10.3 Установки для термической очистки сточных вод от от минеральных солей и от солей тяжелых металлов

Основные методы деминерализации воды, применяемые в отечественной и зарубежной практике, основываются на термических (дистиляция, вымораживание), мембранных (обратный осмос, электродиализ), реагентных (осаждение солей, ионный обмен) принципах удалений солей.

Способы опреснения воды сопровождаются изменением аг­регатного состояния (дистилляция, вымораживание, нагревание до сверхкритических температур), так и без его изменения (ионообмен, электролиз, осмос, ультрафильтрация, экстракция и другие).

При выборе способов обессоливания предпочтение отдается ме­тодам в следующей последовательности: обратный осмос, вы­мораживание, дистилляция, электродиализ, ионный обмен. Принципиальная схема деминерализации шахтных и карьерных вод в угольной промышленности приведена на рисунке 39.

Перед опреснением вода подвергается очистке от взвешенных частиц, а иногда и умягчению.

Наиболее распространенные способы обессоливания воды – электродиализ и дистилляция.

Электродиализ основан на разделе­нии и удалении ионов солей под действием постоянного электриче­ского тока, при дистилляции минерализованная вода нагревается до температуры кипения, выпаривается, а затем полученный пар кон­денсируется.

Рисунок 39 – Принципиальная схема деминерализации шахтных и карьерных вод в угольной промышленности

Термический метод опреснения с помощью высоких температур на­зывается дистилляцией (выпаривание). При дистилляции (выпа­ривании) сточных вод получают концентрированные растворы, из которых выделяют сухой остаток для сжигания, захоронения или пос­ледующего использования. Дистилляция – это перегонка, разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Процесс основан на различии температур кипения компонентов смеси. В зависимости от физических свойств компонентов разделяемых жидких смесей применяют различные способы дистилляции.

Простая дистиляция проводится частичным испарением кипящей жидкой смеси, непрерывным отводом и последующей конденсацией образовавшихся паров. Простая дистилляция, осуществляемая по описанной схеме, – периодический процесс. Для ускорения процесса применяют полунепрерывную дистилляцию, при которой в дистилляционный куб непрерывно поступает исходная смесь, равная массе уходящих паров.

  Фракционная дистилляция, называемая также дробной перегонкой, – одна из разновидностей простой дистилляции. Такую дистилляцию применяют для разделения смеси жидкостей на фракции, кипящие в узких интервалах температур.

  Равновесная дистилляция (однократное испарение) характеризуется испарением части жидкости и продолжительным контактом паров с неиспарившейся жидкостью до достижения фазового равновесия.

  Дистилляцию в токе водяного пара или инертных газов применяют, когда необходимо понизить температуру процесса отгонки, в случае разделения нетермостойких компонентов, а также для отгонки веществ с низкой температурой испарения от компонентов с высокой температурой испарения. При дистилляции с инертным газом компоненты раствора испаряются в поток газа, даже если раствор не кипит, а парообразование при испарении может происходить при любых температурах, вне зависимости от внешнего давления, что позволяет вести процесс при низких температурах.

  Молекулярная дистилляция основана на разделении жидких смесей свободным их испарением в высоком вакууме 133 – 13,3 мн/м² (10 ^{– 3} – 10 ^{– 4} мм рт. ст.) при температуре ниже точки их кипения.

Термический метод опреснения с помощью низких темпера­тур – кристаллизация (вымораживание).

При кристаллизации (вымораживании) чистая вода при низких температурах образует кристаллы льда, а ос­тавшийся рассол с растворенными в нем солями размещается в ячей­ках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола все­гда ниже температуры замерзания чистой воды.

Кристаллизация может также происходить при контакте воды с газом в определенных термодинамических условиях с образованием кристаллогидратов (газогидратов), в структуру которых входит толь­ко чистая вода, соли же остаются в рассоле.

Сточные кислые воды горных предприятий перед сбросом в во­доемы или перед использованием в технологических процессах дол­жны подвергаться нейтрализации путем смешивания кислых и ще­лочных вод с добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы.

Кислотные свойства шахтных вод обусловливаются присутствием в них растворенных солей железа и алюминия.

Технология очистки шахтных вод заключается в нейтрализации воды и выделении твердой фазы с последующим обезвоживанием и ути­лизацией образующегося осадка.

Первый этап, – нейтрализация, – это химическая реакция между веществами с кис­лотными свойствами и щелочными (растворы кислот, щелочей, каль­цинированной соды, аммиака и др.). При этом к обрабатываемой жидкости добавляют соответствующие реагенты или фильтруют ее через нейтрализующие материалы. При нейтрализации кислых вод применяют известь, известняк, мрамор, доломит и др. Щелочные сточные воды и растворы нейтрализуют технической серной кисло­той или кислыми отходами. При наличии в производстве кислых и щелочных стоков, в некоторых случаях, возможна их нейтрализация путем смешения. При расчете процесса нейтрализации следует учи­тывать естественную нейтрализующую способность водоема. Искус­ственной нейтрализации в этом случае следует подвергать лишь то количество кислоты или щелочи, которое не может быть нейтрали­зовано за счет самоочищающей способности водоема. Для нейтрализации воды используется известь или известняк в сочетании о известью, подача которых в сточные воды осуществляется по определенному режиму.

Второй этап очистки предусматривает разделение жидкой и твер­дой фазы и осуществляется путем последовательного проведения процессов осветления воды, уплотнения и обезвоживания осадка. Осадок кислых шахтных вод после его обработки может быть использован при производстве строительных материалов, сорбента, коагулянта и т.д.  

Если вода в источнике водоснабжения имеет жесткость (суммарное содержание солей кальция и магния) большую, чем допускается по нормам, то ее умягчают. Применяют два метода умягчения воды – реагентный и катионитовый. Реагентный метод сводится к осаждению солей жесткости известью (устранение так называемой карбонатной жесткости) и содой (некарбонатной жесткости). Он позволяет снизить общую жесткость воды до 0,507 мг-экв/л. Для более глубокого умягчения воды используют катионитовый метод, снижающий жесткость воды до 0,03 мг-экв/л. Если вода содержит более 0,3 мг/л железа, ее обезжелезивают. Подземные воды обычно обезжелезивают аэрацией (обогащают кислородом воздуха, который окисляет соли двухвалентного железа в соли трехвалентного, выпадающие в осадок в виде гидроокиси железа), поверхностные – коагулированием. Для удаления из воды других растворенных солей ее опресняют или обессоливают на ионитах. Дегазация воды (удаление сероводорода, метана, радона, углекислого газа и других растворенных газов) производится, как правило, аэрацией. Избыток фтора (при его содержании в воде более 1,5 мг/л) удаляют фильтрованием воды через активированную окись алюминия. При наличии в воде радиоактивных веществ ее подвергают дезактивации. Дезодорация воды, т.е. удаление веществ, обусловливающих привкусы и запахи, достигается сорбцией их активным углем или окислением озоном, двуокисью хлора или перманганатом калия.

Данная технологическая схема позволяет очистить кислую воду от тяжелых металлов, в том числе микроэлементов и взвешенных веществ, нормализовать водородный показатель и из образующегося осадка получить широкий ассортимент сырья и продуктов для различ­ных отраслей промышленности и сельского хозяйства.