Проектные решения по рациональному использованию воды на предприятии по производству обоев

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

" БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА"

Кафедра «ЭКОЛОГИЯ И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ»

Пояснительная записка К дипломному проекту На тему: Проектные решения по рациональному использованию воды на предприятии по производству обоев Выполнил студент Рябченко О.В.

г. Гомель

• 1. Общая характеристика предприятия и технологии производства
• 1.1 Характеристика предприятия
• 1.2 Цеха и производственные участки
• 1.3 Краткое описание технологического процесса производства обоев бумажных марка В1, тип 1
• 2. Характеристика существующих систем водоснабжения и водоотведения
• 3. Аналитический обзор и патейный поиск по современным системам водоподготовки и водоочистки
• 4. Научно-исследовательская часть
• 4.1 Подбор и расчет оборудования по водоподготовке
• 4.2 Подбор и расчет оборудования по очистке сточных вод
• 5. Автоматизация процессов
• 6. Проект производства работ по строительству флотатора-отстойника
• 6.1 Определение объемов работ при разработке котлована
• 6.2 Выбор одноковшового экскаватора по техническим параметрам
• 6.3 Подбор транспортных средств
• 6.4 Выбор монтажного крана по техническим характеристикам
• 6.5 Выбор машин для планировки и обратной засыпки пазух котлована
• 6.6 Составление календарного плана производства работ
• 6.7 Техника безопастности при проведении работ
• 6.8 Охрана окружающей среды
• 7. Охрана окружающей среды
• 7.1 Комплексная охрана водных ресурсов
• 7.2 Расчет разбавления сточных вод при сбросе их в озеро Шапор
• 7.3 Расчет экономического ущерба и налоговых платежей за сброс сточных вод в озеро Шапор
• Заключение
• Список использованной литературы
• Введение

Наука и техника начала третьего тысячелетия развивается в темпах геометрической прогрессии, не является исключением и промышленность как одна из самых (если не самой) масштабных сфер деятельности человека. Подобного рода тенденция распространилась по всему миру и уже захватила развивающиеся, в прошлом слаборазвитые, страны. В связи с не безупречностью технологических процессов на данном этапе неизбежно негативное воздействие промышленности на окружающую среду.

Проблема защиты окружающей среды — одна из важнейших задач современности. Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоемы и недра на современном этапе развития науки и техники достигли таких размеров, что в ряде районов, особенно в крупных промышленных центрах, уровни загрязнений в несколько раз превышают допустимые санитарные нормы.

Экологические исследования, проведенные в последние десятилетия во многих странах мира, показали, что всё возрастающее разрушительное воздействие антропогенных факторов на окружающую среду привело ее на грань кризиса. Среди различных составляющих экологического кризиса (истощение сырьевых ресурсов, нехватка чистой пресной воды, возможные климатические катастрофы) наиболее угрожающий характер приняла проблема незаменимых природных ресурсов — воздуха, воды и почвы — отходами промышленности и транспорта.

Проблема охраны окружающей среды является комплексной проблемой и имеет глобальный характер. Дальнейшее развитие человечества невозможно без комплексного учета социальных, экологических, технических, экономических, правовых и международных аспектов проблемы применительно не только к конкретному производственному циклу, но и в масштабах регионов, стран и всего мира.

Природная вода, разделяемая условно на атмосферную (дождь, туман, снег), поверхностную (реки, озера, пруды), подземную (артезианские скважины, шахтные колодцы) и соленую (моря, океаны), всегда содержит различные примеси. Характер и количество содержащихся в воде примесей определяют качество воды, то есть характеризуют возможность использования ее для различных целей в промышленности и в быту. Примеси поступают в воду, находящуюся в природном круговороте, из окружающей ее среды. Ежегодно на сушу в виде осадков выпадает примерно 100 тыс. км³ воды, из которых средний годовой сток речных вод составляет 6 тыс. км³.

Наибольшее народнохозяйственное значение имеет сток рек, который весьма неравномерно распределяется во времени и по территории. Кроме того, качество воды не всегда удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям. Поэтому для использования воды в тех или иных целях, обеспечения ее нужного количества и качества в заданные сроки необходимо проведение комплекса мероприятий.

Значительные масштабы водоснабжения и все возрастающие требования к качеству подаваемой воды поставили перед наукой и техникой ряд неотложных задач по повышению эффективности действия водопроводных сооружений. При проектировании очистных сооружений необходимо знать требования, предъявляемые к качеству воды, которая подается различным потребителям.

Промышленность использует воду в весьма больших количествах на технологические нужды при различных технологических процессах. Воду, подаваемую для некоторых производственных нужд, зачастую нужно подвергать такой же тщательной очистке, как и воду для питьевых целей.

Работы по эколого-экономическому совершенствованию различных методов, привели к усовершенствованию технологий и средств очистки воды. Одна и та же задача может быть решена несколькими альтернативными методами очистки сточных вод. В этой связи возникает необходимость решения многоуровневой оптимизационной задачи: выбор оптимальной технологии, с одной стороны, и условий реализации выбранной технологии с другой. Большинство технологических процессов обработки вод различных типов, в том числе и сточных, не относятся к разряду новой техники, а известны и используются сравнительно давно, постоянно видоизменяясь и совершенствуясь.

Обычно выбор технологического решения очистки сточных вод определяется природой растворенных в них веществ, объемов стоков, степенью загрязненности, климатическими условиями и технологическими возможностями. Исходя из этих условий, можно утверждать, что универсального решения по очистке сточных вод каким — либо одним методом в настоящее время не существует.

