Глава 4. Аппараты для химической очистки сточных вод

Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация и окисление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка.

Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит примене­ние также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различ­ных компонентов. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

4.1. Установки для нейтрализации.

Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большин­стве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод. С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

Нейтрализацию осуществляют смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы и абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. На практике реагент вводят в избытке (на 10% больше расчетного количества).

Реакция нейтрализации - это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типичная реак­ция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях: Н⁺+ ОН^- = Н₂О. В ре­зультате концентрация каждого из этих ионов становится равной той, которая свойственна самой воде (около 10^-7), т.е. активная реакция водной среды приближается к рН = 7. При спуске сточных вод в водоем или в городскую канализационную сеть практически нейтральными следует считать смеси с рН = 6,5…8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с рН менее 6,5 и более 8,5.

Наиболее часто сточные воды загрязнены минеральными кислотами: серной Н₂SO₄, азотной НNО_з, соляной НС1, а также их смесями. Значительно реже в сточных водах встречаются азотистая HNO₂, фосфорная Н_зРO₄, сернистая Н₂SО₃, сероводородная H₂S, плавиковая HF, хромовая Н₂СrO₄ кислоты, а также органические кислоты: уксусная CH₃COOH, пикриновая НОС₆Н₂(NO₂)₃, угольная H₂СО₃, салициловая С₆Н₄(ОН)₂ и др.

При химической очистке применяют следующие способы нейтрализации:

а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

б) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Ca(OH)₂, кальцинированная сода Na₂CO₃, каус­тическая сода NaOH, аммиак NH₃OH);

в) фильтрование через нейтрализующие материалы [известь, известняк СаО₃, доломит CaCO₃∙MgCO₃, магнезит MgCO₃, обожженный маг­незит MgO, мел СаСО₃ (96…99 %)];

г) нейтрализация щелочных сточ­ных вод дымовыми газами.

Нейтрализация сточных вод путем смешения кислых сточных вод со щелочными. Режимы сброса сточных вод, содержащих кислоту и отра­ботанную щелочь, как правило, различны. Кислые воды обычно сбрасы­ваются в канализацию равномерно в течение суток и имеют постоянную концентрацию; щелочные воды сбрасываются периодически по ме­ре того, как сбрасывается щелочной раствор. В связи с этим для ще­лочных вод часто необходимо устраивать регулирующий резервуар, объ­ем которого должен быть достаточным, чтобы принять суточное количество щелочных сточных вод. Из резервуара эти воды равномерно выпускают в камеру реакции, где в результате смешения их с кислыми сточными водами происходит взаимная нейтрализация.

Нейтрализация сточных вод путем добавления реагентов. Если на промышленных предприятиях имеются только кислые или только щелоч­ные сточные воды либо если невозможно обеспечить взаимную нейтра­лизацию, применяют реагентный метод нейтрализации. Этот метод наи­более широко используют для нейтрализации кислых сточных вод.

Процессы реагентной нейтрализации сточных вод осуществляются на нейтрализационных установках (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Принципиальная схема станции реагентной нейтрализации:

I, II — подача соответственно кислых и щелоч­ных сточных вод; III, IV — выпуск соответственно нейтрализованный сточных вод и осадка: 1 — песколовки; 2 — усреднители; 3 — склад реаген­тов; 4 — растворные баки; 5 — дозатор; 6 — сме­ситель; 7 — нейтрализатор; 8 — отстойник; 9 — осадкоуплотнитель; 10 — вакуум-фильтр; 11 — накопитель обезвоженных осадков; 12 — шламовые площадки.

Выбор реагента для нейтрализации кислых сточных вод зависит от вида кислот и их концентрации, а также от растворимости солей, обра­зующихся в результате химической реакции. Для нейтрализации мине­ральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего известь и карбонаты кальция или магния в виде суспензии. Известь для нейтрализации применяют в виде известкового молока 5%-ной концентрации или в виде порошка. Наибольший эффект достигается при измельчении до частиц размером 5…10 мкм (60…70%) и до 10…100 мкм (30…40%). Для приготовления известкового молока известь гасят в известегасилках, барабанных аппаратах или шаровых мельницах

Схема аппарата для безотходного гашения показана на рис. 4.2. Барабан диаметром 1300 мм вращается на горизонтальном валу с частотой 23…25 мин^-1. В барабан загружают чугунные шары диаметром 50 и 70 мм. Производительность барабана по извести 12…15 т/сут.

