Допустить дипломную работу к защите в государственной аттестационной комиссии

 

Заведующий кафедрой экологии

профессор, д.б.н. Трифонова Т. А.

 

«» 2011 г.

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

 

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой экологии проф., д.б.н.

Трифонова Т.А.

 

ЗАДАНИЕ

НА КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

 

 

Студенту Артемову Александру Николаевичу

1. Тема квалификационной работы Технологический регламент очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»» утверждена приказом по университету № 199/4 от 22.03.2011г.

2. Срок сдачи студентом законченной квалификационной работы 22.06.2011 г.

3. Исходные данные к работе фактические показатели работы предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»

1. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):

- Обосновать тему и ее актуальность;

- Провести аналитический обзор научно-технической литературы по методам очистки сточных вод гальванических производств;

- Проанализировать состав сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»;

- Разработать и описать усовершенствованную схему очистки сточных вод;

- Рассчитать нестандартизированное оборудование;

- Разработать технологический регламент очистки сточных вод с целью извлечения ценных компонентов и подготовки воды для сброса в реку Беленькую;

Перечень графического материала (с указанием обязательных чертежей):

Плакат 1. Концентрация загрязняющих веществ на выпуске сточных вод предприятия.

Плакат 2. Показатели концентрации загрязняющих веществ в сточной воде до и после очистки по предлагаемой технологии.

Плакат 3. Реагенты, вода

 

Дата выдачи задания 03.03.2011 г.

Руководитель профессор, к.т.н. Селиванова Н.В.

подпись

Задание принял к исполнению студент Артемов А.Н.

_____________________________________________

подпись студента

 

 

В данной квалификационной работе составлен технологический регламент усовершенствованной системы очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»».

Для совершенствования системы очистки разработана технологическая схема комбинированной очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»».

Приведен расчет оборудования предлагаемой технологической схемы. Результатом квалификационной работы является разработка технологического регламента.

Работа рекомендуется к внедрению.

Страниц -143, таблиц -13, иллюстраций –18, библиография – 51,

приложения – 3.

 

In the given qualifying work the production schedules of advanced system of sewage treatment of the enterprise of Open Society «Electrocable» Kolchuginsky factory» are made.

The technological scheme of the combined sewage treatment of the enterprise of Open Society «Electrocable» is developed for perfection of system of clearing Kolchuginsky factory».

Calculation of the equipment of the offered technological scheme is resulted. The result of the qualifying work is the development of technological requirements.

This work is recommended to implement.

Page -143, Table -13, Picture -18, Library – 51, Apps -3.

 

Реферат

Работа содержит 143 стр., 13 табл., 18 ил., 51 библ., 3 прил.

Гальваническое производство, сточные воды, очистка, тяжелые цветные металлы, технологический регламент.

Цель – составление технологического регламента по очистке сточных вод.

Задачи:

Объект исследования -

В данной работе рассмотрены и проанализированы основные методы очистки сточных вод гальванических производств. Выявлены преимущества и недостатки каждого метода очистки.

Выполнен анализ сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»». После изучения результатов анализа сточных вод предприятия стало очевидно, что по основным компонентам загрязнения наблюдается превышение временно согласованного сброса. Также установлено, что основными загрязнителями являются биогенные элементы (азот, фосфор), взвешенные вещества (мел), ионы тяжёлых металлов и нефтепродукты. Сделан вывод о необходимости разработки схемы очистки стоков предприятия.

Предложена и описана комбинированная система очистки сточных вод, позволяющая очистить воду до концентраций согласованного сброса, а также выделить и утилизировать ценные компоненты (нефтепродукты, мел, цветные металлы).

Впервые разработан технологический регламент предложенной схемы очистки, рассчитано нестандартизованное оборудование. По результатам работы написана статья на шестую Международную научно-практическую конференцию «Экология речных бассейнов».

Работа рекомендуется к внедрению.

