Чебакова И.Б. Очистка сточных вод

Подождите немного. Документ загружается.

переноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерен, от

размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопроводности.

Учитывая все эти обстоятельства, определяют условия, при которых адсорбцион-

ная очистка сточных вод идет с оптимальной скоростью. Процесс целесообразно про-

водить при таких гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался

во внутри-

диффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру

адсорбента, уменьшая размеры зерна. Для ориентировочных расчетов рекомендуется

принимать следующие значения скорости и диаметра зерна адсорбента: w

=1,8 м/ч и

=2,5 мм. При значениях w и d

меньше указанных процесс лимитируется по внешне-

диффузионной области, при больших значениях — во внутридиффузионной.

В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места распо-

ложения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных вод

и крупности сорбента и др. назначают схему сорбционной очистки и тип адсорбера.

Так, например, перед сооружениями биологической

очистки применяют насыпные

фильтры с диаметром зерен сорбента 3 − 5 мм или адсорберы с псевдоожиженным

слоем сорбента с диаметром зерен 0,5 − 1 мм. При глубокой очистке производствен-

ных сточных вод и возврате их в систему оборотного водоснабжения применяют ап-

параты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен до 0,1 мм.

Наиболее простым является

насыпной фильтр, представляющий колонну с на-

сыпным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильт-

рования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и состав-

ляет 1 − 6 м/ч, крупность зерен сорбента – 1,5 − 5 мм. Наиболее рациональное на-

правление фильтрования жидкости снизу вверх, так как в этом случае происходит

равномерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются

пузырьки воздуха и газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой.

В колонне слой зерен сорбента укладывают на беспровальную решетку с отвер-

стиями диаметром 5 − 10 мм и шагом 10 − 20 мм, на которые укладывают поддержи-

вающий слой мелкого щебня и крупного гравия

высотой 400 − 500 мм, предохра-

няющий зерна сорбента от проваливания в подрешеченное пространство и обеспечи-

вающий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой

сорбента для предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем

щебня и покрывают решеткой (т. е. повторяют укладку в обратном направлении).

Фильтры с неподвижным слоем сорбента

применяют при регенеративной очист-

ке сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов.

Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара.

При расчете насыпных фильтров время защитного их действия определяют по

формуле

зд

⋅−τ, (3.2)

где

зд

- коэффициент защитного действия, определяемый экспериментально; H -

высота слоя сорбента;

τ - потеря времени защитного действия: τ=ε⋅∆τ;

- по-

ристость сорбента;

∆

τ - время, в течение которого концентрация веществ в

фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке С

дп

до С

Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активированными уг-

лями имеют выпуклую изотерму сорбции, а плохо адсорбируемые – вогнутую. Ве-

личина ∆τ определяется по выходной кривой динамики сорбции (рис. 3.1б), уста-

навливаемой экспериментально. По выходной кривой определяется момент появ-

ления сорбата в фильтрате

пр

τ− время проскока, а после этого момента фиксиру-

ется увеличение концентрации сорбата до максимального, соответствующего

Количество вещества, задерживаемого насыпным фильтром:

V = (H - h) ⋅ F ⋅

, (3.3)

где

h - эмпирическая константа; F - площадь фильтра, м

; a

- динамическая ак-

тивность сорбента, кг/м

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном пере-

мешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента

или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного дей-

ствия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде

частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько

ступеней.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно ра-

ботающих секций, состоящих из 3 − 5 последовательно расположенных фильтров.

При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регене-

рацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации

головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла

применение в тех случаях, ко-

гда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно

(при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании много-

ступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента,

сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от C

до С

, затем

адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют

на вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент.

Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивного

перемешивания обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного вре-

мени и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием или фильтрова-

нием. При последовательном введении (рис. 3.2) новых

порций сорбента в очи-

щаемую воду можно очистить ее от загрязняющих веществ до любой концентра-

ции. В основе расчета таких адсорбционных аппаратов с перемешивающими уст-

ройствами лежит уравнение материального баланса:

авн н

ma Q Q

⋅+ ⋅ = ⋅ , (3.4)

где

- количество сорбента, кг;

- количество обрабатываемых сточных вод, м

Решая это уравнение относительно

m и учитывая зависимость (3.1) можно запи-

сать

нравн

адс

равн

Q( )

⋅

−

⋅

. (3.5)

Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концен-

трация сорбата в сточной воде

1к

адс

⋅

. (3.6)

Для расчета сорбционных установок необходимо иметь изотерму сорбции,

знать константу адсорбции и задаваться требуемой степенью очистки, иначе го-

воря, величиной сорбата в обрабатываемой сточной воде. Если расчет величин

ведется для технологической схемы с последовательным введением сорбента, то

при двухступенчатой очистке

2k 1кн

адс адс

СС С

Qm Qm

⎛⎞

=⋅= ⋅

⎜⎟

+⋅ +⋅

⎝⎠

, (3.7)

где

2к

- концентрация сорбата после второй ступени, кг/м

;

- количество

вводимого сорбента, кг.

При числе ступеней

n концентрацию сорбента после очистки определяют по

формуле

nk н

адс n

Qk m

⎛⎞

⋅

⎜⎟

+⋅

⎝⎠

. (3.8)

Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень

, подсчитывают по уравне-

нию

nk адс

⎛⎞

=−⋅

⎜⎟

⎝⎠

. (3.9)

Общее количество сорбента

mnm

⋅

Рис. 3.2. Схема сорбции с последовательным введением сорбента: 1, 2 – подача со-

ответственно сточной воды и сорбента; 3 – резервуары с перемешивающим устрой-

ством; 4 – отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5

–

выпуск обработанной сточной воды; 6 – выпуск отработанного сорбента

При проектировании сорбционных установок с противоточным введением

сорбента концентрацию вещества в обработанной сточной воде после

n ступеней

находят по выражению

()

адс

nk н

адс

mQ 1

СС

mQ 1

⋅−

⋅

⋅−

. (3.10)

Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологиче-

ской схемы только в последнюю ступень установки, определяют по уравнению

=γ−β−

, (3.11)

где

адс

−

⎛⎞

α=

⎜⎟

⎝⎠

;

надс

С k

⋅

β=

⋅

;

γ= −

;

число ступеней устанавливают по зависимости

nK1

−

()

{

}

н nn

KlgCkm/Q1C lgClg(mQ)k=⋅−+− −⋅⎡⎤

⎣⎦

. (3.12)

Здесь

k0,70,8=−

- коэффициент распределения.

Противоточные сорбционные установки (рис. 3.3) применяют значительно

шире благодаря более экономичному расходованию сорбента.

В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточ-

ной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентра-

ции растворенных веществ и колеблется от 2 − 4 до 5 − 6 м

/ч через 1 м

попереч-

ного сечения колонны. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее се-

чение. Адсорбент применяют в виде частиц размерами 1,5 − 5 мм. При более мел-

ких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладыва-

ют на слой гравия, уложенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента

сточная вода не должна содержать

твердых взвешенных примесей.

Рис. 3.3. Схема сорбционной установки с противоточным введением сорбента:

1 - подача сточной воды; 2 - резервуар с перемешивающим устройством; 3 - от-

стойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 - подача

сорбента; 5 - выпуск отработанной сточной воды; 6 - резервуар для сбора сор-

бента; 7 - насосы для перекачки сорбента; 8 - выпуск отработанного сорбента

В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут

периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При

непрерывном процессе используют несколько колонн (рис. 3.4). По такой схеме

две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию.

При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую.

В момент проскока

в колонне появляется слой адсорбента высотой L

, кото-

рый не работает. Этот слой называют «мертвым». Если одновременно выводить

из колонны «мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента,

то колонна будет работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специ-

альные дозаторы.

Скорость перемещения работающего слоя

нср

uCw

⋅

0д

(3.13)

где

ср

- средняя скорость воды в колонне;

0д

- динамическая емкость адсорбента.

Длина работающего слоя

⋅β⋅+

, (3.14)

где µ - количество поглощенного вещества; S

- площадь поперечного сечения

слоя; β - коэффициент массопередачи;

- средняя движущая сила адсорбции.

При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде средняя движущая

сила процесса может быть вычислена как средняя логарифмическая из движущих

сил на концах адсорбера.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергированных

взвешенных частиц, заиливающих сорбенты, а так же в случае, если равновесие уста-

навливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожиженным

слоем

сорбента. Псевдоожижение слоя возникает при повышение скорости потока сточной

Рис. 3.4. Схема сорбционной установки непрерывного действия: I – подач

сточной воды; II – отвод очищенной воды; III – подача пара: 1 – усредни-

тель; 2 – насос; 3 – фильтр; 4 – колонна; 5 – емкость

егене

ат

III

воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна увеличившего-

ся в объме слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя,

сохраняющего постоянную для данной скорости высоту. Важнейшими показателями

работы установки с псевдоожиженным слоем сорбента является относительная по-

ристость

отн

сорб

п.сл

=− , (3.15)

где

сорб

− объем частиц сорбента, образующих псевдоожиженный слой;

п.сл

−

объем псевдоожиженного слоя.

