Установки для электрохимической очистки сточных вод

Электролизеры для обработки циансодержащих сточных вод

3.21.Электролизеры для обработки сточных вод, относящиеся к нестандартному оборудованию, представляют собой открытые или со съемной крышкой прямоугольные стальные резервуары, разделенные с помощью перегородок из синтетических материалов на несколько отсеков. В перегородках проделываются несколько рядов отверстий, суммарная площадь которых составляет 20 - 30 % площади находящейся в воде чисти перегородки, высота которой соответствует высоте погруженных в воду электродов.

Движение потока сточных вод в электролизере происходит вдоль поверхности электродов в горизонтальном направлении. Электролизер снабжается приемной и сборной камерами, также отделенными от его рабочего пространства дырчатыми перегородками. На дно электролизера (в каждом из отсеков) укладывают дырчатые трубки из синтетических материалов, через которые поступает сжатый воздух, который, барботируя через жидкость, способствует ее перемешиванию.

В электролизер помещаются электроды двух типов: стальные катоды (в виде пластин толщиной 1-2 мм) и аноды из графитированного угля в виде плит или стержней. Можно использовать малоизнашивающиеся титановые аноды с металлоксидным покрытием (диоксид рутения, магнетит и др.). Ориентировочный срок службы анодов из графитированного угля составляет 4-5 мес. При обработке медьсодержащих сточных вод целесообразно использование медных катодов для облегчения утилизации дополнительно извлекаемой из сточных вод (в виде катодного осадка) металлической меди.

При определении габаритов электролизера необходимо учитывать объем постоянно находящейся в нем воды, а также объем, занимаемый перегородками, электродами (размеры плит из графитированного угля, выпускаемых отечественными электродными заводами, составляют 1000´180´50 мм). Расстояние между соседними электродами (катодом и анодом) следует принимать в пределах 40-50 мм.

Электроды обоих видов (катоды и аноды) подвешиваются в электролизере на медных (латунных) стержнях (токоподводах), концы которых покоятся на соответствующих катодных (анодных) шинах, укладываемых на изоляторах вдоль бортов электролизера. Аноды из графитированного угля (в виде плит) можно устанавливать на дно электролизера, футерованное материалом - диэлектриком. Сечение токоподводов и электродных шин рассчитывается на максимальную токовую нагрузку.

При значительной расчетной величине тока в электрической цепи (более 3000 А) и необходимости отведения больших количеств выделяющихся газообразных продуктов электролиза рекомендуется установка нескольких электролизеров, снабженных автономными источниками электропитания.

Технологическая схема электрохимической очистки циансодержащих сточных вод включает: двухсекционный резервуар-усреднитель (каждая секция усреднителя рассчитана на часовой расход сточных вод); электролизеров; источник постоянного электрического тока (выпрямитель из ременного электрического тока - типа ВАКГ или ВАКР); бак для приготовления раствора поваренной соли; бак, для приготовления раствора щелочного реагента (едкий натр, сода), используемого для корректировки исходной величины рН обрабатываемой воды (в случае необходимости); сборный бак для очищенной воды.

К сточным водам, находящимся в резервуаре-усреднителе, добавляют насыщенный раствор поваренной соли для достижения ее концентрации в воде в пределах 5-10 г/л и раствор щелочного реагента (в случае необходимости) до величины рН 10. При наличии высококонцентрированных циансодержащих сточных вод (отработанных технологических растворов) следует предусмотреть дополнительный бак для их сбора с последующим равномерным добавлением к сточным водам поступающим в резервуар-усреднитель, до достижения расчетной концентрации цианидов не более 1 г/л.

3.22. Пример расчета электролизерадля очистки циансодержащих сточных вод.

Исходные данные для расчета: производительность электролизера 2,5 м³/ч; исходная концентрация цианидов в очищаемой воде 200 мг/л; время электрохимичекой обработки сточных вод 0,5 ч.

Необходимая величина тока в электрической цепи электролизера

1470 А.

Принимается к установке один выпрямитель переменного электрического тока, вырабатывающий постоянный электрический ток величиной 1600 А. Объем сточных вод в электролизере составляет

W_el = q_wt_el = 2,5^.0,5 = 1,25 м³.

Общая поверхность анодов

= 10 м².

При использовании в качестве анодов плит из графитированного угля размером 1000´180´50 мм общая поверхность одной плиты составляет

f¢_an = 2×0,18×1 = 0,36 м².

