Химические и физико-химические методы очистки сточных вод
Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, подвергают нейтрализации. Нейтрализацию проводят для предупреждения коррозии материалов очистных сооружений, выделения солей металлов из сточных вод и предупреждения нарушения биохимических процессов в них.
Нейтрализацию осуществляют:
· смешением кислых и щелочных сточных вод;
· добавлением реагентов;
· фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы;
· абсорбцией кислых газов щелочными водами;
· абсорбцией аммиака кислыми водами.
Для очистки кислых и щелочных сточных вод используют процесс нейтрализации с применением таких реагентов, как оксиды кальция, гидроксиды натрия, калия и кальция, а также карбонаты кальция, магния и натрия. Массовый расход реагентов, кг/ч для нейтрализации сточных вод определяют по формуле:
G = kзQpCa100/B, (9)
где kз - коэффициент запаса;
Qp - расход реагента, м3/ч;
С - концентрация кислоты или щелочи, кг/м3;
а - удельный расход реагента, кг/кг;
В - количество активной части в товарном продукте, %.
Теоретический расход реагентов составляет 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 (гипохлорит натрия, диоксид хлора), пиролизит, кислород воздуха в последние годы применяют озон. Озонирование в ряде процессов может заменить коагуляцию с быстрым фильтрованием, адсорбцию на некоторых стадиях очистки сточных вод и в сочетании с другими методами - биохимическую очистку.
Наиболее перспективным является применение озона для очистки воды от синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ), от нефтепродуктов и очистки сливных вод на стадиях выработки стеклоизделий. Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим 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 микрозагрязнители, растворенные органические вещества.
В настоящее время наиболее эффективно используют инжекторные и роторные аппараты, напорные трубопроводы, змеевики, которые дают равномерное смешение фаз, высокие скорость реакции, степень очистки и более полное использование озона. Эффективность использования озона в змеевике возрастает до 80-90%, а скорость окисления вдвое больше по сравнению с барботажными аппаратами.
Озонирование используют в основном для доочистки стоков после флотации, дезинфекции, флокуляции, фильтрации на песчаных фильтрах и фильтров с активированным углем.
Мембранная очистка сточных вод. К основным мембранным методам разделения жидких систем относятся обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация, электродиализ. Преимущества этих методов заключаются в возможности ведения процесса при нормальной температуре (кроме процесса испарения через мембрану) без фазовых превращений и при меньших энергетических затратах, чем в других методах очистки, простоте оформления аппаратуры, высокой степени разделения, позволяющей увеличить выход готового продукта.
Процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и микрофильтрации ведут под избыточным давлением и относят их к группе баромембранных процессов, в которых перенос молекул или ионов растворенных веществ происходит через полупроницаемую перегородку (мембрану) 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 ультрафильтрации 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 рабочего давления Р и осмотического давлений разделяемого раствора у поверхности мембраны П3: ΔР = Р - П3, а с учетом осмотического давления пермеата (фильтрата) П2
ΔР = Р - (П3 - П2) - Р - ΔП. (10)
Рабочее давление при обратном осмосе составляет 5-8 МПа.
Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, где молекулярная масса компонентов больше молекулярной массы растворителя, например, для водных систем, в которых один из компонентов имеет молекулярную массу выше 500. Осмотическое давление высокомолекулярных соединений мало, что позволяет проводить ультрафильтрацию при невысоком давлении (0,2-1 МПа). С помощью ультрафильтрации разделяют растворы высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.
Процесс выделения из раствора коллоидных частиц размером 0,1-10 мкм при давлении порядка десятых и сотых долей мегапаскалей относится к микрофильтрации и занимает промежуточное положение.
В отличие от обычной фильтрации, при которой продукт в виде осадка откладывается на поверхности мембраны, при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом.
Баромембранные процессы позволяют разделить частицы по размерам, мкм: обратный осмос - 0,0001-0,001, ультрафильтрация - 0,001-0,02 и микрофильтрация - 0,02-10.
При деминерализации сточных вод и различных смесей используют диализ и электродиализ. Диализ является диффузионным процессом разделения веществ в результате их неодинаковой диффузии через мембрану. По существу диализ является разновидностью ультрафильтрации.
Более широкое применение при обработке воды и растворов находит в последние годы электродиализ. Электродиализные аппараты, использующие биполярные и ионообменные мембраны, применяют для выделения отдельных компонентов из сточных вод, регенерации и вторичного использования фтористоводородной и азотной кислот, щелочей из травильных растворов и из жидкостей после скрубберов для очистки газов, сульфата натрия, серной кислоты.
Для очистки сточных вод применяют мембранную установку, включающую наряду 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 следующие факторы:
- характер фильтруемой среды (жидкость или газ);
- выбор целевого продукта: фильтрата или задержанных мембраной частиц;
- минимальный размер выделяемых частиц и размер пор мембраны.
Выбор оптимального размера пор производят на основе данных по селективности мембран от размера пор при максимально возможной производительности; объем перерабатываемой жидкости (малый или большой объем определяют сложность конструкции мембранного модуля); вид раствора (водный или неводный). В последнем случае агрессивность жидкой среды требует применения мембран и опорных элементов, стойких к действию растворителя.
Установки должны отвечать следующим требованиям.
1. Материалы разделительной системы должны работать под высоким давлением и быть устойчивыми к коррозии.
