Глава 16. Термические методы очистки сточных вод
Термические методы применяются для обезвреживания как мине- рализованных сточных вод, так и стоков, содержащих растворенные и нерастворенные органические вещества.
Для обезвреживания минерализованных стоков применяют мето- ды, позволяющие выделить из них соли с получением воды, пригодной для оборотного водоснабжения. Процесс удаления минеральных ве- ществ из воды может быть проведен в две стадии: концентрирование и выделение сухих веществ. Для этого используют установки термиче- ского концентрирования растворов: испарительные (выпарные и адиа- батические), вымораживающие (вакуумные и с холодильным агентом), кристаллогидратные (холодильные и теплоиспользующие). Выделение сухого продукта может происходить, например, в распылительной су- шилке. Нередко вторую стадию заменяют захоронением концентриро- ванных растворов.
К термоокислительным методам обезвреживания сточных вод, содержащих органические примеси, относятся парофазное окисление (огневой метод), жидкофазное окисление, парофазное каталитическое окисление. Сущность этих методов состоит в окислении примесей ки-
слородом воздуха при повышенной температуре до нетоксичных со- единений. По теплотворной способности сточные воды подразделяют- ся на способные гореть самостоятельно и воды, для термоокислитель- ного обезвреживания которых необходимо добавлять топливо. По- следние имеют энтальпию ниже 8400 кДж/кг.
Установки термического обезвреживания сточных вод должны обеспечивать снижение концентрации вредных веществ в очищенной воде до значений, меньших ПДК, иметь незначительную чувствитель- ность к составу стоков, обеспечивать надежность и экономичность в работе, иметь высокую производительность.
Выбор метода зависит от объема сточных вод, их состава, тепло- творной способности, коррозионной активности, экономичности про- цесса, требований, предъявляемых к очищенным водам. Термические методы энергоемки и их, как правило, применяют для обезвреживания небольших количеств концентрированных сточных вод.
Концентрирование минерализованных сточных вод
Для концентрирования растворов в промышленности используют термическое концентрирование в выпарных установках: одно- и многоступенчатых с выпарными аппаратами различных конструкций, с естественной и принудительной циркуляцией. Обычно используют 4-5- корпусные установки с расходом тепла по пару 600 кДж на 1 кг влаги.
Для предотвращения отложений солей производится рециркуля- ция шлама. Применяются аппараты с вынесенной поверхностью нагре- ва и принудительной циркуляцией при скорости сточной воды 2-3 м/с, при этом значительно уменьшается отложение солей на поверхности нагрева. Распространены аппараты в вынесенной зоной испарения, что уменьшает пенообразование. В них раствор подогревается в трубах, а испарение происходит вне поверхности нагрева. Применяют также пленочные и роторные выпарные аппараты.
Для нагрева воды могут быть использованы газообразные, жид- кие и твердые теплоносители. На практике наибольшее распростране- ние получили контактные аппараты: с погружными горелками, барбо- тажные, тарельчатые, насадочные, полочные, форсуночные. В аппара- тах с погружными горелками упариваемая сточная вода нагревается при непосредственном контакте (барботаже) с дымовыми газами, по- лученными при сжигании газообразного или жидкого топлива в горел- ках, частично или полностью погруженных в жидкость. Стоимость вы-
паривания в таких аппаратах примерно в два раза ниже, чем в обычных выпарных аппаратах.
Высокий экономический эффект достигается при упаривании сточных вод в скрубберах, герметичных полых цилиндрах с кониче- ским днищем. Сточная вода подается под давлением 0,5-0,6 МПа в распыливающие форсунки, расположенные в верхней части скруббера. Снизу поступают дымовые газы, имеющие температуру 900-1000 оС. Для уменьшения высоты скруббера и обеспечения его устойчивой ра- боты устанавливают вытяжные вентиляторы.
В выпарных установках с гидрофобным теплоносителем нагрева- ние и испарение сточных вод происходит вследствие контакта их с жидким гидрофобным теплоносителем. В них возможно упаривать сточные воды до высоких концентраций, избежать отложения солей на теплообменных поверхностях, уменьшить коррозию оборудования. В качестве теплоносителей можно использовать парафины различных типов, минеральные масла, силиконы и др. Гидрофобный теплоноси- тель должен быть практически нерастворим в воде, не образовывать эмульсий, не сорбировать растворенные в воде соли, хорошо отделять- ся от воды, быть термически устойчивым и иметь высокую теплоем- кость.
Для опреснения минерализованных вод применяются адиабатные испарительные установки, называемые еще установками мгновенного испарения (УМИ). В них раствор концентрируется вследствие испаре- ния перегретой жидкости, которая предварительно нагревается до тем- пературы кипения в отдельно вынесенных подогревателях, откуда она поступает в камеру испарения с более высоким вакуумом. Испарение в камере происходит не только с поверхности воды, но и с поверхности капель, разбрызгиваемых специальными устройствами. Эти установки имеют высокий термодинамический к.п.д. и низкую интенсивность со- леобразования, могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми, в последних снижается расход греющего пара. Схема многоступенчатой адиабатической испарительной установки приведена на рис.16.1.
Рис.16.1. Схема многоступенчатой адиабатной испарительной установки
1 - ступень испарения; 2 - подогреватель; 3 - поддон-сборник; 4 - насосы
Сточная вода насосом перекачивается через ступень испарения, где предварительно нагревается образующимися при испарении пара- ми, и подается в подогреватель, из которого направляется в камеру ис- парения. Жидкость испаряется при переходе из одной камеры в дру- гую, из последней раствор насосом частично подается на рециркуля- цию. Дистиллат, стекающий в поддон, насосом направляется потреби- телю. Такие установки нашли широкое применение для опреснения морской воды.
Многоступенчатые установки с вертикально-трубчатыми испаре- телями-конденсаторами также, как и адиабатные испарительные уста- новки, относятся к дистилляционным опреснителям. Основная функ- ция их состоит в испарении воды с последующей конденсацией пара, которая приводит к получению чистой воды. Такие установки получи- ли наибольшее распространение при высоком солесодержании.
В установках вымораживания концентрирование минерализо- ванных вод основано на том, что концентрация солей в кристаллах льда значительно меньше, чем в растворе и процесс вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворен- ными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей. Вымора- живание может происходить под вакуумом либо при помощи специ- ального холодильного агента - контактное вымораживание. Схема кон-
центрирования растворов вымораживанием под вакуумом представле- на на рис.16.2.
Рис.16.2. Схема установки концентрирования растворов вымораживанием под вакуумом
1 - промывная колонна; 2 - конденсатор- плавитель; 3 - вспомогательная холодиль- ная установка; 4 - компрессор; 5 - кри- сталлизатор; 6 - теплообменники
Кристаллогидратный процесс состоит в концен- три-ровании воды с гидрато- обра-зующим агентом (амми- ак, пропан, хлор, фреоны, СО2 и др.) и образовании кристал-логидратов. При пе- реходе молекулы воды в кри- сталло-гидраты концентра- ция раст-воренных веществ в воде повышается. При плав- лении кристаллов образуется вода, из которой выделяются пары гидратообразующего агента. Процесс может про- исходить при температуре ниже и выше температуры окружаю-щей среды, в пер- вом случае необходимо при- менение хо-лодильных уста- новок, во втором - нет.
Достоинством вымора- живающих и кристаллогид- ратных установок является
низкий расход энергии и возможность обезвреживания вод различного состава. Недостатки: дорогостоящие теплоносители, сложные техноло- гические схемы, невысокая степень концентрирования растворов из-за трудности разделения кристаллов льда и вязкой суспензии и др. По- этому указанные методы не нашли широкого применения в промыш- ленности.