КАНАЛИЗАЦИЯ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

К физико-химическим процессам очистки производственных сточ­ных вод относятся: коагуляция, флокуляция, экстракция, сорбция, эва - порация, флотация, ионный обмен, кристаллизация, диализ, дезактива­ция и дезодорация.

Коагуляция. Для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей, а также эмульгированных смол производят их коагулирова­ние. При этом уменьшаются концентрация взвешенных веществ, запах и цветность. Этот процесс применяется для очистки производственных сточных вод в том случае, когда простое отстаивание и фильтрование их не дает удовлетворительного эффекта.

В качестве коагулянта наиболее часто используют сульфат алюми­ния, алюминат натрия, сульфат железа, хлорид железа, известь и др. Введенный в воду сульфат алюминия взаимодействует с содержащими­ся в ней гидрокарбонатами, образуя первоначально гелеобразный гид­роксид алюминия:

Ala(S04)3-b3Ca(HC03)2^2Al(0H)3-f-3CaS04-b6C0a.

В том случае когда щелочность воды недостаточна, добавляют из­весть:

AlA(S04)8+3Ca(0H)a^2Al(0H)a+3CaS04.

Хлопья гидроксида алюминия захватывают взвешенные и коллоид­ные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях быстро оседают на дно отстойника, образуя осадок.

При применении солей железа образуется нерастворимый гидроксид железа:

2FeCl3-f 3Ca(OH)a=2Fe(OH)3-f3CaCla;

Fea(S04)3+3Ca(0H)a=2Fe(0H)3+3CaS04.

При коагулировании солями железа наиболее полное осветление до­стигается применением трехвалентного железа. Для снижения дозы

4

100

Ьо

Рис 5 36 Кривые осаждения взве­шенных веществ при добавлении реагентов

А — ПАА, б — ПАА и FeS04, 1 — без реагентов, 2 — с ПАА дозой 1 мг/л, 3—то же, 2 мг/л, 4—то же 3 мг/л, 5-е ПАА дозой 1 мг/л и FeSO* дозой 120 100 мг/л, 6 —■ ПАА дозой 2 мг/л и FeS04 дозой 100 мг/л

Коагулянта имеет большое значение определение рН сточных вод. При этом для Fe3+ рН может колебаться от 3,5 и выше, однако наилучшие результаты получены в диапазоне рН = 6...9. Для Fe2+ рН должно рав­няться 9,5 и выше.

Двухвалентное железо в виде FeSC>4 — дешевый отход процесса трав­ления стали в металлообрабатывающей промышленности — является также эффективным коагулянтом. Концентрация железа в травильных стоках колеблется от 1,5 до 15%.

Экспериментами установлено, что доза 40 мг/л Fe3+обеспечивает вы­сокую степень очистки сточных вод. При использовании Fe3+ эффект очистки по ХПК достигает 72%, а при использовании Fe2+—70,5%. Сни­жение мутности достигает 90%. Fe3+ позволяет снизить содержание фос­фора на 97,5%, уменьшить содержание бактерий на 40—80%, снизить цветность и уменьшить запах.

Флокуляция. Для интенсификации процессов коагуляции и осажде­ния взвешенных частиц широко используются органические природные и синтетические реагенты — высокомолекулярные флокулянты. Флоку­лянт ПАА катионно-анионного типа представляет собой сополимер ак - риламида и солей акриловой кислоты. Оптимальная доза ПАА для очи­стки производственных сточных вод колеблется в пределах от 0,4 до 1 г/м3.

На рис. 5.36 показано влияние ПАА на осветление сточной воды кон­верторной газоочистки металлургического завода. Процесс отстаивания в течение первых 15 мин при добавлении ПАА ускоряется в 3—5 раз. Из сопоставления кривых 1 я 2 видно, чго для получения эффекта очи­стки 95% без ПАА необходима продолжительность отстаивания 93 мин, а с добавкой 1 мг/л ПАА это время сокращается до 45 мин, т. е. почти в 2 раза. При дальнейшем отстаивании эффективность действия ПАА
сказывается в меньшей степени и на конечный эффект (при 120 мин) ПАА заметного влияния не оказывает.

Применением ПАА можно повысить удельную нагрузку на радиаль­ные отстойники с 1—1,5 до 3—4 м3/(м2-ч).

Новые флокулянты синтезированы в Институте химии АН УзССР. Установлено, что анионные флокулянты К-4, СМА, CAB, АКС-1 наибо­лее эффективны для очистки воды совместно с сульфатом алюминия. Анионные флокулянты МАА, САА и катионные ПВМ, ВПН не требуют добавления в осветляемую воду коагулянтов. Эти новые флокулянты могут применяться при дозах от 0,25 до 3 г/м3 для глубокой очистки сточных вод при концентрации мелкодисперсной взвеси от 100 до 10 000 г/м3.

Для более полного прохождения реакции во всем объеме и экономии реагента весьма большое значение имеет хорошее и быстрое его смеше­ние со сточной водой. Продолжительность пребывания воды в смесителе составляет 1—2 мин.

Необходимая продолжительность контакта сточных вод с реагента­ми колеблется в пределах 20—60 мин. В этот промежуток времени про­исходит действие химических реагентов и протекает процесс коагуля­ции и хлопьеобразования. Последующее осветление воды может произ­водиться в отстойниках. Экономичной является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. Первая ступень — простое отстаивание в от­стойнике без коагуляции; вторая ступень — обработка сточных вод ко­агулянтом и флокулянтом с последующим отстаиванием в отстойнике. По этой схеме достигается экономия коагулянта и флокулянта.

Устройства, в которых осуществляется три основные технологические операции — смешение, коагуляция (хлопьеобразование) и осветление воды, — часто совмещают в единый комплекс коагулятора-осветлителя.

Если в производственных сточных водах содержится не более 4 г/л взвешенных веществ, способных к агрегации, применение осветлителей со взвешенным слоем осадка оказывается более эффективным, чем при­менение отстойников.

В осветлителях вода проходит снизу вверх через слой ранее выде­лившегося шлама с такой скоростью, чтобы взвешенные частицы не уно­сились из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды через взвешенный слой увеличивается степень задерживания мелких суспен­дированных частиц.

Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или пря­моугольными в плане. Площадь осветлителя не должна превышать 150 м2.

При коагулировании алюминиевым или железным коагулянтом ка­меры реакции для формирования хлопьев перед поступлением воды в осветлители не нужны, так как взвешенный слой хлопьев в осветли­теле обеспечивает быстрое укрупнение частиц гидроксида.

Пузырьки образующихся газов и колебания температуры поступаю­щей воды нарушают работу осветлителей — увеличивается вынос взве­шенных веществ из осветлителя. Поэтому необходимо очищаемую воду после смешения с реагентами направлять в воздухоотделитель для ос­вобождения от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакций, протекающих при введении в сточную воду реагентов. Колебания тем­пературы допускаются не более чем 1 град/ч, а колебания расхода воды в течение часа — не более чем на 10%- Все изменения скорости воды в осветлителе должны происходить плавно; резкие колебания скорости, даже незначительные, нарушают работу сооружения.

При содержании взвешенных веществ в сточной воде до 400 мг/л и обработке ее сульфатом алюминия скорость восходящего потока воды в осветлителе обычно может быть доведена до 0,8—0,9 мм/с. При со­держании взвешенных веществ 400—1000 мг/л скорость восходящего
потока увеличивается до 0,9—1 мм/с, а при содержании взвешенных веществ до 2500 мг/л может достигнуть 1,1 мм/с.

Избыток шлама, накапливающегося в осветлителе при его работе, перетекает под действием разности плотностей осветленной воды и взвешенного слоя в специальную камеру — осадкоуплотнитель (освет­лители с естественным отсосом шлама) либо отсасывается в резуль­тате разности уровней отбора воды из рабочей камеры и уплотнителя (осветлитель с принудительным отсосом избытка шлама). Эти освет­лители значительно эффективнее, чем осветлители с естественным уда­лением шлама.

Площадь осветлителя с вертикальным осадкоуплотнителем опреде­ляется по формуле

Foes = F3o + Foy = -^(l + [*Р + (1 - Ffp) ф]. (5.30)

Урасч б /

Где /?8.0, Foy—соответственно площадь зоны осветления и осадко - уплотнителя, м2; Фосв — расчетный расход осветленной воды, м3/с; Vpac4 — расчетная скорость восходящего потока воды в зоне осветления, м/с;

Сн, Ск — начальная и конечная концентрация взвешенных ве­ществ в осветляемой сточной воде, г/м3; б — концентрация взвешенных веществ в шламе осадкоуп - лотнителя, г/м3, после уплотнения в течение времени между продувками осветлителя (не менее 3—6 ч); Ф— коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуп­лотнитель, принимаемый равным 1,15—1,2;

/Ср — коэффициент распределения воды между зоной освет­ления воды и осадкоуплотнителем, вычисляемый по формуле

---- - урасч, (5.31)

О

Здесь Св. о — эталонная концентрация взвешенных веществ в слое взвешенного осадка, г/м3, при скорости воды 1 мм/с и тем­пературе 20° С.

