Техника защиты окружающей среды. 2

    Содержание 

    1. Очистка сточных вод от взвешенных  веществ на фильтрах……….....3

    2. Очистка сточных вод дезодорацией  и дегазацией……………  ……..12

    3. Методы удаления тяжёлых металлов из сточных вод……..…………19

    4. Задача…………………………………………………………………….29

    Использованная  литература……………………………………………….34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Очистка сточных  вод от взвешенных  веществ на фильтрах 

    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. В качестве перегородки используют металлические перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, алюминия, никеля, меди, латуни и др., а также разнообразные тканевые перегородки (асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные, шерстяные, из искусственного и синтетического волокна).

    Для химически агрессивных сточных  вод при повышенной температуре  и значительных механических напряжениях наиболее пригодны металлические перегородки, изготовляемые из перфорированных листов, сеток и пластин, получаемых при спекании сплавов.

    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. По материалу, из которого изготовляют перегородки, их разделяют на органические и неорганические, по принципу действия – на поверхностные и глубинные, а по структуре – на гибкие и негибкие.

    Глубинные фильтровальные перегородки обычно применяют при осветлении суспензий с малой концентрацией твердой фазы, которая, проникая внутрь перегородки, задерживается в порах (оседает и адсорбируется). На поверхностных фильтровальных перегородках проникания частиц в поры перегородки не происходит.

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

    Фильтры подразделяют по различным признакам,

    - по характеру протекания процесса – периодические и непрерывные по виду процесса – для разделения, сгущения и осветления,

    -  по давлению при фильтровании – под вакуумом (до 0,085 МПа), под давлением (от 0,3 до 0,5 МПа) или при гидростатическом давлении столба жидкости (до 0,05 МПа),

    - по направлению фильтрования – вниз, вверх или вбок,

    - по конструктивным признакам;

    - по наличию промывки и обезвоживания осадка,

    - по форме и положению поверхности фильтрования

    В системах очистки сточных вод применяют фильтры периодического действия нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы и фильтры непрерывного действия: барабанные, дисковое, ленточные

    Фильтры с зернистой перегородкой. В процессах очистки сточных вод, как правило, приходится иметь дело с большим количеством воды, поэтому применяют фильтры, для работы которых не требуется высоких давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем.

    Фильтр  с зернистой перегородкой представляет собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, а затем фильтрующий материал.

    Важными характеристиками пористой среды являются порозность и удельная поверхность. Порозность зависит от структуры  пористой среды и связана не только с размером зерен, образующих стой, но и с их формой и укладкой.

    Механизмы извлечения частиц из воды сводятся к следующим:

    1) процеживание, при котором извлечение  частиц является чисто механическим;

    2) гравитационное осаждение;

    3) инерционное захватывание;

    4) химическая адсорбция; 

    5) физическая адсорбция; 

    6) адгезия; 

    7) коагуляционное осаждение;

    8) биологическое выращивание.

    В общем случае эти механизмы могут  действовать совместно и 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. Такой процесс характерен для медленных фильтров, которые работают при малых скоростях фильтрования. Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где частицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезионными силами. Такой процесс характерен для скоростных фильтров. Величина сил адгезии зависит от крупности и формы зерен, от шероховатости поверхности и ее химического состава, от скорости потока и температуры жидкости, от свойств примесей.

    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 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/л принимают скорость фильтрования 0,2-0,3 м/ч; при 25-30 мг/л – 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. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же материала, у многослойных – из различных материалов.

    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 типа фильтра для очистки сточных  вод зависит от количества фильтрующих  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 л/(м²-с), а воды – 6-7 л/(м²-с). Возможна и трехэтапная промывка. Сначала слой продувают воздухом, а затем смесью воздух – вода; на последнем этапе – водой. Продолжительность промывки 5-7 мин.

    Особенностью  фильтра с подвижной загрузкой  является вертикальное расположение фильтрующей  загрузки и горизонтальное движение фильтруемой воды. Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5-3 мм) или гранитный щебень (3-10 мм).

    Достоинства фильтров: большая скорость фильтрации, высокое качество отмывки загрузки от загрязнений, небольшая производственная площадь, занимаемая фильтром. Недостатки: большая металлоемкость, истирание стенок трубопроводов, измельчение и унос песка, сложность эксплуатации.

    Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные сетки имеют ячейки размером от 0,3X0,3 до 0,5X0,5 мм. Микрофильтры применяют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов.

    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 м³/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.

    Магнитные сепараторы делят на три группы:

    1) сепараторы, в которых отделение ферромагнитных частиц идет непосредственно под действием постоянного магнита;

    2) сепараторы, в которых отделителями  частиц служат специальные ферромагнитные элементы, помещенные в силовом поле постоянного магнита (или группы магнитов);

    3) фильтры-сепараторы, представляющие собой комбинацию постоянных магнитов с различными механическими фильтрующими элементами. Наиболее простыми сепараторами являются магнитные уловители и магнитные патроны.

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

    Фильтрование  эмульгированных  веществ. При фильтрований-эмульсий через зернистый слой имеет значение первоначальный характер поверхности. При гидрофобной поверхности прилипание частиц сильнее, чем при гидрофильной, так как на поверхности зерен гидрофильных материалов имеется гидратная оболочка. Прилипание происходит только там, где эта оболочка нарушена. Для удаления нефтепродуктов и масел могут быть использованы фильтры с загрузкой из пенополиуретана. 

     Установка разработана в виде модуля производительностью 1 м3/ч. Включает многостадийную обработку  сточной жидкости, последовательно  проходящую гидроциклон (1), коалесцирующий фильтр (2), где происходит укрупнение частиц нефтепродуктов; тонкослойный модуль первой ступени (3), где происходит разделение тяжелой (взвеси) и легкой (нефтепродукты) фракций. Затем сточная вода попадает в камеру напорной флотации (4) и далее дополнительно очищается на тонкослойном модуле второй ступени (5) и кассетном фильтре (6). Доочистка сточных вод осуществляется на пенополиуретановом фильтре (7).

     При необходимости, можно увеличить  количество используемых тонкослойных модулей: 1-ой ступени (3) и 2-ой ступени (5), что позволит увеличить производительность установки

     Компактность, невысокие капитальные затраты; высокий эффект очистки: по нефтепродуктам - 93%, по взвешенным веществам 95%. 

     Рис. 2. Технологическая схема для установки  очистки сточных вод

     2 - Электрокаталитический аппарат; 

     3 - Отстойник; 

     4 - Фильтры адсорбционно-каталитической  доочистки I, II, III ступени;

     5 - Промывная емкость; 

     6 - Установка постобеззараживания; 

     7 - Фильтр – пресс   (при производительности  более 400  м3/сутки).

     При очистке сточных вод в фильтрующем  колодце взвешенные частицы отделяются на донном фильтре или в прилежащем слое грунта, а растворённые органические вещества сорбируются и окисляются биопленкой на поверхности загрузки. Эффективность очистки сточных вод в фильтрующего колода и прилежащем слое грунта по взвешенным веществам составляет 60-70%, по БПКполн - до 90%. Для очистки сточных вод от одного дома усадебного типа фильтрующие колодцы обычно проектируют на пропускную способность до 1 м3/сут. В перекрытии фильтрующего колодца устанавливают вентиляционную трубу диаметром 100 мм, верх которой располагают на 0,7 м выше поверхности земли и снабжают флюгаркой. В покрытии фильтрующего колодца следует предусматривать люк диаметром 700 м с двумя крышками: верхней - несущей и нижней - утепляющей, пространство между которыми целесообразно заполнить теплоизолирующим материалом (мешки с перлитовым песком, минераловатные маты и т.п.). Фильтрующий колодец выполняют из красного сплошного кирпича, бутового камня или железобетонных колец, при этом стенки из кирпича укладывают послойно в полкирпича в шахматном порядке. В фильтрующем колодце из бутобетона предусматривают пропуск камней, а из железобетонных колец - сверление отверстий. В случаях невозможности отведения стоков в песчаный грунт по причине отсутствия песков на доступных глубинах, либо при высоком уровне грунтовых вод, когда проживание на участке носит сезонный и временный характер, в качестве системы очистки стоков сооружается септик и песчанно - гравийный фильтр после которого вода сбрасывается в понижения рельефа. Песчано-гравийный фильтр выполняет функцию биологической очистки стоков в естественных условиях. Окисление органических соединений происходит на гравийно - песчанном фильтре, расположенном между оросительными и дренажными трубами. В оросительные трубы стоки поступают от септика. По дренажным трубам очищенные стоки отводятся от песчанно-гравийного фильтра.

     2. Очистка сточных  вод дезодорацией  и дегазацией 

     Под дезодорацией воды понимается устранение из нее нежелательных запахов  и привкусов, ухудшающих органолептические (вкусовые) качества природных вод. 

     Нежелательные запахи и привкусы вызывает присутствие в воде различных органических и неорганических веществ природного и искусственного, главным образом, антропогенного происхождения, в том числе при передозировке реагентов в процессах очистки воды (например, при ее перехлорировании), или при неправильной эксплуатации водоочистных сооружений (в частности, если очищаемая вода приобретает коррозионную активность).  

     Наличие в природной воде органического  вещества естественного биологического генезиса является результатом процессов разложения (с последующей трансформацией) белков водной биоты (высших растений, планктона и бентоса). При этом в воду выделяется большое количество низкомолекулярных спиртов, карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, фенолсодержащих веществ, обладающих сильным запахом. 

     Распад  органического вещества способствует также развитию в воде специальных микроорганизмов, выделяющих сероводород, аммиак, сильно - и плохо пахнущие меркаптаны. Интенсивное развитие и отмирание водорослей, например, при цветении застойной воды, продуцирует образование фенолов. 

     В классическом понимании, дезодорация  воды направлена на удаление летучих органических соединений естественного биологического происхождения, вызывающих запахи и привкусы в природных водах. Такая направленность процессов водоочистки предопределила широкое использование процессов дегазации воды и, в частности, ее аэрирования, которое может быть осуществлено разными способами при очистке воды. 

     Дезодорация воды в некоторых частных случаях  достигается путем коагулирования примесей воды и их флокулированием с последующим отстаиванием и фильтрованием. Для дезодорации широко применяется фильтрование через сорбенты, в т.ч. БАУ. 

           Важно отметить, что при водоочистке аэрированием невозможно устранить стойкие запахи и привкусы, обусловленные примесями воды нелетучего характера, а также вызванных присутствием в ней минеральных и органических загрязнителей антропогенного происхождения.

     Сущность  дегазации заключается  в следующем:

     1. Вода, содержащая удаляемый газ,  парциальное давление которого  в воздухе близко к нулю, приводится в соприкосновение с воздухом, куда и переходит удаляемый газ;

     2. Создаются условия, при которых  растворимость газа в воде  становится ничтожно малой.

     Первый  способ применяется для удаления свободной углекислоты и сероводорода, парциальное давление которых в атмосферном воздухе близко к нулю.

     Второй  способ применяется для газов  с большим парциальным давлением в атмосферном воздухе, вследствие чего аэрацией их удалить нельзя. Поэтому воду доводят до кипения, тогда растворимость газов в ней падает до нуля. Для этого применяют либо нагревание воды, либо понижение давления до величины, при которой вода кипит без дополнительного подогрева. Этот способ применяется при обескислороживании воды, ввиду значительного парциального давления которого в воздухе аэрацией его удалить нельзя.

     Процесс термической дегазации состоит  из нагрева деаэрируемой воды, диффузии растворенных в воде газов и десорбции  их. Скорость диффузии зависит от вязкости и поверхностного натяжения и с увеличением температуры диффузионный процесс протекает быстрее. Дробление воды уменьшает путь газа и ускоряет выход из нее, так как увеличивается, поверхность контакта воды с паром. Увеличение поверхности соприкосновения может быть также достигнуто барботированием греющего пара.

     Дезодорация воды аэрацией

     Для удаления из природных вод летучих  органических соединений биологического происхождения, вызывающих запахи и привкусы, широко применяют их аэрирование.

     На практике аэрирование проводят в специальных установках — аэраторах барботажного, разбрызгивающего и каскадного типов.

     В аэраторах барботажного типа воздух, подаваемый воздуходувками, распределяется в воде дырчатыми трубами, подвешенными в резервуаре (рис. 15.1), распылительными устройствами, расположенными на его дне. Преимущество первого способа заключается в простоте демонтажа установки.

     Распределение воздуха распылительными устройствами часто применяется в аэраторах со спиральным движением воды, которые применяются на крупных установках.

     Глубина слоя воды в аэраторах такого типа колеблется от 2,7 до 4,5 м. Исследования показывают, что поскольку равновесие между концентрациями веществ, имеющих запах, в жидкой и газообразной фазах достигается мгновенно, высота слоя воды при барботировании не играет существенной роли и может быть уменьшена до 1—1,5 м. Максимальная ширина резервуара обычно в два раза больше, чем глубина.  

     Рис. 15.1. Аэратор барботажного типа (а) и  инка-аэратор (б)

     6 — магистральный воздухопровод; 2 — ввод воды в барботажную  камеру 5; 3 — дырчатые пластины; 4 — воздухораспределитель; 7,1 — отвод аэрированной и подача исходной воды; 8 — водослив; 9 — стабилизацинная перегородка; 10 — слой пены; 11 — вентилятор; 12 — дырчатое дно; б — барботажная камера поверхности выбирают произвольно. Длительность продувация воздуха, как правило, не превышает 15 мин. Расход воздуха составляет 0,37—0,75 м³/мин на 1 м³ воды. 
 

     Барботажные установки открытого типа могут  работать при температуре ниже 0°С. Степень аэрирования легко регулируется изменением количества подаваемого воздуха. Стоимость установок и их эксплуатации невысока.

     В разбрызгивающих аэраторах вода распыляется соплами на мелкие капли, при этом увеличивается поверхность ее контакта с воздухом. Основным фактором, определяющим работу аэратора, является форма сопла и его размеры. Продолжительность соприкосновения воды с воздухом, определяемая начальной скоростью струи и ее траекторией, обычно составляет 2 с (для вертикальной струи, которая выбрасывается под напором 6 м).

     В аэраторах каскадного типа обрабатываемая вода падает струями через несколько последовательно расположенных водосливов. Длительность контакта в этих аэраторах может быть изменена за счет увеличения количества ступеней. Потеря напора на аэраторах каскадного типа колеблется от 0,9 до 3 м.

     В аэраторах смешанного типа вода одновременно разбрызгивается и стекает тонкой струей с одной ступени на другую. Для увеличения площади соприкосновения воды с воздухом применяют керамические шары или кокс.

     Общим недостатком аэраторов, построенных  на принципе контакта пленки воды с воздухом, является их неэкономичность из-за большой площади, невозможность использования зимнее время, потребность в мощной вентиляции при установке их в помещениях, и, наконец, склонность к обрастанию.

     Аэрирование воды в пенном слое осуществляется в инка аэраторе (рис. 15.1,б) представляющем собой бетонный резервуар, на дне которого находится перфорированная пластина из нержавеющей стали. Вода равномерно распределяется по пластине распределительной трубой. Для стабилизации слоя пены применяется специальная перегородка. Аэрируют воду воздухом, подаваемым вентилятором. Вода, пройдя инка-аэратор, выпускается через водослив.

     Образование огромной пограничной поверхности  между жидкой и газообразной фазами обеспечивает высокую интенсивность процесса дезодорации. Нормальное соотношение воздуха и воды в инка - аэраторах колеблется в пределах 30: 1 — 300: 1. Несмотря на большой расход воздуха, интенсивное аэрирование экономически оправдано (благодаря незначительной потере напора воздух подается вентилятором).

     Однако  аэрированием невозможно устранить  стойкие запахи и привкусы, обусловленные наличием примесей, имеющих незначительную летучесть.

    Схема установки очистки газа абсорбционным методом приведена на рисунке 1.  
 

    Рисунок 1.- Схема установки для очистки газов от диоксида углерода водой:

    1 — колонна высокого давления; 2 — турбина; 3— дегазатор; I— газ на очистку; II — очищенный газ; III — вода; IV — диоксид углерода

    Газ промывают холодной водой в башнях с насадкой (скрубберах) под давлением 1,5-2,5 МПа, так как растворимость  диоксида углерода в воде возрастает с повышением давления. При этом из газа частично удаляется и сероводород, растворимость которого также увеличивается. Затем давление

снижают, и из воды выделяется (десорбируется) газ, содержащий до 85% диоксида углерода (остальное - азот, водород, сероводород), который используют для получения сухого льда, карбамида, соды и других продуктов.

    Абсорбция водой – самый распространенный метод. Основные преимущества – доступность и дешевизна абсорбента, недостатки – высокая поглотительноя способность водой диоксида углерода (8 кг СО₂ на 100 кг абсорбента) и небольшая селективность. Наряду с диоксидом углерода в воде расворяются водород, оксид углерода, азот и др. Поэтому выделяющийся  диоксид углерода недостаточно чистый. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Методы удаления  тяжёлых металлов  из сточных вод 

     Во  многих отраслях промышленности перерабатывают или применяют различные соединения ртути, хрома, кадмия, цинка, свинца, меди, никеля, мышьяка и другие вещества, что ведет к загрязнению ими сточных вод.

     Для удаления этих веществ из сточных  вод в настоящее время наиболее распространены реагентные методы очистки, сущность которых заключается в переводе растворимых в воде веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их от воды в виде осадков. Недостатком реагентных методов очистки является безвозвратная потеря ценных веществ с осадками