Для перемешивания реагента со сточной водой применяют гидравлические и механические смесители.

Рис. 4.2. Аппарат для гашения извести:

1 — барабан; 2 — горизонтальный вал; 3 — верхний люк: 4 — перегородка; 5 — шестерни; 6 — ре­дуктор; 7 — электродвигатель; 8 — нижний люк; 9 — сетка.

При высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является также образование пересыщенного раствора гипса, вы­деление которого из сточной воды может продолжаться несколько су­ток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Для уменьшения коэффициента пересыщения используется метод ре­циркуляции образующегося в результате нейтрализации осадка сульфа­та кальция.

В кислых и щелочных сточных водах всегда присутствуют ионы металлов, поэтому дозу реагента следует определять с учетом выделения в осадок солей тяжелых металлов.

Расход реагентов для нейтрализации Q (в м³/ч) сточных вод находят из зависимости (в кг/ч)

,

количество реагентов для нейтрализации кислых вод, содержащих соли тяжелых металлов, определяют из соотношения

,

где k₃ — коэффициент запаса; В — количество активной части в товарном продукте, %; — удельный расход реагента, кг/кг; С — концентрация кислоты или щелочи, кг/м³; С₁ , С₂ , .. , С_n — концентрация металлов, кг/м³; b₁ , b₂ , .. , b_n — удельный расход реагента, кг/кг.

Количество сухого вещества осадка М, кг, которое образуется при нейтрализации 1 м³ сточной воды, содержащей свободную серную кисло­ту и соли тяжелых металлов, определяется по формуле

,

где B — содержание активной СаО в используемой извести, %; x₁, x₂ — количество активной СаО, необходимой соответственно для осаждения металлов и для нейтрализации свободной серной кислоты, кг; х₃—количество образующихся гидроксидов металлов, кг; y₁, y₂ — количество сульфата кальция, образующегося при осаждении соответственно металлов и при нейтрализации свободной серной кислоты, кг.

Если значение третьего члена в формуле отрицательно, то он не учитывается.

Объем осадка V_oc, %,, образующегося при нейтрализации 1 м³ сточ­ной воды, можно найти по уравнению

,

где W_вл — влажность осадка, %.

Пример 4.1. Требуется рассчитать установку для нейтрализации сточных вод металлургического завода при сле­дующих исходных данных: расход сточных вод, включающих отрабо­тавшие травильные растворы, ре­генерация которых экономически нецелесообразна, промывные воды и смывы с полов Q = 315 м³/сут; поступление стоков на нейтралкзационную установку носит периодичес­кий характер; содержание серной кис­лоты в сточных водах А = 12 кг/м³, а сульфата железа С₁ = 10 кг/м³.

Предусматривают нейтрализа­цию отработавших травильных ра­створов негашеной известью в виде известкового молока, при этом про­исходят следующие реакции:

— с серной кислотой:

H₂SO₄ + CaO + H₂O = CaSO₄ + 2H₂O,

^{98 56 18 136 36}

 сульфатом железа:

FeSO₄ + CaO + H₂) = CaSO₄ + Fe(OH)₂.

^{152 56 18 136 90}

На основании вышеприведен­ных реакций и исходных данных по содержанию свободной кислоты и связанного железа в сточных водах определяем расход извести на ней­трализацию кислых сточных вод и осаждение железа по формуле

По табл. 4.1 определяем удельный расход негашеной извести на нейт­рализацию серной кислоты а = 0,56, а по табл. 4.2 — количество негаше­ной извести, требуемое для перево­да железа из растворенного состоя­ния в осадок, b₁ = 1,0 (в пересчете на сульфат железа FeSO₄ b₁ = 0,37).

Таблица 4.1