 

Содержание:

Введение …………………………………………………………………………..8

1. Анализ научно-технической литературы по методам очистки производственных сточных вод ………………………………………………11

1.1. Механические способы………………………………………………..12

1.2. Физико-химические способы……………………………………….....17

1.2.1. Флотация …………………………………………………………...17

1.2.2. Коагуляция …………………………………………………………21

1.2.3. Флокуляция …………………………………………………………26

1.3. Химические способы…………………………………………………..28

1.4. Сорбционные способы………………………………………………….31

1.5. Электрохимические способы………………………………………….39

1.5.1. Электрохимическая коагуляция…………………………………..40

1.5.2. Электрохимическая Флотация ……………………………………43

1.5.3. Электролиз ………………………………………………………….44

1.6. Мембранные методы……………………………………………………45

1.6.1. Микрофильтрация ………………………………………………….47

1.6.2. Ультрафильтрация ………………………………………………..49

1.6.3. Обратный осмос …………………………………………………..52

1.7. Очистка нефтесодержащих сточных вод……………………………...53

1.8. Биологические методы………………………………………………….54

2. Оценка качества сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»..................................................................................62

2.1. Общие сведения о предприятии……………………………………….62

2.2. Схема образования сточных вод………………………………………69

2.3. Оценка качества сточных вод………………………………………….77

 

 

3. Предлагаемая схема очистки сточных вод ……………………………….83

3.1. Описание принципиальной технологической схемы очистки……….83

3.2. Расчет основного оборудования……………………………………….85

3.2.1. Расчет решетки ……………………………………………………85

3.2.2. Расчет усреднителя………………………………………………..87

3.2.3. Расчет вертикального отстойника ……………………………...90

3.2.4. Расчет сорбционного фильтр а……………………………………92

3.2.5. Расчет адсорбера…………………………………………………..93

3.2.6. Расчет аэротенка- модуля………………………………………...95

3.3. Расчет вспомогательного оборудования………………………………97

4. Безопасность и экологичность……………………………………………..101

4.1. Обеспечение электробезопасности персонала станции

нейтрализации………………………………………………………………104

4.2. Действие соединений тяжелых металлов…………………………….107

Заключение …………………………………………………………………….113

Список литературы …………………………………………………………...115

Приложения…………………………………………………………………….120

Приложение 1. Ситуационная карта-схема ОАО «Электрокабель» КЗ»…...121

Приложение 2. Предлагаемая схема очистки сточных вод………………….122

Приложение 3. Технологический регламент по очистке сточных вод с целью извлечения цветных металлов и подготовки воды для сброса в реку Беленькая………………………………………………………………………123

 

 

Введение

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. Проблема усугубляется все большим производством небиодеградирующих материалов, которые с трудом разрушаются и ассимилируют в результате естественных процессов [1].

Экологические проблемы в современном мире вышли на первое место.

Получив неограниченную власть над природой, люди варварски используют ее. «Сегодня угроза выживанию пришла со стороны окружающей природной среды, быстро деградирующей под натиском человеческой деятельности», – сказал генеральный секретарь Конференции ООН Морис Стронг. Ресурсы планеты иссякают. Катастрофически быстро загрязняются воздух и вода. Превращаются в пески плодородные земли. На глазах сокращаются площади лесов. На планету буквально «вываливаются» горы отбросов; человек провоцирует природные катастрофы.

Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой поллютантов, получивших общее название «тяжелые металлы». Тяжелые металлы – это группа химических элементов с относительной атомной массой более 40. Появление в литературе термина «тяжелые металлы» было связано с проявлением токсичности некоторых металлов и опасности их для живых организмов. Однако в группу «тяжелых» вошли и некоторые микроэлементы, жизненная необходимость и широкий спектр биологического действия которых неопровержимо доказаны.

