Защита гидросферы от промышленных загрязнений

Подождите немного. Документ загружается.

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

Экстракция

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей

сточных вод в смеси двух взаимнонерастворимых жидкостей (сточной воды и

экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается

коэффициентом экстракции

где С

и С

– концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании

процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с

использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата К

составляет

соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса экстракции

перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в

экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот,

щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс

нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной

группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение

рН ≈ 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют

щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким кали, известью,

известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами

щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации

кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для

нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды

целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную,

соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.

Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации

содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с

- 31 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

уравнениями реакций нейтрализации по формуле

q = сМ

/М

где с – концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; М

и М

–

молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

– фильтрационный – путем фильтрования сточной воды через насадки

кусковых или зернистых материалов;

– водно-реагентный – добавлением в сточную воду реагента в виде

раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим

раствором может быть и щелочная сточная вода;

– полусухой – перемешиванием высококонцентрированных сточных вод

(например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом

(известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной

массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей.

В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу,

торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент –

активированный уголь. Расход сорбента

m = Q(С

–С

)/δ,

где Q–расход сточной воды, м

с; С

и С

–концентрации примесей в исходной и

очищенной сточной воде, кг/м

; δ–удельная сорбция, характеризующая

количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки

сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют

ионитами – синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде

гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде

- 32 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион

или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с

ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н

или Na

- форме) и

сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН

- или солевой форме), а также

иониты смешанного действия.

а) б)

в)

Рис. 5. Технологическая схема ионообменной очистки сточных вод:

а – одноступенчатая очистка; б – очистка с двухступенчатым

анионированием; в – очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым

анионированием; К– катионитовый фильтр; А–анионитовый фильтр; Д–

декарбонизатор. ПБ–промежуточный бак

- 33 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

Электрохимическая очистка

Электрохимическая очистка, в частности, электрохимическое окисление

осуществляется электролизом и реализуется двумя путями: окислением

веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или

через вещество–переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными

окислителями, образовавшимися в процессе электролиза.

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов

обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С1

, НОС1,

С1

O, С1O , СlOз), который является сильнейшим окислителем и способен

вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся

в сточных водах.

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод

гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КCN, NaCN) или

комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов.

Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно

прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде

происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты

(цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде – разряд ионов

водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка,

кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием

CN-группы.

Гиперфильтрация

Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов

путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером около 1 нм

пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или

молекулы недиссоциированных соединений. По сравнению с другими

методами очистки гиперфильтрация требует малых энергозатрат, установки для

очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются,

фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в

- 34 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных

вод легко утилизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оценивается

уравнениями

Q = k

-∆p);

F=k

∆c,

где Q – расход воды через мембрану, м

/с, k

, k

–коэффициенты проницаемости

соответственно воды и растворенного вещества через конкретную мембрану;

– рабочее давление на входе в мембрану, Па; ∆р – разность осмотических

давлений раствора на входе в мембрану, Па, ∆с – разность концентраций

растворенного в воде вещества на входе в мембрану и выходе из нее, кг/м

;

F– масса растворенного вещества, переносимого через мембрану, кг.

Эвапорация

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содержанием

летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и вместе с

паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапорации осуществляют в

испарительных установках, в которых при протекании через эвапорационную

колонну с насадками из колец Рашига навстречу потоку острого пара сточная

вода нагревается до температуры 100° С. При этом содержащиеся в сточной

воде летучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между

двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением

= у,

где С

и C

, – концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м

; у –

коэффициент распределения.

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки

небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ.

- 35 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

Для глубокой очистки загрязненных промышленных сточных вод

используется так называемые мембранные методы очистки стоков. Одним из

таких методов очисткиS является обратный осмос. При этом сточные воды

под давлением подаются на специальную полупроницаемую

(обратноосмотическую) полимерную мембрану. При этом мембрана

пропускает чистую воду, а загрязняющие агенты стоков эффективно

задерживаются. Мембранными методами возможно выделять из сточных вод

и утилизировать низкомолекулярные вещества, напримерS соли, кислоты и

т.д. При мембранных методахS очистки сточных вод рекомендуется

проведения предварительной очистки стоков.

Использование мембранных технологий для очистки сточных вод

Мембранная очистка сточных вод промышленных предприятий

По причине огромного разнообразия промышленных объектов и

индивидуального состава каждого объекта типовых решений систем очистки

сточных вод не существует. Однако общее требование к этой проблеме

следующее - максимальная локализация установок водоочистки на местах

образования стоков для возврата очищенной воды и ценных компонентов в

повторное использование. Главное преимущество мембранных

процессовSочистки стоков перед любой другой технологией -

безреагентность, что и позволяет удовлетворить это требование.

Все ужесточающиеся требования экологических служб заставляют

производственников вкладывать деньги в собственныеS сооружения очистки

сточных вод. Уже сегодня в РФ стоимость сброса в канализацию 1 м

промышленных сточных вод равна стоимости 1 м

свежей воды, и то лишь

при условии непревышения нормативов содержания в воде загрязняющих

компонентов. Это уже сейчас вызывает ажиотажный спрос на рынке

мембранных систем очистки сточных вод.

Очистка сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты

- 36 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

К этому типу сточных вод относятся ливневые стоки, отработанные

смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ); стоки автомоек, отработанные

моющие растворы ремонтных, гальванических, покрасочных и т. п.

