Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы и аппараты очистки воды в металлургии. Учебное пособие
.pdf
5. По формуле (2.24) проводим проверочный расчет граничной
крупности δ
гр
:
гр
3
107,2
5,0014,0643,1543,0
01,02,328
3,06,17,45326,1
27
222,05,0714,0507,0572,0
(мкм).
Так как полученное значение δ
значения δ
= 47,5 мкм, которое необходимо обеспечить для задан-
гр
= 27 мкм меньше требуемого
гр
ного эффекта очистки сточных вод, подобранный гидроциклон обеспечит эффективность выше заданной.
6. Далее по формуле (2.25) определяем производительность одно-
го аппарата:
443,0025,0015,0143,0405,028,1053,0
Q (л/с) = 13,3 м
en
7,33,010326,12,32803,1
3
/ч
и общее количество требующихся гидроциклонов:
QQN .
hc
99,83,13120
(Принимаем 10 штук, в т. ч. один резервный.)
7. Определяем расход удаляемой с шламом воды, на который
нужно рассчитывать уплотнитель осадка:
8,4913,4,07
шл
007,0 NQq
en
(м3/ч).
2.5. Процессы выделения грубодисперсных
примесей в центробежном поле. Центрифуги
Одним из интенсивных методов выделения нерастворимых примесей из сточных вод является их центробежное осаждение, осуществляемое в осадительных центрифугах.
Основные преимущества осадительных центрифуг перед отстойниками – это компактность установок, более высокий эффект осветления сточных вод, возможность получения осадка более низкой
влажности. Наиболее перспективными типами осадительных центрифуг для очистки
сточных вод являются шнековые и маятниковые.
В зависимости от технических параметров работы, физикохимических свойств и расхода обрабатываемой суспензии в этих
центрифугах задерживается от 50 до 90 % частиц твердой фазы.
Осадительные центрифуги непрерывного или периодического
действия применяются для выделения из сточных вод мелкодисперсных взвешенных веществ, когда для выделения невозможно приме-
61
нение реагентов, а также при необходимости извлечения из осадка
ценных продуктов и их утилизации.
Центрифуги непрерывного действия применяются для очистки
сточных вод при расходах до 100 м
3
/ч, когда требуется выделить час-
тицы гидравлической крупностью 0,2 мм/с и более (противоточные
центрифуги) и 0,05 мм/с (прямоточные).
Центрифуги периодического действия применяются для очистки
сточных вод, расход которых не превышает 20 м
3
/ч, при необходимости
выделения частиц гидравлической крупностью 0,05…0,01 мм/с.
Подбор необходимого типоразмера осадительной центрифуги
производится по величине фактора разделения
F
, при котором обес-
r
печивается наибольшая степень очистки.
Фактор разделения
t
, с, определяются по результатам экспериментальных данных, по-
cf
F
и продолжительность центрифугирования
r
лучаемых в лабораторных условиях.
Q
Объемная производительность центрифуги
, м3/ч, рассчитыва-
cf
ется по формуле
где
Wcf – объем ванны ротора центрифуги, м
K
– коэффициент использования объема центрифуги, прини-
cf
3600 ,
tKWQ
cfcfcfcf
3
;
маемый равным 0,4…0,6.
2.6. Процессы глубокого удаления механических
примесей из сточных вод фильтрованием
Фильтрование обычно является завершающей стадией очистки
сточных вод, прошедших сооружения грубой механической (песколовки, отстойники, гидроциклоны, центрифуги), биологической и
физико-химической очистки.
В зависимости от концентрации и характера примесей, а также от
расхода сточных вод и требований к осветленной воде применяются
фильтры с фильтровальными перегородками или с зернистой фильтровальной загрузкой
.
Аппараты с фильтровальными перегородками – сетчатые бара-
банные фильтры – предназначены для механической очистки производственных сточных вод, содержащих растительные и животные
структурные примеси, для совместной очистки бытовых и производственных сточных вод, загрязненных частицами химических продуктов, активного ила и др. В зависимости от требуемой степени очист-
62
ки и условий применения их можно оснащать сетчатым полотном
или металлическими сетками с различной крупностью ячеек. В связи
с этим сетчатые барабанные фильтры условно подразделяются на модернизированные микрофильтры (МФМ) и барабанные сетки (БС).
