ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие

471

Рис. 5.14. Круглый усреднитель:

1 – водоподающий канал; 2 – распределительный лоток; 3 – глухая радиальная перегородка; 4 – сборный лоток

Для фильтрования воды используют барабанные фильтры, представляющие собой сетку с размером ячеек 40х40 мкм. Обрабатываемая вода подается внутрь барабана, фильтруется через вращающуюся сетку, освобождается от взвешенных частиц и примесей и подается на дальнейшую обработку.

Для фильтрования воды на водоочистных станциях используют открытые кварцевые фильтры. Они имеют в нижней части дренажное устройство, на которое уложен поддерживающий слой гравия. На него насыпают фильтрующий слой из кварцевого речного песка. Двигаясь сверху вниз вода фильтруется через слой песка и гравия и, пройдя их, по выпускной трубе дренажного устройства отводится из фильтра. Загрязненный фильтр обратным током воды промывается один-два раза в сутки.

472

К методам химической водоочистки относятся:

нейтрализация – используют для приведения показателя рН к 6,5–8,5; окисление – применяют для очистки сточных вод, содержащих токсич-

ные примеси (цианиды), которые нецелесообразно извлекать из стоков. Нейтрализацию проводят одним из следующих способов: взаимной нейтрализации кислых и щелочных сточных вод;

с использованием реагентов (растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, кальцинированная сода, каустическая сода, аммиачная вода); фильтрованием через нейтрализующие растворы в специальных

фильтрах-нейтрализаторах.

В зависимости от исходных данных необходимый способ нейтрализации можно выбрать с использованием данных, приведенных в табл. 5.3.

При нейтрализации отработавших травильных растворов (рис. 5.15), например гашеной известью в виде известкового молока, химические реакции протекают следующим образом: с серной кислотой:

H2SO4 + СаО + Н2О = СаО + 2Н2О; с сульфатом железа

FeSO4 + СаО + Н2О = CaSO4 + Fe(OH)2.

Нейтрализацию кислых сточных вод, содержащих H2SO4 или HNО3, проводят фильтрованием их через слой доломита (рис. 5.16), при этом реакции идут по следующей схеме:

2HNO3 + СаСО3 = Ca(NO3)2 + Н2О + СО2; 2HNO3 + MgCO3 = Mg(NO3)2 + Н2О + СО2

473

Рис. 5.15. Установка по нейтрализации отработавших травильных растворов:

1 – отработавшие травильные растворы; 2 – приемный резервуар; 3 – склад извести; 4 – помещение для гашения извести; 5 – растворные баки; 6 – дозатор; 7 – смеситель; 8 – камера нейтрализации; 9 – отстойники; 10 – нейтрализованный сток; 11 – осадки; 12 – площадки

Рис. 5.16. Фильтр каркасно-засыпной:

1 – поддерживающие гравийные слои; 2 – распределительная система высокого сопротивления; 3 – трубчатая система для подачи исходной и отведения промывной воды; 4 – подача воздуха; 5 – гравийный каркас; 6 – песчаная засыпка; 7 – подача промывной воды; 8 – отвод фильтров

474

Доза реагента для обработки сточных вод определяют из условия полной нейтрализации содержащихся в них кислот или щелочей и принимают на 10 % больше расчетной (табл. 5.4).

Таблица 5.4 Определение дозы реагента для обработки сточных вод

В производственных сточных водах всегда присутствуют ионы тяжелых металлов, расход реагентов для удаления металлов можно определить по данным табл. 5.5.

Окисление

При обезвреживании цианидов CN– в качестве окислителей используются хлор, гипохлорит кальция и натрия, хлорная известь, диоксид хлора, озон, технический кислород, кислород воздуха, пероксид водорода, перманганат и бихромат калия.

При обезвреживании хлором протекают следующие процессы:

475

хлор при введении в воду гидролизуется с образованием хлорноватистой и соляной кислот:

C 2 H2O HOC HC ,

хлорноватистая кислота частично диссоциирует на ион гипохлорита CO и ион водорода Н+;

между гипохлоритом CO и цианидами CN– идет реакция с образованием цианитов CNO–:

CN OC CNO C ,

цианаты гидролизуются:

CN 2H H2O CO2 NH4

Более сильным окислителем, чем хлор, является озон О3. Реакции окисления сероводородов H2S и цианидов CN– идут по схеме:

Н2S + O3 S + O2 + H2O;

3H2S + 4O3 3H2SO4;

CN– + O3 CNO– + O2.