предприятий и цехов. Основная технологическая идея очистных установок

для этихSсточных водSпредставлена на рис. 6. Часто в исходных стоках

содержится крупнозернистая твердая фаза - песок, металлические и

полимерные частицы. Они удаляются в отстойнике 1 в виде осадка, а жидкая

фаза поступает на механический фильтр 2, где освобождается от взвешенных

и коллоидных частиц твердых загрязнений. Фильтрат поступает в сборник-

разделитель 3, откуда подается в мембранный аппарат 4. Требования к

мембране - ультрафильтрационная мембрана из сильно гидрофильного

материала. При гарантированной высокой линейной скорости жидкости

происходит выделение пермеата, который может быть отправлен обратно в

производство, и возвращение концентрата в сборник 3. В нем постепенно по-

вышается концентрация масла до состояния, когда оно из эмульсии пе-

реходит в сплошную фазу - слой нефтепродуктов на поверхности воды. Этот

слой удаляется и обычно поступает на сжигание.

- 37 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

Рис. 6 Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод,

содержащих масляные эмульсии:

1 - отстойник; 2 - механический фильтр; 3 - сборник-разделитель; 4 -

мембранный аппарат; 5 – исходный раствор; 6 – осадок; 7 – шлам; 8 – масло;

9 – очищенная вода

Очистка сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов

К этому типу относятся промывные сточные воды гальванических

производств, шахтные стоки, жидкие радиоактивные отходы. Особенностью

этих стоков является относительно низкая концентрация токсичных

компонентов на фоне высокого содержания нейтральных солей. Например, в

гальванических отходах при 500 мг/л хлоридов Na+ и Са2+ содержится 10-50

мг/л одного из ионов Cr3* , Cu2+ , Pb2+ , Zn2+ , Ni2+ и др. В жидких

радиоактивныхSстоках содержание Cs137, Co60, Sr90 или U237 вообще не

может быть измерено в массовых единицах. Для таких многокомпонентных

сточных вод идеальным является технологический прием - мицеллярно-

усиленная ультрафильтрация. Процесс можно проводить по той же

технологической схеме (см рис. выше), надо только в сборник 3 дозировать

тщательно подобранный ассоциирующий реагент. Обычно процесс проходит

в периодическом режиме, когда после длительного этапа накопления кон-

центрата в сборнике до предельно возможного уровня его сразу весь

передают на последующую переработку - выделение металлов или под-

готовку к длительному хранению.

Очистка стоков, содержащих ПАВ

(ПАВ - это низкомолекулярные соединения, М.м. ~300). Такие стоки

образуются при стирке одежды, после любых процессов мойки оборудования

и изделий. Эти сточные воды содержат растворенные поверхностно-

активные вещества и различные загрязнения, которые отмылись с твердых

поверхностей. Спецификой этих стоков являются следующие обстоятельства:

- 38 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

-отмываемые загрязнения - это как правило, высокомолекулярные и

коллоидные частицы: белки, полисахариды, микроорганизмы, жиры,

нефтепродукты, оксиды металлов и т. д.;

-роль ПАВ в процессе мойки и стирки - снизить поверхностное на-

тяжение воды, чтобы облегчить либо растворение молекул загрязнений в

воде, либо переход их в воду в виде эмульсий и взвесей.

Благодаря разделительным свойствам мембран возникает уникальная

возможность почти полностью вернуть ПАВ на повторное использование

(см. рис. 7).

Рис.7 Принципиальная схема переработки моющих растворов:

1 - стиральная машина; 2 - емкость; 3 - механический фильтр; 4 -

мембранный аппарат; 5 – добавление ПАВ и воды; 6 – возврат ПАВ и воды; 7

– пермеат с ПАВ; 8 – концентрат загрязнений

Раствор после стирки в машине 1 собирается в емкости 2, где про-

изводится его подготовка к разделению. На механическом фильтре 3 из

раствора выделяются крупные твердые частицы, в мембранном аппарате

образуется пермеат с той же концентрацией ПАВ, что и в сбросном растворе,

- 39 -

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

но освобожденный от всех видов загрязнений. Расход концентрата может

быть доведен до 0,5-1,0% от начального [7].

Очистка сточных вод, содержащих белковые соединения

Эти сточные воды образуются в перерабатывающей и

биотехнологической промышленности: молочная сыворотка после выделения

творога и сыра; бульоны после варки рыбы при производстве рыбной муки;

культуральные жидкости после выделения из них продуктов микробного

синтеза, барда после отгонки спирта из бражки. Особенностью таких стоков

являются следующие обстоятельства:

-белковые соединения имеют очень большую молекулярную массу

(М.м. > 20000), но концентрация их в сточных водах низка для того, чтобы

выделять их денатурацией - нагреванием, высаливанием или коагуляцией

нерастворителями;

-все белки являются ценной пищевой или кормовой добавкой;

-как правило, остальные компоненты стоков - органические и ми-

неральные соединения - имеют малые молекулярные массы.

Ярким примером является переработка сточных вод сыроваренных

заводов. Сыр представляет собой денатурированный молочный белок -

казеин, который практически полностью утилизируется. Но параллельно с

казеином в молоке находятся так называемые сывороточные белки, пищевая

ценность которых гораздо выше, чем у казеина. Они остаются в растворе, т.

е. в сыворотке, и до появления мембранных процессов весь поток целиком

сбрасывался в канализацию. Сегодня сывороточные белки улавливаются в

ультрафильтрационном концентрате и служат для изготовления специальных

продуктов питания.

В пермеате ультрафильтрации содержится лактоза - молочный сахар,

которую концентрируют обратным осмосом, сушат и используют в

кондитерской промышленности [8].

- 40 -