Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Щелочной реагент	Количество реагента, г, для нейтрализации кислот
	Серной H2SO4	Соляной HCI	Азотной HNO3	Фосфорной H3PO4	Уксусной CH3COOH	Плавиковой HF
Активный оксид кальция СаО Гидроксид кальция (известь гашеная Са(ОН)2 Едкий натр NaOH Едкое кали КОН Карбонат кальция (известняк, мел, мрамор) СаСО3 Карбонат магния (магнезит) MgCO3 Карбонат натрия (кальцинированная сода) Na2CO3	0,57   0,75 0,82 1,14   1,02   0,86   1,09	0,77   1,01 1,09 1,53   1,37   1,15   1,45	0,44   0,59 0,63 0,89   0,8   0,67   0,84	0,86   1,13 1,22 1,71   1,53   1,21   1,62	0,47   0,62 0,67 0,94   0,83   0,7   0,89	1,4   1,85 2,0 2,8   2,5   2,1   2,65

«Процессы реагентной нейтрализации сточных вод осуществляются на нейтрализационных установках или станциях, основными элементами которых являются (рис. 7.1): песколовки; резервуары-усреднители; склады нейтрализующих реагентов; растворные баки для приготовления рабочих растворов реагентов; дозаторы рабочих растворов реагентов; смеситель сточных вод с реагентом; камеры реакций (нейтрализаторы); отстойники для нейтрализованных сточных вод; осадкоуплотнители; сооружения для механического обезвоживания осадков, а при их отсутствии – шламовые площадки; места для складирования обезвоженных осадков; устройства химического контроля за процессом нейтрализации» [2].

Рис. 7.1. Схема нейтрализующей станции: 1– песколовка; 2 – усреднитель;

3 – склад; 4 – баки; 5 – дозатор; 6 – смеситель; 7 – нейтрализатор;

8 – отстойник; 9 – уплотнитель; 10 – вакуум-фильтр; 11 – накопитель осадков; 12 – шламовая площадка

Нейтрализующая фильтрация

«Нейтрализацию солянокислых и азотнокислых сточных вод, а также сернокислых сточных вод при концентрации серной кислоты не более 1,5 г/дм³ осуществляют на непрерывно действующих фильтрах. В качестве загрузки можно использовать такие нейтрализующие материалы, как известняк, магнезит, мел, мрамор и др.» [2].

«Крупность фракций материала загрузки 3–8 см; расчетная скорость фильтрации зависит от вида загрузочного материала, но обычно составляет не более 5 м/ч; продолжительность контакта не менее 10 мин» [2].

«Применение таких фильтров возможно при условии отсутствия в кислых сточных водах растворимых солей металлов, поскольку при рН>7 они будут выделяться в осадок в виде труднорастворимых соединений, которые полностью забивают поры фильтра. Ограничивается применение нейтрализующих фильтров при подаче на них сернокислых стоков с концентрацией серной кислоты более 1,5 г/дм³. В этом случае количество образующегося сульфата кальция превышает его растворимость (~2 г/дм³); он начинает выпадать в осадок и процесс нейтрализации прекращается. При загрузке из карбоната магния это ограничение исключается, поскольку растворимость сульфата магния достаточно высока (355 г/дм³ по
MgSO₄ х7Н₂О)» [2].

«Конструктивно фильтры выполняются с вертикальным движением нейтрализуемых кислых сточных вод по аналогии с перколяционными чанами, применяемыми в гидрометаллургии золота» [2].

Химическое осаждение

«Химическое осаждение сводится к связыванию ионов, подлежащих удалению, в малорастворимые и слабодиссоциированные соединения. При выборе реагентов для выделения примесей воды в виде осадков необходимо исходить из значений произведений растворимости образующихся соединений; чем ниже эта величина, тем выше степень очистки воды. Присутствие в воде посторонних солей обычно приводит к возрастанию растворимости образующихся осадков вследствие увеличения ионной силы раствора. Следует отметить, что скорость ионных реакций в водных растворах велика и обычно реакции протекают практически мгновенно» [3].

Очистка от ионов цветных металлов

Ионы свинца, хрома (Ш), цинка, кадмия и меди образуют с щелочью трупнорастворимые гидроксиды. Произведения растворимости (ПР) для этих гидроксидов:

Гидроксид                                          ПР

Zn(OH)₂                                            5·10^-17

Cr(OH)₃                                            1·10^-30

Pb(OH)₂                                                         2·10^-16

Cu(OH)₂                                           5,6·10^-20

Cd(OH)₂                                           1,2·10^-11

Полное осаждение цинка должно происходить при рН = 9,0–9,2. При изменении значения рН растворимость гидроксида цинка будет повышаться (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Зависимость растворимости в воде гидроксида цинка и хрома :
1 – Сr(ОН)з; 2 – Zn(OH)₂; 3 – Zn(OH)₂

При подщелачивании карбонатом натрия в воде ионы цинка образуют труднорастворимое соединение ZnСОз·Zn(OH)₂·H₂O. «Экспериментально установлено, что для создания оптимальных условий осаждения цинка карбонатом натрия требуется значительное количество реагента, поэтому рекомендуется проводить двухступенчатую очистку воды от цинка, предусматривающую предварительную нейтрализацию серной кислоты карбонатом натрия с последующим осаждением цинка едким натром» [3].

«Более глубокая очистка от катионов цинка возможна путем осаждения его в виде труднорастворимого сульфида: Zn²⁺+S^2-→ZnS; ПР = 1,6·10^-24; оптимальное значение рН при осаждении цинка сульфидом натрия составляет 2,5–3,5» [3].

«Осаждение ионов хрома из сточных вод производят известковым молоком в интервале рН = 8,0–9,5. Выше и ниже этих пределов растворимость гидроксида возрастает» [3].

«Ионы свинца можно осаждать не только в виде гидроксида свинца, но и в виде гидроксокарбоната свинца и карбоната свинца (ПР = 1,5∙10^-13). Поэтому для осаждения катиона свинца можно применять известняк, необожженный доломит и подобные материалы» [3].

«Гидроксид меди обладает амфотерными свойствами и поэтому может растворяться в кислоте и щелочи. Практически полное выделение гидроксида меди происходит при рН = 8–10, а с увеличением рН возможно образование растворимых купритов (NaHCuO₂ или NaCuCO₃). Целесообразно осаждать катионы меди (П) из воды в виде гидроксокарбоната, нерастворимого в воде:

2Си²⁺+СО₃^2-+2ОН^-→Си(ОН)₂+СО₃» [3].

«Очистка сточных вод от ионов кадмия производится путем подщелачивания их до рН = 10,5. Образующиеся мелкодисперсные частицы Cd(ОН)₂ могут быть выделены в осадок коагуляцией сульфатами алюминия или железа. Катионы кадмия можно также осаждать в виде CdS, добавляя сульфид натрия при рН = 4; ПР сульфида, кадмия – 1∙10^-29» [3].

«Для осаждения тяжелых металлов предложены и другие реагенты. Например, удаление ртути и кадмия из воды можно осуществлять с помощью ксантогенатов, образующих нерастворимые комплексы с ионами ртути и кадмия» [3].

«Глубокая очистка сточных вод от ионов ртути проводится путем их осаждения в виде сульфидов ртути по схеме: Hg²⁺+S^2-→Hg₂S↓. Произведение растворимости Hg₂S составляет 1,6∙10^-52, что соответствует концентрации ртути (в дистиллированной воде) 2,5∙10^-21 мг/дм³. В реальных сточных водах, содержащих и другие соли, растворимость Hg₂S выше, чем в дистиллированной воде. В результате осаждения образуются коллоидные частицы сульфида ртути, выделение которых из воды производится коагуляцией сульфатом алюминия или железа. Остаточная концентрация ртути после такой очистки не превышает 0,07 мг/дм³» [3].