Площадь осветлителей с поддонным осадкоуплотнителем определя­ется по формуле

^з о + ^от =Qpac4 (l+ '~JL! —~---- Ь ~----- —1»

О / Урасч vOt J

Где For, V0T, — соответственно площадь осадкоотводящих труб, м2, и скорость движения воды с осадком в этих трубах, при­нимаемая равной 0,025—0,04 м/с.

Высота слоя взвешенного осадка в осветлителях принимается рав­ной 1,5—2,5 м, высота защитной зоны от верха осадкоотводящих окон или труб до лотков для сбора осветленной воды 1 —1,5 м. Угол наклона к горизонту нижней части стенок конических или пирамидальных ос­ветлителей, а также стенок осадкоуплотнителей принимается не менее 45°. Низ осадкоприемных окон или кромка осадкоотводящих труб рас­полагается на расстоянии 1,5—1,75 м выше перехода наклонных сте­нок осветлителя в вертикальные. Объем зоны уплотнения осадка (части объема осадкоуплотнителя, которая расположена на 0,5—0,7 м ниже нижней кромки осадкоотводящих окон или труб) должен удов­летворять условию

WsyXkcB (l+ "^Т^) (5-33)

Где Ty — продолжительность уплотнения шлама, Ty=3...6 ч

Конструкции осветлителей для очистки производственных сточных вод должны отвечать требованиям, предъявляемым к осветлителям для очистки природных вод, однако скорость восходящего потока воды в зоне осветления и взвешенного осадка, коэффициент распределения, высоту и концентрацию взвешенных веществ в слое взвешенного осад­ка, концентрацию шлама после уплотнения следует определять экспе­риментально.

На заводе «Станколит» (Москва) осуществлена реагентная очист­ка сточной воды литейных цехов в осветлителях нового типа с помо­щью сульфата алюминия и полиакрил - амида.

Конструкция такого осветлителя с выгрузкой уплотненного шлама пока­зана на рис. 5.37. Вода, смешанная с сульфатом алюминия, по трубе 1 по­ступает в воздухоотделитель 3. На кон­це трубы 1 установлена расширяю­щаяся насадка, предназначенная для гашения кинетической энергии воды. При повороте потока воды, выходяще­го из насадки, на 180° и при дальней­шем нисходящем ее движении с малой скоростью происходит удаление возду­ха. Вода направляется по центральной трубе 14 к шести распределительным трубам 15, оканчивающимся коничес­кими соплами. Сопла расположены го­ризонтально и предназначены для рас­пределения и вращения воды по коль­цевой зоне. Полиакриламид вводится в кольцевую зону по трубе 9 с воздухо­отделителем 5.

Одновременно с вращательным движением вода совершает поступа­тельное движение в кольцевой зоне. Скорость поступательного движения рассчитана на поддержание частиц шлама во взвешенном состоянии. Эти частицы образуют контактную среду, которая располагается по высоте коль­цевой зоны от распределительных сопл до некоторой отметки в цилин­дрической части этой зоны. На этой от­метке устанавливается резкая граница поверхности контактной среды и осветленной воды. По мере поступления новой порции взвешенных частиц избыточная часть их из контактной среды отводится через систему окон 11 и с помощью кожуха направля­ется в нижнюю часть шламоуплотнителя 12. Вместе с взвешенными ча­стицами из контактной среды отводится часть воды. Эта вода, выходя из-под нижнего края кожуха, меняет направление своего движения на 180°, вследствие чего происходит инерционное отделение значительной части взвешенных загрязнений. Остальная часть этих загрязнений обра­зует в шламоуплотнителе взвешенную контактную среду, с помощью ко­торой происходит непрерывное осаждение взвешенных веществ в ниж­нюю часть шламоуплотнителя. Образующийся здесь шлам уплотняется и периодически удаляется по трубе 17.

Основная часть воды, поступающей в шламоуплотнитель, осветля­ется так же, как и в кольцевой зоне, и, поднявшись вверх по трубе 6,

Поступает в кольцевой лоток и отводится по трубе 8. Количество этой воды регулируется задвижкой на трубе 6.

Осветленная вода через отверстия 20 сливается в желоб и отводит­ся по трубе 8.

Система окон, расположенных по высоте осветлителя, автоматиче­ски регулирует баланс взвешенных веществ, поступающих в осветли­тель и отводимых в шламоуплотнитель. При изменении содержания взвешенных веществ в исходной воде и пропускной способности освет­лителя верх контактной среды перемещается в пределах высоты рас­положения окон, следовательно, меняется площадь окон, через кото­рые удаляется избыток взвешенных веществ.

В нижней части корпуса шламоуплотнителя имеются круглые окна для удаления из контактной среды тяжелых фракций. Кроме того, эти окна служат для разгрузки стенок шламоуплотнителя от односторон­него давления, которое создается при наполнении и опорожнении ос­ветлителя. Для опорожнения осветлителя служит труба 18.

Конструкция нового осветлителя позволяет: облегчить операцию выгрузки шлама; сократить объем шлама путем снижения его влажно­сти; сократить расход реагентов благодаря улучшению их перемеши­вания с водой; повысить степень осветления воды за счет уменьшения выноса шлама; сократить количество операций промывки осветли­телей.

Экстракционные способы очистки. Для выделения из производст­венных сточных вод растворенных в них органических веществ, напри­мер фенолов и жирных кислот, можно использовать способность этих веществ растворяться в какой-либо иной жидкости, не растворимой в очищаемой воде. Если такую жидкость прибавлять к очищаемой сточ­ной воде и перемешивать, то эти вещества будут растворяться в при­бавленной жидкости, а концентрация их в сточной воде будет умень­шаться. Этот физико-химический процесс основан на том, что при тща­тельном перемешивании двух взаимно нерастворимых жидкостей вся­кое вещество, находящееся в растворе, распределяется между ними в соответствии со своей растворимостью согласно закону распределения. Если же после этого прибавленную жидкость выделить из сточных вод, то последние оказываются частично очищенными от растворенных веществ.

Этот способ удаления растворенных веществ из сточных вод назы­вают жидкостной экстракцией; удаляемые при этом раство­ренные вещества — экстрагируемыми веществами, а добав­ляемую, не смешивающуюся со сточными водами жидкость — экст - рагентом. В качестве экстрагентов применяются бутилацетат, изо- бутилацетат, диизопропиловый эфир, бензол и др.

Отношение взаимоуравновешивающихся концентраций в двух не - смешивающихся (или слабо смешивающихся) растворителях при до­стижении равновесия является постоянным и называется коэффи­циентом распределения:

Сэ

К = —-«const, (5.34)

CQ

Где Сэ — концентрация данного вещества в экстрагенте при устано­вившемся равновесии, кг/м3;

С0 — то же, в сточной воде при тех же условиях, кг/м3.

Величина коэффициента распределения К зависит от температуры, при которой производится экстракция, и от концентрации экстрагируе­мого вещества. Данные о величине К для некоторых веществ (при тем­пературе 25° С) приведены в табл. 5.11.

Так как степень ассоциации молекул и активность ионов меняются с изменением концентрации, то величину коэффициента распределения К определяют экспериментально для того интервала концентраций, с которым придется иметь дело в практических условиях.

К экстрагенту предъявляется еще ряд требований. Он не должен образовывать эмульсии с водой, так как это ведет к снижению произ­водительности установки и к увеличению потерь растворителя, должен легко регенерироваться, быть нетоксичным.

Техника экстракционной очистки состоит в следующем. К сточной воде добавляют экстрагент и перемешивают их до установления рав­новесного распределения примеси между обоими растворителями. При последующем отстаивании смесь из-за разности плотностей разделяет­ся на два слоя, которые могут быть отделены друг от друга механиче­ским путем.

При однократной экстракции нельзя полностью удалить из сточных вод экстрагируемое вещество; это может быть достигнуто лишь в ре­зультате повторной экстракции одной и той же порции воды новыми порциями экстрагента, что и применяют на практике. Этот способ недо­статочно экономичен, так как требует большого количества экстраген­та. Так, например, чтобы уменьшить концентрацию фенолов в очищен­ных сточных водах с 6 до 0,1 г/л, нужно произвести несколько экстрак­ций и для очистки 1 л сточной воды затратить такого экстрагента, как бензол, 2,2 л.

Более экономично проводить экстракцию, направляя поток экстра­гента навстречу потоку сточных вод (противоточная экстракция). В этом случае для снижения концентрации фенолов с 6 до 0,1 г/л не­обходимо всего 0,5 л того же экстрагента (бензола) на 1 л сточной во­ды. Уменьшение расхода экстрагента при противоточной экстракции обусловливается большим насыщением бензола фенолом, достигаю­
щим 10—15 г/л. Экстракция по такому принципу проводится в экст­ракционных колоннах или в каскаде экстракторов (рис. 5.38).

Для лучшего смешивания очищаемых вод с экстрагентами внутри экстракторов устраивают перегородки или устанавливают мешалки. Если экстрагент имеет меньшую плотность, чем сточная вода, то ее подают сверху, а экстрагент — снизу. В противном случае подачу сточ­ных вод осуществляют снизу, а экстрагента — сверху.

В трехступенчатом каскаде противоточной экстракции очищаемые сточные воды проходят последовательно три экстрактора, оборудован­ных механическими мешалками. Чистый экстра­гент вводят в третий экстрактор, в котором очи­щаемые воды содержат сравнительно немного за­грязнений. После выделения в отстойнике третьей ступени этот эстрагент перекачивается во второй экстрактор, где находится более концентрирован­ная сточная вода, чем в третьем экстракторе. По­сле отделения в отстойнике второй ступени экст­рагент подается в первый экстрактор, где концен­трация загрязнений в нем достигает предельной величины. Экстрагент, выделенный в отстойнике первой ступени, направляется на регенерацию и повторное использование.

Экстрагенты по их растворяющей способности могут быть разделены на две группы. Одни из них могут извлекать преимущественно только одну какую-нибудь при­месь или примеси только одного класса, другие же — большую часть примесей данных сточных вод (в предельном случае — все). Экстраген­ты первого типа называют селективными (избирательными).

Экстрагирующие свойства растворителя можно усилить путем ис­пользования синергического эффекта, обнаруженного при экстракции смешанными растворителями. Например, при извлечении фенола из сточных вод отмечается улучшение экстракции бутилацетатом в смеси с бутиловым спиртом.

Для определения конечной концентрации С растворенных веществ в сточной жидкости при непрерывной экстракции пользуются формулой

(1 + КЬ)п

Где С0 — начальная концентрация экстрагируемого вещества в воде, кг/м3;

К— коэффициент распределения;

Удельный расход экстрагента, м3/м3, определяется из соотно­шения

W

NQ *

Здесь W—общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м3;

П — число экстракций;

Q — объем воды, подвергающейся экстракции, м3. Материальный баланс процесса непрерывной экстракции может быть выражен уравнением

C0Q ~ CQ - j- C3W r

ЕЦе Сэ — концентрация вещества в экстрагенте, кг на 1 м3 экстра­гента.

При определении высоты колонных экстракторов исходят из необ­ходимости обеспечить максимальную насыщенность экстрагента веще­ством при данной концентрации его в сточной воде.

Следовательно, вверху колонны (если плотность экстрагента мень­ше, чем плотность воды) концентрация насыщения вещества в экстра - генте в соответствии с формулой (5.34) будет:

СЭ = КС0. (5.38)

Подставив это выражение в формулу (5.37) и BQ вместо W, по­лучим:

С (1 — Kb) С0. (5.39)

В том случае когда концентрация вещества в очищенной воде зада­ется заранее, а искомой величиной является удельный расход экстра­гента Ь, последний определяют по формуле

Со_С (5.40)

КСо

Число экстракций можно определить по формуле (5.36).

Наряду с определением величины коэффициента распределения для различных экстрагентов устанавливают также величину их потерь. Потери экстрагента в основном могут происходить в результате раство­рения и эмульгирования его в воде, что необходимо учитывать при рас­чете сооружений для последующей очистки сточных вод.

Если экстрагируемые примеси обладают основным или кислотным характером, то эффективность их экстракции почти всецело зависит от значений рН сточной воды. Оптимальное значение рН устанавливается экспериментально.

В промышленном масштабе экстракционный метод применяется в СССР для первичной очистки от фенолов сточных вод заводов терми­ческой переработки твердого топлива. В качестве экстрагента приме­няется бутилацетат в смеси с бутиловым спиртом.

Сорбционные способы очистки. Сорбция является одним из универ­сальных способов глубокой очистки от растворенных органических ве­ществ сточных вод таких производств, как коксохимические, сульфат - целлюлозные, хлорорганические, синтеза полупродуктов, красителей и др. Для удаления органических веществ, определяемых величиной БПК, пригодна биологическая очистка. Для удаления стойких органи­ческих веществ, определяемых ХПК, биологическая очистка не являет­ся эффективной. Даже хорошо очищенные сточные воды после биоло­гической очистки имеют загрязнения органическими веществами, вели­чина которых по ХПК равна 20—120 мг/л. Эти вещества включают танины, лигнины, эфиры, протеиновые вещества и другие органические загрязнения, имеющие цветность и запахи, пестициды, такие, как ДДТ, и др. Сорбционная очистка сточных вод используется как до биологи­ческой очистки, так и после нее. В последнее время исследуется воз­можность замены биологической очистки производственных и бытовых сточных вод сорбционной очисткой.

В отличие от биохимического процесса колебания температуры и влияние токсичности для сорбции не имеют такого большого значения, кроме того, легче решаются вопросы удаления осадка и автоматизации, сложные для станций биологической очистки. Применяются три типа сорбции.

Адсорбция — поглощение вещества поверхностью чаще всего твердого поглотителя. Аппараты, в которых происходит адсорбция, на­зываются адсорберами.

Абсорбци я— поглощение, сопровождающееся диффузией погло­щенного вещества в глубь сорбента с образованием растворов. В боль­шинстве случаев абсорбции поглотителем является жидкость. Аппара­ты, в которых происходит этот процесс, называются абсорберами, или скрубберами.

X ем осо р б ция — адсорбция, сопровождающаяся химическим воз­действием поглощаемого вещества с сорбентом. Хемосорбция применя­ется в технике при поглощении диоксида углерода, оксида азота, аммиа­ка и т. п. Процесс осуществляется обычно в башнях, заполненных по­ристой насадкой, через которую фильтруется очищаемая сточная вода.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природ­ные пористые материалы: активированные угли, золу, коксовую мелочь, силикагели, алюмогели, активные глины и земли. Последние составля­ют большой класс природных сорбентов, которые обладают значитель­ной поглотительной способностью без всякой дополнительной обработ­ки, что является их преимуществом перед искусственными сорбентами.

Наиболее важными показателями сорбентов являются пористость, структура пор, химический состав.

Пористость — самая общая характеристика сорбционной способно­сти сорбента и определяется, %, по формуле

D — 8

Р = ——100, (5.41)

A

Где D и б— соответственно истинная (без учета пор) и кажущаяся (с учетом пор) плотность сорбента.

Пористость активированных углей составляет 60—75%, туфов — 30—55%, диатомитов — до 75%.

По структуре пористой поверхности сорбенты разделяются на мел­копористые, крупнопористые и смешанные. Величина сорбционного по­тенциала выше у мелкопористых сорбентов, однако они не всегда ока­зываются доступными для поглощения загрязнений сточных вод. Акти­вированные угли, как правило, являются доступными для поглощения молекулярно-растворенных веществ. Природные сорбенты (туфы, диа­томиты) способны поглощать группы молекул.

Благодаря химическому сродству сорбентов к извлекаемым загряз­нениям наиболее часто встречающиеся углеродные сорбенты целесооб­разно применять для удаления из воды недиссоциируемых или слабо - диссоциируемых веществ органического происхождения.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества в кг на 1 м3 или 1 кг сорбента; активность может быть выра­жена в долях или процентах от массы сорбента.

Статической активностью сорбента называется максимальное коли­чество вещества, поглощенного к моменту достижения равновесия еди­ницей объема или массы сорбента при постоянных температуре воды и начальной концентрации вещества.

Динамической активностью сорбента называется максимальное ко­личество вещества, поглощенного единицей массы или объема сорбента До момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропус­кании сточной воды через слой сорбента. Динамическая активность всегда ниже статической. Так, например, в адсорберах промышленного типа динамическая активность активированных углей составляет 45— 60% статической.

Статическая активность сорбента определяется изотермой сорбции. Уравнение изотермы адсорбции типа Ленгмюра имеет вид:

' *максС* (5.42)

/Сі + С*

Где ямакс — предельная величина адсорбции, кг/кг;

/Cj —константа, зависящая от энергии связи и предельной ве­личины адсорбции, кг/м3; А* и С* — равновесные концентрации загрязнения соответственно на

Сорбенте, кг/кг, и в воде, кг/м3. Константы изотерм адсорбции некоторых загрязнений сточных вод приведены в табл. 5.12.

Таблица 5.12

При рассмотрении изотермы Ленгмюра различают три области: I — область, называемая областью Генри, характеризуется крутым вос­хождением кривой (а* = ЛадСС*) и соответствует сильно разбавленным растворам; II — область переходная; III — область насыщения.

