Спосіб та пристрій для прояснення рідин, зокрема води, насичених матеріалом у вигляді суспензії

1. Спосіб прояснення вод, забруднених суспендованою речовиною, який відрізняється тим, що обробку вод здійснюють на двох послідовних стадіях, що виконують в одній і тій самій системі, стадії статичної флокуляції з низхідним потоком, на якій здійснюють первинне відділення більш важких частинок, причому зона, в якій здійснюють первинне відділення більш важких частинок, знаходиться під зоною, в якій здійснюють статичну флокуляцію, і яка включає в себе видалення більш важких частинок, при цьому швидкості осадження більш важких частинок, що утримують на цій стадії статичної флокуляції/первинного відділення, є меншими або дорівнюють швидкостям осадження частинок, які піддають флотації, і стадії флотації, на якій видаляють легкі частинки, для яких швидкість осадження є більш низькою, ніж поріг відсічки при флотації. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що перед стадією флокуляції виконують стадію високо C2 2 (19) 1 3 80273 прояснена вода видаляється з нижньої частини пристрою. Частину цієї води прокачують (при швидкості подачі, як правило, в межах між 5 та 15% від швидкості потоку води, яка повинна оброблятися шляхом прояснення) при тиску приблизно від 4x105 до 6 x105Па в окремий танк, який називається танком високого тиску, в якому повітря розчиняється у великих кількостях, тобто, до концентрації, що перевищує до п'яти разів максимальну концентрацію повітря у воді при атмосферному тиску. Під час швидкого розширення до атмосферного тиску повітря попадає в умови перенасичення і генерує мікроскопічні пухирці. Системи розширення вміщуються в спеціальній зоні, в якій мікроскопічні пухирці змішуються з водою, що піддається флокуляції. Для фізичного відділення від води у відстійнику пластівці повинні бути щільними і мати великий розмір. Навпаки, для відділення шляхом флотації для вказаних пластівців достатньо мати відповідну форму: вони можуть бути легкими і мати малі розміри. З цієї причини флокуляція може спроститися завдяки майже повній відсутності використання полімеру для флотаційної обробки відносно незабруднених вод і використанню менших реакторів, ніж у разі осаджувальних установок, розташованих після дифузійної флокуляції (в протилежність відстійникам з шаром відстою або відстійникам "з баластом"). Слабким моментом флотації є те, що мікроскопічні пухирці мають труднощі з прилипанням до мінеральних частинок і не можуть гарантувати того, що важкі частинки, присутні у воді, будуть підійматися до поверхні. Відповідно, застосування флотації часто обмежуються проясненням відносно незабруднених вод, зокрема, озерних вод, свердловинної води, морської води і окремих промислових ви хідних потоків або промивальних вод від біологічних фільтрів. Інші особливості і переваги флотації є, зокрема, наступними: - система високого тиску є дуже простою, і вона дуже швидко доводиться до робочого режиму. Флотаційні вузли починають працювати по суті негайно після включення: вони являють собою установки дуже прості в роботі навіть при роботі з вимиканнями; - екстраговані відстої концентруються аж до 10-40г/л, якщо вони зіскрібаються; - мікроскопічні пухирці мають швидкості підйому від 6 до 12м/година, що призводить до швидкостей прояснення, звичайно обмеженими межами між 4 та 10м/година. Незважаючи на їх переваги, флотаційні установки навряд чи здатні конкурувати з поколінням високошвидкісних ламелярних відстійників з шаром відстою або з баластом, зокрема, з наступних причин: - як правило, дуже великий об'єм зони флокуляції; - відносно низькі швидкості розділення; - вартість енергії для одержання високого тиску і - відносно обмежена сфера застосування. 4 Однак високошвидкісні флотаційні установки з'явилися в останні роки завдяки використанню протитечійних ламелярних модулів або спеціальних систем витягування [ЕР 0 659 690]. Завдяки цим новим технологіям можуть бути одержані швидкості прояснення в межах від 20 до 40м/година. Крім того, дослідження флокуляції показали, що ста тичні або гідравлічні флокулятори (забезпечені рядом дефлекторів та відбійників) шляхом досягнення поршневої флокуляції, допомагають вдвічі скоротити час, необхідний для флокуляції за допомогою мішалки, наприклад, в деяких випадках від десяти хвилин до п'я ти хвилин. На Фіг.1 креслень зображений варіант здійснення флотаційної установки, що використовує цю технологію. На цій фігурі зображені коагулятор 10, флокулятор 11, що містить ряд дефлекторів та відбійників, і флотаційна комірка 12, а також танк високого тиску 13. Суспендована речовина, що акумулюється на поверхні флотаційної комірки, віддаляється за допомогою системи 14 поверхневих скребків, і відстій вивільняється як 15, прояснена вода віддаляється як 24. У такій відомій системі, яка дає короткі часи флокуляції і високі швидкості у флотаційній установці 12, флотація може стати виключно конкурентоздатною з осадженням; сьогодні задачею фахівців в даній галузі є створення флотаційних установок, в яких час флокуляції становить приблизно 5 хвилин, при швидкостях розділення від 30 до 40м 3/м 2-година. Флотаційна технологія, відповідно, робить значний крок до повернення в зв'язку з проясненням слабко забруднених вод при умові, що вартість цієї те хнології є конкурентоздатною в порівнянні з осадженням, а також завдяки очевидній простоті її роботи. У протилежність цьому, головний недолік флотації полягає в тому, що ця те хнологія не може поширити свою сферу застосування на широку сферу річкових вод, стічних вод (первинні, дощові і тому подібне), промивальних вод і тому подібне через складність, по суті, неможливість "флотування" щільних частинок і/або частинок великого розміру. Проте, робляться спроби конструювання флотаційних установок, які можуть працювати на цих складних водах. Однак одержані результати є дуже посередніми з точки зору як вартості роботи, так і якості обробки. Це викликає потребу у використанні перемішуючи х систем, таких як лопатеві мішалки, для запобігання осадженню у флокуляторах і в створенні системи донних скребків у флотаційній комірці. На Фіг. 2 зображений варіант здійснення цього типу системи. На ній зображені лопатеві мішалки 16, розташовані у флокуляторі 11, і скребок 17, розташований на дні флотаційної комірки 12. Головним недоліком цього типу флокуляції за допомогою механічного перемішування є те, що він передбачає об'ємні флокулятори і "роздуває" часи перебування вихідного потоку, який повинен оброблятися в системі. Крім того, осадження важких пластівців в нижній частині флотаційної комірки 12 (де розташований вихід обробленого вихідного потоку) і їх пове 5 80273 рнення в суспензію під час проходження скребка 17 призводить до поганої якості проясненої води. Виходячи з сучасного рівня техніки, розглянутого вище, даний винахід пропонує вирішити технічну проблему, що полягає у використанні флотації для обробки вод, які містять не тільки частинки, які піддаються флотації, але також важкі і частинки, які не піддаються флотації, при цьому підтримуючи оптимальну якість проясненої води, зберігаючи компактність зони гідравлічної або статичної флокуляції і гарантуючи флотаційну установку, яка не містить донного відстою. Ця технічна проблема вирішується за допомогою способу для прояснення шляхом флотації вод, забруднених суспендованою речовиною, в якій обробка для прояснення має місце на двох послідовних стадіях, здійснюваних в одній і тій самій системі: - на стадії статичної флокуляції з низхідним потоком, яка включає в себе стадію первинного відділення більш важких частинок, зона, в якій здійснюють стадію первинного відділення більш важких частинок, розташовується під зоною, в якій здійснюють стадію статичної флокуляції, і вона включає в себе видалення більш важких частинок, і - на стадії флотації, яка видаляє легкі частинки, у яких швидкість осадження нижче, ніж поріг відсічки при флотації. Даний винахід також відноситься до пристрою для здійснення вищеописаного способу, який містить в одному і тому самому замкненому просторі статичний флокулятор, забезпечений дефлекторами та відбійниками, ламелярний відстійник, розташований безпосередньо під статичним флокулятором, де більш важкі частинки, що походять від первинного осадження, віддаляються в нижній частині флокулятора/відстійника, і флотаційну установку з її системою високого тискурозширення, що генерує мікроскопічні пухирці, необхідні для флотації більш легких частинок. Основна ідея даного винаходу полягає у досягненні кінцевої стадії флокуляції у вигляді зони статичної флокуляції з низхідним потоком для створення під нею первинного розділення, забезпеченого видаленням більш важких частинок, все це розташовується після зони реальної флотації, при цих умовах флотаційна комірка працює тільки на легких частинках, які вона легко видаляє. Інші особливості та переваги даного винаходу стануть зрозумілими з опису, наведеного нижче, з посиланнями на креслення, прикладені до нього, які ілюструють необмежувальні втілення. На кресленнях: на Фіг.3-5 зображений вертикальний розріз варіанту системи прояснення, що здійснює на практиці спосіб за даним винаходом. На Фіг.1 зображені флокулятор 11 та флотаційна установка 12 зі своїм поверхневим скребком 14. Відповідно до даного винаходу, статичний флокулятор з дефлекторами 18, під яким розташований модуль 19 ламелярного відстійника, розташований після флотаційної установки 12. Комбінація флокулятора 18 і модуля 19 ламелярного відстійника утворює зону статичної флокуляції з 6 низхідним потоком - первинного відділення більш важких частинок, де вказані частинки віддаляються в нижній частині цієї зони 20. Завдяки такому розташуванню даний винахід може використовуватися для обробки більшості типів вод, включаючи ті, які містять частинки, які є дуже легкими для осадження і дуже важкими для флотації. На стадії модуля 19 ламелярного відстійника, розташованого під відбійниками або дефлекторами статичного флокулятора 18, в доповнення до осадження більш важких частинок здійснюють дві допоміжні функції: - шляхом збільшення кількості поверхонь осадження на ній утримують частинки, у яких швидкість осадження в 5-20 раз нижче, ніж їх швидкість руху через флотаційну комірку. Швидкість осадження самих маленьких частинок, що утримуються, визначає те, що згадується як поріг відсічки відстійника; - шляхом створення режиму по суті ламінарного потоку у ламелярних модулях, який пропонує кінцеву стадію флокуляції самих легких і найбільш крихких частинок при дуже низькій енергії, де вони, нарешті, можуть "дозріти" і структуруватися. Більш важкі частинки осаджуються всередині труб або пластин модулів 19 ламелярних відстійників. Ці модулі утворюють кут з горизонтальною площиною, який є більшим, ніж кут утримання частинок, тобто, осаджені на цих модулях вказані частинки поступово зісковзують вниз. Під час цього руху ці частинки або пластівці прагнуть скочуватися та агрегуватися з іншими частинками. У нижній частині модуля 19 ламелярного відстійника, отже, вони є великими, більш щільними, і їх власна швидкість осідання є значно більш високою. За цих умов на виході з модуля ламелярного відстійника вони легко проходять через гідравлічний потік і досягають дна флокулятора/відстійника, де вони акумулюють перед видаленням як 20. У варіанті, зображеному на Фіг.3, це видалення здійснюють під дією сили тяжіння, в той час як у варіанті на Фіг.4 (який є ідентичним варіанту, зображеному на Фіг.3) це видалення