Виділення органічних домішок іншими методами

Видалення зі стічних вод багатьох органічних речовин, як правило, є складною задачею, що пов’язана зі значними матеріальними витратами. Тому досить часто більш доцільним є переведення цих речовин у інші сполуки, виділення яких зі стічних вод не є складним за своєю сутністю процесом. У зв’язку із цим широке розповсюдження одержали методи естерифікації, полімеризації та поліконденсації, а також переведення у малорозчинні сполуки, що використовуються в якості альтернативних методів очищення стічних вод від органічних домішок.

Запитання для самоконтролю

1. Перелічіть основні типи апаратів, що використовуються для концентрування стічних вод та одержання сухого залишку забруднюючих речовин.

2. В чому полягає сутність «вогневого» методу знешкодження стічних вод?

3. Чим проста перегонка принципово відрізняється від перегонки з водяною парою або азеотропної ректифікації? Відповідь поясніть.

4. В яких випадках доцільно застосовувати метод естерифікації? Наведіть приклади.

Додатки Приклади орієнтовних завдань для розрахунково-графічної роботи

1. Основні положення роботи. Вихідні дані до проекту (додаток 1) містять відомості про якість джерела води, розрахункову продуктивність станції, кількість пожеж тощо. Студенту необхідно визначити технологічну схему очисної станції та перерахувати її основні споруди.

Додаток 1. Вихідні дані для виконання розрахунків

№ з/п	Показник	Величина
	Основні дані
1	Корисна потужність станції, м3/добу	2600
2	Мутність води, мг/л	310
3	Кольоровість, град	50
4	Запахи та присмаки, бали	4,3
5	Лужність, мг-екв/л	2,3
6	Твердість, мг-екв/л	8,9
7	Активна реакція рН	9,3
8	Вміст СО2, мг/л	0,5
9	Вміст загального Fe, мг/л	8,2
10	Вміст іонів Fe2+, %	71
11	Вміст іонів Са2+, мг-екв/л	6,9
12	Вміст іонів Mg2+, мг-екв/л	2,7
	Додаткові дані
13	Кількість одночасних пожеж	2
14	Норма витрат води на одиницю площі, л/с	10
15	Час відновлення пожежного запасу, год	72

2. Визначення розрахункової продуктивності водоочисної станції. Повна витрата води, яка потрапляє на водоочисну станцію, визначається з урахуванням витрати води на власні потреби станції та додаткової витрати води на поповнення пожежного запасу. Повна продуктивність водоочисної станції розраховується за формулою (2.1):

Q_п.д. = ×Q_п.к. + Q_дод.,

де Q_п.д. – добова потужність (м³/добу);  – коефіцієнт, який враховує витрати води на власні потреби станції та при об’ємі менше 5000 м³/добу приймається рівним 1,05; за об’єму більше 5000 м³/добу =1,1; Q_п.к. – задана корисна потужність, м³/добу (за завданням); Q_дод. – додаткові витрати води на поповнення пожежного запасу в резервуарі чистої води (м³/добу).

Погодинна потужність станції визначається за формулою (2.2):

Q_п.год. = Q_п.д./ 24.

Для розрахунку додаткової потужності застосовують формулу (2.3):

,

де n – кількість одночасних пожеж (за завданням); q_пож. – норма витрат води на одиницю площі (л/с); t_пож. – тривалість гасіння пожежі (t_пож.= 3 год); Т_пож. – тривалість відновлення пожежного запасу (год). Поповнення пожежного запасу води можливо виконувати шляхом форсування режиму роботи очисної станції.

У нашому випадку:

(м³/добу);

(м³/добу);

Q_п.год. = 2733 / 24 = 113,9 (м³/год).

3. Складання попередньої висотної схеми споруд. Висотна схема станції встановлює залежність між відмітками рівнів води у технологічних спорудах та устаткуванні. На висотній схемі, яка виконується в масштабі на міліметровому папері, вказуються, крім відміток рівнів води, основні трубопроводи та відмітки дна споруд. Висотну схему починають будувати з нульової відмітки, за яку приймають резервуар чистої води. Інші споруди розміщуються по висоті з урахуванням втрат напору.

Схема очистки води із застосуванням реагентів включає:

1) насосну станцію першого підйому;

2) реагентне господарство, змішувач, камеру утворення пластівців, відстійник, швидкий фільтр, резервуар чистої води;

3) насосну станцію другого підйому.

Відмітки рівнів води у спорудах визначають, починаючи з резервуара чистої води, максимальний рівень у якому відмічають на 0,5–1,0 м вище рівня землі (відмітка 0,00). Після проведення розрахунків споруд відмітки уточнюють. В реагентних схемах для інтенсифікації процесу освітлення води, після вводу коагулянту, слід передбачити введення флокулянтів (поліакриламіду, активної силікатної кислоти), а у безреагентних схемах – обов’язкове знезаражування води рідким хлором.

4. Розрахунок реагентного господарства: визначення витрат коагулянтів. Реагентне господарство розміщується у окремому приміщенні будівлі водоочисної станції. В його складі перебувають споруди та обладнання, призначені для зберігання, виготовлення та дозування розчинів реагентів, необхідних для обробки води. Склад реагентного господарства залежить від прийнятої технології поліпшення якості води. Реагенти додаються у воду у вигляді розчинів та суспензій. Як коагулянти на станціях освітлення та знебарвлення води найчастіше використовується гідрат алюміній сульфату – Al₂(SO₄)₃18H₂O. Промисловість випускає неочищений продукт, який містить до 35,5% чистої речовини, та очищений із загальним вмістом безводного Al₂(SO₄)₃ до 45%. Крім того, для коагуляції також використовують гідрат ферум (ІІІ) сульфату – Fe₂(SO₄)₃9H₂O, залізний купорос – FeSO₄7H₂O, а також ферум (ІІІ) хлорид – FeCl₃.

Процес коагуляції відбувається в результаті порушення агрегативної стійкості колоїдної системи, яка зумовлена тим, що колоїдні частинки мають електричний заряд, однаковий за знаком. Маленькі частинки злипаються, захоплюючи при цьому більш великі за розміром. При цьому утворюються пластівці, які швидко осідають. В процесі коагуляції також зменшуються запахи та присмаки, бактеріальне забруднення стічних вод. Особливо ефективною є обробка коагулянтами для видалення колоїдних часток. Розрахункова доза коагулянту Д_к.­­, (у мг/л) встановлюється на найгірший період року щодо каламутності та кольоровості вихідної води. Для кольорових вод доза коагулянту встановлюється за формулою (4.1):

,

де К – кольоровість води, град (за завданням). Ця доза приймається в залежності від каламутності вихідної води – М_к., мг/л (додаток 2).

Додаток 2. Визначення максимальної дози коагулянту (Д_к.),

необхідної для очищення стічної води, в залежності від її каламутності (М_к.)

Мк., мг/л	До 100	100-200	200-400	400-600	600-800	800-1000	1000-1500
Дк.­­, мг/л	25-30	30-40	35-45	45-50	50-60	60-70	70-80

При одночасному видаленні з води каламутності та кольоровості для їх зниження приймається одна з більших доз (Д_к.max.­­).

У нашому випадку:

(мг/л).

Оскільки мутність вихідної води становить 310 мг/л, доза коагулянту повинна складати не менше 40,5 мг/л (додаток 2), тому приймаємо:

Д_к.max.­­= 40,5 (мг/л).

При недостатній природній лужності для проведення процесу коагуляції вихідну воду слід підлужувати. При цьому дозу лугу Д_л. (у мг/л) можна визначити за формулою (4.2):

,

де Е_л. та Е_к. – еквіваленти лугу та коагулянту (додаток 3); Л_з. – загальна лужність води, мг-екв/л (за завданням), яка для поверхневих вод дорівнює карбонатній твердості води; В (у %) – вміст активної речовини в реагенті лугу.

Додаток 3. Еквівалентні концентрації активної речовини

в коагулянтах (Е_к.) та лугах (Е_л.)

