Размещено на http://www.allbest.ru/

3

ВВЕДЕНИЕ

Сточные воды металлообрабатывающих предприятий и предприятий по производству металлических деталей содержат смазочные масла и смазочно-охлаждающие жидкости для обработки резанием, притирочные пасты и пасты для удаления заусенцев, шлифовальные смазочно-охлаждающие и другие специальные жидкости.

Сточные воды этих предприятий содержат самые различные масла и поверхностно-активные вещества, поэтому для их обработки могут потребоваться сложные технологии. Сточные воды нескольких различных технологических процессов часто поступают на очистное сооружение отдельными потоками или могут смешиваться в канализационной системе. До подачи на флотационную установку все сточные воды поступают в усреднительный резервуар, а затем их пропускают через ряд емкостей, предназначенных для добавления химических веществ и перемешивания. Верхний продукт флотационной установки подается в сборники, а нижний продукт установки флотации воздухом может быть направлен на доочистку или возвращен в цикл для повторного использования.

Глава 1. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ: ПРОБЛЕМЫ И

РЕШЕНИЯ

На металлообрабатывающих предприятиях образуются сточные воды, состав которых зависит от технологических процессов, используемых в производственном цикле. Очистные сооружения большинства предприятий устарели и не обеспечивают очистку воды до ПДК загрязняющих примесей.

На рис. 1 представлена технологическая схема очистки сточных вод гальванического цеха машиностроительного предприятия, рекомендуемая при проектировании новых очистных сооружений и реконструкции и модернизации действующих.

Рис. 1. Технологическая схема очистки сточных вод:

Е1, Е2, Е3 - накопительные емкости; Н1, Н2 - насосы;

Д1, Д2 - емкости для приготовления растворов реагентов;

НД1, НД2, НД3 - дозирующие насосы; Р - реактор смешения;

ЭФ - электрофлотационный модуль; ИПТ - источник питания

электрофлотационного модуля; ФП - фильтр-пресс; КФ - кварцевый

фильтр; ИФ - ионообменный фильтр

Система работает следующим образом. Кислотно-щелочные сточные воды поступают в накопительную емкость Е1. В нее же из накопительной емкости Е2 дозирующим насосом НД1 подают отработанные растворы электролитов. Далее смесь насосом Н1 перекачивают в реактор Р, в который дозирующими насосами НД2 и НД3 вводят реагенты - едкий натр и анионный флокулянт. Из реактора Р сточные воды самотеком поступают в электрофлотатор ЭФ, в котором происходит извлечение гидроксидов тяжелых металлов, ПАВ и нефтепродуктов. Из электрофлотатора осветленную воду направляют в промежуточную емкость Е3 и далее насосом Н2 подают на кварцевый фильтр КФ, а затем - на ионообменный фильтр ИФ. В ионообменном фильтре происходит удаление следов тяжелых металлов до ПДК. Очищенную воду можно сбрасывать в канализацию или возвращать в технологический цикл на повторное использование.

Осадок из электрофлотатора и кварцевого фильтра подают на фильтр-пресс ФП, где обезвоживают до влажности 70%. Шлам сдают на утилизацию.

Основной технический узел системы очистки - электрофлотационный модуль, состоящий из электрофлотатора с нерастворимыми электродами, системы сбора шлама, источника постоянного тока и вытяжного зонта (рис. 2).

Рис. 2. - Электрофлотационный модуль производительностью 10 м³/ч

Модуль может работать в непрерывном и периодическом режимах. В нем протекают процессы выделения водорода и кислорода за счет электролиза воды и флотации. Модуль обеспечивает извлечение взвешенных веществ, нефтепродуктов, ПАВ, катионов металлов (Cu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺, Al³⁺, Pb²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ Ca²⁺, Mg²⁺ и др.) в виде гидроксидов и фосфатов при любом соотношении катионов в присутствии различных анионов.

Основные технические характеристики модуля приведены в табл. 1.

Таблица 1. - Основные технические характеристики

электрофлотационного модуля

Качество очистки воды в электрофлотационном модуле характеризуют данные табл.

Другой важный узел системы - ионообменный фильтр - очищает воду от катионов тяжелых металлов (Сu²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺) до уровня ПДК.

Глава 2. ЖЕЛЕЗО В ВОДЕ И ЕГО УДАЛЕНИЕ

очистка сточный вода металлообрабатывающий

Железо (лат. Ferrum) - химический элемент VIII группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Блестящий серебристо-белый пластичный металл, плотностью 7,874 г/см³, t_плав. = 1535 ^oС.

Железо - один из семи металлов, известных человечеству с глубокой древности. По распространенности в литосфере железо находится на 4-м месте среди всех элементов и на 2-м месте после алюминия среди металлов. Его кларк (процентное содержание по массе) в земной коре составляет 4,65%. Железо входит в состав более 300-х минералов, но промышленное значение имеют только руды с содержанием не менее 16% железа: магнетит (магнитный железняк) - Fe₃O₄ (72,4% Fe), гематит (железный блеск или красный железняк) - Fe₂O₃ (70% Fe), бурые железняки (гётит, лимонит и т.п.) с содержанием железа до 66,1% Fe, но чаще 30-55%.

Железо давно и повсеместно применяется в технике, причем не столько в силу своего широкого распространения в природе, сколько в силу своих свойств: оно пластично, легко поддается горячей и холодной ковке, штамповке и волочению. Однако чистое железо обладает низкой прочностью и химической стойкостью (на воздухе в присутствии влаги окисляется, покрываясь нерастворимой рыхлой ржавчиной бурого цвета). В силу этого в чистом виде железо практически не применяется. То, что мы в быту привыкли называть "железом" и "железными" изделиями на самом деле изготовлено из чугуна и стали - сплавов железа с углеродом, иногда с добавлением других так называемых легирующих элементов, придающих этим сплавам особые свойства.

Источники.

Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения горных пород. Железо реагирует с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами, образуя сложный комплекс соединений, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии (см. "Типы железа"). Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками. В питьевой воде железо может присутствовать также вследствие применения на муниципальных станциях очистки воды железосодержащих коагулянтов, либо из-за коррозии "черных" (изготовленных из чугуна или стали) водопроводных труб.

Содержание железа в поверхностных пресных водах составляет десятые доли миллиграмма. Основной его формой в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот - гуматами. Поэтому повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах (единицы миллиграммов), где концентрация гумусовых веществ достаточно велика. При рН = 8.0 основной формой железа в воде является гидрат оксида железа Fe(OH)₃, находящийся во взвешенной коллоидной форме. Наибольшие же концентрации железа (до нескольких десятков миллиграмм в 1 дм³) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН и с низким содержанием растворенного кислорода, а в районах залегания сульфатных руд и зонах молодого вулканизма концентрации железа могут достигать даже сотен миллиграммов в 1 литре воды. В подземных водах железо присутствует в основном в растворенном двухвалентном виде. Трехвалентное железо при определенных условиях также может присутствовать в воде в растворенном виде как в форме неорганических солей (например, сульфатов), так и в составе растворимых органических комплексов.

Влияние на качество воды.

Содержащая железо вода (особенно подземная) сперва прозрачна и чиста на вид. Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0.3 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. По органолептическим признакам (См. раздел "Органолептические показатели качества воды") предел содержания железа в воде практически повсеместно установлен на уровне 0.3 мг/л (а по нормам ЕС даже 0.2 мг/л). Здесь необходимо подчеркнуть, что это ограничение именно по органолептическим соображениям. По показаниям вредности для здоровья такой параметр не установлен (см. ниже).

Пути поступления в организм.

Основной путь поступления железа в организм человека - с пищей. По оценкам ВОЗ доля воды в общем объеме естественного поступления железа в организм среднестатистического человека не превышает 10%. У людей определенных профессий (шахтеров, занятых на разработках железных руд и в меньшей степени у сварщиков) возможно попадание соединений железа с пылью при дыхании, что может вызывать профессиональные заболевания.

Из продуктов питания наиболее богаты железом печень, мясо и почки животных, яичный желток, рыба, а также сушеные белые грибы, бобовые (горох, фасоль, соя), гречка, зелень шпината и петрушки, айва, чернослив, абрикосы, другие овощи и фрукты.

При этом надо отметить, что железо - трудно усваиваемый элемент и с точки зрения его поступления в организм усвояемость железа становится даже более важным показателем, чем его абсолютное содержание в том или ином продукте. Так, из продуктов животного происхождения, где железо содержится в так называемой гемовой (дословно - "относящийся к крови") форме, усваивается от 10% (рыба) до 20-30% (телятина) железа. Из продуктов же растительного происхождения (где железо в содержится в негемовой двухвалентной форме) этот показатель ниже - от 1% (рис, шпинат) до 6% (соевые бобы). Железо же в трехвалентной форме практически не усваивается. Таким образом, средняя усвояемость железа из продуктов питания составляет около 10% (порядка 6% у мужчин и 14% - у женщин).

Всасыванию железа способствует витамин С - аскорбиновая кислота (восстанавливающая нерастворимое трехвалентное железо до растворимого двухвалентного), витамины группы В, микроэлементы медь и кобальт.

Препятствуют усвоению железа высокое содержание в пище (и, можно предполагать, воде) кальция и фосфатов, с которыми железо образует нерастворимые соединения; фосфатин и фитин, содержащиеся в зерновых продуктах (например, в хлебе и дрожжевом тесте); чай (железо образует трудно растворимые комплексы с дубильными веществами); избыток жиров; молоко и т.п.

Потенциальная опасность для здоровья.

Как уже упоминалось выше, при систематическом вдыхании воздуха, содержащего железосодержащую пыль (например, оксид железа), возможно возникновение профессиональных заболеваний. Так, в легких шахтеров, занятых на разработках красного железняка, может накапливаться до 45 грамм железа. Это приводит к возникновению такого профессионального заболевания из разряда пневмокониозов (от греческих pneumon - легкие и konia - пыль - хронических профессиональных заболеваний легких, обусловленных длительным вдыханием производственной пыли) как сидероз (от греческого sideros - железо), чреватого развитием пневмосклероза.