Общее количество плит (анодов) из графитированного угля, помещаемых в один электролизер:

N_an = f_an/f¢_an = 10/0,36 = 28шт.

Общая поверхность катодов равна общей поверхности анодов. Размеры электролизера выбираются исходя из объема находящихся в нем сточных вод с учетом общего объема погруженных в воду электродов.

Электрокоагуляторы с алюминиевыми электродами

3.23. Электрокоагуляторы с алюминиевыми электродами, используемые для очистки концентрированных маслоэмульсионных сточных вод, относятся к нестандартизированному оборудованию. Предпочтительно использование электрокоагуляторов горизонтального типа с пластинчатыми электродами. Электрокоагуляторы могут быть как периодического, так и непрерывного действия. Электрокоагулятор состоит из корпуса с наклонным дном и крышкой, электродной системы, пеноудаляющего устройства. Электрокоагуляторы непрерывного действия, кроме того, должны быть снабжены устройствами рассредоточенного впуска и выпуска воды и устройством для поддержания уровня воды в аппарате на заданном уровне. Электрокоагуляторы обоих типов должны быть снабжены патрубками с вентилями для выпуска и впуска воды, пены, емкостями для сбора пены и вентиляционной системой удаления водорода.

Корпус электролизера прямоугольной формы следует изготовлять из листовой углеродной стали с последующим нанесением на внутреннюю поверхность защитного покрытия, например,из винипласта или эпоксидных смол.

Крышка электролизера, предназначенная для предотвращения выделения водорода в рабочее помещение, изготавливается из листовой стали с покраской внутренней поверхности водостойкой краской. Крышка устанавливается своим фланцем к фланцу корпуса и герметизируется. Дно корпуса электролизера должно иметь уклон.

Электродный блок, собираемый из алюминиевых пластин выполняется в виде параллелепипеда и располагается равномерно по объему электролизера. Электроды в блоке устанавливаются плоскопараллельно на одинаковом расстоянии друг от друга (10-20 мм). Объем жидкости над электродами не должен превышать 20 % общего объема электрокоагулятора. Электродные пластины прямоугольной формы следует изготавливать одинаковыми для обеспечения их взаимозаменяемости. Механическая жесткость электродного блока создается с помощью диэлектрических гребенок. Для удобства монтажа в блоках предусматривают проушины (крючки).

Соединение электродов в блок производится либо сваркой, либо стягиванием (разъемное соединение). Токоподводы к электродным блокам внутри электролизера в местах соприкосновения их с жидкостью должны быть изолированы. Их следует изолировать и от корпуса электрокоагулятора.

Пеноудаляющее устройство может быть, выполнено либо в виде приспособления, сгоняющего пену струями сжатого воздуха в пеносборный лоток, либо и виде доски с пневматическим приводом. Пеноудаляющее устройство перемещается как вручную, так и автоматически по заданной программе.

В процессе электролиза выделяется водород, который необходимо постоянно удалять из аппарата с помощью вытяжного вентиляционного устройства. Для обеспечения безопасности, работа электрокоагулятора должна быть сблокирована с работой вентилятора: в случае остановки вентилятора должна быть прекращена подача электроэнергии на электрокоагулятор.

Время обработки сточной воды при соответствующей силе тока выбирают экспериментально по степени ее осветления. При изменении состава воды время ее обработки также изменяется.

Пример расчета электрокоагулятора периодического действия

3.24.Исходные данные: производительность аппарата q_w = 1,8 м³/ч; исходное содержание масел С_en = 6000 г/м³; удельный расход электричества на обработку cточных вод q_cur = 540 А×ч/м³, толщина электродных пластин = 0,006 м; межэлектродное расстояние b = 0,02 м; анодная плотность тока f_an = 120 А/м².

Расчет. Примем продолжительность, цикла очистки t_eh, равной 0,5 ч (продолжительность электрокоагуляционной обработки t₁ = 0,25 ч; продолжительность налива жидкости в аппарат и ее слива t₂ = 0,25 ч). Объем жидкости в электрокоагуляторе W_ch = q_w t_ek = 1,8×0,5 = 0,9 м³.

Общее количество электричества, необходимое для обработки такого объема жидкости, составит Q_сur = W_ch q_cur = 0,9×540 = 486 А×ч, а величина тока в электрической цепи I_cur = Q_cur/t₁ = 486/0,25 = 1941 A; рабочая поверхность анодов составит f_an = I/i_an = 1944/120 = 16,2 м². Отсюда общим объем электродов при их толщине 6 мм составит V_ch = f_an = 16,2^.0,006 = 0,097 м³, а их масса M_еk = V_{ek A1} = 0,097 2,7 = 0,262 т ( _A1 плотность алюминия, т/м³).

В связи с тем, что масса одного электродного блока не должна превышать 50 кг, принимаем число блоков, равное 6.

Общий объем жидкости в межэлектродном пространстве всех электродных блоков составит V_ж = f_an b = 16,2×0,02 = 0,324 м³, а объем одного электродного блока = (0,097+0,324) : 6 = 0,07 м³.

Условно, приняв форму блока кубической, длина его ребра, м:

= 0,41.

Число электродов в одном электродном блоке составит n = = 0,41/0,026 = 16, т.е. блок будет состоять из 8 анодов и 8 катодов.

Таким образом, с учетом установочных зазоров (l₃ = 0,07 м; l_b = 0,41) общая длина электрокоагулятора составит L_э = 6l_b+7l₃ = (6×0,41+7×0,07) = 2,95. Ширина электрокоагулятора, м:

B_э = l_b+2l₃ = 0,41 +2×0,07 = 0,55.

На высоте верхней кромки электродов L₁ = l_b+l₃ объем жидкости в электрокоагуляторе

V_эк = L_эB_э(l_b+l₃) - V_ek = 2,95×0,55(0,41+0,07)-0,097 = 0,681 м³.

Высота слоя жидкости над электродами, м

h₂ = (W_eh-V_эк)/L_эВ_э = (0,900-0,681)/2,95×0,55 = 0,13.

Общая высота слоя жидкости в электрокоагуляторе составляет, м:

h_э = h₁+h₂ = 0,48 + 0,13 = 0,61.

С учетом необходимости размещения пеносгонного устройства полная высота аппарата Н_э составит 0,8 м.

Общие габариты электрокоагулятора L_эB_эH_э = 2,95×0,55×0,8 м.

Пример расчета электрокоагулятора непрерывного действия

3.25. Исходные данные: производительность аппарата q_w = 1,8 м³/ч; исходное содержание масел C_en = 2500 г/м³; удельный расход электричества на очистку сточной воды q_cur = 270 A×ч/м³; начальная толщина электродных пластин = 0,006 м; межэлектродное расстояние b = 0,02 м; анодная (катодная) плотность тока i_an = 120 А/м².

Расчет. Общий расход электричества на обработку 1,8 м³ сточной воды составит

Q_cur = qq_cur = 1,8×270 = 486 А×ч,

а токовая нагрузка на электрокоагулятор I = Q_cur/t = 486 A. Поверхность анодов (катодов) будет равна:

f_an = f_h = I/i_ап = 486/120 = 4,05 м².

Объем жидкости в межэлектродном пространстве V_ж = f_an b = 4,05^.0,02 = 0,081 м³, a общий объем электродов V_еk = f_an = 4,05 0,006 = 0,024 м³. Общий объем электродного блока составит = V_ж+V_ek = 0,081+0,024 = 0,105 м³, а масса такого блока

= V_{ek A1} = 0,024^.2,7 = 0,065 г.

В связи с тем, что масса электродного блока не должна превышать 50 кг, принимаем число блоков равным 2. Условно принимая форму блока кубической, получим, что длина его ребра составит

0,37 м.

Число электродов в блоке составит n = = 0,37/(0,006+0,015) = 18.

В связи с тем, что в электрокоагуляторе непрерывного действия проскок жидкости вне межэлектродного пространства недопустим, между боковыми стенками аппарата и крайними электродами не должно быть установочных зазоров.

Учитывая, что в аппарате должны быть размещены пеносгонное устройство, а также устройства для распределения потока воды на входе и выходе, габариты электрокоагулятора принимаем

L_эB_эH_э = 0,8^.0,42^.0,5 м.

Электрокоагуляторы со стальными электродами

3.26. Электрокоагуляторы со стальными электродами относятся к нестандартному оборудованию. Корпус электрокоагулятора представляет собой прямоугольный резервуар изготовленный из синтетических кислотостойких материалов (полиизобутилен, полипропилен и др.), или футерованный изнутри этими материалами. Электрокоагулятор оборудуется вытяжным вентиляционным устройством (например, бортовыми отсосами) для удаления газов, образующихся при электролизе сточных вод. Целесообразно, чтобы дно электрокоагулятора имело небольшой уклон (до 5°) в сторону выхода сточных вод.

