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

Подождите немного. Документ загружается.

331

так как суммарная площадь мембран изменяется в пределах 60-300 м

на 1 м

их объема.

Основным достоинством аппаратов с трубчатыми элементами яв-

ляется большая скорость воды (0,9-1,2 м/с), что сводит к минимуму'

концентрационную поляризацию и загрязнение поверхности мемб-

ран. Производительность затратов при давлении 3,0-4,0 МПа равна

400-1000 л/(м

ч). Схема такого аппарата представлена на рис. П-39,6.

В качестве фильтрующих элементов используют пористые трубы (ме-

таллические, керамические, пластмассовые) диаметром 6-30 мм, на

внутреннюю или внешнюю поверхность которых наносится мелко-

пористая подложка, а на нее

полу

проницаемая мембрана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в ап-

паратах типа фильтр-пресс, высокая стоимость нестандартных тру-

бок, наличие застойных зон, неэффективность работы в ламинар-

Сточная

вода

Концент-

рат

Сточная

вода

|ШШ1Ш!!Ш111Ш!1!ШШ!11!111П

а Очищенная вода

б Очищенная

вода

Концент-

рат

^TN

^ о

Очищенная

вода

f Концентрат

4 2

Рис. II-39. Аппараты для обратного осмоса: a — типа фильтр-пресс: 1 — по-

ристые пластины, 2 — мембраны; б — трубчатый фильтрующий (элемент): 1 —

трубка, 2 — подложка, 3 — мембрана; в — с рулонной укладкой полупроницаемых

мембран: 1 — дренажный слой, 2 — мембрана, 3 — трубка для отвода очищенной

воды, 4 — сетка-сепаратор; г — с мембранами в виде полых волокон: 1 — подлож-

ка, 2 — шайба с волокном, 3 — корпус, 4 — полые волокна

332

ном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно,

расход электроэнергии на подачу его в элементы.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа (рис.

II-39, в) отличаются большой плотностью упаковки мембран (300-

800 м

/м

). При изготовлении аппарата пакет, состоящий из двух мем-

бран, гибкой пористой пластины и гофрированного сепарационного

листа, навивают в виде спирали на трубу, имеющую продольные

прорези. Сточная вода движется в каналах гофрированного листа.

Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в

пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется.

Ширина навивающего пакета равна 300-500 мм, а длина 0,6-2,5 м.

В аппарате имеется несколько пакетов. Недостатки этих аппаратов:

сложность монтажа и смены мембран, трудность обеспечения герме-

тичности аппарата.

Аппарат с мембранами в виде полых волокон показан на

рис. II-39, г. Волокна из ацетатцеллюлозы, найлона или других ма-

териалов собирают в пучки длиной 2-3 м, которые прикрепляют к

стенкам аппарата. Диаметр волокон равен 45-2000 мкм. Удельная

поверхность волокон достигает 20000 м

/м

. Расположение волокон

может быть линейным (концы закрепляют в двух трубных решетках)

или U-образным (с одной решеткой). Применяют ацетатцеллюлоз-

ные и полиамидные волокна, обеспечивающие удельную проницае-

мость 5-10 л/(м

сут). Аппараты компактны и высокопроизводительны.

Недостатком таких аппаратов является большое сопротивление и

сложность замены поврежденных волокон.

Установки обратного осмоса состоят из большого числа элемен-

тарных модулей, которые соединяют в батареи по параллельной схе-

ме (рис. 11.40). В этом случае все модули работают в одинаковых

условиях: при одном

том

же

давлении и коэффициенте выхода филь-

трата. Такая схема пригодна для установок низкой производитель-

ности.

Для увеличения выхода фильтрата применяют схему с последо-

вательным соединением модулей (рис. 11.40, 6). Раствор концентрата

из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Про-

межуточного насоса не требуется, так как давление на выходе из пер-

вой ступени незначительно отличается от давления на входе во вто-

рую степень (потери напора составляют 0,2-0,3 МПа). Такая схема

обеспечивает коэффициент выхода фильтрата 70-90% (для двух- или

трехступенчатой установок).

333

Сточная

вода

UTZH

Концентрат

Очищенная

вода

—•

Очищен-

ная вода

Концентрат

Рис. II-40. Схемы соединения модулей:

a —

параллельного;

б —

ступенчатого;

— насосы; 2 —

модули

Используя обратный осмос и ультрафильтрацию, можно концен-

трировать и разделять растворенные совместно в сточной воде орга-

нические и неорганические вещества. Например, по одной из схем

(рис. 11.41) в процессе ультрафильтрации получают концентрат, со-

держащий органические вещества, а в процессе обратного осмоса —

концентрат неорганических веществ и чистую воду.

