Чебакова И.Б. Очистка сточных вод

Подождите немного. Документ загружается.

чинаются усадка и стягивание пор мембраны, что тоже приводит к уменьшению

проницаемости, а также к возрастанию скорости гидролиза и сокращению срока

службы мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны при температуре 50 °С разру-

шаются, поэтому необходимо при работе соблюдать рекомендуемый интервал

температур. Конструкция аппаратов для проведения мембранных процессов

должна обеспечивать большую поверхность мембран в

единице объема, простоту

сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность.

В настоящее время применяются различные типы аппаратов для мембранных

процессов, отличающиеся способом размещения и укладки мембраны:

1) с плоскокамерными фильтрующими элементами, имеющими удельную

площадь поверхности мембран 60 – 300 м

на 1 м

объема аппарата.

2) с трубчатыми фильтрующими элементами, имеющие удельную площадь

поверхности мембран 60 – 300 м

на 1 м

объема.

3) с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа с удельной

площадью поверхности мембран до 20 000 м

на 1 м

объема.

4) аппараты с мембранами изготовленными из полых волокон малого диа-

метра (45 – 200 мкм), имеющими удельную площадь поверхности до 20 000 м

на 1 м

объема; волокна из ацетатцеллюлозы или нейлона собираются в пучки

длиной 2 − 3 м и располагаются в аппарате линейно или U-образно. Установ-

ки обратного осмоса состоят из большого числа элементарных модулей, ко-

торые соединяются параллельно или последовательно.

При параллельном соединении (рис. 6.3а) все модули работают в одинако-

вых условиях – при одинаковом давлении

и коэффициенте выхода фильтрата.

Производительность таких установок низкая. Последовательное соединение

(рис. 6.3б) модулей позволяет увеличить выход фильтрата. Раствор концентрата

из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Промежуточно-

го насоса не требуется, так как давление на выходе первой ступени незначи-

тельно отличается от давления на входе во вторую ступень (

потери напора со-

ставляют 0,2 − 0,3 МПа). Такая схема для двух- и трехступенчатых установок

обеспечивает коэффициент выхода фильтрата 70 − 90 %.

а)

б)

III

Рис. 6.3. Схемы соединения модулей обратного осмоса: а – параллельная; б

–

последовательная; 1 – насос; 2 – модуль осмоса; I – подача сточной воды; II

–

концентрат; III – очищенная вода

7. ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ

Электродиализ - процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембран-

ном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для

опреснения высокоминерализованных сточных вод. Процесс очистки сточных вод

электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием

электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот

процесс широко используют для опреснения соленых вод. В

последнее время его

начали применять и для очистки промышленных сточных вод.

Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых со-

стоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру за-

ливают раствор, а в боковые, где расположены электроды, - чистую воду. Анионы то-

ком переносятся в анодное пространство. На

аноде выделяется кислород и образуется

кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде вы-

деляется водород и образуется щелочь. По мере прохождения тока концентрация со-

лей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю.

В простейшем электродиализаторе имеются две мембраны. Одна из них −

анионообменная

− пропускает в анодную зону анионы. Другая мембрана − катио-

нообменная − расположена со стороны катода и пропускает катионы в катодное

пространство. Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерны-

ми: 100 – 200 камер с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мем-

бранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах

достигается наибольший выход по

току. Электродиализатор (рис. 7.1) разделён

чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими

концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры.

Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («—»), про-

никают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анио-

ны, двигаясь в направлении "анода («+»), проходят через анионитовые мембраны,

но задерживаются катионитовыми. В результате этого из

одного ряда камер (на-

пример, четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер.

Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямо-

угольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и по-

рошка ионообменных смол. В табл. 7.1 приведены основные свойства ионитовых

мембран, выпускаемых отечественной промышленностью.

Электродиализные аппараты бывают двух типов

: прокладочные и лабиринтные.

Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000×200, «Родник-3»)

имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность 2 − 20 м

/ч.

Электродиализаторы лабиринтного типа (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25) имеют

вертикальную ось электрического поля; их пропускная способность 1 − 25 м

/ч. Опти-

мальная область применения электродиализаторов − для сточных вод с концентрацией

солей 3 − 8 г/л. Во всех конструкциях электродиализаторов в основном применяют

электроды, изготовленные из платинированного титана. Для эффективной работы ап-

паратов большое значение имеет промывка электродных камер, что предохраняет

крайние мембраны от разрушения продуктами электролиза.

Рис. 7.1. Схема процесса электродиализа: А – анионитовые мембраны, К – катионитовые мембраны; 1 – выход

газообразного водорода; 2 - подача сточной воды; 3 – выход газообразного кислорода; 4 – выпуск обессоленной

воды; 5 – выпуск концентрированного рассола

⎯

К К А

Таблица 7.1.

