Раздел 3. Основные промышленные

методы очистки сточных вод

14 Характеристика сточных вод и методы их очистки

Общее количество природной воды на Земле составляет 1386 млн км³. В основном (свыше 97,5 %) это соле­ные воды. Запасы пресных вод, пригодных для использования, в том числе речных, озерных и подземных, составляет около 0,3 % объема гидросферы (около 4 млн км³). Потребление воды промышленностью и сельским хозяйством достигло огромных размеров, ежегодный расход пресной воды превышает 3900 км³, из них 150 км³ безвозвратное водопотребление. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство. Среднее химическое предприятие ежесуточно расходует 1−2 млн м³ воды.

По происхождению сточные воды классифицируются на производствен­ные, бытовые и атмосферные.

Производственные (промышленные) сточные воды образуются в процессе производства товарного продукта. Наибольшее количество загрязненных вод сбрасывают целлюлозно-бумажная, химическая промышленности и черная металлургия. Многие сточные воды химических производств загрязнены неорганическими и органическими веществами, которые находятся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Концентрация примесей в сточных водах различны: воды от охлаждения продуктов и аппаратуры практически не загрязнены, а воды от технологических процессов содержат различные количества веществ. Степень вредности сточных вод зависит от токсичности загрязняющих ее веществ. Такие примеси, как соли тяжелых металлов, сероводород, канцерогенные вещества, бензол и многие другие обуславливают высокую токсичность сточных вод. Часто сточные воды содержат вещества, обладающие резким запахом (сульфиды, сероводород, меркаптаны и др.), многие сточные воды окрашены. Наличие в сточных водах поверхностно- активных веществ (ПАВ) обуславливает их способность к пенообразованию. В сточных водах заводов черной металлургии содержится: окалины 300−2000 мг/дм³; серной кислоты до 300 мг/дм³, железного купороса до 700 мг/дм³; фенола 700−1000 мг/дм³, смол и масел 200−1800 мг/дм³. В сточных водах целлюлозно-бумажных заводов содер­жание взвешенных веществ достигает 2000 мг/дм³.

Бытовые сточные воды образуются в жилых, административных и коммунальных (бани, прачечные и др.) зданиях, а также в бытовых помещениях промышленных предприятий.

Атмосферные сточные воды образуются в процессе выпа­дения дождей и таяния снега. В дождевых водах содержится значительное количество нерастворенных минеральных примесей, а также загрязнения органического происхождения (в основном нефтепродукты).

Методы очистки сточных вод. Перед сбросом в водоемы или направлением в замкнутые си­стемы водоснабжения сточные воды подвергают­ся очистке механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами.

Методы очистки сточных вод подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматри­вают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. В деструктивных методах вещества, за­грязняющие воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Сооружения механической очистки сточных вод предна­значены для задержания нерастворенных примесей. К ним относятся решетки, песколовки, отстойники, фильтры, гидроциклоны и центрифуги. Сооружения механической очистки сточных вод являют­ся, как правило, предварительной стадией перед биологичес­кой очисткой. При механической очистке городских сточных вод удается задержать до 60 % нерастворенных загрязнений.

Физико-химические методы очистки городских сточных вод по экономическим соображениям находят ограниченное применение. Эти методы широко применяются для очистки производственных сточных вод. К методам физико-химической очистки производственных сточных вод относятся: коагуляция и флокуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен, экстрак­ция, перегонка, дегазация, кристаллизация и др.

На ряде предприятий используются химические, электрохимические и термические методы очистки и обезвреживания сточных вод. Для обезвреживания сточных вод от токсичных и биологически трудноокисляемых соединений применяют термоокислительные методы (жидкофазное и парофазное окисления, сжигание).

Биологическая очистка сточных вод основана на жизне­деятельности микроорганизмов, которые окисляют растворен­ные и нерастворенные органические соединения, являющиеся для микроорганизмов источниками питания.

Для доочистки сточных вод используют фильтрацию, коагуляцию, адсорбцию, а также метод ионного обмена.

Дезинфекцию сточных вод осуществляют путем введения в воду хлорной воды или раствора хлорной извести.

15 Очистка сточных вод процеживанием, отстаиванием

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы процеживания, отстаивания, фильтрование.

Процеживание. Содержащиеся в сточных водах бумага, тряпье, мочала и другие крупные и волокнистые материалы осложня­ют работу очистных сооружений. Для удаления из сточных вод крупных загрязнений в составе всех очистных сооружений проектируются решетки. Они выполняются из ряда металли­ческих стержней, расположенных параллельно друг другу и создающих плоскость с прозорами (16−18 см), через которую процежива­ется вода. Применяют решетки, совмещенные с дробилками (решет­ки-дробилки) . Уловленные на них загрязнения подвергаются дроблению под водой или направляются на захоронение. Для удаления более мелких взвешенных веществ, а также ценных продуктов, применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые.

Отстаивание. Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса исполь­зуют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц. Песколовки применяют для предварительного выде­ления минеральных и органических загрязнений (0,20−0,25 мм) из сточных вод. Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25−1,00 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим по­током со скоростью 0,05 м/с. Наи­более часто используют горизонтальные песколовки.

Г оризонтальные отстойники − прямоугольные резервуары, имеющие два или более одно­временно работающих отделения (рис. 3.1 а). Вода движется с одного конца отстойника к другому. Глубина отстойников равна Н =1,5−4,0 м, длина 8−12 Н, а ширина коридора 3−6 м. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м³/сут. Эффективность отстаивания достига­ет 60 %. Скорость движения воды в отстойнике не более 0,01 м/с. Про­должительность отстаивания − 1−3ч.

Рис. 3.1 Отстойникми:

а) горизонтиальный отстойник: 1 – входной лоток; 2 – отстой-ная камера; 3 – выходной лоток; 4 – приямок; б) радиальный отстойник: 1 – корпус; 2 – желоб; 3 – распределительное устройство; 4 – успокоительная камера; 5 – скребковый механизм

Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары (рис. 3.1 б). Вода в них движется от центра к периферии. Такие отстойники применяют при расхо­дах сточных вод свыше 20000 м³/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5–5,0 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до. 30. Обычно используют отстойники диаметром 16–60 м. Эф­фективность осаждения их составляет 60 %.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем. Эф­фективность осаждения вертикальных отстойников ниже на 10-20 %, чем в горизонтальных.

