Размещено на http: //www. allbest. ru/

Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне

Особливості вилучення малорозчинних сполук важких металів на пінополістирольних фільтрах

Филипчук В.Л., к.т.н., доцент, Орлов В.О., д.т.н., професор

Анотація

Наведені результати досліджень роботи пінополістирольних фільтрів при різних напрямках фільтрування води. Досліджено вплив на ступінь вилучення важких металів величини рН середовища, швидкості фільтрування.

Annotatіon

Research results of sudspolystirolic filters work in different directions of water filtering are shown. Influence of pH and velocity of filtering on degree of hard metals sewage is researched.

Якість очищення стічних вод від малорозчинних сполук важких металів в значній мірі залежить від ефективності функціонування споруд для кінцевого розподілу фаз фільтруванням. Навіть при точному додержанні необхідних параметрів рН і Eh водного середовища і доз реагентів неякісна робота фільтрів призводить до проскакування малорозчинних сполук металів в фільтрат, що значно знижує ступінь очищення стічної води. Наприклад, при підвищенні в фільтраті концентрації завислих частинок до 3-5 мг/л сумарна концентрація іонів важких металів в очищеній стічній воді може досягати 1.8-2.6 мг/л, що в 3-5 раз перевищує встановлені ліміти.

Оскільки склад металовміщуючих стічних вод характеризується наявністю кислот, луг, окисників, відновників, різних органічних домішок, значними коливаннями рН і Eh середовища для фільтрування найбільш доцільно використовувати завантаження, які стійкі до різних агресивних середовищ. В цьому випадку найбільш доцільним є використання фільтруючого завантаження з гранул спіненого полістиролу, який характеризується значною витривалістю до дії органічних розчинників, нафтопродуктів, масел, лугів, різних кислот, за винятком азотної [1]. Крім того, адгезійні властивості пінополістиролу можуть бути порівняні з властивостями піску, який є найбільш поширеним фільтруючим завантаженням. При використанні в фільтрах пінополістиролу стає непотрібним застосування для промивки фільтруючого завантаження допоміжних ємкостей промивної води і промивних насосів, що значно спрощує технологічну схему очищення стічних вод.

Завдяки роботам Журби Г.М., Орлова В.О., Гіроля М.М., Приходько В.П. та інших дослідників пінополістирольні фільтри набули широкого розповсюдження в технології фільтрування природних і стічних вод. Для фільтрування рекомендуються різні конструкції фільтрів з низхідним і висхідним потоком води, з середнім дренажем та інші [2-5]. Однак у цих роботах розглядається, в першу чергу, вилучення завислих частинок, які обумовлюють в цілому каламутність води. Детально не досліджено особливості вилучення із стічних вод малорозчинних сполук важких металів, особливо кольорових. У цьому напрямку було проведено ряд досліджень [6,7]. Однак в них не розглядаються всі параметри фільтрування і зовсім не вивчена можливість використання висхідного руху води.

Завданням даної роботи є дослідження роботи пінополістирольних фільтрів з різним напрямком руху стічної води при вилученні малорозчинних сполук важких металів у вигляді гідроксидів. Методика досліджень передбачала вивчення впливу швидкості фільтрування, рН середовища на ступінь вилучення важких металів. Дослідження проводились в лабораторних і виробничих умовах. Для проведення аналізів застосовувались стандартні методики визначення важких металів фотометричним методом. При цьому обов`язковим було попереднє проведення мінералізації вихідної і очищеної води за допомогою кислоти, що дозволяло визначити сумарну концентрацію металів у водній фазі у вигляді іонів і зависі.

При низхідному потоку води в фільтрі з середнім дренажем пінополістирольне завантаження складалось з п`яти шарів гранул крупністю 10-5, 3-5, 1-3, 0.5-1, 0.3-0.5 мм і висотою відповідно 150, 150. 200, 200, 400 мм. Найбільш характерні усереднені результати лабораторних досліджень і промислової експлуатації таких фільтрів наведені в табл 1.

