Очистка сточных вод (кислотно-щелочные сточные воды)

1. Источники и виды загрязнителей окружающей среды, характерные для данного производства

2. Методы очистки сточных вод

2.1. Механическая очистка сточных вод

2.1.1. Очистка сточных вод процеживанием и отстаиванием

2.1.2. Очистка сточных вод фильтрованием

2.2. Физико-химические методы очистки сточных вод

2.2.1. Очистка сточных вод коагуляцией

2.2.2. Очистка сточных вод флокуляцией

2.2.3. Очистка сточных вод методом жидкостной экстракции

2.2.4. Ионно-обменная очистка

2.3. Химические и электро-химические методы очистки сточных вод

2.3.1. Нейтрализация сточных вод

2.3.2. Ферритизация

2.3.3. Электрофлотационная очистка

2.4. Термический метод очистки сточных вод

2.4.1.Очистка сточных вод методом дозированного выпаривания

3. Описание технологического процесса и схемы

3.1. Характеристика кислотно-щелочных сточных вод

3.2. Технологическое решение по очистным сооружениям

3.2.1. Узел обезвреживания кислотно-щелочных сточных вод

3.2.2. Узел сгущения и обезвоживания осадка

3.2.3. Узел приготовления и дозирования реагентов

4. Материальный баланс производства

5. Нормы технологического режима и контроля производства

5.1. Обслуживание очистного комплекса

5.2. Контроль технологического процесса производства.

5.3. Перечень оборудования очистных сооружений

6. Технологический расчёт аппаратов

6.1. Расчет концентрации взвешенных веществ после нейтрализации стоков

7. Охрана окружающей среды

7.1. Количество осадков, образующихся на очистных сооружениях

7.2. Перечень образующихся отходов при эксплуатации очистного комплекса

8. Техника безопасности

8.1. Основные требования и правила по технике безопасности при работе на станции очистки

8.2. Правила электробезопасности и оказания первой медицинской помощи при поражении электрическим током

8.3. Пожарная безопасность

Среди различных видов загрязнения окружающей среды, химическое загрязнение природных вод имеет особое значение. Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ — загрязнителей, ухудшающих качество воды. Кардинальное решение проблемы охраны окружающей среды состоит в разработке и внедрении экологически безопасных, безотходных технологических процессов и производств. Рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды в настоящее время решаются в двух направлениях. Одно из них — разработка и внедрение малоотходных и безотходных технологий и процессов, другое — модернизация действующих предприятий, замена устаревших процессов новыми, повышение качества очистки сточных вод, внедрение замкнутых производственных циклов.

Гальваническое производство является одним из крупных потребителей воды, а его сточные воды — одними из самых токсичных и вредных.

Основным видом отходов гальванического производства являются промывные воды, содержащие в большом количестве ионы тяжелых металлов. Для снижения количества тяжелых металлов в сточных водах до предельно допустимых концентраций (ПДК) необходимо использовать замкнутую систему водоснабжения, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке от примесей, возвращать в технологический процесс, а извлеченные примеси — на захоронение или переработку. Таким образом очистка сточных вод является одной из самых актуальных проблем.

1. ИСТОЧНИКИ И ВИДЫ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ ДАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Для нужд технологии очистки сточных вод гальвано технологические операции чаще всего классифицируют, исходя из реакций и химического состава электролитов, служащих источником образования сточных вод. Гальванические операции делятся на 3 группы в соответствии с 3 видами сточных вод:

1.Операции, при которых образуются растворы или промывные воды, содержащие цианистые соединения. Концентрация цианидов в промывных водах колеблется от 5 до 30 мг/л, рН 7,6−9;

2.Операции, при которых растворы или промывные воды содержат хромистые соединения: к ним относятся процессы хромирования, хромистой пассивации и операции промывки после этих растворов. Эти растворы содержат 80−120 мг/л хроматов (в пересчете на хром шестивалентный), рН 2−6;

3.Операции, при которых образуются кисло-щелочные гальванические стоки, объединяющие промывные воды после всех ванн (никелирования, цинкования, меднения, лужения, оловянирования, обезжиривания, травления). В этих промывных водах кроме ионов тяжелых металлов содержатся кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов, СПАВ, амины, блескообразующие добавки. Эти стоки составляют 80−90% от общего количества сточных вод гальванического производства, рН щелочных гальванических стоков составляет 10−12, кислых — 2−5.