Схема ультрафильтрационной установки для разделения масло-

эмульсионных сточных вод с концентрацией масел менее 10% пока-

зана на рис. П. 42. Установка с тру бчатыми модулями общей поверх-

ностью мембран 52

имеет производительность 70 м

/сут. Она ра-

ботает под давлением от 0,14 МПа до 0,42 МПа при температуре

Сточная вода

Рис. II-41. Блок-схема установки разделения органических и неорганичес-

ких веществ

334

Сточная

вода —

U V

-J Mi

' >

Масло

Очищенная

вода

Серная кислота

Шлам

Промывные воды^ ^ —у

Масло <-

Рис. И-42. Схема установки для разделения маслоэмульсионных сточных

вод ультрафильтрацией: 1 — емкость; 2 — слой нерастворенных масел: 3 —

насос; 4 — емкость: 5 — установка ультра фильтрации: 6 — бак для дополнитель-

ного отделения воды; 7 — емкость для масла

воды 32-38°С (не выше 50°С), скорость движения потока достигает

5,5 м/с.

В баке при подогреве и добавлении серной кислоты происходит

дополнительное разделение масел и воды. После этого воду возвра-

щают в емкость, а масло используют в качестве топлива или направ-

ляют на рафинирование. Очищенная вода поступает на доочистку, а

затем в производство.

8.7. Десорбция, дезодорация и дегазация

Десорбция летучих примесей. Многие сточные воды загрязне-

ны летучими неорганическими и органическими примесями, серо-

водородом, диоксидом серы, сероу глеродом, аммиаком, диоксидом

углерода и др.

При пропу скании воздуха или другого инертного малораствори-

мого в воде газа (азот, диоксид углерода, топочные дымовые газы и

др.) через СТОЧНУЮ воду' летучий компонент диффу ндиру ет в газовую

фазу. Десорбция обуслошгена более высоким парциальным давлени-

ем газа над раствором, чем в окружающем воздухе. Равновесное пар-

циальное давление удаляемого газа находят по закону- Генри. Коли-

чество вещества М. перешедшего из жидкой фазы в газовую, опреде-

ляют по уравнению массопередачи:

M = K

FAc

, (11.106)

где К. — коэффициент массопередачи (в данном случае он равен

335

коэффициенту массоотдачи в газовой фазе р

); F — поверхность кон-

такта фаз; Ac

— 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 протека-

ет в пенном режиме, а для насадочных — в режиме эмульгирования.

Для проведения процесса могут быть использованы колонны с кол-

пачковыми, ситчатыми, клапанными, провальными и другими та-

релками.

Степень удаления летучих веществ из сточных вод увеличивает-

ся с ростом температуры газожидкостной смеси, коэффициента мас-

соотдачи и поверхности контакта фаз. Десорбируемое из воды веще-

ство направляют на адсорбцию или на каталитическое сжигание.

При небольших количествах отделяемого вещества и небольшой

его стоимости, а также при условии трудного извлечения его из газо-

вой 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 окисля-

ется до CO

и H

Схема очистки воды от хлорбензола десорбцией азотом показана

на рис. II-43. Сточная вода, подвергающаяся очистке, кроме хлор-

бензола содержит метанол, ароматические амины, формальдегид и

хлорид натрия. Колонна состоит из четырех царг, в каждой из кото-

рых установлены три бар-

ботажные тарелки. Азот

подают в каждую царгу

раздельными потоками че-

рез коллектор.

Концентрация хлорбен-

зола равная или меньшая

ПДК (0,02 мг/л) достига-

лась при начальном со-

Рис. II-43. Схема установки

для десорбции хлорбензола

из

сточной

воды:

1—емкость;

2 — насос; 3 — коллектор азо-

та; 4 — колонна; 5 — коллектор

отходящих газов

Азот

Сточная вода

V-

г '

Газы на сжи-

гание

—>

Очищенная

вода

336

держании его в воде 1.8-2 мг/л и расходах воды 0,15 м

/ч и азота

44 м

/ч. Время пребывания жидкости на тарелках составляло 8 мин.

Остаточное содержание хлорбензола в очищенной воде зависит от

его начальной концентрации. Присутствие других примесей не вли-

яет на степень очистки.

