно равно 0,35-0,45 МПа, что достаточно для равномерного распределения воды в объеме флотокамеры и эффективного флотирования частиц загрязнителей. Таким образом, скорость подачи газа через пористую перегородку в жидкую фазу можно регулировать величиной перепада давления между газовой и жидкой фазами в полостях 7 и 4, соответственно, а содержание растворенного в жидкой фазе газа регулируют давлением жидкой фазы перед водораспределителем.
Вода из аппарата выходит с растворенным в ней газом и по трубопроводу поступает под давлением 0,35-0,45 МПа в многоярусный дисковый водораспределитель, размещенный во флотационной камере.
Сборочный чертеж многоярусного дискового водораспределителя показан на Фиг.2, где 9 - труба для подачи воды с растворенным в ней газом в водораспределитель, 10 - опорное кольцо, 11 - щелевые кольцевые диффузоры, 12 - отбойные диски, 13 - каналы вывода воды, образованные кольцевыми диффузорами 11, отбойными дисками 12 и направляющими радиальными перегородками 14. Количество диффузоров и, соответственно, дисков в распределителе может быть от 3 до 20.
В водораспределителе в кольцевом щелевом диффузоре и на выходе из него в пространство между дисками происходит дросселирование жидкой фазы, то есть сброс давления практически до нормального и эжектирование смеси воды с пузырьками воздуха через междисковые зазоры в объем флотокамеры с равномерным распределением воды по всему объему как по вертикальному, так и горизонтальному сечениям.
При подаче в загрязненную воду коагулянта и флокулянта в воде из взвешенных частиц, коллоидальной и некоторой части растворенных загрязнителей образуются флоккулы. Их формированию и росту способствуют частицы активного ила, которые действуют не только как биосорбент, но и как затравки для начального образования флоккул. В тракте движения воды мелкие флоккулы укрупняются. В потоке воды, насыщенной пузырьками газа, и при наличии в системе флотоагента мелкие флоккулы прилипают к этим пузырькам, а пузырьки газа - к крупным флоккулам и они благодаря этому флотируются в пенный слой. Этот слой отделяют от воды в переливах, а осветленную воду направляют на повторное использование или на биологическую доочистку.
При очистке сточной воды производства беленых пероксидом водорода волокнистых полуфабрикатов высокого выхода, содержащей некоторые количество непрореагировавшего пероксида, активный ил выступает не только как затравка образования флоккул и биосорбент, но также взаимодействует с пероксидом водорода, в результате чего последний разлагается. Воду после такой очистки можно без отрицательных последствий направлять на биологическую доочистку.
В промышленных условиях при очистке сточных вод, например локальных, могут возникать кратковременные и незначительные колебания уровня загрязненности направляемой на очистку воды или ее температуры. В этих случаях целесообразно корректировать количество добавляемых в воду веществ - химикатов и активного ила - и/или охлаждать воду. Если необходимы дополнительные количества материалов, их вводят в сатуратор с дополнительным потоком воды. Для понижения температуры очищаемой воды в качестве дополнительного потока при сатурировании используют холодную свежую воду, с добавками веществ или без добавок.
Количество добавляемых в воду реагентов для коагуляции, флокуляции, флотации загрязнений зависят как от концентрации загрязнителей, находящихся во взвешенном и/или растворенном состояниях, так и типа загрязнителей. При значительном различии этих показателей сточной воды перед запуском процесса в промышленном масштабе следует провести тестовые испытания предлагаемого способа для каждого из основных потоков конкретных производств, например, сначала с использованием лабораторной установки и затем на опытно-промышленной установке.
Сначала проводят количественный анализ загрязненности подлежащей очистке воды взвешенными веществами, растворенными загрязнителями в расчете на БПК, ХПК, определяют катионную потребность воды. Затем эту воду очищают с введением в нее перед сатурированием различных количеств активного ила и по эффективности очистки от взвешенных частиц и растворенных загрязнений в расчете на БПК и ХПК определяют оптимальный расход этого вещества. В лучшем из вариантов определяют также катионную потребность обработанной воды. В следующей серии тестирования в исследуемую воду перед сатурацией добавляют оптимальное количество активного ила и различные количества коагулянта и по эффективности очистки определяют оптимальный расход этого вещества и в лучшем варианте - катионную потребность обработанной в этой серии испытаний воды. Такие же серии испытаний проводят с добавлением флокулянта и других флотоагентов.