В цилиндрических колоннах вместо показателя «относительная пористость»

используется показатель «относительное расширение слоя», равный отношению

высот псевдоожиженного и неподвижного слоев:

п.сл неп.сл

НН

. Оптимальная ве-

личина которого равна 1,5. При этом размеры частиц активированного угля со-

ставляют 0,25 − 1,0 мм, что отвечает скорости потока сточной воды 7 − 10 м/ч.

В настоящее время применяют цилиндрические одноярусные адсорберы

(рис.3.5). Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя

часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в

2 − 2,5 раза больше диаметра

основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет

центральный угол 30° − 60°. Непосредственно под коническим днищем устанав-

ливается распределительная решетка с отверстиями 5 − 10 мм и шагом отверстий

около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц

0,25 − 1 мм и преимущественным содержанием фракции

0,5 − 0,75 мм. Высота

неподвижного слоя составляет 2,5 − 2,7 м .

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диф-

фузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного

к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей от-

носительное расширение слоя 1,5 − 1,6.

Рис.3.5. Цилиндрический одноярусный

адсорбер:

1 – подача воды;

2 – цилиндрическая колонна;

3 – центральная труба с диффузором;

4 – царга;

5 – подача сорбента;

6 – выпуск обработанной сточной воды;

7 – сгуститель сорбента;

8 – выпуск отработанного сорбента;

9 – распределительная решетка

Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с автоматическим дозатором.

Сорбент в виде (5 − 20)-процентной суспензии поступает в верхнюю расширен-

ную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера подается

сточная вода. В трубе эта вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия

поступает через диффузор под решетку, продавливается через

ее отверстия и за-

держивается части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне.

Обработанная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги.

Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного дей-

ствия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в

сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5 −

1 мм.

Скорости потока для частиц указанных размеров находится в пределах 8 − 12 м/с.

Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация актив-

ного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или

перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого

пара при этом (при избыточном давлении 0,3 − 0,6 МПа) равна 200 − 300

°С, а инерт-

ных газов 120 − 140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5 − 3 кг

на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих − в 5 − 10 раз больше. После де-

сорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации

углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими

низкокипящими и

легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При ре-

генерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихло-

рэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании

десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным га-

зом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их пере-

водят в диссоциированную

форму. При этом ионы переходят в раствор, заключен-

ный в порах угля, откуда| их вымывают горячей водой, раствором кислот (для уда-

ления органических оснований) пли раствором щелочей (для удаления кислот).

В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем хими-

ческого превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из ад-

сорбента

. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности,

проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором,

озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различ-

ной конструкции при температуре 700 − 800 °С в бескислородной среде. Регенерацию

ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связа-

на

с потерей части адсорбента (15 − 20 %). Разрабатываются биологические методы ре-

генерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются.

Этот способ регенерации значительно удлиняет срок использования сорбента.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещест-

ва утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожают-

ся. В зависимости от вида сорбционной очистки применяются различные

методы

регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы:

экстрагирование органическим растворителем;

изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе;

отгонка адсорбированного вещества с водяным паром;

испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного тепло-

носителя.

В отдельных случаях осуществляют химическое превращение сорбированных

веществ с последующей десорбцией.

Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый

спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом тем-

пература воздуха должна быть 120 − 140 °С, перегретого пара – 200 − 300 °С, а дымо-

вых или

инертных газов 300 − 500 °С. Расход пара на отгонку легколетучих веществ

из активированного угля составляет 3 − 12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В ка-

честве десорбентов могут быть использованы низкокипящие легко перегоняющиеся с

водяным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол

и другие. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем

растворитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или теплоносителями.

При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислитель-

ные методы. При применении термического метода следует учитывать потери

сорбента (потери активированного угля составляют 5 − 10 %).

Из затрат на сорбционную очистку 30 − 35 % составляют расходы на активи-

рованный уголь.

