Размещено на http://www.allbest.ru/

Пояснительная записка

на тему:

"Флокулянты в процессах очистки природных и сточных вод"

флокуляция сточный вода фильтрация

Содержание

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов:

- более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод;

- разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

Применение технологий очистки вод с применением флокулянтов позволяет интенсифицировать процесс, получить экономию материалов и улучшить показатели производства.

1. Технологическая часть

Флокуляция широко применяется в процессах очистки сточных вод. Цель флокуляции - сформировать агрегаты или хлопья из тонко диспергированных и коллоидно устойчивых частиц. Флокуляция - транспортный этап, приводящий к столкновению между устойчивыми частицами, стремящимися к образованию крупных частиц (агрегатов), которые могут быть легко удалены из обрабатываемых сточных вод при помощи отстаивания, фильтрации или флотации.

Флокуляция получила широкое практическое распространение в технологиях водоочистки в 30-е годы. В настоящее время флокуляция широко используется в технологии очистки сточных вод промышленного и бытового происхождения.

Механизм действия флокулянтов основан на явлении адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; образование сетчатой структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков.

Таким образом, флокуляция - это процесс, при котором происходит адсорбционное взаимодействие частицы загрязнений сточных вод с высокомолекулярными веществами (флокулянтами). При этом, в процессе флокуляции происходит процесс хлопьеобразования (при взаимодействии высокомолекулярных веществ с частицами, находящимися в очищаемой сточной воде), с образованием агрегатов (хлопьев, комплексов), имеющих трехмерную структуру.

Процесс адсорбции происходит в две стадии:

- сначала каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной частице (первичная адсорбция),

- затем свободные сегменты закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками (вторичная адсорбция).

Возможны различные механизмы закрепления макромолекул флокулянтов на поверхности частиц. Неионогенные полиэлектролиты закрепляются на частицах с помощью полярных групп (чаще всего гидроксильных) благодаря образованию водородных связей между водородом гидроксила и кислородом, азотом и другими атомами, находящимися на поверхности частиц. Наличие водородных связей установлено экспериментально с помощью инфракрасной спектроскопии. Хотя энергия водородной связи значительно меньше энергии химической связи, большое количество гидроксильных групп способствует прочному закреплению молекул флокулянта.

Анионные флокулянты способны закрепляться на поверхности частиц не только с помощью водородных связей, но и благодаря химическому взаимодействию (хемосорбции) анионов с катионами, находящимися на поверхности частиц.

Катионные полиэлектролиты, помимо образования агрегатов по механизмам, аналогичным вышеизложенным, способствуют флокуляции благодаря нейтрализации отрицательного заряда частиц.

Флокулянты представляют собой водорастворимые линейные полимеры, состоящие из большого числа групп. Длина цепочки может достигать 1 микрона. Молекулярная масса флокулянтов может достигать нескольких миллионов, степень полимеризации - несколько тысяч.

В технологии очистки сточных вод флокулянты обычно применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре), повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, снижают расход коагулянтов, повышают надежность работы и производительность сооружений очистки сточных вод.

Добавление флокулянта в обрабатываемые сточные воды увеличивает скорость возникновения и последующего осаждения возникающих при коагуляции хлопьев. При этом плотность осадка увеличивается, а действие веществ-коагулянтов становится эффективным в более широком диапазоне рН очищаемых сточных вод.

Если в обрабатываемых сточных водах содержится большое количество взвешенных частиц, то их осаждение может быть обеспечено только при помощи флокулянтов, без использования реагентов для коагуляции.

Флокуляция в процессах очистки сточных вод, может использоваться в следующих случаях:

· очистка сточных вод от суспендированных твердых частиц

· биохимическая потребность в кислороде в первичных отстойниках

· кондиционирование сточных вод, содержащих определенные промышленные отходы

· улучшение работы вторичных отстойных резервуаров, следующих за процессом обработки активным илом

· как этап предварительной очистки сточных вод для фильтрации вторичных промышленных отходов

Флокуляция может проводиться в отдельных емкостях или резервуарах, специально спроектированных для этой цели, в трубопроводах, соединяющих оборудование очистки сточных вод, или в комбинации с флокулятором. Флокуляция обычно следует за быстрым перемешиванием, в процессе которого к нестабильным частицам добавляют химические реагенты. Дестабилизация частиц, происходящая в результате добавления химических реагентов, называется коагуляцией.

Существует два типа флокуляции: микрофлокуляция и макрофлокуляция. Они различаются размерами частиц.

Микрофлокуляция - термин, используемый в тех случаях, когда необходимо сослаться на скопление частиц, получившееся в результате случайного теплового движения молекул жидкости, известного как броуновское движение. Микрофлокуляция позволяет удалять из сточных вод частицы, размеры которых находятся в диапазоне от 0.001 до 1 микрона.

Макрофлокуляция используется в том случае, если размер частиц, от которых должны быть очищены сточные воды, превышает 1 микрон. Макрофлокуляция может быть достигнута с помощью вынужденного градиента скорости и неравномерного отстаивания. Частицы в сточной жидкости могут объединяться вместе (флокулировать) посредством вынужденного градиента скорости. Быстро двигающиеся частицы достигнут медленно двигающихся в поле скоростей. Если сталкивающиеся частицы агрегируют, то образуется более крупная частица, которую легче удалить из сточных вод посредством гравитационного разделения. В случае макрофлокуляции, происходящей благодаря неравномерному осаждению, более крупные частицы достигают более мелких частиц в процессе гравитационного осаждения. Когда две частицы сталкиваются и слипаются, образуется более крупная частица, которая осаждается в очищаемой сточной воде с большей скоростью, чем исходные частицы

Таким образом, флокулянты являются эффективными реагентами, использующимися при сгущении стоков в процессе осветления. Использование новых эффективных реагентов, технологических процессов и оборудования позволяет существенно увеличить производительность, повысить качество очистки промышленных сточных вод при минимальном использовании производственных мощностей.

Флокулянтов можно путем введения в систему реагентов-модификаторов, например, низкомолекулярных электролитов или ПАВ. Флокуляция м. б. селективной также в том случае, если максимум флокулирующего действия в отношении частиц различного типа соответствует различным равновесным концентрациям Ф. в дисперсионной среде.

Различают неорганическе и органические флокулянты. Из неорганических в промышленности применяют лишь поликремниевую кислоту. Органические - различные синтетические или природные гомо- и сополимеры главным образом линейного строения. По способности к электролитической диссоциации их делят на неионогенные и ионогенные (полиэлектролиты).

Среди синтетических флокулянтов широко распространены полимеры и сополимеры акриламида, напр. технический полиакриламид (ПАА), содержащий 3-8 мол. % карбоксилатных звеньев, образующихся в результате гидролиза амидных групп в процессе синтеза полимера. В промышленности он обычно используется как неионогенный флокулянт. Химическое модифицирование ПАА позволяет получать на его основе флокулянты различных типов и назначения. Практическое значение имеет также высокомолярный полиэтиленоксид - неионогенный флокуянт, часто применяемый в сочетании со стабилизаторами - антиоксидантами; в некоторых случаях используют поливиниловый спирт.

Из анионных флокулянтов в промышленности применяют: частично гидролизованный ПАА, содержащий в макромолекуле 20-40% карбоксилатных звеньев; продукты неполного щелочного (напр., реагенты гипана [Гипан-1 используется как стабилизатор глинистых растворов при бурении на большую глубину и как структурообразователь почвы. Используется также при бурении засоленных отложений] К-4, К-6, К-9) или кислотного (напр., "Ока") гидролиза полиакрилонитрила с различным соотношением нитрильных, амидных и карбоксильных (или карбоксилатных) групп; гомо- и сополимеры акриловой (AK) и метакриловой (МАК) K-T [напр., "Комета" - полиметакриловая к-та, на 50-60% нейтрализованная щелочью, метас (метасол) - сополимер метакриламида и МАК (или Na-соли МАК) при эквимолярном соотношении сомономеров, метакрил M-14 BB (лакрис 20) - сополимер метилметакрилата и МАК (или ее смешанной соли) при молярном соотношении 1:4]. К анионным флокулянтам с карбоксильными (карбоксилатными) группами относятся также сополимеры малеиновой и фумаровой K-T. Практический интерес представляют флокулянты с сильнокислотными группами (напр., сульфогруппами) на основе полистирола (напр., BK-1), ПАА и др. полимеров.

Катионные флокулянты особенно эффективны при обработке дисперсных систем с отрицательно заряженными частицами. Слабоосновные катионные флокулянты - поливиниламин, полиэтилен-имин, поливинилпиридины и др., содержащие в молекуле первичные, вторичные и третичные атомы азота, сильноосновные - полиэлектролиты с четвертичными аммониевыми или пиридиниевыми группами (получают исчерпывающим алкилирование атомов N слабоосновных Ф. или полимеризацией соответствующих мономерных соединений). В качестве катионных Ф. могут быть использованы полимеры аминоал-киловых эфиров AK и МАК, винилпиридинов, диаллиламина, диаллилдиметиламмонийхлорида (напр., полиэлектролит ВПК-402), продукты алкилирования полидиметиламиноэтил-метакрилата и полидиэтиламиноэтилметакрилата (ВА-102, ВА-112), продукты последовательного хлорметилирования и аминирования полистирола или поливинилтолуола (ВА-2, ВПК-01), модифицированный формальдегидом и вторичным амином (по реакции Манниха) ПАА, содержащий в макромолекуле до 30 мол. % катионных звеньев (напр., КФ-4 и КФ-6, в которых помимо аминогрупп имеются амидные, карбоксильные и метоксильные группы).

Полиамфолитные флокулянты - обычно продукты сополимеризации кислотного (AK, МАК, малеиновый ангидрид и др.) и основного (2-винилпиридин, диаллилдиметиламмонийхлорид и др.) мономеров. В ряде технологических процессов, например, при флокуляции биологических суспензий, полиамфолитные флокулянты имеют преимущества перед флокулянтами анионного и катионного типов.

Природные флоклянты выделяют непосредственно из растений (например, крахмал, полиальгинаты) или получают в результате химической переработки раститительного (эфиры целлюлозы, модифицированные крахмалы, лигносульфоновые и гуминовые кислоты) или животного (например, хитозан из отходов переработки крабов, креветок, криля) сырья. К этой группе относятся также биофлокулянты, изготовляемые методами биотехнологии в виде биомассы клеток микроорганизмов или продуктов их метаболизма; химическая основа таких флокуянтов - гликопротеины, гетерополи-сахариды и др.

Используют флкулянты для очистки воды бытового и промышленного назначения, обезвреживания сточных вод и жидких производств, отходов, при добыче и флотационном обогащении полезных ископаемых, концентрировании латексов (путем сливкоотделения), выделении микроорганизмов из культуральной жидкости, микробиолоическом производстве кормовых белков, инсектицидов, лекарственых препаратов, пищевых добавок и др. В зависимости от количества и дисперсности флокулируемой фазы, целей и условий флокуляции, типа применяемого реагента рабочие концентрации флокулянтв изменяются в широких пределах. Например, при подготовке воды для промышленных и бытовых нужд флокулянты используют в концентрациях 0,1-50 мг/дм3, а при очистке бурового раствора от шлама -0,1-1,5 г/дм3. Во многих случаях для повышения эффективности действия флоклянтов их применяют в сочетании с неорганическими коагулянтами.

1.3 Применение флокулянтов

Рассмотрим использование флокулянтов на примере полиакриламида ДП9-8177.

Технология, предложенная в данном проекте, основывается на применении указанной схемы:

Область применение флокулянтов:

- в коммунальном хозяйстве, энергетике и других отраслях промышленности для интенсификации процессов подготовки питьевой и технической воды;

- в коммунальном хозяйстве, металлургии, машино и приборостроении и других отраслях промышленности для интенсификации процессов очистки сточных вод, уплотнения осадков и обезвоживания шламов;

- в горнодобывающей промышленности для интенсификации процессов осветления пульп, уплотнения, фильтрации и механического обезвоживания шламов и (или) целевых продуктов;

- в целлюлозно-бумажной промышленности для удержания мелкого волокна и наполнителей в объеме формируемой бумажной массы, для интенсификации процессов водоподготовки, очистки сточных вод и обезвоживания шламов;

- в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности для интенсификации процессов разделения фаз «твердое вещество-жидкость», «жидкость-жидкость», «жидкость - твердое вещество - жидкость», в том числе разделения нефтешламов;

- в нефтедобывающей и других отраслях промышленности для использования в качестве загустителя в составе буровых растворов, связующего и загустителя в водоизолирующих составах и системах повышения нефтеотдачи, для интенсификации процессов очистки буровых растворов от выбуренных пород.

Способ подбора сорта флокулянта

· Оптимальным способом для подбора сорта флокулянта для использования в определенных целях является проведение лабораторного анализа субстрата (образца воды, шлама), который в дальнейшем будет подвергнут флокуляции.

· Существуют определенные базовые предпосылки, которые должны приниматься во внимание при подборе желаемого сорта флокулянта:

· Неорганические субстраты обычно требуют применения анионактивных полиэлектролитов для оптимальной флокуляции.

· Органические субстраты обычно требуют применения катионных полиэлектролитов для оптимальной флокуляции. Однако предварительная обработка таких субстратов при помощи неорганических коагулятов, таких как as соли алюминия или железа, могут изменить данную ситуацию.

· Биологические субстраты обычно лучше всего взаимодействуют с высокоактивными катионными полиэлектролитами.

1.4 Обработка сточных вод

· биологическая обработка для воды, содержащей органические вещества: вода обрабатывается бактериями, а осадок обезвоживается флокулянтами;

· очистка сточных вод коагулянтом и флокулянтом - физико-химическая обработка для осветления и обезвоживание осадков.

Очистка сточных вод города

Потребление воды одним человеком в мире варьируется в пределах 4 - 1000 литров в день. Поэтому степень загрязнения зависит от стиля жизни, питания, обычаев гигиены, уровня жизни и климатических условий. Обработка городских стоков, таким образом, различается согласно количественно и количественной природе загрязнителей.

Для очистки сточных вод используется два типа очистки:

1. Биологическая обработка, которая как правило включает в себя следующие шаги:

· первичная обработка для удаления грубых твердых частиц с помощью просева;

· песок и жир удаляется аэрацией;

· первичная обработка для удаления взвешенных частиц осветелением или флотацией;

· аэрация для образования биологических хлопьев;

· вторичная обработка для осветления биологических хлопьев;

· в некоторых случаях, добавляют третью обработку, чтобы окончательно удалить некоторые специфичные загрязнители (фосфаты).

Для очистки сточных вод флокулянты могут применятся на различных шагах процесса: в первичных или вторичных баках или отстойниках, но чаще используются для обезвоживания осадков при фильтрации или центрифугировании.

2. Физико-химическая обработка прямой обработкой коагулянтом и флокулянтом.

Осадок образуется при обезвоживании флокулянтом при фильтровании или центрифугировании. Этот метод, который лишь незначительно менее эффективен, чем биологическая обработка, часто применяется как промежуточный инвестиционный шаг.

Рис

Рис

2. Расчетная часть

Размещено на Allbest.ru