пінополістирольний фільтр метал вода

Таблиця 1 Усереднені дані по впливу швидкості фільтрування на ефективність очищення стічної води від важких металів (при рН 9.8-10.2) на пінополістирольному фільтрі з низхідним рухом води

Як видно, при рН в межах 9.8-10.2 для забезпечення найбільшого ефекту очистки допустимою є швидкість фільтрування 2.0 м/год. Ефективність вилучення іонів важких металів також зменшувалась при відхиленні величини рН стічної води від оптимальних. Середня тривалість фільтроциклу становила 6-9 годин, темп приросту втрат напору - 0.057-0.085 м/год, загальні втрати напору - 0.40-0.75 м. Із зменшенням швидкості фільтрування підвищувалась брудомісткість фільтруючого завантаження, яка складала 1.06, 1.25 і 1.36 кг/м3 при відповідних швидкостях руху стічної води 8.0, 5.0 і 2.0 м/год. При використані однорідного завантаження з еквівалентним діаметром гранул 1.5 мм спостерігалось деяке зменшення темпу приросту втрат напору і підвищувалась його захисна дія порівняно з неоднорідним завантаженням.

Концентрація кожного іону металу в очищеній воді не дозволяла досягти необхідних лімітів. Створення умов для додаткової флокуляції гідроксидів шляхом розміщення над решіткою, що утримувала завантаження, додаткового шару гравію товщиною 100-200 мм і діаметром гранул 10-15 мм не дало відчутного ефекту щодо якості очищення води. Органолептичні спостереження за якістю фільтрату показали, що в очищеній воді завжди була присутня деяка кількість колоїдних частинок малорозчинних сполук металів, яка не зникала навіть при зниженні швидкості фільтрування до 1.0-1.5 м/год або додатковому застосуванні флокулянтів.

Промивка фільтруючого завантаження була найбільш ефективною з інтенсивністю 12-15 л/с-м2 з тривалістю 90-150 с. Використання для промивки вихідної забрудненої стічної води, що знаходилась в надфільтровому просторі фільтру, приводило до того, що якість фільтрату приходила до оптимальних значень тільки через 20-30 хвилин після “запрацювання” завантаження. На протязі вказаного періоду в очищеній воді спостерігався підвищений на 10-20% вміст гідроксидів важких металів. Промивка завантаження декілька разів підряд не дозволяла досягти потрібної якості перших порцій фільтрату.

Необхідно відмітити, що при низхідному русі стічної води надфільтровий простір працював, як додатковий відстійник. В результаті над утримуючою решіткою до кінця фільтроциклу накопичувався шар осаду гідроксидів металів. При промивці фільтра осад потоком промивної води виносився в шари завантаження, що значно погіршувало відмивку гранул пінополістиролу, скорочувало тривалість фільтроциклу і вимагало застосування багаторазової промивки.

Крім того, габаритна висота фільтра з низхідним потоком води була в межах 4.0-4.2 м, яка обумовлювалось необхідністю значного запасу вихідної стічної води для якісної промивки фільтру, наявністю неробочих шарів пінополістиролу під середнім дренажем і у верхній частині завантаження, що приводило до збільшення загальної висоти фільтруючого завантаження до 1.2 м. Така габаритна висота очисних установок утрудняла застосування таких фільтрів в приміщеннях з низькою висотою (наприклад, підвальних), які у багатьох випадках виділялись під водоочисні споруди на промислових підприємствах.

Таким чином, недостатньо висока якість очищення стічної води від гідроксидів важких металів, низька ефективність промивки завантаження, значна габаритна висота фільтра поставили задачу подальшого пошуку ефективних засобів фільтрування з використанням гранул спіненого полістиролу.

Аналіз ефективності роботи пінополістирольних фільтрів з різним напрямком руху потоку води, фізико-хімічних аспектів вилучення завислих частинок з води, оцінка надійності споруд показали, що найбільш придатними для очищення багатокомпонентних металовміщуючих стічних вод є пінополістирольні фільтри з висхідним потоком води. Такі фільтри детально досліджені в роботах Орлова В.О. з співробітниками відносно реагентного і безреагентного очищення природних вод з підземних і поверхневих джерел [3,5].

Перевагами таких фільтрів, в першу чергу, є можливість застосування малої висоти за рахунок відмови від застосування нижніх і верхніх дренажних шарів пінополістиролу та більш ефективна промивка фільтруючого завантаження за рахунок використання очищеної води.

Як вказується в [3], при схемі фільтрування знизу-вверх втрати напору в першому шарі завантаження товщиною х1 в початковий момент фільтрування часу фільтрування складають:

(1)

де: - коефіцієнт динамічної в`язкості, - коефіцієнт форми гранул завантаження, m01- пористість чистого завантаження, d1- діаметр гранул, v- швидкість фільтрування, x1-товщина елементарного шару, kp/ - коефіцієнт, що враховує співвідношення розмірностей експериментальних констант.

Приріст втрат напору за час фільтрування t в шарі плаваючого завантаження товщиною x1 складає:

(2)

де: (i1 - i01) - зміна гідравлічного уклону в шарі за рахунок накопичення зависі в порах і на поверхні гранул.

Зміна в часі гідравлічного уклону в елементарному шарі можна виразити такою залежністю:

(3)

Зменшення порового простору шарів завантаження в часі за рахунок відкладення в них забруднень залежить від кінетики процесу прояснення води:

(4)

де: С2 і С1 - концентрації зависі на вході в шари завантаження товщиною x2 i x1.

Аналіз наведених залежностей показує, що з підвищенням тривалості фільтрування втрати напору в першому шарі завантаження будуть підвищуватись значно скоріше, ніж у другому, внаслідок чого більша частина завантаження, яка має значну брудомісткість, буде використана нераціонально. У зв`язку з цим застосування пінополістирольних фільтрів з висхідним потоком води найбільш ефективно при умові використання відносно однорідного завантаження.

Для очищення води від гідроксидів металів нами застосовувалось завантаження з діаметром гранул робочої фракції спіненого полістиролу 1.0-2.0 мм. Висота завантаження приймалась 0.65-0.70 м, а з урахуванням верхніх дренажних шарів більш крупнішого пінополістиролу - 0.80-0.85 м.

За нашими дослідженнями при швидкостях фільтрування 3-6 м/год фільтри з висхідним потоком стічної води, що вміщувала гідроксиди важких металів, працювали незадовільно (табл. 2). Спостерігався значний винос завислих частинок та скорочена тривалість фільтроциклу. Потрібний ефект очистки забезпечувався при швидкості фільтрування, яка не перевищувала 2 м/год. В цих умовах якість очищеної води по іонам важких металів була вищою, ніж при застосуванні низхідного руху води при більш значнішій стабільності процесу очищення на протязі всього періоду фільтроциклу.

Таблиця 2 Усереднені дані по впливу швидкості фільтрування на ефективність очищення стічної води від важких металів (при рН 9.8-10.2) на пінополістирольному фільтрі з висхідним рухом води

Тривалість фільтроциклу складала 8-12 годин, хоча захисна дія чистого фільтруючого завантаження до допустимої якості фільтрату могла бути 16-24 години. Однак при значній величині фільтроциклу якісна відмивка фільтруючого завантаження при промивці фільтру була пов`язана із значними труднощами, що вимагало застосування багаторазової промивки, приводило до значного скорочення тривалості наступних фільтроциклів і зниженню якості очищення води. Брудомісткість фільтруючого завантаженння при вказаній швидкості фільтрування та фільтроциклі складала в середньому 0.95-1.0 кг/м3.