Наибольшее применение получили в настоящее время электрокоагуляторы с помещенными в них пакетами (блоками) плоских пластинчатых электродов, расположенных вертикально, параллельно друг другу.

Движение потока сточных вод в электрокоагуляторе следует осуществлять вдоль поверхности электродных пластин в вертикальном направлении (снизу вверх или сверху вниз) либо в горизонтальном направлении.

Для равномерного распределения воды между электродами и равномерного ее отвода рекомендуется предусмотреть в электрокоагуляторе или в отдельных его секциях приемные и сборные камеры. Приемные камеры отделяются от рабочего пространства электрокоагулятора дырчатыми перегородками, которые рассчитываются как распределитель высокого сопротивления (отношение суммарного сечения отверстий в перегородках к общему сечению электрокоагулятора составляет 0,3).

Электроды (катоды и аноды), помещаемые в электролизер, изготавливаются из низкоуглеродистой стали (Ст3, Ст4 и т. п.) и могут иметь толщину от 3 до 6 мм. Первоначальное расстояние между соседними электродами должно составлять 5-10 мм.

Рекомендуются следующие размеры электродных пластин: длина 0,6-1, ширина 0,3-0,6 м. Целесообразно использование электродов (анодов и катодов) в виде блоков. Блок электродов представляет собой набор стальных пластин, закрепленных на общей раме. Пластины через одну подключаются к катодной и анодной шинам источника постоянного электрического тока с помощью приваренных или припаянных и ним токоподводов. Для предотвращения коротких замыканий пластины в двух-трех местах по своей высоте разделяются прокладками из диэлектрика (текстолит, винипласт и др.), выполненными, например, в виде колец. Электродные пластины у своего основания или по их высоте (с обеих сторон) рекомендуется вставлять в «гребенку», также изготовленную из материала-диэлектрика. Масса одного электродного блока не должна превышать 0,05 т.

Электродные шины изготавливаются из медных (латунных) или алюминиевых прутков или полос, закрепляются на изоляторах на корпусе электрокоагулятора и соединяются с соответствующими полюсами источника постоянного электрического тока. Диаметры (сечение) электродных, а также токоподводящих шин (кабелей), соединяющих электролизер с источником тока, во избежание перегрева, рассчитываются на максимальную токовую нагрузку.

При расчете электрокоагулятора определяются общая поверхность и количество электродов, конструктивные размеры и число электрокоагуляторов и величина тока в электрической цепи. При этом основными исходными параметрами для расчета являются: расход сточных вод; исходная концентрация шестивалентного хрома и ионов тяжелых металлов в сточных водах; анодная плотность тока; удельный расход электричества, необходимый для обработки единицы объема сточных вод.

Пример расчета электрокоагуляторов со стальными электродами для очистки хромсодержащих сточных вод

3.27. Исходные данные для расчета: расход сточных вод составляет 10 м³/ч (при круглосуточной работе установки), исходные концентрации шестивалентного хрома и цинка соответственно 50 и 20 мг/л; величина тока в электрической цепи

I_cur = 3,1C_enq_w = 10×50×3,1 = 1550 A.

К установке принимается один выпрямитель переменного тока, вырабатывающий ток величиной до 1000 A при максимальном напряжении до 12 В. Общая поверхность анодов составит:

f_pl = I_cur/i_an = 1550/150 = 10,3 м².

Размеры одной электродной пластины принимаются следующими: ширина b_pl = 300 мм, рабочая высота h_pl = 600 мм. Рабочая поверхность одного электрода будет равна:

f_pl = 2b_plh_pl = 2×0,3×0,6 = 0,36 м².

Общее количество электродных пластин составит

N_pl = 2 +1 =2 +1 = 57+1 = 58.

Принимаются к установке два электродных блока, каждый из которых состоит из 30 стальных пластин. Рабочий объем электрокоагулятора будет равен:

W_ek = f_plb = 10,3×0,008 = 0,082 м³,

(расстояние между двумя соседними электродами b принято равным 0,008 м). Время обработки сточных вод (время пребывания сточных вод в межэлектродном пространстве электрокоагулятора) составит

t = W_ek/q_w = 0,082/10 = 0,008 ч = 0,008×3600 = 28,8 с.

Удельный расход металлического железа для обработки сточных вод определяем по формуле

37,6 кг/сут.

Ширина одного электродного блока при толщине одной электродной пластины 5 мм будет равна:

B = = 30×0,005 +0,008 (30 - l) = 0,38 м.