Теоретические основы защиты окружающей среды. Охрана водного бассейна в металлургии. Учебное пособие

ρ – плотность кристаллов;

n0 – число коллоидных частиц в единице объема воды; ψ – коэффициент формы;

λ – линейная скорость роста кристаллов при пересыщении а.

Из уравнения (2.1) видно, что скорость коагуляции (кристаллизации) зависит от числа частиц (концентрации примесей) и степени пересыщения (дозы коагулянта).

При перемешивании коагулирующих растворов или их фильтровании через зернистые загрузки происходит гетерокоагуляция частиц на поверхности растущих кристаллов коагулянта или зерен фильтрующей загрузки. Первый процесс реализуется в осветлителях со взвешенным слоем осадка, второй – в аппаратах контактной коагуляции.

2.4. Влияние различных факторов на процессы гетерокоагуляционной очистки воды

На процессы (скорость и эффективность) очистки воды гетерокоагуляцией оказывают влияние концентрация и состав растворенных примесей, концентрация коллоидных примесей, температура, перемешивание, магнитные и электрические поля.

Механизм влияния растворенных примесей сточных вод на кристаллизацию коагулянта может быть обусловлен процессами комплексообразования, адсорбцией, химическими взаимодействиями и др.

Неорганические вещества, имеющие общий ион с кристаллизующимся коагулянтом, ускоряют процесс кристаллизации, а не имеющие общего иона снижают скорость коагуляции.

Органические вещества, адсорбируясь на растущих кристаллах коагулянта, образуют пленки, тормозящие их рост.

Свозрастанием концентрации коллоидных и мелкодисперсных примесей скорость коагуляции увеличивается.

Сростом температуры увеличивается интенсивность броуновского движения частиц, а следовательно, и вероятность их столкновения. Возрастает скорость кристаллизации коагулянта и уменьшается инкубационный период.

При невысоких температурах образуются мелкие, медленно оседающие хлопья, увеличиваются необходимые дозы коагулянтов, снижается эффективность очистки воды.

Перемешивание способствует повышению скорости кристаллизации коагулянта и уменьшению инкубационного периода. Однако

31

чрезмерно интенсивное перемешивание приводит к дроблению хлопьев и ухудшает процесс агрегации частиц.

Электрические и магнитные поля, ультразвуковые колебания и другие физические факторы ускоряют процессы коагуляции.

2.5. Коагулянты, применяемые для очистки сточных вод

Для очистки сточных вод применяются различные минеральные соединения, способные образовывать аморфные или мелкокристаллические структуры, малорастворимые в воде. Наиболее широкое применение в технологии коагуляционной обработки сточных вод получили соединения алюминия, железа, магния и кальция.

В табл. 2.1 приводятся характеристики растворимости коагуляторов, образующихся в воде при введении этих коагулянтов.

Целесообразность применения того или иного коагулянта зависит от состава присутствующих в воде примесей и расхода воды, а также обусловливается экономическими соображениями.

2.6. Очистка воды коагуляцией при воздействии физико-химических факторов

Агрегативно устойчивые дисперсные системы могут коагулировать, если в результате физических или химических воздействий изменяется заряд, свойства частиц, свойства стабилизатора, а также при выводе стабилизатора из системы. Для этого применяют окисление, введение химических веществ, взаимодействующих с дисперс-

32

ными частицами или стабилизатором, радиационную обработку, воздействие электрического или магнитного поля и т.д.

Окисление: метод окисления может быть использован для разрушения поверхностно-активных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами коллоидных систем. Наиболее эффективно ПАВ окисляются озоном.

Обработка химическими реагентами: введение электролитов,

например, сильных кислот, солей щелочных металлов, изменяет заряд частиц (ζ-потенциал) или выводит из системы стабилизаторы, связывая их в нерастворимые соединения.

Радиационная обработка: воздействие излучения радиоактивных источников (Со60) может привести к потере стабильности коллоидной системы и к коагуляции независимо от знака заряда золя.

Существенное значение для коагуляционной очистки сточных вод могут иметь процессы радиационного разложения СПАВ, содержащихся в сточных водах и оказывающих стабилизирующее влияние на коллоидные системы. Однако эти процессы мало изучены и при их применении иногда наблюдается противоположный эффект, когда золи становятся более стабильными.

Воздействие электрического поля: устойчивость дисперсной системы в электрическом поле зависит от знака и суммарной энергии взаимодействия (энергии молекулярного притяжения, ионноэлектростатической энергии отталкивания и энергии дипольдипольного притяжения.

