Расчет электрокоагулятора

 

 

       1.3 Напорная флотация.

 

 

         Напорная флотация - это метод очистки воды выполняемый в две стадии: 

1.Напорное насыщение воды воздухом  под давлением; 

2.Получение пузырьков воздуха  требуемого размера и поднятия  взвешенных веществ и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. 

       Если флотация проводится без добавления реагентов, то её можно отнести к физическому способу очистки  воды. Использование коагулянтов и флокулянтов способствует улучшению качества очистки воды, но при этом образуется большее количества шлама, нуждающегося в дальнейшем обезвоживании.

       Современные системы флотации подразделяются на три основные группы:

– с насыщением всего потока воздухом;

– с насыщением части потока воздухом;

– с насыщением основного потока исходной водовоздушной смесью.

       Первая система является наиболее простой. Насыщаемая под давлением  вода поступает в напорную емкость, в которой и растворяется воздух. Воздух подается во флотируемую воду при помощи эжектора. Процесс растворения воздуха(флотация) в воде происходит в напорных резервуарах. При использовании в процессе флотации коагулянтов и флокулянтов напорные резервуары служат также для процессов образования хлопьев. Время пребывания воды в напорном резервуаре обычно составляет несколько минут.

       Дальнейшее движение пузырьков воздуха происходит во флотационной камере. Здесь пузырьки агрегируются с частицами. Как правило в современной промышленности используются флотаторы двух типов в зависимости от формы : прямоугольный и круглый[3, 16].

 

 

 

 

 

 

 

       1.4 Коагуляция воды. 

 

       Коагулирование примесей воды - процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их слипания. Коагулирование (коагуляция) завершается образованием видимых невооруженным глазом хлопьев и выпадением их в осадок при отстаивании. В результате коагуляции вода становится прозрачнее, обесцвечивается.

       Чаще всего природная вода имеет примеси в виде глины и гумусовых или гуминовых веществ - продуктов распада растений. Эти частицы при столкновении друг с другом или с частицами контактной массы обычно взаимно отталкиваются, так как обладают агрегативной устойчивостью (АУ). АУ большинства примесей воды обусловлена электростатическими силами отталкивания, т.е. электрическим зарядом за счет наличия вокруг частиц двойного электронного слоя, состоящего из противоположно заряженных ионов. Непосредственно на поверхности частиц расположен адсорбционный слой из отрицательно заряженных ионов, а вокруг находится диффузный слой из положительно заряженных ионов H⁺, Na⁺, K⁺.

       Примеси в природных водах по своей химической природе являются амфолитами, т.е. веществами, обладающими амфотерными свойствами. Для каждого амфотерного вещества существует значение рН среды (рН изоэлектрической точки - рН ИТ), при котором заряд частицы равен нулю. Чем больше разница между рН среды и рН ИТ амфолита, тем больше величина заряда и соответственно агрегативная устойивость. Например, для глины рН ИТ равен 5, гуминовых веществ - 3,5-4,5, а большинство природных вод имеют рН 6,5-7,5. В этих условиях примеси воды обладают отрицательным зарядом и имеют высокую агрегативную устойчивость.[2]

       Для обеспечения коагуляции необходимо нарушить АУ, т.е. свести заряд частицы до минимума. Известно, что частицы гумуса и глины способны к обменной адсорбции катионов диффузного слоя на 2-х и 3-х валентные катионы.   При поглощении амфолитами из воды катионов Ca²⁺, Mg²⁺ их устойчивость понижается. В еще большей степени их устойчивость снижается при адсорбции катионов Al³⁺ и Fe³⁺. Поэтому в практике коммунального водоснабжения для снижения агрегативной устойчивости соединений воды применяются коагулянты, содержащие, в основном, 3-х валентные катионы: сернокислый глинозем, железный купорос, хлорное железо и высокомолекулярные флокулянты (ВА-2, полиакриламид).

  Наиболее часто приоритет отдается сернокислому алюминию (Al₂(SO₄)₃•18H₂O), сернокислому (FeSO₂•7H₂O) и хлорному (FeCl₃•6H₂O) железу.

При растворении указанных реагентов  в воде происходит их гидролиз с  образованием труднорастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры, на которой сорбируются коллоидные частицы и грубые взвеси, оседающие на дно и осветляющие воду[8].

  Химические реакции взаимодействия коагулянтов с водой выглядят следующим образом:

1. Использование сернокислого глинозема:

Al₂(SO₄)₃ + 3Ca(HCO₃)₂ = 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂ ; 
Al₂(SO₄)₃ + 3Mg(HCO₃)₂ = 2Al(OH)₃ + 3MgSO₄+ 6CO₂

2. Использование железного купороса (сернокислой закиси Fe):

FeSO₄ + Ca(HCO₃)₂ = Fe(HCO₃)₂ + CaSO₄

Для ускорения процесса в воду добавляют  известь:

Fe(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = Fe(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ 
2Fe(OH)₂ + H₂O + O = 2Fe(OH)₃

  Доза коагулянта для вод разного состава не одинакова и должна устанавливаться путем опытного (пробного) коагулирования исходной воды в производственной лаборатории. Необходимое количество коагулянта зависит от ряда факторов: солевого состава воды, величины ее рН, количества и характера взвешенных веществ в ней, температуры, химических свойств коагулянта и температурных условий проведения процесса. Оптимальная доза коагулянта вызывает образование крупных, быстро оседающих хлопьев, и не дает опалесценции воды.[5]

  Ориентировочную дозу коагулянта можно определить в соответствии со СНиП 2.02.02-84 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" по формуле, а также по методикам, изложенным в "Инструкции по нормированию расхода воды на хозяйственно-бытовые и технологические нужды, проведению лабораторно-производственного и санитарно - гигиенического контроля за качеством питьевой воды и очистки сточных вод". При содержании в воде примерно 100 мг/л взвешенных веществ доза коагулянта составляет 25-35 мг/л.

  Наибольшее значение для эффективности процесса коагуляции имеет щелочность воды, т.е. содержание в воде карбонатов (СО₃)^2- и гидрокарбонатов (НСО₃)^-. Установлено, что для нормального течения процесса коагуляции щелочность воды должна быть не менее 1,4-1,8 мг-экв/л. Если она ниже, на водопроводных станциях прибегают к подщелачиванию воды содой, негашеной или хлорной известью.

  По разному подвергаются коагуляции взвешенные вещества. Так, если гидрофильные коллоиды (гуминовые вещества и др.) плохо сорбируются на поверхности хлопьев коагулянта и не способствуют их образованию, то гидрофобные коллоиды (глина, почва и т.д.) хорошо сорбируются на поверхностях, утяжеляют их и быстро оседают.

  Низкая температура воды замедляет процесс хлопьеобразования, поэтому время коагуляции зимой больше, чем летом.

  К недостаткам коагуляции следует отнести то обстоятельство, что использующиеся "неочищенные" соединения (т.е. не "химически чистый" кремнезем) являются источниками попадания в воду мышьяка, фтора и меди.

  Для смешения коагулянтов с водой применяют специальные сооружения - смесители. После смешения воды и реагентов в специальных камерах осуществляется вторая стадия процесса коагуляции - хлопьеобразование. Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода находилась в камере от 10 до 40 минут при условии постоянного плавного перемешивания. Этим же целям служат отстойники, в которых хлопья коагулянта со взвешенными примесями под действием силы тяжести выпадают в осадок[6].

  Осаждение взвешенных веществ происходит с различной скоростью, которая зависит от формы, размеров, плотности, шероховатости поверхности частиц и от температуры воды. Первоначально процесс отстаивания происходит с наибольшей эффективностью. После осаждения наиболее плотных частиц взвеси процесс отстаивания замедляется. Поэтому практически осветление осуществляется на 70-87% от теоретически возможного.

  В процессе коагуляции вместе со взвешенными веществами в осадок увлекаются и микроорганизмы, что способствует обеззараживанию воды.

       Различают два типа коагуляции:

• Концентрационную, при которой потеря устойчивости частиц связана со сжатием двойного слоя;
• Нейтрализационную, когда на ряду со сжатием двойного слоя уменьшается потенциал ф₁.