Повысить эффективность отстаивания можно путем добавления коагулянтов и флокулянтов. Кроме того, можно увеличить площадь отстаивания и проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. В пос­леднем случае используют трубчатые и пластинчатые отстойни­ки. При малой глубине отстаивания процесс протекает за корот­кое время (4–10 мин), что позволяет уменьшить размеры от­стойников.

Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз, в шламоприемник.

16 Очистка сточных вод фильтрованием

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под дей­ствием гидростатического давления столба жидкости, повышен­ного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

Фильтрование через фильтрующие перегородки. В качестве перегородки используют металлические перфорированные ли­сты и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др., а также разнообразные тканевые перегородки. Используют асбестовые, стеклянные, хлоп­чатобумажные, шерстяные ткани и ткани из искусственного и синтетического волокна. По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1−2 м, в закрытых 0,5−1,0 м. Напор воды в за­крытых фильтрах создается насосами. Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бе­тонные или кирпичные резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования‒0,1−0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высо­кая степень очистки сточных вод. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

С коростные фильтры могут быть однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрую­щий слой состоит из одного и того же материала, у многослой­ных - из различных материалов. В многослойных скоростных фильтрах (рис. 3.2) фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов. Например, из слоя антра­цита и песка. Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Они имеют более высокую производи­тельность и большую продолжительность фильтрования. Промывку фильтров, как правило, производят очищенной во­дой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна за­грузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений.

Рис. 3.2 Скоростной контактный фильтр:

1 - корпус; 2 - система удаления промывных вод; 3 – система подачи сточных вод; 4 - система подачи промывных вод; 5 – пористый дренаж; 6 - фильтрующий материал.

Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями разме­ром от 40 до 70 мкм. Скорость фильтрации достигает 25−45 м³/м² · ч. При концентрации взвешенных частиц 15−20 мг/дм³ эффективность очи­стки составляет 50−60 %

17 Удаление взвешенных частиц из сточных вод в гидроциклонах и центрифугах

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

Гидроциклоны. Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые – для удаления осаждающих и всплывающих примесей. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, их легко обслуживать. Они отличаются высокой производительностью и н ебольшой стоимостью. При вращении жидкости в гидроциклонах на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока.

Рис. 3.3 Гидроциклон напорный

Сточную воду тангенциально подают внутрь гидроциклона (рис. 3.3). Жидкость, войдя в цилиндрическую часть, приобретает вращательное движение и движется около стенок по винтовой спирали вниз к сливу. Часть ее с крупными частицами удаляется из гидроциклона. Другая часть (осветленная) поворачивает и движется вверх около оси гидроциклона. Гидроциклоны изготовляются диаметром от 10 до 700 мм, высота цилиндрической части примерно равна диаметру аппарата. Угол конусности равен 10−20 °. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70 %. Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Для глубокой очистки последовательно устанавливают гидроциклоны разных типоразмеров.

Открытые (безнапорные) гидроциклоны применяют для очистки сточных вод от крупных примесей (гидравлической крупностью 5 мм/с). Сточную воду тангенциально подают в пространство, ограниченное внутренним цилиндром. Поток по спирали движется вверх. Дойдя до верха цилиндра, он разделяется на два потока - осветленная вода попадает в лоток, а поток со взвешенными частицами поступает в коническую его часть.

Центрифуги. Для удаления осадков из сточных вод могут быть использованы фильтрующие и отстойные центрифуги. Центробежное фильтрование достигается вращением суспензии в перфорированном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью. Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или ножевым съемом. Фильтрующие центрифуги применяют для разделения суспензий, когда требуется высокая степень обезвоживания осадка и эффективная его промывка, а также в тех случаях, когда используется обезвоженный осадок и достаточно чистый фильтрат.

Из отстойных центрифуг непрерывного действия в системах очистки сточных вод наибольшее распространение получили горизонтальные шнековые центрифуги типа ОГШ. Их используют для выделения частиц гидравлической крупностью примерно 0,2 мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные).

18 Очистка сточных вод коагуляцией и флокуляцией

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти ме­тоды используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Коагуляция. Это процесс укрупнения дисперсных частиц в ре­зультате их взаимодействия и объединения в агрегаты.

Производственные сточные воды в большинстве случаев представля­ют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001−0,1 мкм, мелкодисперсные части­цы размером 0,1−10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и кол­лоидные частицы в результате механической очистки практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после со­оружений механической очистки представляют собой агрегативно ус­тойчивую систему. Для очистки таких стоков применяют методы коагу­ляции; агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуются бо­лее крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод меха­ническими методами. При коагуляции хлопья образуются сначала за счет части взвешен­ных частиц и коагулянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья коагулянта сорбируют вещества, загрязняющие сточные воды, и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.

При введении в сточную воду в качестве коагулянтов солей алюми­ния и железа в результате реакции гидролиза образуются малораство­римые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные вещества и при благоприятных гидродинамических усло­виях оседают на дно отстойника, образуя осадок:

Al₂(SО₄)₃+бН₂О=2А1(ОН)₃+ЗН₂SО₄; (3.1)

Образующиеся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты сле­дует нейтрализовать известью или другими щелочами. Для очистки производственных сточных вод применяют коагулянты: сульфат алюминия, хлорид железа. Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья с размерами от нескольких микрометров до нескольких милли­метров. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1−4 кг/м³; объем осадка, получающегося в результате коагу­ляции, достигает 10−20 % объема обрабатываемой сточной воды. Коагуляционный метод очистки применяется в основ­ном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коа­гулянтов.

Флокуляция. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мел­кие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием спе­циально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно осе­дающие рыхлые хлопьевидные скопления. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул ад­сорбированного на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса обра­зования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью по­вышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжитель­ность процесса коагуляции. Флокулянтами являются: крахмал, оксиэтилцеллюлоза, полиакрилонитрил, активная кремниевая кислота, лигносульфонаты, полимеры винилпиридина. полиакриламид, белки и др. Дозы флокулянтов принимаются в среднем 0,5−1,0 г/м³.

Механизм действия флокулянтов основан на адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; образование сетчатой структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса.

Процесс очистки сточных вод методами коагуляции или флокуляции включает приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование в обрабатываемую сточную воду, смешение со всем объ­емом воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из воды. После сме­шения обрабатываемых сточных вод с коагулянтами начинается про­цесс образования хлопьев, который происходит в камерах Продолжительность пребывания воды в камере хлобьеобразования составляет 15−20 мин.

19 Очистка сточных вод флотацией

Флотация - это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и воды, обусловленный избытком свободной энергии поверх­ностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями сма­чивания. Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании ком­плексов «частицы - пузырьки», всплывании этих комплексов и удале­нии образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой воды. Прилипание частицы, находящейся в жидкости, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворенных веществ, метод пенной сепарации - для удаления растворенных веществ (например ПАВ).

Выделяют следу­ющие способы флотационной обработки производственных сточных вод: 1) флотация с выделением воздуха из раствора; 2) флотация с механическим диспергированием воздуха; 3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы; 4) электрофлотация; 5) химическая фло­тация.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Сущность его заключается в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха составляет 1−5 % объема обрабатываемой воды. При вакуумной флотации сточная жидкость, поступающая на флотацию, предварительно на­сыщается воздухом в течение 1−2 мин в аэрационной камере, откуда она поступает в деаэратор для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02−0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру, в кото­рой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды в камере 20 мин. При напорной флотации сточные воды насосом подаются в напорный бак (сатуратор). На всасывающем трубопроводе насоса имеется патрубок для подсоса воздуха. Объем бака рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1−3 мин) при избы­точном давлении 0,3−0,5 МПа. Количество растворяющегося в сату­раторе воздуха должно составлять 3−5 % объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом сточная вода из сатуратора по­дается во флотационную камеру, где выделившиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ. Всплы­вающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники. Продолжительность флотации составляет 20 мин.

На практике используют флотационные камеры различных конструкций. Схема флотационной камеры («Аэрофлотатор») по­казана на рис 3.4. Сточную воду подают внутрь камеры, где выделяются пузырьки газа, которые всплывают вверх, захватывая взвешенные частицы. Пенный слой с твердыми частицами п оверхностным скребком удаляют в шлакоприемник. Осветленную воду выводят из

Рис. 3.4 Аэрофлотатор:

1 - камера; 2 - скребок; 3 - шламоприемник; 4 - поверхностные скребки

камеры. Твердые частицы, оседающие под дей­ствием гравитационной силы на дно камеры, донным скребком сдвигают в приемник и удаляют через трубопровод. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, поверхностно-активных и волок­нистых веществ. Меха­ническое диспергирование воздуха во флотационных машинах обеспечивается турбинами насосного типа - импеллерами, которые представляют собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы (пористые пластины или колпачки) по сравнению с другими имеет сле­дующие преимущества: простота конструкции флотационной камеры; меньшие затраты энергии (отсутствуют насосы, импел­леры). Недостатки: частое засорение и зарастание от­верстий пористого материала; трудность подбора материала с одинаковыми отверстиями.

20 Очистка сточных вод экстракцией

Наиболее широко методы экстракции применяют для очистки сточ­ных вод предприятий по термической переработке твердых топлив (ка­менного и бурого углей, сланцев, торфа), содержащих значительное количество фенолов. Утилизация извлекаемых из сточных вод фенолов позволяет не только покрыть расходы на их извлечение, но при на­чальной концентрации фенолов выше 3−4 г/дм³, обеспечивает рентабель­ность их очистки. Эффект извлечения фенолов из сточных вод достигает 80−97 %.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая стадия - интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). Образуются две жидкие фазы. Одна фаза − экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая – рафинат содержит сточную воду и экстрагент. Вторая стадия – разделение экстракта и рафината; третья стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Метод основан на распределении загрязняющего веще­ства в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого ве­щества в экстрагенте значительно выше, чем в обрабатываемой сточ­ной воде. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после отделения экстрагируемого вещества вновь используется в технологическом про­цессе очистки. Экстрагент должен иметь хорошую экстрагирующую способность; способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу; малую растворимость в воде; плотность, отличающуюся от плотности воды; температуру кипе­ния, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируе­мого вещества.

Реге­нерация может быть проведена выпариванием, дис­тилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

Применяют про­цессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции каждая сту­пень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и от­стойник, для их гравитационного разделения. ⁴

1

2

3

⁸ _{6 7} ⁹

₅

Рис. 3.5 Схема непрерывной противоточной экстракции:

1 – система для удаления экстрагента из рафината; 2 – колонна; 3 - система для удаления экстрагента из экстракта; 4 - исходная сточная вода; 5 – экстрагент; 6 – рафинат; 7 – экстракт; 8 – очищенная вода; 9 – извлеченный компонент

Схема непрерывной экстракции в противоточной колонне с регенерацией экстрагента показана на рис. 3.5. Вода и экстрагент дви­жутся навстречу друг другу в одном аппарате. При этом примеси сточной воды непре­рывно переходят в экстрагент. Экстрагент удаляют из рафината и экстракта и возвращают в колонну.

21 Очистка сточных вод адсорбцией

Адсорбция – поглощение вещества поверхностным слоем твердого тела. Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очист­ки сточных вод от растворенных органических веществ перед биохимической очисткой, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинствами метода являются вы­сокая эффективность (80-95 %), возможность очистки сточных вод, содер­жащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ. В качестве адсорбентов применяют активные угли, золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины и др. Очистку ведут при интенсивном перемешивании адсорбен­та с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непре­рывного действия.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования - 2 - 6 м³/(м² · ч). Вода в колонне дви­жется снизу вверх, заполняя все сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером в пределах 1,5−5,0 мм. Уголь укладывают на слой гравия, расположенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна со­держать твердых взвешенных примесей.

В одной колонне при неподвижном слое угля процесс очист­ки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгру­жают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 3.6). По такой схеме две колонны ра­ботают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую колонну.

С точная вода Пар

1

3

7

4 5 6

2

Регенерат

Рис. 3.6 Схемы адсорбционных установок непрерывного действия:

1 – усреднитель; 2 – насос; 3 – фильтр; 4-6 – колонны; 7 - емкость

Регенерация адсорбента. Важнейшей стадией процесса ад­сорбционной очистки является регенерация активного угля. Ад­сорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насы­щенным или перегретым водяным паром (200−300 °С) либо нагретым инерт­ным газом (120−140 °С). После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата.

22 Очистка сточных вод ионным обменом

Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция - это про­цесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, при­сутствующими на поверхности твердой фазы - ионита. Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), поверхностно-активные и радиоактивные вещества, очищать воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее исполь­зованием в технологических процессах или в системах оборотного водо­снабжения. Иониты делят на катиониты и аниониты. Ведущая роль принадлежит синтетическим ионообменным смолам – высокомолекулярным соединениям, углеводородные радикалы образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы – противоионами. Например, сульфокатиониты записывают как RSO₃H, где R⁺ - матрица, H⁺ - противоион, SO₃ - анкерный ион. Аниониты в качестве противоионов содержат ионы ОН^-, Cl^- и др.

Реакция ионного обмена происходит следующим образом: на катио­ните

2RSO₃H + ZnCl₂ = (RSO₃)₂Zn + 2HCl (3.2)

на анионите

ROH + HCl = RCl + H₂O. (3.3)

Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой, а анионитов – щелочью, содой, раствором аммиака:

(RSO₃)₂Zn + 2HCl = 2RSO₃H + ZnCl₂, (3.4)

RCl +NaOH = RОН+NaCl. (3.5)

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного действия. Режим работы периодической установки сводится к следующему. Сточная вода поступа-ет внутрь аппарата, проходит слой ионита и выходит через распределитель. Далее подают промывную воду, а затем регенерирующий раствор. Таким образом, цикл работы аппарата состоит из следующих стадий: 1) ионообмен; 2) отмывка ионита от механических примесей; 3) регенерация ионита; 4) отмывка ионита от регенерирующего paствора.

Колонны непрерывного действия могут работать как с движущимся слоем смолы (рис. 3.7), так и с кипящим слоем. Устан овки непрерывного действия содержат несколько ионообменных аппаратов с катионитом и анионитом. Для увеличения эффектив­ности процесса используют ко­лонну с псевдоожиженным слоем или пульсацией.

Рис. 3.7 Схема ионообменной установки с движущимся слоем смолы:

1 – корпус; 2 – разделительная зона; 3 – слой смолы; 4 – тарелка; 5 – эрлифт

23 Нейтрализация сточных вод

С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологи­ческих окислителях и в водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтра­лизации.

Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основани­ях: Н⁺+ОН^- = Н₂О. В результате концентрация каждого из этих ионов становится равной той, которая свойственна самой воде (около 10^-7), т. е. активная реакция водной среды приближается к рН=7. Практически нейтральными следует считают воду с рН = 6,5–8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации сле­дует сточные воды с рН менее 6,5 и более 8,5.

При химической очистке применяют следующие способы нейтрализации: а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод; б) нейтрализация реагентами; в) фильтрование через нейтрализующие материалы; г) абсорбция кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами.

Нейтрализация смешением кислых сточных вод со щелочными. Щелочные воды подают в регулирующий резервуар. Из резервуара щелочные воды равномерно вы­пускают в камеру реакции, где в результате смешения их с кислыми водами происходит взаимная нейтрализация.

Нейтрализация сточных вод добавлением реагентов. Этот метод наиболее широко используют для нейтрализации кислых сточных вод. Для нейтрализации минераль­ных кислот применяют любой щелочной реагент (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная сода Na₂CО₃, каустическая сода NaOH, аммиачная вода NН₄ОН), но чаще всего известь в виде пушонки или известкового молока и карбонаты кальция или маг­ния в виде суспензии.

При нейтрализации производственных сточных вод, содержащих серную кислоту, реакция, в зависимости от применяемого реагента, про­текает по уравнениям: H₂SО₄+Са(ОН)₂ = СаSО₄+2Н₂О; H₂SО₄+СаСО₃ = СаSО₄+2Н₂О+СО₂. (5.6)

Для перемешивания реагента сточной водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение реагентов с водой достигается за счет энергии потока воды. В механических смесителях турбулентность потока усиливается мешалками различных типов.

Нейтрализация кислых сточных вод фильтрацией через нейтрали­зующие материалы происходит на непрерывно действующих фильтрах. В качестве загрузки применяют доломит, известняк, магнезит, мел, мрамор и др. Круп­ность фракций материала загрузки 3−8 см; расчетная скорость филь­трации не более 5 м/ч; про­должительность контакта не менее 10 мин.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют дымовые газы, содержащие оксиды углерода, серы, азота и др. При этом очищаются сточные воды и дымовые газы.

24 Очистка сточных вод окислением и восстановлением

Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания про­изводственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды) или соединения, которые нецеле­сообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими метода­ми (сероводород, сульфиды). Такие виды сточных вод встречаются в машиностроительной, горнодобываю­щей, неф­техимической, целлюлозно-бумажной и в других отраслях промышленности. В качестве окислителей используют хлор и его соединения, озон, кислород, пероксид водорода, оксиды марганца, перманганат и бихромат калия.

Обезвреживание сточных вод хлором или его соединениями − один из самых распространенных способов их очистки от ядовитых цианидов, а также от таких органических и неорга­нических соединений, как органические красители, сероводород, гидросульфид, сульфид, метилмеркаптан и др. Окисление цианидов хлором можно проводить только в щелочной среде (рН = 9−10):

СN ^-+2 ОН^-+С1₂ = СNО^-+2С1^-+Н₂О. (3.7)

Образующиеся цианаты можно окислить до элементарного азота и диоксида углерода:

2CNO^-+4ОH^-+3Cl₂ = 2CО₂+6Cl^-+N₂+2H₂O. (3.8)

Окисление кислородом воздуха. Значительно шире, чем хлорсодержащие реагенты, для окисления сульфидных стоков целлюлозных, неф­теперерабаты-вающих и нефтехимических заводов применяется кислород. Окисление гидросульфидной и сульфидной серы протекает через ряд последовательных стадий:

S^2- →S→ S₂О₃^2-→ SО₃^2-→ SО₄^2-. (3.9)

Озон является эффективным окислителем при обработке водных растворов, содержащих фенолы, циклопентан, циклогексан, тетраэтилсвинец, нафтеновые и сульфанафтеновые кислоты, цианиды, крезолы, неионогенные и анионоактивные поверхно­стно-активные вещества, нефть и многие другие.

Очистка сточных вод восстановлением. Методы восстановления широко исполь­зуют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. В процессе очистки неорганические соединения ртути вос­станавливают до металлической ртути, которую отделяют от воды отстаиванием, фильтрованием или флотацией. Органиче­ские соединения ртути сначала окисляют с разрушением соеди­нения, затем катионы ртути восстанавливают до металлической ртути. Для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид железа, гидросульфит натрия, железный порошок, сероводород, алюминие­вую пудру и др. Наиболее распространенным способом удаления мышья­ка из сточных вод является восстановлении мышья­ковой кислоты до мышьяковистой диоксидом серы. Мышьяко­вистая кислота осаждается в виде триоксида мышьяка. Метод очистки сточных вод от шести­валентного хрома основан на восстановлении его до трехвалент­ного с последующим осаждением в виде гидроксида в щелочной среде. В качестве восстановителей наиболее часто используют раствор гидросуль­фита (бисульфита) натрия:

4H₂CrО₄+6NaHSО₃+3H₂SО₄ = 2Сг₂(SО₄)₃+ЗNа₂SО₄+10Н₂О. (3.10)

25 Электрохимические методы очистки сточных вод

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспер­гированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлотации и электродиализа. Все эти процессы протекают на элек­тродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты без использования химических реагентов. Основным недостат­ком этих методов является большой расход электроэнергии.

Процессы анодного окисления разработаны для очистки сточных вод от рас­творенных примесей (цианидов, роданидов, аминов, спиртов, альдегидов, нитросоединений, азокрасителей, сульфидов, мер­каптанов и др.). В процессах электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадают­ся с образованием СО₂, NН₃ и воды или образуются более простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять дру­гими методами.

Опыт применения локальных установок по электрохимическому окислению имеется на предприятиях машиностроительной, приборострои­тельной, химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности, сточные воды которых содержат фенолы, цианиды, нитросоединения, сульфиды, амины, кетоны, альдегиды, спир­ты, азокрасители, толуол и др.

При электролизе щелочных сточных вод, содержащих циа­ниды, на аноде происходит окисление цианид-ионов с образованием цианат-ионов и дальнейшим их электрохимическим окислением до конеч­ных продуктов:

CN^-+2ОН^--2е = CNO^-+Н₂О; 2CNO^-+4ОН^-‒6е = 2СО₂+N₂+2Н₂О. (3.11)

Катодное восстановление можно использовать для очистки сточных вод от ионов тяжелых ме­таллов РЬ²⁺, Sn²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺, Аs³⁺, Сг⁶⁺. Катодное восстанов­ление металлов происходит по схеме:

Меⁿ⁺+пе^- = Ме°. (3.12)

При этом металлы осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы.

Электрокоагуляция. Коагуляция сточных вод, содержащих мелкодисперс-ные и коллоидные частицы, может происходить при пропускании сточных вод через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия и железа. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в воду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавщимися труднораство-римыми гидроксидами алюминия и железа. Метод электрохимического коагулирования может быть применен для обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты.

Сущность электрофлотационного способа очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа (водорода и кислорода), образующихся при элект­ролизе воды.

26 Биологическое окисление

Биологическое окисление - широко применяемый на практике метод очистки стоков, позволяющий очистить воду от многих органических примесей. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганиз­мов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, про­стейших и ряд более высокоорганизованных организмов - водорослей, грибов и т. д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенст­вующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, количество которых варьирует от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может достигать 5−10, число видов - нескольких де­сятков и даже сотен.

Механизм биологического окисления в аэробных условиях гетеротрофными бактериями может быть представлен следующей схемой:

органические вещества+О₂+N+Р=микроорганизмы+СО₂+Н₂О+

+биологически неокисляемые растворенные вещества; (3.13)

микроорганизмы+О₂=СО₂+H₂O+N+Р+ биологически

неразрушаемая часть клеточного вещества. (3.14)

Реакция (3.13) символизирует окисление исходных органических загрязнений сточных вод и образование новой биомассы. В очищенной воде остаются биологически неокисляемые вещества, преимущественно в растворенном состоянии. Процесс эндогенного окисления клеточного вещества, который про­исходит после использования внешнего источника питания, описывает реакция (3.14).

Влияние различных факторов на эффективность процесса биологической очистки. Оптимальная температура для аэробных процессов, происходящих в очистных сооружениях, считается 20−30°С. Оптимальной считается среда с рН = 6,5−7,5. Для нормального процесса синтеза клеточно­го вещества, а следовательно, и для эффективного процесса очистки воды в среде должна быть достаточная концентрация всех основных элементов питания ‒ органического углерода (БПК), азота, фосфора. Кроме основных элементов состава клетки (С, N, О, Н) для ее по­строения необходимы в незначительном количестве и другие компо­ненты. При обработке городских сточных вод со­отношение БПК_полн.:N:Р должно быть не менее 100:5:1.

Уровень питания. Классические системы (с нагрузкой от 150 до 400 мг БПК_полн на 1 г беззольного вещества ила в сутки) обеспечивают очень высокую степень очистки по БПК.

Кислородный режим. В аэробных биологических системах подача воздуха должна обеспечивать постоянное наличие в смеси растворенного кислорода не ниже 2 мг/дм³. Система аэрации обеспечивает также постоянное поддержание ила во взвешенном состоянии.

Токсичные вещества. За величину ПДК принимают максимальную концентрацию ток­сичного вещества, находящегося в воде и не оказывающего заметно отрицательного действия на работу биологических очистных сооруже­ний (ПДК_б.о.с) и на процессы биоокисления (ПДК_б). Наименьшие ПДК_б имеют тетраэтилсвинец – 0,001 мг/дм³. Наименее токсичными являются соли натрия, лития, магния – их содержание в воде 10 г/дм³ не оказывает никакого дей­ствия.

Микробиологическое окисление органических веществ различных классов. Микробиологи утверждают, что все вещества биологического про­исхождения могут быть окислены в аэробных условиях и, каким бы сложным ни было вещество, в природе всегда найдется микроорга­низм, способный его расщепить полностью или частично. К ка­тегории не окисляемых веществ отнесены: меламин, нитрохлорбензолы, пикриновая кислота, гексахлорбензол, ДДТ, дихлорметан, 1,2-дихлорэтан, циклогексан и многие другие. Первичные спирты окисляются легче вторичных, а вторич­ные – легче третичных. Чем выше разветвленность углеродной цепи, тем выше устойчи­вость к биоокислению.