Коагулянт	Ек.	Луг	Ел.
Al2(SO4)3	57	NaOH	40
Fe2(SO4)3	66,7	Na2CO3	53
FeSO4	76	CaO	28
FeCl3	54	–	–

Ці реагенти вводяться одночасно з коагулянтом. Якщо Д_л.<0, то природна лужність є достатньою і здійснювати додаткове підлужування не потрібно.

У нашому випадку:

В якості коагулянту обираємо FeCl₃ (Е_к.=54), а підлужування здійснюватимемо за допомогою негашеного вапна CaO (Е_л =28; В=37%).

<0.

В результаті введення коагулянту кількість зважених часток збільшується за рахунок його неактивної частини. При цьому фактичну мутність М_факт., виражену у мг/л, розраховують за формулою (4.3):

М_факт.= М_к.+ k× Д_к.max.­­ + 0,25×K + К_{нерозч.},

де k – поправковий коефіцієнт, що приймається рівним 0,8 у випадку FeCl₃ та 0,55 для решти коагулянтів, а К_{нерозч.} відповідає кількості нерозчиненої речовини, що вноситься разом з вапном (зазвичай приймається рівним нулю). При коагуляції лужність води помітно змінюється, тому слід розрахувати нову лужність Л_н. (у мг-екв/л) за формулою (4.4):

.

При Д_л.<0 співвідношення не береться до уваги під час виконання розрахунків величини Л_н..

У нашому випадку:

М_факт.= 310 + 0,8×40,5 ­­+ 0,25×50 + 0 = 354,9 (мг/л);

(мг-екв/л).

5. Реагентне пом’якшення води: розрахунок дози вапна. Пом’якшення води реагентними методами засноване на обробці води такими реагентами, аніони яких з Са²⁺ та Mg²⁺ утворюють малорозчинні речовини – CaCO₃, Mg(OH)₂, Ca₃(PO₄)₂, Mg₃(PO₄)₂ та ін. На практиці частіше за все використовують гашене вапно Са(OH)₂, яке частково розчиняється у воді та зв’язує вуглекислоту у нерозчинні карбонати. При цьому дозу вапна Д_в. (у мг-екв/л) розраховують за формулою (5.1):

,

де [CO₂] відповідає вмісту вуглекислого газу, мг/л (за завданням); Т_карб. та Т_магн. – відповідно карбонатна та магнієва твердість води, мг-екв/л; Н_в. – надлишок вапна, що зазвичай приймається рівним ­0,5–1 (мг-екв/л).

У нашому випадку:

При Н_в.= ­0,5 (мг-екв/л) розрахункова доза вапна складатиме:

(мг-екв/л).

Спираючись на одержані результати, розраховуємо годинну (Д_в.год.), добову (Д_в.доб.) та місячну (Д_в.міс.) дози вапна за формулами (5.2-5.4):

Д_в.год.= Q_п.год.× Д_в.;

Д_в.доб.= Д_в.год.× 24;

Д_в.міс.= Д_в.доб.× 30.

У нашому випадку:

Д_в.год.= (113,9 × 12,9) / 1000 = 1,5 (кг/год);

Д_в.доб.= 1,5 × 24 = 36,0 (кг/доб);

Д_в.міс.= (36,0 × 30) / 1000 = 1,1 (т/міс).

6. Видалення Феруму з води проводять у тому випадку, коли його вміст складає більше 0,3 мг/л. При цьому застосовують метод фільтрування з одночасною аерацією або введенням окисника. При контакті води з киснем відбувається реакція:

4Fe²⁺ + O₂ + 8HCO₃^– + 2H₂O = 4Fe(OH)₃ + 8CO₂

Аерація використовується для води, що містить до 10 мг/л загального вмісту Феруму; при цьому кількість іонів Fe²⁺ складає більше 70%, а активна реакція рН>6,8 (за завданням). Аерація відбувається за реакціями:

Fe(HCO₃)₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + 2CO₂ + 2H₂O

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Необхідний для цього об’єм повітря, а також потужність компресора розраховують наступним чином:

А) спочатку визначають необхідну частку іонів Fe²⁺ за пропорцією –