Исходя из приведенной классификации наши сточные воды, анализируя их состав, можно отнести к сточным водам, содержащим ИТМ. Чтобы определить источники загрязнения сточных вод разделим все сточные воды на концентрированные и разбавленные. Концентрированные сточные воды — это отработанные технологические растворы ванн или промывные воды отдельной технологической операции с высокой концентрацией загрязнителей. Эти воды образуются периодически, при смене отработанных технологических растворов на свежие. Разбавленные сточные воды — это воды, которые образуются при межоперационной промывке, проводимой с целью сохранения химического состава и чистоты электролитических растворов, применяемых в отдельных операциях.

Кислые и щелочные сточные воды смешивают друг с другом без учета их рН, что приводит к тому, что рН смешанных сточных вод может изменяться от кислой до основной.

2. МЕТОДЫ ОТЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Перед сбросом в водоемы или направлением в замкнутые системы водоснабжения сточные воды подвергаются очистке. Методы очистки сточных вод подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. При использовании деструктивных методов вещества, загрязняющие воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Очистные сооружения гальванических производств можно классифицировать следующим образом:

— по гидравлическим условиям работы: проточные, непроточные и комбинированные;

— по режиму работы: непрерывно работающие и периодически работающие;

— по степени разделения категории сточных вод: с полным разделением потоков (хромсодержащие, кислотно-щелочные, циансодержащие, содержащие комплексные соединения и др.), с частичным разделением потоков (общий сток и циансодержащие стоки), без разделения потоков (при отсутствии циансодержащих стоков);

— по характеру работы в системе водного хозяйства: работающие в прямоточной системе, работающие в оборотной (частично замкнутой) системе, работающие в прямоточной системе с повторным использованием воды и работающие в полностью замкнутой (бессточной) системе;

— по месту сброса очищенных сточных вод: со сбросом в производственную канализацию, со сбросом в городскую канализацию, со сбросом в водоем;

— по схеме очистки: одноступенчатые и многоступенчатые, с обессоливанием воды и без обессоливания воды, реагентные, малореагентные и безреагентные;

— по применяемой технологии очистки: нейтрализационные, химической очистки, физико-химической очистки, биологической очистки и комбинированные.

Выбор метода очистки и конструктивное оформление процесса производятся с учетом следующих факторов: 1) санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных вод с учетом дальнейшего их использования; 2) количества и качества сточных вод; 3) эффективности процесса обезвреживания.

В процессе очистки сточных вод образуются большие массы осадков, которые подвергаются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке и подготавливаются к дальнейшему использованию.

Основными методами очистки кислотно-щелочных сточных вод являются:

— механический метод очистки (процеживание, отстаивание, фильтрование и т. д.);

— физико-химический метод очистки (коагуляция, флокуляция, ионный обмен и т. д.);

— химические и электрохимические методы;

— термические методы.

2.1. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Промышленные и бытовые сточные воды содержат взвешенные частицы растворимых и нерастворимых веществ. Взвешенные примеси (твердые и жидкие) образуют с водой дисперсную систему. В зависимости от размера частиц дисперсные системы делятся на три группы: 1) грубодисперсные системы с частицами размером более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии); 2) коллоидные системы с частицами размером от 0,1 мкм — 1 нм; 3) истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют размерам отдельных молекул или ионов.

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы (периодические и непрерывные) процеживания, отстаивания (гравитационное и центробежное), фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

2.1.1. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПРОЦЕЖИВАНИЕМ И ОТСТАИВАНИЕМ

Процеживание. Важной и обязательной мерой очистки и подготовки воды для последующей очистки является удаление из сточных вод крупных загрязнений. Для этого в составе всех очистных сооружений проектируются решетки. Они выполняются из ряда металлических стержней, расположенных параллельно друг другу и создающих плоскость с прозорами, через которую процеживается вода.

