Характеристика природных вод

Гидросфера, являясь важнейшим элементом биосферы, играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. Вода широко используется человеком для его практической деятельности в промышленности, сельском и городском хозяйстве. Она применяется как сырье и хладоагент, как источник энергии, для орошения полей, садов и огородов, для создания комфорта в городах и поселках, а водные магистрали – для транспортировки грузов и людей.

С давних пор человек внимательно изучает свойства воды. В 1974 г. по решению ЮНЕСКО отмечалось 300-летие науки о воде – гидрологии. Вода всегда привлекала внимание не только тех, кто искал пути ее использования для практики, но и служила предметом вдохновения писателей, поэтов, художников.

Распространение воды в природе. Объем гидросферы – 1389 млн. куб. км. Она занимает примерно 3/4 поверхности земного шара – 449,53 млн. кв. км (суша – 165,34 млн. кв. км). Из общего количества воды 1350 млн. куб. км, или свыше 97,2% – океанская вода. Баланс других источников (в куб. км) воды приведен ниже:

Полярные льды и ледники		29х109
Грунтовые воды
	до глубины в 750 м	4,2х106
	на глубине 750–4000 м	5,3х106
	вода в озерах	120х103
	вода в реках	12х103
	влага в почве	24х103
	влага в атмосфере	13х103
Всего		39х106

Значительное количество воды, порядка (10–11) х103 куб. км является составной частью живых организмов, обитающих на земле. Организм человека примерно на 70% состоит из воды. Ежедневно человек поглощает 2 л воды.

Вода в природе находится в круговороте. Под действием тепла, излучаемого солнцем, она испаряется с поверхности мирового океана, морей, рек и озер и затем осаждается на поверхность водных бассейнов и суши.

Объем воды, испаряемой с поверхности океанов, превышает объем, осадков примерно на 35–46 тыс. куб. км в год.

В настоящее время человек использует для своих нужд примерно 3000 куб. км стоков в год, в том числе для промышленный целей 600 куб. км.

В нашей стране разрабатываются генеральные, бассейновые и территориальные схемы комплексного использования и охраны вод. На базе этих разработок осуществляются меры по регулированию стоков с помощью регулируемых водохранилищ. Создание таких водохранилищ позволяет обеспечить более организованную подачу воды на гидроэлектростанции и в оросительные системы.

Комплексные планы организации водного хозяйства позволяют осуществлять меры, направленные к экономному расходованию воды и к прекращению сброса неочищенных сточных вод. Этому способствует совершенствование технологии производственных – применение безводных технологических процессов, воздушного охлаждения, оборотного водоснабжения и других технических приемов).

В связи с ростом народонаселения количество воды, приходящейся на одного жителя земли, постепенно уменьшается.

В настоящее время на человека в сутки приходится в среднем 33 м3 воды из природных источников. В отдельных странах, этот показатель различается очень сильно: в Норвегии – 250, в Бразилии – 100, в США – 34 (без Аляски -20), в Румынии и Венгрии-11, в Китае и Индии – 9, в Польше, в Германии – 4,5, Египте – 3,5.

Потребление воды. Потребление воды промышленностью определяется цифрой, примерно равной 25–35%, населением городов и поселков – 5–6% от общего расхода. Основная масса воды расходуется в сельском хозяйстве, в растениеводстве. Растения используют влагу для формирования новых растительных элементов в процессе фотосинтеза и для процесса транспирации – испарения влаги, поступающей в растение через корневую систему.

Этот процесс связан с большим расходом воды, например выращивание 1 т зерна пшеницы требует 500 т воды. Процесс транспирации требует и большого расхода энергии, для его осуществления используется примерно 40% поглощаемой растением солнечной энергии.

Многообразное применение воды для различных практических целей объясняется ее исключительными химическими, физическими и биологическими свойствами.

Свойства воды. Формула воды – Н2О – была предложена в 1805 г. А. Гумбольдтом и Ж. Гей-Люссаком. В связи с тем, что водород имеет 3 изотопа, а кислород 5 – может существовать 36 видов изотопной воды. Так как в молекуле воды имеется асимметричное распределение электронных зарядов, она является диполем с высоким дипольным моментом, равным 1,87 дебая. Вода обладает высокой диэлектрической постоянной (80,1 при 20 °С). Благодаря этому свойству она является универсальным растворителем.

Твердая вода (лед) – кристаллическое вещество. Жидкая вода – по мнению ряда ученых, имеет квази-кристаллическую структуру, она состоит из ассоциированных молекул, образуемых за счет водородной связи. В шутку про воду говорят, что она – «жидкость, сохраняющая воспоминание о пребывании в состоянии льда». Свойства воды могут меняться, в частности в результате ее намагничивания.

