Средства защиты гидросферы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Средства защиты гидросферы

Решетникова Е.А.

Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод можно выбрать, зная допустимые концентрации примесей в очищенных сточных водах. При этом необходимо иметь в виду, что требуемые эффективность и надежность любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентрации примесей и расходов сточных вод. С этой целью применяют усреднение концентрации примесей или расхода сточных вод, а в отдельных случаях и по обоим показателям одновременно. Для этого на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых зависит от параметров изменяющихся по времени сбросов сточных вод. Выбор объема усреднителя концентрации примесей сточной воды зависит от коэффициента подавления

kn=(Cmax-Ccp)(Cд-Сср),

где Сmах - максимальная концентрация примесей в сточной воде, кг/м3; Сcр- средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные сооружения, кг/м3; Сд -допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная эксплуатация очистных сооружений, кг/м3.

При kn?5 объем усреднителя (м3)

V=kпДQф3,

где ДQ -превышение расхода сточной воды при переменном сбросе, м3/с; фз -продолжительность переменного сброса, с;

при kn < 5

V =ДQф3/ln[kп/(kп-1)].

После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия

ДQh/V?. Wд,

где h -высота секции усреднителя, м;

Wд = 0,0025 м/с -допустимая скорость движения сточной воды в усреднителе.

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, целесообразно существующие методы классифицировать на: механические, физико-химические и биологические.

Механические средства защиты гидросферы.

Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.

Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решетках, ширина прозоров обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку. Последующая обработка удаленного осадка требует дополнительных затрат и ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении. Эти недостатки устраняются при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее. В настоящее время используют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 мЭ/ч и диаметром сетчатого барабана 200 мм.

Для выделения волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий используют валокноуловители, например с использованием перфорированных дисков или в виде движущихся сеток с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях. Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (всплывания) примесей (м/с)

Wo=gd24(P4-PB)/(18m),

где g-ускорение свободного падения, м/с2; d4,-средний диаметр частиц, м; рчи рв -плотности частицы и воды, кг/м3; m -динамическая вязкость воды, Па/с.

Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25 мм. В зависимости от направления движениясточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным икруговым движением воды, вертикальные и аэрируемые. На рис. 1 показанасхема горизонтальной песколовки, ее длина (м), L=бhW/Wo, где W-скорость движения воды в песколовке, W=0,15. ..0,3 м/с; б - коэффициент, учитывающий влияние возможной турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке б=1,3...1,7.

Рис. 1. Схема горизонтальной песколовки 1 - входной патрубок; 2 - корпус песколовки; 3-шламосборник; 4-выходной патрубок

Рабочую глубину песколовки h выбирают из условия

h/W?фпр,

где фпр- время пребывания воды в песколовке, фпр= 30...100 с (рис.1). Ширина песколовки (м).

Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту. Существуют различные методики расчета длины отстойников (рис. 2).

Для расчета общей длины отстойника l=l1+l2+l3 задают расход сточнойводы и размеры поперечного сечения отстойника.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточной воды крупных твердыхпримесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др.), атакже от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона.



Рис. 2. Расчетная схема горизонтального отстойника

Открытый гидроциклон (рис. 3) состоит из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, патрубка 3 для отвода очищенной воды и шламоотводящей трубы 4. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводомочищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Рис. 3. Схема открытого гидроциклона

Производительность (м3/с) открытого гидроциклона

Q= 0,785qD2,

где q- удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15wo (wo-скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с); D - диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

Для проектирования открытых гидроциклонов рекомендуются следующие его геометрические характеристики: D = 2...10 м; H= D; d= 0,ID при одном отверстии и d= 0,0707D при двух входных отверстиях; б = 60°.

Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична схеме циклона для очистки газов от твердых частиц. Производительность напорного гидроциклона определяется по формуле: , где dпит, dсл - диаметры патрубков для подачи сточной и слива очищенной воды, мм; ДР - потери давления в гидроциклоне, Мпа; g - ускорение свободного падения, м/с2.

На рис. 4. представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов.

Рис. 4. Схема напорного гидроциклона

Сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вследствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх. При этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 маслопродукты выводятся из гидроциклона для последующей утилизации. Сточная вода, очищенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным сечением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод прокатных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответственно0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м3 и эффективностью их очистки около 0,7 и 0,5.

При расходе очищаемой сточной воды 5 м3/ч перепад давлений в гидроциклоне составляет 0,1 МПа.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией.

Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки.

Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.).

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 5). Сточная вода по трубопроводу 4 поступает в корпус 1 фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шунгизита и т. п., расположенную между пористыми перегородками 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра через трубопровод 8. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрывается входной трубопровод 4и по трубопроводу 9 подается сжатый воздух. Он вытесняет из фильтровального слоя 3 воду и твердые частицы в желоб 6, которые затем по трубопроводу 7 выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра является развитая поверхность фильтрования, а также простота конструкции и высокая эффективность.

Рис. 5. Схема зернистого фильтра

песколовка фильтровальный сепаратор сточный

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов широко используют фильтры с фильтровальным материалом из частиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая большой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скорости фильтрования до 0,01 м/с. При этом насадка из пенополиуретана легко регенерируется при механическом выжимании маслопродуктов.

На рис. 6. представлена схема фильтра-сепаратора с фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, предназначенного для очистки сточных вод от маслопродуктов и твердых частиц. Сточную воду по трубопроводу 5 подают на нижнюю опорную решетку 4. Затем вода проходит через фильтровальную загрузку в роторе 2, верхнюю решетку 4 и очищенная от примесей переливается в приемный кольцевой карман 6 и выводится из корпуса 1. При концентрации маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м3 эффективность очистки составляет соответственно 0,92 и 0,9; а время непрерывной эксплуатации фильтра 16...24 ч. Достоинствами данной конструкции являются простота и большая эффективность регенерации фильтра. При включении электродвигателя 7 вращается ротор 2 с фильтровальной загрузкой. В результате частицы пенополиуретана под действием центробежных сил отбрасываются к внутренним стенкам ротора, выжимая из него маслопродукты, которые поступают в карманы 3 и направляются на регенерацию. Время полной регенерации фильтра 0,1 ч.

Рис. 6. Схема фильтра-сепаратора

Физико-химические методы очистки

С быстрым развитием современного общества постоянно возрастают потребности в воде во всех секторах хозяйствования. В то же время непрерывное увеличение количества сточных вод наталкивает на мысль о том, что их следует рассматривать как альтернативный источник водных ресурсов.

Однако вторичное использование сточных вод создает определенную опасность для здравоохранения и вследствие этого требует разработки специфических требований к степени их очистки. Традиционные методы очистки не позволяют достичь требуемых стандартов качества, поскольку очищенная сих помощью вода по-прежнему содержит значительное количество микроорганизмов. Вследствие этого возникает необходимость в доочистке и обеззараживании воды.

Разработка новых технологий расширила возможности повторного применения сточных вод так что в настоящее время они могут использоваться во всех отраслях сельского хозяйства, для орошения спортивных площадок, в городском хозяйстве, в промышленности, для питания водоносного горизонта и т.п. В то же время стандарты, нормирующие качество воды, направляемой на вторичное использование, значительно ужесточились, а новые технологии доочистки сточных вод чрезвычайно усложнились в результате усилий, предпринимаемых для достижения высокого качества очищенной воды.

В настоящее время существует целый ряд технологий обеззараживания сточных вод, которые способны обеспечивать наивысшее качество очищенной воды по микробиологическим показателям. Однако некоторые из этих методов обработки создают дополнительные проблемы, связанные, например, с присутствием остаточных количеств используемых реагентов или с образованием побочных продуктов обеззараживания. Эти недостатки ограничивают область применения химических методов обеззараживания, что привело к возрастанию использования физических процессов, главным образом, ультрафиолетового облучения и мембранной технологии.

К настоящему времени УФ облучение стало широко используемым методом обеззараживания сточных вод - во всем мире успешно эксплуатируются тысячи установок УФ облучения различной производительности.

Этот успех оказался возможным благодаря таким факторам, как эффективность метода в отношении уничтожения вирусов и бактерий, минимальное содержание побочных продуктов обеззараживания и невысокие эксплуатационные затраты. Основной недостаток данной технологии заключается в устойчивости к УФ облучению некоторых групп микроорганизмов (например, яйца нематод, цисты простейших, некоторые вирусы), требующих высоких доз облучения для эффективного обеззараживания. Другим ограничивающим фактором применения этой технологии является зависимость эффективности УФ облучения от качества воды, поступающей в обработку. В частности, эксплуатационные характеристики системы изменяющейся в зависимости от таких характеристик воды, как мутность, содержание взвешенных веществ и коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения. По причине перед УФ облучением часто производится предварительная обработка воды, направленная на снижение содержания взвешенных веществ. Наиболее подходящей для этой цели является физико-химическая обработка исходной (коагуляция - осветление - фильтрование). Эта технология широко используется и на практике доказала свою высокую эффективность в отношении удаленных взвешенных веществ и получения воды, легко поддающейся обеззараживанию ультрафиолетом.

