Методы и оборудование для очистки технической воды и промышленных стоков

Ведение

В процессах эксплуатации промышленного  оборудования образуются сточные воды, которые требуют специальной  очистки перед сбросом в канализационные  системы. Наиболее распространенными  загрязняющими веществами в поверхностных  водах являются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения меди, цинка, аммонийный и нитратный дегид и др. например, сточные воды заводов черной и цветной металлургии загрязнены большим количеством взвешенных минеральных веществ, содержат цветные металлы и железо, сульфаты, хлориды, смолы и масла, серную кислоту, железный купорос. Нефтеперерабатывающие заводы и нефтепромыслы сбрасывают нефть и нефтепродукты, хлориды, взвешенные вещества, возможно присутствие железа и сероводорода. Большую опасность представляют  сточные воды коксохимических предприятий:  смолы, масла, фенолы, аммиак, цианиды,  роданиды, большое количество солей неорганических кислот и взвешенных веществ. К сильно загрязненным сточным водам, трудно поддающимся очистки, относятся жидкие стоки целлюлозно-бумажных комбинатов: растворенные органические вещества, волокна, каолин и др. Машиностроительные и  автомобильные заводы сбрасывают цианиды, хром, масло, и окалину. Основные загрязнители текстильных предприятий – красители, синтетические поверхностно-активные вещества ( СПАВ ).

Методы и оборудование для очистки  технической воды и промышленных стоков

При очистки сточных  вод промышленных технологий применяют  фильтрование, осаждение, флотацию, коагуляцию,  нейтрализацию и другие методы. Перспективны методы с использованием процессов мембраной технологий, электрокоагуляции, озонирования,  биологической очистки.

По содержанию примесей стоки разделяют воды:

• с нерастворимыми примесями
• представляющие коллоидные растворы
• содержащие растворимые органические и неорганические вещества
• содержащие вещества, диссоциирующие на ионы.

Способы очистки  промышленных стоков можно классифицировать по составу  фаз, дисперсному и химическому  составам. Рассмотрим основные из них.

Механические методы очистки промышленных стоков от грубодисперсных примесей включают отстаивание в гравитационном или центробежном поле, фильтрацию, флотацию, осветвлению во взвешенном слое осадка.

Для очистки от мелкодисперсных  и коллоидных частиц, оседающих с  малой скоростью, а также ПАВ используют коагуляцию и флокуляцию, обеспечивающие слипание частиц до крупных конгломератов, удаляемых затем механическим методом.

Для очистки от растворенных неорганических веществ применяют  методы выпаривания, обратного осмоса, химического осаждения, электродиализа, нейтрализации.

Для очистки от растворенных органических веществ применяют биологическую  очистку, адсорбцию, ионный обмен, отдувку  газами, химическое осаждение, озонирование и хлорирование, обратный осмос, электрохимические  методы и др.

Сильно концентрированные стоки  в ряде случаев целесообразно  уничтожать сжиганием, санитарным захоронением.

 Из механических методов  очистки промышленных стоков  с целью осветвления воды наиболее  простым является ее отстаивание.

При расчете отстойной аппаратуры определяющей является скорость осаждения твердых или жидких частиц, зависящая от размеров частиц, их формы, плотности, вязкости сточной воды, скорости движения воды, и условий обтекания и сопротивления среды.  В горизонтальных песколовках ( прямоугольных резервуарах с прямолинейным движением воды ) осаждение песка близко к осаждению частиц в ламинарном режиме, и скорость его осаждения определяют по формуле Стокса. Площадь зеркала воды, глубину и удельную нагрузку по воде определяют из зависимостей.

Выход сточной воды происходит через  водослив, размеры которого определяют по формулам.

Скорость движения воды при диаметре частиц 0,2-0,3 мм принимается равной 0,3 м/с, а время пребывания воды в  песколовке 30 сек.

Из песколовок с круговым движением воды наиболее эффективны аэрируемые песколовки.

Горизонтальные аэрируемые песколовки работают при скорости движения воды 0,08…0,12 м/с,  общей глубине 0,7-3,5 м, гидравлической крупности песка  – скорости осаждения частицы  в спокойной воде  18 мм/с, интенсивности аэрации 3-5 м в кубе.