Электрообработку дисперсных систем можно проводить как в постоянном, так и в переменном, однородном и неоднородном электрических полях, а также с помощью электрического разряда малой мощности. В постоянном электрическом поле заряженные частицы перемещаются к противоположному по знаку зарядов частиц электроду, что приводит к коагуляции системы.

Важным параметром электрообработки сточных вод является величина критической напряженности поля:

Екр = 4π σi / εi,

где σi – поверхностный заряд частиц;

εi – диэлектрическая проницаемость среды.

При критической напряженности поля возникает необратимая агрегация частиц дисперсной фазы.

33

Взаимодействие дисперсных частиц в однородных электрических полях носит, в основном, диполь-дипольный характер. Величина силы, действующей на частицу в электрическом поле, во многом зависит от физических свойств двойного слоя.

Под действием неоднородного электрического поля коагуляционные агрегаты транспортируются диполофоретической силой

F = 1,2 ν · U · E02,

где ν – поляризуемость;

U – напряжение на электродах;

Е0 – напряженность неоднородного электрического поля в центре частиц.

Электрокинетический потенциал в процессе электрообработки связан с напряженностью поля. При увеличении напряженности поля ζ-потенциал может уменьшаться, достигая изоэлектрической точки, и система коагулирует.

При воздействии на дисперсную систему электрического разряда малой мощности (пробойный режим) наблюдается коагуляция, например, устойчивых суспензий глины и азокрасителей. При этом к факторам, обусловливающим нарушение агрегативной устойчивости, относятся: наличие электрического поля, резкий перепад давления и температуры, излучения и электрохимические реакции. С целью усиления воздействия электрической обработки на дисперсную систему следует сочетать поочередное действие однородных или неоднородных электрических полей и разрядов.

2.7. Электрохимическая коагуляция

Процессы очистки сточных вод от коллоидных примесей с использованием минеральных коагулянтов – солей алюминия и железа обусловливают введение в обрабатываемую воду анионов кислот и, следовательно, повышение ее солесодержания, что нежелательно. В то же время получение коагуляторов (гидроксидов этих металлов) может достигаться анодным растворением соответствующих металлов под действием электрического тока. При этом металлы анодов ионизируются и переходят в воду:

Al – 3ē → Al3+;

Fe – 2ē → Fe2+.

34

При диссоциации воды:

Н2О ↔ Н+ + ОН–; 2Н+ + 2ē → Н2↑

образовавшиеся катионы металлов взаимодействуют с ОН–-ионами образуя гидроксиды соответствующих металлов:

Аl3+ + 3OH– = Al(OH)3;

Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2.

Образующиеся гидроксиды коагулируют дисперсную систему. Прохождению процесса способствует наличие электрического поля, а также электрохимические реакции, протекающие в межэлектродном пространстве. С целью снижения расхода электроэнергии процессы проводятся при плотностях тока не более 10 А/м2, расстоянии между электродами 10…20 мм и напряжении на электродах 3…4 В. При этом удельный расход электроэнергии на очистку 1 м3

сточных вод составляет 0,5…0,7 кВт·ч.

2.8. Флокуляция и ее применение в технологии очистки воды

Для ускорения процессов хлопьеобразования коагулированных мелкодисперсных частиц используются некоторые высокомолекулярные вещества, называемые флокулянтами.

Под флокуляцией понимают процесс хлопьеобразования – взаимодействие высокомолекулярных веществ с мелкодисперсными частицами в воде с образованием агрегатов (хлопьев, комплексов) или процесс хлопьеобразования с помощью высокомолекулярных веществ, который в отличие от коагуляции протекает без изменения электрических свойств частиц. Процессы флокуляции широко используются в технологии очистки природных и сточных вод.

Флокулянты представляют собой растворимые в воде линейные полимеры, состоящие из большого числа групп с длиной цепочки до 1 мкм и имеющие молекулярную массу до нескольких миллионов и степень полимеризации 500–5000 и более.

По природе флокулянты подразделяются на неорганические (1), природные органические (2) и синтетические (3).

В воде флокулянты находятся в неионизированном состоянии или диссоциируют на ионы. В последнем случае флокулянты называют полиэлектролитами. В зависимости от состава полимерных групп флокулянты подразделяются следующим образом:

35

1)неионогенные – полимеры, содержащие неионогенные группы:

–ОН, –СО(крахмал, оксиацетилцеллюлоза, полиакрилонитрили др.);

2)анионные – содержащие анионные группы: –СООН, –SO3H, –OSO3H (полиакрилат натрия, лигносульфонаты и др.);

3)катионные – содержащие катионные группы: –NH2, NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102 и др.);

4)амфотерные – полимеры, содержащие и анионные и катионные группы (полиакриламид, белки и др.).

Физико-химические основы процесса флокуляции

Механизм действия флокулянтов основан на адсорбции их макромолекул на нескольких частицах с образованием полимерных мостиков, связывающих частицы между собой. Адсорбция полимеров сопровождается изменением ζ-потенциала частиц.

Для успешной флокуляции необходимо предварительное снижение агрегативной устойчивости дисперсной системы коагуляцией электролитами или другими методами.

Влияние различных факторов на процессы флокуляции

На скорость и эффективность процесса флокуляции существенное влияние оказывают: концентрация дисперсных частиц и свойства их поверхности; растворенные в воде примеси (соли щелочных металлов ухудшают процесс); перемешивание; последовательность введения коагулянта и флокулянта; количество и молекулярная масса флокулянта; величина рН; температура.

Флокулянты, применяемые для очистки воды

Для очистки сточных вод применяется много флокулянтов, как неионогенных, так и полиэлектролитов; в том числе активная кремнекислота (АК), получаемая на месте потребления из жидкого стекла:

Na2SiO3 + H2SO4 → H2SiO3 + Na2SO4,

H2SiO3 + H2О → Si (OH)4.

AК является анионным полиэлектролитом и отрицательный заряд макроиона AК облегчает адсорбционное и адгезионное взаимодействие ее с положительно заряженными дисперсными частицами.

36

Природными органическими флокулянтами являются крахмал,

декстрины, карбоксилметилцеллюлоза, гуаровые смолы. Эти вещества получают из природных растительных материалов: картофеля, кукурузы, морских водорослей, целлюлозы, бобовых растений. Они относятся к ионогенным или анионным полиэлектролитам и обладают значительной флокулирующей способностью.

Синтетические органические флокулянты. В настоящее время выпускается большое число неионогенных, анионных и катионных органических высокомолекулярных флокулянтов, которые вытесняют природные. Основные из них:

1)полиакриламид (ПАА) – анионный полиэлектролит с молекулярной массой от 3,4·106 до 4,5·106, применяется в виде 0,1–0,2 %-ного раствора;

2)гидролизованный полиакриламид (ГПАА), получаемый омы-

лением технического ПАА, – амфотерный полиэлектролит, способный диссоциировать в зависимости от рН по основному или кислотному механизм;

3)полиэтиленимин – эффективный катионный флокулянт с молекулярной массой до 100 тыс.;

4)четверичные аммониевые соли на основе поливинилтолуола и полистирола, технические названия: ВА-2, ВА-102, ВА-212, ВА-412 – катионныефлокулянты.

Перспективными флокулянтами являются полимеры на основе полиэтиленоксида и полиэтиленамида.

Технологические схемы и аппаратура для обработки воды коагуляцией и флокуляцией рассматриваются в последующих разделах курса.

37

3. CТОЧНЫЕ ВОДЫ ПРЕДПРИЯТИЙ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ, КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ И КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

Предприятия черной металлургии являются одними из крупнейших потребителей воды и источников сброса сточных вод. Сточные воды на предприятиях черной металлургии образуются на обогатительных и агломерационных фабриках, в доменных, сталеплавильных и прокатных цехах, в коксохимическом производстве.

3.1. Сточные воды обогатительных фабрик

На обогатительных фабриках образуется два вида сточных вод:

–от промывки руды;

–от процессов флотации (хвосты флотации).

Сточные воды от промывки руды загрязнены только твердыми механическими примесями – до 30 г/л.

Сточные воды от флотационного разделения руд помимо механических примесей (до 120 г/л ) содержат также флотореагенты, такие, например, как уайт-спирит или окисленный керосин (около 60 мг/л), кальцинированную соду, сульфатное мыло и др. Удельный расход воды зависит от ряда условий, в первую очередь от состава руды и концентратов, схемы технологических процессов обогащения, производительности фабрики и составляет от 5 до 15 м3 на 1 т обогащаемой руды. Абсолютное количество сточных вод обогатительных фабрик достигает десятков тысяч кубических метров в сутки. Поэтому на большинстве обогатительных фабрик применяются системы оборотного водоснабжения с повторным использованием сточных вод после соответствующей их очистки, в основном после осветления их в хвостохранилищах.

3.2. Сточные воды агломерационных фабрик

На агломерационных фабриках сточные воды образуются во всех отделениях от скрубберов мокрой очистки газов, от смыва с полов и стен и транспортных лент в корпусах подготовки шихты, обжига известняка, распределения материалов и агломерации, на всех пылеобразующих участках.

Удельный расход сточных вод на агломерационных фабриках составляет примерно 0,5 м3 на 1 т агломерата, а общий расход колеб-

38

лется в пределах от 500 до 4000 м3/ч. В сточных водах содержатся механические примеси (от 15 до 30 г/л), главным образом такие, как мелкодисперсные частицы руды, кокса и др. Характер загрязняющих примесей зависит от состава шихты, наличия или отсутствия мокрой очистки газов и схемы водоснабжения. При контакте воды с шихтой, содержащей известь, величина рН может повышаться с 7…7,5 до 12…13, щелочность с 1,3…3,6 до 21…22 мг-экв/л; повышается также солесодержание воды и количество хлоридов и сульфатов.

В сточных водах от скрубберов мокрой очистки газов может содержаться до 500 мг/л бисульфит-ионов, которые при взаимодействии с ионами кальция, содержащимися в подпиточной воде, образуют отложения в самотечных трубопроводах.

Методы очистки сточных вод аглофабрик

Потребители воды аглофабрик подразделяются на две группы:

1)потребители, использующие воду для охлаждения и гидроуплотнения оборудования (охлаждение подшипников, эксгаустеров и дымососов, уплотнение вакуум-насосов и др.). Они применяют техническую воду из условно чистого цикла системы оборотного водоснабжения с последующим ее использованием. Отработанная вода собирается в приемник условно чистой воды и затем направляется другим потребителям на повторное использование, после чего часть

еесбрасывается в «грязный» цикл для восполнения потерь, а часть возвращается этим же потребителям после охлаждения на градирнях;

2)потребители, отводящие загрязненные грубодисперсными примесями (ГДП) сточные воды: гидросмыв пыли из пылевых мешков газового коллектора, смывы с полов и стен, аспирационные установки, очистка аглогазов и др. Для этой группы предусматриваются схемы оборотного водоснабжения с предварительной очисткой оборотной воды в горизонтальных отстойниках или гидроциклонах и последующей доочисткой от ГДП (до остаточного их содержания

150…200 мг/л) в радиальных отстойниках [при нагрузках 0,8…1 м3/(м2 · ч)] или в гидроциклонах.

3.3.Сточные воды доменных цехов

3.3.1.Сточные воды от очистки газов доменных печей

Для улавливания из доменного газа механических примесей и его охлаждения могут применяться последовательно сухой и мокрый

39

методы его очистки. Первичная (грубая) очистка производится обычно в циклонах без использования воды. Тонкая очистка газов на многих предприятиях производится в скрубберах Вентури с использованием воды на орошение скрубберов для улавливания частиц пыли. Удельный расход воды на орошение скрубберов зависит от интенсивности доменного процесса, температуры используемого агломерата и требований к температуре чистого газа и изменяется от

2…4 до 6…9 л/ м3 газа.

Абсолютное количество воды, подаваемой на газоочистку, зависит от объема доменных печей: при объемах доменных печей 2700…3200 м3 расход воды составляет 2…4 тыс. м3/ч, а для газоочистки печей объемом 5000 м3 потребляется до 6600 м3 воды в час.

Состав сточных вод от мокрой очистки доменного газа зависит от качества топлива, рабочей температуры, давления газа под колошниками, состояния оборудования и т.д. Средний состав данных сточных вод характеризуется следующими данными, мг/л:

3.3.2. Сточные воды подбункерных помещений

Сточные воды подбункерных помещений доменных печей образуются при удалении из них просыпей шихты, а также пыли аспирационных установок. Общее количество воды, подаваемой на указанные нужды подбункерных помещений одной доменной печи, составляет до 2000 м3/ч.

Сточные воды подбункерных помещений содержат от 2000 до 3500 мг/л взвешенных веществ, достигая иногда 10…20 г/л, что обусловливается прочностными свойствами агломерата и руды. Гранулометрический состав частиц механических примесей изменяется от размеров более 5 мм (30 – 40 %) до размеров менее 50 мкм (около 50 %). Пыль содержит примерно 60 % железа, до 10 % СаО; скорость осаждения частиц (гидравлическая крупность) 0,3…0,4 мм/с.

40