Для устройства решеток применяются стержни прямоугольной с закругленной лобовой частью, круглой и других форм. Толщина стержней равна 6−10 мм. Ширина прозоров между стержнями обычно принимается 16 мм. Скорость движения воды в прозорах решеток принимается равной 0,8−1,0 м/с.

Размер решеток определяется из условия обеспечения в прозорах решеток оптимальной скорости 0,8−1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод.

Для удаления более мелких взвешенных веществ, а также ценных продуктов, применяют сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Сито барабанного типа представляет собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5−1,0 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от подвода воды снаружи или внутрь. Задерживаемые примеси смываются с сетки водой и отводятся в желоб. Производительность сита зависит от диаметра барабана и его длины, а также от свойств примесей. Сита применяют в текстильной, целлюлозно-бумажной и кожевенной промышленности.

Отстаивание. Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Как правило, сточные воды содержат взвешенные частицы различной формы и размера. Такие воды представляют собой полидис-персные гетерогенные агрегативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и форма частиц, а также физические свойства системы изменяются. Кроме того, при слиянии различных по химическому составу сточных вод могут образовываться твердые вещества, в том числе и коагулянты. Эти явления также оказывают влияние на форму и размеры частиц. Все это усложняет установление действительных закономерностей процесса осаждения.

Песколовки. Их применяют для предварительного выделения минеральных и органических загрязнений (0,20−0,25 мм) из сточных вод. Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25−1,00 м. Скорость движения воды в них не превышает 0.3 м/с. Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круговым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или в отвал. Применяются при расходах до 7000 м?/сут. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0.05 м/с.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки.

Отстойники. Различают отстойники: горизонтальные, вертикальные, радиальные, тонкослойные (трубчатые, пластинчатые).

Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения (рис. 1, а). Вода движется с одного конца отстойника к другому.

Рис. 1. а — горизонтальный: 1 — входной лоток; 2 - отстойная камера; 3 — выходной лоток-, 4 —приямок; б— вертикальный: 1-цилиндрическая часть; 2 — центральная труба; 3 — желоб; 4 —коническая часть: в — радиальный: 1 — корпус; 2 — желоб; 3 — распределительное устройство; 4 - успокоительная камера; 5 — скребковый механизм; г — трубчатый, д — с наклонными пластинами: 1 — корпус; 2 — пластины; 3 — шламоприемник Глубина отстойников равна (Н)= 1,5−4.0 м, длина — 8−12 Н, а ширина коридора — 3−6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15 000 м?/сут. Эффективность отстаивания достигает 60 %.

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды под действием силы тяжести вниз. В отстойнике успеют осесть только те частицы, траектория которых пересекает дно отстойника в пределах его длины. Горизонтальную скорость движения воды в отстойнике принимают не более 0.01 м/с. Продолжительность отстаивания — 1−3 ч.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем (рис. 1, б) Сточную воду подводят по центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5−0.6 м/с. Высота зоны осаждения — 4−5 м. Каждая частица движется с водой вверх со скоростью н и под действием силы тяжести вниз щ_oc. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. При щ_oc>н частицы будут быстро оседать, при щ_oc< н — уноситься вверх. Эффективность осаждения в вертикальных отстойниках ниже на 10−20%, чем в горизонтальных.

Радиальные отстойники. Они представляют собой круглые в плане резервуары (рис 1, в). Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20 000 м?/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5−5,0 м. а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16−60 м. Эффективность осаждения их составляет 60%.

Тонкослойные отстойники можно рекомендовать для эффективного выделения тонкодисперсных примесей. Их применяют для осветления слабо-концентрированных производственных сточных вод, содержащих тонко-диспергированные нерастворимые примеси, преимущественно небольшой плотности, или в качестве второй ступени при обработке концентрированных производственных стоков, особенно содержащих полидисперсные системы загрязнений. Малая глубина отстойников (Н =0,2? 0,3 м [12]) обеспечивает осветление воды в течение 4 — 10 мин, что позволяет значительно уменьшить их габариты по сравнению с габаритами отстойников других типов и размещать в закрытых помещениях. Тонкослойные отстойники в общем случае представляют собой резервуары глубиной 0,2 — 0,3 м с полочными (полочные отстойники) или трубчатыми вставками (трубчатые отстойники) (дренами).

Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25−50 мм и длиной 0,6−1,0 м (рис. 1, г). Трубки можно устанавливать с малым (до 5°) и большим (45−60°) наклоном. Трубчатый отстойник с небольшим наклоном работает периодически.

Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100−10 000 м³/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 6−10 м³/ч на 1 м² входного сечения трубок. Эффективность очистки 80−85%.

В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое пространство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость промывки трубок. Отстойники этого типа могут быть изготовлены из пластмассовых блоков, которые устанавливают в корпусах обычных отстойников. Гидравлическая нагрузка отстойников с большим наклоном труб от 2,4 до 7,2 м³/ч на 1 м² входного сечения труб.

Пластинчатые отстойники. Они имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин (рис. 1, д). Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз, в шламоприемник. Отстойники могут быть прямоточными, в которых направление движения воды и осадка совпадают; противоточными — вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестными, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.

Осветлители. Их применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют, в частности, осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

Принципиальная схема осветлителя показана на рис. 2. Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им частицы взвеси поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока — сечение 1−1. Выше этого сечения образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется осветленная вода. При этом наблюдается процесс прилипания частиц взвеси к хлопьям коагулянта. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная вода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.

Рис. 2. Блок осветлителя: 1 — осветлитель; 2 — желоб; 3 — осадко-уплотнитель Для интенсификации процесса первичного отстаивания труднооседающих веществ на станциях биологической очистки применяют отстойники-осветлители с естественной аэрацией, которые представляют собой вертикальные отстойники с внутренней камерой флокуляции (рис. 2).

Сточная вода через центральную трубу поступает в камеру флокуляции, где происходит частичное окисление органических веществ аэрируемым воздухом, хлопьеобразование и сорбция загрязнений. Затем сточная вода поступает в отстойную зону. При прохождении через слой взвешенного осадка из нее удаляют мелкодисперсные взвешенные частицы. Объем камеры флокуляции обеспечивает 20-минутное пребывание в ней воды. Степень очистки от взвешенных частиц достигает 70%

2.1.2 ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ФИЛЬТРОВАНИЕМ

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение проводят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием гидростатического давления столба жидкости, повышенного давления над перегородкой или вакуума после перегородки.

Фильтрование через фильтрующие перегородки. Выбор перегородок зависит от свойств сточной воды, температуры, давления фильтрования и конструкции фильтра.

Фильтровальные перегородки, задерживающие частицы, должны обладать минимальным гидравлическим сопротивлением, достаточной механической прочностью и гибкостью, химической стойкостью и не должны набухать и разрушаться при заданных условиях фильтрования.

Для фильтрования используют различные по конструкции фильтры. Основные требования к ним: высокая эффективность выделения примесей и максимальная скорость фильтрования.

Процесс фильтрования состоит из трех стадий: 1) перенос частиц на поверхность вещества, образующего слой; 2) прикрепление к поверхности и 3) отрыв от поверхности.

По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений. В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор материала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрующим материалом. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами.

Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1 -2 м, в закрытых — 0,5−1,0 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.

Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных сточных вод. Они представляют собой бетонные или кирпичные резервуары с дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/дм" принимают скорость фильтрования 0,2−0.3 м/ч; при 25−30 мг/дм — 0,1−0,2 м/ч. Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Недостатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.

Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослойные (рис. 3, а). У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же материала, у многослойных — из различных материалов.

Сточную воду в фильтр подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят промывку подачей промывных вод снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористо-бетонных сборных плит. На нем размещают фильтрующий материал (в 2−4 слоя) одного гранулометрического состава. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5−2 м. Скорость фильтрования принимается равной 12−20 м/ч.

В многослойных скоростных фильтрах фильтрующий слой состоит из зерен разных материалов, например, из слоя антрацита и песка. Верхние слои имеют зерна большего размера, чем нижние. Конструкция этих фильтров мало отличается от конструкции однослойных. Они имеют более высокую производительность и большую продолжительность фильтрования.