Основные схемы адсорбционной очистки сточных вод приведены в табл. 5.13.

Адсорбция гранулированным активированным углем осуществ­ляется в насыпных фильтрах или в аппаратах с псевдоожижением угля.

Фильтрование через неподвижный слой активированного угля в на­сыпных фильтрах производится сверху вниз или снизу вверх (схема Л). В этом случае предусматривается предварительная очистка сточной во­ды от взвешенных веществ на песчаных фильтрах, так как присутствие их в количестве более 10 г/м3 вызывает быстрое нарастание потерь на­пора в сорбционных фильтрах. Наиболее часто практикуется последова­тельная работа сорбционных фильтров со скоростями фильтрования во­ды от 1—2 до 5—6 м/ч через загрузку с размером зерен от 1,5—2 до 5— 6 мм. Фильтры с неподвижным слоем угля наиболее рационально при­менять при регенеративной очистке цеховых сточных вод. При десорб­ции, осуществляемой химическими растворителями или паром, дости­гается не только восстановление сорбционной способности угля, но и из­влечение продукта, имеющего техническую ценность.

При сорбции в насыпных фильтрах время защитного действия филь­тра определяется по формуле

Т = КН — т, (5.43)

Где Н — высота слоя сорбента, м;

К — коэффициент фильтрующего (защитного) действия, определя­емый опытным путем и зависящий от ряда факторов, в том числе начальной концентрации вещества в растворе и скоро­сти фильтрования;

Т (постоянная) — потеря врегяени фильтрующего действия.

Количество вещества V, кг, задерживаемого фильтром, может быть определено из формулы

V = — h) FaA« (5,44)

Где Я— высота слоя сорбента, м; H — эмпирическая константа;

Таблица 5.13

Основные схемы адсорбционной очистки

Схема адсорбционной очистки

Глубокая очистка воды, возмож­ность возврата в

<2Д — динамическая активность сорбента, кг/м3, равная 0,7 статиче­ской его активности;

F—площадь фильтра, м2.

В аппаратах с псевдоожижением активированного угля (схема Б) Сточная вода подается снизу вверх со скоростями 7—10 м/ч. При этом уголь с размером частиц 0,5—1 мм перемешивается восходящим пото­ком воды и по мере насыщения перемещается от верхних тарелок к нижним. Мелкие взвешенные частицы загрязнений сточных вод выно­сятся из адсорбера и могут быть удалены совместно со стоками других цехов на общих очистных сооружениях. Такая очистка сточных вод предъявляет повышенные требования к активированному углю, по­скольку он подвергается значительному истиранию при псевдоожижении и гидротранспортировании.

Адсорбция порошкообразным активированным уг­лем. Уменьшение размера частиц активированного угля мало влияет на предельную емкость сорбента, но очень сильно влияет на скорость адсорбции. Порошкообразный активированный уголь с размером частиц около 10 мкм достигает 90% равновесного состояния менее чем за 19 мин, в то время как для гранулированного угля потребуется несколько дней.

Процесс очистки с использованием порошкообразного угля протека­ет в несколько ступеней (схема В). На каждой ступени осуществляются перемешивание активированного угля со сточной водой и реагентом (полиэлектролитом), хлопьеобразование и отстаивание. Сточная вода из отстойника последней ступени фильтруется через песчаный фильтр для задержания активированного угля, который нельзя отделить отста­иванием.

В основу расчета очистки сточных вод в адсорбционных аппаратах с мешалками принято балансовое уравнение

Та* 4-QC* = QC0, (5.45)

Где т—количество сорбента, кг;

Q — количество сточной воды, м3;

С0—начальная концентрация загрязнений в сточной воде, кг/м3; а* и С* — равновесные концентрации загрязнения соответственно на сорбенте, кг/кг, и в воде, кг/м3.

Количество сорбента, необходимого для очистки сточных вод при од­ноступенчатой адсорбции, определяется по формуле

Q(C0-C*)

Т=----------- ^-------- • (5.46)

Если адсорбция происходит в области Генри изотермы адсорбции (аА = /(адсС*)3 выражение (5.46) запишется следующим образом:

Q (С0 — С*)

Т = ——------------ (5.47)

КС*

'V аде

Остаточная концентрация загрязнения в очищенной воде (равновесная Концентрация вещества в воде) при заданной дозе сорбента определя­ется по формуле

QC0 Q + /Саде M

Если сточная вода очищается в п последовательно соединенных ступе­нях, в каждую из которых вводится свежий сорбент, концентрация загрязнений в очищаемой воде будет: после 1-й ступени:

У + Д аде m

После 2-й ступени

После п-Й ступени

Таким образом, многоступенчатый процесс позволяет достичь более глу­бокой очистки воды, чем одноступенчатый, при одной и той же дозе сор­бента или более полно использовать сорбционную емкость активирован­ного угля и тем снизить его расход (схема В).

Еще большего использования сорбционной емкости можно добить­ся в многоступенчатом противоточ - ном процессе. Угольную пульпу пе­рекачивают навстречу сточной воде из последующих ступеней в преды­дущие (схема Г). Недостатком та­кой установки является ее громозд­кость.

В МИСИ имени В. В. Куйбыше­ва разработан способ сорбционной очистки сточных вод фильтрованием через тонкодисперсный активиро­ванный уголь. Способ базируется на использовании в качестве адсорбе­ров намывных фильтров (рис. 5.39). Технологическая схема представле­на несколькими намывными фильт­рами (схема Д). Первый из них с загрузкой вспомогательного фильт­рующего порошка (диатомита, пер­лита и др.) устанавливается для за­держания взвешенных загрязнений. Последующие фильтры представля­ют собой адсорберы с развитой по­верхностью фазового контакта за счет того, что тонкодисперсный активированный уголь располагается на значительной поверхности намывных фильтров. Противоток в схеме организован переключением аппаратов с недонасыщенным углем на­встречу сточной воде. Фильтрующий слой на внутреннюю поверхность фильтра намывается из бака-суспензатора с помощью насоса. Удаление (смыв) отработанного материала осуществляется обратным током во­ды. Смыв перлита производится после потери давления в нем 0,36 МПа, смыв угля — только с первого но ходу воды адсорбера при истощении его сорбционной способности.

Эта схема была испытана для очистки сточной воды от тринитрото­луола с начальной концентрацией 50 г/м3 и конечной не более 0,5 г/м3. При поступлении воды 2 м3/ч на 1 м2 фильтрующей поверхности наилуч­шими вариантами являются трехступенчатая адсорбция при расходе уг­ля марки ОУ на каждой ступени 2,5 кг/м2 (0,13 кг угля/м3 воды) и час­тоте перезарядки адсорберов / = 2,5 раза в сутки или четырехступенча­тая адсорбция при расходе угля марки КАД 5 кг/м2 (0,193 кг угля/м3 воды) и /=1,85 раза в сутки

Такая схема обеспечивает высокое качество очищенной воды как по содержанию взвешенных веществ, так и по содержанию растворенных органических загрязнений. В системе очистки участвуют небольшие ко­личества воды и угля, что предопределяет компактность аппаратуры.

Операции адсорбции и сепарации воды и угля совмещаются. Уголь при этом значительно меньше подвержен истиранию.

Расчет многоступенчатой адсорбционной установки производится решением систе­мы уравнений материального баланса, выражающим простое соотношение: поступле­ние = выход+накопление. Для намывных аппаратов, где сорбент располагается тонким слоем на развитой фильтрующей поверхности, движение сточной воды может быть принято подобным идеальному смешению. Периодом 9 работы очистной установки яв­ляется продолжительность времени между переключениями аппаратов навстречу дви­жению сточной воды. Сточная вода в адсорбционные аппараты поступает с постоянной скоростью v, м/с. Если по прохождении последнего аппарата организовать перемеши­вание воды за период 9, то материальный баланс можно представить системой нели­нейных алгебраических уравнений, каждое из которых выражает баланс поглощаемого загрязнения для каждого аппарата со средними значениями параметров за этот период 9:

Ct^u =CfP+pyK-flQ (5-52)

Поступдение=выход - f - накопление

Где С;—!, Сі—средние концентрации загрязнений в сточной воде соответственно на входе и выходе для і-го аппарата, кг/м3;

J3— средний коэффициент массопередачи, с-1 (определяется для данного вида сорбента и сточной воды в предварительных опытах);

V— количество угля в f-м аппарате, кг/м2, фильтрующей поверхности аппа­рата;

Аі > аі —соответственно равновесная и текущая концентрация загрязнения на уг­ле (сорбенте), кг/кг;

І— порядковый номер аппарата по ходу воды, т. е. I— 1, 2, 3,..., N.

