3421

На правах рукописи

Губанов Дмитрий Леонидович

ОЧИСТКА ФТОРСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД ПРОЦЕССОВ НАНЕСЕНИЯ ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЙ

05.23.04 - Водоснабжение, канализация, строительные системы

охраны водных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2001

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В НИЖЕГОРОДСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный руководитель

заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, академик PAACH В.В. Найденко

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор химических наук, профессор В.А.Яблоков, кандидат технических наук, доцент ЮЛ.Наумов

Ведущая организация АО «Нижегородский САНТЕХПРОЕКТ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1.Актуальность проблемы.

За последние годы в нашей стране и за рубежом радикально усовершенствованы, с позиций экологической безопасности и экологической эффективности, технологические процессы с замкнутыми системами водопользования, обеспечивающие экономию воды на технологические цели, а также сырья и других ресурсов, со значительным сокращением поступления в окружающую среду токсичных веществ. Внедрение в производство новых высокоэффективных, прогрессивных технологий очистки сточных вод позволило значительно улучшить экологическую обстановку в России.

Вместе с этим в области водоотведения и очистки промышленных сточных вод в настоящее время имеется ряд острых проблем, требующих незамедлительного решения.

Одной из таких проблем является обезвреживание фторсодержащих сточных вод предприятий приборостроения. Фторсодержащие промстоки предприятий приборостроения - многокомпонентная система, включающая кислоты, щелочи, сложные трудноокисляемые органические соединения; различные механические примеси. Обезвреживание этой категории стоков является актуальной проблемой сегодняшнего дня.

Особую актуальность эта проблема приобретает в период перехода экономики к устойчивому развитию, обеспечивающему баланс между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей природной среды.

Диссертационная работа выполнена в 1996-2001 г.г. под руководством заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, академика PAACH Найденко В.В., которому автор выражает искреннюю благодарность. Автор считает своим долгом поблагодарить всех сотрудников кафедры "Водоснабжение и водоотведение" во главе с заведующим кафедрой,

проф.Горбачевым Е.А. за помощь в работе, а также, сотрудников Комитета охраны окружающей среды г. Нижнего Новгорода за консультационную помощь.

1.2. Цель и задачи исследований.

Целью диссертационной работы является исследование, разработка и внедрение на практике замкнутой системы водопользования технологических процессов нанесения гальванопокрытий, в которых используются фторсодержащие электролиты.

Для достижения поставленной цели автором решены следующие задачи:

-проведен анализ теоретических, экспериментальных и производственных данных существующих методов очистки сточных вод и подготовки технологической воды изучаемого производства и смежных отраслей;

-изучен состав и количестве сточных вод, методы очистки электролизом, фильтрованием через пористые перегородки, установлены основные закономерности процессов очистки;

-изучен процесс фильтрования через тонкостенные электропроводящие фильтрующие перегородки при наложении электрического поля;

-разработаны математические модели процессов очистки стоков в электрохимических аппаратах;

разработана конструкция фильтров для доочистки сточных вод из пористой нержавеющей стали с регенерацией элементов электрическим током;

-разработана и внедрена в производство малоотходная технология обезвреживания фторсодержащих сточных вод.

1.3. Научная новизна.

- разработан алгоритм и метод расчета расходов сточной воды и концентрации загрязнений после ванн промывки на любой стадии процесса;

- исследованы закономерности электрохимической очистки стоков с растворимыми (алюминиевыми) и нерастворимыми электродами, с использованием многоступенчатой обработки - электролиз - электрокоагуляция - флотация;

-получены основные математические зависимости процесса электролиза с растворимыми электродами при очистке фторсодержащих сточных вод;

-уточнены математические модели процесса фильтрования неоднородных систем через пористые цилиндрические фильтровальные элементы из пористой нержавеющей стали ПНС;

-созданы новые конструкции электрохимических аппаратов и фильтров из пористых электропроводящих материалов;

-установлены основные продукты электрохимической деструкции органических веществ фторсодержащего потока;

-дана токсикологическая оценка очищенным сточным водам на различных стадиях обработки;

-предложен и реализован безреагентный способ регенерации фильтрующих элементов с использованием электрического тока;

Новизна разработанных автором конструкций аппаратов подтверждена патентом (№ 2124948).

1.5.Практическая ценность и реализация работы.

Врезультате проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований установлена техническая и экономическая необходимость и целесообразность обезвреживания фторсодержащих сточных вод гальванического производства предприятий приборостроения по замкнутому циклу с возвратом очищенной воды в технологический процесс.

Разработанные автором технологии очистки и доочистки фторсодержащих сточных вод внедрены на предприятиях Нижегородской области. Методика расчета концентрации загрязнений в ваннах промывки используется при проектировании и эксплуатации очистных сооружений.

На конструкцию механического фильтра из ПНС и напорного электрокоагулятора разработана проектная документация. Новые конструкции фильтров внедрены в производство на Нижегородском велосипедном заводе ОАО «ГАЗ».

Экономический эффект от внедрения составляет 380 тыс. руб. / год

1.5. Апробация работы.

Основные положения, изложенные в диссертационной работе, рассмотрены и одобрены на научных конференциях ННГАСУ (1994 - 2000 г.), Пензы (1998, 1999 г.), Государственного Комитета по охране окружающей среды г. Н.Новгорода (1999), AKX г. Москвы (1997,2000).

1.6.На защиту выносятся:

-результаты теоретических, экспериментальных исследований по очистке фторсодержащих стоков электролизом с растворимыми и нерастворимыми электродами, фильтрованием через пористые тонкостенные фильтровальные перегородки;

-методология расчета расходов воды на промышленные цели и концентрации загрязняющих веществ после промывных ванн;

исследования по идентификации продуктов электрохимической деструкции органических соединений, изучению токсичности очищенной воды;

-математические зависимости процессов электролиза с растворимыми электродами, фильтрования через пористые перегородки;

-технология глубокой доочистки фторсодержащих сточных вод.

1.7.Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных рабо-

тах. Получен один патент на изобретение.

5

2. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 160 наименований источников, в том числе 28 зарубежных. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 30 рисунков и приложение.

3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу состояния водоотведения и обезвреживания фторсодержащих сточных вод гальванических производств в России. Анализируются существующие методы и схемы очистки фторсодержащих сточных вод. Определены задачи исследований по разработке технологических процессов обезвреживания промстоков участков гальванопокрытий с использованием фторсодержащих электролитов.

Во второй главе приводятся требования к качеству воды, используемой в процессах нанесения покрытий при использовании фторсодержащих электролитов. Основной объем главы посвящен разработке технологии водопользования объекта исследований: методике определения расходов воды на межоперационные промывные цели, концентрации загрязняющих компонентов в ней в заданный момент процесса, минимизации расходов воды на промывные цели.

Для заданной схемы водопользования составляются уравнения материального баланса, на основе которых в ваннах промывки на различных стадиях, определяются допустимые концентрации остаточных растворов электролитов.

Для одноступенчатой прямоточной схемы промывки изделий уравнение материального баланса имеет следующий вид:

где:

Xα-ПДКзагрязненийвпромывнойванне,г/л;

q — вынос электролита поверхностью деталей, л/час;

C0 , CB — концентрация загрязнений в рабочей ванне и воде, подаваемой на промывку, г/л;

Q - расход промывной воды, л/час.

Для двухкаскаднои противоточной промывки составляется система уравнений:

где У α - ПДК загрязнений во второй промывной ванне, г/л. Отсюдa:

Откуда

где Za - ПДК загрязнений в последней промывной ванне, г/л.

Для определения параметров промывки на основании полученных уравнений составляются системы дифференциальных уравнений - модели, позволяющие определять все характеристики процесса промывки: расходные (q, Q) и технологические (Со, CB, Сд). На основе полученных уравнений разработаны алгоритм и программа расчета на ЭВМ.

Третья глава посвящена изучению состава сточных вод, классификации фторсодержащих стоков по загрязнениям. Приводятся результаты исследований по электрохимической очистке в аппаратах с растворимыми и нерастворимыми электродами, работающими в безнапорном режиме и при избыточном давлении, а также в различном сочетании процессов: электролизэлектрокоагуляция; электрокоагуляция-электролиз *.

Характеристика отдельных потоков фторсодержащих сточных вод по загрязнениям приведена в таблице 1.

Анализ состава сточных вод показал: фторсодержащий поток сточных вод является сложной многокомпонентной системой. Основной задачей обезвреживания является обесфторивание и очистка воды от сложной трудноокисляемой органики. Учитывая необходимость решения этих задач одновременно, в качестве метода очистки был выбран универсальный - электрохимический.

В пользу этого метода свидетельствуют следующие аргументы: компактность установок; возможность обеспечения высокого уровня автоматизации процесса; доступность управления процессом; высокий эффект очистки и

др.

Большой объем исследований посвящен электрокоагуляции. Изучался процесс очистки от фторсоединений, солей тяжелых металлов, органических веществ в зависимости от продолжительности электролиза, плотности тока на электродах, исходной концентрации загрязнений и т.д.

* В дальнейшем, для удобства, будем пользоваться условно-обобщенным названием: элек-

тролиз - процесс с нерастворимыми электродами;

электрокоагуляция - с растворимыми электродами.

Исследования показали, что скорость изъятия фтора в процессе электрокоагуляции неравномерна. В начальный период процесса изъятие фтора идет более интенсивно, с течением времени процесс замедляется. Наглядно его кинетика иллюстрируется графическими зависимостями, представленными на

составляла около 2 ед., через 80 с. электролиза она достигала 8 ед.

Этот факт объясняется тем, что хлопья гидроксидов алюминия, образованные в начальный период времени, обладаютболее высокой сорбционной способностью. В дальнейшем за счет сорбции на вновь образованных осадках, более "старых", их сорбционная способность снижается, т.е. наблюдается процесс «старения» осадка.

Таким образом эффективность процесса очистки фторсодержащих стоков электрокоагуляцией зависит, главным образом, от дозы алюминия (определяется величиной тока) и скорости его введения в обрабатываемую жидкость. Установление этого явления предопределило ход дальнейших исследований по интенсификации процесса электрокоагуляции.

Интенсификация процесса очистки электрокоагуляцией может быть достигнута проведением процесса в многокамерных безнапорных аппаратах с непрерывным отведением осадка или в напорных электрокоагуляторах при повышенных скоростях движения жидкости в межэлектродном пространстве с высокими плотностями тока на анодах.

Электролиз в безнапорном режиме имеет ограниченные возможности. Скорость введения алюминия в систему определяется, главным образом, величиной плотности тока на аноде, которая, из-за поляризации электродов в безнапорных аппаратах, обычно не превышает ЗА/дм2. Реализация процесса электрокоагуляции при повышенных плотностях тока возможна при скоростях движения жидкости в межэлектродном пространстве более 0.5 м/с (до 3 м/с), что в безнапорных аппаратах осуществить практически невозможно.

Одним из возможных путей решения данной проблемы является проведение процесса в напорных электролизерах при давлении до 0.3 МПа в герме-