Технология очистки сточных вод. Учебное пособие

Ток воздуха создается за счет жидкости, перетекающей из напорной емкости 1 в вытеснительную склянку 2. Далее воздух проходит через поглотительную склянку 3 с раствором NaOH (для очистки от СО2) и затем попадает в трубку Халлимонда 7.

На аналитических весах берут 4-5 навесок исследуемого минерала (0,5-1,0 г). Затем готовят 4-5 растворов (100 мл), отличающихся друг от друга концентрацией собирателя или величиной рН раствора, при постоянной концентрации собирателя. Навески минерала переносят в приготовленные растворы и в течение 15-20 минут приводят (при перемешивании) в равновесие с растворами, затем поочередно помещают во флотационный аппарат и подвергают флотации. Частицы минерала перемешиваются в трубке магнитной мешалкой. Воздух вводят в прибор через керамический фильтр. Частицы минерала прилипают к поднимающимся пузырькам воздуха и выносятся на поверхность. Достигнув поверхности, пузырьки лопаются, а освободившиеся минеральные частицы собираются в отводном отсеке с краном. По окончании опыта отфлотированный минерал, называемый концентратом, и остальную часть, называемую хвостом, собирают в отдельные предварительно взвешенные бюксы, и высушивают в сушильном шкафу до постоянной массы. На основании результатов взвешиваний определяют относительное количество минерала, перешедшего в концентрат Q по формуле

Аналогичную работу проделывают со следующими навесками минералов. Полученные результаты записывают в табл. 4.1 и строят график зависимости величины концентрации собирателя от рН.

Таблица 4.1

31

На основании полученных результатов делают вывод по проделанной работе.

5. Очистка сточных вод от примесей методом фильтрования

Для очистки воды от механических примесей в промышленных условиях применяют главным образом зернистые сыпучие материалы. Основным требованием, которое предъявляется к таким материалам, является их устойчивость в обрабатываемой воде. Фильтры с зернистой загрузкой широко используются для осветления природных вод и доочистки сточных, для выделения нефтепродуктов и смол. Наиболее широко применяются такие фильтрующие материалы, как кварцевый песок, дробленый антрацит, кварц, мрамор, керамическая крошка, доломит, магнезит и пр.

К фильтрующим материалам предъявляется ряд требований. Они должны обладать определенным фракционным составом, механической прочностью (на истирание, измельчение), химической стойкостью (не растворяться в растворах кислот и щелочей, др. растворителях), должны быть доступными и дешевыми. Фракционный состав зерен фильтрующей загрузки определяет производительность фильтров. По скорости фильтрования зернистые фильтры подразделяются на медленные (0,5 м/ч), скорые (2-15 м/ч) и сверхскорые (25 м/ч и более).

Загрузку принято классифицировать в зависимости от размера частиц следующим образом: мелкозернистая 0,4 мм, среднезернистая 0,4-8 мм, крупнозернистая более 8 мм.

Для предотвращения выноса фильтрующего материала с фильтратом применяют специальные дренажные системы (пористые трубы, плиты, колпачки и т.п.) или укладывают фильтрующие материалы на поддерживающие слои (гравий, щебень и др.), размещаемые по мере увеличения крупности частиц.

При работе фильтра увеличивается толщина пленки загрязнений на поверхности и в толще фильтрующей загрузки, возрастает глубина проникновения частиц в загрузку, ухудшается качество фильтрата, увеличивается сопротивление фильтра, следовательно, падает скорость фильтрования. При правильном подборе материала, величины гранул загрузки и толщины фильтрующего слоя снижение скорости фильтрования совпадает по времени с ухудшением качества фильтрата.

32

По окончании цикла фильтрования загрузку промывают. Промывная вода (обычно фильтрат) поступает под давлением в дренаж фильтра со скоростью, обеспечивающей переход зерен загрузки во взвешенное состояние. При этом зерна загрузки сталкиваются друг с другом, в результате чего налипшие загрязнения отмываются потоком промывной воды и выносятся из загрузки.

Лабораторная работа 5

Определение эффективности очистки сточных вод от эмульгированных масел на фильтрах с зернистой загрузкой

Цель работы: определение эффективности фильтра с загрузкой из полимерных материалов в процессе очистки сточных вод от масел и нефтепродуктов.