Характеристика природных вод. В природе чистой воды не встречается. В 1 л пресной воды, как правило, содержится около 1 г солей. В морской воде их значительно больше: в водах Балтийского моря – 5 г/л, Черного моря-18 г./л, в океане – 35 г./л и водах Красного моря-41 г./л. Пресные и морские воды различаются не только по суммарному содержанию солей, но и по составу – соотношению в них главных групп солей (состав в%):

Вид воды	Хлориды	Сульфаты	Карбонаты
Океанская вода Пресная вода	89 7	10 13	1 20

Средняя температура мирового океана 17,5 °С. Температура в океане постепенно понижается от уровня моря до глубины 1500–2000 м (до 2–4 °С), у дна океана она равна. 1,5–2 °С. В пресноводных озерах и водохранилищах имеется три слоя воды: теплый верхний – эпилимнион (в нем совершается фотосинтез) – до глубины 7–15 м, средний – метамнион (с резко падающей температурой) – толщиной 2–4 м и нижний – придонный слой (температура около 4 °С).

Речные воды делятся на маломинерализованные (до 200 мг/л соли), среднеминерализованные (200–500 мг/л), повышенной минерализации (свыше 1000 мг/л). Наряду с солями вода, как правило, содержит некоторое количество сложных природных органических соединений – гумусовых веществ. Содержание этих примесей в речных водах 5–10 мг/л, в озерных – до 150 мг/л.

В водах наблюдается значительное содержание твердых взвесей, коллоидных веществ и примесей биологического характера (микроорганизмов, водорослей и др.). Поскольку вода растворяет многие газы – в ней содержится кислород, азот (примерно в 2,5 раза больше, чем кислорода), двуокись углерода и др. Присутствие в воде кислорода обеспечивает жизнедеятельность ее флоры и фауны. Содержание растворенного кислорода в воде определяется ее температурой и реакциями, протекающими в водной среде: фотосинтеза (содержание кислорода увеличивается) и окисления органических соединений – химического и микробиологического (содержание кислорода уменьшается).

Если вода сильно загрязнена органическими соединениями, микробиологические процессы (аэробные) могут понизить содержание кислорода в воде до такого уровня, что возникнет угроза для жизни рыб (рыба не может жить в воде, если в ней кислорода меньше 4 см3/м3). На 1 г сухого органического вещества в среднем расходуется 1,5 г кислорода.

В зависимости от состава вод меняется значение рН; для рек и озер оно колеблется в пределах 5,0–8,5.

Сточные воды. В связи с индустриализацией, развитием сельского хозяйства, хозяйства городов образуются большие массы стоков, загрязненных различными примесями. В первую очередь это отходы предприятий нефтеперерабатывающей, металлургической, нефтехимической и химической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности. За последние годы увеличился объем загрязнений, поступающих в воды из сельского хозяйства – отходы животноводства, птицеводства, предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, удобрения и пестициды.

Загрязнение водных источников различными вредными веществами наносит большой вред рекам, озерам, морям и Мировому океану. В результате избытка фосфорных и азотных соединений в природных водах создаются условия для буйного роста некоторых подводных растений, в частности микероводорослей – диатомовых, зеленых, сине-зеленых. Отмирающие части растений и другие органические загрязнения, попадая на дно водоемов, разлагаются под действием бактерий (анаэробные микробиологические процессы), что приводит к уменьшению или полному удалению кислорода. При этом образуются метаны, сероводород и другие соединения. В результате в воде создается «мертвая зона». В ряде стран для предупреждения образования «мертвой зоны», проводят аэрацию водоемов при помощи компрессорных установок, подающих воздух или кислород. Для подачи в воду через аэраторы 1 кг кислорода требуется 1,1 кВт-ч электроэнергии.

Потребляемая промышленностью вода в значительной степени используется как хладагент, сбрасываемого после в водоемы. По химическому составу она немногим отличается от исходной воды и сброс ее в водоемы не приносит особого вреда. Другое дело – вода, участвующая в технологических процессах. Она насыщается множеством различных соединений, и сброс ее в природные водоемы приводит к серьезным последствиям – загрязнению рек и озер, морей, и океана ядовитыми веществами.

Состав сточных вод зависит от характера использования воды в промышленности. К наиболее вредным следует отнести стоки, возникающие при проведении химических процессов (реакционные и маточные растворы), промывные воды, образующиеся при промывке продуктов и изделий, очистке газовых систем и т.п., стоки, поступающие с горнодобывающих предприятий, образующиеся при удалении золы, собираемые с нефтеналивных судов и цистерн, ливневые потоки и др.

Многие сточные воды (особенно тепловых электростанций) сбрасываются в водоемы при повышенной температуре. В результате этого происходит тепловое загрязнение водоемов. В местах выхода теплых потоков в водоемы создаются зоны, в которых температура выше, чем во всем водоеме: на 8–12 °С зимой и до 30 °С летом. Это приводит к повышенному накоплению органических веществ в воде, что оказывает отрицательное влияние на биологическую жизнь водоемов.

В связи с тем, что в ряде случаев в природные водоемы сбрасываются неочищенные или плохо очищенные стоки, в них скапливается большое число и большая масса различных химических веществ. Так, в реке Рейн обнаружено около 60 тысяч различных соединений. К ним ежегодно добавляются 150–200 новых соединений. Так как при взаимодействии сбрасываемых соединений могут возникать новые соединения, число соединений в водоемах может непрерывно увеличиваться, в том числе соединений с ядовитыми свойствами, бурным запахом, окраской и т.д.

Практически во всех водоемах, не исключая океана, находятся следы нефтепродуктов, что может привести к пагубным последствиям для рыбного хозяйства, поскольку 1 кг нефти может загрязнить 1 Га поверхности воды и погубить 100 млн. личинок рыб.

Многообразие веществ, попадающих в водоемы, объясняется тем, что в них смешиваются сточные воды трех классов предприятий неорганического, органического и микробиологического профиля. Среди предприятий неорганического профиля следует назвать заводы основной химической промышленности, цветной и черной металлургии, горнохимические и горнообогатительные комбинаты, предприятия промышленности строительных материалов и др.

Источниками – органических веществ, поступающих в стоки, являются предприятия нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, заводы органического и нефтехимического синтеза, полимеров и эластомеров, красителей, пигментов, лаков и красок, фармацевтических веществ, комбинаты лесохимии, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности и др. Многие стоки наряду с химическими содержат и биологические объекты. Это стоки пищевых предприятий, медико-биологической и микробиологической промышленности. Большая масса биологических веществ содержится в стоках, сбрасываемых сельским хозяйством.

Таблица 2. Классификация примесей воды

Показатели	Примеси
	гетерогенные		гомогенные
Группа Размер частиц, см Характеристика системы Влияние примесей на систему	1 10-1 – 10-3 Взвеси (суспензии, эмульсии, патогенные микроорганизмы и планктон) Вызывают помутнение воды	2 10-5 – 10-6 Коллоидные частицы (коллоиды, высокомолекулярные соединения) Обусловливают окисляемость и цветность воды	3 10-7 Молекулярные растворы (растворенные в воде газы и органические вещества) Придают воде запахи и привкусы	4 10-8 Ионные растворы-электролиты (соли, кислота, основания) Обуславливают минерализацию воды

Академик АН УССР Л.А. Кульский предложил классификацию примесей, отражающую все их многообразие в сточных водах (табл. 2).

Эта классификация помогает проектировать и создавать очистные установки применительно к составу сточных вод. Такие установки создаются либо на локальном уровне (в цехе), либо в заводском или даже районном масштабе, когда обработка различных сточных вод ведется на крупной очистной станции.

2. Фильтрование суспендированных веществ

Для проведения процесса фильтрования могут быть использованы фильтры любой конструкции. Однако при очистке сточных вод, как правило, приходится иметь дело с большими объемами воды, поэтому выбирают фильтры, для работы которых не требуется применения больших давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем. Фильтр с зернистой перегородкой представляет собой резервуар, в нижней части которого, имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал. Производительность фильтра определяется скоростью фильтрования, т.е. объемом воды, прошедшим в единицу времени через единицу поверхности u м3/(м2Чс). Скорость фильтрования зависит от вида и крупности зерен материала, от природы и концентрации фильтрующих веществ.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности фильтрующего зернистого слоя, называемого загрузкой; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим, материалом. Такой процесс характерен для так называемых медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала силами прилипания. Такой процесс характерен для скоростных фильтров.

При фильтровании сточной воды через слой зернистого материала протекает одновременно два процесса: 1) прилипание частиц к поверхности фильтрующего материала; 2) отрыв ранее прилипших частиц. Задержка частиц поверхностью зерен или ранее осажденными частицами происходит под действием молекулярных сил, сил химического сродства и адсорбции.

