Белов С.В. (ред.) Безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

ной воды и от твердых частиц, и от масло-

продукгов. Сточная вода через установ-

ленный тангенциально по отношению к

корпусу гидроциклона входной трубо-

провод 1 поступает в гидроциклон.

Вследствие закручивания потока сточной

воды твердые частицы отбрасываются к

стенкам гидроциклона и стекают в шла-

мосборник 7, откуда они периодически

удаляются. Сточная вода с содержащи-

мися в ней маслопродуктами движется

вверх. При этом вследствие меньшей

плотности маслопродуктов они концен-

трируются в ядре закрученного потока,

который поступает в приемную камеру J,

и через трубопровод 5маслопродукты вы-

водятся из гидроциклона для последую-

щей утилизации. Сточная вода, очищен-

ная от твердых частиц и маслопродуктов,

скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для

дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным се-

чением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в

ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод про-

катных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов со-

ответственно 0,13...0,16и0,01...0,015 кг/м

и эффективностью их очи-

стки около 0,7 и 0,5. При расходе очищаемой сточной воды 5 м

/ч пе-

репад давлений в гидроциклоне составляет 0,1 МПа.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодис-

персных примесей с малой их концентрацией. Его используют как на

начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых мето-

дов физико-химической или биологической очистки. Для очистки

сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильт-

ров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают че-

рез насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры,

фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых ма-

териалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных

металлических порошков и т. п.).

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных

твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 10.19). Сточ-

ная вода по трубопроводу 4 поступает в корпус 1 фильтра и проходит

через фильтровальную загрузку J из частиц мраморной крошки, шун-

Рис. 10.18. Схема координи-

рованного гидроциклона

301

5 6 7

гизита и т. п., расположенную между пористыми перегородками 2и 5.

Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме,

ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра че-

рез трубопровод 8. По мере осаждения твердых частиц в фильтроваль-

ном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при

достижении предельного значения перекрывается входной трубопро-

вод 4 и по трубопроводу 9 подается сжатый воздух. Он вытесняет из

фильтровального слоя 3 воду и твердые частицы в желоб <5, которые

затем по трубопроводу 7выводятся из фильтра. Достоинством конст-

рукции фильтра является развитая поверхность фильтрования, а так-

же простота конструкции и высокая эффективность.

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов

широко используют фильтры с фильтровальным материалом из час-

тиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая боль-

шой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффектив-

ность очистки до 0,97...0,99 при скорости фильтрования до 0,01 м/с.

При этом насадка из пенополиуретана легко регенерируется при ме-

ханическом выжимании маслопродуктов.

На рис. 10.20 представлена схема фильтра-сепаратора с фильтро-

вальной загрузкой из частиц пенополиуретана, предназначенного

для очистки сточных вод от маслопродуктов и твердых частиц. Сточ-

ную воду по трубопроводу 5 подают на нижнюю опорную решетку 4.

Затем вода проходит через фильтровальную загрузку в роторе 2, верх-

нюю решетку 4 и очищенная от примесей переливается в приемный

кольцевой карман 6 и выводится из корпуса 7. При концентрации

маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м

эффективность очист-

ки составляет соответственно 0,92 и 0,9; а время непрерывной экс-

плуатации фильтра —16...24 ч. Достоинствами данной конструкции

являются простота и большая эффективность регенерации фильтра.

302

t fL

I I—

] С Ezz

Рис. 10.20. Схема фильтра-сепаратора

При включении электродвигателя 7 вращается ротор 2 с фильтро-

вальной загрузкой. В результате частицы пенополиуретана под дейст-

вием центробежных сил отбрасываются к внутренним стенкам рото-

ра, выжимая из него маслопродукты, которые поступают в карманы 3

и направляются на регенерацию. Время полной регенерации фильтра

0,1 ч.

Физико-химические методы очистки. Данные методы используют

для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от

взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки

требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взве-

шенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.

В настоящее время в связи с использованием оборотных систем

водоснабжения существенно увеличивается применение физико-хи-

мических методов очистки сточных вод, основными из которых явля-

ются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная

и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпа-

ривание, испарение и кристаллизация.

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплы-

вай ия маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками

газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет

место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодис-

пергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица — пу-

зырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с дру-

гом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, из-

быточного давления газа в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают

следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную,

химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

303

В настоящее время на станциях очистки широко используют

электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимиче-

ские процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточ-

ных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминие-

вых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюми-

ния или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчай-

ших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлота-

ции происходит вследствие электролиза воды. Основной составляю-

щей электролизных газов является водород; при этом выделяется не-

значительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходи-

мого для обеспечения заданной эффективности очистки, q

= 100 Q(c

— с

)6М, где с

и с

— концентрации маслопродуктов в ис-

ходной очищенной сточной воде, кг/м

; М— удельная адсорбция

маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для по-

лучения требуемого количества электролизного газа / = д

/а

, где

— выход газа по току; а

= 0,0076 дм

/(л • мин).

Расход водорода (дм

/мин) в смеси электролизного газа

#н

= 22,4#

/(а

Мн

где а

— электрохимический эквивалент водорода, а

= 0,627 мг/(А-мин);

Н2

— молекулярная масса водорода.

Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела «сточная

вода — воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотно-

шения q

> 50#н

, и определяют суммарный расход газовоздушной

смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора д

= q

+ q

. Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через по-

верхность пенообразования со = 300...600 дм

/(м

- мин) и определяют

площадь поверхности пенообразования /= q

/со.

Определяют объемную плотность тока (А/м

), обеспечивающую

необходимую величину газонаполнения j = (ср + 0,261 К

+ 0,1)/(0,022 —

— 0,011Кф), где ф — степень газонаполнения сточной воды в процессе

флотации; ср = 1...5 дм

/м

; Кф = 0,3... 1,2 — коэффициент формы

флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной

камеры V= ///; Г=(К

\[V)

и затем ее основные размеры.

Экстракция сточных вод основана на перераспределении приме-

сей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей

(сточной воды и экстрагента). Количественно интенсивность пере-

распределения оценивается коэффициентом экстракции К

= с

/с

304

где с

и с

— концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по

окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных

вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или

бутилацетата К

составляет соответственно 2,4 и 8... 12. Для интенси-

фикации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с

экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполнен-

ных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них

кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей.

Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и

гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная

вода приобретает значение рН ® 6,7 (нейтральная среда). Нейтрали-

зацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями силь-

ных щелочей: едким натром, едким кали, известью, известняком, до-

ломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и

т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации

кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь).

Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей

(сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно

использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кисло-

ты.Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации со-

держащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответ-

ствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле q = сМ

/М

где с — концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде;

иМ

— молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щело-

чи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

— фильтрационный — путем фильтрования сточной воды через

насадки кусковых или зернистых материалов;

— водно-реагентный — добавлением в сточную воду реагента в

виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); ней-

трализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

— полусухой — перемешивание высококонцентрированных

сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с

сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием

нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых

примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперс-

ные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффек-

тивный сорбент — активированный уголь. Расход сорбента т =

Q(cо — с

)/а, где Q — расход сточной воды, м

/с; с

и с

— концен-

трации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м

;

305

а — удельная сорбция, характеризующая количество примесей, по-

глощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки

сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осущест-

вляют ионитами — синтетическими ионообменными смолами, изго-

товленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют

из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей

поверхности подвижный ион (катион или анион), который при опре-

деленных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же зна-

ка, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н

- или Na

форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН- или солевой

форме), а также иониты смешанного действия.

Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтро-

ванием сточной воды через катиониты и аниониты. При контакте

сточной воды с катионитом в водородной форме имеет место обмен

катионов растворенных в воде солей на Н

-ионы катионита в соот-

ветствии с уравнением реакции

п[К]Н + Ме"

^ [К]„Ме + пН

где К — «скелет» (радикал) катионита; Me — извлекаемый из сточ-

ной воды катион металла; п — заряд катиона. При этом имеет место

увеличение кислотности сточной воды.

При контакте сточной воды с анионитом в гидроксильной форме

происходит обмен анионов кислот на ОН~-ионы анионита в соответ-

ствии с уравнением реакции

т[А„]ОН + А" ^ [A„]

A + тОН~

где А

— «скелет» (радикал) анионита; А — извлекаемый из сточной

воды анион; т — заряд аниона.

В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде,

требуемой эффективности очистки используют различные схемы

ионообменных установок. Для очистки сточных вод от анионов силь-

ных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого

Н-катионирования и ОН-анионирования с использованием сильно-

кислотного катионита и слабоосновного анионита (рис. 10.21, а). Для

более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применя-

ют одно- или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислот-

ном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионировани-

ем на слабо-, а затем на сильноосновном анионите (см. рис. 10.21, б).

При содержании в сточной воде большого количества диоксида

углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости силь-

306

Рис. 10.21. Технологическая схема

ионообменной очистки сточных вод:

а — одноступенчатая очистка; б — очистка с

двуступенчатым абонированием; в — очи-

стка с промежуточной дегазацией и двусту-

пенчатым анионированием; К — катионито-

вый фильтр; А — анионитовый фильтр; Д —

декарбонизатор; ПБ — промежуточный бак

ноосновного анионита. Для уменьшения истощения сточную воду

после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах

с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах (см. рис. 10.21, в).

При необходимости обеспечивать значение рН «6,7 и очистки

сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильт-

ров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загру-

жаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного

анионита.

Электрохимическая очистка, в частности электрохимическое

окисление, осуществляется электролизом и реализуется двумя путя-

ми: окислением веществ путем передачи электронов непосредствен-

но на поверхности анода или через вещество — переносчика, а также

в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовав-

шимися в процессе электролиза.

Наличие в сточной воде достаточного количества хлоридионов

обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С1

НОС1, С1

0, С1СГ, СЮ

), который является сильнейшим окислителем

и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических ве-

ществ, содержащихся в сточных водах.

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных

вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды

(КСС1, NaCCl) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и

других металлов. Электрохимическое окисление осуществляют в

электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или

периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов

в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, ди-

оксид углерода, азот), а на катоде — разряд ионов водорода с образо-

ванием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия,

а б

307

Рис. 10.22. Технологическая схема установки электрохимического

окисления циансодержащих сточных вод

образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержани-

ем CN-группы.

На рис. 10.22 показана технологическая схема установки для элек-

трохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный

резервуар 7, бак 2 для приготовления концентрированного раствора

NaCl, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. Очи-

щенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при

необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в

сборный резервуар 7. Для интенсификации процесса окисления в

электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.

Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением рас-

творов путем фильтрования их через мембраны, поры которых разме-

ром около 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратиро-

ванные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений.

По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация требует

малых энергозатрат: установки для очистки конструктивно просты и

компактны, легко автоматизируются; фильтрат имеет высокую сте-

пень чистоты и может быть использован в оборотных системах водо-

снабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко ути-

лизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оцени-

вается уравнениями: Q — к

{р

— A/?); F = к

Ас, где Q — расход воды

через мембрану, м

/с; к\, к

— коэффициенты проницаемости соот-

ветственно воды и растворенного вещества через конкретную мем-

брану; р

— рабочее давление на входе в мембрану, Па; Ар — разность

308

Рис. 10.23. Технологическая схема эвапорацион-

ной установки:

/ — трубопровод подачи исходной сточной воды; 2 — теп-

лообменник; 3 — эвапорационная колонна; 4 — трубопро-

вод загрязненного пара; 5 — трубопровод подачи раствори-

теля; 6 — колонна с насадками из колец Рашига для очист-

ки отработанного пара; 7—вентилятор; 8 — трубопровод

повторно используемого очищенного пара; 9 — трубопро-

вод отвода загрязненного летучими примесями растворите-

ля; 10 — трубопровод отвода очищенной сточной воды;

11 — трубопровод подачи свежего пара

1 2

3 4 56

осмотических давлений раствора на входе в мембрану, Па; Ас — раз-

ность концентраций растворенного в воде вещества на входе в мем-

брану и выходе из нее, кг/м ; F— масса растворенного вещества, пе-

реносимого через мембрану, кг.