досягається за допомогою системи 21 скребків. Гідравлічний потік, який потім направляють у флотаційну комірку 12, з цієї причини є звільненим від більш важких частинок, які утримуються модулем 19 ламелярного відстійника, і тепер він містить тільки легкі частинки, які структур уються для флотації на стадіях статичної флокуляції (як 18) і ламінарної флокуляції (як 19). Флокуляція може являти собою безреагентну механічну флокуляцію, тобто, пластівці формуються і ростуть під простим впливом турбулентності перемішування, який може спричинятися статичними пристроями (відбійниками, дефлекторами) або механічними пристроями (лопатевими мішалками, простими мішалками). Це являє собою випадок, наприклад, біологічних пластівців. Однак звичайно флокуляція являє собою фізико-хімічне явище. Вона включає в себе першу стадію коагуляції, на якій мікроскопічні частинки (колоїди) дестабілізуватимуться (їх дзета 7 80273 потенціал нейтралізувався) шляхом додавання солі металу (Fe+++ або Аl+++), що дає їм можливість для агрегації і зростання на другій, так званій стадії флокуляції, з формуванням легких пластівців. Як правило, ця стадія є достатньою для флотації. Для формування більш щільних великих пластівців, придатних для осадження, в головній частині установки для флокуляції інжектується полімер. У варіанті, зображеному на Фіг.5, система, що здійснює спосіб відповідно до даного винаходу, містить додаткову комірку 22 механічної флокуляції, що підтримується за допомогою перемішування, в яку може інжектуватися флокулянт (полімер), ця комірка 22 розташовується після статичного флокулятора 18-відстійника 19. Для того, щоб спосіб був цілком ефективним, тобто усував 100% суспендованої речовини, швидкість осадження частинок, що утримуються у флокуляторі-відстійнику (швидкість, яка відповідає порогу відсічки відстійника), повинна бути меншою або рівною швидкості осадження частинок, які піддаються флотації. Для ілюстрації цієї особливості нижче наводиться ряд прикладів. 1. Якщо флокулятор 18-відстійник 19 утримує частинки, що мають швидкості вище 10м/година (поріг відсічки відстійника), і якщо флотаційна установка 12 може тільки "флотувати" частинки, у яких швидкість осадження є меншою, ніж 5м/година, частинки з швидкостями осадження в межах між 5 і 10м/година будуть проходити як крізь флокулятор-ламелярний відстійник, так і крізь флотаційну установку і, зрештою, забруднювати прояснену воду. 2. Якщо, в протилежність цьому, флокуляторвідстійник утримує частинки, які мають швидкості більш високі, ніж 4м/година, і якщо флотаційна установка може флотувати частинки, у яких швидкість осадження є більш низькою, ніж 5м/година, тоді система загалом (флокуляторвідстійник+флотаційна установка) буде утримувати 100% частинок. 3. Якщо флокулятор-відстійник утримує частинки, які мають швидкості вище 1 м/година, і якщо флотаційна установка може флотувати частинки, у яких швидкість осадження є більш низькою, ніж 10 м/година, знову ж, зрозуміло, що система буде утримувати 100% частинок, але це ясно говорить про те, що цей пристрій має дуже великий розмір, або що має місце передозування реагентів. Основуючись на розумних розмірах системи, з цієї причини зрозуміло, що система може працювати відповідно до даного винаходу, перекриваючи обробку всіх типів води шляхом підбору відповідних доз коагулянту та флокулянта (полімеру). Що стосується трьох випадків, розглянути х у наведених вище прикладах, мають місце наступні зауваження. 