Что же касается вредного воздействия железа при его поступлении в организм с пищей и водой, то Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) не предлагает какой-либо рекомендуемой величины по показания здоровья, так как нет достаточных данных о негативном воздействии железа на организм человека. При уровне установленного ВОЗ переносимого суточного потребления (ПСП) железа, равном 0.8 мг/кг массы тела человека, безопасное для здоровья суммарное содержание железа в воде составляет 2 мг/л. Это означает, что употребляя ежедневно на протяжении всей жизни такую воду, можно не опасаться за последствия для здоровья (другое дело, что вода с 2 мг/л железа будет иметь весьма "неаппетитный" вид).

В российской прессе регулярно проскакивают упоминания о вредном воздействии железа на организм, причем в концентрациях уже выше 0.3 мг/л. В качестве последствий упоминаются неприятности со здоровьем, начиная от аллергических реакций (см., например, статью "Ржавая вода. Проблемы и решения"), что, кстати, вполне не исключено - аллергия может быть на что угодно, до "увеличения риска инфарктов и негативного влияния на репродуктивную функцию организма... сухости и зуда" (см. там же в "Дайджесте" статью "Вода столичная..."). Безусловно, в больших количествах железо, как и любое другое химическое вещество, способно вызвать в организме человека нарушения и даже патологии. Учитывая однако, что железо очень трудно усваиваемый элемент, особенно в неорганической форме (в которой оно в основном и содержится в воде), представляется, что "перебрать" его достаточно трудно. Так что, гораздо более близкой к истине нам кажется точка зрения ВОЗ.

Изобретение относится к способам очистки кислых природных и сточных металлосодержащих вод от ионов железа и сульфатов и может быть использовано для предварительной очистки сточных вод черной металлургии, шахтных и карьерных вод мембранными методами очистки.

Известен способ биологической очистки кислых шахтных вод с использованием биогенной добавки (хозяйственно-бытовой жидкости и древесных отходов) и инокулята сульфатредуцирующих бактерий (СРБ) до 0,5% РН изменяется с 3,7 до 4,16. Степень очистки железа II составляет 81% а сульфатов 60% (при содержании их в очищаемой воде 943 мг/л). Скорость очистки составляет 0,2 л/ч.

Однако существование анаэробных условий культивирования сульфатредуцирующих бактерий в промышленных условиях при такой дозе на очистку огромных объемов сточных вод (карьерных, шахтных) весьма сложно. Образующийся сероводород требует дополнительных приемов обезвреживания аэрацией или поглотителем.

Поставленная цель достигается тем, что накопительную культуру сульфатредуцирующих бактерий, выращенную в анаэробных условиях на питательной смеси хозбытовых стоков, навозной жижи и сточных вод, дозируют в очищаемую воду в количестве 0,84-1,5 об. Уровень сероводорода в биомассе должен быть не менее 119 мг/мл, а окисляемость (ХПК) 327-532 мг О₂/л. Причем чем выше уровень загрязнения воды железом, тем большая доза вводимой в нее биомассы.

Обработанный поток направляется через слой гравия (известняка) и продуктов коагуляции гидроксидных соединений железа и органической массы с линейной скоростью до 0,15 м/ч на отстаивание. При этом меняется механизм взаимодействия органического компонента (культуральной жидкости) с минеральными примесями очищаемой воды. Здесь имеет место не биологическое выедание сульфат-иона микроорганизмами до восстановления серы в сульфидную форму, а физико-химические процессы коагуляции с последующей флокуляцией гидроксидных частиц железа и других примесей органическими компонентами биомассы, что значительно ускоряет процесс очистки. Использование биомассы, содержащей сероводород, СРБ и продукты метаболизма в качестве флокулянта, позволяет коагулировать соединения железа с сульфат-ионами. Содержащийся в биокоагулянте сероводород связывается полностью ионами металлов в нерастворимый сульфид, который вместе с другими соединениями железа выпадает на дно отстойника. Предложенный состав биокоагулянта отобран на основе опытных данных при дозе обработки 30 см3 биомассы на 1 дм3 сточной воды.

Данные представлены в табл.

При пропускании смеси сточной воды с инокулированной биомассой через слой насадки гравия степень очистки повышается. Первый вариант пропускание в системе отстойника без гравийного слоя с культуральной жидкостью; второй вариант без культуральной жидкости через гравийный слой; третий вариант пропускание сточной воды с инокулированной биомассой (КЖ) через гравий и слой. Линейная скорость прохождения жидкости через слой насадки во всех опытах составляла 0,15 м/ч. Данные указаны в табл. 2.

Пример. Очистку сточных вод осуществляют на опытной установке, состоящей из ферментера для непрерывного анаэробного культивирования СРБ, с подачей питательной смеси в дозах, соответствующих уровню инокулята биомассы в сточную воду, и отстойника с гравийным слоем. Из накопительного объема сточную воду направляют непрерывно насосом вместе с определенным объемом культуральной жидкости в отстойник снизу со скоростью 50 м³/ч.

Глава 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД