Адсорбционная очистка сточных вод
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тульский государственный университет»
Кафедра «Аэрологии, охраны труда и окружающей среды»
Курсовой проект
по дисциплине: «Техника защиты окружающей среды»
на тему:
«Адсорбционная очистка сточных вод»
Выполнил:
студент группы 320601______________________
Проверил: преподаватель ______________________ Демичева Ю.Л.
Тула-2013г.
Содержание:
Введение
Объем потребляемой в
мире воды достигает 4 трлн. м3 в год,
а
преобразованию со стороны человека подвергается
практически вся гидросфера. Химическая
и нефтехимическая отрасли промышленности
способствуют проникновению в водную
среду веществ, обычно отсутствующих в ней, или превышению
естественного уровня их концентрации,
ухудшающей качество водной среды.
За время существования человечества в природную среду было введено огромное количество органических веществ. Вредные химические элементы и вещества попадают в водоемы, ухудшая их санитарное состояние и вызывая необходимость специальной глубокой очистки воды перед использованием ее для хозяйственно-питьевых и некоторых промышленных целей. Многие органические примеси не извлекаются из воды механически, не нейтрализуются при биологической очистке, не удаляются такими традиционными методами водоочистки, как отстаивание, коагуляция и флотация. Это обуславливает введение в комплексную технологическую схему водоподготовки стадии адсорбционной доочистки. Как правило, эта стадия является заключительным этапом в технологическом процессе очистки воды. Адсорбционный метод является хорошо управляемым процессом. Он позволяет удалять загрязнения различного характера практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости. При этом отсутствуют вторичные загрязнения. Отсюда перспективной является тенденция развития фильтрующе-сорбирующих устройств, предназначенных для локальной доочистки питьевой воды, и этот вопрос является весьма актуальным.
1. Основы процесса адсорбции.
Адсорбционные методы широко используются для глубокой очистки сточных вод растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках если концентрация этих веществ в воде невелика, и они биологически разлагаются или являются сильно токсичными. Применение локальных установок целесообразно если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента.
Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ.
Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80-95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.
Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого адсорбента под действием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности адсорбента и молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности адсорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность адсорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора. [1]
1.1. Адсорбенты.
В качестве адсорбентов применяют
различные искусственные и
- должны слабо
- быть относительно крупнопорист
- при малом времени контакта
с водой они должны иметь
высокую адсорбционную ёмкость,
При соблюдении последнего условия затраты на регенерацию угля будут минимальными. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размером 0,25-0,5 мм и высокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм, а также гранулированные угли с размером d=2-5 мм, h=5-10 мм.
Важно также чтобы угли обладали малой каталитической активностью по отношению к реакциям окисления, конденсации и др., т.к. некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах способны окисляться.
Сырьем для активных углей может
быть практически любой
Адсорбционная способность активных углей является следствием сильно развитой поверхности. [2]
В табл. 1 приведена характеристика наиболее часто применяемых активных углей.
Таблица 1
Характеристика активных углей
Показатели |
Осветляющие древесные угли |
Рекуперационный уголь |
Газовые угли | ||||||
марки А |
марки Б |
молотый марки МД |
марки АР-3 |
марки АГ-2 |
марки БАУ |
марки КАД-иодный |
марки КАД-молотый |
марки СКТ | |
Основной размер зерен, мм |
< 0,04 |
< 0,04 |
– |
1 – 5,5 |
1 – 3,5 |
1 – 3,5 |
1 - 5 |
< 0,04 |
1 – 3,5 |
Насыпная масса, г/л |
– |
– |
– |
550 |
600 |
260 |
380 |
– |
420 |
Содержание влаги, % |
≤ 10 |
≤ 58 |
≤ 10 |
≤ 15 |
≤ 5 |
≤ 10 |
≤ 5 |
≤ 10 |
≤ 5 |
Содержание золы, % |
≤10 |
≤6 |
≤10 |
– |
– |
≤ 8 |
– |
– |
≤ 15 |
Прочность, % |
– |
– |
– |
≥ 90 |
≥ 70 |
– |
≥ 60 |
– |
≥ 65 |
Динамическая активность |
– |
– |
– |
≥ 115 г/л по бензолу |
≥ 45 мин по бензолу |
≥ 35% по хлору |
≥ 55% по йоду |
≥ 80% по йоду |
≥ 50% по бензолу |
1.2. Основы процесса
Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активными углями, имеют выпуклую изотерму адсорбции, а плохо адсорбирующиеся - вогнутую. Изотерму адсорбции вещества находящегося в сточной воде определяют опытным путём.