В конечном итоге определяют оптимальные количества каждого из веществ, которые необходимы в процессе очистки напорной флотацией по предлагаемому способу в промышленном масштабе конкретного потока воды, а также ряд значений катионной потребности воды, обработанной на каждом этапе тестирования. Анализируют корреляцию между значениями катионной потребности и уровнями загрязненности воды, на каждом из этапов тестирования. Коэффициент корреляции используют для определения расходов веществ - активного ила, коагулянта, флокулянта, других флотоагентов - при очистке другого потока воды с иными показателями по уровням загрязненности.
Следующие примеры иллюстрируют эффективность предлагаемого способа. Очистку воды проводят на опытно-промышленной установке, в которой в качестве сатуратора и водораспределителя во флотационной камере используют устройства, показанные на Фиг.1 и 2. Во флотационной камере установлен 3-ярусный водораспределитель. Диаметр нижнего диска 200 мм, верхнего 50 мм. Расстояние между соседними дисками по вертикали 30 мм. В сточную воду перед сатурированием подают определенные в тестовых испытаниях каждого типа воды количества активного ила и реагентов для коагуляции, флокуляции и флотации загрязнений.
Пример 1. Очистке подвергают сточную воду целлюлозно-бумажного комбината (общий сток). Температура воды 24°С. Воду в сатураторе насыщают воздухом при его давлении в полости для газа 0,5 МПа. Давление воды с растворенным в ней воздухом на выходе из сатуратора и, соответственно, на входе в дисковый водораспределитель 0,4 МПа. Показатели загрязненности сточной воды и степень очистки следующие:
Показатели
Значения показателей
Степень очистки, %
Взвешенные вещества, мг/л
62,7
96,8
БПК<sub>5</sub>, мг O<sub>2</sub>/л
26,4
89,4
ХПК, мг O<sub>2</sub>/л
86,7
94,2
Катионная потребность, мг·экв/л
763
50,0
Частицы активного ила в осветленной воде после флотатора не обнаруживаются.
Пример 2. Очистке подвергают сточную воду от промывки сульфатной целлюлозы. Температура воды 54°С. Воду в сатураторе насыщают смесью воздуха и диоксида углерода при содержании последнего в смеси 18 об.% при суммарном давлении в полости для газа 0,6 МПа. Давление воды с растворенными в ней компонентами смеси газов на выходе из сатуратора 0,45 МПа. В воду перед сатурированием подают активный ил и флотоагент. Характеристики подлежащей очистке воды: взвешенных веществ 640 мг/л, растворенного щелочного лигнина 1470 мг/л, катионная потребность 5310 мг·экв./л. Значения БПК и ХПК не измеряли. Результат очистки: степень удаления взвешенных частиц 96%, щелочного лигнина 89%, катионная потребность 1100 мг·экв./л. Частицы активного ила в осветленной воде после флотатора не обнаруживаются.
2
2
Пример 3. Очистке подвергают сточную воду производства щелочной пероксидной механической массы (ЩПММ). Температура воды 18°С. Воду в сатураторе насыщают воздухом при давлении в полости для газа 0,55 МПа. Давление воды на выходе из сатуратора 0,4 МПа. В воду перед сатурированием подают активный ил и реагенты для коагуляции, флокуляции и флотации загрязнителей. При очистке этой сточной воды используют дополнительный поток воды, содержащей дополнительное количество активного ила, что обеспечивает полное разложение пероксида водорода в процессе флотации. Характеристики подлежащей очистке воды: взвешенных веществ 560 мг/л, БПК 48 мг O/л, ХПК 120 мг О/л, содержание пероксида водорода 96 мг/л, катионная потребность 5800 мг·экв./л. Результат очистки: степень удаления взвешенных частиц 94,6%, снижение БПК 87,8%, ХПК 93,1%. Пероксид водорода в очищенной воде не обнаружен. Катионная потребность 924 мг·экв./л.
3
Как показали испытания, при подаче газа в процессе сатурирования в водную фазу с большой скоростью его фильтрации через перегородку и интенсивном перемешивании воды обеспечивается высокая производительность сатуратора с получением газожидкостной фазы, не содержащей нерастворенных пузырьков воздуха, а благодаря устройству сатуратора и водораспределителя обеспечивается возможность подавать на очистку воду с высоким содержанием взвешенных частиц без осаждения их на всем тракте движения воды в установке. Расчеты показывают, что сатуратор длиной в 2,0-2,5 м и площадью сечения полости для воды, эквивалентной трубе диаметром 175-200 мм, обеспечит сатурирование до 200 м воды в час.
3
Совокупность дисков водораспределителя образует конус и при большом диаметре диска нижнего яруса и большого числа ярусов можно использовать флотокамеры с большой площадью горизонтального сечения и большой высотой флотируемого слоя воды, то есть емкостью в десятки м и, соответственно, с высокой производительностью.