Методы очистки сточных вод должны обеспечивать соответствие:

действующим нормативным требованиям;

технической безопасности;

быть удобной в эксплуатации и ремонте;

уровень надежности: срок службы не менее 10 лет;

отделение продуктов очистки воды в виде шлама, направляемого на иловые площадки;

метод очистки должен быть привязан к местным условиям: рельефу местности, инфраструктуре коммуникаций предприятия, к специфике физико-химического состава загрязнителей стоков.

В данном дипломном проекте необходимо запроектировать систему водоподготовки для технических нужд, а также систему водоочистки после техпроцессов на предприятии по производству обоев, имея в качестве исходных данных к проекту схему предприятия, существующие схемы водоснабжения и водоотведения, описание технологических процессов, экологический паспорт.

1. Общая характеристика предприятия и технологии производства

1.1 Характеристика предприятия

ОАО «Гомельобои «расположено в юго — восточной части г. Гомеля (городской район Новобелица) на берегу озера Шапор, соединенного каналом с р.Сож. Территория площадки имеет спокойный рельеф. Коэффициент рельефа местности города — 1.

С севера граница площадки предприятия проходит по ул. Международной, с востока — по ул. Севастопольской, с других сторон территория промплощадки проходит вдоль береговой линии озера Шапор.

Климат г. Гомель умеренноконтинентальный. Средняя температура наружного воздуха наиболее жаркого месяца плюс 24. Средняя температура наружного воздуха наиболее холодного месяца минус 6.

В году преобладают ветры западных направлений. Пятипроцентную обеспеченность имеет ветер 5,5 м/с. Повторяемость направления ветра и штилей — 8.

Для Гомеля характерна высокая относительная влажность, особенно в холодный период — 84%.

ОАО «Гомельобои» расположено на ул. Севастопольской, 45, г. Гомеля.

Основная производственная деятельность — печатание обоев способом высокой и глубокой печати, текстурных материалов для мебельной промышленности.

Для нужд предприятия используется вода из двух источников:

— техническая вода из озера Шапор;

— питьевая вода из городского водопровода.

На предприятии имеются следующие системы водоснабжения и канализации:

— система технического водоснабжения с забором воды из озера Шапор, обеспечивающая производственные нужды предприятия;

— система хозяйственно-питьевого водоснабжения для обеспечения хозяйственно-бытовых нужд предприятия;

— система производственно-бытовой канализации с выпуском сточных вод в городскую канализацию;

— система дождевой канализации с выпуском стоков в озеро Шапор.

Фактическое потребление воды составляет:

— технической- 315 тыс. м³ год;

— питьевой- 92 тыс. м³ в год.

Общее количество работающих 1392 человека, в том числе рабочих — 1136 человек, ИТР — 256 человек.

Количество смен работы — две смены.

Количество рабочих дней — 250.

1.2 Цеха и производственные участки

Цех № 1 (глубокой печати)

Печатание обоев способом глубокой печати осуществляется пологими металлическими цилиндрами, на которых после нанесения медного слоя выгравирован рисунок, на обоепечатных машинах.

В состав печатных материалов входят водноспиртовая смесь в соотношении 1:2 или 1:3 и воднорастворимые краски. Для закрепления красочного слоя на бумаге в исходный состав добавляется шлихтующий препарат ОЛД.

Для декоративной отделки обоев используются перламутровые краски импортного производства, в состав которых входит вода, перламутр и ОЛД.

Для склеивания обоев '' Дуплекс '' используется клей ''Мовеол '' импортного производства.

Вредности: спирт этиловый, формальдегид, пыль бумажная, взвешенные вещества.

Цех № 2 (высокой печати) Производство обоев осуществляется способом глубокой печати на обоепечатных машинах.

Размотка обоев производится на размоточных станках с последующей упаковкой в полиэтиленовую плёнку в термопечах.

На участке краскоподготовки готовятся окрасочные суспензии в составе водорастворимых красок, водноспиртовой смеси (1:3, 1:2), ОЛД, гели водорастворимой олифы импортного производства.

Для декоративной отделки обоев используются перламутровые краски импортного производства.

Для придания влагостойких качеств обоям используется покрытие из смеси латексов.

Вредности: спирт этиловый, формальдегид, пыль бумажная, взвешенные вещества, стирол.

Цех № 3 (декоративной бумаги, обоев) На участке производства декоративной бумаги осуществляют печать высокодекоративных текстурных материалов для мебельной промышленности. Печать осуществляется воднорастворимыми красками импортного производства.

Вредности: спирт этиловый.

На участке производства обоев осуществляется производство влагостойких обоев способом глубокой печати. Влагостойкое покрытие наносится латексом БС-60 и БС-80.

Размотка обоев производится на размоточных станках с последующей упаковкой в полиэтиленовую плёнку в термопечи.

Вредности: спирт этиловый, формальдегид, взвешенные вещества, стирол.

Цех печатных форм Производится изготовление печатных форм заданного рисунка для печатания обоев.

Вредности: спирт этиловый, хрома оксид, натрия гидроокись, никель металлический, меди оксид, кислота серная, кислота азотная, тетрахлорэтилен.

Ремонтно-механический цех (РМЦ) Производится обработка металлических заготовок, сварочные работы, обработка резиновых, полиуретановых, бумажных валов.

Вредности: взвешенные вещества, железа оксид, марганца диоксид, пыль неорганическая с содержанием SiO₂ 70−20%, водород фтористый, азота диоксид, углерода оксид.

Столярный участок Производится обработка древесины на деревообрабатывающих станках, изготовление поддонов для складирования и транспортировки обоев.