2. Компактность установки, простота обслуживания и возможность быстрой разборки и сборки установки при ремонте и транспортировании.
3. Возможность периодического промывания установки для восстановления производительности мембран.
4. Возможность предотвращения отложения осадка на мембранах и снижения влияния концентрированной поляризации. Для этого необходимо обеспечить высокую скорость течения жидкости над мембраной и ее равномерное распределение по секциям и элементам мембранного модуля.
5. Возможность нагрева или охлаждения обрабатываемых жидкостей.
При создании мембранных модулей необходимо обеспечить их механическую прочность, герметичность и другие условия. В настоящее время мембранные модули классифицируют по способу укладки мембран, по типу корпусов (корпусные и бескорпусные), по условиям демонтажа (разборные и неразборные), по положению мембранных элементов (горизонтальные или вертикальные) и по режиму работы.
По способу укладки мембран используют разделительные элементы четырех типов: 1) аппараты с плоскими мембранными элементами; 2) аппараты с трубчатыми элементами; 3) аппараты с элементами рулонного типа; 4) аппараты с мембранами в виде полых волокон.
Пленочные мембраны входят в состав разделительного элемента и размещаются на пористой опоре-дренаже с подложкой. Иногда подложка играет роль опоры, и в этом случае мембраны размещаются с обеих сторон подложки.
Аппараты с плоскими мембранными элементами выпускают корпусными и бескорпусными, периферийными, с общим или отдельным из каждого элемента выводом пермеата. Элементы выполняют круглыми (эллиптическими) и квадратными. Недостатками аппаратов с эллиптическими элементами являются нерациональный раскрой мембран, опорных пластин, конструктивная и монтажная сложность.
Аппараты с трубчатыми мембранными элементами можно использовать для разделения систем (сред) со взвешенными частицами, где не требуется высокая степень предварительной очистки разделяемых систем. По конструкциям и способам изготовления элементы делят на три типа: 1) с подачей разделяемых сред внутрь трубки; 2) с подачей разделяемых сред снаружи трубки; 3) с подачей разделяемых сред одновременно внутрь и снаружи трубки.
Основными достоинствами трубчатых мембранных элементов являются 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 бескорпусном выполнении, компактность установки. К недостаткам устройств относятся малая удельная поверхность мембран (60-200 м2/м3) и повышенная точность при изготовлении дренажного каркаса. Каркасом обычно являются перфорированные металлические трубки, пористые трубки из керамических, металлокерамических, пластмассовых и графитовых композиций и стеклопластиков.
Аппараты с элементами рулонного типа (спиральные) имеют высокую удельную поверхность (300-800 м2/м3), малую металлоемкость, удобны при монтаже и демонтаже элементов. К недостаткам элементов можно отнести высокое гидравлическое сопротивление межмембранных каналов и сложность монтажа.
Аппараты с мембранами в виде полых волокон благодаря развитой удельной проницаемости и удельной поверхности (20-30 тыс. м2/м3) нашли широкое применение при разделении сред обратным осмосом и ультрафильтрацией. Полые волокна диаметром 45-900 мкм и толщиной стенки 10-50 мкм применяют в обратном осмосе, а диаметром 200-2000 мкм и толщиной 50-200 мкм - при ультрафильтрации.
В аппарате с параллельным расположением полых волокон (рис. 7) волокна собраны в один пучок спирально навитой нитью. Она же обеспечивает зазор между отдельными волокнами. Раствор может подаваться как вдоль поверхности полых волокон, так и по капиллярным каналам этих волокон.
Рис. 7 Аппарат с одним пучком параллельно расположенных полых волокон: 1 - корпус; 2 - сборник пермеата; 3 - трубная решетка, 4 - спиральная нить; 5 - волокно.
Недостатком таких аппаратов является малая интенсивность перемешивания раствора, жесткое крепление полых волокон в трубных решетках и, следовательно, трудность обработки растворов, содержащих взвешенные частицы.
Используемые в модулях мембраны должны обладать высокой разделяющей способностью (селективностью), высокой удельной производительностью (проницаемостью), прочностью и химической стойкостью к действию очищаемых сред. Из большого числа типов мембран можно выделить полимерные мембраны и мембраны с жесткой структурой. К мембранам с жесткой структурой относятся металлические, из пористого стекла, нанесенные и напыленные. Мембраны этого типа обладают высокой химической стойкостью.
Термическое сжигание. Термическое сжигание применяют для уничтожения высококонцентрированных сточных вод, содержащих минеральные или органические элементы. По этому методу сточные воды вводят в печь сжигания и испаряют при температуре 900-1000°С. Органические примеси сгорают до продуктов полного сгорания СО2, Н2О, NO2. Промышленные стоки, удельная теплота сгорания которых Qcг ≤ 8,4 МДж/кг, сгорают, как жидкое топливо. При Qcг < 8,4 МДж/кг для сжигания стоков требуется высококалорийное топливо. Теплоту сгорания сточных вод с органическими загрязнениями рассчитывают по формуле:
,
где сi - концентрация i-го компонента в стоках, моль/дм3; ρ - плотность сточной воды, кг/м3; Qiсг - удельная теплота сгорания i-го компонента, кДж/моль.
При неизвестном составе сточных вод Qcг, МДж/кг определяют по формуле:
Qcг = 12,75ХПК/ρ,
где ХПК - химическое потребление кислорода, г О2/дм3.
Дата добавления: 2016-05-26; просмотров: 1631;