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из

следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды;

2) собственно электродиализной установки; 3) кислотного хозяйства и систе-

мы сжатого воздуха; 4) фильтров, загруженных активированным углем БАУ

или АГ-3, и бактерицидных установок. Технологические схемы бывают сле-

дующих типов – прямоточные, циркуляционные порционные, циркуляцион-

ные непрерывного действия.

Прямоточные

ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или парал-

лельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается

от исходного до заданного за один проход.

Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем час-

тично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный

электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не

будет достигнута

необходимая степень обессоливания.

Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рис. 7.2), в которых часть

сточной воды непрерывно смешивается с частью неполностью обессоленной

воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю

или в резервуар очищенной воды. ЭДУ с аппаратами, имеющими последова-

тельную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах.

Каждая из указанных

выше технологических схем имеет определенные пре-

имущества и недостатки, и их выбор производится на основании технико-

экономических расчетов. Исходными параметрами для расчета являются: кон-

кретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержание и со-

став обрабатываемых сточных вод. Например: при суточном расходе сточных

Марка

Толщина,

мм

Ионооб-

менная

емкость,

мг-экв/г

Селектив-

ность в

0,1-

процент-

ном рас-

творе NaCl

Электрическое со-

противление на 1 м

площади поверхно-

сти мембраны, Ом

Проч-

ность на

разрыв,

МПа

удельное

поверх-

ностное

Анионитовые мембраны

МА-40 0,5 – 0,7 3 – 4,4 0,94 200 – 250 12 – 17 12 – 13

МА-100 0,3 2 – 2,3 0,97 150 – 180 3,5 – 6 12 – 14

А-4 0,6 3,5 0,93 – – –

РМА 0,1 5 0,96 104 1 8

Катионитовые мембраны

МК-40 0,4 – 0,7 2,3 – 2,5 0,96 180 – 203 9,8 –16,2 12 – 15

МК-100 0,3 2,5 – 2,8 0,97 120 – 150 2,4 – 5 12 - 15

К-2 0,6 – 0,7 2 0,96 – – –

РМК-10 0,3 1,9 0,86 208 6,3 13

вод более 300 − 500 м

считается рациональным применение технологических

схем прямоточного типа.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм по-

вышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионооб-

менные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака,

что и у подвижных ионов.

Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100 − 200

камер) с чередующимися катионо-

и анионопроницаемыми мембранами. Элек-

троды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наи-

больший выход по току. Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетеро-

генные мембраны. Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют

малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой по-

рошок ионита, смешанный со связующим веществом −

каучуком, полистиролом,

метилмер-каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мем-

браны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность

работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мем-

Рис. 7.2. Схема циркуляционной электродиализной установки не-

прерывного действия: 1 - подача сточной воды; 2 - рабочие баки;

3 - бак для рассола; 4 - выпуск рассола; 5 - выпуск дилюата; 6 - элек-

тродиализатор: 7 - подача рециркуляционного рассола; 8 - насосы;

9 - подача смеси рециркуляционной и сточной воды. 10 -выпуск

рассола из электродиализатора; 11 - выпуск обессоленной воды

бранами. Обычно оно составляет 1 − 2 мм. Во избежание засорения мембран сточ-

ные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешен-

ных и коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке 1 м

сточной воды, содержащей в 1 л 250 мг при-

месей, до остаточного содержания солей 5 мг составляет 7 кВт⋅ч. С увеличением

содержания солей в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляриза-

ция, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению пока-

зателей очистки.

8. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Метод основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использовать

в качестве источников питания разнообразные органические соединения, подвер-

гая последние биохимическим превращениям. Использование свойств адаптации

бактерий активного ила позволяет успешно решать вопросы биологической очи-

стки стоков воды химических производств, содержащих сложные органические

соединения неприродного происхождения.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разру-

шают их

, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и т.п.

Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических

соединений при помощи микроорганизмов называют биохимическим окислением.

Окисление органических веществ происходит избирательно, поэтому некоторые

соединения разрушаются легко, другие - медленно или совсем не окисляются.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической

очистки сточных вод.

Аэробный метод основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для

жизнедеятельности которых требуются постоянный приток кислорода и температура

20-40 °С. При изменении кислородного и температурного режимов меняются состав и

число микроорганизмов, а следовательно, и эффективность очистки стоков. В случае

анаэробной очистки микроорганизмы культивируются в активном иле или биоплен-

ке,

биохимические процессы протекают без доступа кислорода. Этот метод ис-

пользуют главным образом для обезвреживания осадков.

