13.4. Сорбционная очистка сточных вод

Сорбция - это равновесный динамический процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом, жидкостью или газом. По­глощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое - сорбатом. Разли­чают поглощение вещества всей массой жидкого или газообразного сор­бента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

В технологии очистки сточных вод в основном используют ад­сорбционный процесс на развитой твердой поверхности сорбентов.

Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности сорбента и молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удержива­ется извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента.

Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора. Поэтому сорбционная очистка сточных вод целесообразна, если в них со­держатся соединения, энергия связи которых с твердой поверхностью сор­бента значительно превосходит энергию гидратации.

Сорбционные методы относятся к наиболее эффективным для глу­бокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ. Сорб­ционная очистка может применяться самостоятельно или совместно с дру­гими методами предварительной и глубокой очистки сточных вод.

Преимуществами этих методов являются возможность адсорбции веществ из многокомпонентных смесей и высокая эффективность при ма­лых концентрациях загрязнений сточных вод.

Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточ­ных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использованием очищенных сточных вод в системе оборотного водоснаб­жения промышленных предприятий.

В качестве сорбентов применяют природные материалы, отходы не­которых производств, активные угли и синтетические сорбенты. Природные пористые материалы, такие как торф, активные глины и производственные отходы (зола, коксовая мелочь, силикагели, алюмогели), обладают малой сорбционной емкостью, которая характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³, кг/кг).

Эффективными сорбентами являются активные угли различных марок. Пористость этих углей составляет 60-75 %, а удельная поверхность 400-900 м /г. Адсорбционные свойства активных углей в значительной ме­ре зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активные угли делятся на крупно- и мелкопористые и смешанного типа. Поры по размеру подразде­ляют на три вида: макропоры размером 0,1-2 мкм, переходные размером 0,004-0,1 мкм, микропоры размером менее 0,004 мкм.

Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транс­портирующих каналов, а сорбционная способность активных углей опреде­ляется в основном микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие размеры частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует его поглощаю­щей способности. В табл. 13.1 приведены полная емкость и объем микро-пор для активных углей различных марок.

В

Таблица 13.1

Характеристики активных углей

Марка угля	Полная ем­кость, см3/г	Емкость мик­ропор, см3/г	Основной размер зерен, мм	Насыпная плот­ность, кг/м3
АГ-2	0,6	0,3	1-3,5	600
АГ-3	0,8-1,06	0,37	1,5-2,8	450
БАУ	1,5	0,32	1-3,5	260
АР-3	0,7	0,19	1-5,5	550
КАД-йодный	1	0,23	1-5	380
КАД-молотый	0,42	0,12	<0,04	-
СКТ	0,98	0,51	1,5-2,0	420

настоящее время синтезировано достаточно много полимерных пористых материалов. В процессе производства структура их пор может направленно изменяться в очень широких пределах. Для адсорбционных процессов в водной среде синтезированы полимерные пористые материалы на основе стирола и дивинилбензола - полисорбы. Технологические свой­ства полисорбов отличаются от активных углей несколько меньшей энерги­ей связи извлекаемых загрязнений с поверхностью полисорба, однако они легче поддаются регенерации растворителями. Это особенно важно для последующей утилизации ценных веществ.

Технологические схемы методов адсорбции. Процесс сорбции может осуществляться при интенсивном перемешивании адсорбента с во­дой, при фильтровании через неподвижный слой или в псевдоожиженном слое на сооружениях периодического или непрерывного действия. Основ­ные схемы адсорбционного процесса очистки сточных вод приведены на рис. 13.6 .

Процесс сорбции в статических условиях (рис. 13.6, а) осуществля­ется путем интенсивного перемешивания обрабатываемой сточной воды с сорбентом в течение определенного периода времени т и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием, фильтрованием и т.п. При по­следовательном введении новых порций сорбента в очищаемую воду теоре­тически можно очистить ее от загрязняющих веществ до любой кон­центрации, но количество ступеней при этом может быть весьма значи­тельным.

В противоточной схеме использования сорбента его вводят только в последнюю ступень. После отделения сорбента от очищаемой воды на этой ступени он последовательно подается на предыдущие вплоть до пер­вой (рис. 13.6, б). Эта схема позволяет вести процесс очистки воды непре­рывно при значительно меньшем расходе сорбента вследствие более полно­го использования его сорбционной емкости. Благодаря более экономично­му расходованию сорбента, противоточные сорбционные установки приме­няются значительно шире.

Недостаток противоточной схемы статической сорбции состоит в сложности эксплуатации и больших энергетических затратах.

Процесс сорбции в динамических условиях осуществляют путем фильтрования сточных вод через слой плотно уложенного сорбента (рис. 13.6, в). Скорость фильтрования зависит от концентрации растворен­ных в сточных водах веществ и составляет 1-12 м/ч; крупность зерен сор­бента - 0,8-5 мм. Наиболее рациональное направление фильтрования жид­кости - снизу вверх, так как в этом случае происходит равномерное запол­нение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пузырьки воздуха или газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой.

Обычно сорбционная установка представляет собой несколько па­раллельно работающих секций, состоящих из трех-пяти последовательно расположенных фильтров. При достижении предельного насыщения голов­ной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.

Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют также при ре­генеративной очистке цеховых сточных вод с целью утилизации выделен­ных относительно чистых продуктов.

При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодис­персных частиц, не отделяемых в процессах механической очистки, целе­сообразно использовать процесс с псевдоожиженным слоем сорбента.

П севдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх через поперечное сечение сооруже­ния, до величины, равной гидравлической крупности зерен загрузки. Важ­нейшим показателем работы установки с псевдоожиженным слоем сорбен­та является показатель ожижения

£ = Н_пж1Н_ы, (13.26)

где Н_пж, Н_пл - высоты псевдоожиженного и плотного слоев сорбента.

Величину показателя ожижения Е рекомендуется поддерживать равной 1,4—1,6.

Сорбенты, используемые для очистки сточных вод, могут быть не-регенерируемыми и регенерируемыми. В последнем случае они подверга­ются восстановлению с использованием регенеративной технологии, когда извлеченные вещества утилизируются, или деструктивной, при которой извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорб-ционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Для извлечения сорбированных веществ могут быть применены экстрагирование органическим растворителем, изменение степени диссо­циации слабого электролита в равновесном растворе, отгонка адсорбиро­ванного вещества с водяным паром, испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теплоносителя. В отдельных случаях осу­ществляют химические превращения сорбированных веществ с последую­щей десорбцией.

При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислительные методы. При термическом методе потери углеродного сор­бента могут достигать 5-10%.

В структуре затрат на сорбционную очистку стоимость сорбентов составляет 30-35 %.

Сооружения для сорбционной очистки сточных вод. Аппараты с неподвижным слоем адсорбента конструктивно выполняются подобно фильтрам с зернистой загрузкой напорными (закрытыми), рассчитанными на работу под давлением, или безнапорными (открытыми) в виде резервуа­ров прямоугольного или круглого сечения. Адсорберы оборудуются необ­ходимым числом задвижек и вентилей для управления их работой, отбора проб воды и выпуска воздуха или газов, попадающих в сооружение вместе с очищаемой водой.

Отработавший сорбент выгружают из адсорбера насосом, гидро­элеватором, эрлифтом или шнеком при относительном расширении загруз­ки на 20-25 %, создаваемом потоком воды со скоростью 40-45 м/ч. В на­порных адсорберах допускается предусматривать выгрузку сорбента под давлением не менее 0,3 МПа. Металлические конструкции, трубопроводы, арматура и емкости, соприкасающиеся с влажным сорбентом, должны быть защищены от действия коррозии.

Аппараты с движущимся слоем адсорбента применяют в виде цилиндрических одноярусных адсорберов с псевдоожиженным слоем (рис. 13.7). Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верх­няя часть ее имеет диаметр в 1,5-2 раза больший диаметра основной колон­ны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет цен­тральный угол 30-60°. Непосредственно над коническим днищем устанав­ливается распределительная решетка с отверстиями 5-10 мм и шагом отвер­стий около 10 мм, на которую загружается активный уголь с размером час­тиц 0,25-1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5-0,75 мм. Вы­сота неподвижного слоя угля составляет 2,5-2,7 м.

В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчиваю­щуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника,

п одсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей пока­затель ожижения в пределах 1,4-1,6. Сорбент в виде 5-20 % - ной сус­пензии поступает в верхнюю рас­ширенную часть той же централь­ной трубы, по которой в колонну адсорбера подается сточная вода. В трубе вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспензия посту­пает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и задерживается в нижней части псевдоожиженного слоя угля, кото­рый находится в колонне. Обрабо­танная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги.

При высоте адсорберов 0,5­1 м следует устанавливать секцио­нирующие решетки с круглой пер­форацией 10-20 мм и долей живого сечения 10-15 %, оптимальное число секций три-четыре. Скорость восхо­дящего потока воды в адсорберах надлежит принимать 30-40 м/ч при крупности частиц сорбента 1-2,5 мм и 10-20 м/ч при крупности частиц 0,25-1 мм.

Проектирование и расчет сооружений адсорбции. В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места расположения адсорберов в общей схеме очи­стных сооружений, состава сточных вод, вида и крупности сорбента назна­чают ту или иную схему сорбционной очистки и тип адсорбера. Так, за со­оружениями биологической очистки применяют безнапорные фильтры с диаметром зерен сорбента 0,8-5 мм или адсорбер с псевдоожиженным сло­ем сорбента с диаметром зерен 0,5-1 мм. При глубокой очистке производст­венных сточных вод и возврате их в систему оборотного водоснабжения применяют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен сорбента 0,1 мм и менее или схемы с использованием напорных фильтров с загрузкой в виде плотного слоя гранулированного угля.

В основу расчета установок статической сорбции с перемешиваю­щими устройствами (рис. 13.6, а) положено уравнение материального ба­ланса:

ma + QC = QCo, (13.2"i где m - подача сорбента, кг/ч; a - удельная адсорбция, кг/кг; Q - количе­ство обрабатываемых сточных вод, м³/ч; Со , С - концентрация сорбата в поступающей и очищенной воде. Приняв уравнение изотермы адсорбции Генри:

а = КС, (13.28)

где К - константа адсорбционного равновесия, можно определить расход сорбента для одноступенчатого процесса:

^т = Q{Co - С)/ КС . (13.29) Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концентрация сорбата в обработанной воде будет

C = QCol(Q + K т ). (13.30)

При числе ступеней сорбции п концентрацию загрязнений в сточ­ной воде после очистки в n-ой ступени С_п определяют по формуле

^f Q

Со- (13.31)

Расход сорбента, подаваемого в каждую ступень, находят по урав-

нению

Q Со ,

_m.=^--l. 03,2, Общее количество сорбента

т = пт_п. (13.33)

При проектировании сорбционных установок с противоточным введением сорбента (рис. 13.6, б) концентрацию вещества в обработанной сточной воде после п ступеней находят по выражению

C_n=C_a,^v

^Km,Q:} • (13.34)

{Km/Q)"^+]-l

Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологической схемы в последнюю ступень установки, определяют из уравнения

a-m"^+l -Pm-y = 0, (13.35)

где

a=(K/Q)^n+I; p = KCo/(QC_n); _r=C(/C_n-J. (13.36)

При расчете адсорбционных фильтров продолжительность их за­щитного действия Тф, ч, определяют по формуле

Тф=кНф-т₀, (13.37)

где к - коэффициент защитного действия; Нф - высота слоя сорбента, м; То - потеря времени защитного действия.

Введение в уравнение (13.37) величины То связано с тем, что рабо­та фильтра до момента появления "проскока" загрязнений в фильтрате воз­можна только при условии, что длина слоя адсорбента больше некоторой минимальной величины, называемой "мертвым слоем".

Поскольку скорость адсорбции определяется скоростью массопе-реноса, процесс поглощения вещества из потока воды протекает не мгно­венно, а в течение некоторого периода времени, то и концентрация в потоке уменьшается от начальной (Со) до конечной (С) за этот же период. При этом элемент потока воды переместится на расстояние Н₀. Участок слоя адсорбента, в котором происходит снижение концентрации загрязнений от С о до С, называется "работающим слоем".

Коэффициент защитного действия фильтра для хорошо адсорби­рующихся веществ, характеризуемых выпуклой изотермой адсорбции, можно определить по формуле

к= а_т/(Г_ф С₀), (13.38)

где а_т, - удельная динамическая адсорбция, кг/м³, устанавливается по экс­периментальным данным; Уф — скорость фильтрования, м/ч; Со - началь­ная концентрация сорбируемого вещества в сточной воде, кг/м³.

Если удаляемые компоненты являются в данных условиях слабо адсорбируемыми веществами, необходимо учитывать, что в фильтрацион­ном слое они находятся в виде раствора, заключенного в межзерновом про­странстве и больших порах зерен загрузки. Изотерма адсорбции будет иметь вогнутый вид. В этом случае коэффициент защитного действия оп­ределяется по формуле:

к= (а_т- еСо) /'(У_Ф С₀), (13.39)

где £ - порозность слоя загруженного адсорбента, м³/м³.

Площадь сечения фильтра, нормально расположенная к направле­нию фильтрации F, м², определяется по формуле

F^Q/Уф, (13.40)

где Q — расчетный расход сточных вод, м³/ч.

Число последовательно работающих адсорбционных фильтров рас­считывают по формуле:

Ы = Н_Ф/Н, (13.41)

где Нф - высота слоя адсорбента, необходимая для обеспечения заданной продолжительности фильтроцикла Тф; Н — высота слоя загрузки одного фильтра, принимаемая конструктивно, м.

Количество вещества, задерживаемого адсорбционным фильтром М, кг, определяется по формуле:

М= а_тН_фр£. (13.42)

Потери напора в слое сорбента при крупности частиц 0,8-5 мм принимают не более 0,5 м на 1 м слоя загрузки.