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, простое аппаратурное оформление, селективность выделения примесей, большая скорость процесса разделения, 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 поднимающегося 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» поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются, и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

· с выделением воздуха из растворов;

· с механическим диспергированием воздуха;

· с подачей воздуха через пористые материалы;

· электрофлотацию;

· 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, напорную 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. Выделяющиеся в камере мельчайшие пузырьки выносят часть загрязнений. Процесс флотации длится около 20 мин.

Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4…5 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты. Процесс осуществляется в две стадии:

1) насыщение воды воздухом под давлением;

2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением.

Напорные установки имеют большее распространение, чем вакуумные. Они просты и надежны в эксплуатации. Сточная вода в напорной установке поступает в приемный резервуар (рис. 4.13), откуда перекачивается насосом, во всасывающий трубопровод которого засасывается воздух. Образующаяся водно-воздушная смесь направляется в напорную емкость 3, где при повышенном давлении (0,15…0,4 МПа) воздух растворяется в воде.

При поступлении водно-воздушного раствора во флотатор 5, который работает при атмосферном давлении, воздух выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Из-за равновеликих пузырьков всплывание пузырьков происходит равномерно, и обеспечивается высокая эффективность разделения примесей. Пена с твердыми или эмульгированными частицами удаляется с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода удаляется из нижней части флотатора. При использовании коагулянтов хлопьеобразование происходит в напорной емкости 3.

Эрлифтные установки (рис. 4.14) 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 1 (рис. 4.14), находящейся на высоте 20…30 м, поступает в аэратор 3. Туда же подается сжатый воздух, который растворяется под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному трубопроводу 4, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется во флотаторе 5. Образующаяся пена с частицами удаляются самотеком или скребком. Осветленная вода направляется на дальнейшую очистку.

Флотация с механическим диспергированием воздуха

Механическое диспергирование воздуха во флотационных машинах осуществляется турбинками насосного типа – импеллерами. Импеллер представляет собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. Такие установки широко используют при обогащении полезных ископаемых. В последнее время их стали применять и для очистки сточных вод с высоким содержанием взвешенных частиц (более 2 г/л). При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенных размеров. Степень измельчения и эффективность очистки зависят от скорости вращения импеллера. Чем больше скорость, тем меньше пузырек и тем больше эффективность процесса. Однако при высоких окружных скоростях резко возрастает турбулентность потока, и может произойти разрушение хлопьевидных частиц, что приведет к снижению эффективности процесса очистки.

Пневматические флотационные установки применяются для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси, агрессивные по отношению к механизмам (насосам, импеллерам),имеющим движущиеся части.

Измельчение пузырьков воздуха достигается при пропускании его через специальные сопла на воздухораспределительных трубках. Обычно диаметр отверстий сопел равен 1,0…1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3…0,6 МПа. Скорость выхода струи воздуха из сопел 100…200 м/с. Продолжительность флотации в каждом случае устанавливается экспериментально. Обычно она равна 15…20 мин.

Флотация при помощи пористых пластин

При пропускании воздуха через пористые керамические трубы, пластины или колпачки получаются мелкие пузырьки (рис. 4.15).

Химическая флотация

При введении в сточную воду некоторых веществ для ее обработки могут протекать химические процессы с выделением газов: О₂, СО₂, Сl₂ и др. Пузырьки этих газов при определенных условиях могут прилипать к нерастворимым взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введением коагулянтов. Сточные воды поступают в камеру реакции. Туда же подаются реагенты. Во избежание дегазации время пребывания сточной воды в камере должно быть минимальным. После насыщения газом вода поступает во флотационную камеру. Недостаток метода – большой расход реагентов.

Этот способ флотации по сравнению с другими имеет следующие преимущества: простую конструкцию флотационной камеры; меньшие затраты энергии (отсутствуют насосы, импеллеры).

Биологическая флотация

Этот метод применяется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогревается паром в специальной емкости до 35…56 °С и при этих условиях выдерживается несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются. Таким путем за 5…6 суток влажность осадка можно понизить до 80 % и тем самым упростить дальнейшую обработку осадков. Разрабатываются методы флотационного уплотнения активного ила.

Ионная флотация

Это процесс извлечения ионов из растворов методом флотации. Процесс ведут следующим образом: в сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собиратель (поверхностно-активные вещества). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противоположный заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пена удаляется из флотационной камеры и разрушается; из нее извлекаются сконцентрированные ионы удаляемого вещества.

Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод металлов (Mo, W, V, Pt, Ce, Re и др.). Процесс эффективен при низких концентрациях извлекаемых ионов – 1∙(10^-3…10^-2) г-ион/л.