Различия в терминологии в основном связаны с концентрацией металлов в природной среде. С одной стороны, концентрация металла может быть избыточной и даже токсичной, тогда этот металл называют «тяжелым», с другой стороны, при нормальной концентрации или дефиците его относят к микроэлементам. Таким образом, термины микроэлементы и тяжелые металлы - категории, скорее всего качественные, а не количественные, и привязаны к крайним вариантам экологической обстановки.

Тяжелыми металлами являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут. Употребляемый иногда термин "токсические элементы" здесь неудачен, так как любые элементы и их соединения могут стать токсичными для живых организмов при определенной концентрации и условиях окружающей среды.

Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород. Примером таких минералов являются минералы титана (брусит, ильменит, анатаз), хрома (FeCr₂O₄). Многие элементы поступают в атмосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.

Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения СО₂ в результате деятельности микроорганизмов. Также тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высоорганизованным организмам [2].

Традиционные технологии не обеспечивают эффективной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Их содержание в жидких отходах в 10 -20 раз превышает ПДК. После реагентной обработки, чаще всего применяемой на промышленных предприятиях, остаточное содержание металлов достигает 1-5 мг/л, при ПДК для большинства металлов 0,1-0,001 мг/л [3].

 

 

1. Анализ научно-технической литературы по методам очистки производственных сточных вод

Одним из важнейших вопросов защиты окружающей среды является охрана водного бассейна от загрязнения.

К важным мероприятиям по охране источников питьевой воды относятся доочистка промышленных и городских сточных вод и дальнейшее их использование для промышленного водоснабжения предприятий. Повторное использование очищенных сточных вод для технического водоснабжения позволит в ряде районов нашей страны полностью ликвидировать существующий дефицит ресурсов пресной воды.

Наиболее опасны для водоемов сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности, несмотря на то, что объем их по сравнению с объемом сточных вод предприятий других видов промышленности невелик. Сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности характеризуются сложным и переменным составом, высокой токсичностью, преимущественным содержанием растворенных, а не взвешенных, загрязнений, поэтому биологические методы не всегда обеспечивают очистку, достаточную для повторного использования воды на предприятиях [4].

Физико-химические или химические методы очистки сточных вод наряду с обеспечением необходимого качества воды в соответствии с требованиями водоподготовки позволяют также извлечь из сточных вод ценные продукты и снизить потери производства. В последние годы эти методы находят широкое применение и для доочистки биологически очищенных сточных вод, после которой их успешно можно использовать в технологических и энергетических циклах.

Замена природных пресных вод, расходуемых на технологические и энергетические нужды, очищенными сточными водами позволит решить проблему ликвидации дефицита водных ресурсов и предотвратить истощение запаса пресных вод. Одним из наиболее радикальных путей необходимого сокращения потребления свежей воды является создание замкнутых систем промышленного водоснабжения, основанных на многократном использовании для производственных целей сточных вод, очищенных до норм, отвечающих требованиям к качеству технической вод.

На основании требований технологического производства на каждой его стадии определяются требования к качеству воды. На основании этих требований принимаются решения по методам локальной и централизованной очистки сточных вод, составляются перечни загрязняющих веществ [5].

Для использования сточных вод особое значение имеет обоснование требований к составу технологической воды. В зависимости от этих требований применяются различные способы и устройства очистки сточных вод:

· механические;

· физико-химические (флотация, коагуляция);

· химические (реагентные);

· электрохимические (электрофлотация, электролиз);

· мембранные (ультрафильтрация, обратный осмос и др.);

· термические (выпаривание, дистилляция, сжигание сточных вод);

· биохимические;

· Комбинированные [6].

Механические способы

Механическая очистка – это выделение из сточных вод находящихся в них нерастворенных грубодисперсных примесей, имеющих минеральную и органическую природу [7].

В группу методов механической очистки включают процеживание, отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка, фильтрование и центробежные методы.

