Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов - файл n3.doc

приобрести
Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов
скачать (1101.6 kb.)
Доступные файлы (7):
n1.doc493kb.08.07.2005 14:51скачать
n2.doc613kb.07.07.2005 22:03скачать
n3.doc916kb.07.07.2005 22:21скачать
n4.doc574kb.08.07.2005 16:35скачать
n5.doc590kb.07.07.2005 22:56скачать
n6.doc352kb.08.07.2005 16:23скачать
n7.doc67kb.14.05.2005 15:34скачать

n3.doc

1   2   3

5.7. Электродиализ



Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Процесс очистки сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод. В последнее время его начали применять и для очистки промышленных сточных вод.

Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых состоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру заливают раствор, а в боковые, где расположены электроды, – чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щёлочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю.

В простейшем электродиализаторе имеются две мембраны. Одна из них – анионообменная – пропускает в анодную зону анионы. Другая мембрана – катионообменная – расположена со стороны катода и пропускает катионы в катодное пространство. Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными: 100-200 камер с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току. Электродиализатор (рис. 1.45) разделён чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры.

Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («–»), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (например, четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер.

Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямоугольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и порошка ионообменных смол (табл. 1.6).

Электродиализные аппараты бывают двух типов: прокладочные и лабиринтные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000х200, «Родник-3») имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная способность 2-20 м3/ч. Электродиализаторы лабиринтного типа (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная

способность 1-25 м3/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов - для сточных вод с концентрацией солей 3-8 г/л. Во всех конструкциях электродиализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платинированного титана. Для эффективной работы аппаратов большое значение имеет промывка электродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разрушения продуктами электролиза.

Таблица 1.6

Марка

Толщина, мм

Ионообменная емкость, мг-экв/г

Селективность в 0,1 % растворе NaCl

Электрическое сопротивление на 1 м площади поверхности мембраны, Ом

Прочность на разрыв, МПа

удельное

поверхностное

Анионитовые мембраны

МА40

0,5-0,7

3-4,4

0,94

200-250

12-17

12-13

МА-100

0,3

2-2,3

0,97

150-180

3,5-6

12-14

А4

0,6

3,5

0,93







РМА

0,1

5

0,96

104

1

8

Катионитовые мембраны

МК40

0,4-0,7

2,3-2,5

0,96

180-203

9,8-16,2

12-15

МК-100

0,3

2,5-2,8

0,97

120-150

2,4-5

12-15

К-2

0,6-0,7

2

0,96







РМК-10

0,3

1,9

0,86

208

6,3

13

Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды; 2) собственно электродиализ ной установки; 3) кислотного хозяйства и системы сжатого воздуха; 4)фильтров, загруженных активированным углем БАУ или АГ-3, и бактерицидных установок. Технологические схемы бывают следующих типов – прямоточные, циркуляционные порционные, циркуляционные непрерывного действия.

Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллельно проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от исходного до заданного за один проход.

Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем частично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень обессоливания.
Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рис. 1.46), в которых часть сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в резервуар очищенной воды. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. Каждая из указанных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недостатки, и их выбор производится на основании технико-экономических расчетов. Исходными параметрам и для расчета являются: конкретные местные условия, пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточных вод. Например: при суточном расходе сточных вод более 300-500 м считается рациональным применение технологических схем прямоточного типа.




При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100-200 камер) с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току.

Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой порошок ионита, смешанный со связующим веществом – каучуком, полистиролом, метилмер-каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины.

Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1-2 мм. Во избежание засорения мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке 1 м сточной воды, содержащей в 1 л 250 мг примесей, до остаточного содержания солей 5 мг составляет 7 кВт/ч. С увеличением содержания солей в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению показателей очистки.

6. Химические методы очистки сточных вод



К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов, поэтому дороги. К окислительным методам также относится электрохимическая обработка. Их применяют для удаления растворимых веществ и в замкнутых системах водоснабжения. Химическая очистка может применяться как самостоятельный метод перед спуском сточных вод в водоем (или подачу сточных вод в систему оборотного водоснабжения). Химическую очистку проводят иногда как предварительную перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточных вод. Химическая обработка находит применение и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. Предпочтение химическим методам отдается при локальной очистке производственных сточных вод.

6.1. Нейтрализация



Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН = 6,5-8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с рН менее 6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водоемов, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса производственных сточных вод в водоем или городскую канализацию, следует, что большую опасность представляют кислые стоки, которые встречаются к тому же значительно чаще, чем щелочные (количество сточных вод с рН > 8,5 невелико). В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделить из этих вод.

Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединении. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях: Н++ОН = Н2О. В результате концентрация каждого из этих ионов становится равной той, которая свойственна самой воде (около 10–7), т.е. активная реакция водной среды приближается к рН = 7.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. Выбор метода нейтрализации зависит от объема и концентрации сточных вод от режима их поступления, наличия и стоимости реагентов. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки, количество которых зависит от концентрации и состава сточных вод, а также от вида и расхода используемых реагентов. Применяют следующие способы нейтрализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (нейтрализация смешением); нейтрализация путем добавления реагентов, фильтрование через нейтрализующие материалы; нейтрализация кислыми дымовыми газами.

Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов, например, вида и концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды; расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию; наличия реагентов; местных условий и др.

Нейтрализация смешением. Этот метод применяют, если на одном предприятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в емкости с мешалкой и без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут воздухом (рис. 1.47) при его скорости в линии подачи 20-40 м/с.
При переменной концентрации сточных вод в схеме предусматривают установку усреднителя или обеспечивают автоматическое регулирование подачи в камеру смешения. Расчет соотношения сточных вод, направляемых в камеру смешения, проводят по стехиометрическим уравнениям.

При избытке кислых или щелочных сточных вод добавляют соответствующие реагенты. Принципиальная схема водно-реагентной нейтрализации приведена на рис. 1.48. Нейтрализованную воду используют в производстве, а осадок обезвоживают на шламовых площадках или вакуум-фильтрах.




Нейтрализация путем добавления реагентов. Если на промышленном предприятии имеются только кислые или щелочные воды или невозможно обеспечить их взаимную нейтрализацию применяется реагентный метод нейтрализации. Этот метод наиболее широко используется для нейтрализации кислых сточных вод. Выбор реагента зависит от вида кислот, их концентрации, растворимости солей, образующихся в результате химической реакции.

Для нейтрализации минеральных кислот применяется любой щелочной реагент, чаще всего известь-пушонка, известковое молоко, карбонаты кальция и магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны, но имеют ряд недостатков: обязательно устройство усреднителей перед нейтрализационной установкой; затруднительно регулирование дозы реагента по рН нейтрализованной водой; сложное реагентное хозяйство.

Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии относительно невелика и зависит от размеров частицы и растворимости образующегося в результате реакции нейтрализации соединения. Поэтому окончательная активная реакция устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени – 10-15 мин. Сказанное выше относится к сточным водам, содержащим сильные кислоты (H2SO4, H2SO4), кальциевые соли которых труднорастворимы в воде.

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту (H2SO4), реакция в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:

H2SO4+Ca (OH)2 = CaSO4+2H2O,

H2SO4+CaCO3=CaSO4+CO2.

Образующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов в виде CaSO4·2H2O. Растворимость этой соли при температуре 0-40 0С колеблется от 1,76 до 2,11 г/л.

При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является образование пресыщенного раствора гипса (коэффициент пресыщения может достигать 4-6), выделение которого из сточной воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пресыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.

Для уменьшения коэффициента пресыщения используется метод рециркуляции образующегося в результате нейтрализации осадка сульфата кальция. Концентрация ионов кальция в сточной воде уменьшается при увеличении дозы рециркулирующего осадка: продолжительность перемешивания этой воды должна быть не менее 20-30 мин. Для уменьшения зарастания трубопроводов, по которым транспортируются нейтрализованные известью сернокислотные стоки, применяют методы промывки, увеличивают скорость транспортирования, а также заменяют металлические трубопроводы на пластмассовые.

Поскольку в кислых и щелочных сточных водах практически всегда присутствуют ионы тяжелых металлов, то дозу реагентов следует определять с учетом выделений в осадок тяжелых металлов.

Количество реагента, необходимого для нейтрализации сточных вод определяется по формуле



где k – коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим k = 1,1 – для известкового молока, k = 1,5 – для известкового теста и сухой извести; В – количество активной части в товарном продукте, %; Q – количество сточных вод подлежащих нейтрализации, м3; а – расход реагента для нейтрализации (табл. 1.7), г/кг

Таблица 1.7
Расход реагентов для нейтрализации 100 % кислот и щелочей

Щелочь, кг

Кислоты

Серная

Соляная

Азотная

Уксусная

Известь:

негашеная

гашеная


0,56/1,79

0,76/1,32


0,77/1,3

1,01/0,99


0,46/2,2

0,59/1,7


0,47/2,15

0,62/1,62

Сода:

кальцинированная

каустическая


1,08/0,93

0,82/1,22


1,45/0,69

1,1/0,91


0,84/1,19

0,64/1,57


0,98/1,14

0,67/1,5

Аммиак

0,35/2,88

0,47/2,12

0,27/3,71



При нейтрализации кислых и щелочных сточных вод содержащих соли тяжелых металлов, количество реагента будет определяться по формуле



где С1, С2,...,Сn – концентрации металлов в сточных водах, кг/м; b1, b2,...,bn, – концентрации реагентов, требуемых для перевода металла из растворенного состояния в осадок (табл. 1.8), кг/кг.

Таблица 1.8

Расход реагентов, требуемых для удаления металлов

Металл

Реагент

СаО

Са(ОН)2

Na2CO3

NaOH

Цинк

0,85

1,13

1,6

1,22

Никель

0,95

1,26

1,8

1,36

Медь

0,88

1,16

1,66

1,26

Железо

1

1,32

1,9

1,43

Свинец

0,27

0,36

0,51

0,38

Например, при нейтрализации гашеной известью сточных вод, поступающих после травления черных металлов серной кислотой происходят следующие реакции:

с серной кислотой: H2SO4+ Са(ОН )2 = CaSO4+ 2H2O

98 74 136 36

с сульфатом железа: FeSO4+ Ca(OH)2 = CaSO4+ Fe(OH)2 152 74 136 90

На основании приведенных выше реакций или данных в табл. 1.7 и 1.8, а также по содержанию серной кислоты и железа в отработанных травильных растворах можно определить количество гашеной извести, необходимой для нейтрализации кислых сточных вод и осаждения железа



где А – содержание серной кислоты, кг/м3; С – содержание железа, кг/м3.

Количество сухого вещества, которое образуется при нейтрализации 1м3 сточной воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов, определяется по формуле



где М – масса сухого вещества, кг; В – содержание активного вещества в используемой извести, %; х1, х2 – количество активного вещества, необходимое соотвественно для осаждения металла и для нейтрализациии свободной серной кислоты, кг; х3 – количество образующихся гидроксидов металлов, кг; у1, у2 – количество сульфата кальция, образующиеся соответственно при осаждении металла и при нейтрализации свободной серной кислоты, кг.

Если значение третьего члена в приведенной формуле отрицательно, то он не учитывается.

Объем осадка, образующегося при нейтрализации сточной воды можно найти по уравнению



где Wвл – влажность осадка, %.

Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, КОН, Na2CO3. NH4OH (аммиачная вода), СаСО3. доломит (СаСО3. MgСО3 ) цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са(ОН)2 5-10 %. Соду и гидроксид натрия следует использовать, если они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации применяют различные отходы производства. Например, шлаки сталеплавильного, феррохромового и доменного производств используют для нейтрализации вод, содержащих серную кислоту.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывают, будет ли в процессе образовываться осадок или нет. Различают три вида кислотосодержащих сточных вод: 1) воды, содержащие слабые кислоты (Н2СО3, СН3СООН); 2) воды, содержащие сильные кислоты (НСl, HNO3). Для их нейтрализации может быть использован любой названный выше реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде; 3) воды, содержащие серную и сернистую кислоты. Кальциевые соли этих кислот плохо растворимы в воде и выпадают в осадок.

Известь для нейтрализации вводят в сточную воду в виде гидроксида кальция (известкового молока; «мокрое» дозирование) или в виде сухого порошка («сухое» дозирование). Схема установки для нейтрализации кислых вод известковым молоком показана на рис. 1.49.

Для гашения извести используют шаровые мельницы мокрого помола, в которых одновременно происходят тонкое измельчение и гашение. Для смешения сточных вод с известковым молоком применяют гидравлические смесители различных типов: дырчатые, перегородчатые, вихревые, с механическими мешалками или барботажные с расходом воздуха 5-10 м3/ч на 1 м2 свободной поверхности.


При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, известковым молоком в осадок выпадает гипс CaSO4·2H:2O. Растворимость гипса мало меняется с температурой. При перемещении таких растворов происходит отложение гипса на стенках трубопроводов и их забивка. Для устранения забивки трубопровода необходимо промывать их чистой водой или добавлять в сточные воды специальные умягчители, например гексаметафосфат. Увеличение скорости движения нейтрализованных вод способствует уменьшению отложений гипса на стенках трубопровода.

Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты или кислые газы. Метод реагентной нейтрализации кислых и щелочных сточных вод широко используется на предприятиях химической промышленности.

Нейтрализация кислых вод фильтрованием через нейтрализующие материалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, известняка, мела, мрамора, твердых отходов (шлак, зола) и др. Процесс ведут в фильтрах-нейтрализаторах, которые могут быть горизонтальными или вертикальными крупность фракций материала загрузки 3-8 мм. Для вертикальных фильтров используют куски известняка или доломита размером 30-80 мм. При высоте слоя материала 0,85-1,2 м скорость должна быть не более 5 м/с и зависит от вида загрузочного материала, а продолжительность контакта не менее 10 мин. У горизонтальных фильтров скорость течения сточных вод 1-3 м/с. Нейтрализация соляно- и азотнокислых, а также сернокислых сточных вод при концентрации серной кислоты не более 1,5 г/л происходит на непрерывно действующих фильтрах.

Применение таких фильтров возможно при условии отсутствия в кислых сточных водах солей металлов, поскольку при рН > 7 они будут выпадать в осадок в виде труднорастворимых соединений, которые полностью забивают поры фильтра. Ограничивается применение нейтрализующих фильтров при подаче на них сернокислых сточных вод с концентрацией серной кислоты более 1,5 г/л. В этом случае количество образующегося сульфата кальция превышает его растворимость ( << 2 г/л) и он начинает выпадать в осадок, который покрывает поверхность нейтрализующей загрузки, затрудняет доступ к ней кислоты, в результате чего нейтрализация прекращается.

Если загрузка выполняется из карбоната магния, это ограничение снимается, поскольку растворимость сульфата магния достаточно высока – 355 г/л (MgSO4·7H2O).

Нейтрализация кислыми газами. Для нейтрализации щелочных сточных вод в последнее время начинают использовать отходящие газы, содержащие СО2, SO2, NO2 и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективное очистку самих газов от вредных компонентов.

Использование для нейтрализации щелочных сточных вод диоксида углерода имеет ряд преимуществ по сравнению с применением серной или соляной кислот позволяет резко снизить стоимость процесса нейтрализации. Вследствие плохой растворимости СО2 уменьшается опасность переокисления нейтрализованных растворов. Образующиеся карбонаты находят большее применение по сравнению с сульфатами или хлоридами, кроме того, коррозионные и токсичные воздействия СО3:2– ионов в воде меньше, чем ионов SO42 и С132–.

Процесс нейтрализации может быть проведен в реакторах с мешалкой, в распылительных, пленочных и тарельчатых колоннах.

Дымовые газы вентилятором подают в кольцевое пространство вокруг вала мешалки и распределяют мешалкой в виде пузырьков и струй в сточной воде, поступающей внутрь реактора. Благодаря большой поверхности контакта между водой и газами происходит быстрая нейтрализация сточной воды. Присутствие в газах SO2 способствует нейтрализации щелочных сточных вод.

При проведении процесса в тарельчатых колоннах степень нейтрализации увеличивается с ростом скорости газа и уменьшением плотности орошения.

Количество кислого газа, необходимого для нейтрализации, может быть определено по уравнению массоотдачи



где М – количество кислого газа, необходимого для нейтрализации; К – фактор ускорения; вЖ – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; F – поверхность контакта фаз; С – движущая сила процесса.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами использована в ряде производств, в том числе и в асбестоцементном производстве. Сточные воды этих производств имеют рН = 12-13. Щелочность воды обусловлена постоянным выщелачиванием в нее гидроксида кальция. Нейтрализацию проводили диоксидом углерода дымовых газов (5-6 % СО2) в тарельчатом абсорбере.

Особенностью нейтрализации дымовыми газами сточных вод асбестоцементного предприятия является образование карбоната кальция, который может находиться в состоянии пересыщения и отлагается на внутренней поверхности оборудования. Для предотвращения образования в абсорбере карбонатных отложений процесс нейтрализации следует проводить по циркуляционной схеме (рис. 1.50).



1   2   3


5.7. Электродиализ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации