2.6. Термические методы обезвреживания минерализованных стоков
Минерализованные отходы широко распространены в химических производствах, теплоэнергетике и других отраслях промышленности.
Наиболее распространенными методами, позволяющими обезвреживать минерализованные стоки являются термические. Здесь возможны следующие направления:
1. Значительное уменьшение объемов стоков при их предельном концентрировании и хранение этих растворов в искусственных или естественных хранилищах;
2. Выделение из стоков солей и других ценных веществ и применение опресненной воды для нужд промышленности и сельского хозяйства.
Процесс разделения воды и минеральных веществ может осуществляться в две стадии: концентрированно исходного раствора и выделение из него сухого остатка. Если осуществляется первая стадия, то концентрированный раствор направляется на дальнейшую переработку или, в крайнем случае, на захоронение. Можно подавать сточные воды, минуя стадию концентрирования, непосредственно на выделение из них сухих веществ, например, в распылительную сушилку или в камеру сжигания, например циклонный реактор.
На первой стадии применяют выпарные установки различных типов: поверхностные, контактные, холодильные концентраторы. На второй стадии -- сушилки, печи и кристаллизаторы.
Установки термического обезвреживания минерализованных вод должны:
снижать концентрации вредных веществ в очищенной воде до значений, меньших предельно допустимых;
быть надежны в работе и экономичны;
иметь высокую производительность;
обеспечивать получение пресной воды достаточно хорошего качества.
Концентрированно растворов может осуществляться в испарительных, вымораживающих, кристаллогидратных установках непрерывного и периодического действия. Один из возможных вариантов классификации этих установок приведен на рис. 32.
Сушильные аппараты, применяемые в процессах обработки осадков производственных и бытовых сточных вод, были описаны выше.
Рис. 32. Классификация установок для термического концентрирования растворов
Принципиальные схемы других аппаратов для концентрирования растворов, их теория и расчет достаточно полно изложены в курсе "Процессы и аппаратуры химических производств", а также в специальной литературе, поэтому сведения о них приводятся далее в самом общем виде.
В испарительных установках концентрация раствора повышается вследствие удаления паров раствора при испарении жидкости. Эти установки наиболее распространены в технике концентрирования растворов. Они подразделяются на выпарные установки, в которых кипение осуществляется на поверхности нагрева или в вынесенной зоне, и установки адиабатного испарения, в которых испарение перегретой жидкости происходит в адиабатной камере.
Испарительные установки можно условно подразделить на установки, в которых раствор контактирует с поверхностью нагрева, и установки, в которых раствор не контактирует с поверхностью нагрева. В установках первого типа образуются отложения солей с соответствующим снижением плотности теплового потока и производительности установок. Это обусловливает периодические остановки агрегатов для очистки поверхностей нагрева, что снижает технико-экономические показатели и усложняет их эксплуатацию. Степень концентрирования раствора в них существенно ограничена из-за резкого увеличения отложений с ростом концентрации раствора. Для улучшения условий работы приходится применять специальные меры по снижению отложений.
В установках второго типа тепло передается промежуточному гидрофобному жидкому, твердому или газовому теплоносителю, который затем при непосредственном контакте нагревает или испаряет раствор. Нагретый раствор подается в камеры адиабатного испарения. Степень концентрирования раствора в таких установках существенно повышается, так как опасность отложений на поверхностях нагрева практически исключается.
В установках, использующих методы вымораживания, концентрированно минерализованных стоков основано на том, что количество солей в кристаллах льда значительно меньше, чем в растворе, и образуется пресный лед. Вследствие этого по мере образования льда концентрация солей в растворе повышается. Концентрированно минерализованных вод можно также осуществить двумя способами: вымораживанием при испарении под вакуумом либо замораживанием с помощью специального холодильного агента.
В кристаллогидратных установках концентрирование сточных вод основано на способности некоторых веществ (фреоны, хлор и др.) при определенных условиях образовывать кристаллогидраты. При этом молекулы воды переходят в кристаллогидраты, а концентрация растворов повышается. При плавлении кристаллов вновь выделяется вода, которая является гидратообразующим агентом. Процесс гидратообра-зования может происходить при температуре ниже и выше окружающей среды. В первом случае, как правило, необходимо применение холодильных установок, а во втором случае кристаллогидратная установка может использовать низкопотенциальное тепло.
Достоинства вымораживающих и кристаллогидратных установок опреснения и концентрирования заключаются в следующем:
низкий расход энергии (9-12 кВт-ч/м3);
возможность обезвреживания вод различного состава;
использование аппаратов, обеспечивающих концентрирование раствора без его контакта с поверхностью нагрева или охлаждения.
К недостаткам установок следует отнести:
увеличение капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с процессами кристаллизации, транспортирования, промывки льда (недостаточная интенсивность процессов тепло-массопереноса при небольших температурных напорах);
необходимость применения дорогостоящих теплоносителей;
невысокая степень концентрирования растворов из-за трудности разделения кристаллов льда и вязкой суспензии;
повышение расхода энергии с ростом степени концентрирования вследствие понижения температуры замерзания при увеличении концентрации раствора.
Холодильные и кристаллогидратные методы опреснения и концентрирования минерализированных стоков применяются еще сравнительно редко, но в силу своих положительных качеств могут найти в будущем широкое применение.