Если в сточной воде присутствует несколько компонентов, то для определения возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят значения стандартной дифференциальной свободной энергии ΔFº и определяют разность между максимальным и минимальным значением. При условии ΔFºmax - ΔFºmin ≤ 10,5, совместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это условие не соблюдается, то очистку проводят последовательно в несколько ступеней.
Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем случае процесс адсорбции складывается из трёх ступеней:
- Перенос вещества из сточной воды в поверхность зёрен адсорбента (внешняя диффузия);
- Перенос вещества внутрь зёрен адсорбента (внутренняя диффузия);
- Собственно адсорбционный процесс.
Принято считать, что скорость адсорбции велика и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей стадией может быть внешняя диффузия, либо внутренняя диффузия. В некоторых случаях процесс лимитируется обеими этими стадиями. Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в основном определяется интенсивностью турбулентности потока, которая, в первую очередь, зависит от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопереноса зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерна, от размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопередачи.
Учитывая все эти
Процесс адсорбции может осуществляться в статических условиях (рис. 1, а), при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы адсорбента, т.е. движется вместе с последней (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях (рис. 1, б), при которых частица жидкости перемешается относительно адсорбента (фильтры, аппараты с псевдоожиженным слоем). В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность адсорбента.
Рис. 1. Процесс сорбции в статических (а) и динамических (б) условиях
Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы адсорбента к моменту достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества. Динамическая активность адсорбента - максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы адсорбента до момента появления адсорбируемого вещества, в фильтрате при пропуске сточной воды через слой адсорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах составляет 45...90% от статической. [1]
2. Основные расчетные формулы и зависимости
Адсорбция в статических условиях.
При однократном введении адсорбента в количестве 1г на 1л обрабатываемой воды исходным расчетным уравнением является уравнение баланса вещества:
где m - расход адсорбента;
Q - объём сточных вод;
и - начальная и конечная концентрация загрязнений сточных вод;
a – сорбционная ёмкость активного угля, мг/л (определяется эксперименталь-но).
Конечная концентрация загрязнений в сточной воде после очистки в установке с n-ступенями равна:
где k-коэффициент распределения.
При достаточно длительном перемешивании воды с сорбентом (например, в течении нескольких часов) значения С и а будут равновесными:
Однако фактическое время перемешивания t может быть принято значительно меньше tравн, при котором достигается практически равновесное состояние. В этом случае соотношение С и а будет:
Значение коэффициента k находим по формуле (4).
Расход адсорбента на каждую степень находят по формуле:
Необходимое число ступеней:
Адсорбция в динамических условиях.
Рис.2. Выходная кривая динамики сорбции
Для расчета служит известное выражение И.А.Шилова:
где T-время защитного действия адсорбционного фильтра; H-высота слоя адсорбционной загрузки (при нескольких последовательно работающих фильтрах Н представляет собой общую высоту загрузки всех фильтров);k- коэффициент защитного действия; τ – потеря времени защитного действия.
Значение k определяется по формуле:
где аравн - равновесная с концентрацией предельная насыщенность сорбента; ν - скорость фильтрации; Сн - концентрация загрязняющего вещества в исходной воде.
Время защитного действия:
где τ - потеря времени защитного действия.
Величина а0 устанавливается по экспериментальной изотерме адсорбции (Рис.3).
Рис.3. Изотерма адсорбции органических загрязнений сточных вод на активном угле
Потеря времени защитного
где ε - пористость адсорбента(в долях единицы);Δτ - время, в течении которого концентрация веществ в фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке Сд.п. до Сн.
Величина Δτ определяется по выходной кривой динамики адсорбции (Рис.2), устанавливаемой экспериментально. По выходной кривой определяется момент появления сорбата в фильтрате τпр – время проскока, а после этого момента фиксируется увеличение концентрации сорбата до максимального, соответствующего Сн..
При отсутствии экспериментальной выходной кривой величину Δτ определяют расчетным путем по формуле:
где r-радиус зерна адсорбента; κ - коэффициент, зависящий от геометрии зерна; Dе - эффективный коэффициент диффузии.
Коэффициент κ для сферических частиц равен 0,308. Для цилиндрических частиц он зависит от отношения длины цилиндра l к радиусу его основания r:
Таблица 2
Значение коэффициента κ
l/r |
1 |
2 |
4 |
∞ |
κ |
0,17 |
0,31 |
0,45 |
0,6 |
Количество вещества V, задерживаемого насыпным фильтром, кг.
где h - эмпирическая константа, F - площадь фильтрата, м2; ад – динамическая активность адсорбента, кг/м3. [3]
3. Оборудование для очистки
Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического или непрерывного действия.
3.1. Установки при перемешивании адсорбента с водой
В данном процессе используют активный уголь в виде частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней. Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно работающих секций, состоящих из 3 − 5 последовательно расположенных фильтров.
Рис.4. Схема установки с последовательным введением адсорбента: 1,2-подача сточной воды и сорбента соответственно; 3- резервуары с перемешивающим устройством (смесители); 4- отстойники для отделения отработанного адсорбента от сточной воды; 5-выпуск обработанной сточной воды; 6-выпуск отработанного адсорбента
При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регенерацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.
Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Cн до С1, затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют на вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент. Во второй ступени концентрация снижается с С1 до С2 и т.д. [6]
В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в последнюю ступень, и он движется навстречу сточной воде.
Рис.5. Схема установки с противоточным введением адсорбента:1-подача сточной воды; 2-резервуар с перемешивающим устройством; 3-отстойники для отделения отработанного адсорбента от сточной воды; 4- подача адсорбента; 5-выпуск отработанной сточной воды; 6- резервуар для сбора адсорбента; 7- насосы для перекачки адсорбента; 8-выпуск отработанного адсорбента.
По этой схеме процесс ведут непрерывно при значительно меньшем расходе адсорбента, чем по схеме с последовательном введением. Однако эти установки дороги и сложны в эксплуатации. [4]
3.2. Установки с неподвижным слоем адсорбента
В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2 − 4 до 5 − 6 м3/ч через 1 м2 поперечного сечения колонны. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размерами 1,5 − 5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на слой гравия, уложенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.
В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут периодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн. По такой схеме две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую.
Рис.6. Схема установки непрерывного действия: I -подача сточной воды; II-отвод очищенной воды; III-подача очищенной воды: 1-усреднитель; 2-насос; 3-фильтр; 4-колонна; 5-ёмкость.
В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой Lc, который не работает. Этот слой называют «мертвым». Если одновременно выводить из колонны «мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные дозаторы. [5]
3.3. Установки с псевдоожиженным слоем адсорбента.
Данные установки (периодического
и непрерывного действия) целесообразно
применять при высоком
Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента (Рис.7) состоит из ряда секций, расположенных в цилиндрическом корпусе 1. Секции разделены распределительными решетками 2. Адсорбент входит в аппарат через верхнюю трубу и далее по переточным трубам 3 движется противотоком по отношению к сплошной фазе, подаваемой снизу и отводимой сверху. Отвод твердой фазы из аппарата производится с помощью затвора-регулятора 4. [7]
Рис.7. Адсорбер с псевдоожиженным слоем адсорбента:
1 - корпус; 2 - распределительные решетки; 3 - переточная труба; 4 - затвор-регулятор.
3.4. Цилиндрические одноярусные адсорберы.
Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верхняя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 2 − 2,5 раза больше диаметра основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет центральный угол 30° − 60°. Непосредственно под коническим днищем устанавливается распределительная решетка с отверстиями 5 − 10 мм и шагом отверстий около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц 0,25 − 1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5 − 0,75 мм. Высота неподвижного слоя составляет 2,5 − 2,7 м . [4]
Рис.8. Цилиндрический одноярусный адсорбер
В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффузором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к конусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относительное расширение слоя 1,5 − 1,6.
3.5. Регенерация адсорбента.
Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3 − 0,6 МПа) равна 200 − 300 °С, а инертных газов 120 − 140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5 − 3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих − в 5 − 10 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жидкофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителями (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбированных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических оснований) или раствором щелочей (для удаления кислот).
В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлекается из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами (окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенерацию проводят в печах различной конструкции при температуре 700 − 800 °С в бескислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жидкого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15 − 20 %). Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсорбированные вещества биохимически окисляются. [2]
4. Современное оборудование
Фильтр с активированным углем
Главным образом, с помощью
удаления адсорбции активированным
углем активного хлора из воды,
цвета, запаха и органических веществ,
как и предварительной обработк
Промышленные угольные фильтры для воды высокой производительности до 200 м3/час
Данные фильтры предназначены для сорбционной очистки воды от запахов, привкусов, хлора и хлорорганических соединений, от природных органических соединений. Принцип действия очистки воды - адсорбция на активированном угле.
Данные системы могут использоваться в коттеджах, гостиница, системах разлива воды, системах коллективного водоснабжения, на промышленных предприятиях и пр.
Загрузочные угольные фильтры для воды могут работать в системах Дуплекс, Триплекс, Куадплекс (параллельно работающие два, три, четыре фильтра).
Производительность данных угольных фильтров для воды от 20 до 200 м3/час. [9]
5. Пример реализации метода
Адсорбционная
очистка сточных вод
В общезаводской смеси стоков многих хлорорганических производств содержится большое количество веществ — исходных, побочных и конечных продуктов синтеза. Лишь часть этих соединений удается в сточной воде идентифицировать. Суммарную концентрацию органических загрязнений сточных вод оценивают по величине ХПК. На предприятии с комплексом хлорорганических веществ отношение содержания нейтральных, слабокислотных и сильнокислотных загрязнений в сточной воде составляет примерно 23,3 : 51,7 : 25,0. Таким образом, в стоках предприятия хлорорганического синтеза около 77% растворенных органических веществ имеет кислотный характер и около двух третей этих веществ являются очень слабыми кислотами. Следовательно, адсорбция этих веществ, из кислой среды наиболее эффективна, и расход активного угля в этих условиях должен быть существенно меньше расхода активного угля при очистке нейтральных сточных вод. Поскольку на предприятиях, являющихся комплексом ряда относительно небольших производств, состав сточных вод и суммарная концентрация загрязнений изменяются довольно значительно, схема очистки сточных вод должна позволять легко изменять удельный расход активного угля в соответствии с колебаниями концентрации органических веществ в стоке.
Удельный расход активного угля при этом целесообразно оценивать количеством адсорбента, необходимым для поглощения из воды загрязнений в единицах ХПК. Для предприятия хлорорганического синтеза удельный расход активного угля колеблется в довольно узких пределах 5,5—7,5 кг/кг ХПК при изменении концентрации загрязнений в сточной воде почти в 3 раза.
Процесс очистки.
Сточные воды, поступающие из цехов предприятия непосредственно или после предварительного выделения из них ценных продуктов на локальных установках, смешиваются в коллекторе. Такая смесь всегда имеет кислую реакцию, хотя концентрация сильных кислот (преимущественно соляной с примесью серной) может изменяться в довольно широких пределах. Из коллектора смесь сточных вод направляется в отстойник для отделения от грубых взвесей, поступает в промежуточную емкость и насосом подается на песчаный фильтр. Фильтрат собирается в сборник , откуда насосом перекачивается на блок нескольких (не менее двух) колонн с активным углем. После адсорбционной очистки вода направляется в смеситель-нейтрализатор, в который дозируется известковое молоко из бака. Нейтральная очищенная сточная вода отстаивается в отстойнике. Часть воды идет в коллектор очищенных вод, а остальная вода фильтруется через песчаный фильтр и поступает в емкость, откуда забирается насосами для взрыхления угля в адсорбере и отмывки песчаного фильтра. В этой схеме применяются кислотоупорные насосы и трубы (в зависимости от сечения). На самотечных участках могут использоваться желоба. Адсорбционные аппараты выполняют из стали, футерованной изнутри кислотоупорными плитками на арзамитовой замазке, что обеспечивает надежную защиту от кислотной коррозии (рекомендуются также полихлорвиниловые покрытия корпуса адсорбционных колонн, наносимые методом напыления). Кислотоупорные материалы или покрытия применяют и для всех емкостей, в которых находятся сточные воды до нейтрализации.
При адсорбционной очистке предварительно нейтрализованных сточных вод значительно упрощается задача подбора коррозионно устойчивых конструкционных материалов, но расход активного угля возрастает в 3—4 раза, достигая 20 кг/кг ХПК.
Большое содержание хлорорганических веществ в адсорбированных загрязнениях обусловливает специальный режим термической регенерации угля. Во-первых, процесс регенерации необходимо вести при температуре, превышающей 800°С для того, чтобы добиться деструкции и полного окисления хлорорганических соединений. (Для регенерации угля после доочистки биологически очищенных сточных вод достаточна температура 650—700 °С). Во-вторых, разрушение хлорорганических соединений приводит к появлению в отходящих газах печей для термической регенерации повышенного содержания хлористого водорода (при термической регенерации угля после очистки стоков химических предприятий, содержащих сульфированные соединения, в отходящих газах появляется заметное количество SO2). Это влечет за собой необходимость отвода дымовых газов из установки при высокой температуре, чтобы избежать конденсации влаги, а, следовательно, и кислотной коррозии. Не менее существенно и то, что выброс НС1 и S02 загрязняет атмосферу и для предотвращения этого отходящие газы регенерационных установок необходимо отмывать от кислот в орошаемых скрубберах.

- Адсорбция
- Адсорбция
- Адсорбция в кипящем (псевдоожиженном) слое
- Адсорбция газов на твердых непористых и макропористых адсорбентах
- Адсорбция из растворов уксусной кислоты на гумине углей Кара-Кече
- Адсорбция на границе раздела "твердое тело-газ"
- Адсорбция твердыми поглотителями. Виды адсорбции. Расчет выделения загрязняющих веществ при механической обработке материалов, сварке и
- Адресация компьютеров в компьютерных сетях
- Адресная и социальная защита в РФ и РТ
- Адресная книга
- Адресная помашь населению
- Адресная помощь населению
- Адресная социальная защита: проблемы, задачи и их решения
- Адсорбер периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента