Очистка сточных вод предприятия морского флота, цех травления

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Московский государственный  технический университет 

имени Н. Э. Баумана»

 

Калужский филиал

 

Кафедра промышленной экологии

 

 

Расчетно-пояснительная записка  к курсовому проекту

по дисциплине «Системы защиты среды обитания»

на тему «Очистка сточных вод предприятия

морского флота, цех травления»

      

Вариант 5

             

 

 

                                                                                    Выполнил: Высоцких Е. В.

                                                                                    ЭКД-91

                                                                                    Проверил: Яковлева О.В.

 

 

 

 

Калуга 2012

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………..…………….3

1 Обоснование составления схемы канализования промышленного предприятия………………………...………..…………………............................4

2 Обоснование составления блок-схемы очистки сточных вод...……………..………………………………………………………………....7

3    Разработка технологической схемы очистки сточных вод и обработки осадка…………………………………………………..………………………....11 3.1 Удаление хрома шестивалентного………………….………..……………..11

3.2 Усреднение стока………………………………………..………….………..12

3.3 Смешение сточных вод с реагентами……….………..…………………….13

3.4 Нейтрализация………….………………………………….………………...14

3.5 Отстаивание………………….…………………………….………………...16

3.6 Фильтрование…………………………………..………….…………………17

3.7 Установка ионного обмена………………………..……….………………..19

3.8 Обработка осадка…………..……………………………….………………..20

4         Расчеты  сооружений…………….…………………….…………………22

4.1      Расчет электрокоагуляционной установки…………….……………….22

4.2 Расчет прямоугольного усреднителя концентрации сточных вод……………………………………………………………………….………..23

4.3      Расчет резервуара-накопителя сточных вод…………….……………...24

4.4     Расчет вертикального (вихревого) смесителя………….………….……24

4.5      Нейтрализация……………………………………………………….…...26

4.6      Расчет вертикального отстойника………...….……………………..…...28

4.7  Расчет резервуара-накопителя сточных вод……………………………30

4.8  Расчет напорного угольного фильтра……………………….…….…….30

4.9  Расчет емкости промывной воды для напорного угольного фильтра…….……………………………………………………………….…….31

4.10  Расчет установки ионного обмена……………………………….....……31

4.11 Расчет емкости сбора очищенной воды……………...…………….……35

Заключение……………………………………………………………………….36

Список использованных источников……………………………………….…..37

Приложение 1…………………………………………………………..………...38

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Сточные воды (СВ) травильных цехов являются самой распространенной группой СВ металлообрабатывающей промышленности. Растворы от травления имеются в значительном количестве почти везде, где ведется обработка металлов. Такие СВ получаются при волочении, прокатке, прессовании, при нанесении гальванических покрытий, при горячем цинковании и лужении, при электрохимическом окислении алюминия, при фосфатировании, окраске и так далее. Травители в основном являются сильно кислыми растворами, прежде всего, это серная и соляная кислота, затем азотная кислота или смесь кислот. При непрерывном производстве кислоты расходуются сравнительно быстро, так как в них растворяются металлы, подвергающиеся травлению.

Травители и разбавленные промывные воды становятся ядовитыми  вследствие накопления в них кислот и тяжелых металлов. Даже незначительное содержание кислоты в воде вредно влияет на биологические процессы, происходящие в воде. При pH = 6 влияние биологической очистки воды значительно понижается, а при pH = 5,5 прекращается полностью. Кроме того, кислые воды при длительном воздействии вредно влияют на строительные и железные конструкции, мосты, плотины, трубопроводы и так далее. Бетонная канализационная сеть под действием кислот постепенно растворяется; в трубопроводе образуются повреждения в виде пробоин. Медь, цинк, никель, кадмий и другие тяжелые металлы являются сильными ядами для всего живого и даже при незначительных концентрациях действуют смертельно. Вовремя проведенная регенерация тяжелых металлов или их солей, например, металлической меди или медного и железного купороса, выгодна. Представляет интерес также полное восстановление травителей после осаждения части металла [1].

В ряде высокоразвитых промышленных стран в течение многих лет  уделяется большое внимание проблеме наиболее эффективной очистки СВ металлургической и электрохимической промышленности. Происходит замена применяемых в прошлом простых методов нейтрализации СВ травильных и гальванических отделений современными методами, позволяющими достичь более высокой степени очистки вод, требуемой соответствующими санитарными нормами, и получать ценное сырье.

В настоящее время  в промышленных условиях получают некоторые  соединения цветных металлов и ценнейшие  кислоты из СВ гальванических и травильных отделений с помощью ионообмена. В технологии очистки СВ наблюдается также интенсивное внедрение автоматических устройств, что дает лучшие технико-экономические показатели по сравнению с неавтоматизированными установками [2]. На пути отвода СВ в городскую канализационную сеть или перед поступлением их в реки устанавливают автоматические устройства для фиксации количества отводимых СВ, а также концентрации некоторых элементов, загрязняющих воду, в основном цианида и хрома. В области очистки СВ и повторного их использования в промышленности проводят интенсивное внедрение электролиза и обратного осмоса, а также термических методов.

 

1 Обоснование составления схемы канализования промышленного предприятия

 

Канализация – это комплекс санитарно-технических  мероприятий, обеспечивающих своевременный сбор СВ, образующихся на территории населенных пунктов, промышленных и сельскохозяйственных предприятий, быстрое удаление (транспортирование) этих вод за пределы объектов канализования, а также их очистку, утилизацию, обеззараживание и выпуск в водоем.

Канализование промышленных предприятий  предусматривает: отведение с территории промышленных предприятий только тех  отработавших загрязненных (сточных) вод, дальнейшее использование которых  на данном предприятии невозможно по технологическим  условиям или нецелесообразно по технико-экономическим показателям; очистку СВ  для охраны водоемов от загрязнения.

Основным направлением в решении проблемы охраны водоемов является максимальное сокращение отходов, потерь сырья и готовой продукции, сбрасываемых в канализацию, и максимальное сокращение количества СВ. Потери могут быть уменьшены путем совершенствования технологических процессов и регенерации попадающих в СВ ценных веществ.

Количество сбрасываемых в канализацию сточных вод  может быть уменьшено путем повторного использования отработавшей воды на тех же производственных операциях, где она образовалась, или использования такой воды для других технологических нужд, где возможно применение воды более низкого качества, чем вода из основного водопровода. При этом могут быть два основных варианта использования сточных вод:

  1. после предварительной обработки (например, нейтрализации) или очистки (например, отстаивания) на том же или соседнем предприятии;
  2. без предварительной обработки.

Особое внимание должно уделяться размещению на территории промышленной площадки инженерных коммуникаций (технологических трубопроводов, водопроводов, газопроводов, канализационных коллекторов, насосных станций). Экономически эффективным является комплексное решение систем водоснабжения и канализации населенных мест и промышленных предприятий, территориально объединенных в одном промышленном районе. Оптимальным решением с точки зрения охраны поверхностных водоемов от загрязнений СВ является внедрение полностью оборотной системы водоснабжения, что в современных условиях реализовать практически не возможно.

Отведение СВ с территории промышленных предприятий, как правило, осуществляется по полной раздельной системе канализации. Для некоторых  предприятий при соответствующем  технико-экономическом обосновании может быть принята общесплавная система канализации.

Если производственные СВ нельзя отводить совместно с бытовыми из-за того, что они содержат специфические  загрязнения, которые могут вызвать  нарушения в работе канализации, устраивают местные очистные сооружения, располагая их в цехах или вблизи них.

Во многих случаях  смешивание отдельных видов СВ в  канализационной сети может привести  к нежелательным последствиям. Поэтому  в большинстве случаев на промышленных предприятиях (металлургических, нефтеперерабатывающих, химических и многих других) канализация осуществляется по полной раздельной системе с устройством отдельных сетей для производственных, бытовых и дождевых вод [3].

Условно чистые производственные воды, как уже указывалось, следует использовать для оборотного водоснабжения.

Спуск СВ из оборотных  систем водоснабжения допускается  только в производственную канализацию  промышленного предприятия. Незагрязненные производственные СВ допускается спускать в дождевую канализацию.

Отвод сточных вод от душей и умывальников следует предусматривать в сеть бытовых вод или производственной канализации предприятия.

В тех случаях, когда  загрязненные производственные СВ в  виду особенностей их состава нельзя отводить общей сетью, укладывают сети разного назначения (например, для отведения кислых, щелочных, шламовых и других видов СВ) [4].

При решении схемы водооборота  предприятия разрабатываются методы очистки производственных вод до требуемых концентраций применительно  к конкретному составу СВ.

На территории промышленных предприятий образуются сточные воды трех видов: бытовые, дождевые и производственные.

Водоотведение от  данного  предприятия осуществляется по раздельной системе. На предприятии морского флота  также образуется три вида  сточных  вод:

  1. производственные – использованные в технологическом процессе;
  2. бытовые – от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а так же от душевых установок и столовых, имеющихся на территории предприятия;
  3. атмосферные – дождевые и от таяния снега.         

Производственные СВ цеха травления состоят из хромсодержащего  и кислотно-щелочного потоков, которые  содержат большое количество ионов  и солей тяжелых металлов, серной кислоты, токсичные соединения, следовательно, их следует обрабатывать на очистных сооружениях цеха. После обработки СВ и доведения концентраций примесей до необходимого уровня эти воды направляются в оборотную систему водоснабжения – в цех гальванопокрытий того же предприятия, что позволяет более экономично использовать воду в производстве, а следовательно, снижает экономические и экологические затраты предприятия.

Дождевые СВ совместно с бытовыми СВ, образующимися при эксплуатации туалетов, душевых и столовых, расположенных  на территории предприятия, отводят  через общую систему канализации (в соответствии с рисунком 1) на очистные сооружения города, а затем очищенная вода сбрасывается в водоём.

 

 

Рисунок 1 –  Схема канализования промышленного предприятия

 

2 Обоснование составления блок-схемы очистки сточных вод

 

СВ цеха травления  предприятия морского флота содержат большое количество ионов и солей  тяжёлых металлов (Ni, Cu, Pb, Cr, Al) в концентрациях: [Cr6+]=150 мг/л, [Cu2+]=4 мг/л, [Ni2+]=12 мг/л, [Al3+]=12 мг/л, [Pb2+]=6 мг/л, а также серную кислоту (1000 мг/л), поэтому для очистки этих вод используют механические и физико-химические методы очистки.

Остаточная концентрация загрязняющих веществ в воде определяется по формуле:

         

      (1)

где С1 – исходная концентрация, С2 – остаточная концентрация,                      Э – эффективность очистки.

Сточные воды, содержащие ионы хрома, подаются на очистку в электрокоагулятор отдельно, так как в шестивалентном состоянии хром очень токсичен. Это необходимо для того, чтобы шестивалентный хром не вступил в реакцию при нейтрализации. Эффективность очистки от Cr(VI) в электрокоагуляторе со стальными электродами составляет 99,9 % [5], таким образом, после электрокоагуляционной установки концентрации составят:

[Cr6+]=(1-0,999)150=0,15 мг/л;   

[Cr3+]=150-0,15=149,85 мг/л.

После этого хромсодержащие (3500 м3/сут) и кислотно-щелочные (7000 м3/сут) СВ направляются в прямоугольный усреднитель (для обеспечения бесперебойной работы очистных сооружений). После усреднителя концентрации веществ следующие:

[Cr6+]=0,15 мг/л;

[Cr3+]=149,85 мг/л;

[Cu2+]=4 мг/л;

[Ni2+]=12 мг/л;

[Al3+]=12 мг/л;

[Pb2+]=6 мг/л;

[H2SO4]=1000 мг/л;

pH=3.

Затем СВ подаются в вертикальный (вихревой) смеситель, где происходит эффективное перемешивание. Одновременно с этим в смеситель подается реагент – известковое молоко: .

Происходит подщелачивание среды  до pH=7, в которой ионы тяжелых металлов образуют нерастворимые взвеси Cr(OH)3, Al(OH)3, Pb(OH)2, Ni(OH)2, Cu(OH)2:

[Cr6+]=0,15 мг/л;

[Cr3+]=149,85 мг/л;

[Cu2+]=4 мг/л;

[Ni2+]=12 мг/л;

[Al3+]=12 мг/л;

[Pb2+]=6 мг/л;

[H2SO4]=0 мг/л;

pH=7.

Затем на очистных сооружениях  ставится вертикальный отстойник. Эффективность очистки в вертикальном отстойнике составляет 60% [4]. Таким образом, остаточная концентрация после вертикального отстойника составляет:

[Cr6+]=0,15 мг/л;

[Cr3+]=(1-0,6)149,85 мг/л=59,94 мг/л;

[Cu2+]=(1-0,6)4 мг/л=1,6 мг/л;

[Ni2+]=(1-0,6)12 мг/л=4,8 мг/л;

[Al3+]=(1-0,6)12 мг/л=4,8 мг/л;

[Pb2+]=(1-0,6)6 мг/л=2,4 мг/л;

[H2SO4]=0 мг/л;

pH=7.

Содержание взвеси не соответствует допустимым нормам, поэтому  дальше вода под напором поступает  на напорный угольный фильтр, способный  очистить воду до необходимых концентраций. Эффективность этого фильтра 80% [4]. Остаточные концентрации в этом случае составят:

[Cr6+]=0,15 мг/л;

[Cr3+]=(1-0,8)59,94 мг/л=11,988 мг/л;

[Cu2+]=(1-0,8)1,6 мг/л=0,32 мг/л;

[Ni2+]=(1-0,8)4,8 мг/л=0,96 мг/л;

[Al3+]=(1-0,8)4,8 мг/л=0,96 мг/л;

[Pb2+]=(1-0,8)2,4 мг/л=0,48 мг/л;

[H2SO4]=0 мг/л;

pH=7.

Для окончательной очистки вода направляется на установку ионного обмена. Эффективность очистки такого сооружения 99,8% [6]:

[Cr6+]=(1-0,998)0,15 мг/л=0,0003 мг/л;                                                         

[Cr3+]=(1-0,998)11,988 мг/л=0,02398 мг/л;                   

[Cu2+]=(1-0,998)0,32 мг/л=0,00064 мг/л;                          

[Ni2+]=(1-0,998)0,96 мг/л=0,00192 мг/л;              

[Al3+]=(1-0,998)0,96 мг/л=0,00192 мг/л;              

[Pb2+]=(1-0,998)0,48 мг/л=0,00096 мг/л;      

[H2SO4]=0 мг/л;

pH=7.

Получившиеся концентрации соответствуют требованиям к воде для гальванических производств согласно ГОСТу 9.314 – 90 (вторая категория). Следовательно, на данном этапе происходит полное осветление воды. Для сбора осветленной воды используется сборник очищенной воды. Из него вода подается в оборот в цех гальванопокрытий.

Осадок из отстойника поступает на барабанный вакуум-фильтр. Вода на промывку фильтров (напорного  угольного и вакуум-фильтра) и  установки ионного обмена подается из сборника очищенной воды.

Обобщенные данные эффективности очистки СВ по данной схеме и ПДК для гальванопроизводства представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Сводная таблица эффективности очистки и ПДК для цеха гальванопокрытий

 

Показатель

Исходные значения

После электрокоагулятора

После усреднителя

После вертикального  смесителя

[Cr6+]

150 мг/л

0,15 мг/л

0,15 мг/л

0,15 мг/л

[Cr3+]

0 мг/л

149,85 мг/л

149,85 мг/л

149,85 мг/л

[Cu2+]

4 мг/л

-

4 мг/л

4 мг/л

[Ni2+]

12 мг/л

-

12 мг/л

12 мг/л

[Al3+]

12 мг/л

-

12 мг/л

12 мг/л

[Pb2+]

6 мг/л

-

6 мг/л

6 мг/л

[H2SO4]

1000 мг/л

-

1000 мг/л

0 мг/л

pH

3

-

3

7

Показатель

После вертикального  отстойника

После угольного фильтра

После установки ионного  обмена

ПДК для цеха гальванопокрытий

[Cr6+]

0,15 мг/л

0,15 мг/л

0,0003 мг/л

0,05 мг/л

[Cr3+]

59,94 мг/л

11,988 мг/л

0,02398 мг/л

0,5 мг/л

[Cu2+]

1,6 мг/л

0,32 мг/л

0,00064 мг/л

0,3 мг/л

[Ni2+]

4,8 мг/л

0,96 мг/л

0,00192 мг/л

1 мг/л

[Al3+]

4,8 мг/л

0,96 мг/л

0,00192 мг/л

0,25 мг/л

[Pb2+]

2,4 мг/л

0,48 мг/л

0,00096 мг/л

0,1 мг/л

[H2SO4]

0 мг/л

0 мг/л

0 мг/л

-

pH

7

7

7

6,5 - 8,5


 

Блок-схема очистки  СВ цеха травления предприятия морского флота представлена на рисунке 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Блок-схема очистки сточных вод

 

 

 

3 Разработка технологической схемы очистки сточных вод и обработки осадка

 

3.1 Удаление хрома шестивалентного

 

Для удаления хрома (VI) традиционно применяют реагентный метод. В качестве реагента применяют гидросульфат натрия. Реакция сначала идет в кислой среде, а затем в щелочной среде трехвалентный хром выпадает в осадок в виде гидроксида хрома. Осаждение его происходит в отстойнике, а остаточная концентрация шестивалентного хрома не превышает ПДК.

Существует более эффективный  способ очистки СВ от шестивалентного  хрома – электрохимический метод. Преимуществами этого метода являются возможность извлечения ценных продуктов, упрощение технологической схемы, упрощение эксплуатации сооружений, легкость автоматизации сооружений, уменьшение производственных площадей, возможность обрабатывания стоков без предварительного их разбавления, кроме того, не увеличивается солевой состав очищенной воды. А недостатком этого метода является большое потребление электроэнергии и металла.

Для очистки СВ от шестивалентного  хрома применяют электрокоагуляцию. Механизм электрокоагуляции последовательно включает в себя следующие операции:

  1. электрофоретической концентрирование, то есть направленное движение заряженных частиц примесей и концентрирование их у поверхности электродов;
  2. растворение электрода и образование гидроокисей металлов;
  3. поляризационная коагуляция дисперсных частиц;
  4. упаковка первичных агрегатов по мере накопления частиц гидроокисей и флокуляционная коагуляция;
  5. флотация образовавшихся агрегатов пузырьками газов.

Эффективность электрокоагуляции  зависит от материала электродов, анодной плотности, движения обрабатываемой жидкости в межэлектродном пространстве. Серьезной помехой электрокоагуляции является образование на электродах окисных пленок – анодная пассивация.

Электрокоагуляционная очистка воды производится в основном с вертикальным расположением электродов, выполняемых чаще всего в виде блока прямоугольных пластин. Соединение электродов осуществляют по многополярной схеме. При отсутствии источника постоянного тока питание осуществляется выпрямленным током, для чего в составе установки предусматриваются выпрямители [7].

