Технологии очистки сточных вод от примесей

 

Сбросные воды содержат примеси в виде твердых частиц, жидких нерастворимых и растворимых веществ. Взвешенные твердые и жидкие примеси в зависимости от размеров частиц делятся на: грубодисперсные суспензии и эмульсии с размером частиц более 0,1 мкм; коллоидные, с частицами размером менее 0,1 мкм; истинные растворы, с частицами, соизмеримыми с размерами молекул и ионов. Для удаления взвешенных частиц используют:

– процеживание;

– отстаивание;

– фильтрование.

При удалении растворимых веществ приходится использовать процессы химических реакций, позволяющие получать в сбросных водах примеси, вышеперечисленные дисперсные системы, что дает возможность, затем использовать гидромеханические технологии улавливания и удаления взвесей, рассматриваемых ниже.

 

1. Процеживание производится для улавливания крупных твердых частиц. Размеры улавливаемых примесей зависят от размеров ячеек сита или решетки, которые могут быть подвижными и неподвижными. Подвижные решетки и сита дают возможность непрерывно удалять улавливаемые твердые частицы. При использовании неподвижных процеживающих устройств, решетки и сита время от времени необходимо чистить. При процеживании скорость движения сбросных вод через установку выбирается в пределах 0,8…1 м/с. Наименьшие размеры ячеек сит, используемых при улавливании твердых частиц, могут быть 0,5…1 мм.

 

2. Отстаивание применяют при осаждении из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием гравитационных сил. При этом возможно проведение процесса осветления стока, когда проводится фильтрация сбросных вод через слой песка или других твердых частиц, находящихся в слое. Эффективность осаждения взвесей под действием силы тяжести зависит от скорости гравитационного дрейфа частиц и определяется по уравнению

,

где d_ч – диаметр частицы, м;

– плотность твердых частиц и воды, кг/;

К – коэффициент, учитывающий изменение вязкости сбросной воды по сравнению с чистой; коэффициент К определяется из выражения К= ;

– динамическая вязкость чистой и сбросной воды, Па·с;

– объемная доля жидкой фазы, рассчитывается по уравнению

=;

– объем жидкой и твердой фаз в сточной воде, .

Динамическая вязкость (, Па·с) сбросной воды определяется по уравнению ,

где – объемная концентрация взвешенных частиц.

В производстве часто используются горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники. Такие отстойники рекомендуется выполнять при расходе сточных вод свыше 15 тыс. /сут. Эффективность отстаивания в них достигает 60 %.

В горизонтальных отстойниках (рис.11.1) твердые частицы движутся с потоками воды в горизонтальном направлении со скоростью не более 0,01 м/с и под действием силы тяжести со скоростью . Равномерность распределения сбросной воды достигается установкой поперечных лотков 1 и 3. Продолжительность отстаивания 1…3 ч.

Рис. 11.1. Горизонтальный отстойник: 1– вода на очистку; 2,4– входной и выходной лотки; 3– отстойная камера; 5– выход очищенной воды; 6– выход шлама

 

Принцип отстаивания используется и для всплывающих примесей (нефти, масел, смол и др.). Скорость всплывания капель–пятен нефти размером 0,08…0,1 мм равна 0,001…0,004 м/с. Скорость движения воды в нефтеловушке выбирается в пределах 0,005…0,01 м/с. Эффективность улавливания нефти достигает 96…98 %. Продолжительность отстаивания не менее 2 ч.

 

3. Фильтрование применяется для улавливания вод тонкодиспергированных твердых и жидких частиц, которые плохо удаляются отстаиванием. Процесс фильтрования проходит под действием разности давлений жидкости на пористой перегородке. Фильтрование производится с помощью:

– фильтрующих пористых перегородок;

– зернистых неподвижных и подвижных перегородок;

– магнитных фильтров.

В качестве пористых перегородок могут использоваться металлические перфорированные листы и сетки, а также тканевые перегородки, позволяющие улавливать частицы, размером до 40…70 мкм. Производительность фильтров зависит от скорости фильтрования, т.е. от объемов воды, прошедших в единицу времени через единицу поверхности:

,

где – количество сбросной воды, , прошедшей через фильтр за период времени ;

– перепад давления на фильтрующей перегородке, Па;

– динамическая вязкость воды, Па·с;

F – поверхность фильтрования, ;

– сопротивление осадка и фильтрующей перегородки, .

Простой фильтр с зернистым материалом представляет собой емкость, в нижней части которой выполняется устройство для отвода чистой воды. Над отводом воды укладывается слой поддерживающего материала, на который закрепляется слой фильтрующего вещества. Важными характеристиками фильтрующего материала являются удельная поверхность и порозность материала. Высота фильтрующего слоя выбирается в пределах 0,5…2 м. При медленном режиме очистки и концентрации взвешенных частиц до 25 мг/л скорость фильтрования равна 0,2…0,3 м/ч. Если концентрация частиц в сбросной воде больше, чем 25 мг/л, то скорость фильтрования можно поддерживать 0,1…0,2 м/ч. При ускоренном процессе фильтрации скорость прохода воды через зернистый материал может увеличиваться до 12…20 м/ч.

В промышленности находят применение магнитные фильтры, в которых происходит улавливание из воды ферромагнитных частиц размером 0,5…5 мкм. Ферромагнитные частицы, проходя в сточной воде через магнитное поле, намагничиваются, образуя агломераты размером до 50 мкм, которые затем удаляются фильтрованием.

 

11. 4. Технология очистки воды от примесей под действием центробежных сил

 

Центробежные усилия при очистке жидкостей от взвешенных частиц используются в гидроциклонах и центрифугах.

Гидроциклоны могут выполняться напорными и открытыми (низконапорными). Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей. Открытые – для удаления осаждающихся и всплывающих примесей. В гидроциклоне при вращении жидкости на частицу действуют: центробежная, гравитационная, инерционная силы и сила сопротивления. Силы инерции и тяжести являются незначительными по сравнению с центробежной силой и поэтому ими можно пренебречь. Скорость движения частицы в жидкости под давлением центробежной силы можно определить из уравнения

,

где d_ч – диаметр частицы, м;

– плотность сбросной воды, кг/м³;

– разность плотностей фаз, кг/м³;

– динамическая вязкость сбросной воды, Па·с;

I – ускорение центробежного поля, м/.

Коэффициенты С и m выбираются в зависимости от режима:

– при ламинарном режиме, когда , коэффициенты

;

– при переходном режиме, когда = 2…420,

;

– при турбулентном режиме, когда > 420,

.

Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получили аппараты конической формы (аналогичные газовым циклонам) с тангенциальным подводом сточной воды. Эффективность действия гидроциклонов до 70 %.

В центрифуге центробежное фильтрование достигается вращением суспензии в перфорированном вращающемся барабане, обтянутом фильтрующим материалом. В центрифуге возможно отделение частиц размером до 10 мкм.

 

11. 5. Физико-химические методы очистки воды

 

К физико-химическим методам очистки воды относятся: коагуляция, флотация, адсорбция, выпаривание, кристаллизация, десорбция, ионный обмен, экстракция, обратный осмос и др.

 

1. Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агломераты. Она наиболее эффективна для удаления из воды и ускорения процесса осаждения коллоидно-дисперсных частиц размером 1…100 мкм. Коагуляция происходит под действием специальных добавок-коагулянтов, в качестве которых могут использоваться ионы металлов:

.

Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Оседающие хлопья улавливают коллоидные и взвешенные частицы, собирая их в более крупные агломераты. Этому способствует то, что хлопья коагулянта имеют положительный заряд, а коллоидные частицы – слабый отрицательный, что способствует возникновению между ними взаимного притяжения. В качестве коагулянтов обычно используются соли алюминия, железа и их смеси (например, , и др.). Размеры образующихся хлопьев (0,5…3,0 мм) определяются соотношением между молекулярными и гидродинамическими силами.

 

2. Флокуляция – это процесс образования более крупных агломератов из коллоидных и взвешенных частиц при добавлении в воду высокомолекулярных соединений (например, крахмал (C₆H₁₀O₅)_n, целлюлоза , эфиры , диоксид кремния (SiO₂). При флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул флокулянта адсорбированного на частицах. Флокуляция проводится для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов металлов при коагуляции и ускорения осаждения хлопьев.

 

3. Флотация – это процесс удаления частиц из сбросной воды путем адсорбирования их на поднимающихся газовых пузырьках и накопления примесей в верхнем пенном слое.

Флотацию применяют при удалении из воды нерастворимых диспергированных примесей, которые плохо отстаиваются. К достоинствам флотации можно отнести высокую эффективность очистки (95…98 %), получение шлама с низкой влажностью (до 90…95 %), более высокую скорость процесса, чем при отстаивании и др. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, что во многих случаях оказывается полезным для дальнейших процессов обработки сбросной воды.

Возможность образования флотационного комплекса «частица – пузырек», скорость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от физико-химических свойств частиц, характера взаимодействия их на поверхности натяжения пузырей, способности частицы смачиваться, а также от размеров и количества пузырьков газа.

Технология процесса флотации, в зависимости от способа аэрации сточной воды, может выполняться в напорной и вакуумной установках, механической аэрацией, при помощи пористых пластин и др. Наибольшее распространение получили напорные флотационные установки, позволяющие очищать сбросные воды с концентрацией взвесей до 4…5 г/л. Они имеют большую эффективность, чем нефтеловушки и меньшие габаритные размеры. Производительность таких установок от 5…10 /ч до 1000…2000 /ч; давление в напорной камере 0,17…0,39 МПа. На рис.11.2 представлена схема многократной флотационной установки с рециркуляцией.

 

Рис. 11.2. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией: 1– емкость; 2– вход воды на очистку; 3– выход шлама; 4– гидроциклон; 5– пеносъемник; 6– флотационные камеры; 7– выход очищенной воды; 8– подвод воздуха; 9– напорная емкость; 10– аэраторы

 

4. Адсорбция – это процесс поглощения нерастворимых малодисперсных взвесей из воды твердыми частицами больших размеров с развитой поверхностью адсорбции. В качестве адсорбентов используются активированный уголь, синтетические вещества и отходы производства (зола, шлак, опилки и др.).

Адсорбент в процессе адсорбции насыщается примесями, поэтому через определенный промежуток времени его приходится выводить из технологического процесса и производить регенерацию. Адсорбционная способность адсорбента (например, активированного угля) определяется развитой поверхностью и пористостью.

Минеральные вещества (глина, селикагелий, алюмогелий и др.) для адсорбции не используются, так как у них энергия взаимодействия с молекулами воды иногда превышает энергию адсорбции. Адсорбент должен удовлетворять некоторым требованиям: иметь хорошую адсорбционную емкость, быть прочным, хорошо смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав, не обладать каталитической активностью к реакциям окисления и конденсации, иметь низкую стоимость, быстро восстанавливаться в процессе регенерации, обеспечивать большое количество циклов работы.

Процесс адсорбции состоит из трех стадий: перенос примесей из воды к поверхности адсорбента (внешнедиффузионная область); процесс адсорбции; перенос примесей внутри частиц адсорбента (внутридиффузионная область). Размер частиц адсорбента колеблется от 0,5 до 5…15 мм. Для активированного угля оптимальный размер частиц – 2,5 мм. Эффективность очистки воды достигает 80…95 % и зависит от физико-химических свойств адсорбента.

Технологические схемы адсорбционных методов очистки воды выполняются одноступенчатыми и многоступенчатыми с последовательным (рис. 11.3,а) и противоточным (рис. 11.3,б) введением адсорбента.

 

 

Рис. 11.3. Адсорбционные установки с последовательным (а) и противоточным (б) введением абсорбента: 1 – сбросная вода на очистку; 2 – смесители; 3 – подвод адсорбента; 4 – отстойники; 5 – выход очищенной воды; 6 – выход отработавшего адсорбента; 7 – приемник адсорбента; 8 – насосы

 

5. Ионный обмен – это процесс взаимодействия взвесей с твердыми частицами, обладающими свойствами обменивать ионы, содержащиеся в них, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами.

