Тема 8. Очистка сбросных вод оборотных систем водоснабжения. 0,055 (2 час).
При изучении материала студенту следует обратить внимание на следующие вопросы: влияние различных факторов на процесс коагуляции, применение электрокоагуляции для очистки сбросных вод, целесообразность применения экстракции, зависимость коэффициента распределения от различных факторов, изотерма экстракции, виды экстракции,
Основной теоретический материал по теме приведен ниже.
Коагуляция используется для разрушения устойчивых суспензий и эмульсий, для интенсификации процессов механической очистки сбросных вод. При введении в воду коагулянта образуется малорастворимый гидроксид металла, который сорбирует на своей поверхности коллоидные и растворенные в воде примеси. Гидравлическая крупность хлопьев гидроокиси 0,3−0,5мм/с, что позволяет эффективно извлекать их из воды методом отстаивания и фильтрации. На ход процесса коагуляции влияет температура воды, рН, присутствие растворенных солей и органических соединений. Оптимальная температура воды должна быть 15−20°С, т.к. при понижении температуры до 5−10° образуются мелкие плохо оседающие хлопья. Оптимальное значение рН соответствует минимальной растворимости образующихся гидроокисей. При большой исходной концентрации загрязнений применяют двухступенчатую схему очистки: простое отстаивание; отстаивание с предварительной реагентной обработкой.
Кроме обычной коагуляции для очистки сбросных вод от хрома, жиров, эмульгированных нефтепродуктов и мелкой взвеси в обычных и тонкослойных отстойниках и нефтеловушках применяется электрокоагуляция.
Экстракционная очистка сбросных вод основана на введении в воду химических жидкостей экстрагентов. После добавления экстрагента эго тщательно перемешивают с обрабатываемой водой. При этом загрязнения (экстрагируемые вещества) растворяются в экстрогенте, а концентрация их в сточной воде уменьшается. После отстаивания и расслоения жидкостей их легко разделить и извлечь из органического растворителя (экстрогента) поглощенное из водного раствора вещество. Экстракция применяется для извлечения из сточных вод многих органических продуктов. Применение экстракции при концентрации выделяемого растворенного вещества до 1г/л менее выгодно, чем применение адсорбции. Процесс экстракции при постоянной температуре характеризуется коэффициентом распределения:
где Сэ − концентрация растворенного вещества в реагенте при установившемся равновесии; С − концентрация экстрагируемого растворенного вещества в воде в состоянии равновесия.
Коэффициенты распределения зависят от вида экстрагируемого вещества, температуры, наличия примесей в воде и примеси экстрагента. При увеличении температуры значение Кэ уменьшается, поэтому при температуре более 40°С экстракцию проводить не рекомендуется. Экстрагент должен легко регенерироваться. В качестве экстрагента применяют органические растворители с низкой температурой кипения или легко отгоняющиеся с водяным паром.
Процесс экстракции характеризуется уравнением изотермы экстракции
где Wэ – объем экстрагента в экстракторе, м3; Сэ и С – концентрация вещества в экстрагенте и в воде, г/м3; n1 – эмперический показатель степени.
На основании изотермы экстракции можно найти число ступеней экстракции для достижения заданной степени извлечения продукта из сточной воды.
Применяют следующие виды экстракции:
− периодическая экстракция, которая заключается в периодическом добавлении экстрагента к обрабатываемой воде в статических условиях. Поскольку при одноразовой экстракции нельзя удалить полностью экстрагируемое вещество то требуется значительное количество экстрагента;
−непрерывная экстракция в одном аппарате по принципу противотока, который является наиболее экономичной. Процесс проводится в специальных аппаратах с загрузкой, позволяющей увеличить турболизацию потока и перемешивания.
При многоступенчатой перекрестноточной схеме (рис. 7,а) сточная вода на каждой ступени контактирует со свежем экстрагентом, что требует значительных расходов. При ступенчатой – противоточной экстракции (рис.7, б) каждая ступень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения. Экстрагент и вода движутся навстречу друг другу в одном аппарате экстракт последующей ступени смешивается с водной фазой предыдущей ступени при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент. Если плотность обрабатываемой сточной воды больше плотности экстагента (рис, 8а), то вода вводится в экстакционную колонну с верху, а экстрагент снизу. Если плотность обрабатываемой воды меньше плотности экстрагента (рис, 8б), то он вводится верхнюю часть колонны, а обрабатываемая сточная вода в нижнюю часть.
Рис. 7. Схемы процесса многоступенчатой экстракции
1 − трубопровод для подачи сточной воды; 2,3 и 4 − экстракционные установки I,IIиIIIступеней; 5 − трубопровод для подачи чистого экстрагента; 6 − трубопровод для выпуска обработанной воды; 7 − то же, отработанного экстрагента (экстракта); 8 − отстойники (или сепараторы)
Адсорбция находит широкое применение в замкнутых системах водоснабжения для глубокой очистки и доочистки сбросных водооборотных циклов от растворенных органических загрязнений. Локальные адсорбционные установки применяют, когда в сточной воде, от технологического процесса содержится биохимически устойчивые и высокотоксичные компоненты. После локальной очистки сорбцией сточные воды можно возвращать в технологический процесс или использовать в подпитки других систем.
Рис.8. Схемы процесса непрерывной экстракции
1 и 2 − трубопровод для подачи экстрагента и сточной воды; 3 и 4 − трубопровод для выпуска обработанного экстрагента и обработанной сточной воды.
Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. пористость углей составляет 60−75 %, а удельная площадь поверхности 400−900 м2/г, адсорбционные свойства активных углей зависит от структуры пор, их величины, распределения по размерам. Поры по размеру подразделяются на три вида: макропоры размером 0,1− 2мкм, переходные размеры 0,004− 0,1мкм и микропоры размером менее 0,004 мкм. Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3; кг/кг). Различают статическую активность сорбента – максимальное количество поглощаемого вещества к моменту достижения равновесия в сорбенте и растворе в покое при постоянной температуре и динамическую активность – максимальное количество вещества поглощаемого сорбентом до момента появления сорбируемого вещества в фильтрате при пропуске сточных вод через слой сорбента.
Одним из основных критериев адсорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции, которая описывается уравнением Фрейндлиха или Ленгмюра.
где а – удельная адсорбция, кг/кг; Кадс− адсорбционная константа распределения сорбата между сорбентом и раствором; Сравн −равновесная концентрация адсорбируемого вещества на сорбенте, кг/кг.
Различают следующие виды сорбционной очистки: сорбция на порошкообразном активированном угле, сорбция активированными гранулированными углями; сорбция впсевдоожиженном слое активированного угля.
При использовании порошкообразного активированного угля (размер частиц 00,7− 0,12 мм) для достижения состояния равновесия нужно несколько минут. Доза активированного угля вносится в обрабатываемый объем жидкости и перемешивается до достижения равновесия. Затем уголь отделяется отстаиванием, фильтрование или центрифугированием. Процесс осуществляется в несколько стадий. Регенерация активированного порошкообразного угля не предусматривается, поэтому этот применим, когда доза угля не превышают 10− 20 г/м3.
При больших дозах активированного угля применяют фильтрование, через неподвижный слой гранулированного или дробленного активированного угля с размером зерен 2− 4 мм. Процесс осуществляют в динамических условиях. Направление фильтрование воды предпочтительно снизу вверх. содержание взвешенных веществ в воде нежелательно. Так как сокращается длительность фильтроцикла из − за роста сопротивления фильтрованию. При фильтровании сверху вниз уголь размещают на специальной опорной решетке, снабженной дренажем для периодического взрыхления и промывки адсорбента. Применяют открытые или напорные фильтры обычной конструкции, а также адсорбционные колоны. Адсорбционная колона периодического действия имеет высоту 2,5 −3м (до 6м), дренажное колпачковое днище или опорно− распределительную решетку с отверстием 5− 10 мм и слоем гравия и мелкого щебня 300−500мм. Сверху слой адсорбента зажимается решеткой с колпачками, обращенными вниз, либо на слой адсорбента накладывается слой гравия и мелкого щебня, зажатой верхней решеткой. При фильтровании сверху вниз решетка не обязательна. Фильтрационные колонны соединяются последовательно или параллельно. Последовательное соединение применяется при высоком содержании загрязнений в сточной воде и большой длине работающего слоя. Адсорбированные вещества при регенерации адсорбента утилизируют или ликвидируют на специальной установке.
Параллельное включение адсорбционных колонн применяю при большом расходе сбросных вод.
При относительно высоком содержании сточной воде мелкодиспергированных взвешенных частиц, а также в случае если равновесие устанавливается медленно рационально применять процесс с псевдоожиженным слоем сорбента. Псевдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при которой зерна расширившегося слоя начинают интенсивно и беспорядочно перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости высоту. При этом скорость фильтрации составляет 10− 15 м/ч, размер зерен должен быть 0,5 −2,5 мм. При пропускании воды через слой сорбента с такой скоростью частицы взвешиваются восходящим потоком ее и насыщаются загрязнениями. Весь процесс проходит в псевдоожиженном слое с расширением его в 1,5 раза контакт ухудшается процесс ускоряется. Уменьшение размеров зерен активного угля с 2 −4 до 0,5 −1мм позволяет в 5 10 раз сократить время контакта с потоком жидкости. Подача адсорбента в адсорберы и вывод отработанного адсорбента из них происходит непрерывно. Сорбент виде 5 −20 %− ной суспензии поступает верхнюю расширенную часть центральной трубы, по которой также подается сточная вода, в трубе вода смешивается с углем. Образовавшиеся суспензия, поступает через дефузор под решетку. Отработанная сточная вода отводится через кольцевой желоб верхней части адсорбера.
Многие органические вещества малорастворимые в воде перегоняются с водяным паром. На практике применяются паросорбционный метод и азиотропная ректификация, которые относятся к регенеративным методам очистки сточных вод и позволяют снизить и утилизировать загрязняющие компоненты сточных вод.
Пароциркуляционный метод для удаления из сточных вод летучих веществ основан на нагревании сточной жидкости до 1000С и пропускании через нее перегретого насыщенного пара, который увлекает из сточных вод примеси. Затем пар попадает в регенерационные колоны где он походит через нагретый до 1000 С поглотитель (раствор щелочи), в который из пара удаляются загрязнения, очищенный пар вновь отправляется на очистку сточных вод. При нейтрализации щелочного раствора загрязнения выделяются из него отстаиванием. Процесс осуществляется по методу противотока. Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах с насадкой или непрерывно действующих дистилляционных колонах. Эвапорационная колонна имеет диаметр 0,8 −3 м. высоту 6 −12м, плотность орошения до 3 м3/м2 ч.
В тех случаях, когда органические вещества в смеси с водой образуют нераздельнокипящие (азеотропные) смеси с температурой кипения существенно более низкой, чем температура кипения чистых веществ, это свойство используется для повышения экономичности очистки сточных вод путем отгонки из них азеотропной смеси богатой органическими компонентами. Термическая обработка сточных вод применяется при ликвидации концентрированных сточных вод, которые характеризуются высокими ХПК (более 40 г/л)и при содержании в воде биохимически устойчивых веществ, извлечение которых другим способом экономически не выгодно. Препятствием широкого применения этого метода является значительный расход тепловой энергии. Применяют следующие методы термической обработки сточных вод: парофазное окисление (сжигание); жидкофазное окисление (мокрое сжигание); парофазное металлическое окисление.
Сжигание примесей сбросных вод заключается в том что во время испарения сточных вод при высокой температуре (900 −10000С) все органические примеси полностью окисляются кислородом воздуха до конечных нетоксичных продуктов горения (СО2, Н2О, N2). Эти вещества выбрасываются в атмосферу, а твердые минеральные компоненты получаются в виде пригодном для дальнейшей переработке. Если содержание органических веществ обеспечивает теплотворную способность достаточную, для поддержания процессов горения (2000 ккал/кг), то сточная вода, распыленная в горячем в топочном пространстве, будет гореть самостоятельно. В противном случае процесс горения поддерживается добавлением высококалорийного топлива. Для реализации этого метода применяют циклонные печи.
Жидкофазное окисление заключается в деструктивном окислении растворенных и взвешенных органических примесей сточных вод кислородом растворенного под давлением около 150 кг/см2 воздуха при температуре 200−350° С. В установках жидкофазного окисления с повышением температуры повышается растворимость карбоната кальция и сульфата кальция, поэтому необходимо принимать меры для предотвращения отложения этих солей. Продукты окисления имеют кислые свойства, поэтому необходимо предусматривать защиту оборудования от коррозии.
Каталитическое окисление применяется при очистки сточных вод, загрязненными летучими органическими веществами и заключается в каталитическом окислении органических веществ кислородом воздуха в парагазовой фазе. Метод каталитического окисления применяют при небольших расходах высококонцентрированных сточных вод. В качестве окислителя может быть использован технический кислород.
Для доочистки сбросных сточных вод, которые используются для подпитки замкнутых оборотных систем водоснабжения универсальным методом является биологический. Почти все органические вещества способны разрушаться бактериями. При помощи биохимических методах очистки происходит наиболее полная очистка производственных сточных вод, которые содержат растворенные и коллоидные загрязнения. Чаще всего применяются аэробная очистка в аэротенках различных конструкций и анаэробная очистка в метонтенках при большой концентрации органических загрязнений.
Кроме биологической очистки общезаводского стока может применятся также физико − химическая очистка с применением коагулянтов, флокулянтов и извести.
