Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов

Подождите немного. Документ загружается.

4) постоянством характеристик в процессе эксплуатации;

5) достаточной механической прочностью;

6) низкой стоимостью.

Селективность процесса разделения определяют по формуле

 

0 ф 0

С С С 100 1 100,



 

     

 

 

где С

– концентрация растворенного вещества в исходной воде; С

– концентра-

ция растворенного вещества в фильтрате.

Проницаемость определяется количеством фильтрата, получаемого в единицу

времени с единицы рабочей поверхности





ф l 0

U K p p ,

 

   (1.28)

где Δр – разность давлений воды до и после мембраны; Δр

– разность осмотиче-

ских давлений; К

– коэффициент пропорциональности, зависящий от проницае-

мости мембран.

Из выражения (1.28) видно, что скорость обратного осмоса прямо пропор-

циональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением

и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотиче-

ское. Осмотическое давление для растворов некоторых солей с концентрацией

1000 мг/л (табл. 1.5).

Таблица 1.5

В процессе очистки сточных вод некоторое количество растворенного веще-

ства проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом

разделения этот проскок практически не зависит от давления и может быть опре-

делен по зависимости (К

– константа для мембран, зависит от ее конструктивных

особенностей)





2 0 ф

S K C C ,

  

здесь S – проскок растворенного вещества через 1 м

мембраны, кг/сут.

Из данной формулы следует: чем выше концентрация загрязнения в исходной

сточной воде, тем выше интенсивность проникновения веществ через мембрану.

Существует несколько вариантов обратного осмоса.

По одному из них мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не

обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных мо-

лекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то

под давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то,

что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию таких

ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер

гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного

слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мем-

брану будут проникать и растворенные вещества.

Соль NaCl Na

MgSO

CaCl

NHCO

MgCl

Осмотическое

давление, кПа

79 42 25 58 89 67

Простейшая установка обратного осмоса (рис. 1.43) состоит из насоса высо-

кого давления и модуля, соединенных последовательно.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворен-

ные вещества задерживаются на мембране потому, что размер их молекул боль-

ше, чем размер пор мембраны (табл. 1.4).

В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют

место более сложные явления.

Мембранные процессы разделения растворов, осмотическое давление кото-

рых мало, называются ультрафильтрацией. Этот метод используется при отделе-

нии сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов.

Ультрафильтрация более высокопроизводительный процесс, чем обратный ос-

мос, т.к. проницаемость мембран достигается при давлении 0,2-1,0 МПа.

Очистка сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефте-

химической и других отраслей промышленности гиперфильтрационными и ультра-

фильтрационными методами имеет ряд преимуществ перед традиционными мето-

дами очистки: невысокие энергозатраты; простота; компактность установок; воз-

можность полной автоматизации; высокая эффективность очистки; возможность

повторного использования фильтрата; утилизация полученного концентрата.

Недостатком метода является необходимость проведения процесса при высо-

ком давлении в системе.

Производительность гиперфильтрационных и ультрафильтрационных аппа-

ратов 5-1000 м

/сут. Основным элементом такого аппарата является мембрана,

которая прочностью и низкой стоимостью. Схемы работы гиперфильтрационных

и ультрафильтрационных аппаратов в зависимости от состава сточных вод, необ-

ходимой степени очистки, а также производительности аппаратов могут быть од-

ноступенчатыми и многоступенчатыми.

Для проведения мембранных процессов применяют непористые динамические

и диффузионные мембраны, представляющие собой квазимогенные гели, и пори-

стые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов.

Наиболее распространены полимерные мембраны из ацитатцеллюлозы. Разраба-

Сточная

вода

Очищен

ная

вода

Рис. 1.43. Схема установки обратного осмоса: 1 – насос высокого давления;

2 – модуль обратного осмоса; 3 – мембрана; 4 – выпускной клапан

Концентрат

тываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сопо-

лимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацитобутирата целлюлозы и др.

Ацетатцеллюлозные мембраны, применяемые для обратного осмоса, имеют

анизотропную структуру. Активный верхний слой ее толщиной до 0,25 мкм явля-

ется слоем, в котором происходит разделение, а нижний – крупнозернистый

слой (100-200 мкм) обеспечивает механическую прочность мембран.