Дезодорация. В некоторых сточных водах содержатся меркапта-

ны, 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, окисле-

ние кислородом под дашгением, озонирование, экстракцию, адсорб-

цию и микробиологическое окисление. При выборе метода необхо-

димо учитывать его эффективность и экономическую целесообраз-

ность.

Наиболее эффективным считается метод аэрации, который зак-

лючается в проду вании воздуха через СТОЧНУЮ ВОДУ'. Процесс прово-

дят в аппаратах различной конструкции. На схеме, представленной

на рис. II-44, удаление дурнопахнущих веществ проводят в тарель-

чатой колонне каскадного типа. Сточная вода растекается в виде пле-

нок по тарелкам, на которых происходит ее контакт с воздухом. За-

тем воздух с выделенными веществами поступает в насадочную КО-

ЛОННУ; которая орошается раствором щелочи.

Для очистки на 85-90% необходимо иметь удельный расход 12-

15 м

на 1 м

сточной воды, число тарелок не менее 10, плотность

орошения — 20-80 м

/(м

ч), концентрацию щелочи — не менее 40 г/л

O. Недостаток метода заключается в том, что некоторые загрязне-

ния не удаляются методом аэрации и остаются в сточной воде.

На некоторых предприятиях дурнопахнущие сточные воды очи-

щают продувкой острым паром. В целлюлозной промышленности

воды загрязнены серосодержащими соединениями, а кроме того, ме-

танолом и скипидаром. Отдувка паром позволяет очищать ВОДУ* И ОТ

этих веществ. Основным аппаратом для обработки сточных вод па-

ром является колонна с колпачковыми или сетчатыми тарелками. Сте-

пень очистки от сероводорода и метилмеркаптана приближается к

100%, от других веществ — к 90%. Расход пара на

сточной воды

составляет 60 кг; для уменьшения расхода пара СТОЧНУЮ ВОДУ подо-

гревают.

Промышленное применение имеет и хлорирование дурнопахну

щих сточных вод. При этом происходит окисление хлором серосо-

337

держащих соединений. В случае недостатка хлора образуется диме-

тилдисульфид с неприятным запахом:

S+C1

-*2HC1+S, (IUOl)

2CKSH+C1

->2НС

+(CH

)

(И.

108)

При избытке хлора (не менее 600 г на 1 м

) образуются диоксид

серы, хлорид водорода и метансульфонилхлорид:

S+3 Cl

+2Н

0 ->S0

+6HC1, (II. 109)

SH+3C1

+2H

0->CH

Cl+5HCl.

(II. 110)

Очистку сточных вод от сероводорода окислением кислородом

воздуха при атмосферном давлении в присутствии катализатора (же-

лезная стружка, графитовые материалы и др.) проводят в аэрацион-

ном бассейне, куда подают сжатый воздух. Большая часть сероводо-

рода при этом окисляется до элементной серы, а другая часть отду-

вается воздухом. Вода очищается от серы, а воздух с сероводородом

поступает на очистку в адсорбер с активным углем. После насыще-

ния уголь регенерируют сульфатом аммония. При окислении про-

должительностью 60-90 мин и расходе воздуха 10-12 м

/м

степень

очистки воды достигает 95-97%.

Высокая степень очистки может быть достигнута при использо-

вании жидкофазного окисления сернистых веществ кислородом воз-

духа под давлением. Окисление сероводорода в щелочной среде при

этом происходит до тиосульфата и сульфата натрия, а метилмеркап-

тана и диметилдисуль фида до метансульфокислоты.

Схема установки окисле-

ния сернистых соединений

кислородом воздуха под

давлением представлена на

рис. И-45. Серосодержащие

сточные воды нагреваются в

теплообменнике до 100°С, а

затем поступают в трубча-

тый реактор, куда подается

воздух под давлением 1,5

Рис.

П-44.

Схема установки для

дезодорации

(1 и

2—тарельча-

тая

насадочная колонны)

Сточная

вода

Раствор

щелочи

Воздух

Очищенная

Раствор солей

вода

338

Мпа. При указанных условиях серосодержащие соединения окисля-

ются до сульфатов. Смесь воды с воздухом разделяется в сепараторе.

Вода из сепаратора возвращается в емкость. Количество подаваемо-

го возду ха составляет по кислороду* 200% ХПК сточных вод. Сте-

пень 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)

+3H

S = Fe

+6H

0, (11.111)

в нейтральной среде

Fe(OH)

S =

FeS+2H

(II.

112)

После отстаивания проводится регенерация образующихся суль-

фидов железа:

2Fe

+6H

0+30

=4Fe (OH)

+6S, (11.113)

4FeS+6H

0+30

= 4Fe(OH)

+4S. (11.114)

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

Рис. II-45. Схема установки для очистки сточных вод от серосодержащих

соединений окислением под давлением:

1 —

емкость; 2

—

насос; 3 — теплооб-

менник; 4 — трубчатый реактор; 5 — сепаратор

339

диоксида хлора и фильтровании воды через слой активного угля.

Наилучшие результаты очистки получены при следующих соот-

ношениях: для сероводорода —

/ H

S >5; для метилмеркаптана —

/ CH

SH «10; для диметилсульфида — O

/ (CH

)

S = 4-6. Степень

дезодорации указанных веществ в этих условиях зависит от их кон-

центрации в сточной воде и изменяется от 80 до 100%. Доза озона в

этом случае снижается по сравнению с просто озонированием. При-

менение диоксида хлора вместо озона при тех же соотношениях обес-

печивает степень дезодорации на 90-100%.

Дегазация. Присутствие в сточных водах растворенных газов зат-

рудняет очистку и использование сточных вод, усиливает коррозию

трубопроводов и аппаратуры, придает воде неприятный запах. Ра-

створенные газы из воды удаляют дегазацией, которую

осу

ществля-

ют химическими, термическими и десорбционными (аэрационны-

ми) методами.

Для удаления из воды диоксида углерода ИСПОЛЬЗУЮТ методы аэра-

ции, проводимые в пленочных, насадочных, барботажных и вакуум-

ных дегазаторах. Пленочные дегазаторы — колонны с различного

вида насадками, работающие в условиях противотока дегазиру емой

воды и воздуха, подаваемого вентилятором. Дегазаторы струйно-пле-

ночного типа представляют собой градирни без принудительной по-

дачи воздуха. Из дегазаторов барботажного типа наиболее эффек-

тивны пенные аппараты.

Вакуумные дегазаторы — насадочные колонны, работающие под

вакуумом, в которых вода равномерно распределяется по поверхнос-

ти насадки. Наиболее полная дегазация достигается при разбрызги-

вании в вакууме и одновременном подогреве воды (рис. 11-46). Воду

нагревают паром в котле. Пар из змеевика попадает в теплообмен-

ник, где вода подогревается. Вакуум создают отсасыванием дегазо-

ванной воды насосом.

Выбор типа дегазатора зависит от производительности установки,

концентрации удаляемого газа и необходимой степени дегазации. Для

удаления CO

при ее содержании в воде не более 150мг/л и производи-

тельности до 15 0м

/ч используют дегазаторы

хордовой

насадкой.

Плот-

ность орошения насадки 40 м

/(м

ч), удельный расход воздуха 20 м

/м

При глубоком удалении газа применяют барботажные или пенные

дегазаторы производительностью до 20 м

/ч.

При термической дегазации воды от растворенного диоксида уг-

лерода или кислорода пропускают пар через воду и нагревают ее до

340

температуры кипения при внешнем давлении. В этом случае парци-

альное давление газа над водой снижается до нуля и растворимость

его также падает до нуля. Вследствие нарушения равновесия в сис-

теме происходит выделение избыточных газов из воды (физическая

десорбция).

Для интенсивной дегазации необходимо, чтобы вода непрерыв-

но контактировала с новыми порциями пара при большой поверхно-

сти контакта фаз в течение достаточного времени. Температура воды

должна быть близка к температу ре насыщенного пара при данном

давлении. Процесс проводят в аппаратах, называемых деаэратора-

ми. 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 (NH

5=±NH

). 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 осуществле-

ния процесса отдувки аммиака из воды повышают рН воды до значе-

ний 10,8-11,5 и создают большую поверхность контакта между воз-

духом или паром и водой.

Сначала сточную воду нагревают в теплообменнике и острым па-

ром до 100°С, а затем подают в десорбер на агдувку аммиака острым

паром. Удаляемая из десор-

бера смесь воды с аммиаком

конденсируется в конден-

сат, представляющий собой

слабый водный раствор

амиака, утилизуют.

Отдувку аммиака возду-

хом производят в колоннах

с хордовой насадкой (рис.

Рис. II-46. Схема установки для

дегазации в вакууме с подогре-

вом:

— котел; 2 — змеевик; 3 —

насос; 4 — теплообменник; 5 —

вакуум-насос; 6 — емкость