Очистка от мышьяка

В связи с ухудшением качества руд цветных металлов наблюдается повышение содержания мышьяка в перерабатываемом сырье. Как при пирометаллургических, так и при гидрометаллургических технологиях мышьяк концентрируется в сточных водах газоочисток, отработанных электролитах и др.

Способы выделения мышьяка из растворов в форме арсенита кальция

2Н₃АsO₃+3Са(ОН)₂=3Са(АsО₃)+6Н₂O,

арсената кальция

2H₃АsO₄+3Са(ОН)₂=3Са(АsO₄)₃+6Н₂O

сопряжены с образованием опасных токсичных соединений в виде отходов, требующих специального захоронения.

На медеплавильных и медно-никелевых предприятиях, имеющих сернокислотные цехи, в промывных отделениях получаются растворы, содержащие до 15–20 г/дм³ мышьяка в трехвалентной форме.

Использование в качестве осадителя гидроксида кальция позволяет снизить остаточную концентрацию мышьяка в растворе лишь до величины, превышающей ПДК в 70–100 раз (так, произведение растворимости Ca₃(AsO₄)₂ составляет 6,8∙10^-19).

Для более глубокой очистки мышьяк должен присутствовать в растворе в форме As⁵⁺. Эффективным окислителем является пиролюзит (марганцевая руда). При использовании пиролюзита марганец является как окислителем, так и осадителем мышьяка. Арсенат марганца Мn₃(АsO₄)₄ имеет величину произведения растворимости 1,9·10^-29, что обеспечивает равновесное содержание мышьяка в растворе 0,1 мг/дм³.

Пиролюзитная технология была внедрена на Среднеуральском медеплавильном заводе институтом "Унипромедь" в 1975 г. для обезвреживания промывных вод сернокислотного цеха. Недостаток технологии – образование большого количества осадка с низким содержанием мышьяка.

Мышьяк из раствора можно выделить гидроксидами. Например, максимальное осаждение As⁵⁺ с Fe³⁺ достигается при отношении Fe³⁺:As⁵⁺=5:1 и Fe³⁺:As³⁺=10:1 при рН 8–9. Недостатком метода соосаждения является возрастание растворимости осадков с увеличением времени хранения из-за их старения. Это вызывает опасность загрязнения грунтовых вод и ограничивает промышленное применение способа.

Представляет интерес осаждение мышьяка из растворов в виде сульфидов. Их растворимость в воде минимальна, выход мышьяксодержащих отходов сокращается в 10 раз и, кроме того, осадки сульфидов могут быть переработаны на белый мышьяк. Эта техническая разработка внедрена на ряде предприятий О.Г. Передерием с сотрудниками (институт "Унипромедь", Екатеринбург).

Реагентами-осадителями служат сульфогидрат натрия (NaHS), сернистый натрий (Nа₂S) или другие сульфидсодержащие реагенты.

Осаждение мышьяка протекает в соответствии с реакцией

6NaHS + 3Н₂SO₄ +4Н₃АsO₃ = 2As₂S₃ + 3Na₂SO₄ + 12Н₂О

Для предотвращения выделения сероводорода концентрация серной кислоты в растворе должна быть в 3–5 раз больше концентрации мышьяка, а скорость подачи осадителя не выше 5 кг/м³∙ч. Расход сульфидной серы составляет 0,8–1,1 кг/кг мышьяка. Присутствие ионов меди, железа, свинца, кобальта, сурьмы и других увеличивает расход реагента на образование соответствующих осадков. Осадки имеют состав, %: As = 30–35; S_общ = 30–35; S° = 1–3. Доочистку растворов до ПДК проводят пиролюзитом. Для осаждения используют реактор с механическим перемешиванием, осадки отфильтровывают и подают на утилизацию.

В сточных водах мышьяк может присутствовать в составе анионов тиосолей или кислородсодержащих анионов. Анионы мышьяковистой (AsO₂)^- и мышьяковой кислот (AsО4)^3- и соли этих кислот могут существовать в слабокислых, нейтральных и щелочных средах в отсутствие сероводорода и сульфид-ионов. Анионы AsS₂^- и AsS₄^3- существуют только в присутствии свободных сульфид-ионов.

Очистка сточных вод от тиосолей мышьяка основана на ассоциации анионов в растворе с образованием сульфид-иона: 2AsS₂^- ↔As₂S₃+S^2-. Выводя сульфид-ионы из раствора, можно сдвинуть равновесные реакции в сторону образования нерастворимого в воде сульфида мышьяка.

На практике осаждение сульфида мышьяка с одновременным разложением тиосолей производят путем обработки воды раствором сульфата железа:

2AsS₂^-+Fe²⁺ →As₂S₃↓+FeS↓.

Сульфид железа малорастворим в воде (ПР=4·10^-19). Этим методом вода может быть очищена от мышьяка полностью. Общий расход железного купороса определяется необходимостью осаждения избыточных сульфид-ионов и разложения тиосоли.

Для осаждения мышьяка могут быть использованы соли Fe(П) и Fe(III). Применяя трехстадийное противоточное известкование мышьяксодержащих сточных вод, можно обеспечить их очистку до остаточной концентрации мышьяка 0,05 мг/дм³.

Одним из высокоэффективных способов очистки сточных вод от мышьяка является так называемый фосфатный метод соосаждения с фосфатом кальция. При добавлении в сточную воду фосфорной кислоты и гидроксида кальция образующийся осадок фосфата кальция захватывает мышьяк. В процессе осаждения получаются осадки (твердые растворы арсената и фосфата кальция), из которых мышьяк практически не вымывается. После осаждения в сточной воде остается 0,03–0,04 мг/дм³ As⁵⁺ при исходной концентрации 100 мг/дм³. При наличии в сточной воде As³⁺ рекомендуется перед осаждением окислить его до As⁵⁺ с помощью хлора, хлорной извести или озона.

На СУМЗе использовали два способа очистки от мышьяка стоков сернокислотного цеха – пиролюзитный и сульфидный. По первому способу окисление трехвалентного мышьяка до пятивалентного осуществляется в кислой среде пиролюзитом с последующей нейтрализацией известковым молоком до рН=8–9. При этом мышьяк осаждается в виде арсенатов кальция и марганца. В процессе нейтрализации образуется много гипса, результатом чего является разубоживание мышьяксодержащих осадков. Мышьяковистые кеки, захоронение которых производится в специально оборудованных могильниках, имеющих хорошую гидроизоляцию, содержат 6–7 % мышьяка.

Технологическая схема включает следующие операции: окисление мышьяка (Ш) пиролюзитом при 75–85° С в течение 2–З ч (расход пиролюзита 6 г на 1 г мышьяка); нейтрализация раствора известковым молоком до рН=8–9 (1ч); фильтрация мышьяковистых кеков; захоронение мышьяковистых кеков; общая продолжительность процесса 4–6 ч.

Сущность сульфидной технологии заключается в том, что при осаждении мышьяка из кислых растворов, содержащих 1–2 г/дм³ растворенного сернистого газа, сульфидсодержащими реагентами, например гидросульфидом натрия, выделение сероводорода не наблюдается. Объясняется это тем, что сероводород вступает с сернистым газом в реакцию с образованием элементарной серы и тиосернистой кислоты, которая в свою очередь осаждает мышьяк в виде сульфида. Сульфидная технология включает следующие операции: осаждение сульфида мышьяка (расход реагента 1,3 г в пересчете на сульфидную серу на 1 г мышьяка); фильтрация мышьяковистых кеков; сушка кеков; затаривание сухого продукта и отправка на переработку на специальные заводы для получения белого мышьяка.

Осаждение мышьяка сульфидным способом производится в непрерывном режиме за 15–30 мин без дополнительного подогрева растворов. Кеки содержат 65–75 % сульфида мышьяка As₂S₃, 20–25 % элементной серы и 1–5 % сульфидов меди и цинка.

