УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НАПОРНОЙ ФЛОТАЦИЕЙ

Изобретение относится к области технологии обработки сточных вод, загрязненных примесями органических веществ, преимущественно нефтью, ее продуктами, жирами, поверхностно-активными веществами (ПАВ), волокнистыми механическими примесями, и может быть использовано для очистки сточных вод автохозяйств, бензоколонок, автомоек, предприятий мясомолочной, кожевенно-меховой, целлюлозно-бумажной промышленности, а также балластных и сточных вод нефтеналивного, водного и железнодорожного транспорта. Кроме того, предлагаемое изобретение может быть использовано и для интенсификации процесса обогащения природных руд, особенно при извлечении из них мягких, легко шламующихся минералов (сфалерит, молибденит, иттропаризит и т.п.) в сочетании с известными способами флотации или самостоятельно.
Из существующих методов физико-химической очистки производственных сточных вод: коагуляции, сорбции, экстракции, ионного обмена - метод флотации является наиболее дешевым и эффективным и не сопряжен с введением в обрабатываемую воду дополнительных веществ. Рабочим инструментом в этом методе являются газовые пузырьки, чаще воздушные, вводимые в обрабатываемую воду или создаваемые в се объеме, и вынос этими пузырьками прилипших к ним частиц загрязняющих примесей на поверхность воды в виде пены с последующим удалением этой пены скребковыми механизмами.
Основой процесса флотации является способность прилипания частиц загрязняющих примесей к поверхности газовых пузырьков с образованием более или менее прочных агрегатов "частица-пузырек", которые благодаря малой плотности всплывают из объема воды на ее поверхность.
В основе явления прилипания взвешенных в объеме сточной воды частиц примесей к поверхности газовых пузырьков лежат: свободная энергия поверхности раздела фаз в пузырьке - газовой и водной, силы поверхностного натяжения и, наконец, явление гидрофобное™ - степени несмачиваемости взвешенных частиц примесей водой.
Свободная энергия поверхности возникает за счет нескомпенсированной части вандер-ваальсовых сил межмолекулярного сцепления у молекул, лежащих на этой поверхности. Чем больше величина этой поверхности, точнее удельной поверхности, т.е. чем мельче газовые пузырьки и чем равномернее они распределены в объеме обрабатываемой воды, тем больше вероятность прилипания к ним частиц загрязняющих примесей и вынос их на поверхность воды флотационной камеры, т.е. тем выше эффект флотационной очистки сточных вод. Поэтому, чем мельче газовые пузырьки, тем лучше они прилипают к мелким частицам примесей. Оптимальный размер газовых пузырьков составляет 15-30 мкм. Чем больше таких газовых пузырьков и чем равномернее они распределены в объеме воды, тем выше степень очистки сточных вод флотацией.
На эффект прилипания частиц взвеси к газовым пузырькам влияет также, как отмечено выше, величина поверхностного натяжения жидкой фазы, в данном случае воды. Чем меньше эта величина, тем легче слипание пузырьков с частицами взвеси, а следовательно, тем выше эффект флотационной очистки. Оптимальное значение этого показателя для флотации составляет менее 60-65 мН/м. Возрастание этой величины снижает эффект флотации. Величина поверхностного натяжения чистой воды больше этой величины и составляет 70-72 мН/м. Поэтому для улучшения флотации трудно-флотируемых веществ в воду добавляют небольшие количества дешевых, легко разрушаемых в природных условиях ПАВ -побочных продуктов - отходов производства синтетических спиртов, которые снижают этот показатель до оптимальной величины.
Третьим фактором, влияющим на слипание взвешенных частиц с газовыми пузырьками, является степень гидрофобности -несмачиваемости частиц водой. Чем хуже частица примеси смачивается водой, тем лучше она прилипает к газовым пузырькам и тем эффективнее очистка сточных вод от таких частиц методом флотации. Так, частицы маслянистых примесей, имеющих высокую гидрофобность (нефть и ее продукты, масла, жиры), легко флотируются из воды даже без добавки ПАВ, снижающих ее поверхностное натяжение.
Таким образом, благодаря совместному действию указанных сил частицы загрязняющих примесей, взвешенные в объеме воды, прилипают к поверхности имеющихся газовых пузырьков и образовавшийся легкий агрегат "частица-пузырек" самопроизвольно всплывает на поверхность воды в форме пены, которую непрерывно удаляют. Чем меньше размер газовых пузырьков, чем их больше и чем равномернее они распределены в объеме воды, тем выше степень очистки сточных вод флотацией. Продолжительность всплывания этих агрегатов - "частица-пузырек" определяет время флотации. При обычной глубине флотационных камер 1-1,5 м, продолжительность флотации в них составляет 15-20 минут.
Известно устройство для очистки сточных вод напорной флотацией, принятого нами за прототип / Патент №2155716, авторы Бабенко В.Г., Битин М.А., Бабенко Д.В. опубликовано 10.09.2000 г в Бюл.№25/
Данное устройство состоит из блока сатурации сточных вод воздухом под давлением. Блок сатурации включает питающую трубу сточной воды, соединенную через эжектор, с всасывающим патрубком перекачивающего насоса, а всасывающий патрубок эжектора соединен через газовый расходомер и регулирующий клапан с атмосферным воздухом.
Напорный патрубок перекачивающего насоса соединен с всасывающим патрубком насоса сатуратора, также роторного типа, а напорный патрубок насоса - сатуратора, снабженный манометром, соединен через регулирующий клапан, демпфер, и регулятор давления, типа предохранительного клапана, с донным перфорированным коллектором открытой флотационной камеры, снабженной скребковым механизмом для удаления всплывшей пены с поверхности воды и донным выпуском очищенной воды самотеком, гидравлически уравновешенным с уровнем воды во флотокамеры.
Недостатками данного известного устройства являются:
- неизбежное дробление частиц примесей лопатками вращающихся роторов насосов в процессе насыщения воды воздухом под давлением, а уменьшение размера всплывающих частиц, как известно, снижает скорость их пассивного всплытия во флотокамере, а следовательно и скорость флотации;
- кроме того в случае очистки сточных вод, содержащих твердые жиры и волокнистые примеси, например, в сточных водах мясокомбинатов, шерстомойных и кожевенных производств, неизбежно происходит засаливание - залипание частиц жиров на лопатках насосов и наматывание волокнистых частиц на вращающихся роторах насосов. Такие частицы со временем засоряют и клапан регулятора давления, установленного на выходе газированной воды из блока сатурации. Все это ухудшает работу оборудования и снижает эффект флотационной очистки сточных вод.
Задачей данного изобретения является устранение отмеченных недостатков и создание устройства для очистки сточных вод напорной флотацией от любых всплывающих примесей с получением технического результата заключающегося в интенсификации процесса флотации с повышением скорости всплытия частиц всплывающих примесей.
Этот технический результат в устройстве для очистки сточных вод напорной флотацией достигается тем, что в блоке сатурации насыщается воздухом очищенная вода, которая после регулятора давления смешивается с неочищенной водой в эжекторе и полученная смесь подается в донный ввод цилиндрической флотокамеры током в направлении всплытия примесей для чего флотокамера снабжена коаксиально расположенным цилиндрическим отстойником большего диаметра имеющего донный выпуск очищенной воды самотеком гидравлически уравновешенным с уровнем воды во флотокамере.
Вода с частицами примесей поднимается вверх до кромки флотокамеры и перетекает в отстойник, а всплывшая пена остается на поверхности и удаляется.
С целью установления заданного соотношения неочищенной воды к газированной очищенной воде из блока сатурации, на линии подачи неочищенной сточной воды во всасывающий патрубок эжектора установлены регулирующий клапан и расходомер и в линии подачи очищенной воды в блок сатурации также установлен регулирующий клапан перед расходомером.