Выразим уравнение (5.52) относительно концентрации загрязнения в воде на вы­ходе из і-го аппарата

СГ = --------------------------------- ^------------ tJ— . (5.53)

*

Величины aL и а, вычисляются по следующим эмпирическим формулам;

Cf-i+C,

Сі-1 + CT +—ч—-

(С^-С;)1'1 Ot(N+L) «і = ! (5.54)

Т

Здесь п = — ; T = 1ч. T

Период насыщения сорбента т определяется по формуле

Ra*V X = (Ct-l-Ct)V

Где т] — насыщение активированного угля в долях единицы.

Расчет многоступенчатой адсорбции с переключением аппаратов с недонасыщен - ным сорбентом навстречу движению сточной воды осуществляется «от ступени к сту­пени» с помощью ЭВМ.

Рассмотрим последовательность расчета і-й ступени. Задаются начальной концент­рацией загрязнения в воде, выходящей из і-Й ступени очистки СІ.

По формулам (5.53) и (5.54) вычисляют значение С? Ыч. Если найденное значение С? ЫЧ не совпадает с принятым Сі, расчет ступени повторяют исходя из новых значе­ний Сі (итерационный метод) до тех пор, пока не будет достигнуто удовлетворительное совпадение принятого значения с вычисленным.

Если расчет начинают с первой (по ходу воды) ступени, то должны быть известны скорость движения воды, концентрация загрязнения в поступающей воде и количество сорбента на ступени, т. е. соответственно v, С0, V, а также исходные данные для вы­числения по формулам (5.53) и (5.54), аМакс, К, |3, т].

Полученная в результате расчета концентрация загрязнения в воде С* является входной для (i+1) ступени. Расчет продолжают до тех пор, пока не будет достигнуто значение концентрации загрязнения в воде на выходе из установки Cn при величине насыщения сорбента т]. Значение Cn устанавливается из условия приема очищенной

Воды в систему оборотного водоснабжения. Величина ц зависит в основном от разме­ра частиц активированного угля. Для юткодисперсного активированного угля т] при­нимается 0,8—0,9 от величины статической активности а* по изотерме адсорбции при C.+Cf

С = —-2------------ -

В результате расчета находят необходимое число ступеней очистки, концентрации загрязнения в воде между ступенями. Затем определяют период 6 по формуле

Туг* (С0, Сі) Г V (С0 — CN)

В США на берегу оз. Тахо в течение нескольких лет удовлетворитель­но работают сооружения доочистки сточных вод, включающие адсорб­ционную доочистку (табл. 5.14).

Таблица 5.14

Показатели эффективности работы фильтров из активированного угля на станции оз. Тахо (за двухлетний период)

Среднее значение

Доза угля, кг/1000 м3 воды.................................................................

Йодное число угля:

Использованного..........................................................................

Регенерированного......................................................................

Плотность угля, т/м3:

Использованного : : : :.....................................................................

Регенерированного : : :............................................

Зольность угля, %................................................................................

Величина ХПК сточной воды, мг/л:

Поступающей...................................................................................

Выходящей.......................................................................................

Цветность сточной воды:

Поступающей...................................................................................

Выходящей.......................................................................................

Показатель метиленовой сини сточной воды:

Поступающей...................................................................................

Выходящей.......................................................................................

Нагрузка органических загрязнений по ХПК на 1 кг регене­рированного - угля, кг...

Для восстановления сорбционной емкости отработанный в процессе адсорбции активированный уголь обычно подвергается регенерации хи­мическими растворителями, паром или термообработке.

Термическая регенерация активированного угля осуществляется в многотопочных печах. Общее время пребывания угля в печах колеблется от 30 до 60 мин при температуре от 600 до 900° С. Потери угля при этом составляют от 5 до 10%.

После адсорбционной очистки становится возможным повторное ис­пользование сточных вод в системе оборотного водоснабжения. Приме­нение технологических сточных вод в системе оборотного водоснабже­ния решает не только задачу экономии свежей воды, но и радикального оздоровления водоемов.

Недостатком сорбционной очистки сточной воды является ее относи­тельно высокая стоимость.

Эвапорационные способы очистки. Очистка производственных сточ­ных вод эвапорационным способом состоит в том, что через сточную воду, нагретую приблизительно до 100° С, пропускается насыщенный во­дяной пар, который увлекает летучие примеси. Далее пар проходит че­рез какой-либо нагретый также примерно до 100° С поглотитель, в ко­тором из пара удаляются захваченные им примеси (регенерация пара);

Освобожденный от них водяной пар снова направляется на очистку сточных вод.

Очистка сточных вод эвапорационным методом может производить­ся только в условиях прохождения пара навстречу протекающей воде. Аппарат, применяемый при эвапорационном методе, представляет со­бой колонну, состоящую из двух частей: эвапорационной, где происхо­дит очистка сточных вод, и поглотительной, где происходит регенера­ция пара.

Преимущество эвапорационной очистки сточных вод по сравнению с другими методами регенеративной очистки заключается в том, что при этом способе в сточные воды не вводятся добавочные загрязнения в виде остающихся в воде реагентов.

Для многих увлекаемых с водяным паром летучих веществ при ма­лых их концентрациях в растворе (что характерно для большинства сточных вод) между концентрацией вещества в жидкой фазе С и паро­вой фазе Сі устанавливается равновесие:

Ct^KC, (5.57)

Где К—коэффициент распределения вещества между паровой и жид­кой фазами.

Значения коэффициента К для растворов некоторых веществ с 0,01 — 0,1 н. концентрацией приведены в табл. 5.15.

Таблица 5.15

Основные параметры, определяющие процесс эвапорации, связаны уравнением

Л (Р/С— 1) С0

(5.58)

РКе*— 1 *

Где С0 и С—начальная и конечная (после выхода из колонны) кон­центрации вещества в воде, г/л; Р — удельный расход пара, кг на 1 кг воды;

Х = ~~~ (1 — 1 ОН,

Ь рк)

Здесь р — эмпирическая константа, м/ч;

Ьплотность орошения колонны водой, м3/(м2-ч); а — удельная поверхность насадки, м2/м3; Н — высота слоя насадки в колонне, м.

Диаметр эвапорационных колонн от 0,8 до 3 м, высота слоя насадки Н колеблется от 6 до 12 м. Плотность орошения обычно не превышает 3 м3/(м2-ч), расход пара Р — 0,5...1,5 кг/кг.

Значения удельной поверхности наиболее часто применяемых видов насадок приведены в табл. 5.16.

Для некоторых встречающихся на практике условий уравнение (5.58) может быть ущющено:

ЬСп

(5.59)

РаН + Ь

Таблица 5 16

Удельная поверхность различных насадок

Удельная поверх­ность, м2/м3

Кольца:

Спиральные гладкие. фарфоровые

«Шахматная» .

Дробленый кокс » кварц

Тогда высота колонны

Н = Ь(С0-С) Сро

В эвапорационных колоннах процесс протекает непрерывно. Пар, прошедший эвапорационную колонну, подается в поглотительную ко­лонну, где происходит выделение захваченных веществ. Так, например, выделение фенола из пара достигается путем пропускания пара через нагретый до 100° С раствор щелочи. Щелочь переводит фенол в фено­лята:

С6Н5ОН + NaOH = QHsONa + Н20,

Которые являются нелетучими, т. е. не уносятся водяным паром. Осво­божденный от фенола пар снова подается в эвапорационную колонну.

В верхней части эвапорационной колонны концентрация отгоняемо­го вещества в сточной воде и паре максимальная. Насыщение пара про­исходит при равновесной концентрации, равной концентрации загряз­ненного вещества в сточной воде. Если концентрация загрязняющего ве­щества в сточной воде равна а г/л и ее надо снизить до b г/л, то из каждого 1 л воды надо удалить (а—b) г. Концентрация загрязняющего вещества в выходящем паре будет аК г/кг, и для удаления (а—B) г не­обходимо а~Ь кг пара на 1 л жидкости. АК

Так как в практических условиях трудно достигнуть равновесия, то пар приходится подавать в несколько большем количестве, чем это тре­буется по теоретическому расчету. Необходимо учитывать также расход пара на теплопотери через стенки, на нагревание жидкости и переведе­ние в паровую фазу загрязняющего вещества.

Для извлечения фенола из пара применяют 10—20%-ный раствор гидроксида натрия. Теоретически необходимый расход последнего со­ставляет 0,2 кг на 1 кг фенола; однако в производственных условиях его расходуется в 2—3 раза больше (0,5—0,6 кг/кг). В общей сложности на 1 м3 очищенной сточной воды расходуется; пара 20 кг, гидроксида на­трия 2,2 кг, электроэнергии 18 кВт-ч.

Метод эвапорации достаточно прост, дает хорошие технико-экономи­ческие показатели и удобен для последующей биологической доочистки обесфеноленной сточной воды (отсутствуют дополнительные загрязне­ния, как, например, при обесфеноливании методами экстракции).

