книги / Расчёт и проектирование систем обеспечения безопасности.-1

– бентонит:

Cr3+ < Fe2+ < Ni2+ < Mn2+ < Zn2+ < Co2+ < Cu2+.

Клиноптилолит проявляет высокую селективность к крупным катионам одно- и двухвалентных металлов (Cs+, Rb+, К+, Ag+, Pb2+), для которых характерны отсутствие устойчивых гидратных оболочек и высокая поляризуемость.

Корганическим природным ионитам относят гуминовые кислоты почв и углей.

Синтетическими неорганическими ионитами являются силикагели, алюмосиликаты, оксиды и гидроксиды алюминия, хрома, циркония

идр. Наиболее перспективны для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов следующие катиониты:

– гранулированныефосфатыциркония, титана, хрома, железа, сурьмы;

– синтетические цеолиты;

– титано- и цирконосиликаты, обладающие молекулярно-ситовыми свойствами цеолитового уровня, высокой обменной емкостью и селективностью к ряду ионов;

– труднорастворимые соли поли- и гетерополикислот: фосформолибдаты, фосфорвольфраматы, вольфраматы, фосфорарсенаты и др.;

– смешанные ферроцианиды переходных и щелочных металлов (железа, меди, молибдена, никеля, титана и др.), способные к избирательной сорбции ионов рубидия, цезия, таллия из водных растворов;

– сульфиды и гидроксиды железа.

Корганическим синтетическим ионитам относятся ионообменные смолы – высокомолекулярные соединения, радикалы которых образуют пространственную сетку (каркас) с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами (чаще SO3H+, OH– ).

Реакции ионного обмена можно представить в виде:

1)приконтактескатионитом: 2RSO3H+ + MgCl2 (RSO3)2Mg + 2HCl,

2)при контакте с анионитом: ROH– + NaCl RCl + NaOH. Органические иониты способны набухать в воде, причем размеры

их пор увеличиваются от 0,5–1,0 до 4,0 нм, а объем ионита возрастает в 1,5–3 раза. Набухание связано с поглощением молекул воды в надмолекулярной структуре полимера и влияет на селективность ионита и кинетику ионного обмена.

Наиболее широкое использование в водоочистке находят следующие марки катионитов: КУ–1, КУ–2 и анионитов АВ–17-8, АН–31, обменная емкость которых составляет 4–10 мг-экв/г.

261

В качестве полифункционального катионита используются сульфоугли, содержащие в качестве ионогенных групп сульфогруппы, карбоксильные и фенольные группы. Их получают путем сульфирования (обработка олеумом при 110–140 ° С) каменных углей. Полная статическая обменная емкость по 0,1 M NaOH составляет 2,5–3,0 мг-экв/г, динамическая емкость – 0,75–0,96 мг-экв/г. Сульфоугли устойчивы к действию разбавленных растворов щелочей и кислот.

Анионит АВ–17-8 перспективен для очистки сточных вод от силикатов, нитратов, нитритов, анионных комплексов цветных и редких металлов, цианидов и др. АВ–17-8 – сополимеризационный сильноосновной монофункциональный анионит гелевой структуры, синтезируемый хлорметилированием сополимера стирола с 8%-ным дивинилбензолом с последующим аминированием триметиламином. Обменной является ОН-группа.

Селективность сильноосновных анионитов типа АВ–17 в ОН– форме имеет следующий вид: NH2CH2COO– < CH3COO– < HCO3– < F– < фенолят < < тартрат < цитрат < HCOO– < Cl– < NO2– < оксалат < PO43– < CrO42– < < NO3– < комплексоны< анионные ПАВ.

Активные угли благодаря наличию поверхностных функциональных групп обладают некоторыми ионообменными свойствами и способны извлекать из воды, например, цианидные комплексные ионы меди, серебра, цинка. Дополнительная обработка АУ азотной кислотой приводит к повышению катионообменной емкости сорбентов.

Полимерные иониты легко подвергаются регенерации, благодаря этому иониты могут быть использованы для очистки растворов многократно (до тысячи раз). Наиболее широкое распространение получила химическая регенерация с использованием растворов кислот (для катионитов), растворов щелочей (для анионитов), а также солей и органических растворителей. Теоретический расход регенерирующего агента (G) может быть определен по стехиометрической реакции в соответствии с обменной емкостью ионита. Практическое значение G зависит от концентрации регенерирующего раствора. С ее повышением многозарядные ионы предпочтительнее десорбируются из ионита в обмен на однозарядные ионы, например ионы Н+. Для обеспечения эффективной регенерации необходимо, чтобы концентрация регенерирующего раствора достигала и не превышала концентрации десорбируемых ионов в фазе ионита. Например, регенерация КУ–2 эффективно протекает при использовании 1–1,6 н раствора соляной или серной кислот, а также 30%-ного раствора NaCl.

262

Процесс ионообменной очистки сточных и природных вод осуществляется в основном в установках периодического действия, работающих в динамическом режиме. После насыщения, то есть полного исчерпания ионообменной емкости, ионит подвергают регенерации.

На продолжительность фильтроцикла большое влияние оказывают взвешенные и органические вещества, содержащиеся в сточной воде, поэтому ионный обмен применяется на последних стадиях очистки сточных вод после извлечения из них взвешенных веществ и органических соединений (биохимическая очистка и/или сорбционная очистка).

В практике очистки сточных вод наиболее широкое распространение получили надежные и простые в обслуживании высокопроизводительные фильтры с неподвижным слоем ионита с применением прямоточной, противоточной или ступенчато-противоточной регенерации. Фильтр загружается ионитом, высота слоя которого составляет 1,5–2,5 м (см. рис. 11.22, а). Для очистки воды методом ионного обмена применяют также фильтры с псевдоожиженным слоем, преимуществом которых является меньшая зависимость их эксплуатационных вод от концентрации взвешенных веществ в сточной воде (рис. 11.22, б).

Рис. 11.22. Ионообменные фильтры периодического действия: а – с неподвижным слоем ионита; б – с псевдоожиженным слоем ионита; 1 – сточная вода; 2 – очищенная вода; 3 – промывная вода

263

Расчет динамических ионообменных характеристик (максимальный объем раствора, очищаемый до заданной остаточной концентрации, рабочая динамическая емкость слоя высотой Н при заданной скорости фильтрации) осуществляют на основе теории Шилова.

Методика расчета адсорберов и ионообменных фильтров

Цель расчета – определение основных размеров адсорбера (диаметра и высоты слоя сорбента), продолжительности стадий адсорбции и регенерации, числа адсорберов, при котором может быть обеспечена циклично-непрерывная работа всей установки.

Исходными параметрами для технологического расчета адсорберов служат:

–расход и состав исходной смеси;

–свойства сорбента;

–условия, при которых должны протекать стадии адсорбции и регенерации;

–предельно допустимая концентрация в очищенном потоке (концентрация проскока).

Диаметр адсорбера

Поперечное сечение адсорбера и, следовательно, его диаметр при проектировании аппарата цилиндрической формы определяются выбором скорости движения жидкости. Допустимую скорость можно рассчитать по формуле, полученной на основе технико-экономического анализа работы адсорберов,

Высота слоя адсорбента

Продолжительность T полного цикла в адсорбере с неподвижным слоем адсорбента или ионита складывается из времени собственно ад-

264

сорбции, времени десорбции, времени промывки или сушки и охлаждения адсорбента.

Приближенно продолжительность собственно процесса адсорбции или ионного обмена можно определить, исходя из средней емкости адсорбента:

где τ – время защитного действия слоя; τ0 – потеря времени защитного действия слоя; L – высота слоя адсорбента; k – коэффициент защитного действия слоя (мин/см).

Значение k определяется по формуле

где А – равновесная статическая емкость адсорбента, при концентрации С0 определяемая из изотермы адсорбции (мг/см3 или г/м3); ω – линейная скорость фильтрации (см/мин или м/мин); С0 – исходная концентрация

(мг/см3, г/м3).

Коэффициент защитного действия слоя характеризует время перемещения зоны массопереноса на единицу длины слоя сорбента. u = 1/k отражает скорость движения зоны массопереноса:

265

Уравнение Шилова позволяет определить время работы слоя адсорбента любой длины L > L0 по экспериментально установленным величинам k0 и τ0.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные сооружения для физико-химической очистки сточных вод.

2.Какие процессы протекают при флотационной очистке сточных вод от эмульгированных примесей?

3.Какие факторы влияют на эффективность флотации? Назовите виды флотации.

4.Какие исходные данные необходимы для расчета флотационных установок?

5.Для каких целей используется коагуляционная очистка сточных вод?

6.Какие коагулянты используются в практике очистки сточных вод. Как определяется оптимальная доза коагулянта?

7.Рассмотрите основные операции, проводимые при коагуляционной очистке сточных вод?

8.Какие исходные данные необходимы для расчета блока коагуляционной очистки сточных вод?

9.Для каких целей применяются адсорбционные методы очистки сточных вод? Какие сорбенты применяются в практике водоочистки. Каковы критерии выбора адсорбента для очистки.

10.Какие факторы влияют на эффективность сорбционной очистки сточных вод в фильтрах с неподвижным слоем сорбента?

11.Рассмотрите технологические схемы адсорбционной очистки сточных вод?

12.Для каких целей применяются ионообменные методы очистки сточных вод. Приведите примеры органических и неорганических ионитов.

13.Рассмотрите основные способы регенерации ионитов.

14.Каковы основные параметры, рассчитываемые при проектировании фильтров с неподвижным слоем сорбента или ионита?

266

11.3. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СООРУЖЕНИЙ ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

При биохимической очистке сточных вод деградация органических примесей происходит в результате жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий и простейших). Метод основан на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов.

Очистку сточных вод биохимическими методами осуществляют

вследующих видах сооружений:

–аэротенках, где процесс протекает в результате взаимодействия воды с микроорганизмами активного ила, находящегося в сооружении во взвешенном или иммобилизованном состоянии;

–биофильтрах, где происходит взаимодействие органических загрязняющих веществ сточных вод с биопленкой, формирующейся на загрузке аппарата;

–биологических прудах, в которых воспроизводятся процессы самоочищения водоемов.

11.3.1. Аэротенки

Технологические характеристики работы аэрационных сооружений следующие:

1.Доза активного ила ai – количество активного ила в единице объема иловой смеси, г/л. Доза активного ила зависит от нагрузки на ил

исоставляет в среднем 2–5 г/л.

2.Нагрузка на активный ил qi – это количество загрязнений, поданных в аэротенк в пересчете на единицу активного ила за час, мг

БПКполн/(г·сут),

где Len – БПКполн, поступающей в аэротенк сточной воды, мг/л; s – зольность активного ила; tat – длительность аэрации, ч.

3. Удельная скорость окисления загрязнений ρ – величина снятой БПКполн (т.е. разница между поступающей в аэротенк и выходящей из него БПКполн сточной воды), отнесенная к массе ила и длительности аэрации, мг БПКполн/(г·ч):

267

где Lex – БПКполн сточной воды на выходе из аэротенка, мг/л. При полной биологической очистке значение Lex составляет 15–20 мг/л.

Нагрузка на ил и удельная скорость окисления связаны между собой. При высоких нагрузках на активный ил он может с ней не справиться и требуемое качество очистки не будет обеспечено. Если, наоборот, нагрузка на ил мала, то ил будет испытывать недостаток питания,

ипоэтому могут произойти самоокисление активного ила и падение рабочей дозы ила в аэротенке.

Различают аэротенки с высокими нагрузками – свыше 500 мг БПКполн/(г·сут), средними нагрузками в пределах 150–500 мг БПКполн/(г·сут)

инизконагруженные – в пределах 65–150 мг БПКполн/(г·сут). При на-

грузках менее 65 мг БПКполн/(г·сут) имеет место так называемая «продленная аэрация».

4. Иловый индекс Ji – объем, который занимает 1 г сухого вещества активного ила после 30-минутного отстаивания иловой смеси, см3/г. Этот показатель характеризует седиментационную способность активного ила. Хорошо оседающий активный ил имеет индекс от 60–90 до 120–150 см3/г. Перегрузка или недогрузка активного ила приводит

крезкому увеличению илового индекса («вспухший ил»).

5.Возраст активного tа – продолжительность его пребывания в аэрационнойсистеме, сут.

Технологические схемы очистки сточных вод в аэротенках

Одноступенчатая схема без регенерации

По этой схеме (рис. 11.23) активный ил подается сосредоточенно вместе со сточной водой на вход в аэротенк. Получаемая иловая смесь в условиях аэрации протекает к выходу из аэротенка и далее на вторичный отстойник, в котором происходит ее разделение на очищенную воду и активный ил. Активный ил далее разделяется на избыточный и циркуляционный, последний возвращается в аэротенк. Особенностью этой схемы является, во-первых, снижение нагрузки на активный ил по длине аэротенка; во-вторых, снижение потребности активного ила в кислороде по длине; в-третьих, по гидравлическому режиму аэротенк является вытеснителем.

268

Двухступенчатая схема без регенерации

Такая схема (рис. 11.25) целесообразна при высокой концентрации органических веществ в сточной воде, а также при наличии в ней веществ, скорость окисления которых резко отличается. В аэротенках каждой ступени развивается активный ил, наиболее адаптированный к данным условиям.

Рис. 11.25. Двухступенчатая схема очистки в аэротенках без регенерации: 2 и 2а – аэротенки I и II ступени; 3 и 3а – вторичный отстойник I и II ступени; 4 и 4а – очищенная вода после I и II ступени; 5 и 5а – циркуляционный активный ил I и II ступени; 6а – избыточный активный ил II ступени

Разновидностями такой схемы является схема с регенераторами на каждой ступени, а также схема с перекрестной подачей циркуляционного активного ила (ил со ступени I подается на аэротенк II ступени, а ил со II ступени направляется в аэротенк I ступени).

Классификация аэротенков по гидравлической схеме работы и нагрузке

По гидравлической схеме работы аэротенки делятся на следующие типы (рис. 11.26):

–аэротенки-вытеснители (схема I) – сооружения с сосредоточенным впуском воды и активного ила в них и со снижающейся нагрузкой на активный ил вдоль сооружения. Такой вид аэротенка позволяет обеспечить высокое качество очистки, однако чувствителен к резким колебаниям расхода и состава стоков;

–аэротенки-смесители (схема II) с подводом воды и активного ила равномерно вдоль одной из длинных сторон аэротенка. По всему объему аэротенка наблюдается одинаковая нагрузка на активный ил. Достоинством аэротенка-смесителя является сглаживание залповых нагрузок на активный ил;

270