методы очистки промышленных и сточных вод
реклама
Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Л.П. Сидорова МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И СТОЧНЫХ ВОД Часть II Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Безопасность жизнедеятельности» Научный редактор: доц., канд. техн. наук В.И. Лихтенштейн Методические указания к практическим работам по курсу «Системы защиты гидро- и литосферы» для студентов, обучающихся по направлению 280700 «Техносферная безопасность» Приведены теоретические сведения по методам очистки промышленных, сточных и природных вод. Рассмотрены методические указания к одиннадцати практическим работам с различными вариантами. © ФГАОУ ВПО УрФУ 2015 ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................................................................... 3 1. ОБРАБОТКА ВОДЫ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗНОЙ УСТАНОВКИ .................................................................. 5 2. ОЧИСТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНО-ПРОПАРОЧНОЙ СТАНЦИИ .................. 15 3. ОБРАБОТКА ОСАДКОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ФЛОТАЦИОННОГО И ГРАВИТАЦИОННОГО ИЛОУПЛОТНИТЕЛЕЙ ............................................................................................ 22 4. СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОЦЕССОВ НИТРИФИКАЦИИ − ДЕНИТРИФИКАЦИИ. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ..... 36 5. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ. РАСЧЕТ МЕМБРАНЫ .............................................................................................................. 48 6. ОЧИСТКА ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИИ. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОРА с Fe-ЭЛЕКТРОДАМИ ............................................................................................... 58 7. ОБРАБОТКА ВОДЫ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ. РАСЧЕТ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ ................ 69 8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ. РАСЧЕТ КАМЕР ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ ...................... 78 9. БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ МЕТАНТЕНКА ПРИ ТЕРМОФИЛЬНОМ СБРАЖИВАНИИ .......................................................... 88 10. БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ БИОФИЛЬТРОВ ........................................................................................................ 97 11. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ........................................................ 103 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................... 112 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Вода может стать «нефтью» завтрашнего дня… В последние годы в нашей стране наблюдается существенный прогресс в создании и применении новых более экономичных и экологически чистых технологий для очистки производственных и сточных вод что, снижает нагрузку на загрязнение водоемов и рек в результате все увеличивающейся производственной и бытовой деятельности человека… Учебно-методическое пособие «Методы очистки промышленных и сточных вод», состоящее из практических работ для студентов по дисциплине «Системы защиты гидро- и литосферы», ставит своей задачей расширить информационную базу в учебном процессе студентов в этом направлении. В первой части электронного издания пособия были рассмотрены ряд практических расчетных работ, посвященных основным существующим методам очистки промышленных и сточных вод: механическим и некоторым химическим методам, таких как химическая коагуляция, озонирование и ионный обмен. Во второй части пособия приводятся практические работы с вариантами расчета основного оборудования по современным методам очистки и обеззараживания промышленных и сточных вод, таких как обратный осмос, флотация, биохимические методы и электрохимические методы: электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ и краткие теоретические сведения по этим технологическим процессам. С целью ознакомления студентов с вопросами обеззараживания и обезвреживания сточных вод в учебном пособии II приводятся также практические расчетные работы по технологическому процессу их биологической очистки, а также расширяющая кругозор студентов работа по 3 нитрификации и денитрификации сточных вод. Рассматриваются работы по утилизации ила после биологической очистки (илоуплотнители) и работа с теоретическими сведениями и вариантами расчета оборудования по термофильному сбраживанию органики в метантанках. Выражаю искреннюю благодарность студентам, участвующим в процессе их научно-исследовательской работы, в создании и оформлении данного учебного пособия: Некрылову В.А., Садыковой Макаровой А.А., Д.Н., Марьиной Кульпиновой Е.В., Е.Г., Щиновой Курач Ялаевой Ю.А., Акашкиной А.Ф., Спиридоновой Е.В., Арслановой А.В. 4 О.В., А.О., 1. ОБРАБОТКА ВОДЫ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗА. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОДИАЛИЗНОЙ УСТАНОВКИ Составители: Л.П. Сидорова, А.А. Садыкова Введение Известно, что в результате поступления сточных вод в природные воды содержание в них минеральных солей непрерывно возрастает и усугубляет дефицит пресной воды. Большую долю минеральных загрязнений вносят коллекторно-дренажные воды орошаемого земледелия, рудные, угольные, нефтяные месторождения, атомная и тепловая энергетика и другие объекты, имеющие большое народнохозяйственное значение. Реализация малоотходных технологических процессов и бессточных систем водоснабжения возможна лишь в случае применения опреснительных (обессоливающих) установок для вывода солей из системы с последующей их утилизацией или захоронением. Опреснение и обессоливание воды и водных растворов солей ввиду их актуальности уже десятки лет выделялись в одно из самостоятельных направлений науки и техники по очистке природных и сточных вод. Среди известных методов опреснения в настоящее время одним из наиболее перспективных, изученных и распространенных в нашей стране и за рубежом является электродиализ. Основные понятия процесса электродиализа Электродиализ − это перенос ионов через мембрану под действием электрического поля, приложенного к мембране. Скорость переноса ионов может изменяться подбором соответствующей силы тока. Электродиализ основан на электромиграции ионов солей через катионообменные и анионообменные мембраны с селективной проницаемостью, которая обеспечивает прохождение соответственно катионов Ме+ и анионов Ан−. Селективность объясняется высокой 5 электрической подвижностью противоионов (ионов, относящихся к ионообменному веществу мембраны − полимеру). Противоионы замещаются другими ионами с тем же знаком и затем перемещаются в постоянном электрическом поле к соответствующим электродам. Процесс сепарации ионов солей осуществляется в многокамерном мембранном аппарате (электродиализаторе) под действием постоянного электрического тока, направленного перпендикулярно к плоскости мембран. Электродиализные применяют установки для обессоливания слабосоленых вод, получения питьевой воды электродиализом, подготовки воды в технологических процессах производства и многого другого. Область применения электродиализа ограничивается солесодержанием 0,5−10 г/л, так как при меньших концентрациях падает проводимость раствора и уменьшается эффективность использования электроэнергии, а при больших − процесс становится экономически невыгоден вследствие существенного роста энергозатрат, так как затраченная электроэнергия пропорциональна количеству удаляемых ионов. Электродиализ − это разделение веществ, основанное на их электролитической диссоциации и переносе образовавшихся ионов через мембрану под действием разности потенциалов, создаваемой в растворе по обе стороны мембраны. Особенно эффективен электродиализ при использовании ионитовых мембран, избирательно пропускающих катионы либо анионы. Рис. 1.1 Электродиализная установка 6 Процесс электродиализа Камеры образованы мембранами анионообменными − А и катионообменными К. Анионообменные мембраны пропускают только анионы, катионообменные − только катионы. Катионы перемещаются по направлению электрического тока, проходя через катионообменные мембраны. Анионы перемещаются по направлению, противоположному направлению электрического тока. Ионообменные мембраны, применяемые для электродиализа, должны иметь высокую электропроводность и высокую проницаемость для ионов. Кроме того, они должны обладать высокой селективностью, умеренной степенью набухания и достаточной механической прочностью. Как правило, электрическое сопротивление на единицу поверхности ионообменной мембраны находится в пределах от 2 Ом/см2 до 10 Ом/см2. У поверхности мембраны концентрация катионов увеличивается со стороны концентрированного раствора и уменьшается со стороны разбавленного раствора. Гетерогенные мембраны изготовляют путем смешивания технического ионообменника с раствором связующего полимера, например поливинилхлорида (ПВХ) Гомогенные мембраны изготовляют из непрерывной гомогенной пленки, в которой имеется активная группа (анионная или катионная). Мембраны могут быть армированы и не армированы. Для того чтобы рассчитать и спроектировать электродиализную установку необходимо знать: 1) назначение установки (опреснение соленых вод для хозяйственнопитьевых нужд, для промышленных нужд, обводнения пастбищ деминерализация пресных вод перед полным обессоливанием, частичное обессоливание сточных вод); 2) полезная пропускная способность установки по пресной (частично обессоленной) воде Q, м3/сут; q, м3 /ч; 7 3) характеристика водоисточника (возможность подачи воды на собственные нужды установки, на предварительную обработку воды); 4) полный физико-химический и бактериологический анализ исходной воды (для получения достоверной характеристики воды источника отбора проб воды и их анализ должны проводиться во все сезоны года в течение длительного времени в соответствии с действующими стандартами). Расчет электродиализной установки 1. Степень опреснения исходной воды на установке: (1.1) где Сн − общее содержание растворенных солей в исходной воде Ск − солесодержание опресненной воды 2. Ионная сила раствора: (1.2) Концентрация ионов в моль/л. 3. Степень допустимого концентрирования солей в рассольных камерах при циркуляции рассола: (1.3) где [Сa2+]= 2,8∙10-3 и [SO42-]=4,15∙10-3 – концентрация ионов кальция и сульфат ионов (моль/л) в исходной опресняемой воде. 4. Пропускная способность электродиализатора, м3/ч: , где Qэ − пропускная способность электродиализатора, м3/ч; Ск − солесодержание опресненной воды, мг/л; 75,1 − эквивалентная масса. 8 (1.4) 5. Отношение концентраций рассола и дилюата в конце длины пути (лабиринта) потока в электродиализном аппарате: (1.5) где β − коэффициент массопереноса, β=1; Y − степень опреснения исходной воды на установке; Кс − степень допустимого концентрирования солей в рассольных камерах при циркуляции рассола. 6. Ширина потока воды в прокладке (лабиринте) электродиализного аппарата, (см): (1.6) где fбр − рабочая площадь мембран; lкан − длина канальца распределения в прокладке; Dк − длина распределительного коллектора в прокладке; Кэк − коэффициент экранирования мембраны лабиринтно-сетчатой прокладкой (полезная площадь); L − длина пути потока (лабиринта). 7. Число дилюатных (рассольных) камер или соответственно число рабочих ячеек в электродиализном аппарате: (1.7) где 11,57 − переводной коэффициент расхода из м3/сут в см3/с; Qэ − пропускная способность электродиализатора (м3/сут); m − ширина потока воды в прокладке (лабиринте) электродиализного аппарата; dкос − тип прокладки в электродиализном; v − скорость протекания воды в ячейке. 8. Необходимая площадь катионитовых (анионитовых) мембран в одном аппарате (м2): (1.8) 9 где nяч − число дилюатных (рассольных) камер или соответственно число рабочих ячеек в электродиализном аппарате; fбр − рабочая площадь мембран. (1.9) где Кэк − коэффициент экранирования мембраны сетчатой прокладкой. 9. Эквивалентная электрическая проводимость исходной воды: (1.10) где x − удельная электрическая проводимость исходной воды. 10. Толщину диффузионного слоя принимаем 6,72∙10-3 см (по экспериментальным данным). 11. Условие критичности работы электродиализного аппарата: (1.11) = где T−t = 0,5 (разность чисел переноса ионов в мембране и в растворе) по экспериментальным данным; iкр − критическая плотность тока; Cпр – концентрация раствора, соответствующая точке поляризации; F − постоянная Фарадея = 96484,56 Кл/моль; Dd – коэффициент диффузии, равный 1,5∙10-5 см2/с; dкр – критическая толщина диффузионного слоя. 12. Падение напряжения на одну электродиализную ячейку аппарата (В): (1.12) где X N − см. расчет по формуле 8.5; XА = 0,0029; XК = 0, 0036; XNaCl = 52∙10-4; 10 F = 96484,56 К/моль − постоянная Фарадея; Т − температура исходной воды (К); R = 8,314 Дж/ (К∙моль) − универсальная газовая постоянная; XN − отношение концентраций рассола и дилюата в конце длины пути (лабиринта) потока в электродиализном аппарате; iкр − критическая плотность тока; Спр – концентрация раствора, соответствующая точке поляризации; d − толщина дилюатной (рассольной) камеры в электродиализном аппарате; δА = δК − толщина мембраны; λ − эквивалентная электрическая проводимость исходной воды. 13. Напряжение на электродиализном аппарате, необходимое для поддержания средней плотности тока в ячейке (В): (1.13) где Еэл − электродный потенциал, равный 4В; U яч − падение напряжения на одну электродиализную ячейку аппарата; nяч − число дилюатных (рассольных) камер или соответственно число рабочих ячеек в электродиализном аппарате. 14. Расход электроэнергии на обработку воды в электродиализной установке (кВт/ч): a) на деминерализацию: (1.14) где fнт = fбр∙kэк = 500∙0,704=0,352 м2; U − напряжение на электродиализном аппарате, необходимое для поддержания средней плотности тока в ячейке; i = 8,78; Nэ = 4. b) на подачу дилюата и рассола в электродиализный аппарат: 11 Wпер=11,3 кВт/ч (по экспериментальным данным); c) суммарный расход электроэнергии: Wопр + Wпер; d) суммарный расход воды на обработку 1 м3 воды: (1.15) где Qуст − расход воды, опресняемой установкой, (м3/ч). Задание В соответствии со своим вариантом необходимо рассчитать прямоточную электродиализную установку. Таблица 1.1 Основные исходные данные для расчета по вариантам Вариант Параметр 1 ЭДУ−1000 2 3 4 ЭДУ−500 ЭДУ−250 ЭДУ−100 5 ЭДУ−50 Пропускная способность Qэ, м3/сут. 1000 500 250 100 50 Площадь отдельной мембраны fбр, см2 500 500 500 500 500 Длина пути потока L, см 477 427 427 90 90 Скорость протекания воды в ячейке V, см/с 24 24 24 10 10 Толщина мембраны δА=δК, см 0,60 0,35 0,17 0,13 0,03 Расход воды, опресняемой установкой Q, м3/сут 2000 2000 2000 2000 2000 Общее содержание растворенных солей в исходной воде Сн, мг/л 1418 1418 1418 1418 1418 Температура исходной воды, °С 17 17 17 17 17 Удельная электрическая проводимость исходной воды x 30,6∙10-4 30,6∙10-4 30,6∙10-4 30,6∙10-4 30,6∙10-4 0,87 0,87 0,87 0,87 Выход по току, ŋ 12 Окончание таблицы 1.1 Толщина дилюатной (рассольной) камеры в электро-диализном аппарате dд, см 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 Толщина прокладки (сетчатая косого исполнения) в электродиализном аппарате dкос, см 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 Длина канальца распределения в аппарате lкан, см 1 1 1 1 1 Диаметр распределительного коллектора в аппарате Dк, см 2 2 2 2 2 Коэффициент экранирования мембраны сетчатой прокладкой К эк 0,704 0,704 0,704 0,704 0,704 Солесодержание опресненной воды Ск, мг/л 1000 1000 1000 1000 1000 Степень допустимого концентрирования солей в рассольных камерах при циркуляции рассола. Кс 4,2 4,2 4,2 4,2 4,2 Степень опреснения исходной воды на установке Y 0,705 0,705 0,705 0,705 0,705 6,72∙10 -3 6,72∙10 -3 6,72∙10 -3 6,72∙10 -3 6,72∙10 -3 143,7 143,7 143,7 143,7 143,7 Критическая толщина диффузионного слоя đкр Эквивалентная электрическая проводимость исходной воды λ Концентрация рассматриваемых солей в воде (катионов и анионов) Катионы в мг/л (ммоль/л): Кальций Ca2+ − 126,8 (5,6) 13 Магний Mg2+ − 119,1 (4,9) Натрий Nа+ − 248.4 (10,8) Анионы мг/л (ммоль/л): Бикарбонат НСО3- − 152,5 (2,5) Сульфат SO4 2- − 398,6 (8,3) Хлорид Сl- − 372,3 (10,5) Контрольные вопросы: 1. Чем отличаются понятия «диализ» и «электродиализ»? 2. В каких областях производства может применяться электродиализ? 3. Какими характеристиками должны обладать мембраны, применяемые в электродиализных установках? 14 2. ОЧИСТКА НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ ПРОМЫВОЧНО-ПРОПАРОЧНОЙ СТАНЦИИ Составители: Л.П. Сидорова, Е.