Флотационные способы очистки. Флотация применяется для удале­ния из сточных вод нефтепродуктов, жиров, поверхностно-активных ве­ществ, волокон минеральной ваты, асбеста, шерсти и других нераство­римых в воде веществ с развитой поверхностью и мало отличающихся от воды по плотности. Флотационная очистка сточных вод обычно следу­
ет после извлечения из них осаждающихся и всплывающих примесей в нефтеловушках, жироловушках, отстойниках и производится во флотато­рах. Вода, прошедшая флотаторы, может быть использована в системе оборотного водоснабжения предприятий или направлена на дальнейшую очистку от растворенных загрязнений.

Сущность процесса флотации заключается в том, что к диспергиро­ванным в тонкой суспензии пузырькам воздуха или газа прилипают частицы взвешенных веществ и всплывают вместе с пузырьками на поверхность очищаемой воды. При малых размерах пузырьков суммар­ная поверхность последних оказывается очень большой.

Эффект прилипания пузырьков воздуха к твердой или жидкой части­це, взвешенной в воде, зависит от смачиваемости поверхности частицы, которая характеризуется величиной краевого угла в (рис. 5.40). При большом значении 0 поверхность частицы является гидрофобной и уве­личивается вероятность прилипания к ней воз­душного пузырька, а также прочность удержа­ния этого пузырька на поверхности частицы. Та­ким образом, если воду, содержащую взвешенные частицы, насытить мельчайшими пузырьками воздуха, то частицы с гидрофобной поверхностью смогут сорбировать на ней пузырьки воздуха, а затем вместе с воздушными пузырьками всплы­вать и накапливаться на поверхности воды.

Существенное влияние на флотацию частиц оказывает поверхностное натяжение воды. Эф­фективная флотация возможна при поверхност­ном натяжении воды не более 60—65 мН/м. В тех случаях когда поверхностное натяжение выше 60 мН/м, приходится вводить поверхностно-ак­тивные добавки, например около 5—10 мг/л био­логически легкоразрушающихся ПАВ (типа по­верхностно-активных отходов производства син­тетических спиртов). Однако флотация нефтепродуктов проходит хоро­шо в обычной воде с поверхностным натяжением 70—72 мН/м.

На эффект флотации значительное влияние оказывают размер и количество пузырьков воздуха, распределенных в воде. Поскольку взве­шенные частицы загрязнений распределены во всем объеме сточной во­ды, то желательно, чтобы пузырьки воздуха также были распределены во всем объеме более равномерно. Крупные пузырьки воздуха всплыва­ют слишком быстро, вызывая перемешивание воды, и не успевают закре­питься на поверхности взвешенных частиц. Поэтому эффективная фло­тация требует возможно более тонкого диспергирования воздуха. Опти­мальным размером воздушных пузырьков считается 15—30 мкм. Следу­ет указать, что флотационная очистка протекает достаточно успешно и при крупности пузырьков воздуха до 100 и даже 200 мкм.

Применяют различные способы диспергирования воздуха при флота­ции сточных вод: механическое диспергирование турбинкой насосного типа, продувание воздуха через мелкопористые материалы (фильтрос­ные пластины), насыщение сточной воды воздухом при изменении давления (напорная флотация).

Практическое применение получили флотационные установки двух типов, отличающихся способом диспергирования воздуха: первый тип — флотация с механическим диспергированием воздуха турбинкой насосно­го типа; второй тип — диспергирование путем изменения давления (напорная флотация).

Флотационная установка с диспергированием воздуха турбинкой Насосного типа (импеллером) состоит из флотационной машины конст­рукции завода Механобр, применяемой для очистки сточных вод от
нефтепродуктов (рис. 5.41). Сточная вода из приемного кармана поступает к импеллеру. Воздух засасывается им по специальной трубе. Над импеллером расположен статор в виде диска с отверстиями для внутренней циркуляции воды. Импеллер перемешивает воду и воздух и эту смесь выбрасывает из статора. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содер­жащая нефтепродукты, удаляется лопастным пеноснимателем. Из пер­вой камеры вода поступает во вторую такой же конструкции, где проис­ходит дополнительная очистка сточной воды.

Рис. 5.41. Схема двух­камерной прямоточ­ной флотационной установки

1 — решетка для мелкого диспергирования возду­ха; 2 — флотационная ка­мера; 3—вал импеллера;

4 — воздушная трубка;

5 — электродвигатель; 6— пеносниматель; 7—отвер­стия в статоре для внут­ренней циркуляции воды; 8 — статор; 9 — импеллер; 10 — приемный карман;

11 — выпускной карман

Степень диспергирования воздуха зависит от окружной скорости вращения импеллера, которую принимают в пределах 12—15 м/с. Диа­метр импеллера — не более 750 мм. Зона, обслужаваемая импеллером, не должна превышать размеров квадрата со стороной 6 Dm (Dn — диаметр импеллера). Высота флотационной камеры #ф принимается равной 1,5—3 м; продолжительность флотации ^ф = 20...30 мин.

Пропускную способность одной камеры флотатора, м3/ч, определяют по формуле

Q=----- hr1-. (5.61)

Удельный расход воздуха D составляет 40—50 м3/ч на 1 м2 поверх­ности флотационной камеры. Количество подаваемого импеллером воздуха, м3/ч,

Q= 0,000278Df, (5.62)

Где / — площадь, обслуживаемая одной турбинкой, м2 (в плане).

Необходимое количество флотационных камер можно определить как отношение расхода сточной воды к пропускной способности одной каме­ры, вычисленной по приведенной выше формуле.

Недостатком импеллерных флотаторов является относительно высо­кая обводненность пены.

Процесс напорной флотации растворенным воздухом осуществляется в две стадии: первая — насыщение воды воздухом под давлением; вторая — выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплывание взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. В зависимости от характера удаляемых примесей напорная флотация производится без реагентов или с их добавкой; в последнем случае эффект удаления примесей выше.

Насыщение сточных вод воздухом производится в напорных резер­вуарах под давлением. При последующем снижении давления во флота­ционной камере до атмосферного происходит образование и выделение очень мелких пузырьков воздуха, которые играют ту же роль, что и при безнапорной флотации.

Воздух вводят или непосредственно в сточную воду, поступающую во флотационную установку (рис. 5.42,а), или в возвращаемую в флотаци­онную установку часть очищенных сточных вод (рис. 5.42,6).

Первый способ обеспечивает полное насыщение воды воздухом, но требует перекачки всего ее количества; второй позволяет использовать насос меньшей производительности; кроме того, при рециркуляции уменьшается объем напорного резервуара. Смешение рециркулируемой и неочищенной воды производится перед отстойной флотационной каме­рой при атмосферном давлении.

Рис. 5.42. Схема флотационной установки

А -- без рециркуляции сточных вод; б — с рециркуляцией сточных вод; 1 — приемный резервуар сточ­ных вод; 2 —насосная станция для подачи воды на флотацию; 3— установка эжектора на всасы­вающем трубопроводе; 4 — напорные баки; 5—камера смешения и распределения перед флотато­рами; 6 — флотаторы; 7 — приемный резервуар очищенных сточных вод; 8 — насосная станция для Подачи воды в систему оборотного водоснабжения или на биологическую очистку; 9 — насосная станция для подачи рециркуляционного расхода на флотацию; трубопроводы: 10 — подачи сточной воды из нефтеловушек; 11 — подачи воды на флотацию; 12 — подачи рециркуляционной воды, 13 — опорожнения флотатора; 14-* отвода пены; 15 — очищенной воды; 16 — оборотного водоснабже­ния

В СССР и за рубежом находят применение оба способа введения воздуха, хотя второй из них менее эффективен по полноте извлечения примесей и в меньшей степени удовлетворяет санитарным требованиям.

Подача воздуха в воду производится через всасывающий или напор­ный трубопровод перекачивающего насоса. В первом случае воздух за­сасывается эжектором, во втором — нагнетается компрессором.

Напорная флотационная установка включает сборные резервуары для сточной воды, насосно-эжекторную или компрессорную станцию, на- норный резервуар и флотационную (отстойную) камеру с оборудовани­ем для удаления всплывающей массы загрязнений в случаях предвари­тельной коагуляции сточных вод; кроме того, предусматривается реагентная установка со складом реагента.

Сточная вода из сборного резервуара центробежным насосом подает­ся в напорный контактный ревервуар, где поддерживается давление до 0,3—0,4 МПа. Здесь в течение 3 мин происходит растворение воздуха в воде в количестве 0,04—0,05 м3 на 1 м3 воды.

Объем воздуха, эжектируемого во всасывающий трубопровод насоса, составляет около 5% объема очищенной воды. Одновременно с воздухом

Во всасывающий трубопровод подаются растворы реагентов, если про­изводится коагуляция сточных вод.