27 Биологическая очистка сточных вод

Биологическая очистка сточных вод осуществляется в аэробных и в анаэробных условиях. Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В есте­ственных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной кон­струкции. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения. Это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей. Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные куль­туры и они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации. В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрующий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы, образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка адсорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Проникающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превращая их в минеральные соедине­ния. Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3−5 ступеней, через которые с небольшой скоро­стью протекает осветленная или биологически очищенная сточ­ная вода. Бактерии используют для окисления кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кис­лород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют CO₂, фосфаты и аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ.

Очистка в аэротенках. Аэротенками называют железобетон­ные аэрируемые резервуары. Процесс очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для на­сыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Как правило, аэротенк разделен на две части: регенератор (25% от об­щего объема) и собственно аэротенк, в котором идет основной процесс очи­стки. Наличие регенератора дает возможность очищать более концентриро­ванные сточные воды и увеличить производительность агрегата. Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 мг/дм³ взвешенных частиц и не более 25 мг/дм³ нефтепродуктов. Температура очи­щаемых сточных вод не должна быть ниже 6 °С и выше 30 °С, а рН – в пре­делах 6,5-9,0. После контактирования сточная вода с илом поступает во вторичный отстойник, где происходит отделение ила от воды. Большую часть ила воз­вращают в аэротенк, а избыток его направляют на переработку. В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало соору­жения, а смесь отводят в конце его. Аэротенк имеет 1−4 коридора. Такие аэротенки применяют для окисления малоконцентрированных вод (до 300 мг/дм³ по БПК_полн). В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сторон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимического окисления. Такие аэротенки предназначены для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПК_полн до 1000 мг/дм³) при разных колебаниях их распада, состава и количества за­грязнений. В аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в не­скольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части. Возврат­ный ил полностью подают в начало аэротенка. При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффективной очистки.

Очистка в биофильтрах. Биофильтры – это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка). В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, исполь­зуя их как источники питания и энергии. В качестве загрузки используют: щебень, гравий, шлак, керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шестигранные блоки; металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны. Биопленка выполняет такие же функции, как и активный ил.

Анаэробные методы обезвреживания используют для сбражи­вания осадков, образующихся при биохимической очистке производственных сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПК_полн 4-5 г/дм³), содержащих органические вещества, ко­торые разрушаются анаэробными бактериями в процессах брожения. Для очистки сточных вод используют метановое брожение. Из органических веществ обра­зуются метан и диоксид углерода.

Основная реакция метанообразования может быть записана уравнением (H₂A − органическое вещество, содержащее водо­род)

СО₂+4Н₂А→СН₄+4А+2Н₂О. (3.15)

Процесс брожения проводят в метантенках − герметически закрытых резервуарах. Перед подачей в метантенк оса­док должен быть по возможности обезвожен. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40 %. При сбраживании выделяются газы, которые в среднем содер­жат 63−65 % метана, 32−34 % СО₂. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей.

28 Обработка осадков сточных вод. Уплотнение и стабилизация

Обработка осадков сточных вод, образующихся в процес­се их очистки, заключается в уменьшении их влажности и объема, стабилизации, обеззараживании и подготовке к утили­зации.

При очистке городских сточных вод на решетках задержи­ваются крупные нерастворенные примеси - тряпки, бумага, остатки овощей и пр., которые могут вывозиться на свалки или после дробления направляться в метантенки для дальнейшей переработки ‒ сбраживания органической части. Песок, задержанный в песколовках, направляется на песковые площадки, где он обезвоживается и затем вывозится для дальнейшего использования. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточный активный ил с влажностью 99,2−99,5 %, а в первичных отстойниках неорганические и органические вещества с влажностью 95−99,5 %. В осадках содержится свободная и связанная вода. Свобод­ная вода (60−65 %) сравнительно легко может быть удалена из осадка, связанная вода (30−35 %) ‒ коллоидно-связанная и гигроскопическая ‒ гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволакивает твердые частицы гидратной оболочкой и препятствует их соединению в крупные агрегаты. Некоторое количество этой влаги удаляется из осадка после коагуляции в процессе фильтрования. Разрушить гидратную оболочку можно кратковременной термической обработ­кой. Полное удаление влаги достигается в процессе вы­сокотемпературной сушки. Для обработки и обезврежи­вания осадков используют­ся различные технологиче­ские процессы: уплотнение, стабилизация, кондиционирование, обезвоживание и термическая обработка.

Уплотнение активного ила осуществляется для удаления свободной влаги. Удаляется 60 % влаги и объем ила уменьшается в 5−7 раз. В качестве илоуплотнителей исполь­зуют вертикальные или радиальные отстойники. Уплотненный избыточный активный ил направляется в метантенки или в аэробные стабилизаторы.

Стабилизация осадков. Этот процесс проводят для разру­шения биологически разлагаемой части органического вещест­ва. Стабилизацию ведут при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных ус­ловиях. В анаэробных условиях проводится сбраживание в септиках, двухъярусных отстой­никах на установках небольшой производи­тельности, в метантенках на установках мощностью свыше 100 тыс м³/сутки сточных вод. При брожении в метантенках образуется метан: СО₂+4Н₂А = СН₄+4А+2Н₂О (H₂A − органическое вещество, содержащее водо­род). Метан сжигают в котельных, полученный пар используют.

Кондиционирование осадков. Этот процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием или утилизацией проводят для снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдающих свойств осадков вследствие изменения их структуры и форм связи воды. Конди­ционирование проводят добавлением в осадок коагулянтов (сульфат алюминия, хлорид железа и др.), флокулянтов (полиакриламид и др.) или нагреванием осадка в автоклавах до 170−200 °С в течение 1 ч.

29 Обезвоживание осадков БОС

Осадки обезвоживают на иловых площадках и механическим способом.

Иловые площадки – это участки земли (карты), со всех сторон окруженные земляными валами. Если почва хорошо фильтрует воду и грунтовые воды находятся на большой глубине, иловые площадки устраивают на естественных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубине до 1,5 м фильтрат отводят через специальный дренаж из труб, а иногда делают искусственное основание. Рабочая глубина площадок – 0,7−1,0 м. Иловую воду после уплотнения направляют на очистные сооружения.