Для гиперфильтрации используют ацетатцеллюлозные, поли-

амидные и тому подобные полимерные мембраны с ресурсом работы

1...2 г. Селективность мембран по отношению к ионам различных ве-

ществ характеризуется следующим рядом: А1

> Zn

> Cd

> Mg

> Са

> Ва

> S0

" > Na

>F~ > K

> СГ > Br" > Г > NO~

> Н

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содер-

жанием летучих органических веществ, которые переходят в паровую

фазу и вместе с паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапора-

ции осуществляют в испарительных установках (рис. 10.23), в кото-

рых при протекании через эвапорационную колонну с насадками из

колец Рашига навстречу потоку острого пара сточная вода нагревает-

ся до температуры 100°С. При этом содержащиеся в сточной воде ле-

тучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между

двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением с

/с

= у,

где с

и с

— концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м ;

у — коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтила-

мина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффици-

ент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.

Концентрация примеси в сточной воде на выходе из эвапораци-

онной колонны

c» = c

(w- 1)/(ще- 1),

где с

— концентрация примеси в исходной сточной воде, кг/м

; q —

удельный расход пара, кг/кг; х = [paH(qy — 1 )]/(bqy), здесь bcpf — эм-

пирическая постоянная насадки; Ъ — плотность орошения колонны

водой, м

/м

; р — эмпирическая постоянная, м/с; а — удельная пло-

щадь поверхности насадки, м

/м

; Я—высота слоя насадки, м.

309

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очи-

стки небольших объемов сточной воды с большим содержанием лету-

чих веществ.

Биологическая очистка. Ее применяют для выделения тонкодис-

персных и растворенных органических веществ. Она основана на

способности микроорганизмов использовать для питания содержа-

щиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты,

белки, углеводы и т. п.). Процесс реализуется в две стадии, протекаю-

щие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных

вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических ве-

ществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микро-

организмов при протекающих в них биохимических процессах (окис-

лении или восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных,

так и в анаэробных условиях в зависимости от видов и свойств микро-

организмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и

искусственных условиях.

Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтра-

ции, полях орошения и в биологических прудах. Очистку и бытовых,

и производственных сточных вод на полях фильтрации и полях оро-

шения в настоящее время используют очень редко в связи с малой

пропускной способностью единицы площади полей и непостоянст-

вом состава производственных сточных вод, а также из-за возможно-

сти попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.

Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточ-

ных вод суточным расходом не более 6000 м

. Применяют пруды с ес-

тественной и искусственной аэрацией.

Биологические фильтры широко используют для очистки и быто-

вых, и производственных сточных вод. В качестве фильтровального

материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, ке-

рамзит, пластмассу, гравий и т. п. Существуют биофильтры с естест-

венной подачей воздуха; их применяют для очистки сточных вод су-

точным расходом не более 1000 м

. Для очистки производственных

сточных вод больших расходов и сильно концентрированных исполь-

зуют биофильтры с принудительной подачей воздуха (рис. 10.24).

Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод

устанавливается после образования на загрузочном материале био-

фильтра биологической пленки, микроорганизмы которой адаптиро-

вались к органическим примесям сточных вод. Период адаптации

обычно составляет 2...4 недели, хотя в отдельных случаях он может

достигать нескольких месяцев. Для оценки состава сточных вод в

процессе биологической очистки используют биологическую по-

требность воды в кислороде (БПК) — количество кислорода, необхо-

310