Вредность: пыль древесная.

Паросиловой цех Осуществляется обеспечение производства технологическим паром и горячей водой двумя котлоагрегатами ДКВР 6.5/11 и двумя ДКВР 10/13, работающих на природном газе.

Вредности: азота диоксид, углерода оксид.

Электроцех Включает аккумуляторный участок, где производится подзарядка аккумуляторов электропогрузчиков серной кислотой и ремонтный участок, где производится обжиг и сушка электродвигателей.

Вредности: кислота серная, формальдегид, ксилол, спирт бутиловый, уайт-спирит.

Автозаправочная станция (АЗС) Производится приём, хранение и отпуск бензина А-76, А-92, дизтоплива.

Вредности: Бензол, ксилол, толуол, этилбензол, углеводороды непредельные С2-С5, углеводороды предельные С1-С10, углеводороды предельные С12-С19.

Спиртохранилище Производится хранение и отпуск спирта этилового на технологические нужды.

Вредности: спирт этиловый.

ОАО «Гомельобои» является предприятием 3 класса опасности.

1.3 Краткое описание технологического процесса производства обоев бумажных марка В — 1, тип 1

Процесс производства обоев бумажных марки В1 состоит из следующих стадий:

краскоприготовление;

печатание рисунка;

сушка отпечатанного полотна;

нанесение влагостойкого покрытия;

размотка, упаковка, маркировка.

Приготовление красок производится в краскоприготовительном отделении, в реакторах и емкостях, для приготовления красок с использованием связующего, водно спиртовой смеси и других компонентов по заданным колористикам.

Процесс печатания обоев осуществляется на обоепечатных машинах фирм: «Хольвег» (Франция), «Фишер и Крекке» (Германия), «Пламаг» (Германия), «Вифаг», «Черутти» (Италия). Печать оттиска (нанесение рисунка) осуществляется с помощью формных цилиндров, после чего производится сушка полотна в каждой печатной секции.

Процесс покрытия обоев водостойкойкомпозицией на основе бутаден — стирольных латексов осуществляется на бумагокрасильных машинах или непосредственно на ОПМ «Фишер и Крекке», «Хольвег» .

Затем рулоны устанавливаются на размоточно упаковочные линии, где отпечатанное полотно формируется в рулончики, обрезается на заданную длину, маркируется, заворачивается в полиэтиленовую пленку.

Завернутые в полиэтиленовую пленку рулончики обоев упаковываются в бумажные мешки и укладываются на поддоны.

Для производства обоев используются следующие основные материалы:

Краски флексографские водоразбавляемые серии 929 «О» ТУ 235 401 302 424 767 фирмы «Сан Кемил МПК» .

Пигментные пасты Unibase серии 140.

Шлихтующий препарат ОЛД02ЭМА2, ТУ 221 605 805 800 142.

Связующее для печатной краски FB 10 961 серии FOLCO FLEX FB 10 фирмы «Фольманн и КО» .

Латекс синтетический БС65м. А, ТУ 38.103 550, латекс бутадиенстирольный БС85, ТУ 38.103 229.

2. Характеристика существующих систем водоснабжения и водоотведения

Водоснабжение.

Система водопотребления ОАО «Гомельобои» предназначена для обеспечения предприятия в воде. Система водоснабжения на предприятии состоит из: забора воды из озера Шапор, предназначенной для обеспечения технических нужд, городского водопровода на обеспечение хозяйственнопитьевых нужд.

Водозабор поверхностных вод предназначен для бесперебойного обеспечения потребностей предприятия в воде технического качества. В состав водозабора вод входят водозаборное сооружениеоголовок, оборудованный решеткой и рыбозащитной сеткой, и насосная станция берегового типа. На насосной станции размещены три насоса марки Д320−50 (1 рабочий, 2 резервных), которые оборудованы регулируемым электроприводом.

Озеро Шапор относится к водоему второй категории.

Таблица 1- Характеристика воды озера Шапор на 6.12.2004г.

Среднесуточное водопотребление за 2002 г. Составило 1264,8 /сут.

Техническая вода в производственных процессах используется на:

— разведение красок, приготовление клея;

— охлаждение барабанов и валов машин, компрессоров;

— закалку деталей в ремонтно-механическом цехе;

— нужды гальванического участка в цехе печатных форм;

— мойку оборудования и валов, емкостей и тележек.

Предприятие обеспечивается питьевой водой для хозяйственнопитьевых нужд работающих от двух вводов водопровода с ул. Севастопольской. Вводы оборудованы счетчиками воды.

Среднесуточный расход питьевой воды по данным за 2002 г. составил 221,3 м³/сут.

Питьевая вода используется на питьевые нужды работающих (питьевые фонтанчики в цехах), санитарные приборы, нужды столовой, медпункта, физкультурно-оздоровительного комплекса (ФОК), цеховых саун, уборку помещений.

Для технического водоснабжения котельной используется озерная вода. Грубодисперсные примеси удаляются на установке механического фильтрования, которая состоит из двух фильтров, загруженных антрацитом и песком. Содержание взвешенных веществ после механического фильтрования не более 5мг/л. После установки механического фильтрования осветленная вода подается на установку двухступенчатого Na катионирования, состоящего из 5 фильтров.

Химочищенная вода подается в конденсатный бак, из которого через регулятор расхода поступает в деаэрационную колонку питательного деаэратора. В деаэраторе происходит удаление агрессивных газов кислорода и углекислого газа. Деаэрированная питательная вода подается на питательные насосы.