Далее протекает реакция гидролиза до образования безвредных продуктов.

Для обезвреживания цианосодержащих сточных вод термических цехов рекомендуется использовать щелочь (известковое молоко) и хлорсодержащие компоненты (жидкий хлор, гипохлорит натрия, гипохлорит кальция, хлорную известь и др.); количество щелочи должно обеспечивать поддержание показателя рН в пределах от 10,5 до 11,0, дозу активного хлора принимают равной 3,5 части по массе на 1 часть циана; затем цианосодержащие воды перед отстойниками подкисляют до нейтральной среды. Для очистки от цианидов сточных вод термических цехов используют также марганцевокислый калий и перекись водорода. При значительном содержании цианидов (например, сточные воды участков цианирования) целесообразно применение электролитического обезвреживания.

На рис. 5.18 представлена схема электролитического обезвреживания (анодного окисления токсических веществ).

476

Рис. 5.17. Схема контактной камеры озонирования сточных вод:

1 – ввод сточных вод; 2, 5 – камеры озонирования; 3 – ввод озона; 4 – металлокерамические распылительные трубы; 6 – вывод сточных вод

Рис. 5.18. Схема электролитического обезвреживания (анодное окисление токсических веществ):

а – анодное пространство; б – катодное пространство; 1 – полупроницаемая перегородка; 2 – анод; 3 – катод

477

Основу электролиза производственных сточных вод составляют два процесса: анодное окисление и катодное восстановление. На аноде, выполненном из платины, графита, в зависимости от состава сточных вод и условий электролиза выделяются кислород и галогены, а также идет процесс окисления присутствующих в стоках органических соединений; на катоде выделяется газообразный водород и происходит восстановление некоторых органических веществ.

Рис. 5.19. Компоновка радиационной установки для очистки сточных вод с ускорителем электронов серии ЭЛВ:

I – ускорительный зал; II – технологический зал; III – электромашинный зал; IV – пультовая; 1 – генератор ускоряющего напряжения; 2 – блоки питания насосов; 3 – пульт управления; 4 – силовое оборудование; 5 – газовая система; 6 – преобразователь частоты; 8 – форвакуумный агрегат; 9 – развертка пучка электронов и выпускное окно; 10 – реакционная камера; 11 – магниторазрядный насос; 12 – конденсаторная батарея

478

Радиационное окисление (радиолиз) – это химическое или физико-

химическое превращение загрязняющего воду вещества под воздействием источника ионизирующих излучений. Радиационное окисление используют для очистки сточных вод от фенолов, цианидов, красителей, поверхностноактивных веществ и других веществ. В качестве источника ионизирующего излучения используют радиоактивный кобальт и цезий, ТВЭЛы, ускорители электронов. Загрязняющие вещества вступают в реакцию с продуктами радиолиза воды: ОН–, НО2–, Н2О2, Н+ и гидратированным электроном.

Принципиальная схема установки для очистки воды с помощью ускорителя электронов показана на рис. 5.19. Установка размещена в четырех залах:

в ускорительном зале I, находятся генератор ускоряющего напряжения 1, форвакуумный насос и конденсаторная батарея 12;

технологическом зале II размещены выпускное устройство 9 для вывода ускоренных электронов из ускорителя, реакционная камера для облучения сточных вод, а также насос для создания глубокого вакуума в ускорительной трубе;

электромашинном зале III имеются газовая система и преобразователь частоты;

пультовом зале размещены пульт управления, блоки питания насосов и силовое оборудование.

К физико-химическим методам водоочистки относятся: коагуляция,

сорбционное поглощение растворенных органических веществ, флотация или разделения ионов солей ионным обменом или электродиализом и др.

Флотация (механическая, пневматическая, химическая) – это способ отделения мелких твердых частиц или капель жидкости из воды, основанный на различной смачиваемости и накопления их на поверхности раздела фаз: используется для очистки производственных сточных вод от поверхностноактивных веществ (ПАВ), нефти, нефтепродуктов, масел, волокнистых материалов.