1. У першому випадку для поліпшення роботи є доступними безліч альтернатив: по-перше, можна шляхом збільшення доз коагулянту змінити структур у більш важких частинок або пластівців, що залишають флокулятор-відстійник, так що вони можуть флотувати, незважаючи на швидкості оса 8 дження 10м/година. Є також можливим розміщення більш ефективного модуля ламелярного відстійника на стороні флокулятора, щоб мати поріг відсічки, більш низький ніж 5 м/година (наприклад, приймаючи менший діаметр або велику довжину для труб, які поповнюють модуль, що збільшує площу поверхні осадження). Очевидно, що простіше збільшити дозу полімеру, так щоб всі пластівці або частинки, які, ймовірно, не флотують, мали швидкість осадження вище 10м/година. 2. У другому випадку вважається, що дози реагентів і розміри є придатними для використання. 3. У третьому випадку ясно, що відбувається передозування. Або кількість флокулянта (полімеру) повинна зменшува тися або доводитися до нуля, або доза коагулянту повинна зменшуватися, вибір залежить від системи обробки. Часто є більш економічно вигідним зменшення кількості коагулянту. Крім того, зменшення кількості полімеру обмежує закупорюючу здатність води - фактор, який є особливо критичним, якщо за установкою йде фільтр або обробка на мембрані. З наведених вище зауважень видно, що даний винахід здатний обробляти по суті всі типи води і легко оптимізує дозування реагентів. Нижче описаний варіант здійснення способу відповідно до даного винаходу. Цей приклад відноситься до досліджень, які здійснюються на відносно сильно забрудненій річковій воді, яка не може оброблятися безпосередньо за допомогою звичайної технології флотації. Вихідна вода, що обробляється, має наступні властивості: - температура в межах між 5 та 7°С; - суспендована речовина: 60-195г/м ; - каламутність 37-110 ЕМФ. Використовується пілотна установка продуктивністю 30м 3/година типу, зображеного нз Фіг. 5, тобто, що містить наступні основні елементи: - міксер з сильною механічною мішалкою, в який інжектується коагулянт; - рівень механічної флокуляції під дією мішалки 22, на якій інжектується полімер або флокулянт; - рівень статичної флокуляції 18, яка включає в себе час перебування 4 хвилини і поперечний переріз 0,8м 2 і яка містить зверху вниз три ряди відбійників, під якою встановлений ламелярний відстійник 19 і лоток 23 для видалення осаджених частинок або пластівців. Цей ламелярний модуль формується з проходів шестикутного перерізу висотою 50мм і довжиною 750мм. Він розвиває активну площу поверхні 8,7м 2 на м 2 установки, це означає, що швидкість найменших частинок, що утримуються цим відстійником, може ділитися на 8,7 (дивися закон Хазена). Видима швидкість у флокуляторі може утримувати тільки частинки, які осаджуються при швидкості, більшій ніж 37,5м/година (30м 3/година/0,8м 2). Завдяки модулю 19 ламелярного відстійника можливе утримання частинок, які осаджуються при швидкості 37,5/8,7=4,3 м/година або більше (поріг відсічки модуля ламелярного відстійника); - реальну флотаційну комірку 12, що має площу поперечного перерізу 1м 2. Видима швидкість на цій секції становить, отже, 30м/година. 9 80273 Крім того, ця пілотна установка забезпечується системою високого тиску -розширення, позначеною номером 13, що генерує мікроскопічні пухирці з діаметром меншим, ніж 100мкм, які змішуються з водою, яка піддається флокуляції, що надходить у флотаційну комірку 12. Для різних доз реагентів результати, одержані на цій пілотній установці, є наступними: 1. Коагулянт=25г/м 3 і полімер=0,2г/м 3 Вода, що обробляється: - каламутність=0,6-1,1 ЕМФ - суспендована речовина=0,9-2г/м 3. 2. Коагулянт=25г/м 3 і полімер=0г/м 3 Вода, що обробляється: - каламутність=2-4 ЕМФ - суспендована речовина=5-9,8г/м 3. 3. Коагулянт=50 г/м 3 і полімер=0г/м 3 Вода, що обробляється: - каламутність=1-1,9 ЕМФ - суспендована речовина=2,5-4,2г/м 3. 4. Коагулянт=50 г/м 3 і полімер=0,2 г/м 3 Вода, що обробляється: - каламутність=0,4-0,9 ЕМФ - суспендована речовина=0,9-1,8г/м 3. Як висновок, практичні результати, одержані на цій пілотній установці, служать для підтвердження того, що: - спосіб за даним винаходом служить для ефективного видалення суспендованої речовини, більш високої ніж 90%, навіть на відносно сильно забруднених водах; - підбір відповідних доз коагулянту та флокулянту служить для встановлення відповідної продуктивності флокулятора-відстійника та флотаційної установки; - результати дослідження №4 є найбільш задовільними за абсолютним значенням, але з вартістю високого споживання коагулянту (передозування). Найкращі робочі умови являють собою ті, які використовуються в дослідженні №1; - щонайменше, у разі властивостей вихідної води, розглянутих вище, підтверджується, що відсутність або недостатність флокулянта не дає можливості флокулятору-відстійнику для відповідного утримання важких частинок. Не виходячи за рамки даного винаходу, може бути розглянутий ряд варіантів практичного здійснення і/або їх удосконалень. Таким чином, у всіх випадках, в яких є необхідною фізико-хімічна коагуляція, перед флокуляційною коміркою може знаходитися зона високоенергетичного перемішування для перемішування коагулянту (реактор з мішалкою, статичний реактор з висхідним потоком і великим падінням тиску, рядний міксер, водозлив і тому подібне). Флокулянт (полімер), якщо це необхідно, інжектується на виході зони з перемішуванням або у першому 10 флокуляторі з перемішуванням. Цей варіант відповідає Фіг. 5, розглянутій вище. У залежності від розміру комірки флокуляціїосадження донний відстій видаляють або за допомогою лотка 23 (Фіг.3 та 5), або за допомогою скребка 24 (Фіг.4), або за допомогою будь-якої іншої системи видалення відстою, відомою фахівцям в даній галузі. Якщо це передбачається, виходячи з часу перебування, перед коміркою статичної флокуляції може знаходитися один або декілька рівнів флокуляції з мішалкою. У цих комірках є мішалки для запобігання осадженню. Коли вихідний потік, який повинен оброблятися, має високий вміст суспендованої речовини, ефективність флотаційної установки обмежується масовим потоком, який повинен віддалятися (кг/м 2). Тоді швидкість обробки зменшується пропорційно вказаному масовому потоку. З попереднього опису ви ходить, що спосіб відповідно до даного винаходу служить для видалення частини навантаження суспендованої речовини у флокуляторі-відстійнику шляхом збільшення дози флокулянта (полімеру). Масовий потік на флотаційну установку також значно знижується, роблячи можливим її роботу з високою швидкістю і здійснення задачі кінцевої обробки. Таким чином, завдяки даному винаходу, який складається в об'єднанні двох стадій обробки флокуляціїосадження та флотації, будь-яка частинка в суспензії, що не утримується у флокуляторівідстійнику, має швидкість осадження, більш низьку, ніж швидкість флотації, що робить можливим її видалення на стадії флотації. Спосіб, як описано вище, йде проти тенденції упереджень фахівців в даній галузі, які, коли виникає питання флотації, намагаються використати реагенти, які полегшують пластівці, в той час як, в протилежність цьому, даний винахід сприяє, зокрема, збільшенню щільності важких частинок. Більш того для одержання максимальної компактності системи, і знову ж, у протилежність тенденції фахівців в даній галузі, даний винахід вводить в практику систему ламелярних відстійників, сконструйовану тільки для того, щоб бути частково ефективною (ці системи звичайно використовуються для тонкого розділення), і використовує стадію флотації як стадію кінцевої обробки. Зрозуміло, залишається вірним те, що даний винахід не є обмеженим втіленнями, описаними та представленими вищим, але охоплює всі їх варіанти. Таким чином, пристрій відповідно до даного винаходу може містити перед флокуляторомвідстійником міксер або рядні засоби інжекції, які можуть бути розташовані,наприклад, на водозливі, який живить цей флокулятор-відстійник. 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 80273 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601