Прилипшие частицы постоянно испытывают влияние движущегося потока, который в результате трения срывает их с поверхности фильтрующего материала. При равенстве числа частиц, поступающих в единицу времени на поверхность фильтрующего слоя и покидающих ее, наступает насыщение поверхности и она перестает осветлять сточные воды. Величина сил прилипания зависит от крупности и формы зерен, их химического состава, от шероховатости поверхности, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

Фильтры с зернистым слоем подразделяются на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1–2 м, в закрытых 0,5–1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используются для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или керамические резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц. При содержании взвешенных примесей в сточных водах до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2–0,3 м/ч; при 25–50 мг/л – 0,1 – 0,2 м/ч. Достоинством таких фильтров является высокая степень очистки. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из однородного материала, у многослойных – из различных материалов.

Сточная вода в фильтр подается через систему 3 (внутрь фильтра), проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку, подавая через систему 4 промывные воды, которые движутся снизу вверх. Промывная вода вместе с удаляемыми примесями отводится через систему 2.

Дренажное устройство выполняется из пористобетонных сборных плит. На нем размещается фильтрующий материал в 2–4 слоя одинакового или разного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки 1,5–2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12–20 м/ч.

В многослойных скорых фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов, например из слоев антрацита и песка. Верхние слои состоят из зерен большего размера, чем зерна нижних слоев. Конструкция их аналогична конструкции однослойных фильтров, но они отличаются более высокой производительностью и большей продолжительностью фильтрования. Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтруемых вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, ведут очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть проведена водовоздушная промывка, при которой сначала зернистой слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18–22 л/(м2Чс), а воды – от 6 до 7 л/см2. Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, затем обрабатывают смесью воздух – вода и, наконец, промывают водой. Продолжительность промывки 5- 7 мин.

Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через слой сеток с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют размер ячеек от 0,3х0,3 до 0,5х0,5 мм. Микрофильтры (рис. 15) применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов.

Сточная вода поступает внутрь барабана и проходит через отверстия в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и при промывке с промывной водой поступает в лоток. Барабан вращается с частотой 6–20 мин-1. Скорость фильтрации у микрофильтров равна 25–45 м3/(м2Чч). При концентрации взвешенных частиц 15–20 мг/л эффективность очистки составляет 50–60%. Эффект очистки зависит от состава и свойств сточных вод, размера ячеек сеток и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.)

Магнитные фильтры применяются для удаления из жидкостей мелких ферромагнитных частиц (размером 0,5–5 мкм). Они могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом. При прохождении ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы намагничиваются и образуют агломераты. Направление потока должно совпадать с направлением магнитного поля. Широкое распространение нашли магнитные сепараторы, которые имеют эффективность очистки 80–90% при производительности до 60 м3/ч.

3. Флотация с выделением воздуха в растворе

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс называют «пенной сепарацией» или «пенным концентрированием». Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Она используется также для выделения активного ила после биохимической очистки.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость, процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90–95%), высокая степень очистки (95–98%), возможность рекуперации удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ и легкоокисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки сточных вод.

Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс пузырек-частица подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

Вероятность прилипания зависит от смачиваемости частицы, которая характеризуется величиной краевого угла Q (рис. 4). Чем больше краевой угол смачивания, тем больше вероятность прилипания и прочность удержания пузырька на поверхности частицы. Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при возникновении пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачиваемости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и присутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др.

Поверхностно-активные вещества – реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют: масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитиокарбонаты, дитиокарбонаты, алкилсульфаты, амины и др. Повышение гидрофобности частиц можно достичь и сорбцией молекул растворенных газов на их поверхности.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. По некоторым данным оптимальный размер пузырьков равен 15–30 мкм. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками, или большое газосодержание. Удельный расход воздуха снижается с повышением концентрации примесей, так как увеличивается вероятность столкновения и прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков в процессе флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые уменьшают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят: сосновое масло, крезол, фенолы, алкилсульфат натрия и др. Некоторые из этих веществ обладают собирательными и пенообразующими свойствами.

Вес частиц не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъемной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от плотности материала и равен 0,2–1,5 мм.

Флотация может быть использована при сочетании с флокуляцией. Этот процесс называют иногда флоктацией. При проведении флотации хлопьев после коагулирования необходимо учитывать, что вероятность прилипания пузырьков газа к свежеобразованным хлопьям выше, чем к хлопьям, имеющим «возраст» несколько часов. Вероятность образования комплекса пузырек-частица может быть определена по формуле

где n – число пузырьков радиуса R в объеме V жидкости; r – радиус частицы; – объемная концентрация газовой фазы.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы, электрофлотацию и химическую флотацию.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяется для очистки сточных вод, которые содержат очень мелкие частицы загрязнений. Сущность способа заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. При уменьшении давления из раствора выделяются пузырьки воздуха, которые флотируют загрязнения. В зависимости от способа создания пересыщенного раствора воздуха в воде различают вакуумную, наборную и эрлифтную флотацию.

При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 29,9–39,9 кПа (225–300 мм. рт. ст.). Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 мин.

Достоинствами этого способа являются: образование пузырьков газа и их слипание с частицами происходит в спокойной среде (вероятность разрушения агрегатов пузырек-частица сведена к минимуму); затрата энергии на процесс минимальна. Недостатки: незначительная степень насыщения стоков пузырьками газа, поэтому этот способ нельзя применять при высокой концентрации взвещенных частиц (не более 250–300 мг/л); необходимость сооружать герметически закрытые флотаторы и размещать в них скребковые механизмы.

Напорные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4–5 г./л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты.

Принципиальная схема напорной флотации показана на рис. 6. Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравнению с нефтеловушками в 5–10 раз меньшее остаточное содержание загрязнений и имеют в 5–10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии: 1) насыщение воды воздухом под давлением; 2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением.

Сточная вода поступает в приемный резервуар, откуда перекачивается насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образующаяся водно-воздушная смесь направляется в напорную емкость где при повышенном течении (0,15–0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушного раствора во флотатор, который работает при атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Пена с твердыми частицами удаляется с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода удаляется из нижней части флотатора. При использовании коагулянтов хлопкообразования происходит в напорной емкости.

В данной схеме вся сточная вода, поступающая на флотацию, насыщается воздухом. Имеются и другие схемы (рис. 7). В схемах с рециркуляцией (а) и насыщением части потока – частичной подачей воды насосом (б) через напорную емкость подается лишь часть неочищенной сточной воды. Такие схемы рекомендуется использовать, если проводится предварительная коагуляция сточных вод с целью предотвращения или уменьшения разрушения хлопьев коагулянтов в насосе.

Схема с рабочей жидкостью (в) используется при большой концентрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по схеме, представленной на рис. 6, малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют природную или очищенную сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого всплывания их. Недостаток схемы – большой расход энергии на перекачивание рабочей жидкости.

Напорные флотационные установки имеют производительность от 5–10 до 1000–2000 м3/ч. Они работают при изменении параметров в следующих пределах: давление в напорной емкости 0,17 – 0,39 МПа; время пребывания в напорной емкости 14 мин, а во флотационной камере 10–20 мин. Объем засасываемого воздуха составляет 1,5–5% от объема очищаемой воды. Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений.

В случае необходимости одновременного проведения процесса флотации и окисления загрязнений необходимо насыщать воду воздухом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения процесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инертные газы.

Сточная вода подается внутрь камеры, где выделяются пузырьки газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы. Пенный слой с твердыми частицами поверхностным скребком удаляется в шлакоприемник. Осветленная вода удаляется из камеры. Твердые частицы, оседающие под действием гравитационной силы на дно камеры, сдвигаются и удаляются через трубопровод.

Применяются и другие цилиндрические флотаторы, которые имеют разный диаметр, а, следовательно, и разную производительность. Они отличаются конструкцией ввода и вывода сточной воды и пены. Например, флотатор производительностью 600 м3/ч имеет диаметр 12 м. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией очищенной воды представлена на рис. 9. В этой установке загрязненная сточная вода сначала поступает в гидроциклон, где удаляется часть взвешенных частиц. Затем она направляется в первую камеру, где смешивается с циркуляционной водой, насыщенным воздухом. Воздух выделяется в камере и флотирует загрязнение. Далее сточная вода поступает во вторую, а затем в третью камеры очищенная вода удаляется из установки. Часть воды, которая циркулирует, подается насосом в напорную емкость, где растворяется воздух. Удаление пены производится пеносъемниками.

Эрлифтные установки. Такие установки применяют для очистки сточных вод в химической промышленности. Они просты по устройству, и затраты энергии на проведение процесса в них в 2–4 раза меньше, чем в напорных установках. Недостаток этих установок – необходимость размещения флотационных камер на большой высоте.

Сточная вода из емкости, находящейся на высоте 20–30 м, поступает в аэратор. Туда же подается сжатый воздух, который растворяется под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе. Образующаяся пена с частицами удаляются самотеком или скребком. Осветленная вода направляется на дальнейшую очистку.

Литература

Лекции В.В. Макарова, электронный вариант

Канализация. Наружные сети и сооружения. СниП2.04.03–85

Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. - М.:Высшая Школа-1987. – 479 с.