Контроль качества осветленной, химочищенной, питательной воды, конденсата пара и котловой воды производится на пробоотборных точках. Счетчиками производится учет расхода озерной, химочищенной и питательной воды.

Регенерационный раствор поваренной соли для Na катионитовых фильтров готовится в баке крепкого раствора соли и в расходном баке регенерационного раствора соли.

Для повторного использования частичноумягченной воды после отмывки для Na катионитовых фильтров установлен бак взрыхляющей промывки.

Водоотведение.

Производственные сточные воды цехов № 1,2 подвергают механическому способу очистки.

Сточные воды цехов по производству обоев содержат взвешенные и водорастворимые вещества: краски, следы масел, кальцинированную соду от использования для мойки оборудования.

Очистка сточных вод осуществляется в горизонтальных отстойниках. Для цеха № 1 используется трехсекционный отстойник с размерами в плане 3,0?3,0?2,5 (h) м; для цеха № 2- двухсекционный отстойник 4,0?2,0?2,5 (h) м.

Производственные сточные воды, очищенные на локальных очистных сооружениях предприятия, направляют в городскую канализацию.

Сточные воды из цеха печатных форм собираются в сборный водоем, где выполняется непрерывная сборка отработанных вод и подготовка их для дальнейшей очистки. Содержимое бассейна непрерывно и интенсивно перемешивается сжатым воздухом для предотвращения образования на дне бассейна осадков и отвода остатков растворителей.

Из сборного водоема с помощью насоса вода перекачивается в секцию восстановления, где происходит восстановление ионов хрома из валентности +6, находящихся в хромовой кислоте, в 3-х валентный хром в виде сульфата хрома содержимое секции интенсивно перемешивается мешалкой FM 110. Подачей серной кислоты и раствора бисульфита натрия рН среды доводится до 2,5. По достижении значения рН 2,5 процесс восстановления хрома считается законченным.

Уравнение реакции перехода Cr⁺⁶ в Cr⁺³:

2H₂CrO₄+6NaHSO₃Cr₂(SO₃)₃+3Na₂SO₄+5H₂O

В случаях, когда по каким-либо причинам водородный показатель снизился и стал ниже, чем 2,5, его необходимо стабилизировать добавлением воды из водоема.

Из секции восстановления хрома вода перекачивается в бассейн для периодической обработки, куда подается «известковое молоко» и флокулянт.

Для приготовления «известкового молока» необходимо 15%-ую суспензию растворить в воде в соотношении 15:100. Устройство для приготовления «известкового молока» состоит из бака для приготовления раствора емкостью 800 литров, смесителя суспензии, насоса для подачи «известкового молока», системы управления для выполнения автоматической мойки и отделения водопроводной воды. В состав этого оборудования входит также измерительное устройство для определения концентрации гидроокиси кальция в суспензии. Трубопровод подачи водопроводной воды не должен погружаться в известковую суспензию во избежание попадания суспензии в водопроводную сеть. Каждые 3 месяца бак для приготовления «известкового молока» и корпус насоса тщательно очищаются. Каждые два года заменяется трансмиссионное масло (S AE 80 или 150 VG 68).

В результате обработки воды химреактивами, происходит перевод растворимых солей металлов в нерастворимые гидроокиси. Добавление коагулирующих веществ способствует интенсивному хлопьеобразованию с последующим осаждением взвешенных частиц.

Осаждение гидроокисей металлов происходит при следующих значениях рН среды:

Fe (OH)₃-2,8−4,0

Al (OH)₃-4,2−5,0

Cr (OH)₃-5,5−6,5

Cu (OH)₂-5,8−8,0

Работа автоматической системы управления обработки воды заключается в следующем:

— насос наполняет бассейн до уровня 3,3 м³;

— происходит нейтрализация водородных ионов посредством добавления суспензии «известкового молока» ;

— при достижении значения рН среды до 7,7−8,0 включается дозировка коагулирующих средств;

— обработанная вода перекачивается в бассейн.

В бассейне обработанной воды происходит сгущение способных к осаждению веществ, как например: гидроокиси хрома, гидроокиси меди и т. д. По этой причине бассейн выполнен в виде воронки. При добавлении соответствующего количества синтетических коагулирующих веществ, уже по истечении краткого периода времени в бассейне формируются два слоя: нижний, состоящий из различных осадков, и верхний — чистая вода.

Верхний слой чистой воды через соответствующие сепараторы подается в контрольную шахту. Нижний слой посредством поршневого мембранного насоса отводится к фильтр-прессу ДРР для обезвоживания.

Фильтр-пресс состоит из уложенных параллельно покрытых фильтровальной тканью пластмассовых плат. Эти фильтрующие платы прижимаются гидравлически к головной части фильтра. Фильтровальная ткань служит как уплотнение и как фильтр. Каждая пластина имеет трубу для отвода фильтрата, следовательно представляется возможным контролировать эффективность работы каждой отдельной пластины. Процесс фильтрования считается оконченным как только прекратится сток фильтрата. Рабочее давление для фильтрации устанавливается на уровне 10 бар.

После окончания работы фильтрования каждой партии осадка, отключается высоконапорный насос КМР. Фильтровальный пакет разжимается, а обезвоженные и уплотненные фильтрационные лепешки сбрасываются в сборную тележку. Промежуточное хранение фильтрационных лепешек осуществляется в сборной емкости (контейнере для отходов).

Очищенный фильтрат направляется в контрольную шахту. После замера и регистрации показателя водородных ионов, вода направляется в канализационную сеть.

Количество осадка, выпадающего в отстойнике, влажностью 98−99 составляет 5−10 объема сточных вод. Обезвоженный на фильтр-прессе до влажности 60−70 осадок вывозится на полигон ТБО. Гальванического шлама образуется 1,5 тонны в год.

Очистные сооружения ливневой канализации имеют пропускную способность 108 м³/ч. Очистные сооружения имеют размер в плане 22,0?2,0 м, оборудованы камерой доочистки. Выпуск очищенных дождевых стоков осуществляется в озеро Шапор. Т.к. озеро Шапор одновременно является источником водоснабжения на технические нужды, то ведется постоянный контроль за концентрацией взвешенных веществ и нефтепродуктов в сбрасываемой воде.

Концентрация поступающих взвешенных веществ составляет 300 мг/л, сбрасывают в водоем-с концентрацией 30 мг/л; для нефтепродуктов 90 мг/л, сбрасывают 0,3 мг/л.

Заводской лабораторией 1−2 раза в месяц проводится анализ сбрасываемых сточных вод в городскую канализацию.

На промплощадке предприятия размещается канализационная насосная станция для подачи стоков в городскую канализационную сеть. В КНС установлены насосы ФГ 216/124 (Q=250 м³/ч; H=22 м), 1 рабочий, 1 резервный. При поступлении на КНС объединяются 2 потока сточных вод:

— производственно-бытовые стоки предприятия;

— хозяйственно-бытовые стоки от жилых домов, расположенных рядом с предприятием. Соотношение собственного стока и хозяйственно-бытовых стоков от населения составляет 1:0,85, что оказывает положительное влияние на снижение концентрации загрязнений промстоков.

3. Аналитический обзор и патейный поиск по современным системам водоподготовки и водоочистки

Водоподготовка Всеобщее желание упростить технологию, малыми средствами добиться больших результатов вполне понятно. Поэтому в последнее время и стали так активно развиваться технологии водоподготовки, использующие физические методы: магнитный, ультразвуковой, радиочастотный, электрохимическая обработка. К ним условно можно отнести и баромембранные методы и электродиализ. Конечно, лишь обманывая себя, можно утверждать, что, внедряя эти методы, инженеры избавляют общество от химических отходов и соответствующих сточных вод: их «производство» переносится от предприятий, использующих мембраны, магниты и другие материалы и устройства, к тем предприятиям, где эти материалы выпускаются.

Кроме того, всегда нужно помнить о тех ограничениях, которые сопутствуют применению упомянутых методов. В частности, вероятно, из-за малой мощности магнитных, электромагнитных, ультразвуковых, электрохимических устройств не удается применить их в качестве умягчителей или деминерализаторов воды для теплогенераторов и теплоиспользующих аппаратов с большими значениями тепловых потоков.

Серьезные ограничения связаны также с необходимостью учитывать требования упомянутых устройств и аппаратов к качеству поступающей в них исходной воды, что особенно значимо для баромембранных методов, в частности, для обратного осмоса. Следовательно, опять возникает потребность в предварительной очистке.

Еще один все более расширяющийся раздел водоподготовки — обработка воды комплексообразователями. Метод, соблазняющий все теми же удобствами. Действительно, вместо огромного завода водоподготовки — бак с раствором реагента и дозатор. К сожалению, и здесь имеют место ограничения по температуре воды и тепловому потоку, по качеству сточных вод.

В условиях конкурентной борьбы с перечисленными технологиями успешно развивается усилиями поколений исследователей и изобретателей давно известный ионообменный метод, улучшаются его технологические показатели.

Известно, что при всех достоинствах ионообменный метод имеет свой набор недостатков: нужны реагенты для регенерации ионитов, в процессе водоочистки возникают сточные воды, отнюдь не идентичные по качеству природной воде.

После того как в 1935 году были впервые установлены ионообменные свойства некоторых полимерных смол, технология водоподготовки начала принимать современный вид.

В настоящее время найдено много ионообменных материалов природного происхождения: гумусовый и бурый уголь, торф, древесина, крахмал, глауконит, волконскоит, бентонит и другие алюмосиликаты (цеолиты), созданный по типу натурального искусственный цеолит — пермутит и др.

Однако все эти материалы характеризуются небольшой обменной емкостьюнедостаточными для интенсивного промышленного использования ионообменными способностями. Решающий этап развития ионообменной водоподготовки начался, как упомянуто выше, с созданием в 1935 году Б. Адамсом и Е. Холмсом полимерных ионитов.

Были предложены и введены в действие многообразные конструкции ионообменных фильтров, и, как правило, все они были параллельноточными (обрабатываемая вода и регенерирующий раствор протекают в фильтре в одном направлении — сверху вниз). По мере продвижения регенерационного раствора сверху вниз через слой ионита концентрационный напор — разность концентраций между ранее задержанными ионитом ионами (например, кальцием и магнием) и вытесняющими их ионами регенерирующего раствора (например, натрия) — становится все меньше и меньше.

В конце своего пути слабый регенерационный раствор встречается со слоем ионита, содержащего некоторое, хотя и небольшое, количество ионов, которые нужно вытеснить из ионита. Вытеснения не происходит. В результате следующий поток обработанной воды не достигает необходимого качества.

Выход из положения был найден технологами, предложившими двухступенчатое (для натрий — катионирования) и трехступенчатое (для деминерализации ионированием) фильтрование. Разновидностью двухступенчатого умягчения можно считать параллельноточное — противоточное фильтрование: несмотря на название, в каждом из фильтров осуществляется параллельноточное фильтрование.

Преимущества противоточного фильтрования были известны давно, но промышленное применение оно нашло лишь с появлением специальных конструкций фильтров и развитого производства разнообразных высокоэффективных ионитов.

При противоточной технологии ионирования наиболее хорошо регенерированный катионит расположен в том слое, который находится на выходе из фильтра. Обрабатываемая вода проходит слои ионита со все более увеличивающейся глубиной регенерации, то есть концентрационный напор сохраняется по всему пути воды. Тем самым обеспечивается высокое качество умягчения и деминерализации, наиболее полно используется рабочая обменная емкость ионита, уменьшается расход реагентов, воды на собственные нужды и сточных вод. В настоящее время известны несколько конструкций противоточного фильтрования. Принципиально они различаются по направлениям потоков: поток воды — снизу вверх, регенерация — сверху вниз; поток воды — сверху вниз, регенерация — снизу вверх.

Обессоливание природной воды включает в себя два основных процесса: предварительную обработку с целью удаления механических примесей и последующую очистку ее методом ионного обмена. При предварительной очистке (предочистке) воды осуществляется первый этап приготовления добавочной воды для питания паровых котлов, испарителей и других генераторов пара — удаляются из воды содержащиеся в ней грубодисперсные (взвешенные), коллоидные примеси, а также некоторая часть растворенных (ионных) примесей. Оставшиеся в воде после предочистки вредные примеси — преимущественно ионного характера — удаляются в процессе второго этапа обработки (обычно умягчения) и ионитного либо термического обессоливания воды.

Обработка воды методом ионного обмена основана на пропуске исходной воды или частично обработанной воды через фильтрующий слой ионообменного материала, практически нерастворимого в воде, но способного взаимодействовать с содержащимися в обрабатываемой воде ионами. Материалы, обладающие свойствами обменивать катионы, называются катионитами, а материалы, обладающие свойствами обменивать анионы, — анионитами. Чтобы получить нужную ионную форму ионита, проводят регенерацию.

Катиониты при регенерации их растворами NaCl, H₂SO₄ образуют соответственно натриевую или водородную формы, которые условно можно обозначить следующим образом: NaR, HR.

При пропуске обрабатываемой воды, содержащей катионы Са²⁺ и Mg²⁺, через отрегенерированный катионит протекают реакции обмена ионов Са²⁺ и Mg²⁺ на ионы Na⁺ или Н⁺, содержащиеся в катионите; этот процесс называется катионированием. Аниониты, отрегенерированные щелочью NaOH, образуют гидроксильную форму, условно обозначенную ROH. Если через отрегенерированный анионит пропускать раствор кислоты, например HCl, произойдет реакция обмена анионов (анионирование) и осуществится взаимная нейтрализация ионов Н⁺ (кислоты) и ионов ОН, вытесненных анионами из анионита.

ROH + HCl = RCl + Н₂О Н+ ОН = Н₂О По своей химической природе все катионы являются кислотами, все аниониты — основаниями. В зависимости от состава функционально активных групп различают типы ионитов по кислотности (или основности), катиониты подразделяют на сильно-, среднеи слабокислотные, соответственно аниониты — на сильно-, среднеи слабоосновные. Наиболее часто используемые марки катионитов в практике питьевого водоснабжения приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Используемые марки катионитов

Водоотведение Основная масса воды, используемая предприятием, приходится на долю красильно-отделочных производств, в сточные воды которых поступает значительное количество органических и минеральных примесей различных классов красителей, ПАВ, шлихтующие и другие препараты.

Общий сток предприятий складывается из производственнотехнологических и хозяйственно-бытовых сточных вод. Производственные сточные воды состоят из отработанных растворов различных химических препаратов и промывных вод.

По целому ряду показателей сточные воды этих производств не удовлетворяют требованиям приема сточных вод в городскую систему канализации.

Применение методов физико-химического взаимодействия и флотационного разделения полидисперсных систем позволило создать ряд схем для локальной и предварительной очистки сточных вод красильно-отделочных производств.

Сточные воды из-за наличия биохимических инертных и не полностью окисляемых органических веществ характеризуются повышенным химическим потреблением кислорода (ХПК), высокой цветностью, обусловленной содержащимися в них красителями, а также токсичностью вследствие наличия ПАВ.

Поэтому при сбросе таких вод в городскую канализационную сеть требуется их предварительная очистка на локальных очистных сооружениях.

Наибольшее распространение при очистке таких сточных вод получили флотационные методы.

Технологические схемы процессов флотационной очистки красильно-отделочных сточных вод можно разбить на две группы. К первой группе относятся те, в которых очищаемая вода не обрабатывается химическими реагентами, а извлечение загрязнений происходит только за счет их непосредственного взаимодействия с диспергированной газовой фазой. Ко второй группе — технологические схемы, в которых вода обрабатывается с использованием реагентов, активно участвующих в изъятии загрязнений. В качестве реагентов используются сернокислый алюминий, сернокислое и хлорное железо и различные флокулянты.

Для очистки сточных вод предприятий легкой промышленности получили распространение флотаторы.

Флотация—процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы—пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящейся в жидкости, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Смачивающая способность жидкости зависит от ее полярности, с возрастанием которой способность жидкости смачивать твердые тела уменьшается. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее на границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более 60—65 мН/м. Степень смачиваемости водой твердых или газовых частиц, взвешенных в воде, характеризуется величиной краевого угла смачивания и (рисунок 1).

1 — частица; 2 — пузырек.

Рисунок 1 — Схема прилипания пузырька к частице.

Чем больше угол и, тем более гидрофобна поверхность частицы, т. е. увеличивается вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15—30 мкм, а максимальные 100— 200 мкм.

В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворенных и частичного снижения концентрации некоторых растворенных веществ, метод пенной сепарации — для удаления растворенных веществ. Флотаторы применяют также для удаления загрязняющих веществ из сточных вод перед биологической очисткой для разделения иловой смеси; в технологических схемах глубокой очистки биологически очищенных сточных вод; при повторном использовании очищенных сточных вод.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу можно выделить следующие способы флотационной обработки производственных сточных вод:

1) флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки);

2) флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки);

3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

4) электрофлотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходит одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходит образование пузырьков воздуха и агрегатов «пузырек — частица», а во втором — всплывание шлама (пены) и осветление жидкости.

Флотация с выделением воздуха из раствора. Этот способ применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений, поскольку позволяет получать самые мелкие пузырьки воздуха. Сущность его заключается в создании перенасыщенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого раствора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из пересыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флотации, обычно составляет 1 — 5% объема обрабатываемой сточной воды.

Преимуществом вакуумной флотации является то, что образование пузырьков газа, их слипание с частицами загрязнений и всплывание образовавшихся агрегатов «пузырек — частица» происходит в спокойной среде и вероятность их разрушения сводится к минимуму; минимальны также энергозатраты и на насыщение жидким воздухом, образование и измельчение воздушных пузырьков. В то же время необходимость сооружения герметически закрытых резервуаров, сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок, а также ограниченный диапазон их применения (концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л) являются недостатками метода вакуумной флотации.

Сточная жидкость, поступающая на флотацию, предварительно насыщается воздухом в течение 1 — 2 мин в аэрационной камере, откуда она поступает в деаэратор для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разрежения (0,02—0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру, в которой растворившийся при атмосферном давлении воздух выделяется в виде микропузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1 м² площади поверхности около 200 м³/сут. Скапливающаяся пена вращающимися скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной воды обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.

Напорная флотация имеет более широкий диапазон применения, поскольку позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации загрязнений до 4 — 5 г/л и более. При напорной флотации сточные воды компрессором подаются в напорный бак (сатуратор). Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыщения воздухом (обычно 1—3 мин) при избыточном давлении 0,3—0,5 МПа. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3 — 5% объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода из сатуратора подается во флотационную камеру, где выделившиеся из сточной воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных веществ. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборник. При небольшой высоте всасывания (до 2 м) и незначительных колебаниях уровня воды в приемном резервуаре (0,5—1м) воздух подают через эжектор во всасывающий патрубок насоса. Количество подаваемого воздуха зависит от начальной концентрации загрязняющих веществ и составляет 15; 20; 28; 40 л на 1 кг извлекаемых веществ при их начальной концентрации соответственно 3 — 4; 1; 0,5 и менее 0,2 г/л. Площадь флотационной камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 3 — 6 м³/ч на 1 м² площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 — 30 мин.

Сточные воды, насыщенные воздухом, поступают во флотатор снизу через вращающийся водораспределитель. Выделяющиеся из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращающимся механизмом пена сгребается в лоток и удаляется. Обработанная вода отводится с днища и по вертикальным каналам переливается в отводящий кольцевой лоток. Пропускная способность одного флотатора не должна превышать 1000 м³/ч.

Флотаторы с горизонтальным движением воды применяются при расходах до 100 м³/ч, с вертикальным — до 200, с радиальным — до 1000 м³/ч. Горизонтальная скорость движения воды в прямоугольных и радиальных флотокамерах составляет не более 5 мм.

Флотаторы открытого типа с пневматическим диспергированием воздуха позволяют снизить концентрацию ПАВ в среднем на 40%, интенсивность окраски — на 30% и ХПК на 26%, а применение многоступенчатых флотаторов снижает концентрацию ПАВ на 50−60%, интенсивности окраски — на 40%, ХПК — на 35%.

В последнее время все более широкое распространение при очистке красильно-отделочных сточных вод получают электрофлотационные методы. В ряде случаев качество очистки при электрофлотации превышает эффект очистки стоков другими способами.

Основное отличие электрофлотации от других флотационных процессов заключается в способе получения дисперсной газовой фазы, что достигается электролизом воды. Важная особенность этого метода заключается и в том, что изменяя величину и плотность тока, можно управлять количеством образующегося газа и его дисперсным составом.

Кроме основного процесса флотации, удалению загрязнений способствуют окислительно-восстановительные реакции, проходящие на поверхностях электродов, образующиеся в растворе окисляющие ионы и коагуляция коллоидов под действием электрического поля в межэлектродном пространстве. Благодаря этому при электрофлотационной очистке происходит обезвреживание воды, которое является следствием нарушения внутриклеточного разложения бактерий при изменении их поверхностного электрического потенциала.

При оптимальных дозах реагента не ниже 30 мг/л по иону металла снижение интенсивности окраски составляет 65%, содержания взвешенных веществ — 80%, ПАВ — 74%, ХПК — 40%. Эти данные показывают, что электрофлотационный процесс, хотя и обладает высокой эффективностью, не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод, сбрасываемых в городскую канализационную сеть.

Гальваническое производство является одним из наиболее опасных источников загрязнения окружающей среды, особенно водного бассейна. Практически на каждом промышленном предприятии имеются гальванические производства, сбрасывающие стоки, в состав которых входят ионы тяжелых металлов (хрома, кадмия, никеля, цинка, меди), кислоты, щелочи, поверхностноактивные вещества и другие высокотоксичные соединения.

В связи с этим содержание тяжелых металлов в водных источниках строго регламентируются. Постоянно ужесточаются требования к качеству очищенных промышленных сточных вод, сбрасываемых в городские канализационные сети.

Все это требует создания высокоэффективных очистных сооружений, которые одновременно должны отвечать и другим требованиям: экономичности, компактности, высокому уровню автоматизации, надежности, устойчивости в работе и другие.

Поскольку характер и состав сточных вод весьма разнообразен, разнообразны, поэтому и методы очистки их от загрязнений.

В практике очистки сточных вод гальванических производств от ионов тяжелых металлов применяются реагентные, электрохимические и некоторые другие методы.

Электрохимические методы очистки сточных вод включают анодное окисление, катодное восстановление растворенных веществ, электрокоагуляцию и электородиализ. Токсичные вещества превращаются в нетоксичные (или малотоксичные) соединения. Некоторые вещества могут переходить в газообразное состояние, выпадать в нерастворимый осадок, флотироваться в виде пены, осаждаться на катодах (металлические осадки). Методом электродиализа можно удалять из сточных вод соли, кислоты и щелочи с одновременной их регенерацией.

Электрохимические методы очистки сточных вод от различных производств основаны на анодном окислении. Промышленное внедрение получили установки для электрохимической очистки сточных вод от цианидов.

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии.

Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов: плотностью тока, напряжением, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.

Электролиз проводят в проточных или контактных условиях. Проточные электролизеры могут быть непрерывного или периодического действия (с многократной циркуляцией сточных вод или без нее).

В электролизере, схема которого показана на рисунке 2, на положительном электроде — аноде ионы отдают электроны, т. е. протекает реакция электрохимического окисления; на отрицательном электроде — катоде происходит присоединение электронов, т. е. протекает реакция восстановления.

Электролизеры могут быть разделены перегородками (диафрагмами) на отдельные камеры. Различают двухкамерные (с катодной и анодной камерами) и трехкамерные (с катодной, анодной и межэлектродной камерами) электролизеры. Обрабатываемая вода поступает в одну из камер, в то время как в других камерах находятся растворы электролитов (кислот, щелочей или солей).

1 — корпус; 2 — анод; 3 — катод; 4 — диафрагма.

Рисунок 2 — Схема электролизера:

При электролизе происходит направленное движение заряженных коллоидных частиц с их разрядкой у соответствующих электродов и последующей коагуляцией. Возможна также флотация твердых или эмульгированных веществ пузырьками газов, выделяющихся на электродах.

Применение электрохимических методов целесообразно при относительно высокой электропроводности сточных вод, обусловленной наличием в них неорганических кислот, щелочей или солей.

Из всех известных электрохимических методов очистки сточных вод наибольшее распространение получил метод электрокоагуляции с применением анодов из листового железа и алюминия. Процесс аналогичен обработке воды соответствующими реагентами, однако при электрокоагуляции вода не обогащается сульфатами или хлоридами, содержание которых лимитируется при сбросе очищенных вод в водоемы или использовании в оборотных системах.

4. Научноисследовательская часть

4.1 Подбор и расчет оборудования по водоподготовке

Расчет установки для Н-Naкатионирования воды Для технических нужд необходимо снизить щелочность воды до 0,5 мг-экв/л, жесткость до 0,05мг-экв/л, содержание железа до 0,1 мг/л. Т.к. исходная вода «щелочная», т. е. Щ>Ж_общ, то для ее умягчения используем Н-Naкатионирование.

Расчетная производительность водоумягчительной установки Q_час=79,05 м³/ч.

Качество исходной озерной воды характеризуется следующими данными: общая жесткость Ж_о=4мг-экв/л; щелочность Щ=4,5мг-экв/л; количество взвешенных частиц 5,20 мг/л; содержание ионов SO₄^2-25,066 мг/л, или 25,066:48,03=0,52 мг-экв/л и ионов Cl^-17,63 мг/л, или 17,63:35,46−0,5 мг-экв/л.

Таким образом, сумма сульфатных и хлоридных ионов (SO₄^2-+ Cl^-) = =A=1,02 мг-экв/л, т. е. не превышает допустимой величины 3−4 мг-экв/л.

Содержание ионов натрия Na⁺ составляет 14 мг/л, или 14:23=0,6 мг-экв/л.

Допустимая остаточная щелочность умягченной воды а=0,35 мг-экв/л.

Т.к. щелочность воды больше ее жесткости, то вода «щелочная» и требуется Н-Na-катионирование воды. Требуется снизить щелочность до 0,5 мг-экв/л, жесткость до 0,05 мг-экв/л, а содержание железа до 0,1мг/л.

Расход воды подаваемой на Н-катионитовые фильтры, Q_H, м³/ч,

(1)

Для данного примера м³/ч, или 75,18% Q_час.

Удельный расход серной кислоты H₂SO₄ на регенерацию Н-катионитовой загрузки принимаем: S=90 г/г-экв.

Величину коэффициента эффективности регенерации б_э^Н при расчете Н-катионитовых фильтров принимаем согласно равной 0,83.

Рабочая обменная способность Н-катионита Е^Н_раб, г-экв/м³,

(2)

где q₀— удельный расход осветленный воды на отмывку катионита, равный 5 м³/м³;

C_Na— концентрация натрия в исходной воде, равная 0,6 мг-экв/л;

С_К— концентрация калия в исходной воде в мг-экв/л (в данном случае С_К=0).

Величина Е_полн определяется по данным паспорта завода; при крупности сульфоугля 0,3−0,8 мм Е_полн=550 г-экв/м³. Тогда