4. ЭКСТРАКЦИЯ

При относительно высоком содержании в производственных сточных

водах растворимых органических веществ, представляющих техническую

ценность (например, фенолы, жирные кислоты), эффективным методом

очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагента-

ми (табл. 4.1). Экстракционный метод очистки производственных сточных

вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаи-

монерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. От

ношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешиваю-

щихся (или слабо смешивающихся) растворителях при достижении равно-

весия является постоянным и называется коэффициентом распределения

(или экстракции):

эст

const

≈ , (4.1)

где C

, C

ст

, - концентрация экстрагируемого вещества в эктстрагенте и сточ-

ной воде соответственно при установившемся равновесии. Коэффициент рас-

пределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а

также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте. После

достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстраген-

те значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное

в эктстрагенте

вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстра-

гент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.

Таблица 4.1

Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значитель-

ной концентрации органических примесей или высокой стоимости извлекаемого

вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при

концентрации их 2 г/л и более.

Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь сле-

дующие свойства:

хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому

веществу, т. е. высокий коэффициент распределения;

селективность – способность экстрагировать из воды одно вещество или

определенную их группу;

малую растворимость в воде;

плотность, отличающуюся от плотности воды;

температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения

экстрагируемого вещества;

небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позво-

ляет снизить расходы пара и охлаждающей воды;

возможно меньшую огне- и взрывобезопасность;

низкую токсичность;

низкую стоимость.

Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодействовать

с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-

регулирующей арматуры экстракционной установки. Методы экстрагирования

Экстраги-

рующее

вещество

Экстрагент

Экстраги-

рующее

вещество

Экстрагент

Анилин

бутилацетат 27

Салицило-

вая кислота

ацетон 126

толуол 8 – 19

толуол 1,7 – 2,5

бензол 1,7 – 4,5

Бензойная

кислота

диэтиловый эфир 71 – 91 хлороформ 2,9 – 4,3

бутилацетат 30

n-толуодин бензол 51 - 60

толуол 6 – 12

Муравь-

инный

альдегид

амиловый спирт 3 Фенол

бутилацетат 51

амиловый спирт 14 – 16

толуол 1,7 – 9,4

бензол 2,3 – 2,5

хлороформ

3,4 –

12,5

Пикрино-

вая ки-

слота

толуол 1,7 – 8,7

Хлоруксус-

ная кислота

амиловый

спирт

3,6

бензол 0,7 – 5,3

хлороформ 1,2 – 2,6 Пиридин толуол 1,4 – 9,3

органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно

разделить (рис. 4.1) на перекрестноточные, ступенчато-противоточные, непре-

рывно-противоточные. Прямоток в процессах экстракции не применяется. При

многоступенчатой перекрестной (рис. 4.1а) схеме сточная вода на каждой ступени

контактирует со свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов.

Практическое применение по-

лучили методы

ступенчато-

противоточной (рис. 4.1б) и непре-

рывно противоточной экстракции.

При ступенчато-противоточной

экстракции каждая ступень вклю-

чает перемешивающее устройство

для смешения фаз и отстойник для

их гравитационного разделения.

Могут применяться также центро-

бежные сепараторы, обладающие

более высокой разделительной

способностью по сравнению с гра-

витационными.

Вода и экстракт движутся

навстречу друг

другу, причем

экстракт последующей ступени

смешивается в смесителе с вод-

ной фазой предыдущей ступени.

Смеситель должен обеспечить

максимальную степень дисперги-

рования экстракта в воде, исклю-

чающую, однако, возможность

образования стойких эмульсий,

которые препятствуют разделе-

нию фаз. Конечная концентрация

экстрагируемого из раствора вещества в воде может быть определена по формуле

(

)

кн

1bk

СС

=+⋅

, (4.2)

где

к n

СС

- конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества, кг/м

;

n –

число экстракций; b – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м

/м

W(n Q)

⋅ . (4.3)

Здесь W – общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м

; Q – количество

сточных вод, подвергающихся экстракции, м

; k

– коэффициент распределения.

Анализируя уравнение (4.2) можно, сделать вывод о большой эффективности

многократной экстракции.

Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или перио-

дической (при малых расходах сточных вод). При непрерывно-противоточной

экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате,

Рис. 4.1.а) схема многоступенчатой пере-

крестноточной очистки; б) схема ступенча-

то-противоточной экстракции: 1 – подача

сточной воды; 2, 3, 4 – экстракционные ус-

тановки; 5 – подача чистой воды; 6 – вы-

пуск обработанной сточной воды; 7 – отвод

отработанного экстрагента; 8 – отстойники

б)

а)