Методы очистки сточных вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Недостаточно очищенные сточные воды, содержащие свободные кислоты и соли цветных металлов, являются наиболее опасным видом сбросов, которые поступают в открытые водоемы с очистных сооружений промышленных предприятий. В ходе технологических процессов в различных отраслях промышленности образуются сточные воды, загрязненные свободными кислотами и солями тяжелых металлов.

1. РЕАГЕНТНЫЙ МЕТОД

Сущность метода: заключается в переводе растворимых веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков. В ряде случаев реагентная обработка требуется в качестве предварительной перед последующей очисткой сточных вод.

Метод включает в себя процессы нейтрализации, коагуляции, окислительно-восстановительные реакции, осаждение и обезвоживание образующегося осадка, и позволяет довольно полно удалять из стоков ИТМ (ионы тяжелых металлов).

Нормализация рН может быть достигнута за счет введения в нее подкисляющих реагентов (кислот) или подщелачивающих веществ (щелочей). Этот процесс называется коррекция кислотно-щелочного баланса воды.

Несмотря на то, что реагентный способ используется повсеместно, достичь требуемого качества очистки он не позволяет. Дело осложняется тем, что каждый металл имеет свой интервал рН при котором происходит реакция обмена с образованием нерастворимого гидроксида. При дальнейшем повышении рН осадок опять начинает растворяться.

В качестве реагентов используют флокулянты и коагулянты, вещества, нормализующие кислотно-щелочной состав:

- окислители -- хлор, перманганат калия, озон;

- подщелачивающие вещества -- известь, гидроксид кальция и натрия, сода;

- подкисляющие вещества -- серная и соляная кислоты.

До недавнего времени на очистных сооружениях промышленных сточных вод в качестве реагента использовалось известковое молоко (водный раствор гидратной извести), но такой метод обладает рядом недостатков, которых можно избежать при использовании щелочи (NaOH). Замена известкового молока на щелочь позволяет:

1. Избежать использования дорогостоящего известкового хозяйства;

2. Сократить количество используемых реагентов на станции нейтрализации;

3. Отказаться от транспортирования извести;

4. Повысить безопасность рабочего места оператора за счет сокращения выбросов известковой пыли в воздух рабочей зоны;

5. Уменьшить потребность в производственных площадях.

Рис. 1 Схема реагентной очистки производственных сточных вод: 1 -- подача сточных вод, 2 -- сооружения механической очистки, 3 -- смеситель, 4 -- дозирующее устройство, 5 -- реагентное хозяйство (склады реагентов, растворные баки), 6 -- нейтрализатор, 7 -- отстойник, 8 -- выпуск сточных вод, 9 -- выпуск осадка, 10 -- сооружения по обработке осадка

Достоинства метода:

1) широкий интервал начальных концентраций ионов тяжелых металлов;

2) универсальность;

3) простота эксплуатации;

4) отсутствует необходимость в разделении промывных вод и концентратов.

Недостатки метода:

1) не обеспечивается ПДК для рыбохозяйственных водоемов;

2) громоздкость оборудования;

3) значительный расход реагентов;

4) дополнительное загрязнение сточных вод;

5) невозможность возврата в оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного солесодержания.

6) затрудненность извлечения из шлама тяжелых металлов для утилизации;

7) потребность в значительных площадях для шламоотвалов.

Эффективность очистки реагентным методом 60%.

Кислота	Расход реагента в граммах на 1г кислоты
	CaO	Ca(OH)2	NaOH	Na2CO3
H2SO4	0,57	0,75	0,82	1,09
HCl	0,77	1,01	1,09	1,45

500 мг/л = 0,5 г/л

H₂SO₄:

NaOH = 0,5·0,82 = 0,41г на 1 литр

HCl:

