Определены пути совершенствования флотационной очистки сточных вод. Показана возможность повышения эффективности флотационной очистки на основе использования роторно-кавитационного устройства, позволяющего получить тонкодисперсную водовоздушную смесь с высоким газонаполнением.
Ключевые слова:флотационная очистка, водовоздушная смесь, флотокомплекс, коэффициент газонаполнения, роторно-кавитационное устройство.
Для очистки производственных сточных вод широкое распространение получил флотационный метод [1]. Метод флотации заключается в образовании флотокомплексов «частица — пузырек воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости и удалении с поверхности жидкости образовавшегося пенного слоя.
Вероятность образования флото-комплекса в процессе флотационной очистки сточных вод в большой степени зависит от соотношения радиусов извлекаемой дисперсной частицы rч, и пузырька воздуха rп и определяется величиной «коэффициента захвата» Е, характеризующего эффективность процесса столкновения пузырька воздуха и дисперсной частицы. Для стоксов-ского режима всплывания пузырька воздуха в соответствии с рекомендациями [2, 3] величина Е определятся как:
(1)
Справедливость уравнения (1) подтверждается многочисленными эмпирическими данными, свидетельствующими о том, что эффективная флотационная очистка сточных вод промышленных предприятий возможна при среднем размере пузырьков дисперсной газовой фазы dп=20–60 мкм.
Во флотационных аппаратах, оснащенных гидродинамической системой получения дисперсной газовой фазы (водовоздушной смеси) и основанных на принципе механического диспергирования пузырьков воздуха (импеллерные флотаторы), образуются пузырьки воздуха диаметром 0,5–5 мм. Они используются при очистке сточных вод методом пенного фракционирования и в технологических процессах обогащения горно-рудной промышленности.
В настоящее время широкое распространение для очистки производственных сточных вод получили напорные флотаторы, позволяющие генерировать мелкодисперсную водовоздушную смесь (dп=20–90 мкм) из пересыщенного раствора, приготовляемого при избыточном давлении в сатураторе.
Растворимость газа в воде зависит от его физических свойств, давления, температуры и для сравнительно небольших давлений (до 2–3 МПа) выражается законом Генри, в соответствии с которым растворенное в воде количество газа пропорционально его парциальному давлению над раствором.
(2)
где С — концентрация газа в растворе, кг/м3; Р — давление над раствором Па; k- коэффициент пропорциональности (коэффициент Генри), кг/(м3∙Па).
Для практических расчетов значение коэффициента Генри принимается в виде значения растворимости воздуха в воде при атмосферном давлении (см. таблицу) [1].
Растворимость воздуха в воде при атмосферном давлении
|
Температура, °С |
Растворимость воздуха в воде, мг/л |
Температура, °С |
Растворимость воздуха в воде, мг/л |
|
10 |
29,2 |
40 |
17,0 |
|
20 |
23,6 |
50 |
14,7 |
|
30 |
19,9 |
60 |
12,7 |
При понижении давления раствор воздуха в воде становится пересыщенным и избыточное количество газа выделяется из раствора в виде мелкодисперсных пузырьков.
Эффективность флотационного процесса определяется, наряду с величиной коэффициента захвата, значением величины удельной поверхности дисперсной газовой фазы Sу, м2/м3.
Величина удельной поверхности дисперсной газовой фазы 5У является одной из важнейших характеристик газовой дисперсии, позволяющей судить об избыточной энергии системы.
Для дисперсной системы газовых пузырьков, имеющих строго сферическую форму диаметром dп<0,8 мм, величина Sу может быть определена по формуле
(3)
где φ — коэффициент газонаполнения флотационного объема,
(4)
здесь Wф — объем флотационного бассейна; Wг и Wж — объем соответственно газовой и жидкой фазы во флотационном бассейне.
При повышении давления в сатураторе степень пересыщения раствора воздуха в воде возрастает, что приводит к увеличению коэффициента газонаполнения φ флотационного объема.
Процесс выделения новой фазы из пересыщенного раствора состоит из двух стадий:
1) возникновение зародышей пузырьков;
2) стадия роста образовавшихся зародышей.
Первая из этих стадий протекает с увеличением энергии Гиббса и поэтому термодинамически затруднена. Вторая стадия идет самопроизвольно со значительным убыванием энергии Гиббса.
Критический радиус возникающих из пересыщенного раствора зародышей пузырьков воздуха rкр принято определять по формуле Лапласа:
(5)
где 
- коэффициент поверхностного натяжения границы раздела фаз «газ -жидкость» (Н/м); P1 и P2 — давление соответственно в сатураторе и флотационном объеме (Па).
Количество зародышевых пузырьков ограничено вследствие наличия энергетического барьера.
При повышении степени пересыщения газового раствора наблюдается не увеличение числа зародышевых пузырьков, а рост диаметра сформировавшихся на первой стадии пузырьков воздуха.
На рисунке приведены результаты измерения распределения пузырьков воздуха по размерам при дросселировании пересыщенного раствора при различных значениях пересыщения [2].
Из рисунка видно, что распределение пузырьков воздуха по их размерам при всех значениях близко к нормальному. Среднестатистические размеры пузырьков с возрастанием пересыщения жидкости увеличиваются,
Таким образом, при росте степени пересыщения газового раствора, с одной стороны, эффективность процесса флотации будет увеличиваться за счет повышения коэффициента газонаполнения флотационного объема φ и величины удельной поверхности дисперсной газовой фазы SУ, а с другой стороны, она будет уменьшаться за счет роста размеров образующихся пузырьков rп обусловливающего снижение эффективности процесса захвата — коэффициента захвата Е.
Рис. Распределение по размерам пузырьков в воде в зависимости от величины пересыщения: I — 200 %; 2–400 %; 3–500 %; 4–800 %
Противоположность влияния этих двух факторов приводит к тому, что эффективность процесса напорной флотации будет иметь максимум при некотором определенном значении пересыщения жидкости.
Сотрудниками кафедры «Водоснабжение, водоотведение и гидротехника» Пензенского государственного университета архитектуры и строительства была разработана новая технология приготовления тонкодисперсной водовоздушной смеси, сочетающая в себе преимущества метода диспергирования подаваемого во флотационный объем воздуха (увеличенное значение коэффициента газонаполнения φ) и метода напорной флотации (оптимальный размер пузырьков воздуха rп, обеспечивающий повышенную эффективность процесса захвата дисперсных частиц).
В соответствии с предложенной технологией водовоздушная смесь, образующаяся на выходе из эжектора, под остаточным давлением подается на вход роторно-кавитационного устройства (РКУ), которое включает в себя камеру входа, вихревую камеру, выходную камеру и кавитирующий ротор, устанавливаемый по оси устройства.
Водовоздушная смесь поступает в вихревую камеру через тангенциально присоединенный к ней патрубок, и за счет этого в ней создается вращательное движение. Угловая скорость закрутки потока (ω при переходе его в вихревую камеру увеличивается прямо пропорционально квадрату отношения диаметров входной и вихревой камер. По оси вихревой камеры создается область с пониженным давлением, в которой размещается каветирующий ротор. Полученная в результате обработки в вихревой камере тонкодисперсная водовоздушная смесь выпускается из выходной камеры через выпускной патрубок.
В процессе поступательно-вращательного движения водовоздушной смеси в вихревой камере на пузырьки воздуха действует центробежная сила, и они перемещаются к ротору, в результате чего на его поверхности образуются искусственные каверны. Способ создания искусственных каверн за счет подачи в область разрежения около тела обтекания воздуха или иного газа независимо друг от друга был впервые предложен в 1944 и 1945 гг. Рейхардтом и Эпштейном [4].
Искусственные и естественные каверны идентичны при одинаковых числах кавитации, определяемых по формуле
(6)
где P0 и Рк — давление соответственно в потоке и внутри каверны, Па; V0 — скорость потока, м/с; ρ- плотность потока, кг/м3.
Эффект кавитации возникает при равенстве давления Рк и давления насыщенного пара Рυ. За счет создания искусственных каверн эффект кавитации можно получить при скоростях потока в несколько метров в секунду, тогда как в естественных условиях режим кавитации наблюдается при скоростях потока порядка нескольких десятков метров в секунду.
Тонкое диспергирование водовоздушной смеси в процессе ее обработки в роторно-кавитационном устройстве происходит под действием кумулятивных микроструек, возникающих при схлопывании пузырьков, отрывающихся от суперкаверн, образующихся на роторе.
Проведенные технологические испытания показали, что технология диспергирования в роторно-кавитационном устройстве позволяет получить тонкодисперсную водовоздушную смесь с диаметром пузырьков воздуха dп=50–80 мкм и высоким коэффициентом газонаполнения φ=0,1.
Литература:
1. Андреев, С. Ю. Теоретические основы процессов генерации динамических двухфазовых систем водовоздушных систем вода-воздух и их использование в технологиях очистки воды / С. Ю. Андреев. — Пенза: ПГУАС, 2005. — 194 с.
2. Стахов, Е. А. Очистка нефтесодержащих вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов / Е. А. Стахов. — Л.: Недра, 1983. — 264 с.
3. Покровский, В. Н. Очистка сточных вод тепловых электростанций / В. Н. Покровский, Е. П. Аракчеев. -М: Энергия, 1980. -256 с.
4. Пирсол, И. Кавитация / И. Пирсол. — М.: Мир, 1975. — 94 с.