Биохимическая очистка с точки зрения организации безотходного производства

не может считаться универсальной, так как поступающие со сточными водами цен-

ные органические вещества не извлекаются, а перерабатываются в избыточный ил,

также требующий обезвреживания. Однако это пока единственный

метод, который

обеспечивает очистку сточных вод до показателей, позволяющих использовать их в

оборотных системах охлаждения. Сооружения биологической очистки химических

предприятий могут иметь различные технологические схемы, которые выбирают в

зависимости от характеристик поступающих в них сточных вод.

За критерий выбора технологической схемы очистных сооружений принима-

ются: обеспечение требований к качеству очищенных

сточных вод и условие ми-

нимизации приведенных затрат.

Наиболее часто используется схема (рис. 8.1). Сточные воды поступают первона-

чально в усреднительные емкости 7, а затем в смесительную камеру 3. Сюда же по-

ступают хозяйственно-бытовые сточные воды из накопителя 2, а также условно чис-

тая вода. Накопитель хозяйственно-бытовых сточных вод 2 играет роль усреднителя,

поскольку эти воды имеют переменный характер загрязнения (разлив

продуктов,

уборка производственных помещений и т. д.). Смешанный сток поступает в аэ-

ротенк 4, куда подается воздух. Иловая смесь из аэротенка направляется во вто-

ричный отстойник 5, где очищенная вода отделяется от активного ила и направля-

ется в водоем или на подпитку водооборотных систем (после соответствующей до-

очистки). Активный ил из вторичных отстойников

возвращается в аэротенк в виде

возвратного ила, а частично в виде избыточного ила направляется на обработку.

III

VIII

VII

Рис. 8.1. Схема биологической очистки сточных вод: I – подача сточной воды;

II – подача условно чистой воды; III – хозяйственно-бытовые сточные воды;

IV – смешанный сток; V – иловая смесь; VI – отвод очищенной воды; VII

–

возвратный активный ил; VIII – избыточный активный ил; IX - подача возду-

ха; 1 – усреднительные емкости; 2 – накопитель хозяйственно-бытовых сточ-

ных вод; 3 – смесительная камера; 4 – аэротенк; 5 – вторичный отстойник

9. ДРУГИЕ МЕТОДЫ

Наряду с рассмотренными и распространенными методами очистки производ-

ственных сточных вод, реже находят применение также и другие физико-

химические методы.

Эвапорация. Эвапорационные методы очистки производственных сточных

вод подразделяются на пароциркуляционный и азеотропную ректификацию.

Пароциркуляционный метод применяется для удаления из сточных вод лету-

чих веществ (фенолов, крезолов, ксиленолов, нафтолов и других). Он основан на

отгонке загрязнений с циркулирующим водяным паром и на последующей его

отмывке от загрязнений раствором щелочи. При нейтрализации щелочного рас

твора загрязнения выделяются из него и могут быть отделены от водного слоя от-

стаиванием. Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или

в непрерывно действующих дистцилляционных колоннах. При движении через

колонну с насадкой навстречу острому пару сточная вода нагревается до 100 °С.

Находящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паровую фазу

Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соедине-

ний образовывать азеотропные нераздельнокипящие смеси с водой. Сточная вода из

емкости направляется в колонну, обогреваемую паром, где отгоняется часть воды в

виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части колонны

выходит очищенная вода. Пары, выходящие через верх колонны, поступают в кон-

денсатор. Конденсат после дополнительного охлаждения направляется в сепаратор,

где разделяется на два слоя – водный и органический. Водный слой из сепаратора

сбрасывается в емкость исходной сточной воды, а загрязняющий компонент посту-

пает на дальнейшую переработку или на повторное использование.

Эвапорационные методы применяются для очистки сточных вод коксохими-

ческих и химических заводов, заводов

синтетического каучука и других.

Выпаривание. Выпаривание сточных вод применяется для увеличения концентра-

ции солей, содержащихся в сточных водах, и ускорения их последующей кристаллиза-

ции, а также для обезвреживания небольших количеств высококонцентрированных

сточных вод (например, радиоактивных). Выпаривание может быть простым, а также

одно- и многоступенчатым под вакуумом. Простое выпаривание производят в

откры-

тых резервуарах, в которых сточная вода с помощью пара низкого давления нагревает-

ся до 100 °С, что вызывает большой расход теплоты. При выпаривании под вакуумом

можно значительно снизить температуру кипения и, следовательно, использовать в ка-

честве источника теплоты отработанный пар. Таким образом, вакуумные выпарные ус-

тановки более сложны в аппаратурном

оформлении, а также при эксплуатации.

Испарение. В отличие от выпаривания, испарение осуществляется с открытой

поверхности жидкости и происходит практически при любой температуры. Пло-

щадь испарительных площадок рассчитывается в зависимости от климатических и

грунтовых условий.

Кристаллизация. Этот метод основывается на различной растворимости со-

держащихся в сточной воде веществ, зависящей не только от их вида, но и от

температуры растворителя. При изменении температуры сточных вод получаются

пересыщенные растворы находящихся в них веществ, а затем их кристаллы. На

этом принципе основан метод выделения из сточной воды кристаллов загрязняю-

щего ее вещества, т. е. на естественном или ускоренном испарении жидкости.

Кристаллизация применяется при обработке небольших количеств концентриро-

ванных сточных вод. Кристаллизаторы бывают периодического действия с есте-

ственным охлаждением

за счет испарения воды, периодического − с перемешива-

нием и искусственным охлаждением и непрерывного действия.

Магнитная обработка. Находит применение при очистке сточных вод метал-

лургической промышленности от ферромагнитных механических примесей, а

также в системах оборотного водоснабжения для предупреждения накипеобразо-

вания в теплообменных аппаратах.

Термоокислительные методы. В термоокислительных методах обезврежи-

вания органические примеси в сточных водах окисляются кислородом воздуха

при повышенной температуре до безвредных продуктов (H

O, CO

). Выбор мето-

да обезвреживания зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной

способности, экономичности процесса и требований к очищенным стокам. По те-

плотворной способности загрязненные стоки делятся на сточные воды, способные

гореть самостоятельно за счет содержащихся в них органических веществ, и воды,

термоокислительное обезвреживание которых возможно только с вводом

топлива

(при теплотворной способности стоков ниже 8400 кДж/кг).

Наиболее распространенные из этих методов:

парофазное окисление («огневой метод»);

жидкофазное окисление («мокрое сжигание»);

каталитическое окисление.

Сущность «огневого» метода заключается в том, что сточная вода вводимая в

распыленном состоянии в высокотемпературные (900 − 1000 °С) продукты горе-

ния топлива, испаряется, органические примеси в сточной воде сгорают, Образуя

продукты полного сгорания. Минеральные примеси образуют при этом твердые

или расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или

уно-

сятся с дымовыми газами.

Огневой метод обезвреживания сточных вод является универсальным и харак-

теризуется высокой степенью очистки сточных вод (98

− 99,9 %). В этом методе

сточная вода вводится в распыленном состоянии в высокотемпературные продук-

ты сгорания топлива (900

− 1000 °С). Вода испаряется, а органические примеси

сгорают, образуя продукты полного сгорания (СО

, Н

О). Минеральные примеси

при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые удаляются из

камеры печи.

Недостатком метода является высокий расход топлива на испарение воды и

перегрев пара до 900

− 1000 °С. В связи с этим огневой метод рекомендуется

использовать: во-первых, при большом количестве сточных вод, содержащих

высокотоксичные органические примеси, обезвреживание которых другими

методами невозможно или экономически невыгодно; во-вторых, при наличии

горючих вторичных энергоресурсов, которые могут быть использованы вместо

топлива.

В огневом методе используются печи

различных типов: камерные, шахтные,

циклонные, с псевдоожиженным слоем.

Наиболее эффективны циклонные печи

(рис. 9.1.), в которых благодаря вихрево-

му характеру газового потока интенсифи-

цируется тепло- и массообмен между ка-

плями сточной воды и горячими продук-

тами сгорания топлива. В этих печах

сравнительно просто решается вопрос о

выгрузке плава солей. Недостатком ци-

клонных печей является большой унос

солевой массы потоком газа.

Сущность термоокислительного жид-

кофазного обезвреживания состоит в

окислении кислородом воздуха органиче-

ских примесей сточной воды, находящих-

ся в жидкой фазе при повышенных тем-

пературе (до 350 °С) и давлении. Недостатком циклонных печей является большой

унос солевой массы

потоком газа.

На рис. 9.2. представлена схема установки огневого обезвреживания сточных вод,

включающая циклонный реактор 2, парогенератор (котел-утилизатор) 3 и струйный

Воздух

Рис. 9.1. Схема установки сжигания го

ючих жидких отходов: 1 – воздуходув

ка; 2 – питающее устройство; 3 – печь; 4

–

подача жидких отходов

(

сточной

оды

)

Рис. 9.2. Схема установки огневого обезвреживания сточных вод: 1 – нагнета-

тельный насос; 2 – циклонный реактор; 3 – парогенератор (котел-утилизатор);

4 – струйный аппарат; 5 – циркуляционный насос; 6 – емкость; 7 – каплеотде-

литель; 8 – дымовая труба

Тпливо

Воздух

В атмосферу

Расплав минераль-

ных веществ

Сточная

вода

Газ

Вода техно-

логическая

Пар

Газ

Жидкость

Вода питательная

Раствор ми-

неральных

веществ

2 3

5 8