Микрофильтры (модернизированные) представляют собой вра-
щающиеся горизонтальные барабаны диаметром 1,5…3 м с металлическими сетками, имеющими отверстия от 20 до 60 мкм. Барабан на
2/3 диаметра погружен в воду. Очищаемая вода поступает внутрь
барабана и фильтруется через сетчатые элементы наружу. Промывная вода под давлением 0,03…0,2 МПа подается на спрыски, расположенные под барабаном.
Удельная производительность микрофильтров
от 10 до 25 л/(м2·с)
при потере напора 0,2 м. Линейная скорость вращения сетки изменяется от 0,1 до 0,5 м/с. Свободное сечение ячеек микрофильтра составляет 28–36 % общей площади. Эффективность очистки воды на
МФМ – 40–60 %, что позволяет иногда заменить им первичные отстойники. Содержание взвешенных веществ в исходной воде, подаваемой на микрофильтры, должно быть не более 300
мг/л. При повышении содержания взвешенных веществ скорость барабана необходимо увеличивать.
Микрофильтры не рекомендуется применять для осветления
сточных вод после коагуляционной обработки гидроксидами алюминия или железа вследствие недостаточной прочности хлопьев, разрушающихся на сетке.
Барабанные сетки (БС)
задерживают грубодисперсные примеси
при отсутствии в воде вязких веществ. Они позволяют снижать содержание взвешенных веществ (при концентрации их в производственных сточных водах не более 250 мг/л) на 40–45 %, что позволяет
использовать их вместо первичных отстойников при биологической
очистке. Их устанавливают также перед фильтрами с зернистой загрузкой для грубой
предочистки сточных вод и повышения произво-
дительности и эффективности последних.
Эффективность очистки воды на барабанных сетках и их пропускная способность зависят от состава загрязняющих примесей исходной воды, размера фильтрующей сетки, частоты вращения барабана, интенсивности промывки и других условий эксплуатации установок.
Барабанные сетки выпускаются в двух вариантах: диаметром
1,5 м – поставляются в сборе и диаметром 3 м – поставляются в разобранном виде и монтируются на месте применения.
63
Фильтры с зернистой загрузкой, широко используемые для ос-
ветления природных вод, также широко применяются в процессах
доочистки биологически очищенных сточных вод, для доочистки
сточных вод, прошедших сооружения химической и физикохимической очистки от мелкокристаллической взвеси, для выделения
скоагулированных нефтепродуктов и т.д.
По скорости фильтрования фильтры с зернистой загрузкой под-
разделяются на медленные (0,5…2 м/ч
), скорые (2…15 м/ч) и сверх-
скорые (более 25 м/ч).
По способу подвода воды и режиму фильтрования они подразде-
ляются на открытые и закрытые (напорные).
По фракционному составу загрузки различают мелкозернистые (с
размером частиц верхнего слоя загрузки до 0,4 мм), среднезернистые
(0,4…0,8 мм) и крупнозернистые (более 0,8 мм) фильтры.
Для предотвращения выноса материала загрузки
фильтры оборудуются дренажными системами (пористые и перфорированные трубы и плиты, дренажные колпачки и др.) или фильтрующие материалы укладываются на поддерживающие крупнозернистые слои (гравий, щебень и т.п.), размещаемые в порядке увеличения крупности
частиц сверху вниз.
фильтрующим материалам предъявляется ряд требований: они
К
должны обладать определенным фракционным составом, механической прочностью (на истирание и измельчение), химической стойкостью к воде и ее примесям, должны быть доступны и иметь невысокую стоимость.
От фракционного состава загрузки зависит количество фильтрата,
производительность фильтра и потери напора в фильтре. С увеличением крупности
гранул загрузки производительность фильтра увеличивается, потери напора снижаются, качество фильтрата также снижается, с уменьшением крупности гранул наблюдаются обратные
процессы.
Недостаточная механическая прочность фильтрующего материала
способствует увеличению гидравлического сопротивления загрузки
и уносу материала промывной водой.
Наиболее широкое применение в качестве фильтрующей загрузки
получили: кварцевый песок, дробленый антрацит, мраморная и кера
мическая крошка, доломит, магнетит, дробленый керамзит и др. В
последнее время для загрузки фильтров используются пористые полимерные материалы: полистирол и вспененный пенополиуретан.
-
64
Для загрузки фильтров применяется также среднезернистый
(0,35…1,5 мм) и крупнозернистый (0,5…2 мм) песок. Антрацит, ис-
пользуемый для загрузки фильтров, должен иметь плотность
1,6…1,7 т/м
3
, насыпную массу 0,7…0,9 т/м3, размер зерен
0,8…1,8 мм.
Открытые фильтры обычно представляют собой прямоугольные
в плане резервуары с дренажными системами, загружаемые поддерживающими (гравий) и зернистыми материалами.
В верхней части резервуаров укреплены желоба для подачи исходной и отвода промывной воды. Высота слоя воды над загрузкой
фильтра принимается, как правило, не менее 2 м. Высота слоя загрузки выбирается в зависимости
от ее гранулометрического состава,
характера загрязняющих примесей, требуемой эффективности очистки воды, скорости фильтрования и т.д.
Например, для очистки сточных вод от нефтепродуктов применя-
ют следующие виды загрузки (табл. 2.8).
Таблица 2.8
Основные параметры загрузки фильтров
Тип загрузки Крупность частиц, мм Высота слоя, мм
Песок
Гравий
“
“
“
0,7…2
2…4
4…8
8…16
16…32
1200
400
200
200
До распределительной системы
Для очистки сточных вод наиболее часто применяются скорые открытые фильтры при скорости фильтрования 5…10 м/ч. Продолжительность фильтроцикла зависит от многих факторов: содержания и
состава примесей, скорости фильтрования, высоты слоя загрузки,
размера ее частиц и других факторов и обычно изменяется от 8…12
до 150…200 ч при эффекте очистки 87–95 %.
Скорые песчаные фильтры работают
как поверхностные, т. е. частицы загрязнений задерживаются в них в тонком слое загрузки. В
таком случае высоту слоя загрузки целесообразно уменьшать до
30…40 см.
Напорные фильтры представляют собой закрытые цилиндриче-
ские вертикальные или горизонтальные резервуары, оборудованные
дренажной системой и распределительной системой для подачи воздуха, подачи и отвода воды. Фильтры рассчитываются на давление
65
0,4…0,6 МПа. Выпускаются вертикальные напорные фильтры диа-
метром от 1 до 3,4 м, производительностью 50…90 м
3
/ч. Высота за-
грузки фильтрующего материала в них 1 000…1 200 мм.
Напорные скорые фильтры применяются обычно для осветления
небольших количеств сточных вод, загрязненных взвешенными веществами, смолами, нефтепродуктами (после коагуляции) и т.д.
Продолжительность фильтроцикла в них от 8 часов до нескольких
суток, эффект очистки – от 70 до 90–95 %, в зависимости от характе-
концентрации загрязняющих примесей.
ра и
Разработанные
2- и 3-камерные фильтры, представляющие 2–
3 фильтра, расположенных друг над другом, что позволяет в 2–3 раза
повысить производительность без увеличения диаметра фильтра.
Многослойные фильтры обеспечивают увеличение грязеемкости
без снижения эффективности очистки. Наличие в них верхних крупнозернистых слоев обусловливает большую глубину проникновения
загрязнений, а наличие нижних мелкозернистых слоев – высокую
эффективность осветления воды.
Наибольшее распространение получили 2-слойные фильтры с за-
d
грузкой верхних слоев антрацитом (
полистиролом, а нижних слоев – песком (
= 0,8…1,1 мм), керамзитом,
d
= 0,4…0,5 мм), дробле-
ным гранитом, магнетитом и др.
Скорость фильтрования в них составляет более 10 (до 25) м/ч.
Грязеемкость многослойных фильтров в 2–4, а продолжительность
фильтрования в 2–3 раза выше, чем однослойных.
Регенерация фильтров с зернистой загрузкой производится при на-
коплении задерживаемых загрязнений в теле загрузки, контролируемом
по потерям напора до определенной заданной величины. Так, например,
предельные потери напора при работе крупнозернистых напорных
фильтров в процессах водоподготовки принимаются не более 15 м водяного столба, в открытых фильтрах – 3…3,5 м.
Регенерация фильтров производится промывкой их обратным током воды (
фильтрата), а также водовоздушной промывкой.