По характеру потоков воды в  электролизерах они могут быть однопоточные, многопоточные и смешанные с  горизонтальным или вертикальным направлением движения жидкости (в соответствии с рисунком 3).

Рисунок 3 – Электролизер для электрохимической коагуляции:

1 – подача и отвод  воды; 2 – электроды

 

3.2 Усреднение стока

 

Для усреднения расхода  и концентрации СВ применяют специальные  сооружения – усреднители.

Усреднение достигается  за счет смешения струй сточной жидкости разной концентрации, поступивших в усреднитель в разное время. Это в свою очередь объясняется протеканием разделенной на струи воды в коридорах разной длины.

В усреднителе для  получения необходимого эффекта  усреднения достаточно разделить каждую половину по ширине на пять-шесть коридоров, поскольку при этом практически исчерпываются динамические возможности сооружения.

Для обеспечения необходимого усреднения СВ по концентрации вода в  усреднителях любой конструкции  должна перемешиваться. Перемешивание может быть создано любыми устройствами: механическими мешалками, насосами; но наиболее удобными в эксплуатации являются перфорированные трубчатые барботеры, особенно из некорродирующих материалов (например, из полиэтилена).

При наличии в сточной воде взвешенных веществ барботеры должны не только перемешивать воду, но и препятствовать выпадению этих веществ.

Пристенные барботеры  следует укладывать параллельно  стенке на расстоянии от нее, равном глубине  воды в усреднителе. Барботеры укладывают строго горизонтально вдоль усреднителя на подставках высотой 7 – 10 см от дна. В усреднителе (в соответствии с рисунком 4) сточная вода подводится к внешним торцовым концам коридоров с помощью распределительного лотка [8].

Рисунок 4 – Схема прямоугольного усреднителя концентрации сточных вод:

1 – водоподающий канал; 2 – распределительный лоток;

3 – глухая диагональная  перегородка; 4 – продольные вертикальные  перегородки;

5 – сборные лотки; 6 – водоотводящий канал

 

 

3.3 Смешение сточных вод с реагентами

 

 

Для смешения сточных вод и реагентов  применяют смесители. После усреднителя  СВ поступают в вертикальный вихревой смеситель (в соответствии с рисунком 5). Смесители на очистных сооружениях применяются для смешивания сточных вод с реагентами различных видов перед последующей обработкой. Смешение происходит быстро и осуществляется в течение 1 – 2 минут.

Для очистных сооружений предприятия морского флота более  пригодны вертикальные смесители, так  как процесс растворения извести  происходит в них значительно  полнее. Это объясняется тем, что  крупные частицы находятся в  нижней части вертикального смесителя, где под воздействием повышенных скоростей они быстрее растворяются. Уменьшаясь в размерах, эти частицы выносятся водой в верхнюю часть смесителя и остаются в нем практически до своего окончательного растворения в водной среде [9].

Рисунок 5 – Вертикальный смеситель:

1 – корпус смесителя; 2 – сборные дырчатые трубы; 3 –  патрубки для ввода реагентов; 4 – патрубки для опорожнения  смесителя

 

 

 

 

 

 

3.4 Нейтрализация

 

 

Основными методами химической очистки производственных СВ являются нейтрализация, окисление и восстановление.

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

Нейтрализация – это  реакция между ионами водорода и  гидроксила, приводящая к образованию  недиссоциированных молекул воды.

Производственные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве случаев кислые СВ содержат еще и соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод.

С целью предупреждения коррозии материалов канализационных  очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а так же осаждения из СВ солеи тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергаются нейтрализации.

Реакция нейтрализации  – это химическая реакция между  веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потери характерных свойств обеих соединений.  Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно  в сильных кислотах и основаниях: .

В результате концентрация каждого  из этих ионов становится равной той, которая свойственна самой воде (около 10-7), то есть активная реакция водной среды приближается к рН = 7.

Очистка сточных вод предприятия морского флота, цех травления