2.5.9.Термические методы очистки сточных вод

Термические методы применяют в случае необходимости очистки сточных вод, содержащих высокотоксичные или трудно разрушаемые органические компоненты, обезвреживание которых другими методами невозможно или экономически не оправданно.

Термическое обезвреживание сточных вод включает в себя: термоокислительный метод и жидкофазное окисление.

Термоокислительный (огневой) метод применяют в случае небольших расходов сточных вод для уничтожения высококонцентрированных сточных вод, которые содержат минеральные и органические примеси. Сточную воду в распыленном состоянии вводят в высокотемпературные (900…1000⁰С) продукты горения топлива. Здесь сточная вода испаряется, а органические компоненты сгорают и образуют продукты полного окисления – СО₂, Н₂О, NO₂ (рис.2.28).

Минеральные примеси, образующие расплавленные или твердые частицы, поступают вместе с дымовыми газами в скруббер или выводятся из камеры сгорания. Недостатком данного метода является высокий расход топлива.

Промышленные стоки, удельная теплота сгорания которых Qсг>8,4MДж/кг, сгорают как жидкое топливо. При Qсг<8,4 MДж/кг для осуществления процесса сжигания сточных вод требуется высококалорийное топливо.

Теплоту сгорания сточных вод с органическими загрязнителями рассчитывают по формуле:

Рис. 2.28. Схема огневого метода очистки сточных вод:

1 – сборник исходных сточных вод, 2, 7 – насосы, 3 – печь, 4 – воздуходувка,

5 – скруббер,6 – сборник воды, 8 – дымосос, 9 – дымовая труба

где – плотность сточной воды, кг/м3;

где: Сi – концентрация i-го компонента в сточной воде, моль/дм3;

– удельная теплота сгорания i-го компонента, кДж/моль.

При неизвестном составе сточной воды Q_СГ, MДж/кг определяют по формуле:

где ХПК – химическое потребление кислорода, г/дм³.

2.5.10. Жидкофазное окисление органических веществ, содержащихся в сточных водах

Сточные воды промышленного происхождения опасны в основном из-за загрязнения нефтепродуктами, тяжелыми металлами, токсичными химическими соединениями и, в меньшей мере, синтетическими поверхностно-активными веществами (СПАВ).

Особую область занимают стоки от химической очистки аппаратов ядерной энергетики. У некоторых АЭС возникают большие проблемы, связанные не с производством электроэнергии, а со сложностью обезвреживания технологических слабоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и отсутствия достаточных емкостей для их захоронения. Решение данной повышает конкурентоспособность АЭС.

Для переработки и утилизации сточных вод существует достаточно много химических и физико-химических методов (например, флотация, адсорбция, сжигание и т.д.). Наиболее эффективны термические методы. Одним из наиболее перспективных термических методов очистки является метод жидкофазного окисления (ЖФО), так как позволяет производить очистку до значений ПДК и ниже. В отличие от других методов ЖФО можно применять для очистки воды с любыми органическими загрязнителями, а так же, как пресных сточных вод, так и вод с содержанием неорганических примесей.

Практические испытания технологии очистки кубового остатка от радионуклидов кобальта на Ново-Воронежской АЭС, основанной на результатах исследования ЖФО различных стойких органических веществ, подтвердили её высокую эффективность в сравнении с другими методами переработки кубовых остатков. Метод ЖФО позволяет достаточно полно разрушить комплексы этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) и ее комплекса с кобальтом и достичь глубокой очистки кубовых остатков АЭС от радионуклидов до активности ниже 10"9 Ки/л.

Разработаны установки обезвреживания сточных вод жидкофазным окислением органических веществ растворенным в воде кислородом воздуха при 150—375°С и давлении 2—28 МПа. Их используют для обезвреживания бытовых сточных вод. В последнее время разработаны различные установки для обезвреживания промышленных сточных вод. Выделяемое при окислении тепло можно использовать для различных целей, в том числе для проведения самого процесса.

Метод жидкофазного окисления имеет ряд преимуществ перед огневым методом обезвреживания:

●возможность обезвреживания сточных вод с низким содержанием различных веществ без предварительного концентрирования;

● продукты окисления остаются в сточной воде, но не содержат вредных веществ;

●не загрязняется воздух;

●процесс легко контролируется и безопасен для обслуживающего персонала.

Недостатки метода:

●неполное окисление некоторых органических веществ;

●значительная стоимость оборудования;

● высокая коррозия в кислых средах.

Для расчета установки задают ее производительность, начальную концентрацию органических веществ, давление и температуру в реакторе, время контакта, начальную температуру исходной воды, давление греющего пара.

Определяют:

●количество кислорода, необходимое для окисления;

●количество тепла, необходимое для нагрева сточной воды до заданной температуры;

●объемы емкостей и реактора;

● поверхность теплообменной аппаратуры.

При расчетах принимают:

●парогазовая фаза системы описывается уравнением идеальных газов;

● в реакторе находятся вода с растворенным в ней воздухом;

● влажный насыщенный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и насыщенного водяного пара с относительной влажностью ф = 1.

Поверхность теплообменников находят из уравнений теплопередачи. Для этого определяют количество тепла из теплового баланса, вычисляют коэффициенты теплопередачи и среднюю разность температур.

Жидкофазное окисление решает проблему очистки сернисто-щелочных сточных вод нефтеперерабатывающего производства, которые относятся к наиболее загрязненным по следующим показателям:

● содержание фенолов 6 г/дм³,

●содержание сульфидов – 30 г/дм³,

●ХПК – 100г/дм³,

●БПК – 90 г/дм³.

Для их очистки от сульфидов и меркаптанов, как правило, применяют методы карбонизации, отпарки, однако наиболее эффективным считается жидкофазное окисление кислородом воздуха.

В настоящее наиболее перспективны для эффективной очистки сернисто-щелочных сточных вод окислением гетерогенные катализаторы, в которых активной основой являются металлоорганические комплексы переменной валентности, а в качестве носителя выступает полиэтилен. Подобные катализаторы разрабатывают, в частности, в НПО «Катализ».

Катализаторы на полимерном носителе отличаются хорошими техническими характеристиками: высокой каталитической активностью в широком интервале концентраций сернистых соединений при температуре процесса 60-90º С, механической прочностью, химической и гидролитической стойкостью, устойчивостью к каталитическим ядам, стабильность работы в течение 2-5 лет.

Полимерный катализатор имеет форму гранул неправильной формы размером 15-20 мм и размещается в колонне окисления секционно, выполняя, таким образом, роль насадки, способствующей интенсификации массообменного процесса. Каждая секция заполняется катализатором на 75% объема, что необходимо для свободного движения катализатора внутри секции в процессе работы. Процесс осуществляют в условиях «кипения» катализатора.

Для монтажа реактора окисления можно использовать имеющееся резервное колонно-емкостное оборудование достаточной вместимости. которое удовлетворяет условиям ведения процесса. В результате эксплуатации промышленной установки не происходит увеличения скорости коррозии колонного оборудования ни в целом, ни в местах контакта металлических конструкций с катализатором.

Эффективность процесса по сероводороду составляет не менее 99-100%, по меркаптанам – 95-99%. При совместном присутствии сульфидов и меркаптанов снижения скорости окисления не наблюдается. Окисление проходит до нетоксичных сернистых соединений – тиосульфатов и сульфатов. Меркаптаны окисляются до сульфоксида и сульфоновых кислот. Содержание сероводорода и меркаптанов в отходящем воздухе при рН менее 9 составляет не более 0,5%, при рН более 9 – они практически отсутствуют.

В настоящий момент с применением полимерных катализаторов работают промышленные установки очистки серосодержащих сточных вод на Байкальском ЦБК и Селенгинском ЦКК.

Разработаны типовые установки для очистки сточных вод по методу полного окисления с пропускной способностью от 12 до 700 м³/сутки.

Результаты эксплуатации показали, что установки, работающие по методу полного окисления, экономичнее при пропускной способности до 200 м³/сутки, при большей пропускной способности — аэрационные установки, работающие с образованием избыточного активного ила и с его аэробной стабилизацией.

Компактная установка заводского изготовления типа КУ-12, предназначенная для биологической очистки бытовых сточных вод и близких к ним по составу производственных сточных вод, показана на рис. 2.29.

Очистку осуществляют методом «полного окисления» органических загрязнений, как жидкой, так и твердой фаз сточных вод в аэробных условиях. В этом случае нет необходимости строить отдельные сооружения для сбраживания осадка, а также иловые площадки для подсушки сброженного осадка.

Установка представляет собой металлический резервуар, разделенный системой перегородок на аэрационную и отстойную зоны. На входе имеются пескоулавливающий лоток и решетка с прозорами 16 мм.

Аэрацию сточных вод осуществляют механическими аэраторами поверхностного типа или с пневматической подачей воздуха.В зависимости от способа подачи сточной воды установку монтируют на уровне земли или заглубляют с тем, чтобы сточная вода поступала в нее самотеком. В первом случае требуется утепление установки. Во втором случае при применении установки в климатических зонах со среднезимней температурой до минус 30°С её монтируют на открытом воздухе; при более

суровых климатических условиях над установкой возводят неотапливаемый шатер.

Техническая характеристика установки КУ-12: пропускная способность - 12 куб. м/сутки; приведенное число жителей, обслуживаемых установкой (при норме водопотребления 200 л/чел в сутки), 60 человек.

Рис. 2.29. Схемы установок для очистки сточных вод по методу