Процеживание. Сточные воды процеживают через решетки и сита с целью извлечения из них крупных примесей для предотвращения засорения труб и каналов. Решетки состоят из наклонных или вертикально установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на металлической раме. Решетки могут быть неподвижные и подвижные. Ширина прозоров в решетке равна 16 – 20 мм. По способу очистки решеток от задержанных загрязнений они разделяются на простейшие, которые очищаются ручным способом, и механические, очищаемые с помощью механических приспособлений. При этом в просветах решетки движутся зубцы граблей, укрепленных на подвижной шарнирно-пластинчатой цепи, которая приводится в движение электродвигателем. Отбросы, снятые со стержней решетки направляются на ленте-транспортере в дробилку для измельчения [8].

Сита применяют для удаления более мелких взвешенных частиц. Они могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Первые представляют собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от способа подвода воды (снаружи или внутрь). Задерживаемые примеси смываются c сетки водой и отводятся в желоб. Производительность сита зависит от размера (диаметра) барабана, его длины, a также от свойств примесей.

Остаивание является одним из основных методов выделения из сточных вод, оседающих и всплывающих механических примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители [9].

Песколовки предназначены для задержания минеральных примесей, содержащихся в сточных водах. Принцип действия этих устройств основан на том, что частицы, плотность которых больше, чем плотность воды, по мере движения их в резервуаре выпадают на дно. Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества очищаемых сточных вод, концентрации взвешенных частиц. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Скорость движения воды в горизонтальных песколовках не превышает 0,3 м/с.

Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и дешевым методом выделения из сточных вод грубо диспергированных примесей с плотностью, отличной от плотности воды.

Отстойники предназначаются для осаждения нерастворенных частиц вследствие замедленного движения сточных вод [10].

B зависимости от конструкции отстойники могут быть горизонтальными, вертикальными или радиальными. В горизонтальных отстойниках жидкость движется почти горизонтально вдоль отстойника, в вертикальном — снизу вверх, в радиальных — от центра к периферии.

Горизонтальные отстойники – это железобетонные, прямоугольные в плане бассейны воды. Для выравнивания потоков в бассейнах устанавливают через 3 – 6м вертикальные продольные перегородки. Удаление осадков со дна отстойника гидравлическое (без остановки работы) или механическое (при опорожнении отстойника или отсека).

Вертикальные отстойники — это круглые, квадратные или многоугольные в плане резервуары с конусным или пирамидальным днищем. Вертикальные отстойники обычно имеют производительность от 20 до 50 м3/сут, они используются при глубоком залегании грунтовых вод. Сточная жидкость подводится к рабочей части отстойника по центральной трубе. После выхода из трубы сточная жидкость движется снизу вверх к сливным желобам, по которым поступает в отводной лоток. Во время движения сточной жидкости по отстойнику из нее выпадают взвешенные частицы, плотность которых больше плотности воды.

Радиальные отстойники – круглые в плане бассейны, снабженные устройством для непрерывного удаления выпадающей смеси. Сточная вода подается через центральную трубу в бассейн отстойника и движется с убывающей скоростью к периферии. При этом происходит выпадение осадка. Пройдя отстойник, сточная вода через щелевые отверстия поступает в круговой желоб. Дно бассейна имеет уклон в 5-8° от периферии к центру. Выпавший осадок удаляют скребками, укрепленными к подвижной ферме, в приямок для сбора осадка, расположенный в центральной части отстойника.

Радиальные отстойники являются разновидностью горизонтальных. Их применяют главным образом на крупных станциях очистки сточных вод (более 20 000 м³/сут) в системах биологической обработки. В этом случае их разделяют на первичные и вторичные. Первичные предшествуют сооружениям биологической очистки, а вторичные устанавливаются после таких сооружений.

Недостатками отстойников являются сравнительно низкая эффективность, невысокая скорость удаления частиц, большие габаритные размеры аппаратов, значительный расход материалов (металла, бетона) для их изготовления.