В песколовках с круговым движением  воды объем аэрированной зоны изменяется от 25,8 до 170 м в кубе, при интенсивности  аэрации 3,5 м в кубе.

Для увеличения скорости осаждения  частиц примесей в промышленные стоки  вводят коагулянты и флокулянты, которые образуют неустойчивые полидисперсные системы. Продолжительность отстаивания определяют по формуле.

Расчет отстойников с учетом эффективности осветвления проводится в соответствии со стандартными методиками.

Коллоидные вещества, гидратированные взвеси, мелкодисперсные вещества вследствие их малой плотности осаждаются медленно. Даже ввод коагулянтов не обеспечивает заданной степени очистки промышленных стоков.

С целью более глубокой очистки  воды от таких примесей и ее осветвления  используют флотацию.

Флотацию растворенным в воде воздухом обычно ведут совместно с коагуляцией  и флокуляцией взвеси для удаления коллоидных малоконцентрированных  примесей.

Пузырьки воздуха размером 10-100 мкм, выделяющиеся из воды, пересыщенной растворенным в ней воздухом, захватывают взвесь частиц. Воздух диспергируется турбиной – импеллером флотационной машины. Иногда воздух вводят под избыточным давлением через фильтры.

При электрофлотации очистку промышленных стоков осуществляют кислородом и водородом, которые выделяются на электродах, размещаемых в осветленной воде. Выделяющийся в ламинарном режиме газ обеспечивает высокой эффект очистки.

Биологическая и химическая флотация (автофлотация) происходят в результате взаимодействия пузырьков газа с  поверхностью взвешенных в воде частиц, которые освобождаются от воды.

На практике широко применяют в  сочетании с химической коагуляцией  напорную флотацию, позволяющее обеспечивать осветвление воды за 15-40 минут, со скоростью  превышающей в 4-5 раз скорость осаждения.

Установка с рециркуляцией работает следующим образом. Вода, смешанная  с коагулянтом в смесители , поступает  в камеру хлопьеобразования  с  лопастной мешалкой, где образуются крупные хлопья коагулянта, сорбирующие  коллоидные взвеси. Из камеры  коагулированная вода со скоростью 0,2-0,5 м/с перетекает по трубе  в центральную камеру . В трубу  врезан трубопровод, по которому вводится вода, пересыщенная воздухом. Часть воды, очищенная во флотаторе насосом , подается под давлением в смеситель , куда компрессором  водится сжатый воздух, и затем в сатуратор . В сатураторе за 1-3 мин происходит насыщение воды воздухом и отделение не растворившегося воздуха. Насыщенная вода после снижения давления в дросселирующем устройстве становится перенасыщенной и поступает во флотатор. Тонкий слой пены со взвесью собирается скребком в приемный бункер.

Недостатком барботажного и эйрлифтного  сатураторов является введение воздуха  в насос, что снижает его производительность и КПД при увеличенном кавитационном  износе. Более эффективны сатураторы механического перемешивания.

При расчете напорной флотации с  сатурацией необходимо учитывать, что  выделение пузырьков газа из воды происходит совместно с твердыми частицами.

Выделение примесей из сточных вод  эффективно осуществляется под действием центробежных и центростремительных сил в открытых и напорных гидроциклонах.

Открытые гидроциклоны применяют  для выделения из суспензий частиц диаметром больше 0,1 мкм при очистки  грубодиспергированных примесей.

Модифицированный гидроциклон  с конической диафрагмой и внутренним цилиндром устраняет накопление взвешенных частиц под диафрагмой и их периодический вынос с осветленной водой.

В основе работы многоярусного гидроциклона лежит принцип тонкослойного  отстаивания.

Эффективность работы гидроциклонов  определяют:

• седиментационные свойства примесей в сточной воде ( гидравлическая крупность отделяемых частиц)
• размеры циклона
• производительность аппарата, зависящая от его размеров и перепада давлений в нем
• затраты энергии на создание центробежного поля.

Химические и физико -химические методы очистки сточных вод.

Сточные воды, содержащие минеральные  кислоты или щелочи, подвергают нейтрализации  для предупреждения коррозии материалов очистных сооружений, выделения солей  металлов  и предупреждения нарушения  биохимических процессов в сточных водах.

Нейтрализацию осуществляют смешением  кислых и щелочных сточных вод, добавлением  реагентов,  фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы  и абсорбцией водами: кислых газов  – щелочными, аммиака – кислыми.

Для очистки кислых и щелочных сточных вод используют нейтрализацию оксидов кальция гидроксидами натрия, калия и кальция, а также карбонатами кальция, магния и натрия.

Теоретический расход реагентов 0,4-2,5 кг/кг.  Время взаимодействия сточных  вод и реагента превышает 5 мин, для кислых стоков с ионами металлов – 30 мин.

Очистка сточных вод окислителями. Наряду с традиционными окислителями, такими как хлор и хлорсодержащие вещества, пиролизит, кислород воздуха, в последние годы применяют озон.

Для глубокой очистки воды успешно применяют озонирование, которое в ряде процессов может заменить коагуляцию с быстрым фильтрованием, адсорбцию на некоторых стадиях очистки сточных вод, а в сочетании с другими методами – биохимическую очистку.

Наиболее эффективно применение озона для очистки: воды – от СПАВ, нефтепродуктов, сливных вод – на стадии выработки стеклоизделий.

Озонолиз – процесс фиксации озона на двойной или тройной  углеродный связи с последующем  ее разрывом и образованием озонидов, которые неустойчивы и быстро разлагаются.

Каталитическое воздействие озонирования состоит в росте окисляющей способности  кислорода, присутствующего в озонированном  воздухе.

Совокупность всех форм окисляющего  и дезинфицирующего действия озона  обеспечивает его применение на всех стадиях очистки сточных вод и подготовки воды к использованию в процессе производства. При совместном действии озонолиза и окисления радикалами удаляются коллоидные вещества, токсичные микрозагрязнитили, растворенные органические вещества.

Наиболее эффективно используются инжекторные и роторные аппараты ( дают равномерное смешение фаз, высокие скорость реакции и степень очистки, более полное использование озона),  напорные трубопровод, змеевики. Введением озона непосредственно в напорный трубопровод обеспечиваются простота и компактность смесителя, уменьшение потерь озона и высокий эффект очисткию. Сточную воду подают насосом в змеевик и воздуховоздушную смесь. После змеевика вода с большой скоростью проходит трубу воздухоотдиления и переливается через верхнюю кромку, освобождаясь от пузырьков. Эффективность использования озона в змеевике возрастает до 80-90 %, а скорость окисления в двое больше по сравнению с барботажными аппаратами.

Для интенсификации окисления применяют  кавитирующий эффект, который достигается  в кавитационном аэраторе или в центробежной распылительной машине,  а также при использовании ультразвуковой энергии. Наибольшее окисление достигается в центробежной распылительной машине.

Озонирование используется в основном для доочистки стоков после флотации, дезинфекции, флокуляции, фильтрации на фильтрах песчаных и с активированным углем.

Мембранная очистка сточных  вод. К основным мембранным методам  разделения жидких систем относятся  обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, электродиализ. Преимущества этих методов заключается в возможности ведения процесса при нормальной температуре без фазовых превращений и при меньших энергетических затрат, чем в других методах очистки, простоте оформления аппаратуры, высокой степени разделения,  позволяющей увеличить выход готового продукта.

Процессы обратного осмоса, ультра- и микрофильтрация ведут под  избыточным давлением и относят  к группе баромембранных процессов, в которых молекулы или ионы растворенных веществ переносятся через полупроницаемую  перегородку под давлением, превышающим осмотическое. Под осмосом понимается самопроизвольный перенос ( молекулярная диффузия) растворителя через мембрану.

Различие между обратным осмосом  и ультрафильтрацией состоит  в том, что  при ульрофильтрации  разделяются низкоосмотические растворы молекулярной массой больше 500, а при обратном осмосе разделяются растворы низкомолекулярных веществ с высоким осмотическим давлением.

Движущая сила ультрафильтрации и  обратного осмоса определяется разностью  давлений рабочего и осмотического разделяемого раствора у поверхности мембраны.

В отличии от обычной фильтрации, при которой продукт в виде осадка откладывается на поверхности  мембраны, при обратном осмосе и  ультрафильтрации образуется два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.

Баромембранные процессы позволяют  разделить частицы по размерам.