       Концентрационная коагуляция характерна для сильно заряженных частиц и высоких концентраций электролита. Чем меньше потенциал ф₁ тем сильнее ионы притягиваются к поверхности частиц и тем самым экранируют рост электрического поля. По этому, при высоких значениях ф₁ силы электростатического отталкивания между частицами не возрастают безгранично, а стремятся к некоторому конечному пределу. Это предел достигается при ф₁ более 250 мв. Отсюда следует, что взаимодействие частиц с высоким ф₁ – потенциалом не зависит от величины этого потенциала, а определяется только концентрацией и зарядом противоионов[6,11].

        По мере увеличения концентрации  электролита величина ДП снижается,  а ф₁ сохраняет свое значение. Соответствие между степенью устойчивости и ДП отсутствует. Если концентрация электролита мала, на результирующей кривой энергии взаимодействия частиц имеется высокий энергетический барьер. По мере повышения концентрации электролита происходит сжатие двойного слоя и радиус действия сил электростатического отталкивания  постепенно уменьшается до области, еде уже достаточно велики силы притяжения и может произойти коагуляция частиц.

       Величина порога концентрации  частиц:

γ = С_k( ε³ (kT)⁵ / A² e⁶ z_i⁶ ),

где С_k – константа, слабо зависящая от отношения зарядов катиона и аниона электролита; ε – диэлектрическая проницаемость раствора; А – константа, характеризующая молекулярное притяжение частиц; е – заряд электрона; z_i – валентность противоиона.

       Нейтрализационная коагуляция характерна для слабо заряженных частиц. Для решения задачи водоочистки, важно знать: в каких случаях преобладает концентрационная, а в каких нейтрализационная коагуляция? Одновалентно коагулирующие ионы производят относительно слабое снижение заряда частиц,  в то время как двух- и трехвалентные способны снизить его в несколько раз. Поэтому коагуляцию многовалентными ионами проводят по нейтрализационному механизму, а одновалентными – по концентрационному.

      Между двумя частицами одинаковой  природы в дисперсных системах  действуют молекулы силы тяжести (силы Ванн-дер-Ваальса) и электростатические силы отталкивания. Чтобы оценить количественно взаимодействие частиц, нужно знать характер изменения величины этих сил с расстоянием, их дальнодействие.

       Впервые агрегативную устойчивость дисперсных систем и их коагуляцию с количественным учетом суммарной энергии взаимодействия частиц, объяснили Дерягин, а затем более детально Дерягин и Ландау. Несколько позже Фервей и Овербек. Отсюда теория взаимодействия и коагуляции дисперсных частиц получила название теории Дерягина – Ландау – Фервея – Овербека, сокращенно ДЛФО.[7]

    

 

 

 

 

2 Технологические схемы очистки сточных вод.

 

1. Эксплуатация электрокоагуляционных установок

       Эксплуатационные работы включают: усреднение по расходам и качеству воды, поступающей в электрокоагулятор; корректировку качества воды (предварительная очистка от грубодисперсных примесей, корректировка рН и солевого состава); поддержание расчетного режима рециркуляции воды в контуре электрокоагулятора, если это предусмотрено схемой обработки; контроль значений и поддержание на нужном уровне электрических параметров – силы тока, напряжения; соблюдение режима переполюсовок электродов, как меры депассивации и способа, обеспечивающего равномерное растворение всех электродов; промывку и очистку межэлектродного пространства от отложений и пены; удаление образующейся при электролизе пены; своевременную замену электродов; контроль за состоянием газовой среды и обеспечение эффективной работы системы вентиляции; правильное содержание сооружений для последующей (после электрокоагуляции) очистки воды (отстойники, флотаторы, фильтры)[9].   

 Продолжительность  периода использования электродов (рабочего цикла) принимается  в пределах 500–1000 ч и определяется  по формуле                                                

,                                                 (2.1)

      где G_pl – масса электродных пластин, кг; 

     Д_м – доза металла, г/м³; К_исп – коэффициент использования электродов,

      К_исп = 0,8... 0,9.

1. Электрокоагуляционная обработка природных вод.

 

    Как указывалось,  электрокоагуляция применяется  в схемах осветления и обесцвечивания, обезжелезивания, обескремнивания, обескислороживания и для удаления из воды фтора.   

 Электрокоагуляторы оборудуются алюминиевыми анодами, так как применение стальных может привести к насыщению воды тонкодиспергированным трудноудаляемым гидроксидом железа. При осветлении природной воды дозы металлического алюминия могут ориентировочно приниматься в зависимости от мутности по таблице 2.1.