Промывка фильтров с зернистой загрузкой производится подачей
воды (фильтрата) в дренажную систему со скоростью, обеспечивающей переход зерен загрузки во взвешенное состояние. При этом зерна загрузки сталкиваются друг с другом, в результате чего налипшие
на них загрязнения отмываются и выносятся из загрузки. Для эффективной отмывки загрузки разной крупности требуется
различная степень расширения фильтрующего слоя, составляющая до 25 % от объема загрузки в плотном слое. Для достижения необходимой степени
66
расширения и эффективной регенерации применяются различные
режимы с определенной интенсивностью подачи воды и воздуха
[
I, л/(см
2
)], зависящей от назначения фильтров и крупности загру-
зочного материала.
Так, регенерация крупнозернистых фильтров (с крупностью зерен за-
грузки
d
= 1…2 мм и d = 1,6…2,5 мм) в водоподготовке производится
водовоздушной промывкой со средней интенсивностью подачи: воды
I
= 6…8 л/(см2) и воздуха I
вод
дится в три стадии:
первая стадия – взрыхление загрузки водой при по-
даче ее с интенсивностью
1 мин;
подачи: воды
жительность – 5 мин;
вторая стадия – водовоздушная промывка с интенсивностью
I
= 3…4 л/(см2), воздуха I
вод
третья стадия – окончательная отмывка водой с
= 15…20 л/(см2). Регенерация прово-
возд
I
6…8 л/(см2) и продолжительностью
вод =
15…25 л/(см2), продол-
возд =
интенсивностью 6…8 л/с, продолжительность – 2 мин.
Напорные фильтры, используемые при очистке смолосодержащих
сточных вод в коксохимических производствах, также подвергаются
трехступенчатой регенерации.
На первой ступени в загрузку фильтра подается воздух с интен-
2
сивностью 16…20 л/(см
воздух [
I = 5…6 л/(см
10…15 мин, на третьей ступени – вода [
) в течение 8…10 мин, на второй ступени –
2
)] + горячая вода [I = 5…7 л/(см2)] в течение
I = 15…20 л/(см
2
)].
Напорные фильтры, используемые в процессах очистки нефтесодержащих сточных вод, регенерируются промывкой водой при подаче ее
d
снизу вверх с интенсивностью: при
при
d
= 1…1,2 мм I = 14…16 л/(см2). Использование для регенерации
= 0,7…0,8 мм Iпр = 10…12 л/(см2),
загрузки горячей воды повышает эффективность отмывки загрузки от
нефтепродуктов. В одну ступень рекомендуется проводить также регенерацию кварцевых фильтров при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов (меди, цинка и др.), выделяя их в труднорастворимые соединения типа гидроксидов и основных солей. При крупности частиц
загрузки
16…18 л/(см
d
= 1…2 мм промывка ее противотоком с интенсивностью
2
) в течение 7…8 мин обеспечивает практически полное
восстановление исходной грязеемкости.
Процессы регенерации загрузки фильтров должны тщательно
контролироваться во избежание уноса загрузки с промывной водой.
Промывочные воды от регенерации фильтров, содержащие задерживаемые фильтром механические загрязнения в больших концентрациях, как правило, направляются в голову процесса очистки
сточных вод перед отстойниками.
67
2.7. «Огневой» метод обезвреживания
сточных вод
«Огневой» метод обезвреживания сточных вод относится к термоокислительным способам, но его можно рассматривать и как физический или физико-химический процесс.
Сущность термоокислительного обезвреживания «огневым» методом заключается в сгорании органических веществ парогазовой фазы
при введении обрабатываемой воды в распыленном состоянии в зону
высокотемпературных (900…1 000 С) продуктов горения топлива.
Минеральные
примеси при этом образуют твердые или расплавленные
продукты, которые выводятся из рабочей камеры печи в виде шлаков
или уносятся дымовыми газами в виде пылей.
К недостаткам метода относится высокий расход топлива при
низкой теплотворной способности содержащихся в сточных водах
веществ. Поэтому применение «огневого» метода рекомендуется для
обезвреживания небольшого количества сточных
вод:
1) содержащих высокотоксичные органические примеси в больших концентрациях, извлечение или обезвреживание которых другими методами невозможно или экономически нецелесообразно;
2) при извлечении ценных минеральных примесей;
3) при наличии горючих производственных отходов (кубовые ос-
татки, сбрасываемые газы), которые могут быть использованы вместо топлива.
