Очистка систем водоснабжения

Министерство  образования и науки, молодежи и  спорта Украины

Национальная  металлургическая академия Украины

Кафедра инженерной экологии и охраны труда

Индивидуальное домашнее задание

по дисциплине «Защита водного бассейна»

Вариант 23

Днепропетровск – 2011

Содержание

Теоретическая часть

1.Очистка сточных вод от ионов кадмия…………………………………………..3

2.Очистка сточных вод производства дивинилстирольного каучука……………7

3.Аэрируемые песколовки…………………………………………………………11

4.Дезодорация хлором……………………………………………………………..13

5.Вакуумная флотация……………………………………………………………………………18

6.Кинетика биохимического окисления вещества. Уравнение ферментативных реакций……………………………………………………………………………...22

Практическая  часть

Решение задачи……………………………………………………………………..24

Список ссылок на литературу

1.Очистка сточных  вод от ионов кадмия

Обезвреженные щелочные цианистые, хром- и нитритсодержащие стоки, а также другие щелочные или кислые стоки перед выпуском в канализацию или водоемы(в зависимости от местных условий) нейтрализуют до pH 6,5 - 9 и освобождают от ионов металлов. Эти задачи решаются не всегда успешно, так как осаждение различных металлов  происходит при различных pH (табл.1.1)  , и в то же  время  наличие в растворе ионов различных металлов часто улучшает  условия их осаждения.

Таблица 1.1. Значения pH для осаждения  различных  тяжелых металлов

^{В большинстве  случаев объем  кислых стоков  гальванических производств превышает  объем щелочных стоков.}

  ^{Для нейтрализации кислых стоков в качестве реагента наиболее часто применяют разбавленный (20-30%) едкий натрий (NаОН) благодаря простоте его дозирования, быстроте растворения, высокой скорости реакции и отсутствию шлама, несмотря на более высокую стоимость. Для подщелачивания стоков, например, при обезвреживании цианидов, используют только NаОН.}

  ^{Для нейтрализации больших количеств сточных вод применяют дешевую гидроокись кальция в виде известкового молока. Согласно Реверу и  Рюнеру , известковое молоко целесообразно использовать при количестве столов более 45 м3 /ч и при соотношении стоимости NaОН /СаО, равном 5,7 и более, а также при нейтрализации стоков с выделением в осадок ядовитых анионов. Недостаток применения извести - большое количество образующегося шлама.}

^{При осаждении  некоторых металлов (например, олова, кадмия) нейтрализация  осуществляется карбонатом натрия Na₂СО₃, несмотря на большой расход его и повышение содержание раствора.}

 ^{Для нейтрализации щелочных стоков используют сильные минеральные кислоты - серную и соляную. Наиболее широко применяется серная кислота, кислотность которой в 2 раза выше, чем соляной, а стоимость кислот одинаковая. Недостатками применения серной кислоты являются повышение температуры при растворении и высокое содержание сульфатов в нейтрализованных стоках, которые могут оказаться агрессивными по отношению к бетону. Серную и соляную кислоты растворяют обычно в соотношениях соответственно 1:4 и 1:1.}

  ^{Поскольку нейтрализация кислых или щелочных стоков и отработавших растворов связана с большими затратами на реагенты, всегда предусматривается взаимная нейтрализация кислых и щелочных вод. При неравномерном поступлении стоков и значительных колебанияхконцентрации устраивают усреднители. Осаждение металлов производится, как правило, одновременно с нейтрализацией. В качестве реагентов применяют едкий натрий, известь, соду. Тяжелые металлы осаждаются в виде гидроокисей или труднорастворимых основных солей. Лишь в некоторых случаях в осадок выпадают труднорастворимые неосновные соли, например, карбонаты, фосфаты, хроматы.}

  ^{Величина pH раствора влияет не только на выпадение металла из раствора в осадок, но и на физические и химические свойства осадка.}

^{Процесс осаждения ионов  тяжелых металлов можно разделить на два этапа:}

^{1)перевод  ионов металлов  в нерастворимые  и труднорастворимые  соединения, т.е. образование  твердой фазы;}

^{2)седиментация, т.е. отделение  твердой фазы от  жидкой под действием  сил тяжести;}

  ^{Первый этап процесса осаждения ионов металлов обычно происходит в реакторах.}

  ^{Для отделения твердой фазы применяют отстойники, осветлители, фильтры. Процессу седиментации, как правило, предшествуют флокуляция и коагуляция, т.е. обработка раствора различными реагентами, способствующими образованию крупных хлопьев и быстрому их осаждению. В зарубежной практике предпочтение отдается только флокуляции, так как для коагуляции требуется много реагентов и образуется большое количество осадка.}

  ^{В соответствии с химической активностью применяют следующие синтетические флокулянты:}

^{1)неионогенные  полимеры (поливиниловый  спирт, полиэтиленоксид,  полиакриламид);}

^{2)анионоактивные  полимеры (.полиакрилат,  полиметакрилат) ;}

^{3)катионоактивные  полимеры (полиэтиленамин, полимеры с аммониггными  группами);}

^{4)сополимеры  с ионогенными  и неионогеиными  группами (с акриламид- и акрилатгруппами).}

 ^{Ввиду отсутствия теоретических разработок, более полно описываюших процесс осаждения ионов тяжелых металлов, в каждом конкретном случае проводятся предварительные исследования по выбору наиболее эффективных реагентов, оптимальных методов осаждения и параметров очистных сооружений.}

  ^{Многие металлы образуют растворимые комплексные соединения с целым рядом веществ как минерального (гидроксилы, цианиды, аммиак, фосфаты), так и органического происхождения (триэтаноламин, этилендиамин, уксусная, винная и лимонная кислоты). Введением веществ, образующих металлокомплексы, в мокрые процессы обработки поверхности изделий предусматривается растворение химическим или электрохимическим путем металлов и их окислов. Комплексные соединения металлов снижают концентрацию ионов металлов в растворе и значительно повышают рассеивающую способность при нанесении защитных покрытий. Содержащиеся в сточных водах комплексные соединения затрудняют осаждение металлов при нейтрализации и способствуют растворению уже выпавших гидроокисей.}

  ^{Для очистки сточных вод, содержащих комплексные соединения металлов, универсальных методов нет. В одних случаях их удается выделить в виде труднорастворимых соединений, в других - используют окисление или восстановление. Наиболее широко применяют осаждение в виде гидроокисей, обрабатывая сточные воды едким натром или известью, либо в виде сульфидов - обрабатывая сульфидом натрия. При восстановлении сначала ион-металл отделяется от комплекса, а затем переводится в металл. Наиболее целесообразно применять дитионат натрия, так как при использовании железного или цинкового порошка образуются новые комплексы. Окисление комплексов чаще всего производится гипохлоритом натрия; можно применять также электролитические методы, при которых комплексы разрушаются с выделением металла на катоде, а органический комплекс окисляется на аноде.}[1]

2.Очистка сточных вод производства дивинилстирольного каучука

Производство дивинилстирольного каучука основано на эмульсионной полимеризации мономеров дивинила и стирола в окислительно-востановительной среде. В качестве дисперсионной среды в процессе эмульсионной полимеризации применяется умягченная вода, а в качестве эмульгатора - канифольное мыло; в рецептуре процесса применяют также лейканол и соли жирных кислот.

  Полученный в результате  полимеризации латекс (водная дисперсия каучука) после его дегазации подвергается коагуляции хлористым натрием с целью выделения каучука. Процесс коагуляции осуществляют при рН=2-3; подкисленне производится серной кислотой.

  Перед сбросом в  канализацию сточные воды подвергают  нейтрализации и отстаиванию. Отделяющаяся при этом дисперсионная среда («серум») содержит коагулянты — хлористый натрий, а также эмульгатор — канифольное мыло.

  При производстве  каучука сточные воды образуются  в процессе полимеризации, при  коагуляции латекса и при промывке  каучука. Количество сточных вод  при полимеризации дивинила со  стиролом составляет от 4 до 9 м³/т каучука. Они получаются при дегазации латекса в результате последовательной двухступенчатой конденсации водностирольных паров, отходящих с отгонных колонн. Для орошения конденсаторов смешения используется водный конденсат со второй ступени конденсации, содержащий 80 г/л стирола и 6 г/л прочих углеводородов (дивинила и др.). Технологической схемой производства предусматривается выделение углеводородов в отстойнике и отпарка их в конденсаторах смешения. В результате концентрация стирола в сточных водах, сбрасываемых в канализацию, снижается до 100-500 мг/л. Окончательное обезвреживание этих сточных вод производится на общезаводских сооружениях биологической очистки.

  Свойства сточных  вод от процесса полимеризации  и характер влияния их на водоемы определяются главным образом наличием в них стирола. Стирол, так же как и дивинил, при выпуске сточных вод в водоемы способен лолнмеризоваться с образованием донных отложений, являющихся источниками вторичного загрязнения водоемов. Когда для получения каучука в качестве второго мономера применяется стабилизированный (гидрохиноном) стирол, в сточных водах процесса полимеризации присутствует также гидрохинон (парадиоксибензол); концентрация его около 100 мг/л.

Основное количество (20-28 м³/т) сточных вод заводов дивинилстирольного каучука составляют отработанные воды процесса выделения каучука. Характеристика сточных вод от выделения каучука приведена в таблице 2.1

  Первичная  очистка сточных вод, образующихся  в процессе коагуляции и выделения каучука, производится путем их нейтрализации и выделения тонкодпсперсиой  крошки каучука приведена в таблице 2.1 и 2.2

  Нейтрализация кислот может производиться как известью, так и натриевой или калиевой щелочью. Применение извести связано с образованием значительного количества шлама, складирование которого требует проведение мероприятий по защите поверхностных и грунтовых вод от загрязнения. Наиболее рациональным является применение производственных отходов натриевой (или калиевой) щелочи.

Рисунок 2.1 Схема очистки  сточных вод и водооборота  в процессе выделения каучука  на ленточноотливном агрегате.

1-агрегат выделения каучука; 2- отстойник ; 3-фильтр; 4-насос; 5- аппарат  для промывки крошки каучука  ;6-сборник

  Расход щелочи на 1 кг кислоты составляет 3—3,5 г.экв. Основное количество (до 1000 мг/л) крошки каучука содержит «серум». Очистка от коагулюма производится отстаиванием и фильтрацией. Кинетика отделения коагулюма от воды характеризуется быстрым всплыванием основной пасти крупнодисперсных частиц. Основное количество нерастворенвых примесей выделяется в течение первых 30 мин отстаивания и составляет 0,3—0,68 объема сточных вод (в зависимости от первоначальной концентрации). При этом в отстоеной воде остается до 30—50 мг/л тоикодисперсной крошки каучука.

Рисунок 2.2 Схема очистки  сточных вод  и водооброт при  выделении каучука в крошке

1-вибросита; 2-вакуум фильтр; 3-дробилка; 4-сброник; 5-насос;6-отстойник;7-аппарат  для промывки крошки каучука; 8-фильтр.

  При продолжительности  отстаивания, равной I ч, концентрация  крошки каучука в сточных водах  снижается с 1000 до 15 мг/л. Хлопья ее обладают выраженными адгезионными свойствами; наличие их в сточных водах может вредно отражаться на работе биологических окислителей.

Более полное выделение взвесей  может быть достигнуто путем дополнительной фильтрации сточных вод через кварцевый песок. Для загрузки фильтров применяется песок диаметром 1-2 мм. Высота фильтрующего слоя обычно не превышает 1,5 м: скорость фильтрации -5 м/ч. Остаточная концентрация крошки каучука в фильтрате при этом не превышает 2 мг/л. Грязеемкость фильтра — около 12 кг/м³.

  Регенерация фильтра  производится путем его промывки  с одновременной подачей воздуха. Расход воды для регенерации —5 л/сек*м² ,расход воздуха — 25 л/сек*м².

  В отстоениой воде  после нейтрализации содержится  большое количество канифоли—до 500 мг/л. Извлечение ее может производиться методами коагуляции и экстракции. При коагуляции хлорным железом илн сернокислым алюминием (500—600 мг/л) в полиакриламидом (3— 5 мг/л) с последующим отстаиванием в течение двух часов концентрация канифоли снижается на 80—85%.

  Экстракцию канифоли  гексиловым спиртом целесообразно  производить при pH=2,8- 2,2г и при  соотношении экстрагента с водой  1:50. Таким путем извлекается 73—34% канифоли.

При производстве маслонаполненного  дивинилстирольиого каучука в каучук в процессе коагуляции латекса вводится масляная эмульсия в количестве 20% и более от суммы мономеров (дивинила и стирола). ^.[2]

3.Аэрируемые песколовки

Аэрируемые песколовки имеют  удлиненную форму в плане и  прямоугольное, полигональное или  близкое к эллиптическому поперечное сечение. На рис. 3.1 представлена аэрируемая песколовка с трапецеидальным поперечным сечением. Важнейшие элементы песколовок: входная и выходная части, бункер для сброса осадка и песковой лоток. Последний расположен вдоль одной из продольных стенок сооружения. Днище песколовки в поперечном сечении имеет уклон в сторону лотка. Вдоль одной из стенок на глубине 2/3 от общей гидравлической глубины расположен аэратор, выполненный из дырчатых труб. Песколовка оборудована гидромеханической системой удаления (смыва) осадка в бункер, которая представляет собой смывной трубопровод со спрысками, уложенный по днищу пескового лотка. Для удаления осадка можно применять и скребковые механизмы.

Рис. 3.1 Аэрируемая песколовка с гидромеханической системой удаления осадка:

а, б - продольный и поперечный разрез соответственно; 1 - трубопровод подачи Промывной воды; 2 - Песковой лоток; 3 - спрыски; 4 - аэратор; 5 - воздуховод; 6 – гидроэлеватор всплывающих загрязнений.

  Оно отделяется от пескоулавливающего отделения полу погруженной решетчатой перегородкой. В этом отделении из практически спокойного потока эффективно отделяются всплывающие загрязнения, а всплывшие не удаляются на последующие сооружения. Для их удаления отделение оборудуется периодически затопляемым бункером и отводящим трубопроводом. Аэрируемые песколовки можно использовать и как преаэраторы. Особенность аэрируемых песколовок заключается в том, что поток очищаемой воды непрерывно аэрируется. Благодаря расположению аэратора вдоль одной из стенок сооружения и над  Песковым лотком поток приобретает вращательное движение с перемещением его у днища от одной стенки к другой и к песковому лотку. Вращательное движение обеспечивает и концентрацию осадка в песковом лотке, расположенном с одной стороны сооружения. При интенсивности аэрации 3-5 м /(м ч) скорость движения воды на периферии потока равна около 0,3 м/с. Продольная скорость движения воды принимается равной 0,02-0,10 м/с. Суммирование поступательного и вращательного движений приводит к винтовому движению. Максимальная скорость его на периферии потока равна сумме двух векторов скоростей поступательного и вращательного движений и лишь незначительно превышает скорость вращательного движения - 0,3 м/с, так как она значительно больше поступательной. Даже значительное изменение расхода и Поступательной скорости приводит к весьма незначительному изменению максимальной скорости винтового движения, так как вращательная скорость практически не изменяется, значительно и всегда превышает скорость поступательного движения. Таким образом, в аэрируемых песколовках скорость движения воды остается практически постоянной при значительных изменениях расхода. Это в свою очередь обеспечивает поддержание в потоке во взвешенном состоянии органических включений.

  Аэрируемые песколовки одновременно могут использоваться для улавливания всплывающих загрязнений (жиров, нефтепродуктов и др.).

  При этом целесообразно вдоль всей песколовки пристраивать специальное отделение для выделения и накопления на поверхности воды.

Рис. 3.2. Поперечный разрез аэрируемой песколовки с насосом для удалении осадка из пескового лотка:1- зона улавливания  песка; 2 - щелевидная перегородка; 3 - зона улавливания жира и нефтепродуктов; 4 - подача воздуха; 5 - откачка песка насосом из пескового лотка; 6 - лоток отвода песковой пульпы; 7 - трубопровод отвода жира ^.[3]

4.Дезодорация вод хлором

Обеззараживание воды применяют  с целью уничтожения имеющихся  в ней бактерий. Оно достигается обычно путем хлорирования воды жидким (газообразным) хлором или раствором хлорной извести (в установках производительностью не более 3000 м/сутки). Обеззараживание воды может быть также достигнуто озонированием или действием на нее бактерицидных лучей, представляющих часть ультрафиолетового спектра.

^!В настоящее время резко изменилось представление о химизме процесса хлорирования воды. По прежней трактовке введение хлора в (воду вызывает образование соляной и хлорноватистой кислоты по уравнению:

Сl + Н₂О=НСl +НОСl.

Хлорноватистая кислота, будучи нестойким соединением, разлагается с выделением атомарного кислорода, т. е.

НОСl=НСl + О.

Таким образом, обеззараживающий эффект хлорирования объясняли окисляющим действием атомарного кислорода, разрушающим вещество бактерий.

  Теперь установлено, что бактерицидный эффект в малой степени зависит от атомарного кислорода.

  Полагают, что хлорноватистая кислота подвергается диссоциации -на ионы Н+ и гипохлористые ионы ОСl^-  по уравнению :

НОСl        Н ⁺ +ОСl^-

  При величине pH от 5 до 6 хлор присутствует в воде главным образом в виде хлорноватистой кислоты НОС1. С повышением pH до величины более 6 концентрация гипохлорит-ионов постепенно возрастает, достигая 21% при рН=7; 75% при рН= =8 и 97% при рН 9. Хлорноватистая кислота НОСl -наиболее сильный окислитель, а гипохлорит-ион - наиболее слабый.

  Наличие хлорноватистой кислоты НОС1 и гипохлоритионов рассматривается как присутствие в воде свободного активного хлора.

   Если в хлорируемой воде содержится природный аммиак или азотсодержащие органические соединения (например, аминокислоты), то свободный активный хлор вступает с ними во взаимодействие и образует хларамины и другие хлорпроизводные. Хлор, присутствующий в воде в виде соединений с указанными веществами, рассматривается как связанный активный хлор. Окислительная способность связанного активного хлора по сравнению со свободным активным хлором значительно ниже. Большое влияние на активность свободного и связанного хлора в воде оказывают температура и величина pH.

  С повышением температуры химические и бактерицидные реакции ускоряются; с повышением величины pH происходит их замедление.

  Имеется предположение, что бактерицидные реакции хлора и его соединений носят физиологический характер. Хлор вступает во взаимодействие с протеинами и аминосоединениямн, которые содержатся в оболочке бактерии и ее внутриклеточном веществе. В результате таких взаимодействий происходят химические изменения внутриклеточного вещества (распад структуры клетки и прекращение жизнедеятельности бактерии).

  Доза хлора для обеззараживания воды назначается с таким расчетом, чтобы обеспечить полное окисление содержащихся в воде органических веществ. Кроме того, принятая доза мюра должна обеопечиваггь в ггочке водопровода, наиболее близкой к насосной станции, наличие так называемого-остаточного хлора в количестве не менее 0,3 мг/л и не более 0,5 мг/л (ГОСТ 2674—54). Такое содержание остаточного хлора служит показателем достаточности принятой расчетной дозы для обеззараживания воды. С этой целью доза хлора назначается с некоторым избытком.

  Обычно хлор вводится дважды: в нефильтрованную воду из поверхностного источника в количестве до 3—5 мг/л и после фильтрования в количестве 0,75-2 мг/л. Эти величины могут служить лишь для ориентировочных расчетов. Точные дозы хлора должны определяться в каждом конкретном случае с учетом качества воды источника водоснабжения. Для вод, мутных и имеющих высокую цветность, дозу хлора следует увеличивать.

  Некоторые специалисты считают, что наличие остаточного хлора дает гарантию против повторного бактериального загрязнения воды после выхода ее с очистной станции в систему разводящих трубопроводов. Теперь это мнение многие гигиенисты не разделяют, так как остаточный хлор может в ряде случаев дать ложную оценку в отношении надежности обеззараживания воды.

Это вызвано тем, что остаточный хлор может присутствовать в виде свободного активного хлора или  в виде связанного активного хлора, или, наконец, оба вида могут существовать одновременно. В тех случаях когда обеззараживаемая вода не содержит природного аммиака или азотсодержащих органических веществ, остаточный хлор является свободным.

  Если в хлорируемой воде содержится аммиак или в нее специально добавляется аммиак, то при небольшой дозе вводимого хлора остаточный хлор будет связанным активным хлором.

  Следовательно, бактерицидное действие хлора и необходимая продолжительность контакта воды с хлором зависят от вида остаточного хлора, который образуется при хлорировании. Весьма значительное влияние оказывает также и величина pH.

  Выяснилось, что для полной гибели бактерий после 10-минутного контакта при рН=6\7 нужно не менее 0,2 мг/л свободного активного остаточного хлора, а при рН=8-9 требуется не менее 0,4 мг/л. Между тем связанного активного остаточного хлора при тех же условиях требуется соответственно 1 и 1,8 мг/л, но уже с 60-минутным контактом. Иначе говоря, для гибели бактерий в течение определенного времени контакта требуется связанного активного остаточного хлора в 25 раз больше, чем свободного. При применении равных количеств связанного и свободного активного остаточного хлора требуется примерно в 100 раз больший период контакта для связанного активного остаточного хлора, чем для свободного. Эти данные (табл.4.1) получены в результате экспериментальных исследований, выполненных Батерфельдом (США). Эксперименты проводились при температуре воды от 20 до 25°С.

Таблица 4.1 Дозы остаточного  хлора для полного обеззараживания  воды

  Приведенные в табл. 4.1 величины остаточного хлора при разных значениях pH не могут быть признаны нормативными, так как они подвергаются значительным изменениям в зависимости от (качества воды, температуры, продолжительности контакта и условий обработки. Тем не менее эти данные отчетливо показывают, что контрольная величина остаточного хлора без определения содержания свободного и связанного активного остаточного хлора не может служить надежным измерителем.

  Неопределенным и неточным является и самый термин «остаточный хлор».

Все виды хлорирования надо классифицировать по двум основным признакам, определяемым терминами «связанный активный остаточный хлор» и «свободный активный остаточный хлор».

Таким образом, эффект обеззараживания  является функцией: только состава  остаточного хлора, а не процесса хлорирования.

  Необходимо иметь в виду, что применяемый в настоящее время колориметрический ортотолидиновый метод не обеспечивает такого дифференцированного определения содержания остаточного хлора. Вместо него следует использовать метод дифференцированного амперометрического титрования, позволяющий определить величины свободного и связанного остаточного хлора.

Рис. 4.2 Кривая остаточного хлора 1 — доза введенного хлора 2 — связанный активный хлор; 3 — свободный активный хлор: 4 — кривая разрушения

Дозы хлора, принимаемые  в соответствии с кривой остаточного хлора (хлорирование до «точки перелома»). Способ хлорирования «до точки перелома» предусматривает выявление дозы; хлора, которую надо вводить в воду для получения удовлетворительной величины остаточного- хлора.