В ряде случаев целесообразно замена биологических методов очистки городских и особенно промышленных сточных вод физико − химическими, преимущественно адсорбционными методами, которые обеспечивают более глубокое удаление из воды органических загрязнений.
Каждая из категорий технической воды требует различной степени доочистки биологически очищенных сточных вод. Возможности повторного использования их на предприятиях разных отраслей промышленности не одинаково, поэтому необходимая степень дополнительной очистки и подготовки воды для технических нужд разная. Наиболее перспективными методами доочистки являются: фильтрование; реагентная обработка; адсорбция на активированных углях; ионный обмен. Одним каким –либо методом не возможно обеспечить требуемые качества очистки сбросной воды для ее повторного использования в замкнутых системах. Для глубокой очистки сточных вод используются комбинации различных методов в зависимости от предъявляемых методов. Однако для некоторых технологических процессов отдельные методы доочистки могут оказаться достаточными.
Литература:
1. В.Г. Иванов Водоснабжение промышленных предприятий: Учебное пособие.− СПб: Петербургский гос. ун−т путей сообщения, 2003.
2. Н.Н. Абрамов Водоснабжение. 2−е изд. Перераб. и доп. –М.: Стройиздат, 1984
3. Л.А. Алферова, А.П. Нечаев замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. −М.: Стройиздат, 1984
4. Б.Н. Фрог, А.П. Левченко Водоподготовка: Учебн. пособие для вузов. М. Издательство МГУ, 1996
5. С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов Водоотводящие системы промышленных предприятий.− М.: Стройиздат, 1990
6. С.В. Яковлев, Я.А. Карелин, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов. Очистка производственных сточных вод −М.: Стройиздат, 1985
7. А.М. Когановский, Н.А. Клименко, Т.М. Левченко, Р.М. Марутовский, И.Г. Рода Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. – М.: Химия, 1983
8. СНиП 2.04.03−84 Водоотведение. Наружные сети и сооружения/Госстрой России.− М.:ГУП ЦПП, 1998
В объем самостоятельной работы студентов входит выполнение реферата. Студент может самостоятельно выбрать тему реферата и согласовать ее с преподавателем либо выбрать одну из тем приведенных ниже. Реферат должен содержать титульный лист, содержание, текст с иллюстрациями, выводы и список используемой литературы. При составлении выводов студент должен продемонстрировать умение анализировать литературные данные и применять их для прогнозирования наиболее перспективных путей развития. Полностью взятый из интернета материал не может быть использован в качестве реферата.
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ:
1 Пути интенсификации работы отстойников
2 Магнитная обработка воды для снижения жесткости.
3 Барабанные сетки и микрофильтры как защитные сооружения в процессе очистки технической воды от взвешенных веществ.
4 Применение напорных и самопромывающихся фильтров для удаления взвешенных веществ.
5 Оптимизация работы градирен.
6 Современные типы оросителей
7 Эффективные методы удаления солей жесткости
8 Ионообменные смолы нового поколения.
9 Интенсификация работы охладителей.
10 Современные методы удаления из воды сероводорода.
11 Новые и эффективные методы обескислороживания воды.
12 Пути повышения эффективности работы опреснительных установок
13 Актуальность использования бытовых сточных вод для подпитки оборотных систем водоснабжения
14 Методы повышения эффективности системы удаления осадка в различных видах отстойников.
15. Эжекторные градирни. Условия применения. Устройство
16. Системы оборотного водоснабжения передельных мини−заводов черной металлургии.
17Мембранные электролизеры: условия применения, устройство. достоинства и недостатки.
18Декарбонизация воды с повышенным солесодержанием
19. Принципы создания замкнутых систем водоснабжения промышленных предприятий
20. Использование городских сточных вод в оборотных охлаждающих системах промышленного предприятия
21. Использование поверхностного стока в оборотных охлаждающих системах промышленного предприятия
22. Применение биохимического метода для удаления из воды растворенных газов
23. Применение мембранных технологий в подготовки воды для промышленного использования
24. Стабилизационная обработка воды
25 Предупреждения коррозии трубопроводов и теплообменных аппаратов в системах оборотного водоснабжения
26. Удаление из воды кремниевой кислоты
27. Современные конструкции фильтров в системе водоподготовке
28 Методы обработки осадка замораживанием в естественных условиях
29. Современные системы пожаротушения на промышленном предприятии
30. Формирование солевого состава оборотной воды
Реферат защищается преподавателю предпоследнюю неделю семестра. Реферат считается защищенным, если студент и сделал анализ представленного материала, изложил его суть и ответил на вопросы заданные преподавателем.