В практике обезвреживания сточных вод «огневым» методом
применяются камерные шахтные, циклонные печи и печи с псевдоожиженным слоем.
В связи с тем, что в металлургических производствах упомянутые
выше виды сточных вод образуются в редких случаях, этот метод на
металлургических предприятиях практически не используется и подробно в настоящем курсе не рассматривается.
68
3. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
3.1. Назначение и сущность биохимических
методов очистки сточных вод
Биохимические (биологические) методы очистки занимают первое место по объему обрабатываемых сточных вод среди всех известных методов. Наибольшее распространение они получили в технологии очистки хозяйственно-бытовых, городских и промышленных сточных вод, приоритетными загрязняющими компонентами
которых являются соединения различных классов.
Биохимические методы предназначены для извлечения из бытовых и
промышленных сточных вод тонкодисперсных, коллоидных и
растворенных в них органических веществ. Применяются они обычно после того, как из сточных вод извлечены грубодисперсные примеси.
В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит
биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных (в присутствии кислорода) или анаэробных (без
доступа кислорода) условиях. При этом используется
способность микроорганизмов потреблять в качестве питательного
субстрата многие органические вещества и некоторые неорганические соединения (органические кислоты, спирты, белки, углеводы и
т.д.), которые являются для них источниками углерода. Необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов азот, фосфор, калий
они получают из различных соединений: азот – из аммиака
, нитратов, аминокислот и др., фосфор и калий – из соответствующих минеральных солей.
Участвуя в конструктивном и энергетическом обмене живой
клетки, органические вещества претерпевают сложные химические и
биологические превращения. В результате катаболических процессов
происходит распад этих веществ с образованием более простых органических низкомолекулярных соединений, часть из которых либо
подвергается
дальнейшему окислению до СО2 и Н2О с выделением
энергии, либо превращается в продукты метаболизма, а другая часть
используется для биосинтеза в процессах анаболизма.
В процессе питания микроорганизмы получают материал для
строения своего тела, вследствие чего происходит прирост их массы
(биомассы или активного ила).
69
Процесс биохимической очистки сточных вод, заключающийся в
изъятии из них и потреблении микроорганизмами органических
примесей, состоит из трех основных стадий:
1 – массопередача органического вещества и кислорода из жидкости к поверхности клетки (внешняя диффузия);
2 – диффузия вещества и кислорода через полупроницаемую мембрану клетки;
3 – метаболизм, разрушение адсорбированных веществ внутри
клетки микроорганизмов
при протекающих в ней химических процессах (окисление-восстановление), сопровождающееся приростом
биомассы, выделением энергии, диоксида углерода и т.д.
Процессы сорбции органических веществ микроорганизмами существенного влияния на механизм биологической очистки сточных
вод не оказывают. Основная роль принадлежит процессам превращения вещества внутри клетки.
Соответственно условиям проведения процесса очистки (аэробные
или анаэробные) и микроорганизмы, осуществляющие процесс,
делятся на две группы: аэробные и анаэробные.
Прирост биомассы микроорганизмов за счет потребления части
органических веществ на построение своего тела зависит от соотношения количества веществ, поддающихся биохимическому распаду
(выражается показателем БПК), и общего количества органических
веществ, содержащихся в очищаемой сточной жидкости (выражается
показателем
ХПК).
БПК (биохимическое потребление кислорода) – это количество
кислорода, израсходованное за определенный промежуток времени
на аэробное биологическое разложение органических веществ, содержащихся в сточных водах, выраженное в мг
/л. Определение
О
2
БПК проводится в стандартных условиях (температура 20 1 С, от-
сутствие света, нормальное давление и доступ воздуха). Обычно для
характеристики воды определяют БПК
и БПК20 (БПК
5
) по време-
полн
ни инкубации микроорганизмов и до полного окисления органических веществ микроорганизмами.
ХПК (химическое потребление кислорода) – количество кислоро-
да (мг
CO
/л), необходимое для окисления органических веществ до
О
2
, H2O и NO3, серосодержащих веществ – до сульфатов, фосфор-
2
содержащих – до фосфатов.
Таким образом, чем больше отношение БПК/ХПК, тем полнее будет биохимическая очистка с расходованием значительной части углерода и водорода органических веществ на энергетические потреб-
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]