Выбор тина фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильтруемых вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.

Промывку фильтров, как правило, производят очищенной водой (фильтратом), подавая ее снизу вверх. При этом зерна загрузки переходят во взвешенное состояние и освобождаются от прилипших частиц загрязнений. Может быть произведена водо-воздушная промывка, при которой сначала зернистый слой продувают воздухом для разрыхления, а затем подают воду. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах 18−22 дм? /(м²с), а воды — 6−7 дм?(м?с). Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, а затем смесью воздух-вода; на последнем этапе — водой. Продолжительность промывки 5−7 мин.

Рис. 3. Фильтры:

а — скоростной: 1 — корпус: 2 — система удаления промывных вод: 3 — система подачи сточных вод: 4 — система подачи промывных вод: J — пористый дренаж, б — фильтрующий материал: б — с подвижной загрузкой: 1 — корпус. 2 — дренажная камера: 3 — средняя камера: 4 — каналы. 5 щелевые трубы: 6 - ввод сточной воды; 7 — классификатор: 8 —промывное устройство: 9 — труба для подачи промывной воды: 10 — отвод промывной воды: ' - коллектор; 12, 13 — трубы; 14 — кольцевой коллектор; 15 — гидроэлеватор; в — микро-фильтр; 1 — вращающий барабан: 2 — устройство для промывки, 3 — лоток для сбора промывных вод 4 — труба для отвода промывных вод: 5 — камера для удаления осветленной воды; г — с пенополиуретановой загрузкой: 1 — слой пенополиуретана; 2 -камера: 3 — элеватор; 4 — направляющие ролики; 5 — лента; б — ороситель; 7 — отжимные ролики: 5 — емкость для регенерата; 9 — решетчатая перегородка Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является вертикальное расположение фильтрующей загрузки и горизонтальное движение фильтруемой воды (рис. 3, б). Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5−3 мм) или гранитный щебень (3−10 мм). Схема фильтра показана на рис. 4.6, б.

Сточная вода поступает в коллектор, откуда через каналы и отверстия поступает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренажную камеру. Загрязненный материал перекачивают гидроэлеватором по трубе в промывное устройство. Расчетная *скорость фильтрации 15 м/ч: расход промывной воды 1−2% от производительности фильтра; необходимый напор перед фильтром 2−2,5 м. Эффективность очистки составляет 50−55%.

Среди достоинств этих фильтров можно назвать большую скорость фильтрации, высокое качество отмывки нагрузки от загрязнений, небольшую производственную площадь, занимаемую фильтром. К недостаткам можно отнести большую металлоемкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос песка, сложность эксплуатации.

Микрофильтры (рис. 3, в). Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3×0,3 до 0,5×0,5 мм. Микрофильтры применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Схема одного из микрофильтров показана на рис.4в.

Сточная вода поступает внутрь барабана и через отверстия проходит в камеру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и при промывке с промывной водой поступают в лоток, барабан вращается с частотой 6−20 мин^-1. Скорость фильтрации достигает 25−45 м³/м²ч.

При концентрации взвешенных частиц 15−20 мг/дм³ эффективность очистки составляет 50−60% в зависимости от состава и свойств сточных вод, размера ячеек и режима работы микрофильтров (гидравлической нагрузки, потерь напора, интенсивности промывки и др.).

Магнитные фильтры. Они нашли широкое распространение, обеспечивают степень очистки 80%. Такие фильтры применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5−5 мкм) из жидкостей. Помимо магнитных частиц фильтры улавливают абразивные частицы, песок и другие загрязнения. Этому способствует эффект электризации немагнитных частиц. Магнитные фильтры могут быть снабжены постоянным магнитом или электромагнитом, их производительность до 60 м /ч.

При прохождении сточных вод ламинарным потоком через магнитное поле ферромагнитные частицы размером 0,5−1 мкм намагничиваются и образуют агломераты размером до 50 мкм, которые удаляются фильтрованием, либо осаждаются под действием гравитационного поля. Направление потока жидкости должно совпадать с направлением магнитного поля, так как при этом создаются наиболее благоприятные условия осаждения.

