Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

261

Схема очистки воды на центрифугах представлена на рис. II-14.

Из сточной воды сначала удаляется крупный осадок на решетках, а

затем песок в гидроциклоне. После уплотнения осадка его удаляют

из центрифуги.

Червячные отжимные аппараты. При разделении суспензий

такие аппараты имеют следующие преиму щества перед центрифуга-

ми: отсутствие быстровращающихся частей, низкая конечная влаж-

ность осадка, простота изготовления и непрерывность процесса. К

недостаткам следует отнести значительный унос твердой фазы при

работе с низкоконцентрированными и мелкодисперсными (менее 100

мкм) суспензиями и невозможность промывки осадка в аппарате.

Схема такого аппарата показана на рис. II-15.

Суспензия через загрузочну ю воронку поступает

фильтрующий

корпу

с,

нижняя часть которого выполнена в виде набора пластин с

регулируемыми зазорами (за счет прокладок). Частицы твердой фазы,

осаждаясь в фильтрующем корпусе червячного отжимного аппара-

та, перемещаются к ВЫХОДУ

. Поскольку- выходное сечение корпу са

аппарата уменьшено за счет прижимной головки, на выходе из кор-

пуса создается давление, под действием которого происходит отжим

фильтрата. Осадок имеет НИЗКУЮ конечную влажность. Шнек при-

водится во вращение электродвигателем. Частота вращения невели-

ка. В таких аппаратах особенно хорошо разделяются су спензии, име-

ющие волокнистые частицы.

Сточная вода

Осадок

Рис. И-15. Червячный отжимной аппарат: 1 — воронка; 2 — отжимной червяк;

3 — корпус; 4 — набор пластин; 5 — прижимная головка

262

Вопросы для повторения

1. Что такое гидравлическая крупность и как ее определяют?

2. Какие отстойники используются для удаления взвешенных час-

тиц из сточных вод и какова их эффективность?

3. Какие имеются пути повышения эффективности процесса отстаи-

вания?

4. Какие особенности осаждения частиц в тонкослойных отстойни-

ках?

5. Объясните механизм выделения нефти из сточных вод в нефтело-

вушках.

6. Какие конструкции тканевых фильтров используются в процессах

очистки сточных вод? Как определяется скорость фильтрования?

7. Каков механизм фильтрования в фильтрах с зернистой перегород-

кой? Чем отличаются медленные фильтры от скоростных и микро-

фильтров?

8. В каких фильтрах производят процессы фильтрования эмульсий?

Объясните их устройство и принцип работы.

9. Объясните механизм удаления взвешенных частиц под действием

центробежной силы. В чем отличие напорных от открытых гидро-

циклонов? Проведите сопоставление по производительности и эф-

фективности.

Глава 8. Физико-химические методы

очистки сточных вод

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят ко-

агуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, рек-

тификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и у льтра-

фильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы исполь-

зуют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных ча-

стиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и орга-

нических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных

вод по сравнению с биохимическими имеют ряд преимуществ: 1)

возможность удаления из сточных вод токсичных биохимически нео-

кисляемых органических загрязнений: 2) достижение более глубо-

кой и стабильной степени очистки; 3) меньшие размеры сооруже-

нии; 4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок; 5) воз-

можность полной автоматизации; 6) более глубокая изученность ки-

263

нетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, ма-

тематического описания и оптимизации, что важно для правильного

выбора и расчета аппаратуры; 7) методы не связаны с контролем за

деятельностью живых организмов; 8) возможность рекуперации раз-

личных веществ.

Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов)

производят с учетом санитарных и технологических требований,

предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с

целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества

сточных вод и концентрации загрязнений в них, наличия необходи-

мых материальных и энергетических ресурсов и экономичности про-

цесса.

8.1. Коагуляция и флокуляция

Коагуляция. Это процесс укрупнения дисперсных частиц в ре-

зультате их взаимодействия и объединения в агрегаты.

очистке сточ-

ных вод ее применяют для ускорения процесса осаждение тонкодис-

персных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наибо-

лее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных час-

тиц, т. е. частиц размером 3—100 мкм. Коагуляция может происхо-

дить самопроизвольно или под влиянием химических и физических

процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происхо-

дит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ — коа-

гулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов метал-

лов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья

обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные час-

тицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый

отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный

заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности

частиц двойного электрического

слоя.

Одна часть двойного слоя фик-

сирована на поверхности раздела фаз, а другая создает облако ионов,

т. е. одна часть двойного слоя является неподвижной, а другая под-

вижной (диффузный слой). Разность потенциалов, возникающая

между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидко-

сти), называется дзета-потенциалом 4 или элекгрокинетическим по-

тенциалом, отличным от термодинамического потенциала Е, кото-

рый представляет собой разность потенциалов между поверхностью

частиц и жидкостью. Дзета-потенциал зависит как от Е, так и от

264

толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электро-

статических сил отталкивания частиц, которые предохраняют час-

тицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных частиц

загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на поверхнос-

ти этих частиц,

обу

словливает высокую стабильность коллоидной

системы.

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо сни-

зить величину их дзета-потенциала до критического значения добав-

лением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при

коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вслед-

ствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции

зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противо-

положный знаку заряда частицы. Чем выше валентность, тем более

эффективно коагулирующее действие.

Для начала коагуляции частицы должны приблизиться друг к

другу на расстояние, при котором между ними действуют силы при-

тяжения и химического сродства. Сближение частиц происходит в

результате броуновского движения, а также при ламинарном или тур-

булентном движении потока воды. Коагулирующее действие солей

есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением.

Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происхо-

дит по следующим стадиям:

J+

+HOH^=^Me(OH)

Me(OH)

"+HOH5=?Me(OH)

Ме(ОН)

+НОН Me(OH)

+Н *

"+HOH^=Me(OH)

+ЗН'.

(11.39)

В действительности процесс гидролиза протекает значительно

сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в

резу

льтате реакций с гидроксид-ионами и полимеризации. Образу-

ющиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорби-

руются отрицательно заряженными коллоидными частицами.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, же-

леза или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-

химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от

рH и солевого состава воды.

В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия

(SO

)

18Н„0; алюминат натрия NaAlO,: гидроксохлорид алюми-

265

ния AL

(OH)

CL; тетраоксосульфаты алюминия-калия и алюминия-

аммония [квасцы — алюмокалевые KAL(SO

)

12H

O и аммиачные

AL(SO

)

-12Н

0]. ИЗ НИХ наиболее распространен сульфат алю-

миния, который эффективен в интервале значений рН=5-7,5. Он хо-

рошо растворим в воде и имеет относительно низкую стоимость. Его

применяют в сухом виде или в виде 50%-го раствора. При коагули-

ровании сульфата алюминия он взаимодейству ет с гидрокарбоната-

ми, имеющимися в воде:

(S0

)

+3Ca(HC0

)

^=^2Al(0H)

^ +3CaS0

+6C0

. (11.40)

Алюминат натрия применяют в сухом виде или в виде 45%-го

раствора. Он является щелочным реагентом, при рН=9,3-9,8 образу-

ет быстроосаждающиеся хлопья. Для нейтрализации избыточной ще-

лочности можно использовать кислоты или дымовые газы, содержа-

щие CO

2NaA10

+CO

+3H

05=iAl(OH)

+Na

(И

41)

В большинстве случаев используют смесь NaA10

+Al(S0

)

в со-

отношении (10 : 1) — (20: I):

6NaAlO

+Al

(SO

)

+12H

05=±8Al(OH)

+3Na

. (11.41,а)

Совместное употребление этих солей дает возможность повысить

эффект осветления, увеличить плотность и скорость осаждения хло-

пьев, расширить оптимальную область рН среды.

Оксихлорид алюминия обладает меньшей кислотностью и поэто-

му пригоден для очистки слабощелочных вод; ввиду- высокого содер-

жания в нем водорастворимого алюминия ускоряется хлопьеобразо-

вание и осаждение коагулированной взвеси, например, по реакции:

2Al

(0H)

Cl+Ca(HC0

)

->4Al(0H)

+CaCl

+2C0

. (11.42)

Из солей железа в качестве коагулянтов используют сульфаты же-

леза Fe

(SO

)

O, Fe

(S0

)

-3H

6 и FeS0

-7H

0,*a также хлорное

железо FeCl

. Наибольшее осветление происходит при использова-

нии солей трехвалентного железа. Хлорное железо применяют в су-

хом виде или в виде 10-15%-х растворов. Сульфаты используют в

виде порошков. Доза коагулянта зависит от рН сточных вод. Для Fe

рН равен 6-9, а для Fe

рН 9,5 и выше. Для подщелачивания сточ-

ных вод используют NaOH и Ca(OH)

. Образование хлопьев проте-

кает по реакциям:

266

FeCl

+3H

0 ->Fe(OH)

+3HCl, (11.43)

(SO

)

+6H

0->2Fe(OH)

+3H

; (11.44)

при подщелачивании:

2FeCl

+3Ca(OH)

-»2Fe(OH)

+3CaCl

, (11.45)

(S0

)

+3Ca(0H)

-»2Fe(0H)

+3CaS0

. (11.46)

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед соля-

ми алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; бо-

лее широкая область оптимальных значений рН среды; большая проч-

ность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использо-

вать для вод с более широким диапазоном солевого состава; способ-

ность устранять вредные запахи и привкусы,

обу

словленные при-

сутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образова-

ние при реакции катионов железа с некоторыми органическими со-

единениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; силь-

ные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; ме-

нее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей Al

(SO

)

и FeCl

в соотношениях от

1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при

раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаж-

дения хлопьев. Кроме названных коагулянтов, для обработки сточ-

ных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсо-

держащие отходы производства, травильные растворы, пасты, сме-

си, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Оптимальную дозу реагента устанавливают на основании проб-

ного коагулирования.

Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита. В

общем виде эта зависимость показана на рис. И-16. При малых кон-

центрациях электролита эффективность соударений частиц, т. е. от-

ношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему

числу столкновений близка к нулю (у - 0). По мере роста концент-

рации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения

эффективны — такую коагуляцию называют медленной. При \|/ = 1

наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения час-

тиц заканчиваются образованием агрегатов.

Скорость быстрой коагуляции для неподвижной среды при броу-

новском движении частиц по теории Смолуховского равна:

dnjdx = K(n

-n

)

. (11.47)

267

Количество частиц в единице объема воды за время х для быст-

рой и медленной коагуляции определяется по формулам:

= П

/(1+т/Т

1/2

= D

/[ 1

(T/T

1/2

)].

(11.48)

Для ламинарного и турбулентного движения потока воды число

взаимодействий частиц за единицу времени в единице объема жид-

кости п

и It

вычисляется по формулам:

= l/6n,n

G(d+(I

)

, (11.49)

n, =Sn

, (П. 50)

где п

— число агрегатов частиц; К — константа коагуляции

К »4pR« 8pDr; D — коэффициент диффузии одиночных частиц; г —

радиус частиц; R — расстояние, на которое должны приблизиться

частицы, чтобы произошло их объединение (R

2г); п

— начальная

концентрация частиц; T

— время коагуляции, в течение которого

количество частиц в единице объема уменьшается вдвое; vy — коэф-

фициент эффективности столкновений частиц; п

и O

— число взаи-

модействий частиц за единицу времени в единице объема соответ-

ственно для ламинарного и турбулентного движения потока воды; Ii

ип

— число частиц с размером (I

и d

соответственно; (G — скоро-

стной градиент (G=dv /dz): й,и й

— среднеквадратичные скорости

двух коагулирующих частиц.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем

в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании уълека-

ют за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость

коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее,

чем шарообразные.

Размер хлопьев (в преде-

лах 0,5-3 мм) определяется

соотношением между' молеку-

лярными силами, удерживаю-

щими частицы вместе, и гид-

родинамическими силами от-

рыва, стремящимися разру-

шить агрегаты. Для характери-

Рис. II-16. Зависимость относи-

тельной скорости коагуляции от

концентрации электролита

268

стики хлопьев пользуются понятием эквивалентного диаметра:

d= 0,136 V

-'[(Px-

M- (II. 51)

где

— кинематическая вязкость воды; р

— плотность хлопьев;

—

скорость свободного осаадения;

— коэффициент формы хлопьев.

Плотность хлопьев определяется с учетом плотностей воды р

твердой фразы р

и объема твердого вещества в единице объема хло-

пьев 5 :

= Р,Ч(Р,-Р,)- (

1152

)

Прочность хлопьев зависит от грану лометрического состава об-

разующихся частиц и пластичности. Агломераты частиц, неоднород-

ных по размеру, прочнее, чем однородных. Вследствие выделения

газов из воды а также в результате аэрации и флотации происходит

газонасыщение хлопьев, которое сопровождается уменьшением плот-

ности хлопьев и уменьшением скорости осаждения.

Флокуляция. Это процесс агрегации взвешенных частиц при до-

бавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называ-

емых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агре-

гация происходит не только при непосредственном контакте частиц,

но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на час-

тицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образова-

ния хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения

скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет сни-

зить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса ко-

агуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Для очистки сточных вод используют природные и синтетичес-

кие флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал,

декстрин, эфиры целлюлозы и др. Активный диоксид кремния

(xSi0

- уН

0) является наиболее распространенным неорганичес-

ким флокулянтом. Из синтетических органических флокулянтов наи-

большее применение в нашей стране получил полиакриламид [-CH

CH-CONHJ

, технический (ПАА) н гидролизованный (ГППА). Тех-

нический ПАА получают при взаимодействии акрилонитрила с сер-

ной кислотой с последующей полимеризацией акриламида. Гидро-

лизованный полиакриламид получают омылением технического ПАА

щелочью.

При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его

269

макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная

доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в пре-

делах 0,4-1 г/м

. ППА действует в широком диапазоне рН среды.

Однако скорость осаждения сфлокулированных хлопьев при рН>9

уменьшается.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлени-

ях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных час-

тиц; ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флоку-

лянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса.

При действии флокулянтов между коллоидными частицами образу-

ются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полно-

му отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких струк-

тур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких

частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Кол-

лоидные частицы заряжены отрицательно, что способству ет процес-

су взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа. При

добавлении активированного силиката увеличивается в 2-3 раза ско-

рость осаждения и повышается эффект осветления. Полиакриламид

выпускается в виде 7-9%-го геля, затвердевающего при температуре

ниже 273°К. При добавлении ПАА к воде ее вязкость резко возра-

стает.

Эффективность любого флокулянта рассчитывают по формуле:

-W)Avq, (11.53)

где \\

сф

и w — скорость осаждения сфлокулированного и несфлоку-

лированного шлама соответственно, мм/с; q — расход флокулянта

на 1 т твердого вещества, г.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состо-

ит из следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточ-

ной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев (рис. II-17).

Для смешения коагулянтов с водой применяют гидравлические и

механические смесители. В гидравлических смесителях смешение

происходит вследствие изменения направления движения и скорос-

ти потока

воды.

Схема одного из смесителей показана на рис. II-18, а. В

механических смесителях — аппаратах с мешалкой — процесс пере-

мешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы части-

цы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались

бы при вращении мешалки.

После смешения сточных вод с реагентами, воду направляют в

камеры хлопьеобразования. Используют перегородчатые, вихревые

270

Коагулянт

Вода I

jjr U

Сточная

вода

-' V Ч Очищен-

^ J наявода

' 'Осадок

Рис. II-17. Схема установки для очистки вод коагуляцией:

1 —

емкость; 2 —

дозатор; 3 — смеситель; 4 — камера хлопьеобразования; 5 — отстойник

и с механическими мешалками камеры. Образование хлопьев в ка-

мерах протекает медленно — за 10-30 мин. Схема перегородчатой

камеры показана на рис. II-18, б.

Она представляет собой резервуар, разделенный перегородками

на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость воды

в коридорах принимают 0,2-0,3 м/с.

Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях,

конструкции которых описаны в седьмой главе. Часто стадии сме-

шения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате. Один

из таких аппаратов показан на рис. II-18, в.

Сточная вода, смешанная с коагулянтом, по трубе поступает в

воздухоотделитель. Затем вода движется по центральной трубе к рас-

пределительным трубам, которые заканчиваются соплами для рас-

пределения и вращения воды в кольцевой зоне, куда вводят флоку-

лянт. Хлопья коагулянта образуются в кольцевой зоне. Взвешенные

частицы с хлопьями оседают на дно и их удаляют из аппарата. Ос-

ветленная вода через отверстие попадает в желоб, откуда ее направ-

ляют на использование.

8.2. Флотация

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нераствори-

мых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо

отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для уда-

ления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс назы-

вают пенной сепарацией или пенным концентрированием. Флота-