В районах с теплым климатом для очистных сооружений производительностью более 10000 м³/сут могут быть оборудованы площадки с поверхностным удалением воды. Они представляют собой каскад из 4−8 площадок. Иловые площадки-уплотнители сооружают глубиной до 2 м с водонепроницаемыми стенами и дном. Принцип действия их основан на расслоении осадка при отстаивании. При этом жидкость периодически отводят с разных глубин над слоем осадка, а осадок удаляют специальными машинами.

Механическое обезвоживание осадков проводят на вакуум-фильтрах (барабанных, дисковых, ленточных), листовых фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах и виброфильтрах. На вакуум-фильтрах из осадков может быть удалено в среднем 80%, на дисковых – 90 %, а на фильтр-прессах – 98 % общего количества механически связанной воды. Производительность вакуум-фильтров наиболее высокая. Для эффективного обезвоживания осадков их предварительно обрабатывают коагулянтами и/или флокулянтами. Дозу реагента определяют экспериментально в зависимости от удельного сопротивления осадка: чем оно выше, тем больше реагента требуется для снижения удельного сопротивления осадка.

На барабанных фильтрах осадок из резервуара насосом через дозатор подают на фильтр, куда поступают и реагенты. На поверхности вращающего барабана образуется уплотненный осадок, который удаляется сжатым воздухом. Влажность осадка 70−80 %. Фильтрат направляют на биологическую очистку.

Низкая влажность осадков (50−70 %) достигается при обезвоживании на центрифугах. Достоинствами установки центрифугирования являются простота, экономичность, низкая влажность обезвоженных осадков, легкость управления. Для обезвоживания используют в основном шнековые центрифуги, производительность которых при обработке осадков из первичных отстойников составляет 8−30 м³/ч, а сброженных осадков 12−40 м³/ч. Удельный расход энергии составляет 2,5−3,3 кВт·ч на 1 м³ обрабатываемого осадка.

30 Термические методы обработки осадков

К термическим методам обработки осадков относятся сушка и сжигание.

Сушку осадков производят в случае их подготовки к рекуперации. Для сушки применяют конвективные сушилки: барабанные, со встречными струями, с кипящим слоем, распылительные. В качестве сушильного агента используют топочные газы, перегретый пар или горячий воздух. Наиболее часто применяют дымовые газы с температурой 500−800 °С.

Барабанные сушилки имеют диаметр 1,0−3,5 м и длину 6−27 м, их устанавливают под углом 3−40 °. Барабан вращается со скоростью 1,5−8,0 об/мин. Для равномерного распределения осадка внутри барабана устанавливают насадки. Высушенный материал удаляют транспортером. Отходящие газы после очистки в циклоне и скруббере выбрасывают в атмосферу. Влажность осадков до сушки 80 %, после сушки 30−35 %. Производительность сушилок по влаге от 0,3 до 15 т/ч. Удельный расход тепла 4600−5000 кДж на 1 кг испаряемой влаги. Основными недостатками барабанных сушилок являются их громоздкость, большая металлоемкость и высокие капитальные и эксплуатационные затраты. Распылительные сушилки применяют для сушки очень влажных осадков. Предварительно высушенный активный ил концентрацией 50−80 г/дм³ подают в верхнюю часть сушилки, куда из топки поступают газы при 350 °С. Сушка осадка происходит с большой скоростью до влажности 8−10 %. Газы очищают в батарейном циклоне. Производительность сушилок от 2 до 15 т/ч.

Сжигание осадков производят в тех случаях, когда их утилизация невозможна или нецелесообразна, а также если отсутствуют условия для их складирования. При сжигании объем осадков уменьшается в 80−100 раз. Процесс сжигания осадков можно разделить на следующие стадии: нагревание, сушка, отгонка летучих веществ, сжигание горючей органической части и прокаливание для выгорания остатков углерода. На нагревание осадка, а затем его сушку расходуется основное количество тепла и основное время. Осадки сжигают в печах кипящего слоя, многоподовых, барабанных, циклонных и распылительных печах. Барабанные печи представляют собой вращающийся наклонный барабан с выносной топкой, где сжигают жидкое или газообразное топливо. Обезвоженный осадок загружают с противоположного от топки конца барабана и сжигают в зоне горения. Достоинством печей является небольшая запыленность отходящих газов, возможность сжигать осадки с большой зольностью и влажностью. Печь кипящего слоя представляет собой футерованный цилиндр с воздухораспределительной решеткой. На решетку насыпают слой песка толщиной 0,8−1,0 м (размер частиц 0,6−2,5 мм). Псевдоожиженный слой образуется при продувании газов через распределительную решетку. Ил подают в печь на слой песка, где он просушивается, истирается и сгорает при 590−780 °С. Процесс горения длится не более 1−2 мин. Дымовые газы поступают в теплообменник, где охлаждаются воздухом, подаваемым воздуходувкой из теплообменника. Нагретый воздух подают в печь для создания псевдоожиженного слоя и поддержания горения. Дымовые газы после теплообменника поступают в циклон, где отделяются твердые частицы, а затем – в поверхностный абсорбер, орошаемый водой. Очищенные газы выбрасывают в атмосферу. Вода из абсорбера поступает в отстойник, где отделяется зола. Осадок в виде пульпы направляют на вакуум-фильтр. Фильтрат и воду из отстойника возвращают в абсорбер. Полученную золу используют как минеральное удобрение или для изготовления строительных материалов.

31 Выделения веществ из концентрированных растворов

Для выделения веществ из концентрированных растворов используют методы кристаллизации и сушки.

Кристаллизация. Вещества, растворимость которых существенно возрастает с повышением температуры (положительная растворимость), кристаллизуют при охлаждении их насыщенных растворов – это политермическая, или изогидрическая кристаллизация, идущая при неизменном содержании воды в системе. Если с ростом температуры растворимость веществ уменьшается, то кристаллизацию проводят при нагревании раствора. Вещества, мало изменяющие растворимость при изменении температуры, кристаллизуют путем испарения воды при постоянной температуре – изотермическая кристаллизация. Положительной растворимостью обладают, например, растворы MgCl₂, MgSО₄, отрицательной – растворы Ca SО₄, CaSiO₃ и др. Кристаллизацию соли можно также проводить введением в концентрированный раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Это вещества, содержащие одинаковый ион с данной солью или связывающие воду. Кристаллизацию такого типа называют высаливанием. Распространенным видом кристаллизации является химическое осаждение вещества из растворов с применением реагентов. Так, примеси ионов металлов часто осаждают в виде гидроксидов, добавляя в раствор щелочи.

Кристаллизация растворов при выпаривании может проводиться в последних ступенях многоступенчатых выпарных установок, а также в ступенях установок адиабатного испарения. Наиболее надежны выпарные аппараты-кристал-лизаторы с выносной греющей камерой и принудительной циркуляцией раствора. Кристаллизация с применением погружного горения наиболее пригодна для выпаривания и концентрирования коррозионноактивных растворов, а также растворов солей, растворимость которых увеличивается с понижением температуры. Наиболее часто кристаллизацию проводят в специальных кристаллизаторах при охлаждении или нагревании растворов. Кристаллизацию с охлаждением растворов применяют чаще, так как растворимость большинства солей уменьшается с понижением температуры. Выделение кристаллов происходит только из пересыщенных растворов. Для кристаллизации растворов с положительным коэффициентом растворимости используют кристаллизаторы с воздушным или водяным охлаждением. Для растворов, кристаллизующихся при повышении температуры, применяют термоумягчители. Раствор нагревается горячим воздухом в барботажном аппарате, откуда образующиеся кристаллы отводят в виде суспензии. Для кристаллизации с помощью химического осаждения используют аппараты с мешалками. В случае осаждения газообразными реагентами применяют колонные аппараты с контактными тарелками, конструкция которых исключает значительные отложения на них кристаллов.

После кристаллизации в аппаратах любой конструкции полученные кристаллы отделяют от маточного раствора в вакуум-фильтрах, отстойниках и фильтрующих центрифугах. После промывки их используют как готовую продукцию или перерабатывают в другие вещества. Маточный раствор и промывные воды должны быть возвращены на стадию концентрирования или направлены на очистку с целью дальнейшего использования.

Сушка. Для выделения из сточных вод сухого продукта могут быть использованы распылительные сушилки. В таких сушилках суспензию или коллоидный раствор разбрызгивают до капель размером 10−50 мкм, которые падают в объеме сушилки в потоке горячего воздуха или топочных газов. В сушильной камере линейная скорость этого потока должна быть меньше скорости осаждения частиц высушенного материала и равна 0,2−0,5 м/с. Поверхность соприкосновения капель материала с воздухом достигает 300000 м² на 1 м³ материала. В этих условиях скорость сушки значительно увеличивается, а ее продолжительность снижается до сотых долей секунды. Для отделения высушенного материала от газового потока используют циклоны, рукавные фильтры, скрубберы, электрофильтры.

Для распыления сточных вод в сушилке применяют центробежные, пневматические или механические распылители. При большой производительности (до 20−40 т/ч) наиболее перспективными являются центробежные распылители, представляющие собой диски, вращающиеся со скоростью 100−200 м/с. Пневматические распылители – это обычные форсунки, в которых распыление осуществляется воздухом, сжатым до избыточного давления 0,15−0,30 МПа. Механические распылители – это форсунки, в которых жидкость подают под давлением до 20 МПа. Распыление в них происходит в результате удара струи жидкости о стенку или соударения двух струй. Сушка распылением представляет собой совокупность следующих процессов: диспергирование материала, движение диспергированного материала и сушильного агента и тепломассообмен между ними, перенос теплоты и массы высушиваемых частиц.

32 Термоокислительные методы обезвреживания

сточных вод

При использовании термоокислительных методов все органические вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и пламенный, или «огневой», метод.

Метод жидкофазного окисления основан на окислении органических веществ, растворенных в воде, кислородом при температурах 100−350 °С и давлениях 2−28 МПа. При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ. Сточную воду смешивают с воздухом, нагнетаемым компрессором, и насосом подают в теплообменник, где смесь нагревается за счет тепла отходящей очищенной воды. Далее она поступает в печь для нагревания до необходимой температуры, а затем в реактор, в котором происходит процесс окисления, сопровождаемый повышением температуры. Воду и продукты окисления (пар, газы, зола) из реактора подают в сепаратор, где происходит отделение газов от жидкости. Газообразные продукты направляют на утилизацию тепла, а воду с золой – в теплообменник, в котором они отдают свое тепло смеси сточной воды с воздухом. Достоинствами метода являются: возможность очистки большого объема сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах окисления вредных органических веществ, легкость комбинирования с другими методами, безопасность в работе. Среди недостатков следует указать на неполное окисление некоторых химических веществ, значительную стоимость оборудования установки и высокую коррозию оборудования в кислых средах. Метод может быть использован для очистки сточных вод в азотной, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Метод парофазного каталитического окисления. В основе метода находится гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в промышленных сточных водах. Процесс протекает весьма интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевого или другого катализатора. Сточную воду из сборника подают в выпарной аппарат, откуда упаренная пульпа поступает на центрифугу, где обезвоживается. Образующийся осадок направляют на сжигание в печь. Водяной пар вместе с летучими органическими веществами из выпарного аппарата поступает в теплообменник, где нагревается за счет тепла парогазовой смеси, выходящей из контактного аппарата. После теплообменника пары смешивают с горячим воздухом и направляют в контактный аппарат, в котором происходит окисление органических веществ. Дымовые газы из печи поступают в котел-утилизатор, где образуется пар, направляемый в выпарной аппарат. Установки характеризуются высокой производительностью по сточной воде и высокой степенью обезвреживания, достигающей 99,8 %. Основной недостаток установки – возможность отравления катализаторов соединениями фосфора, фтора, серы. Поэтому необходимо предварительное удаление каталитических ядов из сточных вод.

Огневой метод. Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900−1000 °С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают. Содержащиеся в воде минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы, которые улавливают в циклонах или фильтрах. В зависимости от концентрации и состава сточных вод используют печи различной конструкции: камерные, шахтные, циклонные и с псевдоожиженным слоем. Наиболее эффективными являются циклонные печи. В них благодаря вихревому характеру газового потока создается интенсивный тепло- и массообмен между каплями сточной воды и газообразными продуктами. Воздух, тангенциально вводимый в печь, совершает вращательное движение, перемещаясь вдоль оси цилиндра по спирали. Сточную воду распыливают форсункой и сжигают. Недостаток таких печей – большой унос солей с газовым потоком.

Контрольные вопросы ПЭ БЭ ЗС