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

Подождите немного. Документ загружается.

351

Очищенная

вода

Осадок

Рис. 11-51. Схема однокамерной элект-

рофлотационной установки (1 — корпус;

2 — электроды)

чем при других методах флотации. Он

зависит от краевого угла смачивания

и кривизны поверхности электродов.

Диаметр пузырьков меняется от 20 до

100 мкм. Мелкие пузырьки водорода

обладают большей растворимостью,

чем крупные. Из пересыщенных ра-

створов мельчайшие пузырьки выде-

ляются на поверхности частичек загрязнений и тем самым способ-

ствуют эффекту флотации. Для получения пузырьков требуемого раз-

мера необходим правильный подбор материала, диаметра проволо-

ки катода и плотности тока. Оптимальное значение плотности тока

200-260 А/м

, газосодержание — около 0,1%.

При небольших объемах сточных вод (10-15 м

/ч) электрофлота-

ционные установки могут быть однокамерными

(рис.

II-51), при боль-

ших — следует применять двухкамерные установки, которые могут

быть горизонтальными и вертикальными. Они состоят из электродного

отделения и отстойной части.

Схема горизонтального электрофлотатора показана на рис II-52.

Сточная вода поступает в успокоитель, который отделен от электродно-

го отделения решеткой. Проходя через межэлектродное простран-

ство, вода насыщается пузырьками газа. Всплывание пузырьков с

частицами происходит в отстойной части. Всплывший шлам пере-

Сточная

вода

Очищенная

вода

Рис. 11-52. Горизонтальный элекгрофлотатор:

— впускная камера, 2 — электро-

ды; 3 — скребок; 4 — шламоприемник; 5 — патрубок для выпуска осадка

352

мещается скребком в шлакоприемник, откуда его удаляют. Расчет ус-

тановки сводится к определению общего объема электродного отде-

ления и отстойной части, а также необходимых конструктивных и

электрических параметров.

Электродиализ. Процесс очистки сточных вод электродиализом

основан на разделении ионизированных веществ под действием элек-

тродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мемб-

ран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод.

В последнее время его начали применять и для очистки промышлен-

ных сточных вод.

Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструк-

•

ция которых состоит из трех камер, отделенных одна от другой мем-

бранами (рис. 11-53,(7). В среднюю камеру заливают раствор, а в бо-

ковые, где расположены электроды — чистую воду. Анионы током

переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород

и образу ется кислота. Одновременно катионы переносятся в катод-

ное пространство. На катоде выделяется водород и образуется ще-

лочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней каме-

ре уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю.

За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы H

и ОН",

образуя воду. Этот процесс замедляет перенос ионов соли к соответ-

ствующим электродам.

При использовании электрохимически активных (ионообменных)

диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход

а б

Рис II-53. Схемы электродиализаторов с пористыми диафрагмами (а) и

ионитовыми мембранами (6)

353

электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для

ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

В электродиализаторе (рис. 53

б) имеется две мембраны. Одна из

них — анионообменная и пропускает в анодную зону анионы. Дру-

гая мембрана — катионообменная, 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 анионопроницае-

мыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В мно-

гокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные

мембраны. Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и

имеют малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны

представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим ве-

ществом — каучуком, полистиролом, метилмеркаптаном и др. Из этой

смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны должны обла-

дать малым электрическим сопротивлением. На эффективность ра-

боты электродиализатора большое влияние оказывает расстояние

между мембранами. Обычно оно составляет 1-2 мм. Во избежание

засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализа-

тор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке воды, содержащей 250 мг/л приме-

сей, до остаточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт-ч/м

С увеличением содержания солей в воде удельный расход энергии

возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрацион-

ная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности

мембран и снижению показателей очистки.

Вопросы для повторения

1. Объясните механизм коагуляции и назовите наиболее распростра-

ненные коагулянты. Как устанавливается доза коагулянта?

2. Что такое флокуляция? Каков механизм этого процесса?

3. Назовите стадии очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией

и основную аппаратуру для проведения этого процесса.

4. Объясните механизм элементарного акта флотации и укажите, как

определить энергию образования комплекса пузырек-частица.

5. Дайте характеристику способов флотации с выделением воздуха

из растворов. Какой способ является наиболее распространенным и

почему?

354

6. Чем отличается напорная флотация от флотации с механическим

диспергированием воздуха в воде?

7. Сравните по эффективности, производительности и затрате энер-

гии выделение взвешенных частиц флотацией и гравитационным

осаждением.

8. Объясните основы очистки сточных вод пенной сепарацией.

9. Рассмотрите физико-химические основы процесса очистки сточ-

ных вод адсорбцией.

10. Рассмотрите основные схемы адсорбционной очистки сточных

вод.

11. Назовите область применения и объясните сущность ионообмен-

ной очистки сточных вод.

12. Дайте характеристику

природных и синтетических ионитов.

13. Рассмотрите основные схемы ионообменных установок для очи-

стки сточных вод.

14. Объясните стадии очистки сточных вод экстракцией. Укажите

требования, предъявляемые к экстрагенту.

15. Рассмотрите схему очистки сточных вод от фенола экстракцией.

Объясните основы процессов экстракции металлов из сточных вод.

16. Объясните основы очистки сточных вод обратным осмосом и уль-

трафильтрацией. Укажите требования, предъяшшемые к мембранам.

17. Рассмотрите схемы основных модулей, используемых в процес-

сах очистки сточных вод обратным осмосом и схемы соединения

моду лей в установках.

18. Рассмотрите основы удаления примесей из сточных вод метода-

ми десорбции, дезодорации и дегазации. Укажите области их приме-

нения и эффективность.

19. Объясните основы процессов очистки электрокоагуляцией и

электрофлотацией. Назовите области применения, достоинства и

недостатки.

Глава 9. Химические методы очистки сточных вод

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрали-

зацию, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с рас-

ходом различных реагентов, поэтому дороги. Их применяют для уда-

ления растворимых веществ и в замкнутых системах водоснабже-

ния. Химическую очистку проводят иногда как предварительную пе-

355

ред биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточ-

ных вод.

9.1. Нейтрализация

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи,

перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологи-

ческих процессах нейтрализуют. Практически нейтральными счита-

ются воды, имеющие рН = 6,5-8,5.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смеши-

ванием кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов,

фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, аб-

сорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией ам-

миака кислыми водами. Выбор метода нейтрализации зависит от

объема и концентрации сточных вод, от режима их поступления,

наличия и стоимости реагентов. В процессе нейтрализации могут

образовываться осадки, количество которых зависит от концент-

рации и состава сточных вод, а также от вида и расхода использу-

емых реагентов.

Нейтрализация смешиванием. Этот метод применяют, если на

одном предприятии или на соседних предприятиях имеются кислые

и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами. Кислые

и щелочные воды смешивают в емкости (рис. II-54) с мешалкой и без

мешалки. В последнем случае перемешивание ведут возду

хом

при

его скорости в линии подачи 20-40 м/с.

При переменной концентрации сточных вод в схеме предусмат-

ривают установку усреднителя или обеспечивают автоматическое ре-

гулирование подачи в камеру- смешивания. Расчет соотношения сточ-

ных вод, направляемых в камеру смешения, проводят по стехиомет-

рическим уравнениям.

При избытке кислых или щелочных сточных вод добавляют

соответствующие реагенты. Прин-

Кислые

щелочные

ципиальная схема водно-реагент- сточные сточные

ной нейтрализации приведена на воды воды

рис. 11-55. Нейтрализованную воду

используют в производстве, а оса- j Нейтрали-

док обезвоживают на шламовых i зованная

площадках или вакуум-фильтрах. сточная

вода

Рис. П-54 Нейтрализатор смешения (1 — Jr Воздух

емкость; 2 — распределитель воздуха)

356

Кислые

сточные

воды

Щелочные

сточные

воды

^LJ—А

Реагенты

L^iJ

V V V 5

Нейтрализованная J—

вода

>"7

Осадок

~А

-> Шлам

Рис. II-55. Схема станции реагентной нейтрализации: 1 — песколовки; 2 —

усреднители; 3 — склад реагентов; 4 — растворный бак; 5 — дозатор; 6 — смеси-

тель, 7 — нейтрализатор; 8 — отстойник; 9 — осадкоуплотнитель; 10 — вакуум-

фильтр; 11 — накопитель обезвоженных осадков; 12 — шламовая площадка

Нейтрализация путем добавления реагентов. Для нейтрали-

зации кислых вод могут быть использованы: NaOH

КОН, Na

OH (аммиачная вода), CaCO

, MgCO

, доломит (CaCO

MgCO

цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид

кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести

Ca(OH)

5-10%. Соду и гидроксид натрия следу ет использовать, если

они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации

применяют различные отходы производства. Например, шлаки ста-

леплавильного, феррохромового и доменного производств использу-

ют для нейтрализации вод, содержащих серную кислоту.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации

кислой сточной воды. При этом учитывают, будет ли в процессе об-

разовываться осадок или нет. Различают три вида кислотосодержа-

щих сточных вод: 1) воды, содержащие слабые кислоты (H

COOH); 2) воды, содержащие сильные кислоты (НС1, HNO

). Для

их нейтрализации может быть использован любой названный выше

реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде; 3) воды, со-

держащие серную и сернистую кислоты. Кальциевые соли этих кис-

лот плохо растворимы в воде и выпадают в осадок.

Известь для нейтрализации вводят в сточную воду в виде гид-

357

роксида кальция (известкового молока; "мокрое дозирование") или

в виде сухого порошка ("сухое" дозирование). Схема установки

для нейтрализации кислых вод известковым молоком показана на

рис. 11-56.

Для гашения извести используют шаровые мельницы мокрого по-

мола, в которых одновременно происходят тонкое измельчение и га-

шение. Для смешения сточных вод с известковым молоком применя-

ют гидравлические смесители различных типов: дырчатые, перего-

родчатые, вихревые, с механическими мешалками или барботажные

с расходом воздуха 5-10 м

/ч на 1 м

свободной поверхности.

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту;

известковым молоком в осадок выпадает гипс CaSO

2Н

0. Раство-

римость гипса мало меняется с температурой. При перемещении та-

ких растворов происходит отложение гипса на стенках трубопрово-

дов и их забивка. Для устранения забивки трубопровода необходимо

промывать их чистой водой или добавлять в сточные воды специ-

альные умягчители, например гексаметафосфат. Увеличение скорос-

ти движения нейтрализованных вод способствует уменьшению от-

ложений гипса на стенках трубопровода.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различ-

ные кислоты или кислые газы.

Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрали-

зующие материалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод

проводят фильтрование их через

слой магнезита, доломита, извест-

няка, твердых отходов (шлак, зола).

Процесс ведут в фильтрах-нейтра-

лизаторах, которые могут быть го-

ризонтальными или вертикальны-

ми. Для вертикальных фильтров

использ\тот к\*ски известняка или

доломита размером 30-80 мм. При

Рис II-56. Схема установки нейтрали-

зации кислых сточных вод гидрокси-

дом кальция (известковым молоком)'

1 — усреднитель, 2 — аппарат для гаше-

ния извести (CaO); 3 — растворные баки;

4 — дозаторы; 5 — нейтрализаторы; 6 —

отстойник

Вода

Известь

Cb Cb

Сточная вода

Очищенная

вода *

Осадок

358

Рис. И-57. Нейтрализатор щелочных

сточных вод дымовыми газами

высоте слоя материала 0,85-1,2 м

скорость должна быть не более

5 м/с, а продолжительность кон-

такта не менее 10 мин. У горизон-

тальных фильтров скорость тече-

ния сточных вод 1-3 м/с.

Нейтрализация кислыми га-

зами. Для нейтрализации щелоч-

ных сточных вод в последнее вре-

мя начинают использовать отходящие газы, содержащие С0

, SO

, N

и др. Применение кислых газов позволяет не только нейт-

рализовать сточные воды, но и одновременно производить высоко-

эффективную очистку самих газов от вредных компонентов.

Использование для нейтрализации щелочных сточных вод диок-

сида углерода имеет ряд преимуществ по сравнению с применением

серной или соляной кислот, позволяет резко снизить стоимость про-

цесса нейтрализации. Вследствие плохой растворимости CO

умень-

шается опасность переокисления нейтрализованных растворов. Об-

разующиеся карбонаты находят большее применение по сравнению

с сульфатами или хлоридами, кроме того коррозионные и токсичные

воздействия CO

" ионов в воде меньше, чем ионов SO

и Cl

Процесс нейтрализации может быть проведен в реакторах с ме-

шалкой (рис. II-57), в распылительных, пленочных и тарельчатых

колоннах.

Дымовые газы вентилятором подают в кольцевое пространство

вокруг вала мешалки и распределяют мешалкой в виде

пу

зырьков и

струй в сточной воде, посту пающей внутрь реактора. Благодаря боль-

шой поверхности контакта между- водой и газами происходит быст-

рая нейтрализация сточной воды. Присутствие в газах SO

способ-

ствует нейтрализации щелочных сточных вод.

При проведении процесса в тарельчатых колоннах степень нейт-

рализации увеличивается с ростом скорости газа

уменьшением плот-

ности орошения.

Количество кислого газа, необходимого для нейтрализации, мо-

жет быть определено по уравнению массоотдачи:

Дымовые

газы

Отрабо-

танные

газы

M = (II 139)

359

где M — количество кислого газа, необходимого для нейтрализации;

— фактор ускорения; р

— коэффициент массоотдачи в жидкой

фазе; F — поверхность контакта фаз; Ac — движущая сила процесса.

Фактор ускорения рассчитывают по формулам, приведенным в

гл. 3, а коэффициент — по формулам, имеющимся в литературе для

различных конструкций массообменных аппаратов.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами использована в

ряде производств, в том числе и в асбестоцементом производстве.

Сточные воды этих производств имеют рН = 12-13 («80 мг-экв/л).

Щелочность воды обусловлена постоянным выщелачиванием в нее

гидроксида кальция. Нейтрализацию проводили диоксидом углеро-

да дымовых газов (5-6 % CO

) в тарельчатом абсорбере.

Особенностью нейтрализации дымовыми газами сточных вод ас-

бестоцементного предприятия является образование карбоната каль-

ция, который может находиться в состоянии пересыщения и отлага-

ется на внутренней поверхности оборудования. Для предотвраще-

ния образования в абсорбере карбонатных отложений процесс нейт-

рализации следует проводить по циркуляционной схеме (рис. 11-58).

Сточная вода из усреднителя должна поступать в смеситель,

где

пред-

варительно нейтрализуется частью воды, выходящей из абсорбера.

Вода Цемент Асбест

Рис. II-58. Бессточная схема водопотребления асбестоцементного завода:

—

фильтр; 2, 5 — отстойники; 3 — усреднитель; 4 — смеситель; 6 — колонна; 7 —

делитель потока воды

360

В смесителе протекают следующие реакции:

ОН" + НС0

"->Н

0 + CO

", Ca

+ С0

--»СаС0

(11.140)

Образующийся осадок карбоната кальция осаждается в цирку-

ляционной емкости.

Предварительную нейтрализацию сточной воды проводят с целью

полу

чения на входе в абсорбер смеси с таким водородным показате-

лем, при котором смесь при окончательной нейтрализации в абсор-

бере

дымовыми газами не образует карбонатных отложений. При этом

в абсорбере протекают следующие реакции:

20Н" + C0

->H

0 + CO

", CO

" + CO

+ Н

0->2НС0

-. (П. 140Л)

Отношение объемных расходов циркулирующей и сточной воды,

при котором образуется смесь, не выделяющая карбонатных отложе-

ний, зависит от состава сточной воды и составляет от 2,5 до 4.

Для нейтрализации применяют абсорберы с крупнодырчатыми

провальными тарелками с большим свободным сечением. Например,

тарелки со свободным сечением более 30% и отверстиями размером

20x50 мм.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является при-

мером ресурсосберегающей технологии, позволяющей исключить ис-

пользование кислот, создать бессточн\к> схему водопогребления. При

этом ликвидируется сброс сточных вод, сокращается потребление

свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых компо-

нентов (СО,,, SO

и др.) и пыли.

9.2.0кисление и восстановление

Для очистки сточных вод используют следующие окислители: га-

зообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, ги-

похлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия,

пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон,

пиролюзит и др.

В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в

сточных водах, в результате химических реакций переходят в менее

токсичные, которые удаляют из воды. Очистка окислителями связа-

на с большим расходом реагентов, ПОЭТОМУ' ее применяют только в

тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды, нецелесо-

образно или нельзя извлечь другими-способами. Например, очистка

от цианидов, растворенных соединений мышьяка и др.