На протяжении последнего десятилетия широкое распространение получили мембранные технологии очистки сточных вод. Ранее их применение считалось нецелесообразным вследствие высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Однако, в результате возросшей потребности во вторичном использовании сточных вод, а также из-за резкого ужесточения требований к степени очистки, в настоящее время эти технологии рассматриваются как вполне конкурентоспособные всех мембранных систем наиболее широким исследованиям в отношении применимости для обеззараживания сточных вод были подвергнуты системы микро ультрафильтрации. Оба метода оказались эффективными в отношении полного удержания простейших и бактерий, однако лишь технология ультрафильтрации позволяет задерживать также и вирусы. В дополнение к своей обеззараживающей способности, мембранные технологии не вызывают проблем, связанных с удалением целевых микроорганизмов при изменении физико-химического качества воды поскольку подобные системы играют роль физического барьера по отношению к частицам, находящимся в воде.

Вместе с тем мембранным технологиям также присущи определенные эксплуатационные недостатки. Мембраны требуют постоянной промывки для предотвращения кольматации, а также периодической химической очистки для удаленных материалов, необратимо закупоривающих мембрану, что, в свою очередь, влияют на расход воды и трансмембранное давление.

Эти проблемы могут быть сведен к минимуму путем предварительной обработки исходной воды, например метод фильтрования через зернистую загрузку.

Все вышеописанные технологии позволяют получать очищенную воду, отвечающую стандартам на сточные воды, направляемые на повторное использование, и широко применяются для доочистки сточных вод. Цель настоящего исследования состояла в сравнении методов физико-химической очистки с обеззараживанием ультрафиолетом и мембранных технологий в отношении конечного качества очищенной воды и связанных с этим экономических затрат, имея в вид оценку применимости каждой системы.

Для данного исследования были сконструированы и изготовлены две опытные установки, работавшие в параллельном режиме (физико-химическая очистка с обеззараживанием ультрафиолетом и комбинация фильтрования через зернистую загрузку и ультрафильтрации). Предварительная обработка до обеззараживания УФ облучением состояла в дозировании сульфата алюминия (100 мг/л) в смеситель, осветлении во взвешенном слое осадка (гидравлическая нагрузка 0,8 м3/м2час) и фильтровании на напорном песчаном фильтре (эффективный размер зерен песка 0,8 мм, гидравлическая нагрузка 5,0 м3/м2час). Ультрафиолетовое облучение производилось на установке Aquada Maxima 2 (WEDECO) с лампами низкого давления (N = 40 Вт, = 253.7 нм), установленной после песчаного фильтра. УФ-установка была рассчитана на работу со скоростью потока 1,46 м3/час и обеспечивала дозу облучения 400 Дж/м2 для воды, имеющей коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения 75 %. Однако, величина дозы изменялась в зависимости от скорости потока и от коэффициента пропускания ультрафиолета исходной водой согласно следующему выражению:

Использованная мембранная система представляла собой модуль ультрафильтрации FLAMEC (FILTERPar), оснащенный плоскими мембранами из поливинилиденфторида кассетного типа со средним размером пор 0,05мкм. Площадь фильтрующей поверхности составляла 35 м2; мембраны работали в погружном режиме при трансмембранном давлении (вакууме) от -0,1 до -0,6 бар. Режим работы включал 20 - минутную фазу фильтрования со скоростью 1 м3/час, за которой следовала 2 - минутная фаза промывки с интенсивностью 1,5 м3/час. Щелочная химическая очистка проводилась через каждые две недели (раствор NaOH 0,3 М и 12,5 % раствор NaCIO). Кислотная химическая очистка проводилась через каждые 30 дней (раствор H2S040,05 М) путем рециркуляции раствора в течение 1 часа. Система была установлена после песчаного напорного фильтра, наполненного кварцевым песком с эффективным размером зерен 0,8 мм, работающего при гидравлической нагрузке 8 м3/м2час. На рис. 7 представлена схема опытной установки.



Рис. 7. Схема опытной экспериментальной установки 1 - вторичный отстойник; 2 - песчаный фильтр; 3 - блок ультрафильтрации; 4 - смеситель; 5 - расходный бак коагулянта; 6 - осветлитель со взвешенным слоем осадка; 7 - УФ-лампа; 8 - резервуары; 9 - пробоотборники

Методика эксперимента:

Сравнительные исследования проводились с использованием городской сточной воды, биологически очищенной на канализационных очистных сооружениях г. Melilla, Испания. Экспериментальная установка работала в непрерывном режиме с ежедневным отбором проб исходной и очищенной воды. В качестве микробиологических параметров анализировалось общее содержание колиформных бактерий, E.coli, а также содержание колифагов (общее и в отфильтрованной пробе) и яиц нематод.

Пробы воды для бактериологического и вирусологического анализа отбирались в стерильные стеклянные бутылки емкостью 1 л и анализировались сразу же после отбора проб. Наличие общих колиформных бактерий и E.coli исследовалось с использованием метода мембранной фильтрации (UNE-EN ISO 9308-1). Для анализа колифагов применялся модифицированный метод двойного слоя агар-агара, описанный Adams [13], с использованием Escherichia coli С (АТТС 13076). Перед анализом 10 мл пробы или ее разбавления помещались в пробирку, содержащую 2 мл хлороформа. Пробирку энергично встряхивали, после чего оставляли отстаиваться в течение 20 мин.; хлороформ удалялся нагреванием пробы до 45 °С. Для определения колифагов, ассоциированных на взвешенных частицах, и колифагов в отфильтрованной пробе перед обработкой хлороформом пробы фильтровались через стерильный мембранный фильтр Millipore (0,22 мкм); для определения концентрации яиц нематод использовался модифицированный метод Bailenger [14]. Подсчет микроорганизмов производился с помощью камеры Мс Master. Для определения мутности использовался спектрофотометрический метод на длине волны 650 нм, тогда как концентрация взвешенных веществ определялась фильтрационным методом с применением фильтра 0,45 мкм согласно документу «Стандартные методы исследования воды и сточных вод» [15]. Коэффициент пропускания УФ излучения (UV2S37, %) водой, прошедшей физико-химическую обработку, осуществлялся с помощью г-спектрофотометра Heлios (фирма Thermo Spectronic). Для каждой пробы проводился анализ размера частиц с помощью прибора для подсчета частиц LiQuilaz-E-20 (фирма Particle Measuring System). Эта система методом дифракции с помощью лазерного луча определяет распределение частиц по размерам в области от 2 до 125мкм г. разрешением 1мкм.

В результате испытаний было выявлено следующее. Как физико-химическая обработка в сочетании с УФ облучением, так и система ультра-фильтрации с предварительным фильтрованием через песчаную загрузку могут рассматриваться в качестве технологий, пригодных для доочистки воды.

Обе системы обеспечивают очистку воды до требуемого качества как по физико-химическим, так и по микробиологическим показателям. Основное различие систем заключается в том, что схема физико-химической обработки в сочетании с УФ облучением не обеспечивает постоянства микробиологического состава, что главным образом объясняется колебаниями коэффициента пропускания ультрафиолетового излучения обрабатываемой воды, которые не всегда в достаточной степени корректируется дозой коагулянта. Основное различие в отношении качества обработанной воды выявляется с помощью анализа распределения частиц по размерам, причем по этому параметру качество воды, очищенной по мембранной технологии, заметно более высокое.

Тем не менее, в настоящее время мембранные системы пока еще остаются менее конкурентоспособными по сравнению с процессами физико-химической обработки в сочетании с УФ облучением, что, в частности, обусловлено высокой стоимостью монтажа оборудования и значительными издержками на замену мембран [Сравнительное исследование физико-химических методов доочистки и обеззараживания сточных вод и ультрафильтрации M. Gomez, F. Plaza, G. Garralon, J. Perez, M.A. Gomez, Журнал «Вода и экология» № 2/2008].

Физико-химические методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.

В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемогов сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица - пузырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся вводе веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

В настоящее время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды. Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки

qr=100Q(Co-Cк)6M,

где Co и Ск-концентрации маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м3; М-удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа

I= qr/бr,

где бr- выход газа по току; бr = 0,0076 дм3 / (л-мин).

Расход водорода (дм/мин) в смеси электролизного газа

QH2=22,4qrбH(бrMH2)

где бH - электрохимический эквивалент водорода, бH = 0,627 мг/(А-мин); Mн2- молекулярная масса водорода.

Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела «сточная вода - воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотношения q?50qн2 и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора

qсм=qr+qв.

Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность ценообразования щ = 300...600дм3/(м - мин) [6] и определяют площадь поверхности пенообразования f=qсм/щ.

Определяют объемную плотность тока (А/м3), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения

j=(ц+0,261Kcp+0,1)/(0,022-0,011Kф),

где ц -степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации; ц = 1...5дм3/м3; Кф = 0,3...1,2 -коэффициент формы флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры V=I/j; F=(Kф3V)2 и затем ее основные размеры.

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной водыи экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции

Kф=Cэ/Cв,

где Сэ и Св - концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата Кз составляет соответственно 2,4 и8...12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ? 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким калием, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.

Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле

q = сМэ/Мк

где с - концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; Мэ и Мкк - молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

- фильтрационный-путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

- водно-реагентный -добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

- полусухой -перемешиванием высококонцентрированных сточныхвод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом(известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент - активированный уголь. Расход сорбента

т = Q(Сo-Ск)/д,

где Q-расход сточной воды, м3с; Со и Ск-концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м3; а-удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют ионитами-синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н+ или Na+- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН-- или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и аниониты. При контакте сточной воды с катионитом в водородной форме имеет место обмен катионов растворенных вводе солей на Н+ - ионы катионита в соответствии с уравнением реакции

n[K]H+Men+-[K]nMe+hH+

где К - «скелет» (радикал) катионита; Me -извлекаемый из сточной воды катион металла; n-заряд катиона. При этом имеет место увеличение кислотности сточной воды.

При контакте сточной воды с анионитом в гидроксильной форме происходит обмен анионов кислот на OH'-ионы анионита в соответствии с уравнением реакции

m[Ap]OH+Am--[An]mA+mOH

где Аn-»скелет» (радикал) анионита; А-извлекаемый из сточной воды анион; т -заряд аниона.

В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок. Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-катионирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита (рис. 8a). Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите (рис. 8б).

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильно основного анионита. Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах (рис 8в).

Рис. 8. Технологическая схема ионообменной очистки сточных вод: а - одноступенчатая очистка; б - очистка с двухступенчатым анионированием; в - очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым анионированием; К- катионитовый фильтр; А-анионитовый фильтр; Д-декарбонизатор. ПБ-промежуточный бак

При необходимости обеспечивать значение рН ? 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита.

Электрохимическая очистка, в частности, электрохимическое окисление осуществляется электролизом и реализуется двумя путями окислением веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или через вещество-переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза.

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С12, НОС1, С12O, С1O, СlO3), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах.

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КС1, NaCI) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов. Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде -разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

На рис. 9 показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар 1, бак 2 для приготовления концентрированного раствора NaCI, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. Очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 7. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.

Рис. 9. Технологическая схема установки электрохимического окисления циансодержащих сточных вод

Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером около 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений. По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация требует малых энергозатрат установки для очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются, фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оценивается уравнениями

Q = k1(Pp-Дp); F=k2Дc,

где Q - расход воды через мембрану,м3/с, k1, k2 -коэффициенты проницаемости соответственно воды и растворенного вещества через конкретную мембрану; рр - рабочее давление на входе в мембрану, Па; Др - разность осмотических давлений раствора на входе в мембрану, Па, Дс - разность концентраций растворенного в воде вещества на входе в мембрану и выходе из нее, кг/м3; F- масса растворенного вещества, переносимого через мембрану, кг.

Для гиперфильтрации используют ацетатцеллюлозные, полиамидные и тому подобные полимерные мембраны с ресурсом работы 1. 2 г Селективность мембран по отношению к ионам различных веществ характеризуется следующим рядом Al3+ > Zn2+ > Cd2+ > Mg2+ > Ca2+ > Ba2+ > SO2- > Na+ > F- >K+ > Cl- > Br- > I- > NO3- > H+.

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содержанием летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и вместе с паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапорации осуществляют в испарительных установках (рис. 5.9), в которых при протекании через эвапорационную колонну с насадками из колец Рашига навстречу потоку острого пара сточная вода нагревается до температуры 100° С. При этом содержащиеся в сточной воде летучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением

Сп/св = у,

где Сп и св, - концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м3;у - коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.

Рис. 10. Технологическая схема эвапорационной установки, где 1-трубопровод подачи исходной сточной воды; 2- теплообменник; 3-эвапорационная колонна; 4 - трубопровод загрязненного пара; 5-трубопровод подачи растворителя; 6-колонна с насадками из колец Рашига для очистки отработанного пара; 7-вентилятор; 8- трубопровод повторно используемого очищенного пара; 9 - трубопровод отвода загрязненного летучими примесями растворителя; 10-трубопровод отвода очищенной сточной воды; 11-трубопровод подачи свежего пара

Концентрация примеси в сточной воде на выходе из эвапорационной колонны

Св=Со(qY-1)(qyex-1),

где Co -концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м3; q - удельный расход пара, кг/кг; х = [руН(qу-1)]/(Ьуу), здесь bqy - эмпирическая постоянная насадки; b-плотность орошения колонны водой, м3/м2; р -эмпирическая постоянная, м/с; ст -удельная площадь поверхности насадки, мм2; Н-высота слоя насадки, м.

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ.

При физико-химической очистке природных и сточных вод в качестве реагентов - окислителей наиболее широко применяются: хлор, гипохлорит натрия, диоксид хлора, озон, перекись водорода и др. Основной недостаток этих реагентов - образование растворимых токсичных органических веществ (хлорсодержащих или перекисных), остающихся в очищенной воде в последние годы все больший интерес привлекает к себе новая ферратная технология очистки воды, основанная на использовании ферратов натрия или калия. Эти реагенты обладают универсальными свойствами: наряду с окислительным действием, они также способствуют процессам коагуляции и дезинфекции.

Широкое применение этого способа очистки было затруднено из-за отсутствия методов промышленного синтеза ферратов.

В ЗАО «НПО ЭКРОС» разработана технология промышленного производства нового реагента «ферроксин», в котором в качестве основного активного вещества используется сильный окислитель - феррат натрия степени окисления железа (+6).

Лабораторные исследования, проведенные ранее показали, что содержащиеся в сточных водах промышленных производств значительное количество серы в низшей и промежуточной степени окисления, являющиеся весьма токсичными даже в следовых количествах, могут быть полностью окисленными до сульфат-ионов при избыточном содержании феррата (в 2-2,5раза). Лабораторные испытания также показали, что феррат натрия окисляет не только сульфиды и полисульфиды, но и цианиды, роданиды, аммоний и аминокислоты, а также органические вещества, в том числе хлорпроизводные, до мало токсичных продуктов.

Обеззараживание цианидных, хромсодержащих и кислотно-щелочных гальванических стоков проводилось в соответствии с существующим на заводе технологическим регламентом. Проверялась возможность применения реагента «ферраксин» как индивидуально, так и в сочетании с другими применяемыми на очистных сооружениях реагентами. Сухой «ферраксин» вводился в сточную воду перед отстойниками.

Следует особо отметить, что основная проблема при очистке сточных гальванических вод заключается в том, что из-за неконтролируемых сбросов разных электролитов в стоках образуются буферные системы. Состав этих систем и буферная их емкость в разные периоды времени совершенно не определенные. В связи с этим один из важнейших процессов очистки - нейтрализацию стоков для осаждения соединения тяжелых металлов при определенном значении рН - реально очень сложно осуществить.

Учитывая, что гальванические сточные воды могут содержать неопределенное количество восстановителей, как по качественному, так и по количественному составу, для определения оптимальной дозы «Ферроксина» необходимо предварительно провести лабораторное тестирование со сточной водой: оптимальной будет доза «Ферроксина», после внесения которой вода окрасится в слабый малиновый цвет.

Следует отметить, что, при обработке сточной воды «Ферроксином»:

1. окислительно-восстановительная реакция протекает очень быстро.

2. конечными продуктами окисления цианид ионов «Ферроксином» - являются нитрат и карбонат натрия.

Основной же метод, используемый в настоящее время на производствах, для обезвреживания цианидных стоков - щелочное хлорирование - имеет следующие недостатки: образование токсичного хлорциана и неполное удаление некоторых комплексов цианида с металлами.

Кроме того, «Ферроксин» также окисляет часто содержащиеся в гальванических сточных водах органические соединения, в том числе хлорсодержащие, и нефтепродукты, а также оказывает дезинфицирующее действие по отношению к вирусам и бактериям.

Таким образом, применение «Ферроксина» для очистки гальванических сточных вод является весьма перспективным не только в качестве окислителя, но и в качестве коагулянта [Использование реагентов «ферроксин»для очистки сточных вод гальванического производства Арапов О.В., Копылова Е.А., Иванов С.Е., Соболь С.А., Легун В.В., Журнал «Вода и экология» № 2/2008].

Биологическая очистка

Ее применяют для выделения тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.п.). Процесс реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических веществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в них биохимических процессах (окислении или восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от видов и свойств микроорганизмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и искусственных условиях.

Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтрации, полях орошения и в биологических прудах. Очистку и бытовых, и производственных сточных вод на полях фильтрации и полях орошения в настоящее время используют очень редко в связи с малой пропускной способностью единицы площади полей и непостоянством состава производственных сточных вод, а также из-за возможности попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.

Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточных вод суточным расходом не более 6000 м3. Применяют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

Биологические фильтры широко используют для очистки и бытовых, и производственных сточных вод. В качестве фильтровального материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т. п. Существуют биофильтры с естественной подачей воздуха; их применяют для очистки сточных вод суточным расходом не более 1000 м3

Для очистки производственных сточных вод больших расходов и сильно концентрированных используют биофильтры с принудительной подачей воздуха (рис. 11).

Рис. 11. Схема биофильтра с принудительной подачей воздуха, где 1-трубопровод подачи исходной сточной воды; 2-водораспределительные устройства; 3- фильтровальная загрузка; 4-трубопровод отвода очищенной сточной воды; 5-гидравлический затвор; 6 - трубопровод подвода сжатого воздуха; 7 - корпус фильтра

Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод устанавливается после образования на загрузочном материале биофильтра биологической пленки, микроорганизмы которой адаптировались к органическим примесям сточных вод. Период адаптации обычно составляет 2...4 недели, хотя в отдельных случаях он может достигать нескольких месяцев. Для оценки состава сточных вод в процессе биологической очистки используют биологическую потребность воды в кислороде (БПК) -количество кислорода, необходимое для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема сточной воды.

Объем загрузочного материала

V= (La-Lt)/M,

где La и Lt,-БПК исходной и очищенной сточной воды, кг/м3; М-окислительная мощность биофильтра -масса кислорода, которая может быть получена в сутки с единицы объема загрузочного материала биофильтра, кг/(м3сут)

Аэротенки, используемые для очистки больших расходов сточных вод,позволяют эффективно регулировать скорость и полноту протекающих в нихбиохимических процессов, что особенно важно для очистки промышленныхсточных вод нестабильного состава. Окислительная мощность аэротенковсоставляет 0,5...1,5 кг/м3 в сутки. В зависимости от состава примесей сточныхвод и требуемой эффективности очистки применяют аэротенки с дифференцируемой подачей воздуха, аэротенки-смесители с дифференцируемой подачей сточной воды и аэротенки с регенераторами активного ила.

При БПК > 0,5 кг/м3 используют аэротенки с дифференцируемой (сосредоточенной) подачей смеси сточной воды и активного ила в начале сооружения (рис. 12). Воздух, интенсифицирующий процесс окисления органических примесей, распределяется равномерно по всей длине аэротенка.



Рис. 12. Технологическая схема аэротенка, где 1 - трубопровод подачи исходной сточной воды; 2-первичный отстойник; 3- трубопровод подачи активного ила для повторного использования; 4-аэротенк; 5-трубопровод отвода отработанного ила; 6-трубопровод отвода очищенной сточной воды; 7-вторичный отстойник; 8-трубопровод подвода сжатого воздуха

Диспергирование воздуха в очищаемой сточной воде осуществляют механическими или пневматическими аэраторами. Окислительная мощность аэротенков существенным образом зависит от концентрации активного ила в сточной воде. При очистке производственных сточных вод концентрация ила обычно составляет 2...3 кг/м3 по сухому веществу.

Окситенки обеспечивают более интенсивный процесс окисления органических примесей по сравнению с аэротенками за счет подачи в них технического кислорода и повышения концентрации активного ила. Для увеличения коэффициента использования подаваемого в объем сточной воды кислорода реактор окситенка герметизируют. Очищенная от органических примесей сточная вода из реактора поступает в илоотделитель, в котором происходит выделение из нее отработанного ила. При проектировании окситенков необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их пожаро-взрывобезопасности с учетом вредных и опасных факторов, имеющих место при эксплуатации систем с использованием газообразного кислорода.

Размещено на Allbest.ru