В. Марьина Введение Нефтесодержащие сточные воды это − стоки, загрязненные нефтепродуктами, а также взвешенными веществами и в некоторых случаях специфическими соединениями. Технологические схемы очистки стоков варьируются в зависимости от специфики производственного процесса. При этом в большинстве случаев эти схемы подразумевают использование приемных накопительных резервуаров и отстойников. В таких резервуарах происходит осаживание взвешенных веществ. Часто применяются промежуточные резервуары, куда поступают стоки после первого этапа обработки, например, после флотационных устройств. В них происходит осветление вод, после которого воды подвергаются резервуары финальной очистке. представляют пластиковые собой конструкции, Накопительные металлические, которые нуждаются и промежуточные железобетонные в или периодической профессиональной зачистке. Промывочно-пропарочные станции (ППС) предназначены для очистки и мойки нефтяных цистерн, котлов и находятся в районах расположения нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз и пунктов перевалки наливных грузов из трубопроводов и с водного транспорта на железные дороги на специально отведенных территориях. ППС загрязняют сточные воды нефтепродуктами, взвешенными веществами и рядом химикатов (более 130 компонентов). От нефтяных примесей сточные воды ППС можно очищать в нефтеловушках различного типа. Основным оборудованием для улавливания нефтепродуктов из промывочных вод ППС являются вертикальной, радиальной или горизонтальной конструкции. 15 нефтеловушки Вертикальные нефтеловушки Вертикальные нефтеловушки (рис. 2.1) представляют собой цилиндрический резервуар с коническим днищем, образующим емкость для накопления осадка. Различные типы вертикальных нефтеловушек отличаются конструкцией впускных и выпускных устройств. Наиболее распространенным типом является нефтеловушка с впуском воды через центральную трубу, снабженную в нижней части раструбом и отражательным щитом. Сточная вода подводится по центральной трубе и спускается по ней вниз. При выходе из центральной трубы она меняет направление движения и медленно поднимается вверх к периферийному водосборному лотку. Осаждение происходит в восходящем потоке. Каждая частица движется вверх и под действием силы тяжести вниз. Эффективность осаждения в вертикальных нефтеловушках на 10−20 % ниже, чем в горизонтальных. Рис. 2.1. Вертикальная нефтеловушка: 1 − ввод сточной воды; 2 − цилиндрическая перегородка; 3 − корпус; 4− отражательное кольцо; 5 − сборник осадка; 6 − кольцевой водосборник; 7 − трубопровод для вывода очищенной воды; 8 − трубопровод для вывода осадка Радиальные нефтеловушки (рис. 2.2) применяют вместо горизонтальных нефтеловушек и прудов дополнительного отстаивания. Для их установки требуются значительно меньшие площади, удаление нефтепродуктов и осадка в них полностью механизировано. 16 всплывших Радиальная нефтеловушка оборудована вращающимся механизмом с донными и поверхностными скребками для сгребания осадка и сгона нефтепродуктов соответственно. Она имеет центральный привод (который обладает рядом преимуществ перед периферийным), в частности, меньшую металлоемкость и стоимость, большую надежность эксплуатации в зимних условиях, упрощенный подвод электроэнергии к стационарному потреблению по сравнению с подвижным. При использовании радиальных нефтеловушек обеспечивается значительная экономия капитальных и эксплуатационных затрат, улучшается качество очистки сточных вод и упрощается работа эксплуатационного персонала. Рис.2.2. Радиальная нефтеловушка: 1 − центральная опора; 2 − донные скребки; 3 − погружные стенки; 4 − водосборный лоток; 5 − нефтесборные скребки; 6 − центральный привод скребкового механизма; 7 − ходовой мостик; 8 − нефтесборная труба; 9 – водораспределитель; 10 – приямок для осадка; 11 – трубопровод с брызгательными насадками; 12 – шарнир; 13 – противовес; I – сточная вода; II – очищенная сточная вода; III – нефть; IV – шлам Горизонтальные нефтеловушки Работа нефтеловушки горизонтального типа основана на принципе отстаивания и является наиболее целесообразной и экономически обоснованной для очистки промывочных вод ППС и обеспечивает требуемую расчётную эффективность очистки. 17 В горизонтальной нефтеловушке (рис. 2.3) сточная вода подводится по трубопроводу 6 и распределяется при помощи водораспределительной трубы 3. Всплывшие нефтепродукты удаляются щелевыми поворотными трубами 4, к которым они сгоняются скребковым транспортером 1, служащим также для сгребания осадка в приямок, оборудованный гидроэлеватором (насосом струйного типа для подъема и перемещения жидкостей по трубопроводу) 2. Рабочая вода подается к гидроэлеватору по трубопроводу 8, а осадок удаляется по трубопроводу 7. Очищенная вода отводится из нефтеловушки по трубопроводу 5. Как правило, нефтеловушка имеет не менее двух отделений. Рис. 2.3. Горизонтальная нефтеловушка Промывочно-пропарочные станции Промывочно-пропарочные станции (ППС) находятся, как правило, в районах расположения нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз и пунктов перевалки наливных грузов из трубопроводов и с водного транспорта на железные дороги. Полная обработка цистерн производится, если необходимо очистить ее после темных нефтепродуктов для перевозки светлых или для ремонта котла предусматривает с применением удаление сварочных неслитых работ. остатков Такая груза, обработка пропарку и механизированную промывку котла, удаление промывочной воды и дегазацию котла − удаление паров воды и нефтепродуктов с помощью вентиляционной 18 установки. Дегазированная цистерна проверяется на взрывобезопасность специальным прибором. Во многих случаях требуется более простая подготовка цистерн под налив − холодная очистка и заправка клапанов сливного прибора. Расчет водоочистных сооружений промывочно-пропарочной станции 1. Средний суточный расход сточных вод, м3: (2.1) где Рпр – расход воды на пропарку одной цистерны, (Рпр = 0,2 м3); Рм – расход воды на промывку одной цистерны, (Рм = 8 м3); N − количество цистерн, обрабатываемых на ППС в течение суток. 2. Длина проточной части нефтеловушки, м: (2.2) где vн – скорость движения воды в нефтеловушке, (vн = 0,01 м/с); Hн – глубина проточной части нефтеловушки, (Hн = 2 м); kо – поправочный коэффициент, учитывающий вихревые и струйные преобразования вследствие конструктивных особенностей (для горизонтальных нефтеловушек kо = 0,5); uн – условная гидравлическая крупность частиц нефтепродуктов, принимается равной 0,005 м/с; н − вертикальная турбулентная составляющая, равная 0,05 скорости движения воды в нефтеловушке, м/с. 3. Ширина отделения нефтеловушки, м: (2.3) где Q – расход сточных вод, м3/сут; kн – коэффициент часовой неравномерности сброса сточных вод, (kн = 1,5); 19 nн – количество отделений нефтеловушки. 4. Требуемый эффект очистки сточных вод от нефтепродуктов (2.4) где Cн1 – концентрация нефтепродуктов в воде до нефтеловушки, мг/л; Cн2 – концентрация нефтепродуктов в оборотной воде, мг/л. 5. Количество улавливаемых нефтепродуктов, т/сут: (2.5) где Bн – процент содержания нефти в воде, (Вн = 70 %); γн – объемная масса обводненных нефтепродуктов, (γн = 0,95 т/м3). Улавливаемые нефтепродукты подлежат погрузке в цистерны и реализации для использования в котельных в качестве топлива. 6. Требуемый эффект очистки сточных вод от взвешенных веществ: (2.6) где Cп1 – концентрация взвешенных веществ в воде до нефтеловушки, мг/л; Cп2 – концентрация взвешенных веществ в оборотной системе, мг/л. 7. Объем задерживаемых в виде осадка взвешенных веществ, м3/сут: (2.7) где ρ – влажность осадка, ρ = 95 %; γп – объемная масса осадка, (γп = 2,65 т/м3). Выпавший в нефтеловушках и песколовках осадок удаляется либо на песковые площадки, либо в песковые бункера, где обезвоживается. 8. Площадь песковой площадки, м2: (2.8) 20 где hгод – годовая нагрузка песка на песковые площадки, (hгод = 3 м3/м2 в год); n – число песковых площадок (не менее двух). Задание В соответствии со своим вариантом (табл. 2.1) необходимо определить основные характеристики нефтеловушки. Таблица 2.1 Исходные данные для определения основных характеристик нефтеловушек Вариант N nн 1 2 3 4 184 200 208 220 2 2 3 3 Cн1, мг/л 1360 1680 1840 2000 Cн2, мг/л 170 210 230 250 Cп1, мг/л 42 50 54 58 Cп2, мг/л 21 25 27 29 Контрольные вопросы: 1. В каком случае проводится полная обработка цистерн? 2. Для чего предназначены промывочно − пропарочные станции? 3. Расскажите о принципе действия горизонтальной нефтеловушки. 21 n 2 3 3 4 3. ОБРАБОТКА ОСАДКОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ ФЛОТАЦИОННОГО И ГРАВИТАЦИОННОГО ИЛОУПЛОТНИТЕЛЕЙ Составители: Л.П. Сидорова, О.В. Щинова Введение В процессе очистки производственных сточных вод, как правило, образуются осадки, различные по химическому составу и физическим свойствам. Объем осадков зависит от вида обрабатываемых сточных вод и принятого метода очистки. При совместной очистке бытовых и производственных сточных вод объем образующихся осадков обычно не превышает 0,5−2 % объема очищаемой воды. При локальной очистке производственных сточных вод, особенно при обработке воды химическими реагентами для выделения из нее нерастворимых примесей, количество образующихся осадков может достигать 10−40 % расхода сточных вод. Осадки и илы сточных вод представляют собой бактериологическую и эпидемиологическую опасность. В них имеются все основные формы бактериальных организмов: кокки, палочки, спириллы, а также вирусы, большое число яиц гельминтов. По химическому составу осадки подразделяются на три группы: − преимущественно минерального состава; − преимущественно органического состава, имеющие зольность менее 10 %; − имеющие в своем составе вещества органического и минерального происхождения (зольность таких осадков может изменяться от 10 до 60 %). Все осадки производственных сточных вод можно разделить на два класса: инертные и токсичные. Кроме того, осадки производственных сточных вод бывают двух видов: стабильные и нестабильные (загнивающие). Проблема обезвреживания и утилизации осадков, выделяемых в процессе очистки сточных вод, является наиболее сложной, а технология обработки − наименее разработанной. 22 Конечная цель обработки осадков сточных вод состоит в превращении их путем проведения ряда последовательных технологических операций в безвредный продукт, не вызывающий загрязнения окружающей природной среды. При этом ценные компоненты, содержащиеся в осадке, должны быть максимально утилизированы. Существует большое количество процессов и аппаратов, с помощью которых происходит обезвреживание и обезвоживание осадков, таких как: термическая сушка, центрифугирование, сжигание, фильтрование и др. При любом принятом способе обработки осадков последние подвергаются уплотнению с целью уменьшения их влагосодержания. Чем больше при уплотнении уменьшится влажность осадков, тем существеннее снизятся затраты на последующие стадии обработки. Для уплотнения избыточного активного ила применяются гравитационные илоуплотнители вертикального и радиального типов (рис. 3.1). Рис. 3.1. Гравитационный илоуплотнитель со стержневой мешалкой: 1 − подача ила; 2 − илоскреб со стержневой мешалкой; 3 − отвод осветленной воды; 4 и 5 − отвод соответственно плавающих веществ и уплотненного осадка Илоуплотнители радиального типа могут быть оборудованы илососами или илоскребами. Исследования показали, что в илоуплотнителях, оборудованных илоскребами, уплотнение происходит лучше. Это объясняется перемешиванием активного ила в процессе уплотнения и меньшей высотой 23 радиальных илоуплотнителей по сравнению с вертикальными. Перемешивание способствует лучшему хлопьеобразованию и осаждению ила. Гравитационное уплотнение недостаточно эффективно: наблюдается высокое содержание взвешенных веществ в отделяемой воде; влажность уплотненных осадков высока, что удорожает последующую их обработку. При продолжительном уплотнении требуются большие объемы илоуплотнителей. Большое распространение в процессе уплотнения получили флотационные илоуплотнители. Достоинствами флотационного илоуплотнителя являются: − меньшая продолжительность (по сравнению с остальными); − более глубокое уплотнение; − регулирование путем оперативного изменения параметров; − снижение эксплуатационных расходов; − устранение антисанитарных условий. Флотационный илоуплотнитель состоит из флотореактора и флоторазделителя, размещенных в одном прямоугольном корпусе, разделенном продольными вертикальными перегородками на сообщающиеся секции I, II, III. Технологическая схема уплотнения избыточного активного ила включает в себя: сборный резервуар для избыточного активного ила, узел насыщения ила воздухом под избыточным давлением, состоящий из центробежного насоса, эжектора и напорного бака, флотореактор и флоторазделитель, разделенный продольными вертикальными перегородками на сообщающиеся секции I, II, III (рис. 3.2). Избыточный активный ил из сборного резервуара 1 центробежным насосом 2 подается в напорный бак 4, где происходит растворение воздуха, диспергированного в ил эжектором 3. Иловая жидкость с воздухом поступает в верхнюю часть бака по перфорированной трубе, распыляется отражательным щитом и орошает насадку из колец рашига. При прохождении воздушной смеси через загрузку из колец рашига происходит растворение в иле воздуха. Затем активный ил, насыщенный воздухом, подается через дросселирующее 24 устройство в флотореактор, где в результате снижения давления происходит выделение пузырьков воздуха, образующих с хлопьями активного ила флотокомплексы, которые всплывают на поверхность во флоторазделителе, откуда в виде флотационной пены собираются скребковым механизмом в сборный лоток и поступают на дальнейшую обработку. Рис. 3.2. Схема флотационного уплотнителя избыточного активного ила (ИАИ): 1 − сборный резервуар; 2 − центробежный насос; 3 − эжектор; 4 − напорный бак; 5 − дросселирующее устройство; 6 − флотореактор; 7 − флоторазделитель; 8 − сборный лоток; 9 − сборный карман; 10 − скребковый механизм; 11 − продольные вертикальные перегородки; I, II, III − сообщающиеся секции флоторазделителя Подиловая вода из I секции флоторазделителя перетекает во II секцию, а из секции II в III и сливается в сборный карман после III секции. Таким образом, подиловая вода предыдущих секций участвует во флотационном разделении ила последующих секций. С целью обеспечения оптимального режима работы используется принцип автоматизации производственного процесса. На напорные линии подающих насосов устанавливаются расходомеры для учета количества, подаваемого на уплотнение ила. Замер количества воздуха, подсасываемого эжектором, рекомендуется производить ротаметром или газобарабанным счетчиком, подсоединенным к всасывающему патрубку эжектора. Расход воздуха регулируется краном, установленным на воздушной трубке. Напорный бак оборудуется манометром для измерения давления, предохранительным клапаном, срабатывающим при превышении рабочего давления, и датчиками уровня ила. 25 Замер количества воздуха, подачи избыточного активного ила, распределения его по секциям и сброса подиловой воды должен быть выведен на пульт управления работой флотационного илоуплотнителя, который располагается непосредственно у установки. Оператор с пульта управления осуществляет управление работой насосов, подающих избыточный активный ил на уплотнение, и включение и выключение скребкового механизма. Расчет радиального флотационного илоуплотнителя 1. Расчет гидравлической нагрузки b: (3.1) , где I − иловый индекс, зависящий от различной категории сточных вод (приложение, табл. 1). 2. Расход иловой смеси, подаваемой на флотатор, м3/сут: (3.2) , где G − количество избыточного ила, кг/сут; Co − начальная концентрация ила, кг/м3. 3. Рабочее давление воздуха, МПа: (3.3) , где P − давление воздуха, МПа; Pг − гидростатическое давление, МПа. 4. Объем растворимого воздуха Qв, освободившегося при снижении давления, определяем по номограмме (рис. 3.3), cм3/л: , (3.4) где fн − степень насыщения ила воздухом в зависимости от давления и температуры определяем по номограмме (рис. 3.3). 26 Рис. 3.3. Растворимость воздуха в активном иле в зависимости от давления и температуры 5. Содержание воздуха в иловой смеси Wp: (3.5) где Wp − необходимое содержание воздуха в иловой смеси, принимаемое не менее 0,03; Н − рабочая глубина флотатора, м; Qв − количество растворенного воздуха, освободившегося при снижении давления, см3/л. 6. Объем рециркуляционного потока, насыщенного воздухом Vn, м3/сут: (3.6) где V − объем ила, м3/сут. 7. Общий расход, поступающий во флотатор, м3/ч: (3.7) 8. Площадь флотатора, м2: (3.8) 9. Объем флотируемого слоя при рециркуляции ила, м3: (3.9) 27 10. Площадь флотатора при непосредственном насыщении ила воздухом (без рециркуляции ила): (3.10) Расчет горизонтального флотационного илоуплотнителя 1. Расход ила на первую ступень уплотнения, м 3 /ч: (3.11) 2. Длина уплотнителя, м: (3.12) где lp − длина флоторазделителя, рассчитывается по формуле (3.13), м; lf − длина флотореактора, принимается равной 0,6 м; b − ширина сборного лотка 0,2 м. 3. Длина флоторазделителя, м: (3.13) где Hp – высота зоны осветления, м; Kset − коэффициент использования объема, равный 0,8 при наличии устройств для равномерного распределения, и 0,5 при их отсутствии; Kp − коэффициент, зависящий от концентрации ила (приложение, таблица 3); νtb − турбулентная составляющая скорости потока, мм/с; и − скорость всплывания флотокомплексов (приложение, таблица 4). 4. Расход жидкости, поступающий на вторую и третью ступень флотационного илоуплотнителя, м 3 /ч: (3.14) (3.15) 28 где Q1−2 − расход подиловой воды, которая поступает из первой ступени, м3/ч; Q2−3 − расход подиловой воды, которая поступает из второй ступени в третью, м3/ч. (3.16) (3.17) , где C0 − концентрация ила, поступающего на уплотнение, кг/м3; Су − концентрация уплотненного ила, принимается 40−60 кг/м3; Сw − концентрация ила в подиловой воде, кг/м3 (составляет 0,1 кг/м3 при удельном расходе воздуха 7,5 л/кг и 0,05 кг/м3 при удельном расходе воздуха 10 л/кг). 5. Ширина ступеней уплотнителя, м: (3.18) (3.19) (3.20) 6. Общая высота флотационного уплотнителя H, м: (3.21) где Hp – высота зоны осветления, м; Hу – высота зоны уплотнения, м; Hn – высота нейтральной зоны, м; Hb – высота борта, м. Расчет гравитационного илоуплотнителя вертикального типа 1. Максимальный часовой приток избыточного (необходимо перевести концентрацию в г/м3): 29 активного ила, м3/ч (3.22) где Q − расчетный расход сточных вод, м3/сут; С – концентрация уплотняемого избыточного активного ила, г/м3; 24 – переводной коэффициент по времени; Pmax – содержание избыточного активного ила, г/м3. (3.23) где P − прирост ила, принимается в зависимости от степени очистки сточной воды, г/м3; Kм – коэффициент месячной неравномерности прироста ила, равный 1,2. 2. Высота проточной части вертикального илоуплотнителя, м: (3.24) где ν – скорость движения жидкости, мм/с; t – продолжительность процесса, ч; 3,6 – переводной коэффициент. 3. Полезная площадь поперечного сечения, м2: (3.25) где qж − максимальный расход жидкости, м3/ч, отделяемой в процессе уплотнения ила. (3.26) где W1,W2 – влажность поступающего и уплотненного ила, %. 4. Площадь поперечного сечения центральной трубы, м2: (3.27) где νтр – скорость движения жидкости в вертикальной трубе, равная 0,1 м/с. 5. Общая площадь вертикального илоуплотнителя, м2: 30 (3.28) 6. Диаметр одного вертикального илоуплотнителя, м: (3.29) где n – число илоуплотнителей (минимальное число принимают равным двум, оба рабочие). Если в варианте диаметр известная величина, то необходимо найти количество илоуплотнителей. 7. Объем иловой части илоуплотнителя, м3: (3.30) где tи – продолжительность пребывания ила в иловой части при выгрузке его 1 раз в смену, принимаемая равной 8 ч. Расчет гравитационного илоуплотнителя радиального типа 1. Максимальный часовой приток избыточного активного ила, формула (3.22). 2. Полезная площадь поперечного сечения илоуплотнителя, м2: (3.31) где q0 − расчетная нагрузка на площадь зеркала уплотнителя м3/(м2·ч), равная 0,5 при С = 2−5 г/л и 0,3 при С более 5 г/л. 3. Диаметр илоуплотнителя, формула (3.29). 4. Высота рабочей зоны радиального илоуплотнителя, м: (3.34) где t − продолжительность уплотнения: t = 5−8 ч при C = 2−5 г/л и t = 10 ч при С более 5 г/л. 5. Общая высота радиального илоуплотнителя, м: 31 (3.35) где H − высота рабочей зоны, м; h − высота зоны залегания ила, равная 0,3 м при илоскребе и 0,7 м при илососе; hb − высота бортов над уровнем воды, м. 6. Объем иловой части уплотнителя, формула (3.30). Задание В соответствии с вариантом, выданным преподавателем, необходимо рассчитать три различные установки илоуплотнителей, а именно радиальный и горизонтальный флотационный илоуплотнитель, и гравитационный илоуплотнитель вертикального или радиального типов. По теоретическим знаниям и полученными в ходе практической работы результатами сравнить флотационные и гравитационные илоуплотнители, а также процесс уплотнения с рециркуляцией и без нее. Выбрать наиболее эффективный радиальный флотационный илоуплотнитель по параметрам: Wp, F, Q. Исходные данные для расчета Таблица 3.1 Радиальный флотационный илоуплотнитель Варианты Параметры 1 2 3 4 5 Предприятие (приложение, табл. 2) 3 1 5 4 2 Сo, кг/м3 3,6 4,3 2,0 2,8 5,0 t, °С 15 30 5 5 0 P, МПа 0,4 0,4 0,3 0,4 0,2 32 Значения величин используемых для расчета всех вариантов: − количество избыточного ила G = 3290 кг/сут; − степень насыщения воздухом fн = 0,6; − рабочая глубина флотатора H = 1,4 м; − гидростатическое давление Pг = 0,09 МПа. Таблица 3.2 Горизонтальный флотационный илоуплотнитель Варианты Параметры 1 2 3 4 5 Предприятие (приложение, табл. 2) 5 2 1 3 1 Сo , кг/м3 6 2,5 8,3 2,0 4,2 Q, м3/ч 100 85 60 100 90 Нр, м 1,5 1 0,8 1,2 1,5 Hу, м 0,8 1 0,9 1 1,3 Hn, м 0,5 0,5 0,4 0,5 0,4 Hb, м 0,3 0,3 0,4 0,5 0,3 ν , мм/с 4 2,9 5 2 3,5 удельный расход воздуха, л/кг 10 7,5 10 7,5 10 νtb , мм/с 0, 1 0, 5 0, 3 0, 5 0, 2 равномерное распределение + − − + + Су , кг/м3 50 40 60 60 55 33 Таблица 3.3 Гравитационные илоуплотнители Параметры Варианты 1 2 3 4 5 в р в р в 20000 250000 30000 100000 15000 С, г/л 10 20 15 30 10 P, г/м3 200 220 200 220 220 ν , мм/с 0,07 − 0,1 − 0,06 10 − 8 − 9 W1, % 99,2 99,5 97 99,0 98,8 W2, % 98 96,8 95 97,2 98 n, шт 2 2 − − − D, м − − 2,8 8,5 4,2 h, м − ик − ис − hb, м − 0,2 − 0,1 − Вид Q, м3/сут t, ч где в – вертикального типа, р – радиального типа; ик – илоскреб, ис − илосос Контрольные вопросы: 1. Классификация осадков. 2. С какой целью для обработки осадков применяют уплотнение? 3. Принцип работы флотационного илоуплотнителя. 4. Каковы преимущества флотационного илоуплотнителя? 5. В чем заключается принцип оптимизации процесса работы флотационного илоуплотнителя? 34 Приложение Таблица 1 Величины гидравлической нагрузки C0×I 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 b, м3/ м2ч 12 10 9 8 7,5 6,7 4,8 Таблица 2 Показатели илового индекса (из интервала берется максимальное значение) Предприятия Иловый индекс, см3/г НПЗ 70−100 Химкомбинаты 60−90 Целлюлозно-бумажные 150−200 комбинаты Таблица 3 Значения коэффициента Kp Концентрация ила, поступающего на уплотнение, кг/м3 2−3 4−6 6−9 Kp 1 0,4-0,5 0,3 Таблица 4 Скорость всплывания флотокомплексов Удельный Скорость всплывания флотокомплексов и мм/с, при иловом расход воздуха индексе, см3/г (приложение, табл.2) л/кг 50 100 150 200 250 7,5 3,9 2,3 2,9 2,6 2,3 10 5,1 4,3 3,7 3,4 3,1 35 4. СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОЦЕССОВ НИТРИФИКАЦИИ − ДЕНИТРИФИКАЦИИ. РАСЧЕТ ОБОРУДОВАНИЯ Составители: Л.П. Сидорова, В.А. Некрылов Введение Поступление в водоем со сточными водами биогенных веществ вызывает в нем нарушение естественного равновесия, в частности, их эвтрофизацию. Эвтрофизация (заболачивание) − обогащение рек, озёр и морей биогенами, сопровождающееся повышением продуктивности растительности в водоемах. Эвтрофизация может быть результатом как естественного старения водоема, так и антропогенных воздействий. Основные химические элементы, способствующие эвтрофизации − фосфор и азот. Искусственно несбалансированная эвтрофикация может приводить к бурному развитию водорослей, дефициту кислорода, замору рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма (за счёт фитопланктона на его поверхности) и, как следствие, отсутствием фотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода. Биологический метод очистки сточных вод от соединений азота основан на процессах нитрификации и денитрификации. Процесс нитрификации представляет собой совокупность реакций биологического окисления аммонийного азота до нитритов и далее до нитратов. В ходе денитрификации происходит окисление органических веществ при восстановлении азота нитратов до свободного азота. Механизм процесса нитрификации − денитрификации Процесс трансформации физиологическими выделениями органического человека и азота, поступающего животных, начинается с в канализационной сети. В результате аммонификации, протекающей под воздействием уробактерий, мочевина − CO(NH2)2 − (основная составляющая 36 мочи и основной загрязнитель водоема), гидролизуется с образованием углекислого аммония. CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3 Углекислый аммоний диссоциирует на аммиак, углекислый газ и воду: (NH4)2CO3=2NH3 ↑ + CO2↑ + H2O В водном растворе аммиак присутствует в виде гидрооксида аммония: NH3 + H2O = NH4OH После полной аммонификации азот присутствует в сточной жидкости, в зависимости от значений рН, в виде аммиака (NH3) или иона аммония (NH4+). При увеличении рН концентрация аммония (NH4+) снижается, а NH3 увеличивается. Сточная жидкость, поступающая на очистные сооружения канализации, содержит растворимые минерального и нерастворимые происхождения. вещества Нерастворимые органического оседающие и частицы органического и минерального происхождения задерживаются в песколовках и первичных отстойниках. В первичных отстойниках также происходит снижение азота органического, остаток которого в дальнейшем аммонифицируется в аэротенках. Окисление азота осуществляется автотрофными облигатными аэробами, использующими для синтеза клетки неорганический углерод, присутствующий в сточной жидкости в виде СО2, HCO 3− и CO 32− . Наиболее легкоусвояемой формой является бикарбонат. Окисление азота протекает в две стадии. На первой стадии образуются нитриты: 2NH3 + 3О2 = 2HNO2 + 2H2O + 158 ккал/моль В окислении азота аммонийного до NO −2 принимают участие нитрозные бактерии, имеющие грамотрицательный заряд. Нитриты относятся к неустойчивому соединению: при недостатке кислорода (0,5−1 мг/л) они восстанавливаются до NO, N2O, N2 или NH +4 , а при его избытке (3−4мг/л) нитриты окисляются нитратными бактериями до нитратов: 37 2HNO2 + О2 = 2HNO3 + 48 ккал/моль На процесс нитрификации существенное влияние оказывает температура сточной жидкости, начальная концентрация азота аммонийного, растворенный кислород, доза ила и его зольность. Расчет нитрификатора производится на самый неблагоприятный холодный период года. Концентрацию растворенного кислорода можно принимать равной 3−4 мг/л, зольность ила в нитрификаторе по сравнению с денитрификатором может быть выше на 5−10 %. В денитрификаторе при наличии питательного субстрата и циркулирующего активного ила, обогащенного нитратами, развивается процесс денитрификации, т.е. восстановление нитратов до элементарного азота: NO3 → NO2 → NO → N2O → N2 В условиях острого дефицита кислорода (0,1−0,2 мг/л) факультативные анаэробы способны использовать для дыхания связанный кислород нитратов. Поддержание активного ила во взвешенном состоянии производится мешалками. Не допускается перемешивание воздухом, так как микроорганизмы активного ила очень быстро перестраиваются на использование свободного кислорода. В денитрификаторе необходимо поддерживать требуемое соотношение углерода и азотсодержащих соединений. Это соотношение должно быть БПКполн: N−NO3 = 6:1, оптимальным является соотношение БПКполн: N−NO3 осуществляется = 4:1. Процесс факультативными восстановления анаэробами. При азота нитратного денитрификации в результате расщепления легко окисляемого субстрата сточная жидкость обогащается компонентами угольной кислоты (СО2, НСО 3− , СО 32− ). В качестве питательного субстрата в денитрификаторе могут использоваться сточная жидкость, метанол (СН3ОН), этанол (С2Н5ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и другие карбоновые кислоты. При использовании метанола он окисляется до элементарных соединений, а нитраты восстанавливаются до N2. 5СН3ОН + 6 NО 3− = 5 НСО 3− + 3N2 + ОН − +7Н2О 38 Возможные варианты удаления азота из сточной жидкости Удаление азота методом нитрификации − денитрификации может осуществляться по трем различным схемам. Расчет будет вестись по наиболее простой схеме с одновременным участием нитрификатора и денитрификатора, причем денитрификатор устанавливается в начале (рис. 4.1). В качестве питательного субстрата используются загрязнения поступающей на очистку сточной жидкости. В случае недостатка питательного субстрата вводится искусственный субстрат. Если количество питательного субстрата сточной жидкости превышает количество, необходимое для восстановления поступающего в денитрификатор азота нитратного, то после денитрификации желательно предусмотреть аэротенк, в котором БПКполн. сточной жидкости будет снижаться до 15 мг/л. Устройство нитрификатора на последней стадии очистки стоков не позволяет удалить из сточной жидкости азот, а может лишь обеспечить полное окисление азота аммонийного до азота нитратного. Концентрация N−NO3 в очищенной сточной жидкости зависит от степени рециркуляции активного ила: чем она выше, тем ниже концентрация азота нитратного. В качестве альтернативной технологической схемы применяют технологическую схему, в которой денитрификатор расположен в конце и применяется только искусственный органический субстрат, из сточной жидкости можно удалить практически весь азот. Однако применение данной схемы ограничено высокими капиталовложениями при использовании органического субстрата, так как при работе он всегда должен быть в избытке. В состав сооружений по удалению азота методом нитрификации − денитрификации обычно входят: аэротенк (необязательный, но крайне желательный элемент), нитрификатор, денитрификатор, постаэратор (для дополнительного насыщения сточной воды кислородом). Расчет сооружений по удалению из сточной жидкости азота сводится к определению: 39 − объемов аэротенка, нитрификатора, денитрификатора, постаэратора; − требуемого объема воздуха для аэротенка, нитрификатора и постаэратора; − требуемого количества питательного субстрата для восстановления окисленной формы азота (NO 3− ) до элементарного (N2); − сухого вещества или объема избыточного ила, образующегося в аэротенках, нитрификаторах, денитрификторах в результате изъятия из сточной жидкости органических загрязнений и азота. Рис. 4.1. Схема удаления из сточной жидкости азота методом нитрификации − денитрификации: 1 − первичный отстойник; 2 − нитрификатор; 3 − денитрификатор; 4 − вторичный отстойник; 5 − насосная станция циркулирующего активного ила; 6 − циркулирующий активный ил Расчет нитрификатора − денитрификатора 1. Концентрация взвешенных веществ в сточной жидкости, поступающей в денитрификатор из первичных отстойников, мг/л: (4.1) где Cen – концентрация взвешенных частиц в сточной воде, мг/л; Эосв – требуемое значение освещенности воды, %. Значение БПК сточной жидкости, поступающей в денитрификатор из первичных отстойников, мг/л: (4.2) где Len – значение БПК поступающей на очистку воды, мг/л; s – зольность частиц, поступающих на очистку. 40 2. Прирост активного ила в денитрификаторе, мг/л: (4.3) 3. Количество азота, пошедшее на синтез клеток микроорганизмов в денитрификаторе, мг/л: (4.4) где Мден – доля микроорганизмов в активном иле, принимается равной 0,3; m – доля азота в клетках микроорганизмов в пересчете на сухое вещество, принимается равной 0,1. 4. Концентрация азота органического, поступающего в денитрификатор из первичного отстойника, мг/л: (4.5) где CN−Nорг – концентрация азота из органических соединений, мг/л. 5. Требуемая степень рециркуляции активного ила, обеспечивающая снижение N−NO3 в очищенной сточной жидкости до значений, соответствующих ПДК, определяется из уравнения материального баланса по азоту: (4.6) (4.7) где – концентрация аммонийного азота из сточной воды, мг/л; – ПДК аммонийного азота в воде, мг/л; – ПДК нитратного азота, мг/л. 6. Значение азота нитратного в сточной жидкости, денитрификатор с учетом рециркуляционного потока, мг/л: 41 поступающей в (4.8) где и – концентрация азота нитратного соответственно в исходной сточной жидкости и в циркулирующем иле, составляет: = 0 мг/л, = 9 мг/л; Qсут – расход сточной жидкости и циркулирующего ила, м3/ч; Qц – расход сточной жидкости и циркулирующего ила, , м3/ч. 7. Количество азота нитратов, поступивших в денитрификатор из вторичного отстойника с рециркуляционным потоком, мг/ч: (4.9) 8. Количество загрязнений по БПКпол., затраченных в денитрификаторе на восстановление азота нитратного, мг/ч: (4.10) где − коэффициент, обеспечивающий полное восстановление нитратов до элементарного азота, принимаемый равным 4, т.к. оборудование рассчитано на БПКпол : = 4:1. 9. Количество загрязнений по БПКпол, поступающих в денитрификатор, мг/ч: (4.11) 10. Продолжительность обработки сточной жидкости в денитрификаторе, ч: (4.12) где и – концентрация нитратов соответственно на входе и выходе из денитрификатора; 42 – доза ила в денитрификаторе (принимается равной 2г/л); – скорость восстановления нитратов, принимается в зависимости от начального значения концентрации нитратов (таблица 4.2); – зольность активного ила, принимается равной зольности поступающих на очистку веществ. 11. Объем денитрификатора, м3: (4.13) где qm – часовой расход сточной жидкости, поступающей на сооружения биологической очистки, 12. Требуемая м3/ч. продолжительность пребывания сточной жидкости в нитрификаторе, ч: (4.14) где ai – доза ила в нитрификаторе равна дозе ила в денитрификаторе, г/л; siнит – зольность ила в нитрификаторе принимается выше, чем в денитрификаторе, поскольку процесс денитрификации сопровождается минерализацией органических веществ, однако, для академического проекта можно принять равной 0,3; ρнит – скорость окисления азота аммонийного, принимается в зависимости от начального значения концентрации аммонийного азота (таблица 4.3); – коэффициент, учитывающий влияние кислотности среды рН, (таблица 4.4) 13. Требуемый объем нитрификатора, м3: (4.15) 14. Требуемый объем денитрификатора и нитрификатора, м3: 43 (4.16) 15. Доля денитрификатора от общего объема размещаемого оборудования, м3: (4.17) 16. Доля нитрификатора от общего объема размещаемого оборудования, м3: (4.18) 17. Подбираем размер системы нитрификатор − денитрификатор. В качестве стандартизованной модели принимается трехсекционное четырехкоридорное сооружение со следующими параметрами: ширина коридора − 6 м, ширина секции − 24 м, длина секции − 72 м, глубина секции – 4,4 м. 18. Определение общей длины установки очистки, м: (4.19) где Lобщ – общая длина коридоров в секции, м; Pn – количество коридоров в сооружении очистки. 19. Определение общей длины денитрификатора, м: (4.20) 20. Определение общей длины нитрификатора, м: (4.21) Задание Определить размеры оборудования для нитрификации (нитрификатора) и денитрификации (денитрификатора) и определить время процессов денитификации − нитрификации, используя приведенные ниже данные. 44 Таблица 4.1 Исходные данные Исходное Условное Вариант Вариант значение обозначение 1 2 Суточный расход воды, 3 м /ч Qсут, 50000 50000 50000 50000 50000 Концентрация взвешенных частиц ст.воды, мг/л Сen, 200 100 400 300 250 Значение БПК поступающей на очистку воды, мг/л Len, 230 360 150 180 270 Зольность частиц, поступающих на очистку s 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 Концентрация аммонийного азота в сточной воде, мг/л C N−NН 4 60 45 85 25 50 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 10,8 15,6 24,8 42,8 4,3 9 9 9 9 9 25 24 18 15 21 ПДК аммонийного азота в воде, мг/л Концентрация азота из органических соединений, мг/л С N−Nорг ПДК нитратного аниона в воде, мг/л Температура воды в летний период, °С Т Wл 45 Вариант 3 Вариант 4 Вариант 5 Окончание таблицы 4.1 Температура воды в зимний период, °С ТW3 10 8 5 12 13 Значение водородного показателя среды pH 8 8 8 8 8 Требуемое значение освещенности воды, % Эосв 50 50 50 50 50 Таблица 4.2 Скорость восстановления нитратов в зависимости от начального значения концентрации нитратов в воде (С N−NO 3 )ден мг/л <10 7,5 мг/(г·ч) 10−20 20−30 30−40 40−50 50−60 60−70 11,5 13,5 15 17 17,5 18,5 70−80 19 Таблица 4.3 Скорость окисления аммонийного азота в зависимости от начального значения концентрации аммонийного азота в воде СN−NН 4 мг/л ρнит мг/(г·ч) >90 22,5 70−90 50−70 30−50 20−30 19,5 15,6 46 11 4 5−20 2,5 Таблица 4.4 Коэффициент КpH , учитывающий влияние pH воды рН 6 6,5 7 7,5 8 КpH 0,14 0,28 0,48 0,73 0,95 8,5 9 9,5 1,0 0,87 0,68 Контрольные вопросы: 1. Что такое эвтрофизация? Дать характеристику процесса. 2. Дать определение процесса нитрификации. Какие загрязняющие вещества удаляются в результате этого процесса? 3. Дать определение процесса денитрификации. Какие загрязняющие вещества удаляются в результате этого процесса? 4. Описать возможные схемы удаления азота из сточной воды. Какая из предложенных схем наиболее эффективна и почему? 5. Какое оборудование входит в состав сооружения для удаления из воды азота процессом денитрификации − нитрификации? 6. Какие основные характеристики сооружения определяются в результате расчета процесса денитрификации − нитрификации? 47 5. ОБРАТНООСМОТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ. РАСЧЕТ МЕМБРАНЫ Составители: Л.П. Сидорова, Д.Н. Макарова Введение Обратный осмос − процесс мембранного разделения жидких смесей путем преимущественного проникновения через полупроницаемую мембрану растворителя под действием приложенного к раствору давления, превышающего его осмотическое давление (6−10 МПа). Обратный осмос основан на явлении природного осмоса. В экспериментальных условиях процесс осмоса происходит следующим образом (рис. 5.1, а). Представим себе сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной. С одной стороны мембраны налит водный раствор какого-либо минерального вещества высокой концентрации, с другой стороны − раствор того же вещества низкой концентрации. Согласно закону равновесия вода переходит через полупроницаемую мембрану из раствора низкой концентрации в раствор высокой концентрации до тех пор, пока концентрации растворов по обе стороны мембраны не станут одинаковыми. После того как концентрации растворов уравняются, верхние уровни растворов по обе стороны мембраны будут расположены на разной высоте. Разница между верхними уровнями растворов будет пропорциональна разнице концентраций этих растворов. Разница концентраций разделенных полупроницаемой мембраной двух называется растворов, осмотическим давлением. Единица измерения осмотического давления − psi (фунт − сила на квадратный дюйм, 1 psi = 6894,76 Па). Каждые 100 мг минеральных веществ, растворенных в 1 литре воды, создают осмотическое давление 1psi. Процесс обратного осмоса На рисунке 5.1, б изображен тот же сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной. С одной стороны налит раствор высокой концентрации, с другой − раствор низкой концентрации. Вода переходит через 48 мембрану в более концентрированный раствор, стремясь уравнять концентрации по обе стороны мембраны. Подействуем внешним давлением на более концентрированный раствор и увидим, что направление хода воды через мембрану изменилось на противоположное. Теперь переход воды через мембрану не зависит от концентрации растворов: она просто продавливается через мембрану внешним давлением. В результате концентрация раствора изначально имевшего большую концентрацию начинает увеличиваться, а концентрация раствора изначально имевшего меньшую концентрацию начинает уменьшаться. Пропускная способность мембраны при этом не изменяется, через нее по-прежнему проходит только вода, но уже в обратном направлении. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. а) принцип явления осмос б) принцип обратного осмоса Рис. 5.1 Принцип явлений осмос и обратный осмос Движущая сила обратного осмоса выражается следующим образом: где Р − избыточное (рабочее) давление над исходным раствором, Па; π1 − осмотическое давление раствора, Па. В качестве мембраны используются непористые материалы (динамические и диффузионные квазигомогенные гели) и пористые в виде тонких пленок, изготовленных из полимерных материалов (ацетатцеллюлозные в России) марки МГА−80, МГА−90, МГА−95, МГА−100. Состав ацетатцеллюлозной мембраны может быть таким: 22,2 % ацетатцеллюлозы, 49 66,7 % ацетона, 10 % дистиллированной воды, 1,1 % перхлората магния. Ацетатцеллюлозные мембраны состоят из верхнего активного слоя толщиной до 0,2 мкм, и крупнозернистого (100−200 мкм), обеспечивающего механическую прочность мембран (подушка). В обратном осмосе молекулы и ионы растворенных веществ обычно меньше по размеру, чем диаметр пор, и разделения их обусловлено более слоистыми физико-химическими процессами между растворителем, растворенным веществом и мембраной. В металлургической и машиностроительной промышленности обратный осмос широко используется для очистки сточных вод от солей тяжелых металлов. Применение обратного осмоса позволяет вернуть в производство ценные металлы; в пищевой промышленности: яичный белок, лактозу, протеин, витаминные и минеральные вещества, первоначально находящиеся в молоке. Обратный осмос также используют для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинескопов, медикаментов); в последние годы начинает применяться для очистки промышленных и городских сточных вод. Фильтры на основе обратного осмоса удаляют из воды ионы Na, Са, Cl, Fe, тяжелых металлов, инсектициды, удобрения, мышьяк и многие другие примеси. «Молекулярное сито», которое представляют собой обратноосмотические мембраны, задерживает практически все примесные элементы, содержащиеся в воде, независимо от их природы, что оберегает потребителя воды от неприятных сюрпризов, связанных с неточным или неполным анализом исходной воды, особенно из индивидуальных скважин. В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается чистая вода, а все загрязнения остаются по другую сторону мембраны. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство 50 традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля. а) применение обратного осмоса б) простейшая схема обратного осмоса Рис. 5.2. Схема использования обратного осмоса Принцип работы водоочистных систем, работающих на основе процесса обратного осмоса, показан на рисунке 5.2, а. В одну часть сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной, под давлением поступает водный раствор большой концентрации. Вода продавливается через мембрану во вторую половину сосуда, а минеральные вещества, оставшиеся в первой половине сосуда, сбрасываются в канализацию. Простейшая обратноосмотическая система (рис. 5.2, б) состоит из фильтра предварительной очистки, обратноосмотической мембраны и пост фильтра. Основным рабочим элементом такой системы является обратноосмотическая полупроницаемая мембрана. Обратноосмотическая полупроницаемая мембрана представляет собой композитный полимер неравномерной плотности. Этот полимер образован из двух слоев, неразрывно соединенных между собой. Наружный очень плотный 51 барьерный слой толщиной около 10 миллионных дюйма (1 дюйм = 2,54 см) лежит на менее плотном пористом слое, толщина которого составляет пять тысячных дюйма. Обратноосмотическая мембрана − это высококачественный фильтр и теоретически содержание растворенных минеральных веществ в полученной в результате фильтрации чистой воде должно составлять 0 мг/л, независимо от их концентрации во входящей воде. Существуют различные конфигурации обратноосмотических мембран, и каждая имеет свои преимущества. Наиболее распространенная конфигурация − спиральная намотка (рис. 5.3). Она образуется путем послойного наматывания мембраны на трубу, называемую трубкой продукта. Слои мембраны склеены друг с другом вдоль трех свободных краев, намотаны на трубку продукта и скреплены удерживающей лентой. Вся эта конструкция помещена в пластиковый корпус. Такой способ упаковки увеличивает площадь поверхности мембраны. Питающий систему поток воды фильтруется через мембрану. Чистая вода выходит по трубке продукта, а концентрат минеральных солей сбрасывается в канализацию. Рис. 5.3. Спиральная намотанная мембрана Расчет обратноосмотической мембраны Расчет обратноосмотической мембраны заключается в расчете площади рабочей поверхности на основе экспериментальных данных о зависимости осмотического давления от массовой концентрации вещества в растворе. 52 1. Истинная селективность мембраны φи: (5.1) где a и b − константы уравнения, определяющего истинную селективность мембраны. Предварительно следует определить функцию теплоты гидратации ионов электролита f(∆H): (5.2) где ∆НМ, ∆НБ − соответственно меньшее и большее значения теплот гидратации ионов данного электролита (кДж/моль), (табл. 5.1); m − константа, зависящая от валентности катиона и аниона (табл. 5.2). 2. Средняя концентрация X2 растворенного вещества в фильтрате для каждой мембраны (наблюдаемая селективность равна истинной), кг соли/кг раствора: (5.3) где К − степень концентрирования ( ); Xн – начальная концетрация раствора; Xк – конечная концентрация раствора. 3. Расход фильтрата LФ, кг/с: (5.4) где Lн – расход раствора. 4. Расход соли с исходным раствором С, кг/с: (5.5) 5. Потери соли с фильтратом П, кг/с: (5.6) 6. Эффективность мембраны по потерям соли N, %: 53 (5.7) 7. Проницаемость G мембран по отношению к раствору соли: (5.8) где ∆p − перепад рабочего давления через мембрану, МПа; π3 − осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны, МПа; π2 − осмотическое давление фильтрата, МПа; A − константа проницаемости мембраны по воде, кг/(м2сּМПа), . Будем считать, что осмотическое давление у поверхности мембраны равно осмотическому давлению в объеме разделяемого раствора (π3 = π1). Примем также, что осмотическое давление фильтрата пренебрежимо мало: π2 = 0. 8. Проницаемость G мембран по отношению к раствору соли (с учетом допущений): (5.9) Значения осмотических давлений π1Н и π1К (МПа) определяются по графику зависимости осмотического давления от концентрации вещества. Данные для построения графика приведены в Приложении. 9. Проницаемость на входе разделяемого раствора в аппараты обратного осмоса GН и на выходе GК, кг/м2 с: (5.9) (5.10) 10. Расчетная средняя проницаемость мембран в аппарата, кг/(м2·с): (5.11) 54 11. Рабочая поверхность мембраны F, м2: (5.12) Задание В соответствии со своим вариантом (табл. 5.3) необходимо: − рассчитать селективность мембраны; − построить график зависимости осмотического давления от массовой концентрации (табл. 5.4); − рассчитать эффективность мембраны; − рассчитать среднюю проницаемость мембраны; − рассчитать рабочую поверхность ацетатцеллюлозной мембраны обратноосмотической системы для концентрирования водного раствора от концентрации XН = 0,8 % до XК = 3,2 %. Тип аппарата – с рулонными фильтрующими элементами, перепад рабочего давления через мембрану − 5 МПа; рабочая температура − 25 °С. На основе расчета мембраны сделать вывод об эффективности использования мембраны на реальном производстве при условии, что потери соли с фильтратом не должны превышать 10 % от количества, содержащегося в исходном растворе. Таблица 5.1 Химическая теплота гидратации ионов при бесконечном разбавлении и температуре 25 °С Ион ΔH, кДж/моль Cl1- 352 Ca2+ 1616 NH41+ 327 55 Таблица 5.2 Экспериментально определенные значения m при ∆р = 5 МПа и t = 20−25 °С Валентность катиона Валентность аниона m 1 1 2 2 3 3 1 2 1 2 2 1 0,51 0,47 0,47 0,33 0,33 0,40 Таблица 5.3 Данные для расчета № п/п 1 2 3 Вариант 1 2 3 4 5 Вещество CaCl2 CaCl2 CaCl2 CaCl2 NH4Cl Тип мембраны Lн кг/мин МГА−100 МГА−95 МГА−90 МГА−80 МГА−100 325,8 297 370,8 333,6 435,6 1,11 1,67 2,78 4,17 1,11 G0 103 4 кг/м2 5 a 7,342 5,78 5,179 5,323 7,342 6 b 3,024 2,4 2,093 1,729 3,024 56 Таблица 5.4 Зависимость осмотического давления от массовой концентрации раствора CaCl2 NH4Cl Осмотическое Осмотическое % (масс.) давление , МПа % (масс.) давление , МПа 1,0977 0,64 0,5322 0,46 2,1716 1,29 1,0587 0,91 4,2509 2,56 2,0952 1,78 6,2436 4,18 3,1102 2,66 8,1551 5,87 4,1043 3,54 9,9902 7,76 5,0783 4,44 18,1656 20,45 9,6658 9,02 24,9796 40 13,8302 13,8 Контрольные вопросы: 1. С чем связано явление естественного осмоса? 2. Какой принцип действия обратного осмоса? 3. Что такое мембрана? 4. Чем определяется эффективность использования той или иной мембраны на производстве? 57 6. ОЧИСТКА ХРОМСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯЦИИ. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОКОАГУЛЯТОРА с Fe-ЭЛЕКТРОДАМИ Составители: Л.П. Сидорова, Е.Г. Кульпинова Введение Основываясь на законах физической химии, электрохимии и химической технологии, электрохимические методы очистки промышленных сточных вод можно разделить на три основные группы: методы превращения, методы разделения и комбинированные методы. Методы превращения обеспечивают изменение физико-химических и фазово-дисперсных характеристик загрязнений сточных вод с целью их обезвреживания и быстрого извлечения из стоков. Превращение примесей может проходить ряд последовательных стадий, начиная с электронного уровня взаимодействия растворимых соединений и заканчивая изменением каких-либо электроповерхностных и объемных характеристик грубодисперсных веществ, содержащихся в сточных водах. Методы разделения предназначены для концентрирования примесей в локальном объеме раствора без существенного изменения фазово-дисперсных или физико-химических свойств извлекаемых из сточных вод веществ. Разделение примесей и воды происходит в основном за счет флотации электрогенерируемыми пузырьками газов или силового воздействия электрического поля, обеспечивающего транспорт заряженных частиц в воде. К комбинированным методам электрохимической очистки сточных вод относятся методы, которые предполагают совмещение одного или нескольких методов превращения и разделения загрязнений стоков в одном аппарате. На основании классификации методов электрохимической очистки сточных вод следует осуществлять и выбор типа аппарата, который определяется в первую очередь видом генерируемого электролитического эффекта в сточной воде. 58 Хромсодержащие сточные воды Хром Сr − один из самых твердых металлов. Обладает высокой химической стойкостью. Большинство соединений хрома имеет яркую окраску, причем самых разных цветов. За эту особенность элемент и был назван хромом, что в переводе с греческого означает «краска». Высокие концентрации хрома токсичны. Они оказывают на организм человека и животных общетоксическое, раздражающее, кумулятивное, аллергическое, канцерогенное и мутагенное действие. Поверхностные воды содержат хром в концентрациях около 0,001 мг/л, но в ряде случаев максимальное его содержание может быть намного выше − до 0,112 мг/л, в водопроводной воде средняя концентрация составляет 0,0023, максимальная − 0,079 мг/л. Соединения хрома в концентрации 0,1 мг/л, губительно действуя на флору и фауну водоемов, тормозят процессы самоочищения. Из отдельных соединений Сr6+ наиболее вредное действие оказывают хроматы, бихроматы и хромовый ангидрид. Шестивалентный хром опасен для жизни рыб уже при концентрации выше 0,05 мкг/л. Для наземных диких животных токсична питьевая вода с содержанием хрома 1,0 мг/л, для домашнего скота − 0,5 мг/л. Хром аккумулируется в тканях растений. В концентрации 5 мг/л Сr6+ вредно действует на них; при 10 мг/л у растений появляется заметно выраженный хлороз, при 15−50 мг/л у зерновых культур задерживается рост. Эти данные свидетельствуют о том, что неочищенные сточные воды, содержащие хром, нельзя использовать для полива сельскохозяйственных культур. Одним из методов очистки хромсодержащих вод является электрохимическим методам электрокоагуляция. Электрокоагуляция Электрокоагуляция относится к превращения, которые отличаются многостадийностью и относительной сложностью происходящих в аппаратах водоочистки физико-химических явлений. 59 Электрокоагуляция − процесс ускорения слипания коллоидных частиц под действием электрического тока, используемый в водоочистке. Электрокоагуляцию применяют преимущественно в системах локальной очистки сточных вод, загрязненных тонкодисперсными и коллоидными примесями, от масел, нефтепродуктов, некоторых полимеров, соединений хрома и других тяжелых металлов. Она находит применение в процессах осветления, обесцвечивания, обеззараживания и умягчения воды в системах водоподготовки. Электрокоагуляция применима главным образом для очистки нейтральных и слабощелочных вод. Суть электродных процессов при электрокоагуляции сводится к следующему: − генерация в процессе анодного растворения металла коагулянта (гидроксида соответствующего металла); − подщелачивание воды в процессе электролиза; − получение на катоде газообразного водорода, который может быть использован для обеспечения флотации скоагулированных примесей. При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз окислительно-восстановительные процессы, воды, поляризация взаимодействие частиц, продуктов электролиза друг с другом. При использовании нерастворимых электродов коагуляция может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе веществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные соли на поверхности частиц. Такой процесс можно использовать для очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой устойчивости загрязнений. Для очистки промышленных сточных вод, содержащих высокоустойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, 60 встречаясь с гидроксидными группами, образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция. На процесс электрокоагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее температура и состав, напряжение и плотность тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эффективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния между электродами расход энергии на Электрокоагуляцию анодное рекомендуют растворение металла проводить в уменьшается. нейтральной или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м , расстоянии между электродами не более 20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с. Метод электрокоагуляции наиболее пригоден для выделения хрома. Сущность метода заключается в восстановлении Cr(VI) до Cr(III) в процессе электролиза с использованием растворимых стальных электродов. При прохождении растворов через межэлектродное пространство происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно- восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом. Суть протекающих при этом процессов заключается в следующем: при протекании постоянного электрического тока через хромсодержащие растворы гальваношламов, анод подвергается электролитическому растворению с образованием ионов Fe, которые, с одной стороны, являются эффективными восстановителями для ионов хрома (VI), с другой − коагулянтами: Cr2O72- + 6Fe 2+ 6Fe2+ + 2Cr3+ На катоде выделяется газообразный водород, что ведет к выщелачиванию раствора и созданию, таким образом, условий для выделения гидроксидов примесных металлов, также происходит процесс восстановления по реакциям: 2H+ + 2e H2 Cr2O72- + 14H+ → 2Cr3+ + 7H2O 61 электрохимического Находящиеся образованием в растворе ионы гидроксидов Fe(OH)3, Fe+3, Fe2+, Cr+3 Cr(OH)3. Fe(OH)2, гидратируют с Образующиеся гидроксиды железа являются хорошими коллекторами для осаждения гидроксидов примесных металлов и адсорбентами для других металлов. Достоинства метода: − очистка до требований ПДК от соединений Cr (VI); − высокая производительность; − простота эксплуатации; − малые занимаемые площади; − малая чувствительность к изменениям параметров процесса; − получение шлама с хорошими структурно − механическими свойствами. Недостатки метода; − не достигается ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения; − значительный расход электроэнергии; − значительный расход металлических растворимых анодов; − пассивация анодов; − невозможность извлечения из шлама тяжелых металлов из-за высокого содержания железа; − невозможность возврата воды в оборотный цикл из-за повышенного солесодержания; − необходимость предварительного разбавления стоков до суммарной концентрации ионов тяжелых металлов 100 мг/л. Электрокоагуляторы Электрокоагулятор обычно представляет собой корпус прямоугольной или цилиндрической формы, в который помещают электродную систему − ряд электродов. Обрабатываемая вода протекает между электродами. По форме и расположению электродов электрокоагуляторы разделяют на аппараты с плоскими и цилиндрическими электродами, расположенными обычно вертикально, хотя известны конструкции и с горизонтальными плоскими 62 электродами (рис. 6.1). Предпочтительно вертикальное положение электродов, что объясняется большей жесткостью конструкции и неизменностью размеров электродной системы, а также лучшими условиями удаления выделяющихся газов и протекания процесса флотации. В зависимости от характера движения обрабатываемой воды электрокоагуляторы можно разделить на однопоточные, многопоточные, с горизонтальным или вертикальным движением воды. Рис. 6.1. Электрокоагуляторы: а − однопоточный; б − многопоточный с вертикальным движением воды; в − со смешанным движением воды При вертикальном направлении движения воды электрокоагуляторы могут быть противоточные (подача воды сверху, т. е. в направлении, противоположном движению пузырьков газа, которые обеспечивают флотацию) и прямоточные (подача воды снизу). Электрокоагуляторы снабжают вытяжным вентиляционным устройством для удаления газов, механическими устройствами для удаления флотируемых продуктов с поверхности очищаемой воды и осадка из нижней части аппарата, а также устройствами для очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства. При очистке сточных вод, содержащих вредные или опасные вещества, электрокоагулятор должен иметь герметичный корпус, в который можно подавать инертный газ, а также должен быть снабжен вытяжкой и уровнемером. Аноды и катоды часто изготавливают из одного и того же 63 материала, что позволяет повысить ресурс работы аппарата, периодически изменяя полярность электродов. С внешней стороны к корпусу на изоляторах крепят две токоподводящие медные шины, которые соединяют с электродами. Подключение электродов к шине, а следовательно, и к источнику питания может быть параллельным или последовательным. В первом случае каждый электрод выполняет функции либо анода, либо катода, т. е. является монополярным, и подключается поочередно к анодной и катодной шинам источника тока. Во втором случае ток подводится только к двум крайним электродам. Промежуточные электроды работают как биполярные: если с одной стороны электрод является анодом, то на противоположной стороне его протекают катодные процессы. Последовательное подключение электродов позволяет упростить конструкцию электродной схемы и работать с токами меньшей силы, поскольку увеличивается напряжение, что дает возможность сократить размеры и уменьшить стоимость токоподводящих шин. Однако с увеличением напряжения на аппаратах возрастают токи утечки, что приводит к увеличению расхода энергии на обработку. Для предотвращения коротких замыканий электродов предусматривают разделительные прокладки из диэлектрика (текстолита, винипласта и др.). Степень использования металла электродов (50−90 %) зависит от конструкции коагулятора, материала анода и состава очищаемой воды. Как правило, электрокоагулятор служит только для образования гидроксидов металлов и агрегации частиц; процесс разделения фаз проводят в других аппаратах − отстойниках, гидроциклонах и др. На практике наиболее широко используют безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть горизонтальным и вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными и смешанными. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно через промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). При однопоточной схеме вода проходит между 64 электродами последовательно (последовательное соединение каналов), что уменьшает пассивацию электродов. Скорость движения воды у однопоточных электрокоагуляторов в п−1 раз больше, чем у многопоточных (п − число электродов). Технологическая установка для очистки сточных вод электрокоагуляцией Технологическая установка для очистки сточных вод электрокоагуляцией содержит: очистное устройство, аппарат, в котором происходит разделение фаз, емкость для сбора воды и выделенной дисперсной фазы, насосы и трубопроводы, а также источник постоянного тока. Обрабатываемая вода проходит сначала предварительную грубую очистку в механическом фильтре 1 и гидроциклоне 2 (рис. 6.2). Процесс электрокоагуляционной очистки происходит в аппарате 3, который является флотатором − отстойником со встроенной в него электродной системой. Часть скоагулированных примесей флотируется, другая осаждается в нижней части аппарата. Флотируемые продукты из верхней части аппарата, а также осадок из нижней части отводятся в сборник 5, а осветленная вода после фильтрации поступает в оборот. Рис. 6.2. Электрокоагуляционная установка для очистки воды: I − поток воды, прошедший очистку; I I − линия удаления осадка из электрокоагулятора; III − удаление осадка из гидроциклона; 1 − фильтр; 2 − гидроциклон; 3 − электрокоагулятор, 4 − источник тока; 5 − сборник; 6 − фильтр 65 Расчёт электрокоагулятора с Fe-электродами Методика применима при расчете электрокоагуляторов с растворимыми электродами, а также электрокристаллизаторов, базирующихся на использовании твердой фазы для ускорения процесса кристаллизации. 1. Часовой расход Fe, г/ч: (6.1) где DFe − необходимая доза железа, г/м3; Q – расход воды, м3/ч. 2. Сила тока I, обеспечивающая растворение Fe−анодов, А: (6.2) где k − электрохимический эквивалент Fe, равный 1,04 г/А∙ч; t – время обработки сточных вод в электрокоагуляторе (перевести в часы); η − выход Fe по току, 80 %. 3. Число электродов, шт: (6.3) где Sанода = b∙hэл, м2; b – ширина электрода, м; hэл – высота электрода, м. Примечание: полученное значение округляем и делим на 2, т.е. количество анодов и катодов принять равным. 4. Толщина анода, м: (6.4) где Qсут – производительность установки, м3/сут; nсут – расчетная продолжительность работы 1 пакета электродов; − удельный вес анодного материала, равный 7,8 г/м3. 5. Геометрические размеры электрокоагулятора: 66 а) ширина B электрокоагулятора, м: (6.5) где b – ширина электрода; a – расстояние от последнего электрода до стенки корпуса, мм. б) высота электрокоагулятора, м: (6.6) где hэл – высота электрода, м; а1 – расстояние от нижнего конца электрода до дна электрокоагулятора, мм; а’1 – расстояние от верхнего конца электрода до верха электрокоагулятора, мм. в) длина электрокоагулятора, м: (6.7) где а2 – расстояние между электродами, 20 мм. 6. Потребляемая мощность, Вт: (6.8) где U – напряжение в электрокоагуляторе, В. 7. Расход электроэнергии, Вт∙ч/м3: (6.9) 8. Общий объем ванны электрокоагулятора, м3: (6.10) Задание В соответствии со своим вариантом рассчитать электрокоагуляционную установку с растворимыми Fe−электродами. Исходные данные приведены в таблице 6.1. 67 Таблица 6.1 Исходные данные для расчета № п/п Параметры Вариант 1 2 3 4 5 6 1 DFe, г/м3 48 56 62 73 85 94 2 Q, м3/ч 7,8 8,1 8,7 9,5 9,8 10,2 3 t, мин 27 30 34 37 40 43 4 b, м 0,8 0,9 0,7 0,8 0,9 0,7 5 hэл, м 1 1,2 0,9 1 1,2 0,9 6 Sанодов, м2 12,5 12,8 12,6 12,5 12,8 12,6 7 Qсут, м3/сут 93,6 97,2 104,4 114 117,6 122,4 8 nсут, сут 100 102 105 98 103 101 9 а, мм 30 32 35 33 30 34 10 а1, мм 50 45 55 40 50 45 11 a1’, мм 20 18 22 19 21 23 12 а2, мм 20 23 22 18 21 19 13 U, В 9 7 10 9 8 10 Контрольные вопросы: 1. Перечислите существующие электрохимические методы очистки сточных вод. 2. Что такое электрокоагуляция? В чем состоит суть этого процесса? 3. Какие бывают различия в конструкции электрокоагуляторов? 68 7. ОБРАБОТКА ВОДЫ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ. РАСЧЕТ ГОРИЗОНТАЛЬНОГЙ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ Составители: Л.П. Сидорова, А.О. Курач Введение Большое количество забираемой для обеспечения промышленных предприятий воды возвращается в водоемы с различной степенью загрязнения. Для очистки сточных вод промышленных предприятий используют различные методы, отличающиеся степенью очистки, сложностью используемого оборудования, энергетическими затратами. Одним из таких методов является электрофлотация. Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырьков газа, образующихся при электролизе сточной воды. Преимущества этого метода – относительна простота конструкции установки, высокая надежность и высокая степень очистки. Основы процесса электрофлотации Процесс выделения из жидкости взвешенных частиц путем их флотации газовыми пузырьками, получаемыми при электролизе воды называют электрофлотацией. Использование электролиза для получения газовых пузырьков при очистке сточных вод флотацией по сравнению с другими способами аэрации имеет следующие существенные преимущества: − высокая степень дисперсности газовых пузырьков и относительная чистота их поверхности, что обеспечивает эффективность прилипания пузырьков к взвешенным частицам; − возможность плавного регулирования скорости процесса путем изменения степени насыщения жидкости пузырьками газа в широких пределах; − отсутствие вращающихся частей в электрофлотационных аппаратах (что гарантирует надежность их работы), интенсивного перемешивания обрабатываемой жидкости и перетирания содержащихся в ней взвешенных частиц; 69 − возможность флотации раздельно пузырьками водорода пузырьками кислорода, что в первом случае гарантирует отсутствие процессов окисления в обрабатываемой жидкости, а во втором, наоборот, их повышенную активность; − простота изготовления электрофлотационного аппарата и несложность его обслуживания. При электролизе выделяются чрезвычайно тонко диспергированные газы. Если во флотаторах механического типа средний диаметр образующихся газовых пузырьков составляет 0,8–0,9 мм, в пневматических флотаторах – в среднем 2 мм, а при вакуумной и напорной флотации 0,1–0,5 мм, то в электрофлотаторах образуются пузырьки с размерами менее 100 мкм. В зависимости от условий электролиза можно получать пузырьки диаметром до 8–15 мкм, что недостижимо при других методах флотации. Кроме того, пузырьки электролизных газов однородны по размерам, обладают малой склонностью к коалесценции после отрыва от электродов и сохраняют в течение времени пребывания в жидкости постоянные диаметры. Размер пузырьков газа определяется природой и формой электродов, а также условиями проведения электролиза (плотностью тока, температурой и др.). Принципиально распределение электролиз пузырьков диспергирование газа высокодисперсной позволяет газа по обеспечивает газовой фазы, получить заранее размерам. Электролитическое также что получение позволяет заданное наиболее использовать электрофлотаторы для очистки воды от устойчивых коллоидных загрязнителей. Электрофлотационные установки различаются: 1. По направлению движения воды и флотирующих газов: − противоточные; − прямоточные. 2. По расположению электродов: − горизонтальные; − вертикальные. 3. По числу камер: 70 − однокамерные; − многокамерные. 4. По форме электрода: − пластина; − проволочная сетка. 5. По материалу электрода: − растворимый; − не растворимый. Электрофлотационная установка В электрофлотационных установках для проведения процесса флотации используют газообразные продукты − водород и кислород, выделяющиеся на электродах при электролизе обрабатываемой воды. На катоде происходит разряд молекул воды с образованием водорода: 2Н20 + 2е →Н2 +20ННа аноде процесс окисления сопровождается выделением кислорода: 2Н20→02+4Н++2е Принцип действия Электрофлотационный аппарат представляет собой сосуд, внутри которого установлены электроды. Конструктивно электрофлотаторы (рис. 7.1) выполняются в виде прямоугольной емкости с флотокамерой 3, в которую через карман 4 поступает осветляемая суспензия или эмульсия. Отфлотировавшиеся твердые или жидкие частицы собираются в пенном слое вверхней части камеры 3 и удаляются из нее гребковым устройством 5. Осветленная жидкость, пройдя через камеру 8 дополнительной очистки, удаляется из флотатора через карман 7 и сливной штуцер 6. Основными элементами флотатора являются плоские электроды, размещенные на наклонном днище камеры 3. На них подается напряжение не более 20 В. Положительно заряженный электрод (анод) 1 выполняется в виде сплошной пластины из графита, уложенной на дно камеры 3. Отрицательно заряженный электрод (катод) 2, изготавливаемый обычно из коррозионностойкой стальной сетки с проволочками диаметрами менее 0,3 мм, устанавливается над анодом. 71 Рис. 7.1. Электрофлотатор В процессе электролиза на аноде выделяются пузырьки кислорода, а на катоде – водорода. Наклонное расположение электродов должно обеспечить, во-первых, удаление больших газовых пузырьков, образующихся в межэлектродном пространстве, во-вторых, удаление из межэлектродного пространства осаждающихся частиц примесей. Благодаря наклону создаются условия для свободного скольжения осадка по поверхности электродов. На рис. 7.2 (а, б, в) приведены возможные схемы расположения электродов. Рис. 7.2. Возможные схемы расположения электродов в электрофлотаторах На схеме «а» анод 3 расположен вертикально, а катод 4 горизонтально, на схеме «б» оба электрода расположены горизонтально, на схеме «в» электроды расположены попарно вертикально. Исходные сточные воды из приемника 1 поступают во флотокамеру 6. Частицы загрязнений закрепляются на пузырьках газов, выделяющихся на электродах 3 и 4, и выносятся на поверхность 72 флотокамеры, где образуется пена 2, удаляемая в пеносборник. Очищенная сточная вода выводится через устройство 5. Электрокоагуляционно-флотационная установка При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых) на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей. Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных условиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия для надежного закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязнений, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки называются электрокоагуляционнофлотационными. При пропускной способности до 10−15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способности − двухкамерными горизонтального или вертикального типа. Таблица 7.1 Сравнение эффективности электрофлотации и электрокоагуляции Параметр Электрокоагулятор Электрофлотатор Энергозатраты, кВт ч/м3 1−1,5 0,1−0,5 Степень очистки, % 80−95 95−99,5 Вторичное загрязнения воды Fe 1 мг/л Al 0,5−1 мг/л Отсутствует Вторичное загрязнение твердых отходов (ионы тяжелых металлов) 30% (Cu, Ni, Zn, Cr) Отсутствует Режим эксплуатации Периодический Непрерывный Расход материалов и реагентов Fe и/или Al − анод (5−10 Fe, Al–анод (15−30 дней) дней) Ti − анод (5−10 лет) Производительность, м3/ч Осадок гальванического шлама до 5 Пульпа 99% влажности 73 от 1 до 90 Пенный продукт 94−96% влажности Рис. 7.3. Горизонтальный электрофлотатор: 1 – впускная камера; 2 – решетка − успокоитель; 3 – электродная система; 4 – механизм для сгребания пены; 5 – пеносборник; 6 – опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка; I – подача сточной воды; II – отвод обработанной сточной воды; III – отвод пенного шлама Принцип действия Сточная вода поступает в успокоитель, который отделен от электродного отделения решеткой. Проходя через межэлектродное пространство, вода насыщается пузырьками газа. Всплывание пузырьков с частицами происходит в отстойной части. Всплывший шлам перемещается скребком в шламоприемник, откуда его удаляют. Расчет установки сводится к определению общего объема электродного отделения и отстойной части, а также необходимых конструктивных и электрических параметров. Расчет электрофлотационной установки 1. Число электродов, располагаемых в каждой камере: (7.1) где δ = 8 мм – толщина пластин; A – ширина флотационной камеры (А = 2 м при Q′<90 м3/ч, А = 2,5 м при Q′ ≥ 90, где Q′ расход сточных вод на одну камеру, м3/ч: Q′ = Q/nк); a – величина зазора между крайними пластинами и стенками камеры (а = 100 мм); c – величина зазора между пластинами (c = 20 мм). 2. Площадь пластин электродов, м2: 74 (7.2) где Fa.э – активная поверхность электродов, м2: (7.3) где Е – удельное количество электричества, А∙ч/м2; i – плотность тока на электродах, А/м2. 3. Длина электродной пластины, м: (7.4) где hэ − высота пластин. 4. Длина электродной камеры, м: (7.5) 5. Объем электродной камеры, м3: (7.6) где − рабочая высота электродной камеры, м: (7.7) где h1 – высота осветленного слоя; h2 − высота защитного слоя; h3 − слой шлама. 6. Объем флотационной камеры, м3: (7.8) где tф − продолжительность флотации. 7. Длина флотационной камеры, м: (7.9) 8. Общий объем электрофлотационной установки, м3: 75 (7.10) 9. Количество материала электрода переходящего в 1м3 раствора ( ): (7.11) где − коэффициент выхода по току; ЭЕ – электрохимический эквивалент, г/А·ч. 10. Срок службы электродной системы, сут.: (7.12) где М – масса металла электродов, растворяемая при электролизе, кг: (7.13) где ρ – плотность металла электродов, кг/м3; К2 – коэффициент использования материала электродов. 11. Мощность, потребляемая в камере, кВт: (7.14) где U – напряжение на выходе выпрямителя, В; N – количество секций в установке (N = 2); I – сила тока, протекающая в установке, А (I = i∙Fэ). 12. Удельный расход электроэнергии для камеры, КВт∙ч/м3: (7.15) Задание Рассчитать электрофлотационную установку, состоящую из двух секций и работающую по схеме «электрокоагуляция − флотация» с одинаковым временем пребывания сточных вод предприятия на каждой стадии очистки. Используя данные таблицы 7.1 сделать вывод о целесообразности применения установки в производстве. 76 Таблица 7.2 № п/п Вариант Параметры 1 2 3 4 5 6 1 Предприятие МК МК МФ МФ КЗ КЗ 2 nk 2 1 2 1 2 1 3 Q, м3/ч 110 90 100 85 115 95 4 h1, м 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 5 h2, м 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 6 h3, м 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 0,45 7 U, В 30 30 30 30 30 30 8 hэ, м 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 1,15 9 tф, ч 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 10 ЭЕ, г/А·ч 0,336 0,695 0,336 0,695 0,336 0,695 11 ρ, кг/м3 2700 7874 2700 7874 2700 7874 12 К1 0,6 0,7 0,6 0,7 0,6 0,7 13 К2 0,85 0,9 0,85 0,9 0,85 0,9 Таблица 7.3 Сточные воды предприятий Варианты Сточные воды Е, А·ч/м3 i, мA/см2 1 Мясокомбинат (МК) 200 15 2 Мясокомбинат (МК) 200 20 3 Меховая фабрика (МФ) 200 7 4 Меховая фабрика (МФ) 200 10 5 Кожевенный завод (КЗ) 300 7 6 Кожевенный завод (КЗ) 300 10 Контрольные вопросы: 1. Что такое электрофлотация? 2. Какова суть электрофлотационного метода очистки сточных вод? 3. Какие бывают виды электрофлотационных установок? 4. Какие основные элементы электрофлотационной установки? 77 8. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ. РАСЧЕТ КАМЕР ХЛОПЬЕОБРАЗОВАНИЯ Составители: Л.П. Сидорова, Ю.А. Ялаева Введение Коагуляция − это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Коагуляция ведет к выпадению из коллоидного раствора хлопьевидного осадка. При использовании в качестве коагулянтов солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные, мелкодисперсные и коллоидные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок. Флокуляция – вид коагуляции, при котором мелкие частицы, находящиеся во взвешанном состояннии в жидкой или газообразной среде, образуют рыхлые хлопьевидные скопления. Механизм действия флокулянтов заключается в образовании ими с дисперсными частицами трехмерных структур, способных к более быстрому формированию флокул, обладающих хорошими седиментационными свойствами. Основные флокулянты: крахмал, декстрин, желатин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы, полиакриламид, полиэтиленоксид, натриевые соли и эфиры полиакриловой и полиметакриловой кислот. Сооружения для коагулирования сточных вод Процесс хлопьеобразования осуществляют в сооружениях смешения. По виду движения потока камеры хлопьеобразования могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием. 78 Перегородчатые камеры хлопьеобразования При применении горизонтальных отстойников рекомендуются перегородчатые камеры хлопьеобразования (рис. 8.1). В таких камерах устраивается ряд перегородок, заставляющих воду изменять направление движения в вертикальной, или в горизонтальной плоскости, что обеспечивает необходимое перемешивание. а) б) Рис. 8.1: а − перегородчатая камера хлопьеобразования с вертикальной циркуляцией воды; б − перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальной циркуляцией воды Водоворотные камеры хлопьеобразования Водоворотные камеры хлопьеобразования обычно имеют вид вертикального цилиндра, куда впускается вода после смесителя. Вода, смешанная с реагентами, поступает в камеру по трубопроводу, который на конце снабжен насадками (соплами). Насадки поставлены так, что вода, выходя из них с большой скоростью, приобретает внутри камеры вращательное (водоворотное) движение, обеспечивающее перемешивание. Чаще всего такая 79 водоворотная камера (рис. 8.2) устраивается в виде трубы, расположенной в центре вертикального отстойника. Рис. 8.2. Водоворотная камера хлопьеобразования, совмещенная с вертикальным отстойником Вертикальные отстойники применяют только на водоочистных станциях производительностью не более 3000 м3/сут. При большей производительности станций предпочтительнее осветлители со взвешенным осадком, которые наряду с другими преимуществами не требуют устройства камер хлопьеобразования. Вихревые камеры хлопьеобразования Вихревая камера хлопьеобразования (рис. 8.3) имеет форму обратной пирамиды или конуса с углом между его стенками 30−45°, верхняя надставка − с вертикальными стенками. Скорость движения воды по трубопроводу, подающему ее от смесителя к камере хлопьеобразования, должна быть 0,8−1 м/сек, а при входе в нижнюю часть камеры 0,7 м/сек. Скорость восходящего потока на выходе из камеры (в верхней ее части) = 4−5 мм/сек. Процесс хлопьеобразования в вихревой камере заканчивается за 6−10 минут, т. е. значительно быстрее, чем в камерах других типов. 80 Рис. 8.3. Вихревая камера хлопьеобразования Из камеры хлопьеобразования вода должна отводиться в отстойники так, чтобы не разрушались сформировавшиеся хлопья. Для этого скорость движения воды в сборных лотках, трубах и отверстиях распределительных перегородок должна быть не более 0,3 м/сек Расчет перегородчатой камеры хлопьеобразования с вертикальной циркуляцией воды 1. Объем W камеры, м3: (8.1) где Q − расход воды, м3/ч; T – время пребывания воды в камере, мин. 2. Площадь F камеры, м2: (8.2) где H – высота камеры хлопьеобразования, м. 3. Площадь f одной ячейки камеры, м2: (8.3) где v – скорость движения воды в камере, м/сек; Q − расход воды, м3/ч. 81 4. Число ячеек n в камере: (8.4) В каждом ряду по ширине камеры размещается по k ячеек, а по длине камеры располагается в каждом ряду 11 ячеек: (8.5) 5. Общее число поворотов m потока в камере: (8.6) 6. Размеры каждой квадратной ячейки: a) площадь ячейки м2 (8.7) b) сторона ячейки ,м (8.8) 7. Полная ширина В и длина L камеры: (8.9) (8.10) 8. Действительная скорость движения воды v1 в камере, м/сек: (8.11) где − фактическая толщина перегородок равная 0,72 м2; Q − расход воды, м3/ч. 9. Потеря напора в камере, м: (8.12) Расчет перегородчатой камеры хлопьеобразования с горизонтальной циркуляцией воды 1. Объем W камеры, формула (8.1). 2. Площадь F камеры, формула (8.2). 82 3. Ширина b коридора камеры, м: (8.13) где v – скорость движения воды, равная 0,2 м/сек. Так как камера хлопьеобразования примыкает к торцовым стенкам горизонтальных отстойников, то по условиям компоновки станции надо принять длину камеры L равной суммарной ширине горизонтальных отстойников. 4. Число коридоров камеры: (8.14) где = 0,18 м – толщина железобетонных стенок камеры. 5. Количество поворотов потока m: (8.15) 6. Ширина B камеры хлопьеобразования, м: (8.16) 7. Потеря напора в перегородчатой камере хлопьеобразования, м: (8.17) Расчет водоворотной камеры хлопьеобразования, совмещенной с вертикальным отстойником 1. Площадь одной водоворотной камеры, м2: (8.18) где q – расчетной расход воды, м3/ч; T – время пребывания воды в камере хлопьеобразования отстойника); Н – высота камеры, м, ( , где – высота зоны осаждения вертикального N – расчетное число вертикальных отстойников. 83 2. Диаметр водоворотной камеры хлопьеобразования, м: (8.19) 3. Расход воды, поступающей в камеру, м3/сек. (8.20) где q − расход воды, м3/ч. Подача воды в камеру производится с помощью сопла, направленного тангенциально. Сопло размещается на расстоянии 4. Диаметр сопла м от стенки камеры. , м: (8.21) где − скорость выхода воды из сопла, м/сек; =0,908 – коэффициент расхода (для конически сходящегося насадка с углом конусности ). 5. Длина сопла , м: (8.22) 6. Фактическая скорость выхода воды из сопла, м/сек: (8.23) 7. Потеря напора в сопле, м: (8.24) Расчет вихревой камеры хлопьеобразования 1. Объем камеры хлопьеобразования, м3: 84 (8.25) где q – заданная производительность камеры, м3/ч; t – продолжительность пребывания воды в камере, мин. 2. Площадь поперечного сечения верхней части камеры, м2: (8.26) где − скорость восходящего движения воды в верхней части камеры, м/ч. 3. Диаметр верхней части камеры, м: (8.27) 4. Диаметр нижней части камеры хлопьеобразования м: (8.28) где − скорость входа воды ( м/сек); − производительность камеры q, м3/сек. 5. Высота конической части камеры хлопьеобразования, м: (8.29) где – угол конусности. 6. Потери напора в вихревой камере хлопьеобразования составляют 0,3 м. вод. ст. на 1 м высоты конуса; (8.30) 7. Объем конической части камеры, м3: 85 (8.31) где – площадь поперечного сечения верхней и нижней части камеры соответственно, м2; м2. 8. Объем цилиндрической надставки над конусом, м3: (8.32) 9. Высота цилиндрической надставки, м: (8.33) 10. Полная высота вихревой камеры, м: (8.34) Задание В соответствии со своим вариантом рассчитать: − перегородчатые камеры хлопьеобразования с вертикальной и горизонтальной циркуляцией воды; сравнить величину потери напора в той и другой камере; − водоворотные камеры хлопьеобразования; − вихревые камеры хлопьеобразования. Таблица 8.1 Исходные данные для расчета перегородчатой камеры хлопьеобразования с вертикальной циркуляцией воды Параметры Q, м3/сут T, мин H, м v, м/сек , м2 I 15000 20 3,5 0,2 0,72 II 20880 25 3,7 0,27 0,72 86 III 23040 26,4 4 0,22 0,72 Таблица 8.2 Исходные данные для расчета перегородчатой камеры хлопьеобразования с горизонтальной циркуляцией воды Параметры Q, м3/сут T, мин H, м L, м v, м/сек I 48000 20 2,6 14 0,2 II 60000 25 3 13 0,2 III 50400 27 2 15 0,19 Таблица 8.3 Исходные данные для расчета водоворотной камеры хлопьеобразования Параметры q, м3/сут T, мин H0, м N vc, м/сек I 3000 15 4 4 2,5 II 2400 17 4,5 5 2,7 III 2700 20 5 3 3 Таблица 7.4 Исходные данные для расчета вихревой камеры хлопьеобразования Параметры q, м3/ч t, мин Vв, мм/сек , угол I 200 8 5 40 II 150 10 4 30 III 250 7 4,5 45 конусности Контрольные вопросы: 1. Что такое коагуляция? 2. Какими по виду движения потока могут быть камеры хлопьеобразования? 3. За счет чего обеспечивается необходимое перемешивание в перегородчатых камерах хлопьеобразования? 4. Какая должна быть скорость движения воды по трубопроводу при входе в нижнюю часть камеры? 87 9. БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ МЕТАНТЕНКА ПРИ ТЕРМОФИЛЬНОМ СБРАЖИВАНИИ Составители: Л.П. Сидорова, А.Ф. Акашкина Введение Потребляя чистую воду, человек возвращает её в природу в виде стоков. Загрязнение вод – это изменение состава или свойств вод, вызванное прямым или косвенным влиянием производственной и бытовой деятельности человека, в результате чего они становятся непригодными для пользования. Современные технологии очистки производственных и природных вод должны отвечать нормативным требованиям отечественных стандартов (ПДК) и, согласно международной конвенции и соглашению с Европейским союзом (ЕС), включают также и требования по экологической безопасности по воде с учётом наилучших доступных технологий по оборудованию. Это отражено в Федеральном законе «О техническом регулировании». Основными загрязнителями производственных вод являются органические соединения, нефтепродукты, соли тяжелых металлов, а также соединения азота, сульфаты, хлориды, цианиды и др. В настоящее время, благодаря достижениям технического прогресса, проблема водоотведения и очистки коммунальных стоков реализована на высоком уровне. Современные очистные сооружения обеспечивают высокую степень защиты окружающей среды. Пример технологической схемы очистных сооружений представлен на рис. 9.1. Подача стоков на площадку осуществляется насосными станциями, где стоки подвергаются грубой механической очистке при пропуске через решетки. Затем стоки насосными агрегатами перекачиваются в приемные камеры очистных сооружений, а далее поступают в песколовки, где осаждаются минеральные примеси. Выпавший осадок из песколовок вывозится на песковые площадки. Затем стоки поступают в первичные отстойники, где в процессе отстаивания из них выделяется наиболее тяжелая и крупная взвесь. Сырой осадок откачивается в илоуплотнители. Осветленная вода из первичных 88 отстойников поступает в аэротенки, где процесс очистки осуществляется активным илом с непрерывной подачей воздуха. Рис. 9.1. Технологическая схема очистных сооружений Иловая смесь из аэротенков поступает для разделения во вторичные отстойники, часть ила возвращается в аэротенки, а избыточная часть – в илоуплотнители. Сточная вода из вторичных отстойников поступает в хлораторную, где чаще всего для обеззараживания используют сжиженный хлор. Из илоуплотнителей активный ил поступает в метантенки (дегильминизаторы), где происходит обработка осадка при температуре 30–35 °С или 50–55 °C в зависимости от выбранного режима сбраживания. Затем осадок откачивается на иловые поля и после подсыхания осадка он вывозится на отвалы. Одной из главных проблем при очистке сточных вод является процесс переработки и обезвреживания образующегося осадка, а также дальнейшее его использование. Ранее существовавшие оборудование для обработки осадка морально и физически устарело, поэтому неизбежным направлением развития 89 технического прогресса в водоочистке является строительство новых сооружений для обработки осадков. Одним из самых перспективных сооружений для обработки осадка является метантенк. Метантенк (от англ. methane – метан и англ. tank – резервуар) – устройство для анаэробного брожения жидких органических отходов с получением метана. Конструктивно метантенк представляет собой цилиндрический или реже прямоугольный резервуар, который может быть полностью или частично заглублен в землю. Днище метантенка имеет значительный уклон к центру. Кровля метантенка может быть жесткая или плавающая. В метантенках с плавающей кровлей снижается опасность повышения давления во внутреннем объеме. Стенки и днище метантенка выполняются, как правило, из железобетона. Рис. 9.2. Метантенк: 1−смеситель; 2−нагреватель Принцип действия метантенка Сверху по трубе в метантенк поступает осадок и активный ил. В метантенке ил и осадок подогревается, для ускорения процесса брожения, и постоянно перемешивается. Подогрев осуществляют водяным или паровым радиатором. В условиях отсутствия кислорода из органических веществ (жиров, 90 белков и т.д.) образуются жирные кислоты, из которых при дальнейшем брожении образуется метан и углекислый газ. Сброженный ил высокой влажности удалятся из нижней части метантенка, и направляется на иловые площадки. Образовавшийся газ, отводится через трубы в кровле метантенка. Для транспортирования газа из метантенков прокладывают специальную газовую сеть. Вследствие того, что газ поступает из сооружения неравномерно, целесообразно на тупиковых концах сети устраивать аккумулирующие газгольдеры, которые выравнивают давление газа в сети. Газгольдер состоит из резервуара, и горловины. Резервуар заполненный водой, погружен в землю, а горловина выходит на поверхность. На горловине находятся элементы газового оборудования (клапаны, газовая арматура, манометр и пр.). Из газгольдера газ поступает в газовую сеть. Рис. 9.3. Газгольдер: 1 − резервуар; 2 − горловина Газовую сеть из стальных труб на сварке с усиленной и противокоррозионной изоляцией укладывают ниже глубины промерзания (но не менее 0,9 м) или утепляют (при прокладке по поверхности земли). Метантенки работают в периодическом режиме загрузки отходов или сточных вод с постоянным отбором биогаза и выгрузкой твердого осадка после завершения процесса. В целом, активное использование метаногенеза при сбраживании органических отходов – один из перспективных путей совместного решения энергетических и экологических проблем. 91 При брожении в метантенках из одного кубометра твердой фазы сточной жидкости образуется от 10 до 18 м3 газа, который в среднем содержит 63−65 % метана, 32−34 % СО2. Метан образуется в результате восстановления СО2 или метальной группы уксусной кислоты: 4АН2 + СО2 → 4 А + СН4 + 2Н2О где АН2 – органическое вещество, служащее для метанообразующих бактерий донором водорода. Обычно это жирные кислоты (кроме уксусной) и спирты (кроме метилового). Многие виды метанообразующих бактерий окисляют молекулярный водород, образующийся в кислой фазе. Тогда реакция метанобразования имеет вид: 4Н2 + СО2 → СН4 + 2Н2О + энергия Теплотворная способность газа 23 МДж/кг. Его сжигают в топках паровых котлов. Пар используют для нагрева осадков в метантенках или для других целей. Осадок твердой фазы, не разрушенной при брожении, содержат минеральные и органические вещества, необходимые для нормального развития растений, поэтому его можно использовать как удобрение. Кроме того сброженный осадок используют в виде топлива. Для этого его подсушивают на иловых площадках, а затем формуют в топливные брикеты. Процессы сбраживания осадка ведут в: − мезофильных (30–35 °C) условиях; − термофильных (50–55 °C) условиях. В мезофильных условиях при температуре 30–35 °C сбраживание выполняет только функцию стабилизации, потому что за 15–25 дней нахождения ила при такой температуре погибает основная часть патогенных микроорганизмов и яиц. Наиболее интенсивно процессы распада протекают в термофильных условиях. Термофильные микроорганизмы имеют весьма энергичный обмен веществ, процессы осмотического всасывания и удаления ненужных веществ из 92 клеток протекает быстрее (необходимое время нахождения ила всего 8 – 10 дней). При термофильном брожении распад органического вещества достигает 55–65 %. Кроме того, в этих условиях происходит полное отмирание патогенной микрофлоры кишечной группы. С экономической точки зрения самым значительным недостатком термофильного технологического способа брожения является потребность в тепловой энергии. Количество тепла, получаемого при сжигании газа, образующегося в метантенках, недостаточно для поддержания термофильного процесса в них. Эту тепловую энергию нужно будет выплачивать в качестве эксплуатационных расходов ежедневно. Несмотря на все эксплуатационные затраты, именно термофильный процесс сбраживания является наиболее перспективным для обработки осадка на данный момент. Расчет метантенка при термофильном сбраживании Сбраживание происходит при температуре 50–55 °С. Параметры метантенка. 1. Расчетный объем метантенков, м3: (9.1) где Dmt − суточная доза загружаемой в метантенк смеси при влажности 95 % (Dmt = 17 %) 2. Фактическая доза загрузки, %: (9.2) где Vф – полезный объем, равный 6000 м3. 3. Распад беззольного вещества, %: (9.3) где асм – предел сбраживания беззольного вещества загружаемого осадка, %; 93 K – коэффициент, зависящий от влажности осадка и режима сбраживания, равный 0,31 %. Выход газа из метантенков 1. Удельный выход газа, м3/кг: (9.4) где ρ − плотность газа (ρ = 1 кг/м3). 2. Суммарный выход газа, м3/сут: (9.5) 3. Съем газа с одного метантенка в сутки, м3/сут: (9.6) Определение размеров газгольдера 1. Объем газгольдера, м3: (9.7) где τ – часовой выход газа, равный 2,5 ч. Для хранения газа предусмотрены газгольдеры, вместимость которых принимается равной 2–4-х часовому выходу газа. Принимаем 2 газгольдера емкостью 3000 м3 и диаметром 21050 мм. 2. Площадь живого сечения горловины, м2: (9.8) где Qг – пропускная способность 1м2 горловины в м3/сут, принимаем равным 700 м3/сут м2. 3. Диаметр горловины, м: (9.9) Тепловой расчет 1. Расход тепла на обогрев свежего осадка, кДж/сут: 94 (9.10) где P – коэффициент, учитывающий потери тепла через стенки, днище и перекрытие метантенков (при емкости Vмт более 1100 м3, P = 0,10); Ст – теплоемкость осадка, 4,19 кДж/(кг ⋅ К); tсб – температура в метантенке, °С; tвх – температура поступающего осадка, °С. 2. Количество тепла, выделяемого при сжигании газа при теплопроводной способности газа 5000 ккал/м3 , ккал/сут: (9.11) Задание В соответствии со своим вариантом (табл. 9.1) необходимо выполнить расчет метантенка при термофильном сбраживании: – определить параметры метантенка, выход газа и размеры газгольдера; – провести тепловой расчет. Таблица 9.1 Исходные данные № п/п Варианты Параметры 1 2 3 4 5 3 6 8 5 7 48,8 48,8 48,8 48,8 48,8 Мбез, т/сут. 89,21 99,5 92,55 111,7 121,4 Мобщ, т/сут. 2629 2645 2635 2549 2709 35 31 45 41 55 71 25 21 15 n, шт 1 2 2 acм,% 3 3 4 4 5 Температура в метантенке: 5 tсб (°С ) tвх (°С ) 95 51 n – число метантенков; acм – предел сбраживания, %; Мбез – расход осадков по беззольному веществу, т/сут; Мобщ – общий расход по объему смеси фактической влажности, т/сут; tсб – температура в метантенке, °С; tвх – температура поступающего осадка, °С. Контрольные вопросы: 1. Что такое метантенк? 2. Принцип работы метантенка? 3. Способы интенсификации брожения в метантенке? 4. Для чего используют газгольдеры? 5. Для чего используют продукты, выделяющиеся в процессе брожения жидких органических отходов? 6. В чем отличия мезофильного и термофильного условий сбраживания? 96 10. БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД. РАСЧЕТ БИОФИЛЬТРОВ Составители: Л.П. Сидорова, Е.В. Спиридонова Введение Состав сточных вод колеблется в значительных пределах, что вызывает необходимость тщательного обоснования выбора надежного и эффективного метода очистки. Очистка сточных вод − это разрушение или удаление из них определенных загрязняющих веществ. Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК. БПК − это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ за определенный промежуток времени (сут), в мг О 2 на 1 мг вещества. ХПК − химическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражается в мг О 2 на 1 мг вещества. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит− и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или окисляются очень медленно. Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют главным образом для обезвреживания осадков. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20−40 °С. При изменении кислородного и температурного режима состав и число микроорганизмов меняются. Аэробные процессы биохимической очистки 97 могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах. Биофильтр – это сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Биофильтр состоит из следующих частей (рис. 9.1): − фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар круглой или прямоугольной формы в плане (тело биофильтра); − водораспределительного устройства для равномерного орошения сточной водой поверхности загрузки; − дренажного устройства для удаления профильтрованной жидкости; − воздухораспределительного устройства для поступления воздуха внутрь биофильтра. Рис. 10.1. Разрез биофильтра: 1 − подача сточной воды; 2 − водораспределительное устройство; 3 − фильтрующая загрузка; 4 − дренажное устройство; 5 − очищенная сточная вода; 6 − воздухораспределительное устройство Проходя через загрузочный материал, загрязненная вода оставляет на нем нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества. Последние сорбируются биопленкой, покрывающей поверхность загрузочного материала. Микроорганизмы, образующие биопленку, окисляют органические вещества, 98 используя их как источник питания и энергии. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, и в то же время увеличивается масса активной биопленки в теле биофильтра. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра, после чего отделяется от очищенной воды во вторичных отстойниках. Необходимый кислород может поступать в толщу загрузки естественной и искусственной вентиляцией. По конструктивным особенностям загрузочного материала все существующие биофильтры делятся на биофильтры с объемной и плоскостной загрузкой, и погружные биофильтры: Биофильтры с объемной загрузкой делятся на капельные и высоконагружаемые. Капельные фильтры Эти биофильтры можно рекомендовать при расходах сточных вод до 1000 м3/сут. Сточная вода в них подается в виде капель или струй; естественная вентиляция воздуха происходит через открытую поверхность биофильтра и дренаж; высота загрузки биофильтра – 1−2 м, материал загрузки – щебень, гравий и галька крупностью 20−30 мм. Высоконагружаемые фильтры Такие фильтры применяются для очистных сооружений с производительностью до 30–50 тыс. м3/сут. Конструктивными отличиями высоконагружаемых биофильтров являются большая высота слоя загрузки (2−4 м), большая крупность ее фракций (40 до 60 мм.) и особая конструкция днища и дренажа, обеспечивающая возможность искусственной продувки материала загрузки воздухом. Применяют для полной и неполной биологической очистки на станциях производительностью до 50000 м3/сут) и башенные (имеют высоту 8−16 м; крупность зерен загрузки – 60−80 мм. Биофильтры с плоскостной загрузкой имеют малую энергоемкость, надежны в эксплуатации, не подвержены заилению. В качестве загрузки используют блочные, засыпные и рулонные материалы из пластических масс, 99 металла, асбестоцемента, керамики, стекла, дерева, тканей и др. Имеют высоту загрузочного слоя 3−8 м, плотность загрузки 10−250 кг/м3, удельную площадь поверхности 60−250 м2/м3. Погружные биофильтры представляют собой комбинированные сооружения для биологической очистки сточных вод, имеющие признаки биофильтров и аэротенков. По виду пространственных конструкций погружные биофильтры подразделяются на дисковые, шнековые, трубчатые, барабанные. Погружные биофильтры применяются для полной и неполной биологической очистки бытовых и производственных сточных вод с расходами от 1 м3/сут до 150 тыс. м3/сут. Дисковые биофильтры представляют собой, как правило, резервуары с днищем вогнутой формы, заполненные сточной водой. Вдоль резервуара, несколько выше уровня обрабатываемой сточной жидкости, установлен вал, на котором насажены пластмассовые, асбестоцементные или металлические диски диаметром 0,6−3 м, собираемые в пакеты по 30−180 штук. Расстояние между дисками составляет 10−20 мм, частота вращения вала с дисками 1−40 об/мин. На поверхности дисков образуется биопленка, похожая по видовому составу с биопленкой биофильтров. На погруженной в стоки части диска происходит сорбция загрязнений из жидкости, затем при повороте диска эти загрязнения окисляются на воздухе. Часть биопленки отрывается от поверхности и находится в обрабатываемой жидкости во взвешенном состоянии аналогично хлопьям активного ила. Поэтому процессы окисления осуществляются как биопленкой, так и активным илом. Расчет биофильтров 1. В зависимости от БПК5 поступающей L1 и очищенной L2 сточной воды, а также от среднезимней температуры сточной воды Т по графикам на рис.10.2. находится допустимая нагрузка по БПК5 на 1 м2 площади поверхности дисков в сутки Mdf и температурный коэффициент kT (при T ≥ 20 °С коэффициент kT=1). 100 а) б) Рис. 10.2. Графики для расчета дисковых погружных биофильтров: а) – зависимость допустимой нагрузки по БПК5 на 1 м2 площади поверхности дисков в сутки Mdf от поступающей L1 и очищенной L2 сточной воды; б) – зависимость температурного коэффициента kT от нагрузки Mdf и среднезимней температуры Т 1 – при L1=100÷200 мг/л; 2 – при L1=200÷300 мг/л; 3 – при L1=300÷400 мг/л; 4 – при L1=400÷500 мг/л; 5 – при Т=7 °С; 6 – при Т=10 °С; 7 – при Т=13 °С; 8 – при Т=16 °С. Mdf =16,67 г/(м3∙сут) kT=0,975 2. Общая площадь поверхности дисков, м2: (10.1) 3. Рабочая поверхность диска с обеих сторон, м2: (10.2) где – диаметр дисков. 4. Необходимое количество дисков биофильтра: (10.3) 5. Число дисков в одной ступени: 101 (10.4) 6. Ширина секции, м: (10.5) где δ1 – толщина диска, зависит от материала, м; δ2 – расстояние между дисками, (принимается равным 0,015−0,03 м), м. 7. Длина секции, м: (10.6) 8. Рабочая глубина секции, м: (10.7) Задание Рассчитать погружной дисковый биофильтр. Исходные данные: Q = 800 м3/сут − суточный расход сточных вод; L1 = 210 мг/л − БПК5 поступающей сточной воды; L2 = 20 мг/л − БПК5 очищенной сточной воды; Т = 10 °С − температура сточной воды; D = 2 м – диаметр биофильтра (для биофильтров круглой формы). Материал дисков − полистирол толщиной δ1 = 0,01м, расстояние между дисками δ2 = 0,015м. Считается, что биофильтр состоит из 2 секций (ns) по 8 ступеней (nss) в каждой секции. Контрольные вопросы: 1. Какие воды называются сточными? 2. К каким методам очистки относится биохимический метод? 3. Дайте определение БПК и ХПК. Как эти показатели характеризуют сточные воды? 4. Чем отличаются аэробные и анаэробные методы биохимической очистки? 5. Чем различаются биофильтры по конструктивным особенностям? 102 11. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА. РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ Составители: Л.П. Сидорова, А.В. Арсланова Введение Гальванотехника – одно из производств, серьезно влияющих на загрязнение окружающей среды, в частности ионами тяжелых металлов, наиболее опасных для биосферы. Главным поставщиком токсикантов в гальванике (в то же время и основным потребителем воды и главным источником сточных вод) являются промывные воды. Объем сточных вод очень велик из-за несовершенного способа промывки деталей, который требует большого расхода воды (до 2 м3 и более на 1 м2 поверхности деталей). В гальваническом цехе, находящемся на рассматриваемой площадке в процессе гальванопокрытия деталей и в подготовительных операциях выполняются: 1) обезжиривание и травление в растворах щелочей и кислот; 2) электрохимическое цинкование; 3) меднение; 4) кадмирование; 5) никелирование; 6) хромирование. Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решить ряд задач, среди которых важное место занимает защита металлов от коррозии. Гальванические покрытия применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости, износостойкости, высокой отражательной способности, улучшенных антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности и для улучшения внешнего вида деталей. Очистные сооружения предприятия предназначены для очистки сточных вод гальванического цеха, в которых содержатся вещества, вредно влияющие на организм человека: хром, медь, кадмий. 103 Реагенты (серная кислота, гидроокись натрия, хлорид натрия) применяемые для очистки сточных вод, также могут оказать вредное воздействие на организм человека. Из известного большого количества методов извлечения цветных металлов из сточных вод гальванического производства наиболее часто используются сорбционные методы или комбинированные методы, например, в случае очистки хромсодержащих сточных вод. Сорбционные методы являются наиболее распространенными для выделения тяжелых металлов из сточных вод гальванопроизводства. Их можно условно поделить на три разновидности: 1) сорбция на активированном угле (адсорбционный обмен); 2) сорбция на ионитах (ионный обмен); 3) комбинированный метод. Адсорбционный метод является одним из эффективных методов извлечения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства. В качестве сорбентов используются активированные угли, синтетические сорбенты, отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.). Минеральные сорбенты − глины, силикагели, алюмогели и гидроксиды металлов для адсорбции хрома из сточных вод используются мало, так как энергия взаимодействия их с молекулами воды велика − иногда превышает энергию адсорбции. Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли, однако они должны обладать определенными свойствами. Процесс адсорбционного извлечения шестивалентного хрома из сточных вод ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с раствором, при фильтровании раствора через слой адсорбента или в псевдосжиженном слое на установках периодического и непрерывного действия. При смешивании адсорбента с раствором используют активированный уголь в виде частиц диаметром 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней. 104 Известен способ адсорбции хрома из сточных вод при использовании твердого лигнина. Установили, что процесс сорбции зависит от рН раствора и дозы лигнина. Оптимальное время контакта раствора с лигнином составляет 1 час. В качестве сорбента в основном используется активированный уголь. Достоинства метода: 1) очистка до ПДК; 2) возможность совместного удаления различных по природе примесей; 3) отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод; 4) возможность рекуперации сорбированных веществ; 5) возможность возврата очищенной воды после корректировки рН. Недостатки метода: 1) дороговизна и дефицитность сорбентов; 2) природные сорбенты применимы для ограниченного круга примесей и их концентраций; 3) громоздкость оборудования; 4) большой расход реагентов для регенерации сорбентов; 5) образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки. Метод ионного обмена: Ионообменное извлечение металлов из сточных вод позволяет рекуперировать ценные вещества с высокой степенью извлечения. Ионный обмен – это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, на ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются ионитами. Метод ионного обмена основан на применении катионитов и анионитов, сорбирующих из обрабатываемых сточных вод катионы и анионы растворенных солей. В процессе фильтрования обменные катионы и анионы заменяются катионами и анионами, извлекаемыми из сточных вод. Это приводит к истощению обменной способности материалов и необходимости их регенерации. Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод приобрели синтетические ионообменные смолы – высокомолекулярные 105 соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы – противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми анкерными. Для извлечения из сточных вод гальванопроизводства катионов трехвалентного хрома применяют Н − катиониты, хромат − ионы Cr2O42- и бихромат − ионы Cr2O72- извлекают на анионитах. Регенерацию сильноосновных анионитов проводят 8−10 % раствором едкого натра. Элюаты, содержащие 40−50 г/л шестивалентного хрома, могут быть направлены на производство монохромата натрия, а очищенная вода − использоваться повторно. Достоинства метода: 1) возможность очистки до требований ПДК; 2) возврат очищенной воды до 95 % в оборот; 3) возможность утилизации тяжелых металлов; 4) возможность очистки в присутствии эффективных лигандов. Недостатки метода: 1) необходимость предварительной очистки сточных вод от масел, ПАВ, растворителей, органики, взвешенных веществ; 2) большой расход реагентов для регенерации ионитов и обработки смол; 3) необходимость предварительного разделения промывных вод от концентратов; 4) громоздкость оборудования, высокая стоимость смол; 5) образование вторичных отходов-элюатов, требующих дополнительной. Комбинированные методы В настоящее время имеется достаточно широкий ассортимент методов, позволяющих перерабатывать сточные воды гальванопроизводства с получением пригодного для дальнейшего использования продукта и оборотной воды. Ни один метод нельзя считать универсальным, т.е. эффективным и дешевым, поэтому наиболее целесообразно применять 106 комбинированные методы, например, сочетать ионообмен с электролизом, электролиз с электродиализом, электролиз с электрофлотацией, сорбция с электродиализом и т. д. Наиболее распространенным из всех разновидностей методов является комбинированный метод очистки сточных вод, который заключается в использовании угля и ионитов одновременно для извлечения ионов металлов. Суть его такова: сточные воды подаются на гравийно − угольный фильтр, затем последовательно на сильнокислый катионит, слабоосновной анионит и далее − сильноосновной анионообменник. После прохождения всего комплекса очищаемых вод через ионообменные колонны, она имеет высокую степень чистоты и может использоваться повторно в данном производстве. К комбинированным методам следует также отнести сочетание ионообменного или экстракционного отделения металлов с их последующим электроэлюированием, т. е. электролизом элюэнта, непрерывно циркулирующего между ионообменником и электролизером. Это существенно снижает количество сбросов в процессе регенерации ионообменника. Технологическая схема Технологическая схема очистки гальванических сточных вод изображена на рис. 10.1. Сточные воды из гальваноцеха самотеком поступают на усреднитель У, откуда после усреднения насосом подаются на фильтр Ф. Далее сточные воды периодически насосом подаются на сорбционный фильтр П, где идет сорбция нефтепродуктов и органических веществ на сорбенте. Десорбцию нефтепродуктов проводят острым паром. Десорбат периодически собирают в емкость Е1, затем отправляют на сжигание в котельную. После сорбции на пороласте F сточные воды подаются в электродиализатор Э, где происходит перевод ионов хром (III) в хром (VI), а также разложение содержащихся в сточной воде цианидов. После электрохимической обработки вода поступает на сорбцию в колонну с эрлифтным устройством А, где на селективном анионите АМ-п сорбируется хром (VI). Насыщенный ионит после сорбции периодически поступает на десорбцию в другую колонну А, где происходит десорбция хромата натрия смешанным раствором 8 % гидроксида натрия и 6 % хлорида натрия. Элюат 107 периодически собирают в емкость Е2, затем его направляют на использование в кожевенной промышленности, либо для производства электролитов. После сорбции хрома вода насосом периодически подается в две катионообменные колонны К, где на ионите КУ−23Na идет коллективная сорбция ионов цинка, никеля, меди. Десорбция ионита осуществляется селективно: цинка − 0,2 Н раствором серной кислоты, никеля – 2 Н раствором серной кислоты, меди – 5 Н раствором серной кислоты. Элюаты цинка, никеля и меди собираются соответственно в емкости Е3, Е4, Е5. Очищенная вода поступает на повторное использование в производственный цикл. Рис. 11.1 Технологическая схема очистки хромсодержащих сточных вод Расчет основного оборудования Расчет сорбционного фильтра 1. Количество загрязнителя, кг/ч: (11.1) где С – концентрация нефтепродуктов и органических веществ в сточной воде, кг/м3; Q – количество сточной воды, (Q = 53,57 м3/ч). 108 2. Поток ионита, м3/ч: (11.2) где Е – сорбционная емкость ионита, (Е = 80 кг/м3). 3. Время сорбции τ = 7 ч. 4. Объем сорбционного фильтра, м3: (11.3) Принимаем, что перезагрузка сорбента производится раз в месяц. Тогда рабочий объем сорбента на одну загрузку составляет: (11.4) 5. Объем колонны сорбционного фильтра, м3: (11.5) где – рабочий запас колонны (включая конструктивные особенности); =1,0 м3. Расчет усреднителя 1. Общий объем усреднителя, м3: (11.6) где – объем усреднителя для погашения циклического сброса сточных вод, м3. 2. Объем усреднителя, м3: (11.7) где Q – среднесуточная пропускная способность станции нейтрализации, м3/ч; τ – время работы станции нейтрализации, ч. 3. Объем усреднителя для погашения залпового сброса сточных вод, м3: (11.8) где Q – объем сточных вод, м3/ч; Тз – продолжительность залпового сброса сточных вод, ч; 109 – коэффициент подавления сброса. (11.9) где – максимальные концентрации загрязнения в поступающей воде, равные 160 г/м3; – средняя фактическая концентрация загрязнения, равная 94 г/м3; – допустимые концентрации загрязнения в усредняемой воде, равные 141 г/м3. Объем усреднителя определяется в соответствии с графиками притока сточных вод и колебаний концентраций загрязнений в них. Залповое изменение концентраций загрязнений показано на рис. 11.2. Рис. 10.2. Изменение концентраций загрязнений при залповом сбросе сточных вод 4. Объем усреднителя для погашения циклических колебаний (для < 5), м3: (11.10) где – период циклических колебаний, равный 1 ч. Циклическое изменение концентраций загрязнений в поступающих сточных водах показано на рис. 11.3 Рис. 11.3. Изменение состава сточных вод притока при циклических колебаниях 110 Задание В соответствии с вариантом (таблица 11.1) необходимо рассчитать параметры сорбционного фильтра и усреднителя. Таблица 11.1 Исходные данные: Варианты Параметры 1 2 3 4 5 6 7 С, кг/м3 0,001 0,0011 0,0012 0,0013 0,0014 0,0015 0,0016 τ, ч 14 14 15 15 16 16 14 Q, м3/ч 53,571 53,571 52,381 52,381 51,238 51,238 53,571 Tз, ч 0,25 0,26 0,27 0,28 0,29 0,30 0,25 Контрольные вопросы: 1. Какие вредные вещества и реагенты содержатся, в водах гальванического производства, вредно влияющие на организм человека? 2. Какие металлы называют «тяжелыми»? 3. Перечислите известные методы извлечения цветных металлов из сточных вод гальванического производства. 4. Характеризуйте достоинства и недостатки методов очистки гальванических сточных вод: − сорбционных методов; − методов ионного обмена; − комбинированных методов. 5. Назовите методы, используемые для извлечения из гальванических сточных вод катионов трехвалентного хрома, а также хромат − ионов Cr2O42- и Cr2O72- 111 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Ажогин Ф.Ф. Гальванотехника: справочное издание / Ф.Ф. Ажогин, М.А. Беленький, Н.Е. Галь. – М. : Метталлургия, 1987. − 736 с. 2. Баромембранные процессы и аппараты: учебное пособие // Под ред. Ю.М. Ханхунов, Г.А. Хантургаев. – Улан-Удэ: Изв-во ВСГТУ, 1991. – 55 с. 3. Брык М.Т. Мембранная технология в промышленности / М.Т. Брык, Е.А. Цапюк, А.А. Твердый. − Киев : Техника, 1990. − 247 с. 4. Вергун А.П., Мышкин В.Ф., Власов А.В. Ионообменная технология разделения и очистки веществ: учебное пособие. − Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – 110 с. 5. Виноградов С.С. Экологически безопасное гальваническое производство. – Изд. 2−е, перераб. и дополн. − М. : Глобус, 2002. – 352 с. 6. Гужулев Э.П., Шалай В.В., Гриценко В.И., Таран М.А. Водоподготовка и водно- химические режимы в теплоэнергетике: учебное пособие. − Омск: Издво ОмГТУ, 2005. – 384 с. 7. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. − М. : Издательство литературы по строительству, 1971. – 273 с. 8. Кульский Л.А. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды в двух частях. – Киев: Наукова думка, 1980. – Ч. 2. – 630 с. 9. Лазарев С.И. Методы электробаромембранного разделения растворов: учебное пособие. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 84 с. 10. Ласкорин Б.Н. Деминерализация методом электродиализа. – М. : Гос.издат. по атомной науке и технике, 1963. – 350 с. 11. Маслов Н.Н. Охрана окружающей среды на железнодорожном транспорте: учеб. для вузов / Н.Н. Маслов, Ю.Н. Коробов. − М. : Транспорт, 1996. – 238 с. 12. Матов Б.М. Электрофлотационная очистка сточных вод. – Кишинев : Картя Молдовеняскэ, 1982. – 170 с. 13. Основные процессы и аппарата химической технологии : учеб. пособие по проектированию // Под ред. Ю.М. Дытнерский. – М.: Химия, 1991. – 493 с. 112 14. Пааль Л.Л. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л.Л. Пааль, Я.Я. Кару, Х.А. Мельдер. – М. : Высш. школа, 1994. − 336 с. 15. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. − М. : Химия, 1981. − 560 с. 16. Проектирование очистных сооружений водоотводящих систем. Биологическая очистка: учебно – методическое пособие / Э.П. Доскина, Т.Д. Кичёва. – Волгоград: ВолгГАСА, 2002. – 55 с. 17. Радионов А.И. Техника защиты окружающей среды / А.И. Радионов, В.Н. Клунин,Н.С. Торочешников. – М. : Химия, 1989. – 512 с. 18. Русанов А.И. Мицеллообразование в растворах поверхностно − активных веществ. – СПб. : Химия, 1992. – 280 с. 19. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. – М.: ДеЛи принт, 2013.– 679 с. 20. Смагин В.Н. Обработка воды методом электродиализа. – М. : Стройиздат, 1986. – 172с. 21. СанПиН 2.1.4.10749-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды». – Федеральный центр Госсанэпиднадзора, 2002. – 103 с. 22. Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. − М.: Химия, 1983. – 264 с. 23. Цховребов Э.С. Сборник задач и упражнений по охране окружающей среды на железнодорожном транспорте. − М.: Космосинформ, 1993.− 144 с. 24. Чебанов С.Н. Ларин Б.М. Водоподготовка и водно-химические режимы тепловых электростанций: учебное пособие. – Иваново: ГОУВПО ИГЭУ, 2009. – 428 с. 25. Чиж В.А., Карницкий Н.Б., Нерезько А.В. Водоподготовка и воднохимические режимы ТЭС и АЭС: учебное пособие. - Минск: Выш. шк., 2010. – 351 с. 26. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод / С.В. Яковлев, Я.А. Карелин. − М. : Стройиздат, 1985.– 335 с. 113 Учебное электронное текстовое издание Сидорова Лариса Петровна МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И СТОЧНЫХ ВОД Часть II Редактор Н.В. Лутова Компьютерная верстка авторская Рекомендовано Методическим советом Разрешено к публикации 30.01.2015 Электронный формат – pdf Объем 6,33 уч.-изд. л. 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19 Информационный портал УрФУ http://www.urfu.ru