Ацетатцеллюлозные мембраны устойчиво работают в интервале давлений

1-8 МПа, температур 0-30 °С и рН = 3-8. Для ультрафильтрации используют

нитратцеллюлозные, а также полиэлектролитные мембраны. По структуре они

аналогичны ацетатцеллюлозным мембранам.

Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических

условий и конструкции аппарата, природы и состава сточных вод, содержания в них

примесей, а также от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к

росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту

концентрационной поляризации, т.е. к снижению проницаемости и селективности.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации

электролитов:

- < 5-10 % – для одновалентных;

- < 10-15 % –двухвалентных;

- < 15-20 % – многовалентных солей.

Для уменьшения концентрационной поляризации организуют рециркуляцию

раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя,

мешалки, вибрационные устройства и увеличивая скорость.

Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При

одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на

мембране лучше, чем органические. С повышением давления удельная произво-

дительность мембран увеличивается, т.к. растет движущая сила процесса. Однако

при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызыва-

ет снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают

максимальное рабочее давление.

С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что спо-

собствует росту проницаемости. При этом повышается осмотическое давление,

которое уменьшает проницаемость. Кроме того, при повышении температуры

начинаются усадка и стягивание пор мембраны, что тоже приводит к уменьше-

нию проницаемости, а также к возрастанию скорости гидролиза и сокращению

срока службы мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны при температуре 50

разрушаются, поэтому необходимо при работе соблюдать рекомендуемый интер-

вал 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 дли-

ной 2-3 м и располагаются в аппарате линейно или U-образно. Установки об-

ратного осмоса состоят из большого числа элементарных модулей, которые со-

единяются параллельно или последовательно.

При параллельном соединении (рис. 1.44, а) все модули работают в одинако-

вых условиях – при одинаковом давлении и коэффициенте выхода фильтрата.

Производительность таких установок низкая. Последовательное соединение

(рис. 1.44, б) модулей позволяет увеличить выход фильтрата. Раствор концентр-

ата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Промежу-

точного насоса не требуется, т.к.к 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 %.

5.7. Электродиализ

III

Рис. 1.44. Схемы соединения модулей обратного осмоса:

а – параллельная; б – последовательная; 1 – насос; 2 – модуль осмоса;

I – подача сточной воды; II – концентрат; III – очищенная вода

Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мем-

бранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый

для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Процесс очистки сточ-

ных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под

действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мем-

бран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод. В послед-

нее 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

током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образу-

ется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На като-

де выделяется водород и образуется щёлочь. По мере прохождения тока концентра-

ция солей 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 мембра-

нами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах до-

стигается наибольший выход по току. Электродиализатор (рис. 1.45) разделён че-

редующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими кон-

центрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры.

Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («–»), прони-

кают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы,

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

задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (напри-

мер, 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

порошка ионообменных смол (табл. 1.6).

Электродиализные аппараты бывают двух типов: прокладочные и лабиринт-

ные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000х200,

«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

Рис. 1.45. 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

способность 1-25 м

/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов -

для сточных вод с концентрацией солей 3-8 г/л. Во всех конструкциях электроди-

ализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платинирован-

ного титана. Для эффективной работы аппаратов большое значение имеет про-

мывка электродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разрушения

продуктами электролиза.

Таблица 1.6

Марка Толщина,

мм

Ионооб-

менная

емкость,

мг-экв/г

Селек-

тивность

в 0,1 %

растворе

NaCl

Электрическое со-

противление на 1

м площади по-

верхности мем-

браны, Ом

Прочность на

разрыв, МПа

удельное

поверх-

ностное

Анионитовые мембраны

МА40 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

А4 0,6 3,5 0,93 – – –

РМА 0,1 5 0,96 104 1 8

Катионитовые мембраны

МК40 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

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из

следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды;

2) собственно электродиализ ной 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, циркуляционные

непрерывного действия.

Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллель-

но проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от ис-

ходного до заданного за один проход.

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

стично 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. 1.46), в которых часть

сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной во-

ды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в

резервуар очищенной воды. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную

гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. Каждая из ука-

занных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недо-

статки, и их выбор производится на основании технико-экономических расчетов.

Исходными параметрам и для расчета являются: конкретные местные условия,

пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточ-

ных вод. Например: при суточном расходе сточных вод более 300-500 м считает-

ся рациональным применение технологических схем прямоточного типа.

При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм

повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионо-

обменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же зна-

ка, 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

наибольший выход по току.

Рис. 1.46. Схема циркуляционной электродиализной установки непрерывного

действия:

1 – подача сточной воды; 2 – рабочие баки; 3 – бак для рассола; 4 – выпуск рассо-

ла; 5 – выпуск дилюата; 6 – электродиализатор; 7 – подача рециркуляционного

рассола; 8 – насосы; 9 –

подача смеси рециркуляционной и сточной воды,

10 – выпуск рассола из электродиализатора;11 – выпуск обессоленной воды.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны.

Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют малую механиче-

скую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой порошок ионита,

смешанный со связующим веществом – каучуком, полистиролом, метилмер-

каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины.

Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эф-

фективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние

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

мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очище-

ны от взвешенных 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 поляри-

зация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению по-

казателей очистки.

6. Химические методы очистки сточных вод

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисле-

ние и восстановление. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов,

поэтому дороги. К окислительным методам также относится электрохимическая

обработка. Их применяют для удаления растворимых веществ и в замкнутых си-

стемах водоснабжения. Химическая очистка может применяться как самостоя-

тельный метод перед спуском сточных вод в водоем (или подачу сточных вод в си-

стему оборотного водоснабжения). Химическую очистку проводят иногда как

предварительную перед биологической очисткой или после нее как метод до-

очистки сточных вод. Химическая обработка находит применение и как метод

глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обес-

цвечивания или извлечения из них различных компонентов. Предпочтение хими-

ческим методам отдается при локальной очистке производственных сточных вод.

6.1. Нейтрализация

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбро-

сом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах

нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН = 6,5-

8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с рН менее

6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность

водоемов, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса

производственных сточных вод в водоем или городскую канализацию, следует,

что большую опасность представляют кислые стоки, которые встречаются к тому

же значительно чаще, чем щелочные (количество сточных вод с рН > 8,5 невели-

ко). В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, ко-

торые необходимо выделить из этих вод.

Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществами, имею-

щими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных

свойств обоих соединении. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных

растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гид-

роксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях:

+ОН

–

= Н

О. В результате концентрация каждого из этих ионов становится

равной той, которая свойственна самой воде (около 10

–7

), т.е. активная реакция

водной среды приближается к рН = 7.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и

щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод че-

рез нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами

или абсорбцией аммиака 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 концентрации и состава сточных вод, а также от

вида и расхода используемых реагентов. Применяют следующие способы

нейтрализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод

(нейтрализация смешением); нейтрализация путем добавления реагентов, филь-

трование через нейтрализующие материалы; нейтрализация кислыми дымовыми

газами.

Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов, например, вида и

концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды; расхода и

режима поступления отработанных вод на нейтрализацию; наличия реагентов;

местных условий и др.

Нейтрализация смешением. Этот метод применяют, если на одном пред-

приятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не

загрязненные другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в

емкости с мешалкой и без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут

воздухом (рис. 1.47) при его скорости в линии подачи 20-40 м/с.

При переменной концентрации сточ-

ных вод в схеме предусматривают уста-

новку усреднителя или обеспечивают ав-

томатическое регулирование подачи в

камеру смешения. Расчет соотношения

сточных вод, направляемых в камеру

смешения, проводят по стехиометриче-

ским уравнениям.

При избытке кислых или щелочных

сточных вод добавляют соответствую-

щие реагенты. Принципиальная схема

водно-реагентной нейтрализации приве-

дена на рис. 1.48. Нейтрализованную во-

ду используют в производстве, а осадок

обезвоживают на шламовых площадках

или вакуум-фильтрах.

Рис. 1.47. Нейтрализатор смешения:

1 – кислые сточные воды; 2 – щелоч-

ные сточные воды; 3 – нейтрализо-

ванная сточная вода; 4 – воздух;

5 – распределитель воздуха;