Принцип работы механической комбинированной флотационной машины (рис. 5.20) состоит в следующем. Сточные воды под давлением 0,2–0,3 МПа через патрубок 9 подаются в первую камеру, где за счет струйного истечения через аэраторы, подсоединенные к коллектору 7, происходит турбулизация жидкой фазы и подсос воздуха из атмосферы. При этом благодаря совместному действию вращения импеллера 4 и истечения жидкости через аэраторы возникает большое число вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки, выносящие на водную поверхность загрязняющие вещества.

479

Рис. 5.20. Механическая комбинированная флотационная машина:

1 – корпус; 2 – камера; 3 – труба; 4 – импеллер; 5 – электродвигатель; 6 – осветлитель; 7 – коллектор; 8 – входной патрубок; 9 – отверстие; 10 – выходной патрубок; 11 – желоб; 12 – пеногон; 13 – патрубок для выхода пенного продукта

Пневматическую флотацию применяют для очистки сточных вод от агрессивных примесей. При такой флотации воздух пропускают через пористые керамические пластины или колпачки, в результате чего образуются мелкие пузырьки, поднимающие вверх загрязняющие вещества, которые вместе с пеной переливаются в кольцевой желоб и удаляются из него.

Химическая флотация заключается во введении в сточную воду реагентов – флокулянтов (синтетических полиэлектролитов и др.), в результате действия которых происходят химические процессы с выделением кислорода О2, двуокиси углерода СО2, водорода Н2 и др. Пузырьки этих газов прилипают к нерастворенным взвешенным веществам и выносят их в пенный слой.

Для повышения эффективности флотационной очистки применяют коагуляцию.

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного движения. Сточные воды чаще всего представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,002–0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1–10 мкм и частицы размером 10 мкм и выше. В процессе механической очистки достаточно легко удаляются крупные частицы, а коллоидные и мелкодисперсные образуют устойчивую систему. Для таких сточных вод и применяют методы коагуляции и нарушающие агрегативную устойчивость вод. Коагуляция сопровождается укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды.

Вещества, нарушающие агрегативную устойчивость дисперсных систем, называют коагулянтами. Наиболее часто в качестве коагулянтов применяют синтетические полиэлектролиты (высокомолекулярные полимерные соединения, растворимые и диссоциирующие в воде на ионы), сернокислый алюминий, сернокислое и хлорное железо.

Для интенсификации процессов коагуляции и осаждения образующихся осадков используют флокулянты (синтетические полиэлектролиты и др.),

480

которые могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с коагулянтами.

Сорбционное поглощение применяют в основном для очистки сточных вод, содержащих фенолы, ароматические соединения, красители и другие загрязняющие вещества. Сорбент может быть применен в виде зернистой загрузки или пористого монолита. В качестве сорбентов применяют активированный уголь различных марок (уголь, получаемый из ископаемых или древесных углей удалением смолистых веществ и созданием разветвленной сети пор), высокопористую металлокерамику на основе оксидно-карбидной системы Аl2O3 + TiC + FeTiАl и др. При сорбционной очистке загрязненную сточную воду пропускают через насыпной фильтр или систему картриджей, загруженных сорбентом. Из-за высокой стоимости сорбента проводят регенерацию с полным восстановлением его сорбционной емкости. После каждой регенерации сорбент может быть использован до 10 раз с потерями 10 %.

При отсутствии необходимого сорбента сточную воду можно фильтровать через слой глины, торфа.

Ионный обмен – это процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности ионита, которые, в свою очередь, разделяют на катиониты и аниониты.

Ионную очистку проводят в фильтрах, представляющих собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища дренажным устройством, которое обеспечивает равномерное отведение воды. Схемы подачи сточной воды и регенерирующего раствора могут быть различными: сточная вода и регенерирующий раствор могут подаваться в фильтр сверху, или сточная вода поступает снизу, а регенерирующий раствор сверху.

В табл. 5.6 представлены характеристики некоторых ионитов: размер зерен (мм) и обменная емкость, т. е. количество ионов (г-экв), обменивающееся с единицей объема или массой ионита.

С использованием ионного метода извлекают и утилизируют соединения мышьяка, меди, фосфора, хром, цинк, свинец и другие металлы, ПАВ и радиоактивные вещества.