Насыщенная воздухом вода выпускается из напорного резервуара в флотационную камеру. Здесь выделившиеся пузырьки воздуха всплы­вают вместе с захваченными ими частицами взвешенных веществ. Флотационная камера рассчитывается на пребывание в ней сточной воды в течение 20 мин. Всплывающая масса удаляется непрерывно движущимися скребками в сборные резурвуары.

При проектировании флотационных камер для расхода сточных вод до 100 м3/ч принимаются прямоугольные камеры глубиной 1 —1,5 м, а для большего расхода — радиальные камеры глубиной не менее 3 м. Пропускная способность одной камеры не должна превышать 1000 м3/'ч.

Недостатком напорной флотации является несколько большая про­должительность процесса, чем при импеллерном способе, что объясня­ется меньшим количеством выделяющегося воздуха. Однако при напорной флотации можно получить более мелкие пузырьки воздуха и достичь большей эффективности очистки сточных вод, особенно от тон - кодиспергированных примесей.

Напорная флотация эффективно применяется для извлечения из сточных вод нефти и нефтепродуктов, животных и растительных масел и жиров, волокнистых веществ, отходов от проката алюминия и т. п.

Остаточное количество нефти в воде после напорной флотации 10—15 г/м3. Более высокая степень очистки достигается при примене­нии реагентов (хлорида железа, сульфата алюминия и др.) и с исполь­зованием флокулирующих веществ, особенно при очистке сточной воды от эмульгированных нефтепродуктов, масел и жиров.

Опыты с добавлением глинозема показали, что при содержании нефтепродуктов после нефтеловушки 120—150 мг/л одноступенчатое флотирование снимает до 85—92% эфирорастворимых веществ и 68% БПКб - Двухступенчатое флотирование увеличивает эффективность до 94—97% по эфирорастворимым и 79—81% по БПКб-

Пенная флотация. Сущность процесса пенной флотации состоит в том, что частицы водных дисперсий, имеющих гидрофобную поверх­ность, способны прилипать к пузырькам газа и выноситься с ними в слой пены.

Для ведения процесса пенной флотации в сточной воде должны присутствовать поверхностно-активные вещества, обладающие доста­точной пенообразующей способностью.

Сточные воды, насыщенные воздухом, поступают во флотатор снизу через вращающийся водораспределитель. Выделяющиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами нефти. Пена враща­ющимся механизмом сгребается в лоток. Очищенная вода по верти­кальным каналам переливается в отводящий переливной лоток. Для опорожнения флотатора и удаления осадка предусмотрен трубопровод.

Эффект флотации зависит от рН среды, температуры сточных вод и интенсивности подачи воздуха. Оптимальное значение рН определя­ется экспериментальным путем. Интенсивность подачи воздуха через фильтросы колеблется от 12 до 20 м3/(м2-ч). Продолжительность фло­тации составляет 20—45 мин в зависимости от состава сточных вод

Метод пенной флотации эффективно используется при очистке сточ­ных вод, образующихся при переработке серных руд на элементарную серу. Эти сточные воды характеризуются высоким содержанием меха­нических примесей (до 100 г/л), значительной минерализацией (до3 г/л при однократном использовании воды), присутствием неокисленных сое­динений серы (сульфидов, сульфитов, тиосульфатов) и растворенных органических примесей (до 150 мг/л в пересчете на ХПК).

Производственные сточные воды сбрасываются в хвостохранилище,
где освобождаются от основной массы шлама, затем дополнительно осветляются в прудах-отстойниках, после чего часть сточных вод под­вергается очистке от органических примесей.

Обработка воды производится во флотационных камерах с аэриро­ванием воды сжатым воздухом (рис. 5.43). Диспергирование воздуха осуществляется с помощью аэраторов, изготовленных из керамических мелкопористых труб; удаление пенного слоя — с помощью скребковых пеносъемников. Пенный концентрат представляет собой раствор извле­каемых примесей и частично используется вновь в технологическом про­цессе, а избыточное его количест­во направляется в накопитель. Здесь под воздействием естест­венных факторов (аэрация, сол­нечная радиация и пр.) происхо­дит улучшение состава пенного продукта до кондиций, позволяю­щих возвращать его в производ­ство.

Эта схема позволяет использо­вать сточные воды в системе обо­ротного водоснабжения.

В очистке производственных сточных вод все шире использует­ся флоктация, представляющая собой сочетание флокуляции и флотации. Флоктация применяет­ся для удаления гидроксидов ме­таллов в металлообрабатываю­щей промышленности, для извле­чения жиров в пищевой промыш­ленности, для извлечения волокон в целлюлозной и нефтепродуктов в нефтяной промышленности.

Технология флоктации сводит­ся к последовательному выполне­нию следующих операций: сточ­ные воды интенсивно перемеши­ваются с Al2(S04b или FeCl3 при оптимальном значении рН в кас­каде флокуляционных камер с пе­регородками или мешалками в течение 20 мин; затем сточные воды поступают в нижнюю часть флота­тора, куда одновременно подается вода в количестве 5—10% общего рас­хода сточных вод, перенасыщенная воздухом. Образующиеся пузырьки воздуха флотируют хлопья коагулянтов совместно со взвешенными ве­ществами на поверхность воды. Время пребывания сточных вод во фло­тационной камере 15 мин. Остаточная концентрация коагулянтов в воде 0,2—0,3 мг/л. Флоктация обеспечивает необходимое снижение цветности железа и части легкоокисляемых органических загрязнений, которые ха­рактеризуются перманганатной окисляемостью сточной воды.

Электрофлотация. Метод электрофлотации — это процесс переноса вещества пузырьками газа, образующимися при электролизе. Благода­ря электролизу размер пузырьков газа значительно меньше и они более равномерно распределяются в жидкости, чем при механической аэрации. Напряжение электрического тока принимается в пределах 6—12 В.

Отличительной особенностью электрофлотатора по сравнению с на­порным флотатором является наличие двух рядов электродов и меха­низма,. предназначенного для их очистки,

Флотаторы могут иметь прямоугольную или круглую форму в плане. Продолжительность флотации очищаемой жиросодержащей сточной во­ды при малой концентрации загрязнений (до 100 мг/л) должна быть 20 мин, при средней (свыше 100 мг/л) и большой — 30 мин. Высоту за­полнения флотатора к следует принимать равной 1,8—2 м.

Полезная площадь флотатора F, м2, рассчитывается по формуле

Qt

F = M- <5-63>

Где Q — расход очищаемой жидкости, м3/ч, t— время флотации, мин;

H—полезная высота заполнения флотатора, м. Площадь электродов может быть принята равной 0,5/ При этом уп­рощаются заготовка электродов, их замена и очистка. Сила тока дол-

Рис. 5.44. Схема двухступенчатой электрофлотационной установки

1—насос для подачи сточных сод, 2—из­мерительный шкаф; J—вакуум-насос; 4— илонакопитель, 5—сборник корки; 6 — рН-метр; 7 — флотатор, 8 — электро­ды; 9 — емкость для реагентов; 10 — дози­рующие насосы

Жна исчисляться с учетом всей площади флотатора из расчета пример­но 0,02 А на 1 см2.

В отдельных случаях, чтобы избежать опорожнения флотатора, электроды выполняются в виде отдельных секций, извлекаемых при не­обходимости при помощи тросов или специальных приспособлений.

Флотаторы круглой формы (в плане) более удобны для удаления жировой массы, всплывающей на поверхность, и для механической очистки электродов.

При электрофлотационном методе очистки сточных вод, содержащих коллоиды, эмульсии, применяются соответствующие коагулирующие вещества.

При очистке концентрированных сточных вод применяется двухсту­пенчатая электрофлотация (рис. 5.44).

Затраты электроэнергии зависят от концентрации загрязнений и дру­гих факторов. При очистке среднезагрязненных сточных вод расход тока принимается из расчета 10 А на 1 м3 жидкости.

При использовании электрофлотации для обработки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов в жидкости протекают и другие про­цессы. Зачастую сточные воды этих заводов содержат СаСЬ - Под влия­нием электролиза выделяется хлор, который окисляет содержащиеся в сточных водах органические вещества. При этом значительно сни­жается значение показателей БПК и ХПК сточных вод.

На электрофлотационной установке можно производить очистку сточ­ных вод, содержащих эмульсию типа «масло в воде» (при условии пред­варительной их очистки коагуляцией). Остаточное содержание масел в очищенной воде составляет 3—5 мг/л. Всплывшее масло удаляется с помощью цепного конвейера и отводится в бункер, а затем утилизи­руется или подается в печь на сжигание.

Сооружения электрофлотационной установки выполняются из ме­талла и имеют защитные покрытия во избежание коррозии.

Электролизер выполняется из стали или железобетона с облицовкой внутренней поверхности винипластовьши листами или гуммированием. Вся установка изолируется во избежание утечки тока. В качестве элек­тродов используется листовой алюминий толщиной 2—3 мм. Число элек­тродов и их размеры зависят от расходов сточной воды. При расчете количества электродов и площади их поверхности необходимо исходить из величины плотности тока, которая в зависимости от характера загряз­нений стока может колебаться в пределах 0,02—0,035 А/см2. Подклю­чение постоянного тока к электродам в данном случае целесообразно делать однополярным. Напряжение в цепи должно поддерживаться в пределах 1,2—1,7 В при расходе электроэнергии на очистку 1 м3 сточ­ной воды 0,6—0,4 кВт-ч. Расстояние между электродами не должно пре­вышать 10 мм. Время контакта с электродами 10—20 мин.

При очистке с напряжением в цепи 1,2—2,7 В протекает главным образом коагуляция. При повышении напряжения до 4—20 В кроме значительного ускорения реакции анодного растворения алюминия бу­дет происходить интенсивное выделение водорода на катоде. Это обу­словит превалирование процесса флотации над коагуляцией.

Большое значение имеет регулирование рН среды. При очистке неф - тесодержащих сточных вод корректируют рН воды до значения 8 с тем, чтобы при анодном растворении алюминия образовывался гидроксид алюминия. Если рН>8, то образуются алюминаты, растворяющиеся в воде и не участвующие в процессе очистки.

Электролизная установка должна быть снабжена устройством для сброса воды, содержащей хлопья коагулянта и пены, непрерывно на­капливающейся на ее поверхности. Сточная вода совместно с суспенди­рованным в ней гидроксидом алюминия из электролизера поступает в отстойник. Продолжительность отстаивания принимают около 2 ч. Из отстойника осветленная вода поступает на скорые кварцевые фильтры для более глубокого освобождения от взвешенных частиц, а затем на ионитовые фильтры для обессоливания. Очищенная вода используется в системе оборотного водоснабжения. Шлам коагулянта из отстойника перекачивается на иловые площадки для обезвоживания, после чего мо­жет быть вывезен в отвалы или может быть регенерирован серной или соляной кислотой и использован как дополнительный коагулянт при очистке сточной воды.

Ионный обмен. Одним из способов очистки производственных сточ­ных вод, отличающихся высокой токсичностью, является ионный обмен. Ионитами возможно извлекать из сточных вод соединения мышьяка и фосфора, цианистые соединения и радиоактивные вещества, а также хром, никель, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы.

В качестве ионообменных материалов используются как природные глауконитовые пески, так и искусственные алюмосиликаты типа перму- тита, селикагели, сульфоуголь и синтетические смолы.

Ионообменные свойства смол обусловлены наличием в их структуре функциональных, химически активных ионных групп. На пространствен­ной молекулярной сетке смолы фиксируется положительный или отри­цательный заряд. В соответствии с этим ионообменные синтетические смолы делятся на две основные группы: катиониты КУ-1, КУ-2-8, КУ-2-20 и аниониты АВ-17, ЭДЭ-10п. Катиониты чаще всего принимаются в Н+- и Ыа+-формах, а аниониты — в ОН-- и С1--формах.

При очистке сточных вод особенно важно правильно выбрать марку ионообменной смолы, которая определяет гранулометрический состав, плотность сухого и набухшего ионита, набухаемость, обменную емкость, Применяемые в практике ионообменные смолы характеризуются сле­дующими показателями: емкость поглощения 6—10 мг-экв иона на 1 г смолы, набухаемость 200—300%, термостойкость 60—160 °С.

После полного насыщения смол в процессе ионообмена их регене­
Рируют. Регенерация катионитов заключается в пропускании через от­работавшую смолу 10—15%-ного раствора серной кислоты со скоростью фильтрования 2—4 м/ч. Для анионитов регенерацию можно проводить 10—15%-ным раствором хлористого натрия со скоростью 1 м/ч. Возмож­ны и другие условия регенерации.

Схема очистки сточных вод гальванических производств ионообмен­ным методом представлена на рис. 5.45.

Сточные воды гальванического производства поступают в прием­ные резервуары / и 9 по двум отдельным сетям канализации: а) сеть

Ш ЦЕХА

К>

Рис. 5 45 Технологическая схема очистки гальваниче­ских сточных вод ионооб­менным методом

1 — сборник хромсодержащих стоков, 2 — насос для подачи стоков, 3—катионнтовые фильт­ры, 4—анионитовые фильтры;

5 — сборники раствора кислоты;

6 — сборники раствора щелочи,

7 — кислотный мерник; 8 — ще­лочной мерник; 9 — сборник кис­лотно-щелочных стоков; 10 — на­сос подачи кислотно-щелочны < стоков на фильтры; 11—насос перекачки шлама в отстойник; 12 — нейтрализатор, 13 — насос подачи воды в цех; 14 — сбор­ник обессоленной воды

Для кислого хромсодержащего стока: б) сеть для смешанного кислотно - щелочного стока.

Кислые хромсодержащие стоки из сборника 1 насосом 2 через песча - но-гравийный фильтр (на схеме не показан) подаются на катионитовый фильтр 3, загруженный смолой КУ-2-8 в Н-форме. Катионит обеспечи­вает извлечение из сточных вод трехвалентного хрома и тяжелых ме­таллов (медь, цинк, и др.), попадающих в процессе гальванической об­работки в промывные воды. Фильтрат из катионитового фильтра с со­держанием хромовой кислоты и свободных сильных кислот поступает на анионитовый фильтр 4, загруженный смолой АВ-17-8. В результате иок - ного обмена происходит полное извлечение из стоков всех примесей, нейтральная обессоленная вода из сборника 14 насосом 13 подается сно­ва на гальваническое производство.

Регенерация катионита производится 5%-ным раствором соляной кислоты. Кислота из сборника 5 сжатым воздухом подается в фильтр 3. Водород кислоты обменивается в смоле на катионы тяжелых металлов. Соли тяжелых металлов поступают в нейтрализатор 12. Образовавший­ся шлам насосом 11 подается на фильтр-прессы.

Регенерация анионита происходит аналогично, но 5%-ным раство­ром щелочи, подаваемым из сборника раствора щелочи 6.

Очистка смешанных кислотно-щелочных стоков производится анало­гично очистке хромсодержащих стоков.

На заводе «Чувашкабель» внедрена в производство установка для очистки сернокислых медьсодержащих производственных сточных вод, образующихся в результате травления и промывки медной катанки

2

Сл Рис. 5.46. Схема очистки промывных медьсодержащих сточных вод травильного участка, позволяющая использовать очищенную воду повторно

-J / — травильные ванны; 2 — усреднитель; 3 — кислотостойкий насос; 4 — насос; 5—Фильтры; 6 и 7 — ионитовый фильтр; 8 — реактор; 9 — осветлители; 10 — фильтр шламовый; //—емкость очищенной воды; /2 — гидромешалка для приготовления известкового молока; 13 — гидромешалка для коагулянта; 14 — промежуточная емкость для кисло­ты; 15 — ванна регенерации; 16 — емкость для промывки электродов; 17 — емкость чистой воды; 18 — водопровод; 19 — паропровод; 20— подъемное устройство

(рис. 5.46). Очищенные сточные воды используются в системе оборот­ного водоснабжения.

Принцип работы установки основан на совмещении ионообменного и реагентного методов очистки.

Стоки из травильных ванн поступают в усреднитель, из которого с помощью кислотостойкого насоса через фильтры и батареи ионито - вых фильтров перекачиваются в реактор. Фильтры предназначены для осветления стоков от взвешенных частиц. Фильтрующим материалом являются стекловолокно или древесные опилки.

Н-катионитовые фильтры применены для предварительного улавли­вания из стоков меди. Они загружены гранулированной смолой разме­ром зерен 0,3—1,95 мм, марки КУ-2-8 в водородной форме.

Регенерация Н-катионитовых фильтров производится раствором хи­мически чистой серной кислоты. Раствор поступает в ионитовые фильт­ры и находится там в течение 2—3 ч. Фильтры, промытые затем водой от избытка кислоты и меди, снова приходят в рабочее состояние.

Из фильтров стоки с раствором серной кислоты поступают в реак­тор, где происходит нейтрализация серной кислоты. В реактор одновре­менно с кислотными стоками подается 3—5%-ное известковое молоко. Для интенсификации процесса в реактор подается также 0,1%-ный рас­твор полиакриламида. После перемешивания в течение 15—20 мин ней­трализованные стоки из реактора поступают в осветлитель вертикаль­ного типа со взвешенным осадком и встроенным в верхней части фильт­ром, представляющим собой металлическую решетку с двумя слоями гравия и одним слоем стекловолокна. Стоки, проходя через слой взве­шенного осадка, зону осветления и зону дополнительного фильтрования, поднимаются к кольцевому сборному желобу и самотеком отводятся в емкость для очищенной воды.