Кроме того с целью обеспечения непрерывного питания блока сатурации очищенной водой она подается из нижнего выпуска буферной емкости, питаемой очищенной водой из отстойника флотокамеры, а избыток воды из буферной емкости сбрасывается самотеком из верхнего, более широкого, выпуска этой емкости и используется в оборотном водоснабжении предприятия.
Для удаления пены с поверхности воды флотокамера снабжена вертикальным вращающимся скребком с серповидными лопастями, сбрасывающими пену в щель корпуса коаксиального отстойника, прорезанную на уровне границы раздела фаз воды и пены. Содержание сточной воды в смеси с газированной очищенной водой, подаваемой во флотокамеру, зависит от степени загрязнения сточной воды, определяется экспериментально и может составлять от 50% для сильно загрязненных сточных вод с медленно всплывающими примесями до 80-90% в случае слабо загрязненных вод с хорошим всплытием примесей.
Для упрощения конструкции в качестве всасывающего насоса в узле сатурации может быть использован известный струйный насос с встроенным эжектором, а для получения большего давления при сатурации воды в качестве насоса-сатуратора целесообразно использование вихревого насоса или многоступенчатого центробежного насоса.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства для очистки сточных вод напорной флотацией.
На фиг.2 представлен вид сверху вертикального серповидного скребка для сбрасывания пены с поверхности воды в флотокамере.
На фиг.3 представлен график растворимости воздуха в воде в зависимости от приложенного давления при температурах от 15° до 30°С характерных для сточных вод.
Устройство для очистки сточных вод напорной флотацией, представленное на фиг.1 состоит из блока сатурации 1 и флотационной камеры 2. Блок сатурации включает регулирующий клапан 3 очищенной воды, соединенный через расходомер 4 с эжектором 5, всасывающий патрубок которого соединен через газовый расходомер 6 и регулирующий клапан 7 с атмосферным воздухом. Выходной патрубок эжектора соединен с всасывающим патрубком перекачивающего насоса 8 роторного типа, а напорный патрубок этого насоса соединен с всасывающим патрубком насоса - сатуратора 9 также роторного типа, а напорный патрубок этого насоса, снабженный манометром 10, соединен через демпферное устройство 11 с регулятором давления 12 типа предохранительного клапана. Этот регулятор давления соединен с эжектором 13, всасывающий патрубок которого через расходомер 14 и регулирующий клапан 15 соединен с трубой сточной воды, а выходной патрубок эжектора 13 соединен с донным тангенциальным вводом 16 цилиндрической флотационной камеры 2 снабженной цилиндрическим коаксиально расположенным отстойником 17. Вверху флотокамеры установлен пеноудаляющий механизм 18 с вертикальным вращающимся валом, на котором закреплены серповидные лопасти скребков 19 (см. фиг.2), сбрасывающими пену в прорезь 20 стенки отстойника на уровне воды во флотокамере в пеносборник 21. Конусное дно флотокамеры снабжено клапаном 22 для сброса воды из флотокамеры при ее очистке. Донный выпуск коаксиального отстойника 17 снабжен сифоном 23 для выпуска очищенной воды самотеком с разрывом струи в буферную емкость 24, нижний выпуск 25 который питает очищенной водой по трубопроводу 26 блок сатурации 1, а избыток очищенной воды самотеком изливается из верхнего широкого патрубка 27 и используется для оборотного водоснабжения предприятия.
На фиг.2 представлены в плане серповидные лопасти скребков 19, сбрасывающих пену в щель 20 стенка отстойника 17, с направлением их вращения в сторону выпускной части.
На фиг.3 представлена графически зависимость растворимости воздуха в воде, приведенная в объемных процентах, от приложенного давления (МРа) при разных температурах. Эти кривые рассчитаны для равновесных условий на основе справочных данных о растворимости воздуха вводе при разных температурах при одном и том же давлении - нормальном атмосферном.
Устройство для очистки сточных вод напорной флотацией работает следующим образом.
Очищенная сточная вода по трубопроводу 26 поступает через клапан 3 регулирующий ее подачу в расходомер 4 в форме ротаметра или другого измерительного прибора указывающего расход воды заданном клапаном 3. Эта вода поступает в эжектор 5, во всасывающем патрубке которого создается разрежение, благодаря которому в эжектор поступает атмосферный воздух через клапан 7, регулирующий его поступление и через газовый ротаметр или другой прибор, указывающий объемный расход воздуха. Практикой установлено, что при поступлении воздуха в воду питающую насосы роторного типа в объеме более 7% происходит ухудшение их работы, поэтому клапан 7 обеспечивает подачу воздуха в эжектор 5 в объеме не более 7%. Далее очищенная вода с введенным в нее воздухом поступает из эжектора 5 во всасывающий патрубок перекачивающего насоса 8, где при создании насосом давления и интенсивном перемешивании воздуха с водой происходит частичное растворение воздуха в очищенной воде. Далее полученная смесь из напорного патрубка перекачивающего насоса 8 поступает во всасывающий патрубок насоса - сатуратора 9, где благодаря дальнейшему повышению давления при интенсивном перемешивании водо-воздушной смеси происходит окончательный переход воздуха из газовой фазы в фазу раствора его в очищенной воде при давлении контролируемом манометром 10. Водный раствор воздуха поступает в регулятор давления 12, который обеспечивает выпуск воды из напорного патрубка насоса - сатуратора 9 только при заданном давлении, обеспечивая тем самым заданное давление в рабочей полости насоса - сатуратора необходимого для окончательного растворения введенного в воду воздуха.
3
При работе регулятора давления возможно возникновение гидравлических ударов, поэтому перед ним установлен демпфер 11, гасящий эти удары за счет эластичного баллона с воздухом, установленного в трубе с просветом для прохода воды. Далее раствор воздуха в очищенной воде поступает в эжектор 13, где струя этой воды создает разрежение в головке эжектора, благодаря которому в его всасывающий патрубок поступает исходная неочищенная сточная вода через расходомер 14, например ротаметр, определяющий расход и через клапан 15, регулирующий величину этого расхода м/час. В эжекторе благодаря турбулентности сточная вода перемешивается с очищенной водой насыщенной воздухом и эта смесь поступает в донный ввод цилиндрической флотокамеры 2, где для лучшего перемешивания смеси этот ввод выполнен тангенциально, что обеспечивает круговую циркуляцию воды во флотокамере. Для обеспечения потока воды в направлении всплытия примесей, т.е., снизу вверх, флотокамера снабжена цилиндрическим коаксиально расположенным отстойником 17, куда перетекает вода. Благодаря резкому снижению давления во флотокамере, также резко падает и растворимость воздуха в воде, поэтому смесь, поступающая во флотокамеру оказывается пересыщенной по воздуху и его избыток спонтанно (самопроизвольно) переходит из фазы раствора в газовую фазу в форме мельчайших пузырьков, которые прилипают к частицам всплывающих примесей и, благодаря архимедовой силе, выносят образовавшиеся агрегаты «частица - пузырек» на поверхность, образуя на ней слой пены.
Водная смесь, поступающая во флотокамеру 1 из эжектора 13, движется также как и всплывающие примеси снизу вверх, ускоряя их всплытие, и на границе поверхности воды и слоя всплывшей пены осветленная вода изливается через верхний край флотокамеры в отстойник, оставляя на поверхности, выносимые потоком агрегаты «частица-пузырек». Далее вода в отстойнике, благодаря его значительному рабочему сечению, медленно движется вниз к выходному патрубку, из которого через сифон 23 изливается самотеком с разрывом струи. Этот сифон регулирует уровень воды в флотокамере. Всплывшая пена непрерывно сбрасывается лопастями 19, скребка 18 в щель 20, прорезанную в стенке отстойника на границе раздела фаз пена-вода. Благодаря серповидной форме лопастей скребка 19, показанного на фиг.2, слой пены сдвигается к периферии круга, т.е., к щели сброса, что облегчает ее удаление.
Очищенная вода, изливающаяся из сифона 23, поступает в буферную емкость 24, необходимую для обеспечения бесперебойного питания через трубу 26 узла сатурации, с этой целью труба 26 питается из нижнего патрубка 25 буферной емкости, а избыток очищенной воды изливается самотеком из более широкого патрубка 27 установленного в верхней части стенки корпуса. Избыток очищенной сточной воды изливающейся из патрубка 27, используется в оборотном водоснабжении производства или сбрасывается в места, согласованные с контролирующими службами.
Данное изобретение может быть использовано для очистки сточных вод от всплывающих примесей образующихся на предприятиях мясомолочной, кожевенно-меховой, целлюлозно-бумажной промышленности, в автохозяйствах, автомойках, а также для очистки балластных и сточных вод нефтеналивного водного и железнодорожного транспорта.
Кроме того изобретение может быть использовано также и в горнорудной промышленности для извлечения тонких фракций легко шламующихся минералов с использованием известных флото-реагентов. В данном случае узел сатурации может выполнять роль импеллера (турбинки), создающего в известных флотаторах пузырьки воздуха флотирующих частицы избранных минералов. При такой замене уменьшение размера пузырьков, образующихся в случае напорной флотации, позволит извлекать и более мелкие частицы переизмельченных минералов. На графике, представленном на фиг.3 показана зависимость объемной растворимости воздуха в воде от приложенного давления (МПа) при разных температурах, близких к температурам сточных вод, что позволяет ориентироваться при задании оптимальных параметров процесса напорной флотации. При этом необходимо отметить, что реальная растворимость воздуха в воде в блоке сатурации 1 оказывается в той или иной степени ниже растворимости, представленной на графике фиг.3, полученной при равновесных условиях, т.к., равновесие за сравнительно короткое время пребывания смеси в полости насоса -сатуратора не успевает установится полностью.
Пример
3
3
3
Испытание работы предлагаемого устройства для очистки сточных вод напорной флотацией было проведено на сточной воде мясокомбината, содержание загрязняющих примесей в которой представлено в графе 3 прилагаемой таблицы. При испытании по трубе 26 подавалась вначале водопроводная вода, а после запуска подавалась очищенная вода. Эта вода подавалась через регулирующий клапан 3 (см. фиг.1) в количестве 1 м/час, что фиксировалось показанием ротаметра 4, из которого вода поступала в эжектор 5, где, благодаря эффекту эжекции и всасывания перекачивающего насоса 8, создавалось разрежение во всасывающем патрубке эжектора. В этот патрубок подавался атмосферный воздух через клапан 7 и газовый ротаметр 6. Клапан 7 регулировал подачу воздуха по показанию ротаметра в количестве 60 дм/час, что составляло 6% от количества подаваемой воды в блок сатурации 1. Далее введенный воздух растворялся в воде при интенсивном перемешивании и повышении давления последовательно во всасывающем насосе 8 и насосе-сатураторе 9 до 0,6 МПа. При повышении давления более 0,6 МПа регулятор давления 12 начинал сбрасывать газированную воду в эжектор 13, где поступавшая струя воды создавала разрежение. Благодаря этому разрежению через клапан 15 всасывалась исходная неочищенная сточная вода, расход которой регулировал клапан 15 по показанию водяного ротаметра 14 в количестве 4 м/час. В эжекторе поток газированной воды перемешивался с поданной сточной водой и полученная смесь, содержавшая 80% неочищенной воды, поступала под давлением несколько выше атмосферного в донный тангенциальный ввод 16 флотокамеры 2. Здесь, благодаря созданному тангенциальным вводом вращению, смесь вод дополнительно перемешивалась и поднималась вверх к изливу воды через верхнюю кромку флотокамеры в коаксиальное пространство отстойника 17. Во флотокамере возникшие при снижении давления мельчайшие пузырьки воздуха, прилипая к частицам всплывающих примесей, образовывали легкие агрегаты частица-пузырек, которые под действием архимедовой силы поднимались вверх к поверхности воды во флотокамере. Однонаправленный поток воды в камере ускорял движение этих агрегатов к поверхности воды, что сокращало время всплытия загрязняющих примесей примерно в два раза. Образовавшийся слой пены на поверхности воды непрерывно сбрасывался лопастями 19 мешалки 18 через щель 20 в стенке отстойника 17 в пеносборник 21, а отстоявшаяся вода из отстойника 17 самотеком сбрасывалась из донного выпуска отстойника через сифон 23 с разрывом струи в буферную емкость 24. Из буферной емкости 24 после ее наполнения вода поступала из нижнего патрубка 25 через трубу 26 в блок сатурации 1, а избыток воды изливался из емкости через верхний патрубок 27.
3
3
При экспериментах исследовался состав исходной и очищенной сточной воды. Результаты описанной очистки сточной воды мясокомбината представлены в прилагаемой таблице, где в графе 2 перечислены исследованные показатели сточной воды, в графе 3 приведена величина этих показателей до очистки воды. В графе 4 и 5 представлена величина удаленных примесей, выраженная в массовой концентрации, мг/дм и в процентах от исходной концентрации, а в графах 6 и 7 представлены массовая концентрация оставшихся не удаленных примесей, мг/дм и доля этих оставшихся примесей в процентах к их исходной концентрации.
№
Показатели сточной воды
Исходное содержание, мг/дм<sup>3</sup>
Удалено
Осталось
ПДК, мг/дм<sup>3</sup>
мг/дм<sup>3</sup>
%
мг/дм<sup>3</sup>
%
1
2
3
4
5
6
7
8
1
Взвешенные вещества
207
196,7
95
10,35
5
200
2
Жиры (в том числе)
5,8
5,57
96
0,23
4
10,2
3
ХПК (химическое поглощение кислорода)
492
462
94
29,5
6
240
4
БПК (биологическое поглощение кислорода)
234
220
94
14,0
6
160
5
Азот аммонийный
53,2
48,9
92
4,3
8
10
6
Сухой остаток
1254
376
30
878
70
1700
7
Фосфаты по фосфору
10,7
6,42
60
4,28
40
0,33
3
3
Как видно из таблицы, наименьшее остаточное содержание наблюдалось у жиров-4%, у взвешенных примесей-5%, ХПК и БПК- по 6%, азот аммонийный-8%, на 40% снизилось содержание фосфатов, что обусловлено удалением всплывающих примесей органических веществ, куда входили частично и соединения фосфора. Наибольшее остаточное содержание отмечено по сухому остатку, куда входили в основном растворимые соли, не удаляемые флотацией. В целом взвешенные примеси органических веществ, удаляемых при флотации, были удалены на 92-91%, что свидетельствует о эффективности работы предлагаемого устройства, даже в случае подачи 4 м/чac сточной воды на 1 м/час очищенной газированной воды.
Данное устройство может быть использовано не только для очистки сточных вод предприятий, но тоже и в горнорудной промышленности для флотационного извлечения минералов, особенно легко шламующихся, путем замены импеллера (турбинки) флотационной установки на блок сатурации, питающий флотационную камеру газированной водой, поставляющей предельно мелкие пузырьки воздуха несоизмеримые с пузырьками, образующимися при работе импеллера, измельчающего механически пузырьки воздуха только до размера не менее 0,1 мм, в то время как размеры пузырьков воздуха при напорной флотации соизмеримы с размером крупных молекул, т.е. меньше на несколько порядков.
За счет этого такие пузырьки воздуха способны флотировать частицы значительно меньших размеров. Так, представляется перспективным использование данного устройства и для извлечения тонких фракций легко шламующихся минералов из полиметаллических руд.