Фильтрование. Процесс применяют для выделения из сточных вод грубо- и мелкодисперсных примесей, не осевших при отстаивании. Фильтрование является обычно завершающей стадией очистки сточных вод, прошедших сооружения механической, физико-химической и биологической очистки.

B зависимости от количества и характера примесей, a также количества очищаемой жидкости и требований к осветленной воде применяют фильтры c фильтровальной перегородкой или зернистой загрузкой.

Для осуществления процесса фильтрования могут быть использованы фильтры любой конструкции. Однако при очистке сточных вод, как правило, в больших объемах выбирают фильтры, для работы которых не требуется применения больших давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры c фильтрующим зернистым слоем. Фильтр последнего типа представляет собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, a затем фильтрующий материал.

Фильтрующий слой аппарата необходимо время от времени промывать от накопившихся загрязнений. Для этого в фильтр снизу подается промывочная вода.

Наличие в очищаемой воде ферромагнитных примесей позволяет использовать для очистки магнитные и электромагнитные фильтры. Для фильтрования эмульгированных веществ применяют фильтры c пенополиуретановой загрузкой.

Недостатками фильтров являются значительная металлоемкость и сложность системы промывки.

Центробежные методы. Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводится в гидроциклонах и центрифугах. Для очистки сточных вод, как правило, используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, a открытые - для удаления осaждaющихся и всплывающих примесей. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность и небольшую стоимость.

Центробежные силы используют также в центрифугах. Мощность силового поля в таких аппаратах превышает мощность поля сил тяжести в сотни, тысячи и даже сотни тысяч раз, что позволяет обеспечить любую степень полноты разделения. B практике центрифугирования применяют два принципиально различных способа разделения неоднородных систем - фильтрование и центробежное осаждение.

Фильтрующие центрифуги служат для разделения сравнительно грубодисперсных систем с кристаллической или аморфной твердой фазой; отстойные и осветляющие – для разделения трудно фильтрующихся суспензий. Для разделения эмульсий используют сепараторы разнообразных конструкций. Для очистки производственных сточных вод наибольшее применение находят комбинированные центрифуги, сочетающие в одном аппарате фильтрацию с последующим осаждением в поле центробежных сил [11,12].

Физико-химические методы

Физико-химические методы очистки заключаются в том, что в очищаемую воду вводят какое-либо вещество — реагент (коагулянт и флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, эти вещества способствуют более полному выделению нерастворенных примесей, коллоидов и части растворенных соединений и тем самым уменьшают их концентрацию в сточной воде; переводят растворимые соединения в нерастворимые или в растворимые, но безвредные; изменяют реакцию сточных вод, в частности нейтрализуют их; обесцвечивают окрашенную воду и пр.

Современные исследования свидетельствуют о возможности обеспечения глубокой очистки сточных вод физико-химическими методами. Освоение такой очистки по стадиям позволяет резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод или заменить биологическую очистку.

Физико-химические методы чаще всего применяют при очистке производственных сточных вод. При этом в зависимости от местных условий тот или иной метод может явиться окончательной стадией (если достигаемая степень очистки достаточна для использования сточных вод повторно) либо предварительной стадией (например, при удалении ядовитых соединений или каких-либо других веществ, препятствующих нормальной работе последующих очистных сооружений) [13].

Флотация

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы – пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Метод флотации используется для очистки сточных вод, загрязненных отходами нефти, продуктами ее переработки, жирами, маслами, смолами, латексами, продуктами органического синтеза, поверхностно-активными веществами, красителями [14].

Флотационный метод очистки обеспечивает, помимо удаления механических примесей, загрязнений (растворенных и коллоидных), также снижение значений БПК и ХПК, удаление летучих компонентов растворение в воде кислорода воздуха. Эффективность процесса флотации колеблется в довольно широких пределах: от 20 до 99%. Наиболее часто флотационный метод очистки применяют в локальных сооружениях для удаления основной массы загрязнений. Флотационный процесс протекает в 4—6 раз быстрее отстаивания при одинаковом эффекте удаления загрязнении.

