Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

281

Сточная

вода

Сточная

вода н

Очищенная

J вода

Воздух

Сточная

вода

Воздух

Очищен-

ная вода

Рис. II-25. Флотаторы: a —с

импеллером: 1 — камера, 2 —

труба, 3 — вал, 4 — импеллер;

б — с пористыми колпачками:

—

камера, 2

— пористые кол-

пачки, 3 — желоб, 4 — регуля-

тор уровня; в

— с фильтросны-

ми пластинами: 1 — камера,

2 — фильтросные пластины,

3 — скребок, 4 — шламопри-

емник

воды во флотаторе. По опытным данным размер отверстий должен

быть от 4 до 20 мкм, давление воздуха 0,1-0,2 МПа, расход воздуха

40-70 м

/(м

ч), продолжительность флотации 20-30 мин, уровень

воды в камере до флотации 1,5-2,0 м.

Другие способы флотации. В этом разделе кратко описаны хи-

мическая, биологическая и ионная флотации.

Химическая флотация.

При введении в сточную воду некоторых

веществ для ее обработки могут протекать химические процессы с

выделением газов: O

, CO

, Cl

и др. Пузырьки этих газов при неко-

торых условиях MOiyT прилипать к нерастворимым взвешенным ча-

стицам и выносить их в пенный слой. Такое явление, например, на-

блюдается при обработке сточных вод хлорной известью с введени-

ем коагулянтов. Схема флокационной камеры для химической фло-

тации показана на рис. II-26. Сточные воды поступают в реакцион-

ную камеру Туда же подают реагенты. Во избежание дегазации вре-

мя пребывания сточной воды в камере должно быть минимальным.

После насыщения вода поступает во флотационную камеру. Недо-

статок метода — большой расход реагентов.

Биологическая флотация. Этот метод применяют для уплотне-

282

Рис. II-26. Схема установки для химической флотации: 1 — мешалка: 2 —

скребок: 3 — шламоприемник: 4 — флотационная камера, 5 — реакционная камера

ния осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточ-

ных вод. Для этой цели осадок подогревают паром в специальной

емкости до 35-55

C и при этих условиях выдерживают несколько

суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются

пу -

зырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где

они

плотняются и обезвоживаются. Таким путем за 5-6 суток влаж-

ность осадка можно понизить до 80% и тем самым упростить даль-

нейшую обработку осадков. Разрабатываются методы флотационно-

го активного ила.

Насыщение осадков, имеющих большую влажность, пузырька-

ми газа для проведения флотационного уплотнения возможно не толь-

ко биологическим путем, но и другими рассмотренными выше более

эффективными методами.

Ионная флотация. Этот процесс ведут следующим образом: в

сточную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо

способом, и собиратель (поверхностно-активные вещества). Соби-

ратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противополож-

ный заряду изатекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений кон-

центрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся им в

пену. Пену удаляют из флотационной камеры и разру шают, из нее

извлекают сконцентрированные ионы удаляемого вещества.

Этот процесс можно использовать для извлечения из сточных вод

металлов (Mo, W, V, Pt, Ce и др.) Процесс эффективен при низких

концентрациях извлекаемых ионов — IO

-3

-IO"

моль ион/л.

283

Очистка методом пенного фракционирования (пенной сепа-

рацией). Пенное фракционирование основано на селективной ад-

сорбции одного или нескольких растворенных веществ на поверхно-

сти газовых пузырьков, которые поднимаются вверх через раствор.

Образовавшаяся пена обогащается адсорбированным веществом, что

и обеспечивает парциальную сепарацию компонентов раствора.

Этот процесс используют для удаления ПАВ из сточной воды: он

аналогичен процессу адсорбции на твердых сорбентах.

Адсорбция органических веществ на поверхности раздела фаз

газ — жидкость связана с изменением поверхностного натяжения а

и с избыточной поверхностной концентрацией следующим соотно-

шением:

da = Tdp., (11.63)

где do — изменение поверхностного натяжения; Г. — избыточная

концентрация вещества на поверхности; — химический потенци-

ал i-й составляющей, равный R

Ina; R

— газовая постоянная; T

—

температура; а. — термодинамическая активность.

При больших разбавлениях раствора а = е, (где C

— концентра-

ция растворенного вещества). С учетом этого коэффициент распре-

деления равен:

TVc

= (-1/ R

)(d<r/dc.) = K

, (11.64)

где Г

=K.— отношение концентраций в двух исследуемых фазах,

которое является коэффициентом распределения К..

В случае разбавленных растворов ds / dc., очень незначительно

зависит от концентрации, и К. для данной системы растворителя и

растворенного вещества является практически постоянным.

При барботировании воздуха через воду, содержащую ПАВ, на

ее поверхности образуется пенный слой, состоящий из пузырьков

газа различного диаметра. Распределение пузырьков газа по разме-

рам в пенном слое соответствует нормально-логарифмическому за-

кону.

Повышение скорости воздуха приводит к увеличению частоты

образования пузырьков и росту объема пены. Соответственно растет

поверхность раздела фаз и количество ПАВ, адсорбирующихся на

этой поверхности. Кинетика извлечения ПАВ определяется уравне-

нием:

In C

= Kt-ln[(da/dc

)/(dc/dc

)]. (11.65)

284

При линейном изменении величины поверхностного натяжения

сточной воды от концентрации ПАВ уравнение кинетики процесса

имеет вид:

In с

/с

= -Кт. (11.66)

При учете изменения объема системы в процессе пенного кон-

центрирования кинетика процесса описывается уравнением:

(-1/ V) dc/di = Kc

. (11.67)

Здесь о — поверхностное натяжение сточной воды; C

— остаточная

концентрация растворенного ПАВ в объеме воды; с

— концентра-

ция ПАВ в момент времени т

(при т

= 0 C

= C

); т — время; К —

константа; V — объем жидкости; п — формальный порядок реак-

ции процесса перехода ПАВ в пену.

Степень извлечения ПАВ пеной равна:

8 = 100 (с -с )/с =с /с , (11.68)

HIIH'

где

— концентрация ПАВ в воде до извлечения, с

— концентра-

ция ПАВ в пене.

Степень извлечения зависит от многих параметров. С увели-

чением исходной концентрации ПАВ в воде возрастает пенообразу-

ющая способность раствора и степень его извлечения, а время, необ-

ходимое для максимально возможного извлечения ПАВ, уменьшает-

ся. Это происходит вследствие того, что с увеличением концентра-

ции ПАВ возрастает дисперсность образующихся пузырьков. С уве-

личением щелочности раствора, начиная с рН

9,5, степень изалече-

ния ПАВ сначала растет, а затем при рН

12,3 несколько снижается.

Небольшое количество добавок электролитов ( 0,0005 моль/л) KCl,

, K

, KNO

, NaNO

, NH

приводит к увеличению сте-

пени извлечения. Это объясняется тем, что ионы электролитов за счет

гидратации поглощают часть воды, в результате чего возрастает

эффективная концентрация ПАВ.

Изменение температуры сказывается на стабильности пены ПАВ.

С повышением температуры устойчивость пены уменьшается, что

объясняется десорбцией пенообразователя с межфазной поверхнос-

ти и понижением вязкости дисперсной среды. Понижение вязкости

способствует более быстрому стеканию жидкости в пленке. Кроме

того, рост температуры вызывает увеличение диаметра пузырьков и

изменяет растворимость ПАВ.

Коэффициент распределения ПАВ между пенным продуктом (пе-

285

ноконденсатом) и сточной водой, характеризующей эффективность

извлечения, равен:

/ C

. (11.68Л)

Коэффициент распределения зависит от объема пенного продукта

и степени извлечения ПАВ из сточной воды. При проведении про-

цесса стремятся, чтобы пеноконденсат имел наименьший объем с мак-

симальной концентрацией ПАВ. Коэффициент

всегда больше еди-

ницы.

Степень изменения объема сточной воды в процессе пенного

фракционирования равна:

R = V

/ V

oct

, (11.686)

где

— объем пеноконденсата; V

oci

—остаточный объем раствора.

Схема процесса очистки сточной воды от ПАВ методом пенной

сепарации показана на рис. 11-27.

Сепаратор имеет несколько камер, в каждую из которых вводят

воздух. Высота слоя воды в камерах составляет 0,5-0,8 м. Очищен-

ная вода поступает в сборник, а пену вентилятором подают в циклон

(в вентиляторе происходит частичное разру шение пены), где газовая

фаза отделяется от жидкости. Из циклона смесь воды с пеной посту-

пает в отстойник, где происходит разделение. Вода посту пает в I ка-

меру сепаратора, а пена — в камеру концентрирования.

В процессе пенной сепарации происходит не только извлечение

ПАВ, но и одновременное удаление из воды суспендированных или

Рис II-27. Схема установки очистки сточных вод методом пенной сепара-

ции: 1 - емкость; 2 - насос; 3 — промежуточный сборник; 4 — расходомер, 5 —

сепаратор; 6

воздуходувка; 7 — сборник; 8 — вентилятор; 9 — циклон; 10 — от-

стойник; 11 - камера концентрирования пены

286

эмульгированных частиц, а также частичное удаление растворенных

веществ.

Воздух в сточную воду можно подавать через перфорированные

трубы, мелкопористые материалы, при помощи импеллера, а также

из пересыщенных растворов при снижении давления над жидкостью

(при напорной флотации) и при электрофлотации. Наибольшая сте-

пень удаления ПАВ из сточной воды достигается при диспергирова-

нии воздуха через пористые пластины.

В процессе разделения образуется пена с повышенной концент-

рацией ПАВ, количество которой пропорционально концентрации

ПАВ и расходу сточной воды. Выделение ПАВ из стойкой пены свя-

зано со значительными трудностями,

поэтому*

она в большинстве слу-

чаев является отходом.

Процесс разрушения пенного слоя протекает с небольшой скоро-

стью F, которая может быть вычислена по формуле:

F = 245V

B03

(lgLc

)

2,3

, (11.69)

где V

bos

— расход воздуха при барботированни через раствор ПАВ,

/ч; L —расход сточной воды, м

/ч; т — продолжительность барбо-

тирования, ч.

Для ускорения процесса разрушения пены могут быть исполь-

зованы пеногасители, в качестве которых применяют кремний, орга-

нические и германийорганические соединения. Однако при исполь-

зовании пеногасителей происходит дополнительное загрязнение пе-

ноконденсата. Исходя из этого, целесообразнее использовать терми-

ческие, электрические и механические способности гашения пены.

Таким образом, процесс очистки сточных вод от ПАВ методом

пенного фракционирования имеет следующие недостатки: 1) обра-

зуется обогащенный ПАВ конденсат, который медленно разрушает-

ся; 2) при увеличении концентрации ПАВ в сточной воде эффектив-

ность очистки снижается.

Предложен способ очистки от ПАВ, сочетающий пенное фрак-

ционирование и радиационную деструкцию и исключающий отход

пены. Процесс можно проводить в одном или двух аппаратах. Прин-

ципиальные его схемы показаны на рис. II-28.

По схеме а в колонну непрерывно подают сточную воду, содер-

жащую ПАВ, и через барботер воздух. Образующуюся пену из ко-

лонны направляют в радиационный аппарат, где облучают у-луча-

ми. В результате часть ПАВ разрушается, а пена конденсируется. Кон-

денсат возвращают в нижнюю часть колонны.

287

Рис. П-28. Схемы установок пенно-радиационной очистки сточных вод; а —

раздельная; б — совместная: 1 — колонна; 2 — аппарат для облучения; 3 — излу-

чатель

По схеме б пену из колонны не отводят, а разрушают у-облучени-

ем в верхней части колонны.

Метод позволяет очищать сточные воды с высоким содержанием

ПАВ любого типа и строения. Следует отметить, что полная дест-

рукция ПАВ до воды и CO

экономически нецелесообразна. Радиа-

ционную деструкцию проводят до образования продуктов, легко окис-

ляемых биологически.

8.3. Адсорбция

Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очист-

ки сточных вод от растворенных органических веществ после био-

химической очистки, а также в локальных установках, если концен-

трация этих веществ в воде невелика, и они биологически не разла-

гаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных ус-

тановок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при не-

большом удельном расходе адсорбента.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фе-

нолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений,

ПАВ красителей и др. Достоинством метода является высокая эф-

фективность, возможность очистки сточных вод, содержащих не-

сколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т. е. с из-

288

влечением вещества из адсорбента и его утилизацией, деструктив-

ной. при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожа-

ются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки

достигает 80-95% и зависит от химической природы адсорбента,

величины адсорбционной поверхности и ее ДОСТУ ПНОСТИ, ОТ хими-

ческого строения вещества и его состояния в растворе.

Адсорбенты. В качестве сорбентов ИСПОЛЬЗУЮТ активные угли,

синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (ЗОЛУ, шла-

ки. опилки

др.). Минеральные сорбенты — глины, силикагели. алю-

могели и гидроксиды металлов для адсорбции различных веществ

из сточных вод ИСПОЛЬЗУЮТ мало, так как энергия взаимодействий

их с уюлекулами воды велика — иногда превышает энергию адсорб-

ции. Наиболее

ниверсальными из адсорбентов являются активные

гли. однако они должны обладать определенными свойствами.

Активные

У ГЛИ

должны слабо взаимодействовать с молекулами

воды и хорошо с органическими веществами, быть относительно

крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в

пределах 0.8-5.0 нм или 8-50 А), чтобы их поверхность была дос-

тупна для больших и сложных органических молекул. При малом

времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбцион-

ную емкость, ВЫСОКУЮ селективность и малую удерживающую спо-

собность при регенерации. При соблюдении последнего

СЛОВИЯ зат-

раты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли дол-

жны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определен-

ный гранулометрический состав. В процессе очистки ИСПОЛЬЗУЮТ

мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0.25-0.5 мм и

высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.

Важно, чтобы утли обладали малой каталитической активностью

по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., так как

некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, спо-

собны окисляться и осмоляться. Эти процессы

скоряются катализа-

торами. Осмолившиеся вещества забивают поры адсорбента, что зат-

рудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они долж-

ны иметь НИЗКУЮ стоимость, не уменьшать адсорбционную емкость

после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.

Сырьем для активных углей может быть практически любой угле-

родсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пи-

щевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.

Адсорбционная способность активных углей является следствием

289

сильно развитой поверхности и пористости (см. гл. 4). Характерис-

тика некоторых активных углей приведена в табл. II.8.

Основы процесса адсорбции. Вещества, хорошо адсорбируемые

из водных растворов активными углями, имеют выпуклуто изотерму

адсорбции, а плохо адсорбирующиеся — вогнутую. Изотерму адсор-

бции вещества, находящегося в сточной воде, определяют опытным

путем. Ее можно приближенно вычислить без экспериментов.

В основу расчета положены следующие представления: адсорбция

органических веществ на

глях является физическим процессом, по-

этому поверхностные оксиды не влияют на адсорбционное равнове-

сие и избирательность адсорбции; общий объем всех адсорбирован-

ных компонентов раствора является величиной постоянной, не зави-

сящей от структуры молеку л, их ориентации и соотношения концен-

траций, молярные объемы адсорбированных веществ приблизитель-

но равны молярным объемам соответствующих жидкостей: равно-

весной концентрации

растворе, равной растворимости соответствует

предельное значение коэффициента активности, величина которого

пропорциональна произведению константы адсорбционного равно-

весия на растворимость.

Для расчета изотермы адсорбции необходимо для разных значе-

ний заполнения адсорбционного объема 0 (0 = aV*J V

) рассчитать

величину равновесной концентрации и удельной адсорбции. Равно-

весную концентрацию вычисляют по формуле:

е-кг

(у* _v*

1-е

(у* _v*

Ч i >

где q — степень заполнения адсорбционного объема: V*. и V*—

молярные объемы извлекаемого органического вещества и воды,

— константа адсорбционного равновесия: f — парциальный ко-

эффициент активности компонента. При бесконечно малой величи-

не заполнения объема адсорбционной фазы органическим компонен-

том f=I.

Необходимые величины молярных объемов компонентов раство-

ра могут быть вычислены по соотношению:

V* =

' P

где M

— молекулярная масса: P

— плотность компонента.

290

Константу адсорбционного равновесия находят по формуле:

-AF

IgK

' 2,30IRT '

где DF

— стандартное молярное y-меныиение свободной энергии ад-

сорбции вещества, которое находят экспериментально; R — универ-

сальная газовая постоянная; T — температура.

Удельную адсорбцию (в моль/г) вычисляют следующим образом:

а =

.0 = 9

где а

— максимальная удельная адсорбция вещества (адсорбцион-

ная емкость), моль/г; V

— предельно адсорбционный объем пор ад-

сорбента, см

/г.

Если в сточной воде присутству ет несколько компонентов, то для

определения возможности их совместной адсорбции для каждою ве-

щества находят значение стандартной дифференциальной свободной

энергии AF

и определяют разность между максимальным и мини-

мальным значением. При условии AF

- AF

< 10,5 кДж/моль, со-

- макс

мин —

> r-^ 5

вместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это

словие

не соблюдается, то очистку- проводят последовательно в несколько

ступеней.

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации природы

и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и

свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складыва-

ется из трех стадий: переноса вещества из сточной воды к поверхно-

сти зерен адсорбента (внешнедиффузионная область), собственно ад-

сорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента

(внутридиффузионная область). Принято считать, что скорость соб-

ственно адсорбции велика и не лимитиру ет общую скорость процес-

са. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя

диффузия, либо внутренняя диффузия. В некоторых случаях процесс

лимитируется обеими этими стадиями. Во внешнедиффузионной об-

ласти скорость массопереноса в основном определяется интенсив-

ностью турбулентности потока, которая, в первую очередь, зависит

от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсив-

ность массопереноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от

форм и размера его зерен, от размера молекул адсорбирующихся ве-

ществ, от коэффициента массопроводности.