Ионнообменный метод очистки воды применяется для извлечения из сбросных вод таких металлов, как цинк, медь, хром, никель, свинец, ртуть, кадмий, ванадий, марганец, а также соединений мышьяка. В качестве ионитов (катионов и анионов) могут использоваться как неорганические (минеральные), так и органические вещества. К неорганическим ионитам относятся глинистые минералы, полевые шпаты, слюда и др. К органическим ионитам относятся гуминовые кислоты, сульфоуголь, искусственные смолы с развитой поверхностью.

 

6. Экстракция – это процесс вывода из сбросной воды примесей путем растворения их в органическом растворителе. Экстракцию применяют для очитки воды от фенолов, масла, органических кислот, ионов металлов и др. Процесс очитки воды экстракцией включает три стадии:

a) смешение очищаемой воды с экстрагентом, в результате чего образуется экстракт и рафинат (экстракт – смесь удаляемого вещества и экстрагента, рафинат – смесь очищаемой воды и экстрагента);

б) разделение экстракта и рафината;

в) регенерация экстракта и рафината.

Целесообразность применения экстракции определяется концентрацией примесей в воде. При концентрации менее 1 г/л экстракция практически не применяется. Ее следует применять только при экономически выгодном процессе извлечения примесей из воды.

 

7. Обратный осмос и ультрафильтрация – это процесс фильтрации растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы воды, задерживая растворенные в ней вещества. При обратном осмосе размеры частиц (молекул, ионов) не превышают размеров молекул воды (0,0001…0,001 мкм). При ультрафильтрации размеры удаляемых частиц больше (0,001…0,02 мкм).

Обратный осмос проводится при давлении 6…10 МПа; ультрафильтрация – при 0,1…0,5 МПа. Эффективность процесса зависит от свойств, применяемых мембран: селективности (разделяющей способности), проницаемости, устойчивости к действию среды, неизменности рабочих характеристик, механической прочности, стоимости. Обратный осмос рекомендуется использовать при определенной концентрации электролитов: для одновалентных солей – не более 5…10 %; для двухвалентных – 10…15 %; для многовалентных – 15…20 %.

Очистку сточных вод проводят также с использованием электрохимических методов. Такие процессы возникают при пропускании через воду постоянного электрического тока, который может вызвать анодное окисление и катодное восстановление примесей, электрокоагуляцию, электрофлокуляцию и электродиализ. Электрохимические методы очистки сбросных вод относительно просты, однако требуют больших затрат электроэнергии. Эффективность таких методов зависит от разности потенциалов между электродами.

Для удаления газовых примесей, растворенных в сбросной воде, проводятся процессы десорбции и дегазации.

 

11.6. Химические методы очистки сбросных вод

 

К химическим методам очистки воды относятся нейтрализация, окисление и восстановление. Все эти методы требуют затрат реагентов и поэтому сравнительно дорогие.

 

1. Нейтрализация – это процесс доведения содержания минеральной кислотности и щелочности сбросной воды до естественной путем их нейтрализации. Нейтральной считается вода, имеющая рН = 6,5 – 8,5. Применяются различные методы нейтрализации.

Самым рациональным и экономичным методом является смешивание кислых и щелочных сбросных вод. Однако этот метод может быть осуществлен, если на энергопредприятии имеются два полярных сброса воды. Помимо этого нейтрализация может производиться:

– добавлением соответствующих реагентов;

– фильтрованием сбросных вод через нейтрализующий материал;

– абсорбцией кислых газов щелочными водами или наоборот абсорбцией аммиака кислыми водами.

При выборе того или иного метода учитываются объемы и концентрации сбросных вод, расход и стоимость реагентов, а также режим сброса воды.

В качестве реагентов при нейтрализации кислых вод применяются: Ca(OH)₂, NaOH, KOH, Na₂CO₃, NH₄OH (аммиачная вода), CaCO₃, MgCO₃, CaCO₃ MgCO₃ (доломит) и др. Наиболее доступным и дешевым считается известковое молоко с концентрацией 5…10 %. Для нейтрализации могут использоваться и отходы (например, шлаки), а для щелочных сточных вод применяются кислоты различной концентрации и кислые газы.

Время накопления осадка на фильтре определяется по уравнению

,

где – удельное сопротивление осадка, ;

– отношение объема осадка к объему сбросной воды (фильтрата).