Извлечение диспергированных, коллоидных или растворенных примесей воды происходит в результате их прилипания (или адсорбции) к пузырькам газа, образующимся в жидкости, или введенным в нее. Агрегаты пузырьков воздуха с примесями всплывают на поверхность, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной жидкости.

При очистке сточных вод могут быть использованы методы пенного фракционирования, макро- и микрофлотации, осадительной флотации, молекулярной флотации и адсорбционной коллоидной флотации.

Физико-химические основы пенной флотации. Основную роль в процессе флотации диспергированных примесей играют поверхностные силы, ван-дер-ваальсовские силы притяжения, электрические силы, возникающие при перекрытии двойных электрических слоев, образующихся вокруг частички в водном растворе, и силы гидратации любых гидрофильных групп на поверхности частички [15].

Действия этих трех сил определяют смачиваемость или несмачиваемость частицы водой. Прилипание частицы к газовому пузырьку тем сильнее, чем хуже ее смачивание водой. Мерой смачиваемости твердого тела жидкостью является краевой угол смачивания, измеряемый обычно со стороны воды.

Смачиваемость твердой частицы водой, как известно, определяется степенью ее гидрофобности. Чем более гидрофобно вещество, тем меньше его смачиваемость и лучше флотируемость. Изменение смачиваемости флотируемых частиц достигается адсорбцией на их поверхности поверхностно-активных веществ, в результате которой полярные группы ПАВ прикрепляются к частице, а гидрофобные цепи обращаются в объем раствора. Таким образом, при введении небольших количеств поверхностно-активных веществ флотируемость увеличивается до тех пор, пока их концентрация не вызовет заметное понижение величины поверхностного натяжения водной среды, из которой происходит флотация. По воздействию на процесс флотации ПАВ обычно разделяют на две категории:

· коллекторы;

· пенообразователи.

Коллекторы, в основном, изменяют смачиваемость частиц, а пенообразователи адсорбируются, как правило, на границе водная среда — газ и стабилизируют пленку, образующуюся между приближающимися друг к другу пузырьками, препятствуя их коалесценции. Избыток пенообразователя всегда несколько понижает поверхностное натяжение и,

следовательно, вероятность акта прилипания частицы к пузырьку.

Процесс флотации можно рассматривать как трехстадийный:

1) постепенное сближение минеральной частицы с пузырьком воздуха, в то время как на частице формируется смачивающая пленка;

2) утоньшение смачивающей пленки до тех пор, пока не будет достигнуто нестабильное состояние;

3) разрушение смачивающей пленки и образование краевого угла, обеспечивающего сильную адгезию частицы на поверхности воздушного пузырька.

Эффект флотации высокодисперсных частиц, размеры которых близки коллоидным, в значительной мере зависит от электростатического взаимодействия двойных электрических слоев частиц и пузырьков. Чаще всего снижение электрокинетического потенциала частиц приводит к уменьшению энергетического барьера и улучшению их флотируемости.

Существенное влияние на эффективность флотации оказывает соотношение размеров частицы и газового пузырька, которое определяет эффективность их столкновения и последующего притяжения. Для каждого размера пузырька существует критический размер частицы. Столкновение частиц меньшего размера с пузырьком не происходит. Например, наименьший размер частиц галенита, которые могут соприкоснуться с пузырьком воздуха диаметром 1,5х10⁶ нм, составляет 30х10³ нм. Очень мелкие частицы движутся точно по линиям тока жидкости, обтекающей всплывающий пузырек. Поэтому столкновение частицы с пузырьком может произойти только тогда, когда частица проходит вблизи пузырька на расстоянии одного радиуса частицы. В общем случае извлечение очень мелких частиц флотацией можно улучшить, повышая дисперсность пузырьков – воздуха [16].

