Содержание

Введение 4

Глава 1. Аналитический обзор 5

1.1. Механическая очистка сточных вод 5

1.1.1. Термический метод: выпаривание/дистилляция 6

1.2. Физико-химическая очистка сточных вод 7

1.2.1. Сорбционные и ионообменные установки 7

1.2.2. Мембранные аппараты для очистки сточных вод 8

1.3. Химическая очистка сточных вод 9

1.3.1. Электрохимическое окисление 10

Глава 2. Основные свойства рабочих сред 11

Глава 3. Технологическая часть 12

3.1. Общее описание технологической схемы 12

3.2. Мембранная технология 14

3.3 Аппараты для очистки воды методом обратного осмоса 16

Глава 4. Расчетная часть 18

Заключение 21

Список литературы 22

Приложения 23 

    Введение

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

    Тема  курсовой работы связана с одной  из актуальных проблем современного производства - дешевой и качественной очисткой сточных вод предприятий. Целью работы является анализ существующих методов очищения воды от сульфата меди и выбор наиболее подходящего. 

    Глава 1. Аналитический обзор

    Сточные воды промышленных предприятий очищают  механическими, физико-химическими  и биологическими методами. Выбор  схемы очистки определяется рядом  факторов, включающих показатели очищаемого стока, возможность утилизации примесей и повторного использования воды для производственных нужд, состояние  водоема, качество воды в нем и  т.д.

    Вследствие  сильной загрязненности сточных  вод промышленных предприятий их очистка от примесей производится в  несколько этапов. Во всех случаях  очистки стоков первой стадией является механическая очистка, предназначенная  для удаления наиболее крупных механических примесей, взвесей и дисперсно-коллоидных частиц. Последующая очистка от химических веществ осуществляется различными методами: физико-химическими (флотация, абсорбция, ионообмен; дистилляция, обратный осмос и ультрафильтрация и др.), химическими (реагентная очистка), электрохимическими (электрохимическое окисление и восстановление, электродиализ, электрокоагуляция, электрофлотация и т.п.), биологическими. Если в сточных водах имеются весьма вредные вещества, применяют термические методы, позволяющие уничтожить примеси. Как правило, во многих случаях приходится применять комбинацию указанных методов. 

    При концентрации неорганические загрязняющих веществ равной 500 мг/л могут применяться следующие методы очистки: механический, химический, сорбционный, возможно выпаривание [1]. 

    Рассмотрим  каждый из возможных методов для  выбора наиболее подходящего.

    1.1. Механическая очистка сточных вод

    Механическая  очистка применяется для выделения  из сточной воды нерастворенных минеральных  и органических примесей. Назначение механической очистки заключается в подготовке сточных вод при необходимости к биологическому, физико-химическому или другому методу более глубокой очистки. Механическая очистка на современных очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также от методов их дальнейшей обработки.

    Как правило, механическая очистка является предварительным, реже — окончательным  этапом для очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение взвешенных веществ из этих вод до 90…95 % и снижение органических загрязнений (по показателю БПK_пoлн) дo 20…25%.

    1.1.1. Термический метод: выпаривание/дистилляция

    Самым древним методом разделения веществ является дистилляция. Для выпаривания воды предлагаются различные технические решения. В каждом случае для оптимального энергобаланса требуется использовать энергию конденсации для процессов нагрева и испарения исходной жидкости. Поэтому выпариватели с внешним нагревом, как правило, дороже, чем выпариватели с тепловым насосом или выпариватели, основанные на принципе прямой конденсации водяного пара.

    1. Выпариватели с тепловым насосом

    В данных установках создаётся вакуум (около 40-80 мБар), рабочая температура составляет 30-45 °С. Передача энергии от конденсации пара для нагрева поступающей холодной жидкости производится с помощью теплового насоса, состоящего из компрессора и циркулирующего хладагента. Таким образом, теплопередача осуществляется путём циркуляции дополнительной жидкости (хладагента).

    Преимуществами этого метода являются низкие температуры, следовательно, переработка агрессивных жидкостей не вызывает коррозию стенок рабочей камеры. Так, например, с помощью этих выпаривателей производится сгущение фруктовых соков в пищевой промышленности. При таких температурах не разрушаются ароматические и красящие вещества.

    Значительным недостатком данного метода является высокое энергопотребление по сравнению с выпариванием с прямой конденсацией водяного пара. Из-за многоступенчатой передачи энергии от воды хладагенту и наоборот происходит значительная потеря энергии. Кроме того, наличие хладагента затрудняет демонтаж системы. Но главный недостаток данных выпаривателей состоит в необходимости доочистки дистиллята с помощью угольных или других систем фильтрации для достижения качества, позволяющего использовать его повторно или сливать в канализацию. 
 

    2. Выпаривание с прямой конденсацией водяного пара

    Для снижения потребления энергии, необходимой для испарения воды, были разработаны вакуумно-дистилляционные установки, где энергопередача осуществляется путём прямой конденсации водяного пара.

    С помощью вакуумного насоса в испарителе создаётся давление около 600 мБар. Благодаря создаваемому вакууму исходная жидкость всасывается в систему. Благодаря пониженному давлению вода начинает кипеть при температуре 86 °С. Образующийся водяной пар всасывается через вакуумный насос, конденсируется при атмосферном давлении и подаётся на внешнюю стенку теплообменника (испарителя) для нагрева исходной жидкости. Так как температура конденсации пара при атмосферном давлении 100 °С, то благодаря более низкой температуре исходной жидкости (86 °С) пар конденсируется на стенках теплообменника и передаёт исходной жидкости необходимую для испарения энергию.

    В системе возникает энергетическое равновесие. Единственным источником энергопотребления системы является вакуумный насос. По сравнению с выпаривателями с тепловым насосом данные установки характеризуются более низким потреблением энергии (45-60 Вт/л). Однако после вакуумно-дистилляционных установок, как и после выпаривателей с тепловым насосом, требуется доочистка дистиллята.

    1.2. Физико-химическая очистка сточных вод

    Физико-химические методы играют значительную роль при  очистке сточных вод. Они применяются  как самостоятельно, так и в  сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди других методов очистки возрастает.

    К физико-химическим методам очистки  относятся коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диализ, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка, а также методы, связанные с наложением электрического поля — электрокоагуляция, электрофлотация,

    1.2.1. Сорбционные и ионообменные установки

    Сорбция используется для глубокой очистки  вод замкнутого водопотребления  и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе  и от биологически жестких. Сорбция  представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки  сточных вод от растворенных органических веществ. Сорбционная очистка сточных  вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод не применим.

    1.2.2. Мембранные аппараты для очистки сточных вод

    Методы  мембранного разделения, используемые в технологии очистки воды, условно  делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через  мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффективности  и технологичности очистки сточных  вод от растворенных примесей достигнуты при использовании обратного  осмоса, ультрафильтрации и электродиализа.

    Обратный  осмос (гиперфильтрация) — непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое давление растворенного вещества в растворе, составляет при концентрации солей 2…5 г/л 0,1…1 МПа и при концентрации солей 20…30 г/л — 5…10 МПа.

    Преимущества  данного процесса:

• при очистке воды от сульфатов при помощи обратного осмоса мы получаем очищенную воду очень высокого качества, попутно очищенную от хлоридов, нитратов, карбонатов, других солей жесткости, тяжелых металлов, пестицидов, гербицидов, большинства органических соединений;
• отсутствие большого реагентного хозяйства - эксплуатационные расходы и расходы на обслуживание крайне низки;
• возможность изменять производительность установки и качество получаемой воды, применяя мембраны различной селективности;
• установки легко поддаются консервации, характеристики очищаемой воды не меняются в ходе эксплуатации;
• установки для очистки воды от сульфатов при помощи обратного осмоса обладают высокой устойчивостью к воздействию агрессивных компонентов очищаемой среды;
• установки удобны в хранении и транспортировки, просты в монтаже, обладают компактными размерами;
• возможность варьировать до определенного предела как уровень автоматизации процесса, так и соответственно размер установки;
• низкие по сравнению с рядом других установок эксплуатационные затраты

    Недостатки:

• отсутствие селективности - из воды удаляются не только токсичные примеси и микроорганизмы, но и полезные минералы и микроэлементы;
• высокая стоимость, в то же время разница в затратах быстро окупается в ходе эксплуатации установки;
• низкая производительность — в ряде случаев не обойтись без накопительной емкости;
• низкий КПД по фильтруемой воде (в дренаж сбрасывается до 50–75 % очищаемой воды);
• необходимость предварительной подготовки воды (к этому же пункту можно отнести и то, что коллоидные и взвешенные вещества, если они присутствуют в воде, приводят к загрязнению мембран и связанным с этим отрицательным последствиям);
• проблемой может стать низкая стойкость ряда мембран к окислителям, а полимерные мембраны легко подвергаются микробиологическому разрушению.

    1.3. Химическая очистка сточных вод

    Основными методами химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация  и окисление. К окислительным  методам относится также электрохимическая  обработка.

    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 глубокой очистки  производственных сточных вод с  целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных  компонентов. При локальной очистке  производственных сточных вод в  большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.

    1.3.1. Электрохимическое окисление

      Электрохимические методы очистки  основаны на электролизе сточных  вод. Основу электролиза составляют  два процесса: анодное окисление  и катодное восстановление. На  аноде в зависимости от солевого  состава обрабатываемых сточных  вод и условий электролиза  выделяются кислород и галогены, а также окисляются некоторые  присутствующие в сточных водах  органические вещества.

    На  катоде происходит выделение газообразного  водорода и восстановление некоторых  присутствующих в сточных водах  органических веществ.

    В качестве анода используются электролитически нерастворимые материалы (уголь, графит, магнетит, диоксиды свинца, магния, рутения), нанесенные на титановую основу. В качестве катода обычно используются свинец, цинк и легированная сталь. Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов (водорода и кислорода), которые могут образовать взрывоопасные смеси, применяют керамические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы, разделяющие анодное и, катодное пространство.

    Электрохимическую обработку окислением целесообразно применять при очистке концентрированных органических и неорганических загрязнений и небольших расходах сточных вод. Применение электрохимических методов очистки не требует предварительного разбавления сточных вод, не вызывает увеличения их солевого состава, позволяет утилизировать ценные примеси из сточных вод, упрощает технологическую схему очистки и эксплуатацию сооружений и сокращает площади, занимаемые под очистные сооружения, по сравнению с методами реагентной обработки. Основными недостатками электрохимического метода очистки сточных вод являются значительные энергетические затраты и расход металла, необходимость очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей.  

    Рассмотрев  различные способы очистки, выбираем самый выгодный – обратный осмос  с предварительным проходом стоков через фильтр непрерывного действия.

    Глава 2. Основные свойства рабочих сред

    Процесс обратного осмоса не требует дополнительных реагентов, поэтому рабочей средой является сама очищаемая вода и растворенный в ней сульфат меди.

    Вода (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, не имеющей цвета (в малом объёме), запаха и вкуса (при нормальных условиях).

    Сульфат меди(II) (CuSO4) — белые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Из водных растворов, а также на воздухе хотя бы с незначительным содержанием влаги кристаллизуется голубой пентагидрат CuSO₄·5H₂O — медный купорос.

    Таблица 1 – Основные свойства рабочих сред

    Глава 3. Технологическая часть

    3.1. Общее описание технологической  схемы

    Сточная вода в количестве 12 м³/ч поступает в самопромывной фильтр непрерывного действия. Автоматический фильтр состоит из корпуса со встроенным самоочистительным механизмом и редукторными приводами, фильтрующего элемента и блока управления с микроконтроллером. Автоматическая самоочистка запускается по времени (т.е. когда с момента последней регенерации пройдёт время, установленное на реле времени) или по перепаду давления (т.е. когда с датчиков давления будет подан сигнал о достижении установленной разницы давления на входе и выходе фильтра).

    В режиме промывки открывается промывочный  клапан фильтра и включаются моторы-редукторы, приводящие картридж с сеткой во вращение, в ходе которого поверхность картриджа соприкасается со щётками, установленными на нижней стенке корпуса. Промывочное устройство создаёт лабиринтно-инерционный эффект, за счёт которого вода, попадая в щелевое пространство между промывочным устройством и стенкой корпуса, приобретает дополнительное ускорение и захватывает загрязнения, смытые щётками с сетки. Благодаря достигаемому эффекту удаляется не только осадок, накопившийся на поверхности сетки, но и частицы из её межпроволочного пространства. Поток промывной воды со смытыми загрязнениями отводится через дренажный клапан. Данный эффект очистки фильтра сравним с эффектом, достигаемым лишь при комбинации обратноточной промывки и одновременной механической очистки. При этом очистка воды и промывка сетки происходят одновременно, позволяя фильтру работать без отключения.

    Выбираем  фильтр Ручеек-Б 1-1-0,2С АП со следующими характеристиками:

    Материал  корпуса: нержавеющая сталь

      Материал фильтроэлемента: нержавеющая сталь

    Рейтинг фильтрации: 100 мкм

    Рабочее давление: до 0,6 МПа (6 бар)

    Рабочая температура: до 80°С

    Производительность: до 12 м³/ч

    Подключения: резьба Ду25/40/50

    Габариты: 1010 / 505 / 325

    Фильтроэлемент 84 / 450 мм

    Автомат промывки: 220В, 50Гц, 200Вт

    Вода, очищенная от взвесей в самопромывном фильтре непрерывного действия, подается на насос высокого давления для достижения давления исходной среды расчетного давления для осуществления массообменных процессов, протекающих на полупроницаемых обратноосмотических мембранах. На установки обратного осмоса вода должна поступать с давлением до 2,5 МПа. При невозможности установить «паритет» между давлением и производительностью насоса высокого давления между всасывающим и нагнетающим патрубками насоса устанавливается байпассный вентиль, с помощью которого и осуществляется данная операция (по показаниям ротаметра и манометра исходной воды, поступающей на установку обратного осмоса). Регулировка процесса повышения давления исходной воды производится один раз в процессе пуско-наладочных работ. В процессе эксплуатации ОО-установки осуществляется только контроль указанных параметров исходной воды.

    Установка обратного осмоса предназначена  для очистки воды от ионов растворенных в ней солей, а также органических веществ и взвесей размером менее 5 микрон. Процесс обратноосмотического обессоливания происходит в аппарате рулонного типа. Он представляет собой трубу, в которую вставлены рулонные фильтрующие элементы. Эти элементы изготавливают накручиванием вокруг центральной водоотводящей трубки со щелями полупроницаемых мембран, разделенных дренажными устройствами и турбулизаторами-разделителями. В процессе накручивания материалы, образующие мембранные пакеты, пропитывают клеевой композицией так, что получаются напорные и дренажные полости, отделенные друг от друга.

    Исходная  вода подается на внешнюю поверхность  рулонного фильтрующего элемента (РФЭ), движется по турбулизатору-разделителю по спирали к центру элемента. Здесь собирается очищенная вода и через торец РФЭ выводится концентрированный раствор солей.

    Таким образом, вода при помощи мембран  разделяется на два потока: очищенную  воду (пермеат) и концентрированный раствор солей (концентрат). Пермеат из каждого мембранного элемента собирается в коллекторе пермеата и с остаточным давлением до 0,4 МПа поступает в накопительную емкость и далее к месту слива. На трубопроводе пермеата установлен обратный клапан, препятствующий обратному потоку. Концентрат, выходящий из установки обратного осмоса, имеет достаточно высокое давление и его транспортировка к месту утилизации не требует дополнительных установок.

    Степень обессоливания после корректно подготовленной воды на установке обратного осмоса составляет 95–98% [4].

    3.2. Мембранная технология

    Для процессов обратного осмоса используют плотные  полупроницаемые мембраны, обладающие большим гидродинамическим  сопротивлением, высоким сродством  к растворителю (главным образом  к воде) и низким сродством к  растворенному компоненту. Так же мембраны должны быть ассиметричными: с плотным верхним слоем (толщиной до 1 мкм) и пористой нижележащей  подложкой (толщиной 50-150 мкм). Сопротивление транспорту в таких мембранах определяется, в основном, плотным верхним слоем. Эфиры целлюлозы, в частности, диацетат целлюлозы и триацетат целлюлозы, чрезвычайно подходят для обессоливания, поскольку они высокопроницаемы для воды, в сочетании с весьма низкой проницаемостью для солей. Однако, если характеристические свойства мембран, приготовленных из этих материалов, достаточно хороши, их стабильность по отношению к химическим реагентам, температуре и бактериям очень низка. Во избежание гидролиза полимера такие мембраны, как правило, можно использовать в узком интервале условий: при рН 5-7 и температуре ниже 30 ^оС [5].

    Характеристики  ОО-мембран из ацетилцеллюлозы:

    Давление  нормальное рабочее, МПа: 3,0 – 4,2

      Максимальная температура, °С: 30

    Допустимое  значение pH: 4,5 – 6,5

    Подверженность  гидролизу: очень чувствительна

    Степень воздействия бактерий: очень чувствительна 

    Содержание  свободного хлора максимально допустимое при pH<0,8 и непрерывная доза при pH<8, мг/л: 0,5 – 1

    Степень воздействия других окислителей: средне чувствительна

    Срок  службы, лет: 2 – 3

    Солепроницаемость, %: 5 – 10 

    В асимметричных мембранах, как верхний  слой, так и подложка состоят из одного и того же материала. Такие  мембраны получают по методу инверсии фаз. В связи с этим важно, чтобы  полимерный материал, из которого получают мембрану, был бы растворим в каком-либо растворителе или смеси растворителей. Так как большинство полимеров  растворимы в одном или нескольких растворителях, можно изготавливать  асимметричные мембраны почти из любого материала. Однако это, конечно, не означает, что все такие мембраны окажутся пригодными для обратного  осмоса. В композиционных мембранах  верхний рабочий слой и расположенная  под ним подложка состоят из разных полимерных материалов, что позволяет оптимизировать каждый слой по отдельности. Первой стадией получения композиционной мембраны является приготовление пористой подложки. Важными характеристиками подложки являются ее поверхностная пористость и распределение пор по размерам. В качестве подложки часто используют ультрафильтрационные мембраны.