Степень очистки фильтрованием зависит от напряженности магнитного поля, скорости течения жидкости, ее вязкости, расположения силовых полей относительно направления потока жидкости.

2.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке производственных сточных вод.

Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди др. методов очистки возрастает.

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

2.2.1. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД КОАГУЛЯЦИЕЙ

Коагуляция — это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае — жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией.

Методы коагуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц, их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала.

Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты: сульфат алюминия, железный купорос, гидроксид железа, хлорид железа, хлорид магния, сульфат магния. Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды: большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава: способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей АI₂(SО₄)₃ и FeCI₃в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава и требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность — до 96−99.9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01−1,03т/м?. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1−4 кг/м?; объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10−20% объема обрабатываемой сточной воды. Значительный расход коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и последующего складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемых сточных вод не позволяют в большинстве случаев рекомендовать коагуляцию как метод самостоятельной очистки. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.

2.2.2. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ФЛОКУЛЯЦИЕЙ

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться как в неионизированном, так и в ионизированном состоянии. Ионизированные флокулянты носят название растворимых полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:

— неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные группы: ОН, -СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

— анионные — полимеры, содержащие анионные группы: -СООН, SO₃H, -OSO₃H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

— катионные — полимеры, содержащие катионные группы: -NH₂,=NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.);

— амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др.

Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются обычно 0,1−10 г/м, а в среднем 0,5−1,0 г/м .

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; рециркуляции (образование, сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа. При добавлении активированного силиката увеличивается в 2−3 раза скорость осаждения и повышается эффект осветления.

Процесс очистки сточных вод методами коагуляции или флокуляции включает приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование в обрабатываемую сточную воду, смешение со всем объемом воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из воды.

Растворение коагулянтов в воде осуществляется в растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом интенсивностью 4−5 дм/с на 1 м? площади колосниковой решетки. Применяются также баки с лопастными мешалками для растворения зернистых материалов и с пропеллерными мешалками для растворения кусковых материалов (размером не более 20 мм).

Из растворных баков растворы коагулянтов перекачивают в расходные баки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую сточную воду обычно в виде 1−10%-ных растворов, а флокулянты — в виде 0.1−1%-ных растворов.

Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях, продолжительность пребывания воды в которых составляет 1−2 мин. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические смесители с пропеллерными или лопастными мешалками.

После смешения обрабатываемых сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием.

3.2.3. ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОЙ ЭКСТРАКЦИИ

Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твёрдых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). В основе метода жидкостной экстракции лежит массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Для повышения скорости процесса исходный раствор (сточную воду) и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт — раствор извлекаемого компонента в экстрагенте, и рафинат — остаточно исходный раствор (очищенная сточная вода), из которого с той или иной степени полноты удалён экстрагируемый компонент.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяют друг от друга отстаивание, центрифугированием или другим механическим способом. После этого производят извлечение экстрагируемого вещества из экстракта с целью возврата экстрагента в процесс экстракции путём реэкстракции другим растворителем, а также выпаривание, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

В процессе очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов методом жидкостной экстракции металлы переходят в органическую фазу, а за тем в результате реэкстракции — из органической фазы (экстракт) в водный раствор[27]. Таким образом достигается очистка сточных вод и концентрирование металла, то есть создаются условия для его регенерации (например, электролизом).

Органическая фаза содержит экстрагент и органическую жидкость — растворитель экстрагента (керосин, бензол, хлороформ, толуол и т. д.). В качестве экстрагентов используют органические кислоты, эфиры, спирты и др., а реэкстрагентов — водные растворы неорганических кислот и оснований. Извлечение металлов из водной в органическую фазу проводят тремя способами [1]:

катионообменной экстракцией — то есть обменом извлекаемого катиона металла на катион экстрагента;

анионообменной экстракцией — то есть обменом металлосодержащего аниона на анион экстрагента;

координационной экстракцией, при которой образуется кардиационная связь молекулы или иона экстрагента непосредственно с атомом (ионом) реэкстрагируемого металалла.

Катионообменая экстракция в общем виде описывается уравнением:

Me^z+_вод. + zHR_орг. = MeR_{z орг} + zH⁺ ,

где Me — металл валентностью z; R — кислотный остаток органической кислоты.

Наиболее широко применяются следующие катионообменные экстрагенты: алифатические кислоты типа RCOOH с числом углеродов атомов в радикале от 7 до 9 и нафтеновые кислоты, которые получают из сырой нефти.

Катиобменнае экстракция может протекать по двум механизмам:

— с образованием простых органических солей металлов,

— с образованием внутрикомплексных соединений экстрагента с ионами металлов.

В процессах анионообменной экстракции используют первичные, вторичные и третичные амины. При обработке кислотой соли аминов могут обменивать анион кислоты на металлосодержащие анионы. К нейтральным экстрагентам относятся спирты, кетоны, простые и сложные эфиры и др. При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов — наиболее ценной или токсичной, а затем, если это необходимо, другой и т. д.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют ступенчато-противоточный и непрерывно-противоточный методы экстракции.

При ступенчато-противоточной экстракции применяются установки, каждая ступень которых состоит из смесителя и сепаратора для отстойного разделения водной и органической жидкостей. Свежий экстрагент и сточная вода поступают из противоположных сторон и по ступеням перемещяются на встречу друг другу, так что на последней ступени почти чистая вода встречается со свежим экстрагентом, а неочищенная сточная вода контактирует с концентрированным раствором экстрагируемого вещества в экстрагенте. Разделение проводят в трёхкамерных отстойниках: смесь поступает в среднюю камеру, где она расслаивается. Лёгкая жидкость перетекает в боковую камеру по переточному патрубку в верхней части перегородки, тяжёлая — в другую боковую камеру через нижний переточный патрубок.

При непрерывных противоточных экстракции применяют колонны различных конструкций, в которых вода и экстрагент перемещаются на встречу друг другу и разделяются на выходе из колонны.

Процесс экстракции осуществляется в одном аппарате, при этом экстрагент выполняет роль не накопителя целевого продукта, а переносчика ионов из одной секции аппарата в другую, что требует меньшей разовой загрузки экстрагента и меньшей его концентрации. Экстракция производится в аппаратах различной конструкции: распылительных, насадочных, тарельчатых колонках, а также в центробежных экстракторах. Наиболее эффективны центробежные экстракторы, отличающиеся высокой производительностью и уникальными возможностями для разделения фаз.

Продолжительность прерывания воды в камере 15−20 мин.

2.2.4. ИОННООБМЕННАЯ ОЧИСТКА

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, кадмия и т. д.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений. Этот метод очистки позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, и другие ионы, присутствующие в растворе (сточной воде). Вещества, составляющие твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не растворимы в воде.

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакция ионного обмена протекает в следствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов (А и Б). В общем виде эти реакции можно представить следующим образом:

R_mB + mA = mRA + B.

Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов: гидродинамического режима жидкости, концентрации обменивающихся ионов, структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов.

Иониты бывают неорганические и органические. Это могут быть природные или синтетические вещества.

Иониты выпускают в виде порошка, зёрен, волокнистого материала, листов и плиток. Крупно зернистые иониты предназначены для работы в фильтрах со слоями значительной высоты, порошкообразные — со слоями высотой 3−10 мм.

Ионообменные смолы могут применяться как в плотном неподвижном слое в установках периодического действия, так и в псевдосжиженном или движущемся слое в аппаратах непрерывного действия.

Ионообменную очистку сточных вод обычно осуществляют путём их последовательного фильтрования через катиониты и аниониты (иногда применяют иониты в солевой форме).

Принципиально возможны три варианта ионообменной очистки сточных вод гальванических производств:

— очистка сточных вод, образующихся в отдельных технологических процессах — локальная очистка;

— очистка общего стока гальванического цеха или участка;

— очистка сточных вод, подвергнутых предварительному обезвреживанию химических реагентов для удаления из них минеральных солей.

На рис. 4. представлена принципиальная схема очистки кисло-щелочных сточных вод ионообменным методом.

Ионообменный метод применим в основном для очистки сточных вод с общим солесодержанием до 3г/л. Увеличение солесодержания воды снижает экономичность способа из-за снижения продолжительности межрегенерационного цикла работы ионитов и повышение расхода химикатов на их регенерацию. Суммарная концентрация тяжёлых металлов колеблется в кисло-щелочных стоках от 0,5 до 1,5 г/л. Применение ионитов для очистки этих стоков позволяют возвратить в гальваническое производство около 90−95% очищаемых сточных вод, а также выделить для повторного использования тяжёлые металлы.

Рис. 4. Принципиальная схема очистки промывных и сточных вод ионообменным методом: 1-накопитель-усреднитель стоков, 2-насос, 3-механический фильтр, 4-сорбционный фильтр, 5-фильтры катионитовые, 6-фильтры анионитовые.

2.3. ХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация, окисление, восстановление и осаждение примесей. К электрохимическим методам очистки сточных вод относятся электрохимическое окисление и восстановление, электрокоагуляция, электрофлотация и электродиализ.

Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или в городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно (в качестве предварительной) перед биологической или, физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод доочистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. При локальной очистке производственных стоков в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

2.3.1. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ СТОЧНЫХ ВОД

Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых стоков содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из сточных вод.

С целью предупреждения коррозии материалов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и в водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

Реакция нейтрализации — это химическая реакция между веществом, имеющим свойства кислоты, и основания, которая приводит потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типична реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях. В результате концентрация каждого из этих ионов становится равно той, которая свойственна самой воде, т. е. активная peaкция водной среды приближается к рН=7.

При спуске производственных сточных вод в водоем или в городскую канализационную сеть практически нейтральными следу е считать смеси с рН = 6,5−8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с рН менее 6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водоема, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса производственных стоков в водоем или городскую канализацию следует, что большую опасность представляют кислые стоки, которые ветре чаются к тому же значительно чаще, чем щелочные (количество производственных сточных вод с рН более 8,5 невелико).

Если отработанные производственные сточные воды подаются систему оборотного водоснабжения, то требования к величине активной реакции зависят от специфики технологических процессов.

Наиболее часто сточные воды загрязнены минеральными кислотами: — серной H₂S0₄, азотной HN0₃, соляной НС1, а также их смесями. Значительно реже в сточных водах встречаются азотистая HN0_2; фосфорная Н₃Р0₄, сернистая H₂SO₃, сероводородная H₂S, плавиковая HF, хромовая Н₂Сг0₄ кислоты, а также органические кислоты: уксусная, пикриновая, салициловая и др.

Концентрация кислот в сточных водах обычно не превышает 3%, но иногда достигает большей величины; например, в отдельных производствах органического синтеза содержание серной кислоты в сточных водах составляет 40% и более.

При химической очистке применяют следующие способы нейтрализации:

а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

б) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная из

весть СаО, гашеная известь Са (ОН)₂, кальцинированная сода Na₂C0₃, каустическая сода NaOH, аммиачная вода NH4OH);

в) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, из

вестняк СаСОз, доломит CaC0₃— MgC0₃, магнезит MgC0₃, обожженный магнезит MgO).

Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов: вида концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды, расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию, наличия реагентов и т. п. Нейтрализация смешением кислых сточных вод со щелочными. Режимы сброса сточных вод, содержащих кислоту и отработанную щелочь, как правило, различны. Кислые воды обычно сбрасываются в канализацию равномерно в течение суток и имеют постоянную концентрацию; щелочные воды сбрасываются периодически дан или два раза в смену по мере того, как срабатывается щелочной раствор. В связи с этим для щелочных вод часто необходимо устранить регулирующий резервуар, объем которого должен быть достаточным, чтобы принять суточное количество щелочных вод. Из резервуара щелочные воды равномерно выпускают в камеру реакции, где в результате смешения их с кислыми водами происходит взаимная нейтрализация.

Нейтрализация сточных вод добавлением реагентов. Если промышленных предприятиях имеются только кислые или только щелочные стоки, невозможно обеспечить взаимную нейтрализацию, применяют реагентный метод нейтрализации. Этот метод наиболее широк: используют для нейтрализации кислых сточных вод.