NaOH = 0,5·1,09 = 0,545 г на 1 литр

NaOH+ H₂SO₄=Na₂SO₄ + H₂O

NaOH + HCl = NaCl + H₂O

Значения рН осаждения гидроксидов металлов

Металл	Гидроксид	рН
		начала осаждения при исходной концентрации осаждаемого иона	практически полного осаждения	начала растворения осадка
		1 М	0,01 М
Олово	Sn(OH)4	0	0,5	1	13
Титан	NiO(OH)2	0	0,5	2	-
Сурьма	Sb(OH)2	0,2	0,9	1,9	6,9
Олово	Sn(OH)2	0,9	2,1	4,7	10
Ртуть	HgO	1,3	2,4	5	11,5
Железо	Fe(OH)3	1,5	2,3	4,1	14
Цирконий	ZrO(OH)2	1,7	2,7	4,2	-
Галлий	Ga(OH)3	1,7	2,4	3,6	5,6
Индий	In(OH)3	2,9	3,6	4,6	11
Алюминий	Fl(OH)3	3,3	4	5,2	7,8
Хром	Cr(OH)3	4	4,7	6,8	9,4
Медь	Cu(OH)2	4,2	5,2	7,1	14
Бериллий	Be(OH)2	5,2	6,2	8,8	13,5
Цинк	Zn(OH)2	5,4	6,4	8	10,5
Серебро	Ag2O	6,2	8,2	11,2	12,7
Свинец	Pl(OH)2	6,4	7,4	9	10,5
Железо	Fe(OH)2	6,5	7,5	9,7	13,5
Кобальт	Co(OH)2	6,6	7,6	9,2	14,1
Никель	Ni(OH)2	6,7	7,7	9,5	13,2
Кадмий	Cd(OH)2	7,2	8,2	9,7	13,7
Марганец	Mn(OH)2	7,8	8,8	10,4	14
Магний	Mg(OH)2	9,4	10,4	12,4	-

Таблица растворимости гидроксидов

Катион

K+

Na+

Ag+

Al3+

Ba2+

Be2+

Ca2+

Cd2+

Co2+

Cr3+

Cs+

Mg2+

Mn2+

анион

OH-

P

P

-

Н

P

Н

M

Н

Н

Н

Р

M

Н

Катион

Ni2+

Pb2+

Sn2+

Sr2+

Tl+

Zn2+

Cu2+

Hg2+

Pb2+

Fe2+

Fe3+

Al3+

анион

OH-

Н

Н

Н

М

Р

H

H

-

H

H

H

H

P - растворимое ( >1 г в 100 г воды);

M - малорастворимое (0,001 г - 1г в 100 г воды);

H - нерастворимое (< 0,001 г в 100 г воды);

- - разлагается водой или не существует.

Гидроксид железа (III) Fe(OH)₃ - вещество красно-бурого цвета, нерастворимое в воде и избытке щелочи.

Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии их со щелочами:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ + 3NaCl,

Fe₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Fe(OH)₃ + 3Na₂SO₄

Гидроксид цинка Zn (OH)₂ - белое аморфное вещество малорастворимо в воде.

Гидроксид цинка Zn (OH)₂ получают, действуя щелочами на растворы солей цинка:

ZnCl₂+2NaOH = Zn(OH)₂+2NaCl,

ZnSO₄ + 2NaOH = Zn(OH)₂ + Na₂SO₄

очистка сточный вода реагентный

2. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД

Сущность метода: процессы протекают на электродах при пропускании через раствор постоянного электрического тока.

Электрохимические методы выделения тяжелых цветных металлов из сточных вод находят широкое применение. К ним относятся процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, гальванокоагуляции, электрофлотации и электролиза.

Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высокоустойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция - объединение мелких диспергированных частиц в бомльшие по размеру агрегаты.

На процесс электрокоагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее температура и состав, напряжение и плотность тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на анодное растворение металла уменьшается.

Достигаемый эффект очистки сточных вод электрокоагуляцией высок и может составить 90-95 %.

Достоинства метода:

1) очистка до требований ПДК;

2) отсутствие потребности в реагентах;

3) высокая производительность;

4) малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (температура, рН среды, присутствие токсичных веществ);

5) получение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами.

6) простота эксплуатации;

7) малые занимаемые площади.

Недостатки метода:

1) не достигается ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения;

2) значительный расход металла и электроэнергии;

3) невозможность возврата воды в оборотный цикл из-за повышенного солесодержания.

Теоретический расход электроэнергии для растворения 1 г железа составляет 2,9 Вт-ч, а 1 г цинка--2,4 Вт-ч. Электрокоагуляцию рекомендуют проводить в нейтральной (рН =7,0) или слабощелочной среде (рН=7,0 - 9,0) при плотности тока не более 10 А/м², расстоянии между электродами не более 20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с.

Рис. 2 Схема электрокоагуляционной установки для очистки сточных вод: 1 -- усреднитель; 2 -- бак для приготовления раствора; 3 -- источник постоянного тока; 4 -- электрокоагулятор; 5 -- отстойник; 6 -- аппарат для обезвоживания осадка

Осадок из электрокоагуляторов и отстойника поступает на фильтр-пресс (аппарат для обезвоживания осадка), где обезвоживается и с влажностью до 80% утилизируется.

Обезвоживание осадков - это необходимая мера, призванная уменьшить объем этих самых осадков и повысить в них содержание сухого вещества.

Цель обезвоживания - получение осадка с низким содержанием свободной воды и соответственно с пониженной влажностью.

Для механического обезвоживания осадка могут быть применены вакуум-фильтрация, центрифугирование и фильтрпрессование.

Фильтрпрессование.

Отечественной промышленностью серийно выпускается автоматизированный фильтрпресс с горизонтальными камерами ФПАКМ. Схема действия этого пресса представлена на рис. 3. Фильтр состоит из нескольких фильтровальных плит и фильтрующей ткани, протянутой между ними с помощью направляющих роликов. Поддерживающие плиты связаны между собой четырьмя вертикальными опорами, воспринимающими нагрузку от давления внутри фильтровальных плит. В натянутом состоянии ткань поддерживается с помощью гидравлических устройств.

Рис. 3 Схема действия автоматизированного фильтрпресса с горизонтальными камерами (ФПАКМ): 1-- фильтровальные плиты; 2 -- направляющие ролики; 3 -- фильтровальная ткань; 4 -- поддерживающие плиты

Каждая фильтровальная плита (рис. 4) состоит из верхней и нижней части. Верхняя часть перекрыта перфорированным листом, под которым находится камера для приема фильтрата. На перфорированном листе размещена фильтровальная ткань. Нижняя часть плиты представляет собой раму, которая при сжатии плит образует камеру, куда подается осадок. Между верхней и нижней частями фильтровальных плит расположены эластичные водонепроницаемые диафрагмы.

Рис. 4 Автоматизированный фильтрпресс с горизонтальными камерами (ФПАКМ) 1 -- верхняя часть плиты; 2 -- перфорированный лист; 3--3амера для приема фильтрата; 4 -- нижняя часть плиты в виде рамы; 5 -- камера для суспензии и осадка; 6 -- эластичная водонепроницаемая диафрагма; 7-- фильтровальная ткань; 8, 10, 13 -- каналы; 9-- коллектор для подачи суспензии; 11 -- коллектор для отвода фильтрата и воздуха; 12 -- полость для воды

В камеру 5 по коллектору 9 подается осадок и воздух (положение А). По каналам 13 фильтрат и воздух отводятся в коллектор 11. Затем осадок отжимается диафрагмой, для чего в полость 12 нагнетается вода под давлением (положение Б). После этого плиты раздвигаются (положение В), фильтровальная ткань передвигается и сухой остаток снимается с нее ножами. Ткань промывается и очищается в специальном устройстве.

Перед обезвоживанием предусмотрена обработка осадка химическими реагентами -- 10%-ным раствором FeCl₃ и известковым молоком. В расчете на сухое вещество осадка доза FeCl₃ принимается равной 5%, Са(ОН)₂--20%.

Обезвоживание осадка на фильтрпрессах позволяет получить сухой остаток влажностью 75--80%. При этом концентрация взвешенных веществ в фильтрате достаточно высока и составляет 1000--1300 мг/л. Пропуская способность фильтрпресса по сухому веществу осадка равняется 20--25 кг/ч на 1 м² площади фильтрования при давлении прессования 0,2 МПа.

2 вариант

Механизм удаления из воды ионов тяжелых металлов (кроме шестивалентного хрома) заключается в том, что при соответствующих значениях рН в воде образуются нерастворимые гидроксиды. Микрочастицы гидроксидов, выделяющиеся в ходе кристаллизации, активно сорбируются на хлопьях гидроокиси железа, являющегося непосредственным продуктом электрокоагуляции. На последующих этапах очистки гидроксиды удаляемых металлов осаждаются с гидроокисью железа. Чем ниже рН воды, тем меньше электроэнергии затрачивается на электрокоагуяцию, так как уменьшается пассивация электродов и усиливается процесс химического растворения катодов.

При прочих равных условиях эффект очистки сточных вод, содержащих одновременно ионы нескольких металлов, выше чем в случае, когда содержится только один из металлов. Эффект очистки от ионов тяжелых металлов достигает 90-95 % и более.

Наиболее применяемыми являются электролизеры с вертикальным (снизу вверх) движением воды (рис. 5).

Рис. 5 Электрокоагулятор: а - разрез; б - план; 1 - корпус; 2 - электроды; 3 - распределительная решетка; 4 - подача воды; 5 - отведение газов; 6 - отведение осадков

Скорость потока должна быть не менее 0,03 м/с, что уменьшает опасность образования в межэлектродных каналах пробок из гидроксидов металлов и пены. Электроды из низкоуглеродистых сталей имеют толщину 6-8 мм и устанавливаются через 6-10 мм. Нормы проектирования рекомендуют принимать анодную плотность тока в зависимости от суммарной концентрации в воде ионов тяжелых металлов: при 80 мг/л и менее - 150 А/м²; 80-100 мг/л - 200 А/м²; 100-150 мг/л - 250 А/м²; 150 - 200 мг/л - 300 А/м². Процесс может осуществляться и при более низкой плотности тока (80-100 А/м² и менее). Напряжение в пределах электродной ячейки принимается 4-12 В.

3. СОРБЦИОННЫЙ МЕТОД

Сущность метода: сорбционная очистка сточных вод производства -- это процесс поглощения частиц загрязнителя различными фильтрующими материалами. Основным критерием при выборе того или иного фильтрующего материала являются сорбционные свойства материала, так как именно от них зависит эффективность очистки сточных вод. Среди критериев выбора фильтрующего материала можно назвать несколько основных свойств материала:

- механическая прочность материала;

- химическая устойчивость материала;

- сорбционные свойства материала.

Сорбционные методы можно условно поделить на две разновидности:

1) сорбция на активированном угле (адсорбционный обмен);

2) сорбция на ионитах (ионный обмен).

Достоинства метода:

1) очистка до ПДК;

2) возможность совместного удаления различных по природе примесей;

3) отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод;

4) возможность возврата очищенной воды.

Недостатки метода:

1) дороговизна и дефицитность сорбентов;

2) громоздкость оборудования;

3) большой расход реагентов для регенерации сорбентов;

4) образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки.

4. ДООЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ФИЛЬТРОВАНИЕМ ЧЕРЕЗ НЕПОДВИЖНЫЙ СЛОЙ СОРБЕНТА

Двухступенчатая доочистка сточных вод осуществляется последовательно на песчаных и сорбционных фильтрах, которые устанавливаются после других сооружений очистки. Технология очистки предназначена для получения такого качества воды, которое позволяет использовать обеззараженную воду в технологических процессах промышленных предприятий. Доочистке на фильтрах подвергаются все загрязнения, находящиеся в составе сточных вод.

Для доочистки сточных вод использовались активированные угли марок АГ-5 и КАД йодный, выпускаемые промышленностью, а также торфяной активированный уголь (ТАУ).

Характеристика активированных углей, используемых для доочистки сточных вод, приведена в табл. 1.



Таблица 1

Характеристика активированных углей

Марка угля	Суммарная пористость, см3/г	Удельный объем макропор, см3/г	Удельный объем переходных пор, см3/г	Удельный объем микропор, см3/г	Порозность загрузки	Насыпной вес, г/см3	Диаметр зерен, мм	Удельная поверхность переходных пор, м2/г
АГ-5	0,9-1,06	0,46	0,17	0,3-0,43	0,35-0,55	0,45	1,0-1,5
КАД йодный	0,85-1,0	0,51	0,15	0,34	0,35-0,55	0,38	1,0-1,5	110
ТАУ	0,91-1,85	0,59-0,68	0,1-0,2	0,42-0,45	0,25-0,35	0,27-0,37	1,0-2,0	54-147

Показатели качества сточных вод (до и после доочистки) приведены в табл. 2.

Таблица 2

Показатели качества сточных вод после доочистки на фильтрах

Показатель	Концентрация загрязнений до применения фильтров, мг/л	Концентрация загрязнений после доочистки, мг/л
		на песчаных фильтрах	применение сорбционного фильтра, загруженного углем АГ-5	применение сорбционного фильтра, загруженного углем КАД йодным	применение сорбционного фильтра, загруженного ТАУ углем
Взвешенные вещества	17-60	1,1-2,3	отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют
ХПК	156-192	127-132	8,5-12	8,3-14,1	8-13,8
БПК поли	18,1-26,7	4-9,8	1,8-3,7	1,83-3,4	1,5-3,1
NO2	следы	0,15-0,35	0,15-0,31	0,23-0,39	0,28-0,35
NO3	0,03-3,9	0,95-5,1	1,1-6,8	1,2-6,3	1,0-6,5
NH4	2,6-9,6	1,47-6,75	0,8-6,0	0,65-5,75	1,1-6,35
PO34	1,38-7,4	0,85-6,25	0,5-5,7	0,55-5,85	0,6-5,6
Растворимый кислород	6-8,5	3,2-5	2,65-2,91	2,7-2,85	2,6-2,9

На рис. 6 приведена схема доочистки сточных вод на двухступенчатых фильтрах.

Рис. 6 Схема доочистки сточных вод: 1 - вода после сооружений биологической очистки; 2 - приемный резервуар; 3 - насосная установка; 4 - устройство для перемешивания воды; 5 - распределительная камера; 6 - фильтр, загруженный песком; 7 - приемный резервуар; 8 - насосная установка; 9 - устройство для перемешивания воды; 10 - распределительная камера; 11 - сорбционный фильтр; 12 - промывной насос; 13 - резервуар промывной воды; 14 - сброс очищенной воды

Технологическая схема двухступенчатой доочистки сточных вод включает в себя приемный резервуар 2, насосную установку 3, с помощью которой вода подается в распределительную камеру 5, откуда самотеком поступает на песчаные фильтры 6. Очищенная на песчаных фильтрах вода собирается в приемный резервуар 7, откуда насосной установкой 8 перекачивается в распределительную камеру 10. На сорбционные фильтры 11 вода из распределительной камеры подается снизу вверх. При подаче сточных вод в распределительные камеры 5 и 10 часть воды переливается и отводится по трубопроводам 4 и 9 в приемные резервуары, где происходит перемешивание исходной жидкости. Эффективность очистки воды 96-99 %.

Первая ступень фильтра загружена песком с диаметром зерен 1,8 мм и высотой 0,5-1 м. Скорость фильтрования составляет 10 м/ч. Период между регенерацией загрузки фильтра зависит от концентрации веществ и составляет 9-15 ч. Грязеемкость фильтра находится в пределах от 2,6 до 6,6 кг/м³. Промывка фильтра производится водой с интенсивностью 18-20 л/см². Продолжительность промывки составляет 7 мин. Объем промывной воды - 4 % от объема очищенной воды. Для фильтров первой ступени можно использовать водовоздушную промывку с интенсивностью подачи воды 12 л/см² и интенсивностью подачи воздуха 16-19 л/см². Продолжительность водовоздушной промывки составляет 6 мин.

Сорбционный фильтр загружен сорбентом на высоту 3,2 м, скорость фильтрования воды - 2-2,5 м/ч. Крупность зерен загрузки 1-2 мм. Интенсивность промывки сорбционных фильтров 6-12 л/см². Продолжительность промывки принимается 7-10 мин. и уточняется в процессе эксплуатации фильтров. Фильтроцикл составляет 24 часа. Продолжительность работы сорбционных фильтров до регенерации - от 3 до 4 суток. Регенерация загрузки сорбционных фильтров выполняется тогда, когда ХПК (химическое потребление кислорода) после фильтрования на второй ступени превышает 15 мг/л.

Расчет величины рН сточных вод

Количество кислотных компонентов в стоках составляет:

H₂SO₄ = 500 мг/л

HCl = 500 мг/л

M (H₂SO₄ ) = 2·1,008+32,064+4·15,999 = 98,076 г/моль

M (HCl) = 1,008+35,453 = 36,461 г/моль

[Н⁺] = [H₂SO₄ ] / M = 500 / 98,076 = 5,1 моль/м³

[Н⁺] = [HCl ] / M = 500 / 36,461 = 13,7 моль/м³

pH = -1g [H⁺] =-1g (([Н⁺]_H2SO4 + [Н⁺]_HCl) /Q_ст)

где Q_ст - производительность стока, Q_ст = 2 мі/час

pH = -1g ((5,1 + 13,7) / 2 ) = - lg 9,4 = - 0,97

Таким образом, рН стоков равен 0,97 что говорит об избытке кислых компонентов (кислот).

1г=1000 мг

1м³=1000дм³=1000л

1дм³=1л

1мг/л=1мг/дм³=1г/м³

Ион	Расход реагента в граммах на 1г иона металла,
	СаО	Са(ОН)2	NаОН	Nа2 СО3
Fe3+	1,51	1,99	2,15	2,85
Al3+	3,11	4,11	4,45	4,89
Cu2+	0,88	1,16	1,26	1,67
Zn2+	0,86	1,13	1,22	1,62
Fe2+	1,00	1,32	1,43	1,90
Pb2+	0,27	0,36	0,39	0,51
Cd2+	0,50	0,66	0,71	0,94
Ni2+	0,95	1,26	1,36	1,81
Cr3+	1,61	1,13	2,31	3,06

Размещено на Allbest.ru