Необходимое оборудование и реактивы:

стеклянная емкость объемом 5 л; стеклянные колонки диаметром 3 см, длиной 30 см; трехходовый резиновый кран с зажимами; колбы емкостью 250 мл - 5 шт.; мерный стакан емкостью 500 мл; прямой стеклянный холодильник;

стеклянный приемник емкостью 250 мл; стеклянный переходник; электрическая плитка;

стеклянные бюксы емкостью 20 мл – 6 шт.; секундомер; гранулы полиэтиленовые;

гранулы пенополиуретановые; концентрированная соляная кислота 100 мл; хлороформ 500 мл; машинное масло.

Ход работы

Напорную емкость наполняют водопроводной водой. Из воронки в нее по каплям вводят машинное масло и размешивают мешалкой. Расход масла порядка 3 г/ч. Проводят определение содержания масла в воде до фильтрации.

33

Через трехходовый кран эмульсию подают на колонки, заполненные пенополиуретаном и гранулами полиэтилена. Расход воды регулируют краниками на колонках. Его величина должна составлять 5 л/ч на каждой колонке. Включают мешалку, открывают краники на колонках и устанавливают расход 5 л/ч на каждой из них. Высота заполнения напорной емкости должна поддерживаться постоянной.

Величину расхода можно установить при помощи мерного стакана и секундомера.

Через 1; 1,5; 2 ч после начала фильтрации отбирают в колбы по две пробы отфильтрованной воды по 0,5 л и определяют в них концентрацию масла. По заданию преподавателя методом обработки результатов по данным анализа определяют вид загрузки, при которой достигается более глубокая очистка, зависимость степени очистки воды от скорости фильтрации, концентрации масла, высоты столба загрузки, температуры воды, числа регенераций загрузки, количества взвешенных примесей.

Последовательность экстракционного определения содержания эмульгированного масла в воде:

1.Отбирают в колбу или стакан 250 мл анализируемой воды и добавляют к ней 1-2 капли концентрированной соляной кислоты до установления рН =4-5.

2.В мерный стакан отбирают 30-35 мл хлороформа и добавляют к пробе. Все содержимое переносят в делительную воронку и встряхивают в течение трех минут.

3.Делительную воронку ставят в штатив и дают отстояться содержимому в течение 20 минут.

4.Сливают нижний слой в перегонную колбу и отгоняют СНCl3 до тех пор, пока его не останется 5-6 мл.

5.Остаток хлороформа из перегонной колбы переливают в предварительно взвешенный бюкс.

6.Бюкс ставят на разогретую кафельную плитку и дают хлороформу испариться (под тягой). В бюксе остается налет масла.

7.Взвешивают бюкс с маслом. По разности в массе бюкса определяют содержание масла в воде.

34

6. Химические методы очистки сточных вод

К химическим методам очистки сточных вод относятся нейтрализация, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов, которые применяют для удаления растворимых веществ из сточных вод, и в замкнутых системах водоснабжения предприятий. Химическую очистку иногда проводят как предварительную перед биологической или после нее как метод доочистки сточных вод.

Очистка сточных вод, содержащих вредные органические примеси. В практике применяется метод окислительной очистки сточных вод с использованием таких окислительных агентов, как хлор и хлорсодержащие вещества, кислород воздуха, озон и др.

В частности, в процессе производства и применения ряда красителей часть их попадает в сточные воды. Сброс таких вод в водоемы без предварительной очистки недопустим, так как это ведет к нарушению кислородного режима водоема, изменению органолептических свойств воды. В связи с этим проблема очистки сточных вод от красителей окислительным методом является весьма актуальной. Наибольшее распространение для очистки таких сточных вод от красителей получили: электрохимические методы и адсорбция.

Очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов.

Во многих отраслях промышленности перерабатывают или применяют различные соединения ртути, хрома, никеля, мышьяка и других веществ, что ведет к загрязнению ими сточных вод.

Хром - белый, твердый, блестящий металл (Тпл. 1860°С). Впервые хром был использован при производстве пигментов для красок во Франции, Германии и Англии примерно в 1800 г. В конце XIX в. хром стали использовать как огнеупорный материал для облицовки домен. В период 1910 - 1915 гг. была открыта возможность использования хрома в металлургии и, начиная с этого момента, его потребление непрерывно растет.

Хром широко используется для нанесения защитных покрытий на металлические изделия. Однако в непассивированном состоянии хром активен и растворяется в кислотах. Хром в состоянии Сr+6 существует только в виде оксисоединений, например, CrО3, (CrО4)-2, (Cr2O7)-2, и является сильным окислителем. В растворе переходные состояния Сr+5 и Сr+4 быстро диспропорционируют на Сr+6 и Сr+3. В

35

окисленном состоянии ион Сr+3 может образовать различные устойчивые комплексные соединения. Смесь ионов хромата и бихромата обладает мутагенным действием. Экспериментальные данные последних лет показывают, что шестивалентный хром также обладает мутагенными и аллергенными свойствами. Малорастворимые соли шестивалентного хрома, и особенно хромат кальция, - наиболее мощные канцерогены. Ион трехвалентного хрома соединяется с белками печени, костного мозга, нуклеиновыми кислотами и накапливается в легких.

Большинство хромсодержащих реактивов производят в настоящее время из чистого бихромата натрия, который получают из хромата. Соединения хрома используют: а) в качестве пигментов краски и закрепителей в текстильной промышленности; б) в качестве дубильных веществ в кожевенной промышленности; в) для хромирования стальных изделий.

Соединения хрома, попадающие в газовую фазу, концентрируются на поверхности аэрозольных частиц. Поэтому все процессы высокотемпературной переработки хромсодержащих соединений являются потенциальными источниками загрязнения атмосферного воздуха хромом.

Уровень содержания хрома в аэрозолях в зоне перерабатывающих хромсодержащие соединения заводов может достигать 1 мг/м3 при фоновом природном уровне 10- 6 мг/м3.

Основных поставщиков хромсодержащих аэрозолей в атмосферу в порядке уменьшения масштабов их выбросов можно расположить в следующий ряд - переработка феррохрома, изготовление огнеупоров, сжигание угля и производство легированных сталей. Только при сжигании ископаемого топлива в атмосферу поступает примерно 1450 т хрома в год.

Источниками загрязнения почв хромом являются отвалы шлаков, получающихся при производстве феррохрома и легированных сталей. Некоторые фосфатные удобрения также содержат хром в концентрациях от 102 до 104 мг/кг удобрений.

Главные источники поступления хрома в поверхностные воды

– сточные воды с процесса обработки металлов (нанесение гальванических покрытий, травление, полировка). В этих производствах возможно загрязнение сточных вод более токсичной формой хрома Сr+6. Значительные источники Сr+6 - жидкие стоки кожевенных производств и красители, содержащие иногда до нескольких граммов хрома на

36

литр сточной воды. На промышленных предприятиях, производящих гальваническое покрытие металлических изделий хромом, образуются сточные воды больших объемов, которые содержат, как правило, от 10 до 500 мг/л шестивалентного хрома. Предельно допустимая концентрация его соединений в воде водоемов составляет в пересчете на Сr+6 0,1 мг/л. Сточные воды, поступающие на биологические очистные сооружения, должны иметь концентрацию по Сr+6 не выше 0,1 мг/л. Все это вызывает необходимость локальной очистки сточных вод от шестивалентного хрома.

Возможными методами очистки хромсодержащих стоков являются:

1) химические (реагентные) - восстановление шестивалентного

хрома:

-бисульфитом натрия;

-сульфитом натрия;

-сульфатом двухвалентного железа (железным купоросом);

-железной стружкой;

2)электрохимические:

-электрокоагуляционный;

-электродиализный;

3)мембранные:

-обратный осмос;

-ультрафильтрация;

4)ионообменный;

5)сорбционный;

6)биохимический.

Наибольшее распространение в практике очистки промышленных сточных вод от шестивалентного хрома нашел реагентный метод. Реагентная очистка заключается в том, что сначала Сr+6 восстанавливают до Сr+3, который затем осаждают в виде Сr(ОН)3. Возможно также осаждение Сr+3 в виде солей бария, свинца и др. В качестве реагентов для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов используют гидроксид кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды натрия и др.

Сущность реагентных методов очистки заключается в переводе растворимых в воде веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их от воды в виде осадка.

37

Обезвреживание хромсодержащих стоков сульфитными соединениями (восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного) проводят в кислой среде (рН=2-4)

2Na2Cr2O7 + 6NaHSO3 + 5H2SO = 2Cr2(SO4)3 + 5Na2SО4 + 8H2O.

Метод прост в эксплуатации и позволяет достичь ПДК по Сг+6, однако требует значительного расхода реагентов. В сточную воду вносятся дополнительные загрязнения (хорошо растворимые в воде), что не позволяет возвращать воду в оборотный цикл из-за повышенного солесодержания.

Восстановление хрома солями двухвалентного железа, например, железным купоросом, или железной стружкой применяется, как правило, для очистки малых объемов стоков

2Н2Сr2О7 + 6FeSО4 + 5H2SO4 2Cr2(SО4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 8H2O.

Процесс окисления можно представить следующими уравнениями реакций

Реакции (6.2) и (6.3) протекают при рН<3, а последние три реакции начинаются при рН>3 (при выпадении осадка гидроксида железа трехвалентного и недостатке кислоты).

Метод обеспечивает достижение ПДК по шестивалентному хрому и высокую скорость процесса, однако при его применении требуется большой избыток железа двухвалентного, так как оно легко окисляется до трехвалентного еще при хранении на складе.

В качестве восстановителей используют также сернистый газ, бисульфит натрия, сульфит натрия, железный купорос. Реакции восстановления осуществляют в кислой среде (рН=2-4). Осаждение трехвалентного хрома проводят известковым молоком, щелочью, углекис-

38

лым натрием (рН=8-9). Восстановление Сr+6 можно проводить посредством других неорганических и органических веществ, таких как опилки, сахар, патока, бумага и др. Во всех случаях при осаждении трехвалентного хрома выпадает большое количество осадков, которые в промышленности называют шламы. Наименьший объем шлама получают при применении солей бария, наибольший - при восстановлении хрома солями железа и осаждении известковым молоком. Среди различных восстановителей ионов шестивалентного хрома наибольшее распространение в практике очистки сточных вод получили газообразный и жидкий сернистый ангидрид, сульфит и бисульфит натрия.

Электрохимический метод применим для очистки в электролизерах хромовых стоков, содержащих от 100 до 1000 мг/л шестивалентного хрома. В качестве электродов используют железные пластины, процесс осуществляют при рН среды от 1 до 2. На катоде идет процесс восстановления иона шестивалентного хрома до трехвалентного. При этом возможно очистить стоки до концентрации по Сr+6 до 1 мг/л, однако необходимы большие энергетические затраты и установка дополнительного оборудования. Кроме того, для обезвреживания хрома используется электрохимический метод с растворимым анодом (электрокоагуляция). Образующиеся ионы Fe+2 восстанавливают Сr+6 до Сr+3. Гальванический осадок, содержащий Сr(ОН)3, выпадает, захватывая при этом и другие тяжелые металлы, содержащиеся в очищаемой воде. Метод пригоден для обезвреживания хромовых стоков с расходом до 100 м3/ч и концентрацией хрома до 150 мг/л. Для организации этого метода очистки не требуется больших площадей, исключается дополнительный расход реагентов, очищенную воду можно использовать повторно, т.е. создать циклическую водооборотную систему. Этим методом обеспечивается ПДК по трех- и шестивалентному хрому.

Лабораторная работа 6.1

Очистка сточных вод, содержащих ионы шестивалентного хрома, раствором сульфита натрия

Цель работы: определение оптимального значения величины рН реакционной среды и количества сульфита натрия, необходимого для полного восстановления Сr+6.

Необходимое оборудование и реактивы:

39

колба емкостью 100, 250 и 500 мл – по 6 шт.; раствор бихромата калия 0,3М 300 мл; раствор сульфита натрия 45 г/л 500 мл; соль Мора 0,25 Н 100 мл;

индикатор N-фенилантраниловая кислота; раствор серной кислоты 30 %-ный 1 л.

Ход работы

Задание 1. Приготовление хроматных растворов проводят по схеме, предложенной в табл. 6.1.

В колбу емкостью 500 мл наливают 200 мл дистиллированной воды, добавляют из бюретки определенный объем раствора серной кислоты и получают растворы А с величиной рН=1-6. В мерную колбу на 100 мл из бюретки заливают 20 мл раствора К2Сr2О7 и доводят до метки растворами А. Таким образом, получают хроматные растворы со значением рН от 1 до 5.

Содержание ионов хрома в хроматных растворах А определяют прямым титрованием раствором соли Мора в присутствии индикатора фенилантраниловой кислоты следующим образом:

- из анализируемого раствора с помощью пипетки отбирают пробу массой 0,5000 г в колбу на 100 мл;

40