Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений

Подождите немного. Документ загружается.

321

Сточная вода насосом перекачивается через ступень испарения,

где предварительно нагревается образующимися при испарении пара-

ми, и подается в подогреватель, из которого направляется в камеру ис-

парения. Жидкость испаряется при переходе из одной камеры в дру-

гую, из последней раствор насосом частично подается на рециркуля-

цию. Дистиллат, стекающий в поддон, насосом направляется

потреби-

телю. Такие установки нашли широкое применение для опреснения

морской воды.

Многоступенчатые установки с вертикально-трубчатыми испаре-

телями-конденсаторами также, как и адиабатные испарительные уста-

новки, относятся к дистилляционным опреснителям. Основная функ-

ция их состоит в испарении воды с последующей конденсацией пара,

которая приводит к получению чистой воды. Такие установки

получи-

ли наибольшее распространение при высоком солесодержании.

В установках вымораживания концентрирование минерализо-

ванных вод основано на том, что концентрация солей в кристаллах

льда значительно меньше, чем в растворе и процесс вымораживания

заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания

чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворен-

ными

в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами.

Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания

чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей. Вымора-

живание может происходить под вакуумом либо при помощи специ-

ального холодильного агента - контактное вымораживание. Схема кон-

Рис.16.1. Схема многоступенчатой адиабатной испарительной

установки

1 - ступень испарения; 2 - подогреватель; 3 - поддон-сборник; 4 - насосы

322

Рис.16.2. Схема установки

концентрирования растворов

вымораживанием под вакуумом

1 - промывная колонна; 2 - конденсатор-

плавитель; 3 - вспомогательная холодиль-

ная установка; 4 - компрессор; 5 - кри-

сталлизатор; 6 - теплообменники

центрирования растворов вымораживанием под вакуумом представле-

на на рис.16.2.

Кристаллогидратный

процесс состоит в концен-

три-ровании воды с гидрато-

обра-зующим агентом (амми-

ак, пропан, хлор, фреоны,

СО

и др.) и образовании

кристал-логидратов. При пе-

реходе молекулы воды в кри-

сталло-гидраты концентра-

ция раст-воренных веществ в

воде повышается. При плав-

лении кристаллов образуется

вода, из которой выделяются

пары гидратообразующего

агента. Процесс может про-

исходить при температуре

ниже и выше температуры

окружаю-щей среды, в пер-

вом случае необходимо при-

менение хо-лодильных уста-

новок, во втором - нет.

Достоинством вымора-

живающих и кристаллогид-

ратных установок является

низкий расход энергии и возможность обезвреживания вод различного

состава. Недостатки: дорогостоящие теплоносители, сложные техноло-

гические схемы, невысокая степень концентрирования растворов из-за

трудности разделения кристаллов льда и вязкой суспензии и др

. По-

этому указанные методы не нашли широкого применения в промыш-

ленности.

16.2.

ЕРМООКИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ЖИДКИХ

ОТХОДОВ

При использовании термоокислительных методов все органиче-

ские вещества, загрязняющие сточные воды, полностью окисляются

323

кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соеди-

нений.

Метод термоокислительного жидкофазного обезвреживания

сточных вод (мокрого сжигания) состоит в окислении кислородом воз-

духа органических примесей сточных вод при температуре 100-350

и давлении, обеспечивающем нахождение воды в жидкой фазе (2-28

МПа). При высоких давлениях растворимость в воде кислорода значи-

тельно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления

органических веществ.

В зависимости от температуры и времени контакта окисление ор-

ганических примесей происходит полностью или частично (до карбо-

новых и дикарбоновых кислот или других промежуиточных

продук-

тов). Вещества, летучие при условиях процесса, окисляются в основ-

ном в парогазовой фазе, а нелетучие - в жидкой. С увеличением кон-

центрации органических примесей в воде экономичность процесса воз-

растает. Скорость реакций окисления растет с увеличением температу-

ры.

Конечные продукты жидкофазного окисления имеют высокую

температуру и давление и, следовательно, обладают

большой энергией,

которую можно использовать для выработки электроэнергии и пара.

