8.7. Десорбция, дезодорация и дегазация

Десорбция летучих примесей. Многие сточные воды загрязне­ны летучими неорганическими и органическими примесями, серо­водородом, диоксидом серы, сероуглеродом, аммиаком, диоксидом углерода и др.

При пропускании воздуха или другого инертного малораствори­мого в воде газа (азот, диоксид углерода, топочные дымовые газы и др.) через сточную воду летучий компонент диффундирует в газовую фазу. Десорбция обусловлена более высоким парциальным давлени­ем газа над раствором, чем в окружающем воздухе. Равновесное пар­циальное давление удаляемого газа находят по закону Генри. Коли­чество вещества М, перешедшего из жидкой фазы в газовую, опреде­ляют по уравнению массопередачи:

M = K_yF∆c_p, (II.106)

где К — коэффициент массопередачи (в данном случае он равен коэффициенту массоотдачи в газовой фазе β_у); F — поверхность кон­такта фаз; ∆с_р — средняя движущая сила процесса десорбции.

Процесс десорбции веществ из сточных вод инертными газами может быть проведен в тарельчатых, насадочных и распылительных колоннах. Наиболее интенсивно для тарельчатых колонн он протека­ет в пенном режиме, а для насадочных — в режиме эмульгирования. Для проведения процесса могут быть использованы колонны с колпачковыми, ситчатыми, клапанными, провальными и другими та­релками.

Степень удаления летучих веществ из сточных вод увеличивает­ся с ростом температуры газожидкостной смеси, коэффициента мас­соотдачи и поверхности контакта фаз. Десорбируемое из воды веще­ство направляют на адсорбцию или на каталитическое сжигание.

При небольших количествах отделяемого вещества и небольшой его стоимости, а также при условии трудного извлечения его из газо­вой фазы проводят каталитическое окисление. В этом случае воздух с парами извлекаемого вещества после колонны при температуре 280-350°С пропускают через слой катализатора (пиролюзит, оксид хрома и др.). Большинство органических соединений в этом случае окисля­ется до СО₂ и Н₂О.

Схема очистки воды от хлорбензола десорбцией азотом показана на рис. II-43. Сточная вода, подвергающаяся очистке, кроме хлор­бензола содержит метанол, ароматические амины, формальдегид и хлорид натрия. Колонна состоит из четырех царг, в каждой из кото­рых установлены три барботажные тарелки. Азот подают в каждую царгу раздельными потоками че­рез коллектор.

Концентрация хлорбен­зола равная или меньшая ПДК (0,02 мг/л) достига­лась при начальном содержании его в воде 1,8-2 мг/л и расходах воды 0,15 м³/ч и азота 44 м³ /ч. Время пребывания жидкости на тарелках составляло 8 мин. Остаточное содержание хлорбензола в очищенной воде зависит от его начальной концентрации. Присутствие других примесей не вли­яет на степень очистки.

Рис. II-43. Схема установки для десорбции хлорбензола из сточной воды: 1 — емкость; 2 — насос; 3 — коллектор азо­та; 4 — колонна; 5 — коллектор отходящих газов

Дезодорация. В некоторых сточных водах содержатся меркапта­ны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды, углеводороды, которые придают им дурной запах. Для очистки дурнопахнущих сточных вод можно использовать различные способы: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку дымовыми газами, окисле­ние кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорб­цию и микробиологическое окисление. При выборе метода необхо­димо учитывать его эффективность и экономическую целесообраз­ность.

Наиболее эффективным считается метод аэрации, который зак­лючается в продувании воздуха через сточную воду. Процесс прово­дят в аппаратах различной конструкции. На схеме, представленной на рис. II-44, удаление дурнопахнущих веществ проводят в тарель­чатой колонне каскадного типа. Сточная вода растекается в виде пле­нок по тарелкам, на которых происходит ее контакт с воздухом. За­тем воздух с выделенными веществами поступает в насадочную ко­лонну, которая орошается раствором щелочи.

Для очистки на 85-90% необходимо иметь удельный расход 12-15 м³ на 1 м³ сточной воды, число тарелок не менее 10, плотность орошения — 20-80 м³/(м²ч), концентрацию щелочи — не менее 40 г/л Н₂О. Недостаток метода заключается в том, что некоторые загрязне­ния не удаляются методом аэрации и остаются в сточной воде.

На некоторых предприятиях дурнопахнущие сточные воды очи­щают продувкой острым паром. В целлюлозной промышленности воды загрязнены серосодержащими соединениями, а кроме того, ме­танолом и скипидаром. Отдувка паром позволяет очищать воду и от этих веществ. Основным аппаратом для обработки сточных вод па­ром является колонна с колпачковыми или сетчатыми тарелками. Сте­пень очистки от сероводорода и метилмеркаптана приближается к 100%, от других веществ — к 90%. Расход пара на 1 м³ сточной воды составляет 60 кг; для уменьшения расхода пара сточную воду подо­гревают.

Рис. II-44. Схема установки для дезодорации (1 и 2 — тарельча­тая и насадочная колонны)

Промышленное применение имеет и хлорирование дурнопахну­щих сточных вод. При этом происходит окисление хлором серосодержащих соединений. В случае недостатка хлора образуется диметилдисульфид с неприятным запахом:

H₂S+C1₂→2HC1+S , (II.107)

₂СH₃SH+Cl₂→2HCl+(CH₃)₂S₂ . (II.108)

При избытке хлора (не менее 600 г на 1 м³) образуются диоксид серы, хлорид водорода и метансульфонилхлорид:

H₂S+3C1₂+2H₂O→SO₂+6HC1, (II.109)

CH₃SH+3Cl₂+2H₂0→CH₃SO₂Cl+5HCl. (II.110)

Очистку сточных вод от сероводорода окислением кислородом воздуха при атмосферном давлении в присутствии катализатора (же­лезная стружка, графитовые материалы и др.) проводят в аэрационном бассейне, куда подают сжатый воздух. Большая часть сероводо­рода при этом окисляется до элементной серы, а другая часть отду­вается воздухом. Вода очищается от серы, а воздух с сероводородом поступает на очистку в адсорбер с активным углем. После насыще­ния уголь регенерируют сульфатом аммония. При окислении про­должительностью 60-90 мин и расходе воздуха 10-12 м³/м³ степень очистки воды достигает 95-97%.

Высокая степень очистки может быть достигнута при использо­вании жидкофазного окисления сернистых веществ кислородом воз­духа под давлением. Окисление сероводорода в щелочной среде при этом происходит до тиосульфата и сульфата натрия, а метилмеркаптана и диметилдисульфида до метансульфокислоты.

Схема установки окисле­ния сернистых соединений кислородом воздуха под давлением представлена на рис. II-45. Серосодержащие сточные воды нагреваются в теплообменнике до 100°С, а затем поступают в трубча­тый реактор, куда подается воздух под давлением 1,5 Mпа. При указанных условиях серосодержащие соединения окисля­ются до сульфатов. Смесь воды с воздухом разделяется в сепараторе. Вода из сепаратора возвращается в емкость. Количество подаваемо­го воздуха составляет по кислороду 200% ХПК сточных вод. Сте­пень очистки по сернистым соединениям достигает 90%, а ХПК снижается на 60-75%.

Сероводород из воды возможно удалить гидроксидом железа по реакциям: в щелочной среде

2Fe(OH)₃+3H₂S = Fe₂S₃+6H₂O, (II.111)

в нейтральной среде

Fe(OH)₂+H₂S = FeS+2H₂O. (II. 112)

После отстаивания проводится регенерация образующихся суль­фидов железа:

Для удаления запахов из сточных вод могут быть использованы процессы озонирования и адсорбции. Однако более эффективно происходит очистка при одновременном введении в воду озона или диоксида хлора и фильтровании воды через слой активного угля. Наилучшие результаты очистки получены при следующих соот­ношениях: для сероводорода — О₃ / H₂S >5; для метилмеркаптана — О₃/ CH₃SH ≈ 10; для диметилсульфида — О₃/ (CH₃)₂S = 4-6. Степень дезодорации указанных веществ в этих условиях зависит от их кон­центрации в сточной воде и изменяется от 80 до 100%. Доза озона в этом случае снижается по сравнению с просто озонированием. При­менение диоксида хлора вместо озона при тех же соотношениях обес­печивает степень дезодорации на 90-100%.

Рис. II-45. Схема установки для очистки сточных вод от серосодержащих соединений окислением под давлением: 1 — емкость; 2 — насос; 3 — теплооб­менник; 4 — трубчатый реактор; 5 — сепаратор

Дегазация. Присутствие в сточных водах растворенных газов зат­рудняет очистку и использование сточных вод, усиливает коррозию трубопроводов и аппаратуры, придает воде неприятный запах. Растворенные газы из воды удаляют дегазацией, которую осуществля­ют химическими, термическими и десорбционными (аэрационными) методами.

Для удаления из воды диоксида углерода используют методы аэра­ции, проводимые в пленочных, насадочных, барботажных и вакуум­ных дегазаторах. Пленочные дегазаторы — колонны с различного вида насадками, работающие в условиях противотока дегазируемой воды и воздуха, подаваемого вентилятором. Дегазаторы струйно-пленочного типа представляют собой градирни без принудительной по­дачи воздуха. Из дегазаторов барботажного типа наиболее эффек­тивны пенные аппараты.

Вакуумные дегазаторы — насадочные колонны, работающие под вакуумом, в которых вода равномерно распределяется по поверхнос­ти насадки. Наиболее полная дегазация достигается при разбрызги­вании в вакууме и одновременном подогреве воды (рис. II-46). Воду нагревают паром в котле. Пар из змеевика попадает в теплообмен­ник, где вода подогревается. Вакуум создают отсасыванием дегазованной воды насосом.

Выбор типа дегазатора зависит от производительности установки, концентрации удаляемого газа и необходимой степени дегазации. Для удаления СО₂ при ее содержании в воде не более 150мг/л и производи­тельности до 15 0м³/ч используют дегазаторы с хордовой насадкой. Плот­ность орошения насадки 40 м³/(м²ч), удельный расход воздуха 20 м³/м³. При глубоком удалении газа применяют барботажные или пенные дегазаторы производительностью до 20 м³ /ч.

При термической дегазации воды от растворенного диоксида уг­лерода или кислорода пропускают пар через воду и нагревают ее до температуры кипения при внешнем давлении. В этом случае парци­альное давление газа над водой снижается до нуля и растворимость его также падает до нуля. Вследствие нарушения равновесия в сис­теме происходит выделение избыточных газов из воды (физическая десорбция).

Для интенсивной дегазации необходимо, чтобы вода непрерыв­но контактировала с новыми порциями пара при большой поверхно­сти контакта фаз в течение достаточного времени. Температура воды должна быть близка к температуре насыщенного пара при данном давлении. Процесс проводят в аппаратах, называемых деаэратора­ми. Они имеют разную конструкцию и работают под вакуумом, при атмосферном или повышенном давлении.

Аммиак из сточных вод удаляют продувкой водяным паром или воздухом. Ионы аммония в воде находятся в равновесном состоянии с аммиаком и ионами водорода (NH₄⁺  NH₃+Н⁺). При рН=7 в воде могут находиться ионы аммония в истинном растворе; при рН=12 — только растворенный аммиак, который можно выделить из воды.

Скорость перехода газообразного аммиака из воды в атмосферу зависит от поверхностного натяжения на границе воздух - вода и от разности концентраций аммиака в воде и воздухе. Для осуществле­ния процесса отдувки аммиака из воды повышают рН воды до значе­ний 10,8-11,5 и создают большую поверхность контакта между воз­духом или паром и водой.

Сначала сточную воду нагревают в теплообменнике и острым па­ром до 100°С, а затем подают в десорбер на отдувку аммиака острым паром. Удаляемая из десорбера смесь воды с аммиаком конденсируется в конден­сат, представляющий собой слабый водный раствор амиака, утилизуют.

Рис. II-46. Схема установки для дегазации в вакууме с подогре­вом: 1 — котел; 2 — змеевик; 3 — насос; 4 — теплообменник; 5 — вакуум-насос; 6 — емкость

Отдувку аммиака возду­хом производят в колоннах с хордовой насадкой (рис. 11-47). Для удаления аммиака из воды на 95-98% при 20°С требу­ется соотношение объемов возду­ха и воды в пределах 3000-6000. С увеличением температуры воды и высоты насадки эффективность процесса возрастает, однако процесс имеет недостатки: возможность проведения его только при положительных температурах; большой расход воздуха; загрязнение атмосферы аммиаком.

Рис. II-47. Схема установки для от-дувки аммиака: 1 — ввод сточной воды; 2 — ввод воздуха; 3 — вентиля­тор; 4 — хордовая насадка

Химические методы дегазации применяют при низкой концент­рации газов в воде или в случае нецелесообразности их использова­ния, а также при условии, что продукты обработки не затрудняют дальнейшую очистку или использование воды. Методы связаны с проведением реакций, в результате которых происходит химическое связывание растворимых газов.

Для удаления кислорода из воды ее фильтруют через легкоокисляющиеся стальные стружки. Содержание марганца в них не долж­но превышать 0,3%. При фильтровании воды железо окисляется:

4Fe+3O₂=2FeO₃.

Время контактирования зависит от температуры и при 20-80°С равно 25-30 мин. Образовавшиеся оксиды железа удаляют обратной промывкой.

При обработке воды сульфитом натрия образуется сульфат натрия:

2Na₂SO₃+O₂=2Na₂ SO₄.

На 1 г О₂ необходимо затратить 7,88 г Na₂SO₃. При обработке диоксида серы:

SO₂+H₂O=H₂SO₃ , 2H₂SO₃+O₂=2H₂SO₄ ,

в качестве катализатора используют соли меди (1 мг/л Сu²⁺) или ко­бальта (0,001 мг/л Со²⁺) в виде 0,01%-ных растворов. Для удаления 1 г О₂ расходуется 4 г SO₂

Лучшим обескислороживающим воду реагентом является гидразин:

O₂+N₂H₄→N₂+2H₂O.

Реакция протекает значительно быстрее, чем при окислении суль­фита. Катализатором служит металлическая медь, стекло, активный уголь. На 1 г О₂ требуется 1 г N₂H₄. Однако гидразин отличается высокой стоимостью, поэтому метод является дорогим.