Химические методы очистки сточных вод

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет  им. И.Н. Ульянова»

 

Химико-фармацевтический факультет

 

Кафедра охраны окружающей среды

и рационального использования  природных ресурсов

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине «Промышленная экология»  на тему:

 

Химические методы очистки сточных вод

 

 

                                                                                                               

 

 

 

 

 

           Выполнил студент группы 

           Проверил к.т.н., доцент                                          Эндюськин П.Н.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары

2012

Содержание

Введение	3
1 Нейтрализация сточных  вод	5
1.1 Нейтрализация смешением кислых сточных вод со щелочными	7
1.2 Нейтрализация сточных  вод добавлением реагентов	8
1.3 Ферритизация	16
2 Окисление	17
2.1 Обеззараживание хлором	17
2.2 Хлорирование воды  порошкообразными хлорсодержащими  реагентами и диоксидом хлора	24
2.3 Хлорирование воды  гипохлоритом натрия	25
2.4 Перехлорирование и  дехлорирование, с аммонизацией	27
2.5 Озонирование воды	28
2.6 Применение окислитилей  и сорбентов для дезодорации  воды и удаления токсичных  веществ	31
3 Восстановление	34
Заключение	37
Литература	38

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одним из важнейших вопросов охраны окружающей среды является охрана водного бассейна от загрязнения.

Наиболее опасны для  водоемов сточные воды предприятий  химической и нефтехимической промышленности, несмотря на то, что объем их по сравнению с объемом сточных вод предприятий других видов промышленности невелик. Сточные воды предприятий химической и нефтехимической промышленности характеризуются сложным и переменным составом, высокой токсичностью, преимущественным содержанием растворенных, а не взвешенных загрязнений, поэтому биологические методы не всегда обеспечивают очистку, достаточную для повторного использования воды на предприятиях.

Химические методы очистки сточных вод наряду с обеспечением необходимого качества воды в соответствии с требованиями водоподготовки позволяют также извлечь из сточных вод ценные продукты и снизить потери производства.

Основными методами химической очистки производственных сточных  вод являются нейтрализация, окисление, восстановление и осаждение примесей.

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

Выбор того или иного  метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них, наличия необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Нейтрализация  сточных вод

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

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

Реакция нейтрализации - это химическая реакция между  веществом, имеющим свойства кислоты, и основания, которая приводит потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типична реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях. В результате концентрация каждого из этих ионов становится равно той, которая свойственна самой воде, т. е. активная peaкция водной среды приближается к рН=7 [1].

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

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

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

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

При химической очистке  применяют следующие способы  нейтрализации:

а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

б) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная из 
весть СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная сода Na₂C0₃, каустическая сода NaOH, аммиачная вода NH4OH);

в) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, из 
вестняк СаСОз, доломит CaC0₃- MgC0₃, магнезит MgC0₃, обожженный магнезит MgO);

г) абсорбция  кислых газов щелочными сточными водами;

д) абсорбция  аммиака кислыми водами.

Выбор способа нейтрализации  зависит от многих факторов: вида концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды, расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию, наличия реагентов и т. П [4].

 

1.1 Нейтрализация смешением кислых сточных вод

со щелочными

 Режимы сброса сточных вод, содержащих кислоту и отработанную щелочь, как правило, различны. Кислые воды обычно сбрасываются в канализацию равномерно в течение суток и имеют постоянную концентрацию; щелочные воды сбрасываются периодически дан или два раза в смену по мере того, как срабатывается щелочной раствор. В связи с этим для щелочных вод часто необходимо устранить регулирующий резервуар, объем которого должен быть достаточным, чтобы принять суточное количество щелочных вод. Из резервуара щелочные воды равномерно выпускают в камеру реакции, где в результате смешения их с кислыми водами происходит взаимная нейтрализация.

Процесс нейтрализации  осуществляется в нейтрализаторах  проточного или контактного типа, которые могут конструктивно  объединяться с отстойниками.

При благоприятных местных  условиях осветление нейтрализованной сточной воды может производиться в накопителях, рассчитываемых на хранение в них осадка в течение 10—15 лет.

Выбор способа осветления (в отстойниках, осветлителях или  накопителях)  производится на основе технико-экономических расчетов.

Объем выпадающего осадка зависит от концентрации в нейтрализуемой сточной воде кислоты и ионов тяжелых металлов, а также от вида и дозы реагента, от полноты осветления и т. д. Наибольшее количество осадка выпадает при нейтрализации сточной воды известковым молоком, приготовленным из товарной извести, которая содержит 50% активной окиси кальция [2].

Нейтрализация производственных сточных вод реагентами затруднена тем, что состав и приток сточной  воды на установку резко колеблются в течение суток. Вместо устройства усреднителей большой вместимости в этих условиях следует применять автоматическое регулирование подачи реагентов. За регулируемый параметр во многих случаях может быть взята величина рН сточной воды. Для измерения рН поступающих сточных вод следует применять погружные датчики, которые в меньшей степени подвержены засорению. Для измерения рН очищенных стоков могут применяться проточные датчики.

Баланс кислых и щелочных сточных вод составляется на период, в течение которого производится выпуск сточных вод от всех цехов и агрегатов, в том числе таких, от которых стоки спускаются периодически.

 

1.2 Нейтрализация сточных вод добавлением реагентов

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

Выбор реагента для нейтрализации  кислых стоков зависит от вида кислот и их концентрации, а также от растворимости солей, образующихся в результате химической реакции. Для нейтрализации минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего известь в виде пушонки или известкового молока и карбоната кальция или магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны, но имеют ряд недостатков: обязательнее устройство усреднителей перед нейтрализационной установкой, затруднительность регулирования дозы реагента по рН нейтрализованной воды, сложность реагентного хозяйства. Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии относитель-невелика и зависит от размеров частиц и растворимости образующегося в результате реакции нейтрализации соединения. Поэтому окончательная активная реакция в жидкой фазе устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени (10-15 мин).

Различают три вида кислотосодержащих  сточных вод:

- воды, содержащие сильные кислоты (HN0₃), кальциевые соли которых хорошо растворимы в воде; для нейтрализации этих кислот может быть использован любой из указанных выше реагентов;

- воды, содержащие сильные кислоты (H₂S0₄, H₂S0₃), кальциевые соли которых трудно растворимы в воде;

воды, содержащие слабые кислоты (Н₂С0₃, СН₃СООН).

При нейтрализации  производственных сточных вод, содержащих серную кислоту, реакция, в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:

 H₂S0₄ + Са(ОН)₂ = CaS0₄ + 2Н₂0, 

 H₂S0₄ + СаСОз = CaS0₄ + 2Н₂0 + С0₂

Образующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов  в виде CaS0₄·H₂0. Растворимость этой соли при температурах 0-40 °С колеблется от 1,76 до 2,11 г/дм³. При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является также образование пересыщенного раствора гипса (коэффициент пересыщения может достигать 4-6), выделение которого из воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пересыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.

Для нейтрализации минеральных  кислот применяют любой щелочной реагент, дающий в растворе гидроксил-ионы ОН-; чаще всего применяют едкие, углекислые и двууглекислые щелочи. Наиболее дешевыми реагентами являются Са(ОН)₂ (в виде пушонки или известкового молока), а также карбонаты кальция и магния (в виде дробленого мела, известняка и доломита). Гидроксид натрия и соду применяют только в тех случаях, когда эти реагенты являются отходами местного производства.

В качестве реагентов  для нейтрализации органических жирных кислот применяют известь, содержащую не менее 25—30% активного оксида кальция, или смесь извести с 25%-ной технической  аммиачной водой (NH₄OH). Добавление аммиака способствует последующей биологической очистке этих вод и снижает содержание известкового шлама [2].

При нейтрализации сильных  кислот, кальциевые соли которых трудно растворимы в воде, эти соли не только выпадают в осадок, но при больших  концентрациях могут отлагаться на поверхности нейтрализующего материала, что тормозит ход реакции.

При нейтрализации сильных  кислот углекислыми солями образующаяся в результате реакции углекислота  в свою очередь может вступить в реакцию с избытком СаСОз  и привести к образованию гидрокарбоната кальция:

C0₂-Н₂О+СаСОз=Са(НС0₃)₂.

Однако эта реакция  протекает медленно, поэтому в  течение того времени, в которое  практически заканчивается нейтрализация  сильных кислот, успевает прореагировать только незначительная часть углекислоты. Так же медленно, как и углекислота, реагируют с карбонатами и другие слабые кислоты.

Доза реагента определяется из условия полной нейтрализации  свободной кислоты и принимается  несколько больше расчетной. Так, например, при нейтрализации сернокислотных сточных вод известковым молоком доза активного оксида кальция берется на 10%, а при сухом дозировании — на 50% больше расчетной.

Для нейтрализации небольших  количеств кислых вод (до 200 м³/сутки) могут быть применены также растворы гидроксида натрия, соды и др.

В качестве реагента известь вводится в виде известкового молока (способ мокрого дозирования) или в виде сухого порошка (способ сухого дозирования); реже применяются мелкодробленый известняк, мел или доломит крупностью зерен не более 0,5 мм (способы сухого дозирования).

Применение гашеной извести для нейтрализации предусматривается в виде известкового молока 5%-ной концентрации по активной окиси кальция.

Для гашения извести  и приготовления известкового молока используются безотходные известегасильные установки — шаровые мельницы с классификаторами или известегасильные машины.

Поступающая комовая  известь разгружается в приемный бункер. Отсюда с помощью пластинчатого  питателя ППН-6 известь подается на транспортер и далее в дробилку.

Известковое молоко поступает  в резервуар концентрированного молока и перекачивается насосами 2НП в расходные резервуары, где насосами типа НФ поддерживается во взвешенном состоянии. Эти же насосы подают известковое молоко на дозирование.

Дозирование извести  осуществляется автоматическим дозатором  в зависимости от расхода или величины рН очищаемой сточной воды.

При мокром способе хранения поступившая комовая известь  загружается непосредственно в  емкости для приготовления и  хранения известкового теста; предварительно они наполняются до половины водой.

При определении полезного объема склада принимают, что из 1 объема извести получается 4 объема известкового теста плотностью 1,4 т/м³.

Помещение склада извести  не отапливается, так как сильно нагревшаяся при гашении известь  остывает медленно.

По мере надобности известковое тесто грейферным краном подается в бункер; сюда же подается вода под давлением 0,2—0,3 МПа. Приготовленное в бункере концентрированное молоко поступает на грохот, где из него выделяются частицы крупностью более 25 мм. Мелкие частицы поступают в шаровую мельницу, работающую в замкнутом цикле с классификатором. Дальнейшие операции такие же, как при сухом способе хранения извести.

Крупные отходы с грохота  попадают в бункер перед дробилкой, которая измельчает их до крупности 25 мм; измельченная масса вновь подается на грохот.

 

Состав сооружений и  оборудования станции нейтрализации

Состав сооружений и  оборудования станции нейтрализации  выбирается в зависимости от расхода, концентрации кислоты и наличия  в сточной воде тяжелых механических примесей. Для удаления последних могут предусматриваться песколовки, устанавливаемые перед усреднителями.

Приготовление рабочего раствора известкового молока концентрацией 5—10% активного оксида кальция производится в растворных баках. Баки оборудуются  мешалками на вертикальной оси с  частотой вращения не менее 40 мин-1; применяется  также перемешивание рабочего раствора воздухом с интенсивностью аэрации 0,8 м³/(м²-мин) или насосами.

Подача рабочего раствора в нейтрализуемую воду производится при помощи насосов  или различных дозаторов (черпаковых, поплавковых, тарированных насадок  с постоянным напором и т.п.). Дозаторы блокируются с автоматическими рН-метрами, обеспечивающими надежность и непрерывность процесса нейтрализации. Для транспортирования рабочих растворов применяются полиэтиленовые трубы и кислотостойкие насосы.

Скорость движения раствора по трубам должна быть не менее 1,5 м/с.

Все оборудование установок нейтрализации размещается в реагентном здании, в котором находятся установки для гашения извести, приготовления известкового молока и его дозирования.

Продолжительность контакта сточных  вод и реагента в камерах реакции обычно не превышает 5 мин; при наличии в кислых водах ионов тяжелых металлов она увеличивается до 30 мин.

При небольшом количестве нейтрализуемых сточных вод применяются контактные нейтрализаторы, при значительном расходе  сточных вод — проточные.

Для выделения из нейтрализованной сточной воды нерастворенных примесей (сульфата кальция, гидроксидов тяжелых  металлов и т. п.) применимы отстойники любого типа, рассчитываемые на пребывание в них сточной воды в течение 2 ч. Продолжительность отстаивания может быть уменьшена путем введения в воду флокулянтов (например, полиакрнламида) при соблюдении оптимальных условий их действия (дозы, величины рН воды и пр.).

Осветленная вода используется в оборотных циклах водоснабжения  или сбрасывается в канализацию.

Осадки, выделенные в  отстойниках, обезвоживаются на шламовых площадках, барабанных вакуум-фильтрах или фильтр-прессах. Шламовые площадки с дренажем устраиваются на открытом воздухе, а при необходимости — в закрытых утепленных помещениях. Размеры площадок в закрытых помещениях определяются из расчета 10—15 м³ осадка на 1 м² в год. При расположении шламовых площадок на открытом воздухе расчет необходимой площади следует вести из условий намораживания.

Обезвоживание осадка на вакуум-фильтрах предусматривается  при количестве сухого вещества в  осадке не менее 25 кг/м3 и соотношении  гипса и гидроксида не менее 3:1. При  расчете вакуум-фильтров следует  принимать нагрузку на фильтр 15— 20 кг/(м2-ч), считая по сухому веществу, частота вращения барабана 0,4 мин-1, поддерживаемый вакуум 53,32—79,98 кПа, в качестве фильтрующей ткани применяют капрон и бельтинг.

С целью сокращения объемов  образующихся осадков применяется  способ многократного их использования в процессе нейтрализации

Процессы реагентной нейтрализации производственных сточных вод осуществляются на нейтрализационных установках или станциях, основными элементами которых являются: песколовки; резервуары-усреднители; склады нейтрализующих реагентов; растворные баки для приготовления рабочих растворов реагентов; дозаторы рабочих растворов реагентов; смеситель сточных вод с реагентом; камеры реакции (нейтрализаторы); отстойники для нейтрализованных сточных вод; осадкоуплотнители (перед механическим обезвоживанием обратившихся осадков); сооружения для механического обезвоживания осадков, а при их отсутствии - шламовые площадки; места для складирования обезвоженных осадков; устройства химического контроля процессом нейтрализации.

Песколовки предусматриваются  при наличии в сточных водах тяжелых механических примесей. Резервуары-усреднители для кислых и щелочных сточных вод выполняются из материалов с антикоррозионной защитой. Их объем определяется в зависимости от графика притока сточных вод и колебаний концентраций кислоты или щелочи. При отсутствии таких графиков объем резервуаров определяется по технологическим данным. Поступающие в резервуары стоки перемешиваются воздухом. При наличии на предприятии одновременно кислых и щелочных стоков учитывается их взаимная нейтрализация.

Для перемешивания  реагента сточной водой применяют  гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение реагентов с водой достигается за счет энергии потока воды В механических смесителях турбулентность потока усиливается мешалками различных типов.

На рис.1 представлена принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов [1]. При объемах сточных вод до 30 м³/ч обычно осуществляется периодическая схема очистки, а при больших - смешанная или непрерывная.

 

Рис. 1 Принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов: 1-реактор-нейтрализатор кисло-щелочных стоков, 2-дозатор щелочного агента, 3-дозатор флокулянта, 4-дозатор расвора кислоты, 5-отстойник, 6-механический фильтр, 7-насос, 8-нейтрализатор очищенной воды.

 

Влажность осадка после отстойников  составляет 98-99,5%. Для снижения влажности  осадка осуществляется дополнительное отстаивание в шламоуплотнителе в течение 3-5 суток. Влажность осадка после шламоуплотнителя 95-97%. Осадок из шламоуплотнителя подается на узел обезвоживания (вакуум-фильтрация, фильтр-прессования или центрифугирования). Влажность осадка после вакуум-фильтра типа БОУ или БсхОУ составляет 80-85%, после центрифуги типа ОГШ – 72-79%, после фильтра-пресса типа ФПАКМ – 65-70%.

 

 

 

 

1.3 Ферритизация

В последнее время  находит применение ферритный метод, как модификация реагентного  метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с помощью  железосодержащих реагентов. Очистка сточных вод методом ферритизации заключается в сорбции примесей (в т.ч. ионов тяжелых металлов) гидроксидом железа (III), образование ферритов и последующей топохимической реакции захвата сорбированных веществ в кристаллической решеткой феррита [12]. Ферриты тяжелых цветных металлов (Ni, Cu, Zn и др.) в отличие от гидроксидов тех же металлов при обычной температуре практически нерастворимы не только в воде, но и в разбавленных водных растворах сильных минеральных кислот и едких щелочей. Ферромагнетизм и химическая инертность ферритов значительно снижает экологическую опасность твердых отходов гальванического производства. Основным реагентом ферритизационной обработки сточных вод служит гидрат сернокислого закисного железа FeSO₄*7H₂O, являющихся отходом производства двуокиси титана или травления стали. Главными преимуществами ферритной очистки стоков являются:

- возможность одновременного  удаления различных ионов тяжелых  металлов в одну стадию;

- ионы тяжелых металлов  клатратируются в виде кристаллических химически инертных продуктов;

- наряду с растворенными  тяжелыми металлами эффективно  удаляется диспергированные взвеси  и эмульгированные загрязнения;

- процесс не чувствителен  к влиянию других солей, которые  могут присутствовать в стоках в больших концентрациях.

Аппаратурное оформление ферритной очистки отличается простотой [1], в основе го лежит принцип магнитного выделения ферритов с клатратированными загрязнениями. Главным рабочим узлом ферритной очистки является резервуар-накопитель, снабженный мешалкой и магнитными клапанами для спуска обработанной воды.

2 Окисление

Здесь за счёт реакции  окисления загрязняющие вещества разрушаются  и переводятся в безвредное состояние. В качестве окислителя чаще всего  используется газообразный или сжимаемый хлор, кислород воздуха или озон.

Очистка окислением связана  с большим расходом реагентов  и поэтому применяется в тех  случаях, когда невозможно или нецелесообразно  использовать другие методы, например, при очистке соединений мышьяка  и циановых соединений.

 

2.1 Обеззараживание хлором

При добавке в воду хлора происходит его гидролиз

Cl₂ + H₂O = HClO + HCl

Часть хлорноватистой кислоты  НСlO диссоциирует с образованием гипохлоритного иона OCl . При наличии в воде аммиака образуются моно- и дихлорамины:

HClO + NH₃ = NH₂Cl + H₂O

HClO + NH₂Cl = NHCl₂ + H₂O

Основными обеззараживающими  веществами являются Сl₂, НСlO, OCl , NH₂С1 и NHCl₂, их называют активным хлором. При этом Cl₂, HClO и OCl  образуют свободный хлор, хлорамин и дихлорамин - связанный хлор. Бактерицидность хлора больше при малых значениях рН, поэтому воду хлорируют до ввода подщелачивающих реагентов.

Необходимая доза хлора  определяется на основе экспериментально построенной кривой хлоропоглощаемости воды. Оптимальной считается доза, которая при заданном времени контакта обеспечит в воде требуемую концентрацию остаточного хлора - для хозяйственно-питьевых вод 0,3... 0,5 мг/л свободного хлора при времени контакта 30 мин или 0,8 ... 1,2 мг/л связанного хлора при времени контакта 60 мин.

При отсутствии данных технологических  изысканий дозу хлора принимают  для обеззараживания поверхностных  вод 2... 3 мг/л, для подземных 0,7 ... 1,0 мг/л.