Среди достоинств метода - возможность очистки большого количества

сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в

продуктах окисления вредных веществ, универсальность и др. Недос-

татки: неполное окисление некоторых веществ, высокая стоимость

оборудования, образование накипи на теплопередающих поверхностях,

коррозия. Метод начинает использоваться в целлюлозно

-бумажной,

фармацевтической, нефтеперерабатывающей и др. отраслях промыш-

ленности.

Метод парофазного каталитического окисления заключается в

каталитическом окислении кислородом воздуха при повышенной тем-

пературе в парогазовой фазе летучих органических веществ сточных

вод. Сточная вода сначала подается в выпарной аппарат. Образующие-

ся при этом пары воды и органических веществ, а также воздух и

газы

направляются в контактный аппарат, загруженный катализатором.

Процесс окисления протекает весьма интенсивно в паровой фазе при

температурах 300-500

С в присутствии меднохромового, цинкохромо-

вого, медномарганцевого или другого катализатора. Применение этого

метода целесообразно при выводе воды из технологического процесса

в виде пара (из ректификационных колонн, выпарных аппаратов и др.).

Экономическая эффективность повышается в случае использования

тепла, выделяющегося при окислении органических веществ. Очищен-

324

ная вода (конденсат), как правило, может быть использована в систе-

мах оборотного водоснабжения. Установки парофазного каталитиче-

ского окисления имеют большую производительность и высокую сте-

пень обезвреживания (до 99,8 %). Однако в них возможно отравление

катализатора соединениями серы, фосфора, фтора.

Самым эффективным и универсальным из термических методов

обезвреживания сточных вод является огневой (парофазное

окисле-

ние). Сущность его заключается в распылении сточных вод в топочные

газы, нагретые до температуры 900-1000

С. Вода при этом полностью

испаряется, а органические примеси сгорают. Минеральные примеси

при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые вы-

водятся из рабочей камеры печи или уносятся дымовыми газами.

Применение огневого метода целесообразно при обезвреживании

небольшого количества сточных вод, содержащих высокотоксичные

органические примеси, извлечение и обезвреживание которых другими

методами невозможно

или экономически нецелесообразно; при нали-

чии горючих производственных отходов, которые могут быть исполь-

зованы вместо топлива (кубовые остатки, сбрасываемые газы и т.п.);

при извлечении растворенных ценных минеральных примесей. Метод

отличается высоким расходом топлива и перегревом водяного пара.

При сжигании сточных вод различного состава могут образовы-

ваться оксиды щелочных и

щелочноземельных металлов (СаО, MgO;

ВаО, К

О, Nа

О и др.); органические соединения, содержащие серу,

фосфор, галогены; газы SO

, SO

, P

, HCl, Cl

и др. Эти вещества вы-

зывают коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросо-

единения, могут выделяться оксиды азота N

. В газовой фазе эти ве-

щества вступают в сложные взаимодействия с образованием новых со-

единений, в том числе токсичных, что необходимо учитывать при уда-

лении газов в атмосферу.

Для сжигания применяют печи самых различных конструкций:

камерные, шахтные, циклонные, барабанные, с псевдоожиженным сло-

ем. Камерные, барабанные и шахтные печи более громоздки

и менее

производительны, требуют больших капитальных затрат. Используют

их для сжигания сульфидных щелоков, сточных вод анилино-

красочной промышленности, производств фенолоформальдегидных

смол, капролактами, пластмасс и др.

Наиболее эффективными и универсальными для огневого обез-

вреживания сточных вод являются циклонные печи. В них благодаря

вихревому характеру газового потока создается интенсивный тепло- и

массообмен между

каплями сточной воды и газообразными продукта-

ми. Такие печи работают при больших удельных нагрузках, они могут

325

быть горизонтальными и вертикальными. Воздух тангенциально вво-

дится в печь и совершает вращательное движение, перемещаясь вдоль

оси цилиндра по спирали. Сточная вода подается форсункой, распыли-

вается и сгорает. Недостаток - большой унос солей с газовым потоком.

В псевдоожиженных печах газ поступает под газораспредели-

тельную решетку, а вода навстречу ему. Твердые частицы в

процессе

сжигания находятся во взвешенном состоянии. Однако конструктив-

ные недостатки, несовершенство контроля и автоматики и высокая

стоимость процесса не позволили найти им широкое распространение.

Разработан ряд технологических схем по огневому обезврежива-

нию сточных вод. Есть установки как с утилизацией тепла, так и без

нее, с очисткой отходящих газов и без

очистки. На рис.16.3 приведена

схема с котлом-утилизатором тепла и сухой газоочисткой.

ГЛАВА 17. БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ

СТОЧНЫХ ВОД

17.1.

УЩНОСТЬ МЕТОДА БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ

Биологическое окисление - широко применяемый на практике ме-

тод очистки сточных вод, позволяющий удалить из них многие орга-

нические и некоторые неорганические (сероводород, сульфиды, амми-

ак, нитриты и др.) вещества. Биохимическая очистка сточных вод ос-

нована на способности микроорганизмов использовать растворенные и

Рис.16.3. Схема установки огневого обезвреживания сточных вод

1 - печь; 2 - котел-утилизатор; 3 - воздухоподогреватель; 4 - аппарат сухой очи-

стки газов; 5 - труба; 6 - дымосос; 7 - воздуходувка

326

коллоидные органические загрязнения в качестве источника питания в

процессах своей жизнедеятельности. Биологическим путем обрабаты-

ваются, подвергаясь частичной или полной деструкции, многие виды

органических загрязнений городских и производственных сточных вод.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы час-

тично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и

сульфат-ионы и др. Другая часть

вещества идет на образование био-

массы.

Широкое использование биохимического метода обусловлено его

достоинствами: возможностью удалять из сточных вод разнообразные

органические и некоторые неорганические соединения, находящиеся в

воде в растворенном, коллоидном и нерастворенном состоянии, в том

числе токсичные; простотой аппаратурного оформления, относительно

невысокими эксплуатационными затратами, глубиной очистки. К не-

достаткам следует

отнести высокие капитальные затраты, необходи-

мость строгого соблюдения режима очистки, токсичное действие на

микроорганизмы ряда органических и неорганических соединений, не-

обходимость разбавления сточных вод в случае высокой концентрации

примесей.

Для определения возможности подачи промышленных сточных

вод на биохимические очистные сооружения устанавливают макси-

мальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на

процессы

биохимического окисления (МК

) и на работу очистных со-

оружений (МК

бос

). При отсутствии таких данных возможность биохи-

мического окисления устанавливается по биохимическому показателю

БПК

/ХПК. Для бытовых сточных вод это отношение составляет при-

мерно 0,86, а для производственных изменяется в очень широких пре-

делах: от 0 до 0,9. Сточные воды с низким отношением БПК

/ХПК, как

правило, содержат токсичные примеси, предварительное извлечение

которых может повысить это отношение, т.е. обеспечить возможность

биохимического окисления. Поэтому сточные воды не должны содер-

жать ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохи-

мическую очистку считают полной, если БПК

очищенной воды со-

ставляет менее 20 мг/л и неполной, если БПК

> 20 мг/л. Такое опреде-

ление условно, так как даже при полной биохимической очистке про-

исходит лишь частичное освобождение воды от суммы находящихся в

ней примесей.

Биологическое окисление осуществляется сообществом микроор-

ганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий,

простейших, а такжзе водорослей, грибов и т.д., связанных между со-

бой в

единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза,

327

симбиоза и антоганизма). Главенствующая роль в этом сообществе

принадлежит бактериям, число которых варьируется от 10

до 10

кле-

ток на 1 г сухой биомассы. В процессе биохимического окисления при

аэробных условиях сообщество микроорганизмов носит название ак-

тивного ила или биопленки. Активный ил состоит из живых микроор-

ганизмов и твердого субстрата и по внешнему виду напоминает хлопья

коагулянта с цветом от белесо-коричневого до темно-коричневого.

Скопления бактерий в

активном иле окружены слизистым слоем ( кап-

сулами) и назвываются зооглеями. Они способствуют улучшению

структуры ила, его осаждению и уплотнению.

Активный или представляет собой амфотерный коллоид, имею-

щий в интервале значений рН=4-9 отрицательный заряд, и обладаю-

щий большой адсорбционной способностью за счет развитой суммар-

ной поверхности бактериальных клеток. Адсорбционная способность

активного ила

с течением времени понижается из-за насыщения за-

грязнениями сточной воды. Процесс восстановления идет за счет жиз-

недеятельности микроорганизмов, заселяющих активный ил, и называ-

ется регенерацией.

Несмотря на существенные различия очищаемых сточных вод,

элементарный химический состав активных илов достаточно близок,

хотя и неидентичен. Это сходство есть результат общности его основы

- бактериальных клеток. В состав клеток входят H, N, S, C, O, P, зола,

белок, а также различные микроэлементы - B, V, Fe, Co, Mn, Mo, Cu и

др. Н, N, C и О образуют группу органогенных веществ, эти элементы

входят в бактериальные клетки в виде воды, белков, жиров и углево-

дов; 80-85 % веса микробов составляет вода.

Сухое вещество активного или представляет собой комплекс ми-

неральных (10-30 %) и органических (70-90 %)

веществ. Основную

массу органических соединений составляют белки. В состав зольных

частей клеток входят микроэлементы - Ca, K, Mg, S, Mn, Cu, Na, Fe, Zn

и др. Кроме того для построения бактериальной клетки необходимы

биогенные элементы - фосфор, азот, калий.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью

очистки воды. Состояние ила характеризует иловый индекс, представ-

ляющий собой отношение объема осаждаемой части активного

ила к

массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение

30 минут. Чем больше иловый индекс, тем хуже оседает ил.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очист-

ки. Аэробные методы основаны на использовании аэробных групп

микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим посто-

янный приток кислорода и температура 20-40

С. При изменении тем-

328

пературного и кислородного режимов состав и число микроорганизмов

меняется, они культивируются в активном иле или биопленке. Ана-

эробные методы протекают без доступа кислорода, их используют

главным образом для обработки осадков.

Всю совокупность сооружений биологической очистки можно

разделить на три группы по признаку расположения в них активной

биомассы: 1) активная биомасса закреплена на

неподвижном материа-

ле, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки; 2) ак-

тивная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоя-

нии; 3) сочетание обоих вариантов расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют биофильтры; вторую -

аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; третью

- погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями. Все

эти сооружения работают

в искусственных условиях.

Биологическая очистка может также осуществляться в естествен-

ных условиях на сооружениях почвенной очистки и в биологических

прудах.

17.2.

АКОНОМЕРНОСТИ РАСПАДА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Механизм изъятия веществ из сточных вод и их потребление

микроорганизмами весьма сложен. В целом этот процесс может быть

условно разделен на три стадии: 1) массопередача вещества из жидко-

сти к поверхности клетки, за счет молекулярной и конвективной диф-

фузии; 2) диффузия вещества через полупроницаемую мембрану по-

верхности клетки, возникающая вследствие разности концентраций

вещества в клетке и вне ее; 3) процесс превращения вещества (метабо-

лизм), протекающий внутри клетки, с выделением энергии и синтезом

нового клеточного вещества.

Скорость протекания первой стадии определяется законами диф-

фузии и гидродинамическими условиями в сооружении биохимиче-

ской очистки. Турбулентность потока вызывает распад хлопьев актив-

ного ила на мельчайшие колонии микробов

и приводит к быстрому об-

новлению поверхности раздела между микроорганизмами и средой.

Процесс переноса вещества через полупроницаемые мембраны

клеток может быть осуществлен двумя путями: растворением диффун-

дирующего вещества в материале мембраны, благодаря чему оно про-

ходит внутрь клетки или присоединением проникающего вещества к

специфическому белку-переносчику, растворением образующегося

329

комплекса и диффузией его внутрь клетки, где комплекс распадается и

белок-переносчик высвобождается для совершения нового цикла.

Основную роль в очистке сточных вод играют процессы превра-

щения вещества внутри клеток микроорганизмов, в результате чего

происходит окисление вещества с выделением энергии (катаболиче-

ские превращения) и синтез новых белковых веществ, который проте-

кает

с затратой энергии (анаболические превращения).

Скорость химических превращений и их последовательность оп-

ределяют ферменты, выполняющие роль катализаторов и представ-

ляющие собой сложные белковые соединения с молекулярной массой

до сотен тысяч и миллионов. Их активность зависит от температуры,

рН и присутствия в сточной воде различных веществ.

Суммарные реакции биохимического окисления в

аэробных усло-

виях можно представить в следующем виде:

окисление органического вещества

+ (х + 0,25у - 0,5z)О

→ хСО

+ 0,5уН

О + ∆Н;

синтез бактериальных клеток

+ nNH

+ n(x + 0,25у - 0,5z - 5)O

→

→ n(C

) + n(х-5)CO

+ 0,5n(у-4)H

O - ∆H;

окисление клеточного материала

n(C

) + 5nO

→ 5nCO

+ 2nH

O + nNH

+ ∆H.

Химические превращения являются источником необходимой для

микроорганизмов энергии. Живые организмы способны использовать

только связанную химическую энергию. Универсальным переносчи-

ком энергии в клетке является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Микроорганизмы способны окислять многие органические веще-

ства, но для этого требуется различное время адаптации. Легко окис-

ляются многие спирты, гликоли, бензойная кислота, ацетон,

глицерин,

сложные эфиры и др. Плохо окисляются нитросоединения, некоторые

ПАВ и хлорпроизводные органические соединения.

В процессе аэробного окисления потребляется кислород, раство-

ренный в сточной воде. Для насыщения сточной воды кислородом

проводят процесс аэрации, разбивая воздушный поток на пузырьки,

которые, по возможности, равномерно распределяются в сточной воде.

Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется

водой, а затем перено-

сится к микроорганизмам. Этот процесс происходит в два этапа. На

первом идет перенос кислорода из воздушных пузырьков в основную

массу жидкости, на втором - перенос абсорбированного кислорода из

основной массы жидкости к клеткам микроорганизмов, в основном под

действием турбулентных пульсаций.

330

Наиболее надежный способ увеличения подачи кислорода в сточ-

ную воду - повышение интенсивности дробления газового потока, т.е.

уменьшение размеров газовых пузырьков. Скорость потребления ки-

слорода зависит от многих взаимосвязанных факторов: величины био-

массы, скорости роста и физиологической активности микроорганиз-

мов, вида и концентрации питательных веществ, накопления токсич-

ных продуктов обмена, количества

и природы биогенных элементов,

содержания кислорода в воде.

17.3.

ЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС БИОХИМИЧЕСКОЙ

ОЧИСТКИ

Эффективность биологической очистки зависит от целого ряда

факторов, одни из которых поддаются изменению и регулированию в

широких диапазонах, регулирование же других, таких, как например,

состав поступающих на очистку сточных вод, практически исключено.

К основным факторам, определяющим пропускную способность сис-

темы и степень очистки сточной воды, относятся: наличие кислорода в

воде

, равномерность поступления сточной воды и концентрация в ней

примесей, температура, рН среды, перемешивание, присутствие ток-

сичных примесей и биогенных элементов, концентрация биомассы и

др.

Наиболее благоприятные условия очистки заключаются в сле-

дующем.

Концентрация в очищаемых сточных водах биохимически окис-

ляемых веществ не должна превышать допустимую величину МК

или

МК

бос

, которая устанавливается обычно опытным путем. Сточные воды

с более высокой концентрацией необходимо подвергать разбавлению.

ПДК веществ при поступлении на сооружения биологической очистки

приведены в справочной литературе.

Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воз-

духа должно быть непрерывным и в таком количестве, чтобы в очи-

щенной сточной воде, выходящей из вторичного отстойника,

его было

не менее 2 мг/л. Скорость растворения кислорода в воде не должна

быть ниже скорости его потребления микроорганизмами. В начальный

период окисления скорость потребления кислорода может в десятки

раз превышать ее в конце процесса, она зависит от характера загрязне-

ния воды и пропорциональна количеству биомассы.

Оптимальной температурой для аэробных процессов

, происходя-

щих в очистных сооружениях, считается 20-30

С, хотя температурный