Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод
.pdf
Рост полимеризационного иона приводит к формированию на первой стадии гидроксидов металлов с аморфной структурой, которые кристалли зуются на последующих стадиях.
Гальваногенерированный оксигидрат железа, представляющий собой смесь рентгеноаморфной и кристаллических фаз, состоит из двух модифи каций гидроксида железа (III) и гетита с преимущественным преобладани ем гидролспидокрита.
При достижении в растворе мольного соотношения Fe(III) Fe(II) = = 3 1 образуется магнетит: Fe2+ + 2Fe3+ + 80Н~ = РезС>4 + 4Н2О.
Взаимодействие формирующейся твердой фазы с примесями воды может происходить по механизмам гетерокоагуляции и гомокоагуляции частиц примесей за счет изменения ионной силы раствора, pH, Eh.
Гетерокоагуляция протекает при взаимодействии разноименно заря женных частиц, притяжение частиц происходит в большей мере за счет ионно-электростатических сил, энергия которых значительно превышает энергию межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса, и возрастает с увеличе нием радиуса частиц.
Гомокоагуляция частиц протекает при очень низких значениях pH (<3) или при высоких (>11), а также при достаточно высоких концентраци ях иона металла (0,2 моль/дм3).
Исходя из вышесказанного, целесообразно во всех случаях создавать условия для формирования частиц твердой фазы, имеющих разноименный знак с частицами примесей воды.
Полнота, скорость протекания процесса окисления анодных состав ляющих гальванопар, состав продуктов будут зависеть от правильно вы бранных значений pH исходного раствора.
Установлено, что для создания оптимального режима процесс дол жен проходить в две стадии: 1 - активизация окисления анодных участ ков; 2 - непосредственно гальванокоагуляция. На первой стадии значение pH должно поддерживаться в интервале 3,5-4,5; на второй - 7,5-9,0, что будет способствовать созданию необходимого значения ЭДС гальванопар.
3.3. Основные технологические схемы и аппаратура для обработки воды коагуляцией и флокуляцией
На стадию коагуляции и флокуляции поступают воды, прошедшие предварительную механическую очистку от грубодисперсных примесей.
Очистка сточных вод коагуляцией и флокуляцией включает в себя следующие процессы: приготовление водных растворов коагулянта и флокулянта, их дозирование, смешение растворов со сточной водой, хлопьеобразование и выделение хлопьев из воды (отстаивание).
Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесите лях. Применяют перегородчатые, дырчатые, а также механические смеси тели с пропеллерными или лопастными мешалками.
Процесс хлопьеобразования осуществляют в сооружениях смешения. В практике очистки сточных вод применяют следующие типы камер: пере городчатые, водоворотные, с механическим перемешиванием. В перего родчатых камерах вода протекает по нескольким последовательно соеди ненным коридорам. Скорость движения воды 0,2-0,3 м/с. Общее время об работки 20-30 мин. Водоворотные (вихревые) камеры представляют собой конический резервуар, в который снизу поступает сточная вода. По мере движения воды снизу вверх скорость ее снижается, что обеспечивает фор мирование плотных хлопьев.
Вкамерах с механическим перемешиванием применяют горизон тальные или вертикальные лопастные мешалки. Продолжительность пре бывания сточной воды 20-30 мин, скорость движения 0,15-0,2 м/с.
Осветление воды производится в горизонтальных и вертикальных отстойниках, осветлителях со взвешенным слоем осадка, а также в камерах
стонкослойным отстаиванием.
Втехнологии очистки воды используют разные схемы коагулирова ния - непрерывное, непрерывное с возвратом части осадка, раздельное и периодическое (рис. 3.3).
в
Рис. 3.3. Технологические схемы коагулирования сточных вод: а - непрерывное коагу лирование; б - непрерывное с рециркуляцией части осадка; в - раздельное: 1, 5 - по дача сточной воды; 2 - смеситель; 3 - камера хлопьеобразования; 4 - отстойник; 6 - по дача реагентов; 7 - отвод осадка
При непрерывном коагулировании (см. рис. 3.3, а) раствор коагулян та непрерывно подают в смеситель со сточной водой. В этом случае эф фективность очистки будет зависеть от системы управления процессом, г.к. на процесс будет оказывать влияние изменяющийся состав сточной
воды.
Рециркуляция части скоагулированных |
примесей и осадка (см. |
рис. 3.3., 6) способствует ускорению процесса и |
образованию более плот |
ных хлопьев.
Введение реагентов в небольшой объем очищаемой воды, а затем смешение с остальной частью интенсифицирует и стабилизирует процесс коагуляции (см. рис. 3.3, в).
При проведении процесса реагентной коагуляции образуется шлам - осадок гидроксидов железа (алюминия) с осажденными на нем дисперс ными и коллоидными примесями сточных вод, который подлежит утили зации или захоронению.
Процесс электрокоагуляции осуществляют в электрокоагуляторах с пластинчатыми или стружечными электродами. Технологическая схема очистки воды методом электрокоагуляции представлена на рис. 3.4. Ос новной элемент пластинчатого электрокоагулятора - набор железных или алюминиевых пластин, в зазорах между которыми протекает обрабатывае мая вода или раствор электролита. Подключение пластин электродного па кета к источнику тока может быть параллельным или последовательным. В первом случае все электроды действуют как монополярные, во втором - промежуточные пластины работают биполярно. Последовательное под ключение имеет ряд важных преимуществ перед параллельным: оно по зволяет работать при меньшей плотности тока.
Помимо электрокоагуляторов с пластинчатыми электродами, для очистки воды применяют коагуляторы со стружечными электродами - от ходом металлообработки.
Рис. 3.4. Технологическая схема очистки методом электрокоагуляции: 1 - сборникусреднитель; 2 - электрокоагулятор; 3 - разделительная камера; 4 - бункер осадка
Преимущество металлической стружки состоит в большей площади поверхности. По нарушение электроконтактов в местах соприкосновения стружек и закупоривание пор продуктами гидролиза приводят к быстрому
нарастанию сопротивления. Возрастание напряжения на клеммах стружеч ного электролизера связано главным образом с нарушением контакта меж ду стружечным пакетом и токоподводящей анодной пластиной, а также газонаполнением пор. Разделение стружки на отдельные слои перфориро ванными прокладками из диэлектрика (с протоком воды через них) позво ляет в значительной степени стабилизировать напряжение и добиться не которого снижения энергетических затрат. Для снижения энергетических затрат при анодном растворении железа целесообразно добавление к обра батываемой воде хлорида натрия, который выполняет функцию депассиватора и увеличивает электропроводность воды.
Несмотря на перечисленные особенности, метод электрокоагуляции обладает рядом преимуществ по сравнению с реагентной коагуляцией: компактность установок, отсутствие необходимости в реагентах, эконо мичность, простота обслуживания. Недостатком метода является повы шенный расход металла, а также электроэнергии вследствие образования оксидной пленки на поверхности электродов.
Метод гальванокоагуляции не требует затрат электроэнергии на анодное окисление металла и привлекает своей универсальностью, эконо мичностью, простотой аппаратурного оформления, относительно малыми габаритами оборудования, высокой удельной производительностью, деше визной используемых реагентов, простотой утилизации образующихся твердофазных отходов, отсутствием сопутствующих выбросов вредных веществ в атмосферу.
Блок-схема установки для очистки воды методом гальванокоагуля ции представлена на рис. 3.5. Установка включает в себя блоки гидромеха нической очистки 1 и 4, гальванокоагуляционный блок 2 и реакционный блок коррекции pH 3.
Рис. 3.5. Блок-схема установки для очистки воды методом гальванокоагуляции: У, 4 - блок гидромеханической очистки; 2 - гальванокоагуляционный блок; 3 - реакционный блок коррекции pH; 5 - сточная вода; 6 - взвесь на утилизацию; 7 - сопутствующая жидкая фракция на утилизацию; 8 - гальванопары; 9 - воздух; 10 - отработанные реа генты; 11 - воздух и водород в атмосферу; 12 - реагенты; 13 - взвесь на утилизацию
Для гидромеханической очистки в зависимости от состава сточной воды могут быть использованы фильтры различных типов, отстойники и сепараторы, гидроциклоны, отстойные центрифуги, осветлительные и раз делительные центрифуги и др. Гальванокоагуляционный блок 2 состоит из гальванокоагулятора, оснащенного системой управления. В качестве ос новных аппаратов реакционного блока коррекции pH используются ком бинации дозаторов с реакторами или смесителями различных типов.
Для очистки сточных вод используются следующие основные типы гальванокоагуляторов:
1. Проточные аппараты барабанного типа с непрерывным режи мом очистки растворов. Схема конструкции аппарата показана на рис. 3.6. Гальванокоагулятор представляет собой цилиндрическую обечайку'V, ус тановленную на раме 2 и способную вращаться относительно горизонталь ной оси. Аппарат оснащен устройствами для ввода сточной воды и вывода очищенного раствора, электродвигателем с приводом 4.
Рис. 3.6. Схема конструкции гальванокоагулятора барабанного типа (КБ): 1 - обечайка; 2 - рама; 3 - скребки; 4 - электродвигатель с приводом
За счет постоянного перемешивания наполнителя (элементы, состав ляющие гальванопару) в аппаратах реализуется противоточное взаимодей ствие обрабатываемого раствора с наполнителем; предотвращается пасси вация поверхности элементов гальванопары, благодаря чему увеличивает ся степень очистки; уменьшается вероятность цементации наполнителя, создаются благоприятные условия для осуществления операций загрузки и выгрузки наполнителя.
2. Устройства в виде вертикальной цилиндрической колонны с на полнителем, патрубками ввода и вывода стоков и воздуха. На рис. 3.7 представлена схема конструкции простейшего гальванокоагулятора ко лонного типа, работающего в режиме орошения и заполнения.
Исходный
раствор
Рис. 3.7. Схема конструкции гальванокоагулятора колонного типа: 1 - обечай ка; 2 - днище; 3 - ложное днище; 4 - наполнитель; 5 - оросительный элемент; б - газораспределительное устройство; 7 - ограничительная решетка
Аппарат содержит цилиндрическую обечайку 7, днище 2, ложное днище 3, на котором располагается наполнитель 4, патрубки подачи ис ходного и вывода очищенного растворов, оросительный элемент 5, патру бок подачи воздуха на аэрацию, газораспределительное устройство б, ог раничительную решетку 7.
Достоинствами гальванокоагуляторов данного типа являются: про стота конструкции и обслуживания; возможность обеспечения условий хо рошей аэрации в рабочей зоне процесса; высокая сходимость результатов очистки в лабораторных и промышленных условиях (ввиду практически полного соответствия гидродинамических характеристик аппарата модели аппарата идеального вытеснения), а также возможность установки мест ных вытяжных устройств для удаления выделяющегося водорода.
К недостаткам аппарата относятся: возможность пассивации поверх ности частиц элементов наполнителя, образующих гальванопару; прямо точное взаимодействие обрабатываемого раствора с наполнителем, при ко тором наиболее загрязненный раствор контактирует со свежим (активным) наполнителем; высокая вероятность цементации наполнителя.
На рис. 3.8 представлено устройство для гальванохимической обра ботки сточных вод в виде цилиндрической трубы, подвешенной на пружи нящихся подвесках. Труба заполнена контактными элементами. Благодаря пружинящим подвескам происходит перемешивание сточной воды с на полнителем.
Рис. 3.8. Устройство в виде цилиндрической трубы для гальванохимической обработки сточных вод: 1 - труба, наполненная гальванопарой; 2 - пружинящиеся подвески; 3,5 - патрубки для ввода и вывода воды; 4 - решетка; б - перфорированная труба для воздуха; 7 ,8 - люки; 9 - пру жины; 10- вибратор; 11 - мотор
1
IСточная вода
Рис. 3.9. Схема конструкции гальванокоагулято ра пульсационного типа: 1 - корпус; 2 - гофри рованные вставки; 3 и 6 - нижняя и верхняя ог раничительные решетки; 4 - устройство для по дачи и распределения воздуха; 5 - наполнитель;
7 пульсационная камера
3. Устройства для очи- стки сточных вод с пулъсационной камерой и различным размещением подачи воздуха, с возможностью поворота их на 180° Конструкция гальва нокоагулятора пульсационного типа (КПТ), представлена на рис. 3.9. Аппарат состоит из корпуса 1, оснащенного патрубками ввода и вывода обрабатываемой жидкости, пульсационной камерой 7, устройством для подачи и распределения воздуха 4, на полнителем 5, размещенным между нижней 3 и верхней 6 ограничительными решетка ми, и вертикальными встав ками в виде гофрированных полос 2.
Аппарат может работать как в режиме орошения, так и в режиме за полнения. Исходный раствор, подлежащий очистке, поступает в корпус 1 через входной патрубок, заполняя внутренний объем корпуса и взаимодей ствуя с наполнителем 5. При этом через газораспределительное устройство 4 в корпус 1 под избыточным давлением подают воздух, что способствует увеличению степени очистки. В пульсационной камере 7 периодически создают избыточное давление, под воздействием которого часть жидкости вытесняется из пульсационной камеры и, распределяясь в кольцевом про странстве между пульсационной камерой и обечайкой корпуса, взрыхляет наполнитель 5, перемещая его от нижней ограничительной решетки 3 к верхней ограничительной решетке 6. При снятии избыточного давления в камере 7 поток жидкости устремляется из кольцевого пространства внутри корпуса 1 в камеру 7, увлекая частицы наполнителя в обратном направле нии, т. е. от решетки б к решетке 3. В результате таких колебаний и столк новений частиц наполнителя 5 с гофрированными вставками 2 происходит непрерывное обновление диффузионного пограничного слоя на поверхно сти частиц наполнителя, благодаря чему увеличивается эффективность массообменных процессов между твердой и жидкой фазами, а следова тельно, возрастает эффективность очистки. Очищенный раствор выводится из аппарата через верхний патрубок. Различие работы КПТ в режимах орошения и заполнения заключается лишь в том, что исходный раствор подается в аппарат через верхний патрубок, а очищенный раствор выво дится из гальванокоагулятора через нижний. Пульсационные воздействия жидкой среды предотвращают процессы пассивации поверхности элемен тов гальванопары и препятствуют возникновению цементационных эффек тов в наполнителе.
Благодаря тому, что гидродинамические характеристики рассматри ваемого аппарата отвечают требованиям модели аппарата идеального вы теснения, обеспечивается высокая сходимость результатов лабораторных исследований и эксплуатации в промышленных условиях. Габариты КПТ производительностью не менее 10 м3/ч по обрабатываемой жидкости составляют: D < 1,2 м; Я < 2 м.
4. Гальванохимические флотаторы. Конструкция представлена на рис. 3.10.
Очищаемые воды одновременно контактируют с развитой поверхно стью пузырьков газа и интенсивно циркулируют через короткозамкнутый гальванический элемент. При этом отпадает необходимость перемещения всей рабочей массы, достаточно движения очищаемого раствора и газовых пузырьков в гальваническом элементе. Для дальнейшего упрощения про цесса он может быть осуществлен во флотаторе любого типа с помещен ным в него короткозамкнутым гальваническим элементом при обеспече
нии условий циркуляции раствора и за щиты ее движущихся частей от попадания крупнозернистых частиц гальванической пары.
|
В |
гальванохимическом |
флотаторе |
|
|
сочетаются одновременно два процесса - |
|||
|
гальванохимическая очистка сточных вод |
|||
|
и флотация гидрофобных примесей, ПАВ, |
|||
|
нефтепродуктов благодаря |
пузырькам |
||
|
воздуха, |
образовавшимся в |
результате |
|
|
пульсации сжатого воздуха через диспер |
|||
|
гатор, наполненный |
диспергированным |
||
|
материалом. |
|
|
|
Рис. 3.10. Аппарат для гальвано |
3.4. Применение метода коагуляции |
|||
для очистки фильтрационных |
||||
флотации сточных вод: 1 - диспер |
|
вод полигонов ТБО |
|
|
гатор; 2 - подача воздуха; 3 - пат |
|
|
||
|
|
|
|
|
рубок вывода очищаемых вод; 4 - |
Выбор метода коагуляции для очи |
|||
приемник пенного продукта; 5 |
||||
патрубок ввода сточных вод; б - |
стки ФВ обусловлен содержанием в них |
|||
загрузочная воронка для гальвано |
мелкодисперсных примесей, окрашенных |
|||
пары; 7 - разгрузка пенного про |
коллоидных и высокомолекулярных орга |
|||
дукта |
нических соединений, |
гуминовых и по |
||
|
||||
верхностно-активных веществ. Цветность фильтрата зависит от содержа ния коллоидных высокомолекулярных органических веществ гумусовой природы, продуктов их взаимодействия. Известно, что эти частицы заря жены отрицательно, что приводит к возникновению межмолекулярных сил отталкивания и их агрегативной устойчивости, снижение которой возмож но в процессах коагуляции при взаимодействии с положительно заряжен ными гидратированными и комплексными ионами железа (II, III) или алю миния (III), а также под действием ионно-электростатических сил, возни кающих в элекгрохимических процессах.
Реагентная коагуляция. ФВ, образующиеся на стадии ацетогенеза, характеризуются высоким содержанием высокомолекулярных соединений, окрашенных примесей (цветность более 300 °Ц). Величина ХПК 6000070000 мг О/дм
При использовании коагулянтов и флокулянтов (сульфата алюминия и полиакриламида) степень очистки ФВ от взвешенных веществ составля ет 95-98 %, от коллоидных окрашенных веществ - 80-85 % по цветности и 56 % по ХПК. Необходимая доза коагулянта - 20-25 г/л, или 38,9 г/л в пересчете на оксид алюминия. При остаточной концентрации