При деминерализации сточных вод  и разных смесей используют диализ и электродиализ.

Диализ – процесс разделения веществ в результате их неодинаковой диффузии через мембрану. По существу диализ является разновидностью ультрофильтрации.

Более широкое применение в обработке  воды и растворов последние годы находит электродиализ. Электродиализные аппараты с биполярными и ионообменными  мембранами применяют для выделения  отдельных компонентов из сточных вод, регенерацию и вторичного использования втористоводородной и азотной кислот, щелочей и стравильных растворов и из жидкостей после скрубберов для очистки газов, сульфата натрия, серной кислоты и т.д.

Для очистки сточных вод применяют  мембранную установку, включающую на ряду с мембраной и фильтр -  держателем, образующими мембранный модуль, емкости, насосы, контрольно-измерительную аппаратуру и системы очистки мембран.

При выборе и разработке мембранных установок необходимо учитывать  характер фильтруемой среды ( жидкость или газ ), вид целевого продукта ( фильтрат или задержанные мембраной частицы ) ; минимальный размер выделяемых частиц и размер под мембраны.

При создании мембранных модулей необходимо обеспечивать их механическую прочность и герметичность.

Классифицируют мембранные модули по способу укладки мембран, по типу корпусов ( корпусные и безкорпусные), по условиям демонтажа ( разборные и  не разборные), по положению мембранных элементов ( горизонтальные или вертикальные), по режиму работы,

По способу укладки мембран  используют аппараты четырех типов: с плоскими мембранными элементами; с трубчатыми элементами; с элементами рулонного типа; с мембранами в  виде полых волокон.

По конструкциям и способам изготовления элементы делят на три типа; с подачей разделяемых  средств: внутрь трубки; с наружи трубке; одновременно внутрь и снаружи трубки.

 Основные достоинства трубчатых  мембранных элементов: низкое  гидравлическое сопротивление, равномерное  движение потока раствора над  мембраной с высокой скоростью, отсутствие застойных зон, возможность механической очистки мембранных элементов от осадка без разборки аппарата, малая металлоемкость при безкорпусном выполнении, компактность установки.

Недостатка устройств: малая удельная поверхность мембран, повышенная точность при изготовлении дренажного каркаса обычно из перфарированных металлических трубок, пористых керамических, металлокерамических, пластмассовых и графитовых композитных и стеклопластиковых трубок.

Мембраны с жесткой структурой – металлические, из пористого стекла, нанесенные и напыленные на каркас, - обладают высокой химической стойкостью.

Для установок с мембранными  аппаратами применяют технологический, гидравлический  и механический, а при использовании горячих  растворов – и тепловой расчеты. При технологическом расчете определяют необходимую поверхность мембран, жидкостные потоки и их состав. При гидравлическом расчете находят гидравлическое сопротивление аппаратов, трубопроводов и арматуры.

Расчет аппаратов обратного  осмоса и ультрафильтрации проще выполнять на основе эмпирических корреляций ( Ю. И. Дытнерский ). Составляют уравнения материального баланса по всему веществу и растворенному компоненту дифференциальные уравнения изменения состава пермиата и проницаемости в произвольном сечении. Определив на лабораторных ячейках с мешалкой ряд констант и используя их при решении системы уравнений, рассчитывают выход концентрата и фильтра, поверхность мембраны и состав фильтра при концентрировании. Расчет обратноосмотических аппаратов с плоскими мембранами и элементами предпочтительнее выполнять на основе математического моделировании. Расчет заключается в совместном решении уравнений материального баланса по раствору и растворенному веществу и уравнений энергетического баланса по раствору и периметру с учетом концентрированной поляризации и взаимном движении потока.

Термическое сжигание. Термическое  сжигание применяют для уничтожения  высококонцентрированных сточных  вод, содержащие минеральные или  органические элементы. Поэтому методу сточные воды вводят в печь сжигания и испаряют при 900-100 С. органические примеси сгорают до продуктов полного сгорания  СО2, Н2О, NО2.

Биологический метод  очистки сточных вод.