Значний вплив на якість очищення мала концентрація завислих частинок у вихідній стічній воді. При підвищенні концентрації зависі (гідроксидів важких металів) у вихідній стічній воді до 200-300 мг/л і більше внаслідок незадовільної роботи споруд для попереднього розподілу фаз тривалість фільтроциклу і захисна дія фільтруючого завантаження скорочувалась у 2-3 рази при зниженні в цілому якості очищеної стічної води.

Останнє можна пояснити тим, що при таких швидкостях фільтрування, які відповідають умовам очищення води в прояснювачах с завислим шаром осаду (висхідна швидкість потоку води в зоні прояснення в межах 0.5-0.8 мм/с [8]), в підфільтровій зоні можливе формування шару завислого осаду. Тривалість формування завислого шару осаду при вихідній концентрації гідроксидів важких металів 50-150 мг/л складає біля 20-30 хвилин. В цих умовах завислий осад сприяє додатковій коагуляції і флокуляції частинок гідроксидів, що значно зменшує можливість проскакування мілкодисперсної зависі в фільтруюче завантаження.

При швидкостях фільтрування більше 4 м/год (див. табл..2) завислий шар осаду не формується. Основна маса частинок гідроксидів затримується безпосередньо в товщі завантаження без створення умов для додаткової коагуляції і флокуляції зависі. В результаті через 2.0-3.5 год починається інтенсивний винос завислих частинок з пінополістирольного завантаження фільтру.

Значний вплив на тривалість захисної дії фільтруючого завантаження і стабільність процесу фільтрації робить дисперсність пластівців гідроксидів металів. Зокрема, при швидкості фільтрування 2 м/год зменшення розміру пластівців з 150-180 мкм до 35-80 мкм призводить до скорочення фільтроциклу у 2-3рази.

При фільтруванні стічної води середній темп приросту втрат напору складав 3.0-3.5 см/год, а загальні втрати напору при тривалості фільтроциклу 8-10 годин при вихідній концентрації гідроксидів металів 80-120 мг/л не перевищували 18-25 см. Підвищення швидкості фільтрування до 3 м/год не впливало суттєво на збільшення втрат напору.

Як вказувалось раніше [9], наявність ПАР, емульгованих домішок, органічних речовин сприяє зменшенню дисперсності малорозчинних сполук металів, що при одночасній можливості утворення спливаючих комплексів призводить до значного погіршення функціонування споруд для попереднього розподілу фаз. Внаслідок цього в проясненій воді після відстійників та флотаторів може спостерігатись значне підвищення концентрації мілкодисперсної зависі (до 250-300 мг/л і більше), що призводить до збільшення навантаження по забруднюючим речовинам на пінополістирольні фільтри. Це значно зменшує тривалість фільтроциклу, погіршує якість очищення води від завислих частинок та іонів важких металів і потребує додаткового введення коагулянтів. Крім того, при необхідності глибокого доочищення стічної води від іонів важких металів потрібне також додаткове введення в очищену воду хімічних реагентів, що потребує застосування самостійного фільтрування для вилучення утворених малорозчинних продуктів.

В таких умовах найбільш доцільним є застосування двохступеневого висхідного фільтрування із проміжним введенням перед другим ступенем реагентів. Як показали лабораторні і промислові дослідження на фільтрі першого ступеня більш ефективним є використання завантаження з більш крупніших фракцій (2-3 мм). При висоті завантаження 0.8 м та швидкості фільтрування 2м/год такі фільтри забезпечують в очищеній воді концентрацію зависі до 20-50 мг/л, що при додатковому введені осаджуючих реагентів або коагулянтів перед фільтром другого ступеня дозволяє досягти в очищені воді сумарну концентрацію іонів важких металів в межах 0.1-0.3 мг/л навіть при наявності у стічній воді ПАР, емульгованих та інших органічних домішок. Крім того, проміжне введення реагентів дозволяє забезпечити більш глибоке вилучення важких металів із різними рН гідратоутворення.

Оскільки втрати напору на фільтрі 1 ступеня не перевищували 15-20см при тривалості фільтроциклу 8-12 год, то це дозволило застосувати блочне компонування фільтрів 1 і 2 ступеня з загальною висотою водоочисних установок 2.5 м (рис.1).

Рис.1 Блочний двоступеневий пінополістирольний фільтр для доочистки стічних вод від важких металів на заводі по виробництву автомобільних деталей «Lukas autobrzdy», м. Яблонець над Нісой (Чехія)

Тривалість промивки фільтруючого завантаження залежить від інтенсивності промивки, брудомісткості та відносного розширення завантаження (рис.2). Для фільтрів 2 ступеня найбільш ефективною була промивка завантаження з інтенсивністю 18-20 л-с/м2 тривалістю 80-90 с. При зменшенні інтенсивності промивки відповідно зростала її тривалість і спостерігалось погіршення відмивки гранул пінополістиролу. Максимальне розширення фільтруючого завантаження при оптимальній інтенсивності промивки становило 25-35%. Для фільтрів 1 ступеня з крупністю гранул 2-3 мм тривалість промивки становила 50-60 с при розширенні завантаження 7-12%.

Таким чином, для очищення стічних вод промислових підприємств від малорозчинних сполук важких металів найбільш доцільним є використання пінополістирольних фільтрів з висхідним рухом води. Такі фільтри при швидкості 2 м/год забезпечують високий ефект очистки по важких металах при значно більшій стабільності процесу прояснення, ніж при низхідному русі води.

Рис. 2 Динаміка вимивання зависі при промивці завантаження (діаметр гранул 1-2 мм) в залежності від брудомісткості (Б) і інтенсивності промивки (І): 1- Б=0.6 кг/м3, І=15 л-с/м2; 2 - Б=1.0 кг/м3, І=18 л-с/м2; 3 - Б=0.9 кг/м3, І=12 л-с/м2

Застосування двоступеневих пінополістирольних фільтрів з проміжним введенням реагентів дозволяє досягти більш глибокого вилучення важких металів, а також високої ефективності очистки при наявності значної концентрації зависі, ПАР, емульгованих та інших органічних домішок.

Література

1. Павлов В.А. Полистирол. - М.: ”Химия”,1973. - 239 с.

2. Журба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтах. - Львов: Вища школа, 1980. - 199 с.

3. Орлов В.О., Зощук А.М., Мартинов С.Ю. Пінополістирольні фільтри в технологічних схемах водопідготовки. - Рівне: РДТУ, 1999. - 143 с.

4. Н. Гироль, М. Журба, Г. Семчук и др. Доочистка сточных вод на зернистых фильтрах. - Ровно: СП ООО «Типография Левобережная»,1998. - 92 с.

5. Орлов В.О. Водоочисні фільтри із зернистою засипкою. - Рівне: НУВГП, 2005. - 163 с.

6. Рогов В.М., Филипчук В.Л., Прокопьев К.Л. Доочистка сточных вод гальванических производств от гидроксидов тяжелых металлов на фильтрах с плавающей пенополистирольной загрузкой / Экспресс-информация. Мин-во мелиорации и водного хозяйства СССР. - Серия 4, вып. 5. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. - М.:ЦБНТИ, 1985. - С. 38-42.

7. Прокопьев К.Л., Приходько В.П. Интенсификация процесса доочистки промывных вод фильтрованием через плавающие загрузки в замкнутой системе водного хозяйства ГАП гальванопокрытий / Всесоюз. науч.-прак. семинар «Опыт разработки и внедрения средств автоматизации гальванического производства». - Ровно: Ровнооблмашинформ, 1985. - С.199-204. с.

8. Кургаев Е.Ф. Осветлители воды - М. Стройиздат, 1977 г. -192с.

9. Филипчук В.Л. Очистка сучасних металомістких стічних вод від іонів важких металів. // Вісник Житомирського інж-технол.ін-ту.Технічні науки. - Житомир,2002.- Вип.1(20). - С.37-44.

Размещено на Allbest.ru