В первом приближении скорость флотации прямо пропорциональна частоте генерации пузырьков и не зависит от их диаметра в широком интервале размеров частиц. При данной скорости продувания воздуха необходимо добиваться минимального размера пузырьков, чтобы частота их генерации была максимальной [17].

В оптимальных условиях обеспечивается 98 - 100 % очистка от ионов тяжелых металлов. Простота эксплуатации, отсутствие вторичного загрязнения, незначительный расход реагентов – достоинства этого метода.

1.2.2. Коагуляция

Метод заключается в том, что к сточной воде добавляют реагенты (коагулянты), способствующие быстрому выделению из нее мелких взвешенных и эмульгированных ве­ществ, которые при простом отстаивании не осаждаются. Реа­гент добавляют обычно до поступления сточной воды в от­стойники. Взвеси вместе c коагулянтом осаждаются в отстойных бассейнах.

Для повышения эффективности очистки сточных вод от коллоидных загрязнений используют минеральные коагулянты, представляющие гидролизующиеся соли металлов [18].

Ниже в таблице приведены наиболее часто используемые коагулянты (табл. 1.2.1.)

Таблица 1.2.1.

Коагулянты, используемые при очистке сточных вод

Название	Химическая формула
Сульфат алюминия Алюминат натрия Полигидроксохлорид алюминия Алюмокалиевые квасцы Аммиачные квасцы Сульфат железа (II)   Сульфат железа (III) Хлорид железа (III)	Al2(SO4)3∙ 18 H2O NaAlO2 Al2(OH)nCl(6-n)   KAl(SO4)2∙12H2O NH4Al(SO4)2∙12H2O FeSO4∙3H2O FeSO4∙7H2O Fe2(SO4)3∙2H2O FeCl3

 

Наиболее широкое применение в качестве коагулянта получил сульфат алюминия. При коагулировании сульфат алюминия взаимодействует с гидрокарбонатами, имеющимися в воде, образуя малорастворимое основание. Также успешно применяют гидроксохлорид алюминия, для которого требуется меньший щелочной резерв воды.

Так как железо обладает переходной валентностью, соли железа могут применяться не только для коагулирования, но и для проведения реакций окисления-восстановления с последующей седиментацией.

Упрощенная схема гидролиза коагулянта может быть представлена следующими стадиями:

Меⁿ⁺ + H₂O ↔ Me(OH)^(n-1)+ + H⁺

Me(OH)^(n-1)+ + H₂O ↔ Me(OH)₂ ^(n-2)+ + H⁺

Me(OH)₂ ^(n-2)+ + H₂O ↔ Me(OH)₃ ^(n-3)+ + H⁺

Меⁿ⁺ + nH₂O ↔ Me(OH)_n + nH⁺

Физико-химические основы процесса коагуляции. В технике водоочистки в качестве коагулянтов наиболее широко применяют сульфат алюминия, сульфат и хлориды железа, алюминиевые квасцы и смесь хлорида и сульфата железа. В редких случаях используют соли магния, цинка и титана.

Гидролиз солей металлов. В большинстве случаев коагулянты представляют собой соли слабых оснований и сильных кислот. При растворении их в воде происходит гидролиз, и образуются малорастворимые основания — гидроксиды алюминия или железа. При этом в результате смещения равновесия диссоциации в воде накапливаются ионы водорода и в растворе появляется кислота. Растворимость гидроксидов алюминия и железа чрезвычайно мала. Они выделяются из раствора, образуя сначала коллоидные частицы (разбавленные золи гидроксидов), которые под влиянием электролитов, растворенных в воде, коагулируют и выпадают вместе с коллоидами, загрязняющими воду, в осадок. Этот осадок содержит связанную воду, а также несколько слоев молекул «неструктурной» воды, адсорбционно связанной с поверхностью осадка силами различной прочности [19].

Скорость гидролиза солей металлов пропорциональна концентрации катионов металла. Поскольку концентрация вводимого в воду коагулянта обычно неве