В основе биологической очистки  сточных вод от органических веществ  лежат три взаимосвязанных процесса: - синтез протоплазмы клеток микроорганизмов, окисление органических загрязнении и окисление продуктов метаболизма ( обмена вещества) клеток. Для проведения таких процессов требуется участие ферментов. Происходящие при этом аэробное окисление, содержащегося в органических веществах углерода до СО2 и водорода до Н2О, характеризуется расходом кислорода, т.е. биологическим потреблением кислорода ( БПК).

Характеристикой глубины разложения примесей в водостоке является биохимический  показатель (БХП), равный отношению БПК к ХПК.

Под ХПК в отличии от БПК понимают количество кислорода теоретически необходимое для полного превращения  органических веществ СО2, Н2О, а также  в соль аммония и серную кислоту, если они содержат азот и серу. Молекулярный кислород, входящий в состав молекул веществ, идет на окисление этих веществ.

При биохимическом окислении органических веществ требуется меньше кислорода, чем при химическом окислении  с той же эффективность очистки.

 В биологических фильтрах  сточные воды очищаются микроорганизмами активного ила биопленками, образующими биологическую активную массу.

Производительность установки  и количество избыточного ила  на единицу объема сточной воды оценивают  по окисленной мощности и приросту ила. Окислительную мощность рассчитывают по формуле.

Анаэробные схемы применяют  для очистки сточных вод концентрацией 6-20 г/дм в кубе, для концентрирования минеральных солей 30 г/дм в кубе и  для брожения осадков и избыточного  ила.

По анаэробной схеме стоки, пройдя усреднитель, подается в анаэробный восстановитель, где взаимодействует с анаэробным илом. Затем смесь насосами подают во флотатор из которого иловая вода вместе с бытовыми водами поступает в аэротенк, а пенный продукт – в метантек на стабилизацию. Выходящая из аэротека смесь насосами подается во флотатор, из которого аэробный активный ил возвращается на вход схемы. Часть ила возвращается аэротек, а избыточная часть в метантенк. Биологически очищенная вода дочищается на фильтрах, после чего сбрасывается в водоем или подается насосами на повторное использование.

Стоки очищаемые биологическими методами должны отвечать следующим требованиям:

1 органические вещества, входящие  в стоки, должны быть способны  к биохимическому окислению.

2 их концентрация, выдержанная  через БПК , не должна превышать 0,5 г/дм в кубе при очистке на биофильтрах и 1 г/дм кубич. – при очистке в аэротенках – смесителях.

3 концентрация ядовитых органических  и неорганических ( соли, меди, свинца, хрома, ртути ) веществ не должна  превышать пределов исключающую жизнедеятельность бактерий.

4. количество механических примесей не должно превышать 150 мг/дм кубич.
5. Водородный потенциал среды рН должен быть 6,5-8,5.
6. Сточные воды должны содержать биогенные элементы.
7. Общее количество растворенных солей должно быть на больше 10 г/дм кубич.
8. Стоки не должны содержать плавающих масел и смол.
9. Температура сточных вод – от 6-35 до 50-60 С.

С учетом изложенного специалистами  разработана типовая станция  биологической очистки сточных  вод производительностью 10 тыс. м  кубич./сут., размещаемая на площади 11 га вместо 75 га-  для стандартной станции очистки. Очистка ведется в эротенках колонного типа с доочисткой на песчаных фильтрах с воздушной промывкой. Реагентное кондиционирование смеси сырого осадка и уплотненного избыточного ила и обезвоживание проводят на фильтр – прессах ФПАКМ –25Н . резервным оборудованием для обезвоживания осадка 60 % . резервным оборудованием для обезвоживания осадка являются винтовые центрифуги. Пульпа из песколовок обезвоживаются на таких же фильтр – прессах производительность 30 кг.

Список используемой литературы

«Промышленная экология»  В.Г. Калыгин  ст. 214 – 238

«Общая экология» С. А. Тереньтев  ст. 53-69

Министерство высшего образования

Федеральное агентство  по образованию

Ростовский Государственный Экономический университет (РИНХ)

Филиал в г. Ейске

Контрольная работа

По дисциплине « Основы промышленных технологий»

На тему « Технологии защиты водных ресурсов от загрязнения»

                                                                                       Выполнила:

                                                                                      Студентка группы № 411

                                                                                      Синицина Ек. В.

                                                                                     № зачетной книжки _____

                                                                                     Проверил:

                                                                                      Кулинский А. 

Ейск

2008