Преимущества сульфидного способа перед пиролюзитным следующие:

- возможность увеличения производительности цеха в 4–6 раз без существенной его реконструкции;

- сокращение объема мышьяксодержащих кеков в 5–6 раз при содержании в них мышьяка 35–40 %;

- кеки являются перспективным сырьем для получения белого мышьяка, в связи с чем отпадает необходимость в их специальном складировании;

- при осаждении мышьяка сульфидсодержащими реагентами осаждаются и другие токсичные элементы (например, селен).

Для полного исключения возможности выделения сероводорода в институте "Унипромедь" разработан сульфидно-купоросный метод очистки растворов от мышьяка в две стадии: первая – осаждение основного количества мышьяка (95–97 %) в виде трисульфида при недостатке реагента, вторая – доочистка этих растворов по пиролюзитной технологии. На первой стадии получаются осадки с содержанием 30–35 % мышьяка, удобные для дальнейшего использования или захоронения.

Описан способ обезвреживания мышьяка в хвостовых пульпах обогатительных фабрик, основанный на осаждении мышьяка из растворов с помощью моносульфида в смеси с железным купоросом. Способ позволяет снижать содержание мышьяка в жидкой фазе хвостовой пульпы до ПДК и предотвращать вымывание мышьяка из твердой части пульпы при хранении ее в хвостохранилише.

Известен способ обработки мышьяксодержащих вод, который заключающийся в очистке воды с применением ионов трехвалентного железа, например в виде Fe (ОН)₃, при рН=4–8,3, что приводит к образованию нерастворимого осадка арсената железа; остаточное содержание мышьяка в растворе менее 0,05 мг/дм³. Очистка может производиться фильтрованием воды через слой Fе(ОН)₃, нанесенный на пористый поддерживающий слой из минеральных веществ, например монтмориллонита, шеелита. Оптимальная величина рН=4,4–4,7. Гидроксид железа может быть получен на месте путем пропитки вышеуказанных веществ растворами солей Fe³⁺ с добавлением необходимого количества щелочи.

В институте "Казмеханобр" разработан метод осаждения мышьяка металлическим железом при продувке воздухом в кислых растворах. Установлено, что мышьяк селективно осаждается из растворов без выделения мышьяковистого водорода в виде основного арсената железа. Метод внедрен на Иртышском полиметаллическом комбинате.

Очистка от цианидов

«Для очистки циансодержащих сточных вод наибольшее распространение получили деструктивные процессы, основанные на использовании гипохлоритов, жидкого хлора, озона и других окислителей. Используется, например, хлорная известь, содержащая 30–33 % активного хлора; ее теоретический расход составляет около 10 г на 1 г обезвреживаемых цианидов» [3].

«Применение окислителей наряду с преимуществами имеет также определенные недостатки; отсутствие избирательности к цианидам (окисляются все компоненты раствора или пульпы, окислительный потенциал которых ниже +1,50 В); загрязнение растворов продуктами реакции (например, хлор-ионами); наличие в очищаемой воде заметных количеств активного хлора, весьма вредной примеси для живых организмов» [3].

«В последние годы наметилась тенденция к использованию для обезвреживания циансодержащих сточных вод различных органических реагентов, в основном карбонильных соединений. Одним из наиболее распространенных, доступных и дешевых карбонильных соединений является формальдегид СН₂О. Его карбонильная группа сильно поляризована, в результате чего реакция с цианистыми соединениями протекает практически нацело даже на холоду. При этом образуется нитрил гликолевой кислоты (гликолонитрил)» [3]:

CH₂O+HCN↔НО-СН₂-CN.

Реакция протекает быстро в щелочной среде. Образующийся гликолонитрил затем гидролизуется с образованием гликолевой кислоты и аммиака:

НО-СН₂-СН+2Н₂О↔HO-CH_2-COOH+NH₃.

В присутствии солей кальция гликолевая кислота образует практически нерастворимый в воде гликолят кальция:

2НОСН₂СООН+Са²⁺→Са(НОСН₂СОО)₂+2Н⁺.

Известкование как метод осаждения

«Известкование сточных вод можно в некоторых случаях рассматривать как метод химического осаждения: например, осаждение ионов фтора и фосфат-ионов, соосаждение мышьяка, нейтрализация с последующим осаждением гидроксидов металлов» [3].

«Фтор в сточных водах находится обычно в виде фтористоводородной (HF) и кремнефтористоводородной (H₂SiF₆) кислот и их солей. Обезвреживать сточные воды, содержащие эти соединения, можно обработкой их молотым известняком или известковым молоком:

H₂SiF₆ + СаСО₃ → CaSiF₆ + Na₂СО₃;

СаSiF₆ + СаСО₃ → 3СаF₂ + SiО₂ + 2СО₂;

2HF + Ca (OH)₂ → CaF₂ + 2Н₂О» [3].

«В результате подобных реакций соединения фтора переходят в труднорастворимый фторид кальция (ПР=4∙10^-21), растворимость которого в воде при 20^о С соответствует 16 мг/дм³» [3].

«Фосфор в сточных водах присутствует в виде орто- и метафосфатов, а также в виде комплексных неорганических фосфатов. Методы осаждения фосфатов основаны на обработке вод известковым молоком (до рН=10–11) или сульфатом алюминия в щелочной среде. В первом случае образуется Са₅(РО₄)₃ОН, во втором – создается сложное нерастворимое в воде соединение алюминия с гидроксильными и фосфатными группами. Эффективность очистки в обоих случаях составляет 90–95 %» [3].

Хлорирование

«Очистка сточных вод хлором или его соединениями (хлорагентами) – один из самых распространенных способов их очистки от токсичных цианидов, сероводорода, гидросульфида, сульфида, метилмеркаптанаи др.» [3].

«Окисление токсичных цианид-ионов CN^- осуществляется путем перевода их в нетоксичные цианаты CNO^-, которые затем гидролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов:

CN^-+2ОH^--2e→CNO^-+H₂О;

CNO^-+2H₂О→NH₄+CO₂^2-.

Возможен также перевод токсичных соединений в нетоксичный комплекс или в осадок (в виде нерастворимых цианидов) с последующим удалением его из сточных вод отстаиванием или фильтрованием» [3].

«При введении в воду хлор гидролизуется, образуя хлорноватистую и соляную кислоты:

С1₂+Н₂О↔НОСl+НСl» [3].

«В сильнокислой среде равновесие этой реакции сдвинуто влево, и в воде присутствует молекулярный хлор; при значениях рН>4 молекулярный хлор в воде отсутствует. Образовавшаяся в процессе гидролиза хлора хлорноватистая кислота диссоциирует на ион гипохлорита и ион водорода» [3].

«Гипохлориты кальция или натрия, а также хлорная известь образуют в воде хлорноватистую кислоту и ион гипохлорита в соотношениях, определяемых рН водной среды» [3].

«Окисление цианидов хлором можно проводить только в щелочной среде (рН>9–10):

CN^-+2ОH^-+Cl₂→CNO^-+2Cl^-+H₂О

Образующиеся цианаты можно окислить до элементарного азота и диоксида углерода:

2CNO^-+4ОH^-+3Cl₂→2CO₂+6Cl^-+N₂↑+2Н₂О» [3].

«При снижении рН возможно протекание реакции прямого хлорирования цианида с образованием токсичного хлорциана:

CN^-+С1₂→CNC1+С1^-

Более надежным и экономически целесообразным методом является окисление цианидов гипохлоритами в щелочной среде (рН=10–11). В качестве реагента, содержащего ион гипохлорита, служат хлорная известь, гипохлориты кальция или натрия. Между гипохлоритом и простыми цианидами быстро и полностью протекает реакция:

CN^-+OCl^-→CNO^-+Cl^-

Образующиеся цианаты постоянно гидролизуются» [3].

«В растворах, содержащих цианид-ионы и медь одновременно могут присутствовать комплексные цианиды меди [Cu(CN)₃]^2- и [Cu(CN)₄]^3-, окисление которых гипохлоритом проходит по уравнениям:

2[Cu(CN)₃]^2-+7OCl^-+2OH^-+H₂O→6CNO^-+7Cl^-+2Cu(OH)₂↓

3[Cu(CN)₄]^3-+13OCl^-+4OH^-+H₂O→12CNO^-+13Cl^-+3Cu(OH)₂↓

При окислении токсичного комплекса цианида цинка протекает реакция:

[Zn(CN)₄]^2-+4ОCl^-+2OH^-→4CNO^-+4Cl^-+Zn(OH)₂↓

Окисление циансодержащих сточных вод, особенно пульп, ионом гипохлорита или хлором сопровождается расходом окислителя не только на окисление цианидов, но и на окисление других веществ, присутствующих в сточных водах. Поэтому расход хлорагентов, как правило, не рассчитывают, а определяют экспериментальным путем. При обезвреживании сточных вод обычно применяют 5 %-ный раствор реагента (по активному хлору)» [3].

«Обработка циансодержащнх сточных вод диоксидом хлора СIO₂, имеет ряд преимуществ. Диоксид хлора обладает большой окислительной способностью по сравнению с другими окислителями (кроме фтора и озона). Водные растворы СlO₂ устойчивы в течение длительного времени. При обработке сточных вод диоксидом хлора не образуются высокотоксичные продукты прямого хлорирования (хлорциана, хлорфенола и др.) в любом диапазоне рН».

«Окисление цианидов диоксидом хлора протекает наиболее эффективно при рН>10; при начальной концентрации цианидов 25 мг/дм³ и продолжительности окисления 1 мин эффект составляет 95 %, а через 10 мин реакция окисления практически заканчивается» [3].

«В зависимости от агрегатного состояния вводимых в воду хлорагентов определяется технология обработки сточных вод. Если воду обрабатывают газообразным хлором или диоксидом хлора, то процесс окисления осуществляют в абсорберах; если хлорагенты находятся в растворе, то их подают в смеситель, а затем в контактный резервуар, в которых обеспечиваются эффективное их смешивание и требуемая продолжительность контакта с обрабатываемой сточной водой. Хлораторные установки включают складское хозяйство и устройства для дозирования хлора» [3].

В связи с высокой стоимостью хлорагентов в цветной металлургии применяются в основном гипохлоритная пульпа титано-магниевых комбинатов и жидкий хлор. В редких случаях при малых расходах используется хлорная известь. Перспективным способом является получение на месте растворов гипохлорита натрия электролизом поваренной соли.

Использование хлорной извести

В качестве примера очистки с помощью хлорной извести можно привести установку по очистке от ксантогенатов слива хвостохранилища на Новосибирском оловянном комбинате. В процессе доводки оловянных концентратов образуются промышленные сточные воды, имеющие слабокислую реакцию и содержание, мг/дм³: железа 200–300, жирных кислот 15–20, нефтепродуктов 1,5–5,0, а также следы бутилового ксантогената. Обезвреживание этих вод осуществляется обработкой отвальных хвостов известью с последующим осветлением их в хвостохраннлнще. Такая система обеспечивает достаточно полную очистку сточных вод от указанных загрязнений, за исключением ксантогената, концентрация которого после известкования в жидкой фазе сульфидных хвостов возрастает. Причиной этого является десорбция ксантогената с твердой фазы и низкая скорость его разложения в щелочной среде. Полная очистка слива от ксантогената достигается при дозе активного хлора 10–15 мг/дм³, причем остаточная концентрация его не превышает 2–5 мг/дм³. Расход активного хлора составляет 0,6–0,75 кг/г. В общезаводском коллекторе активный хлор отсутствует.

Применение гипохлоридной пульпы

Гипохлоритная пульпа получается на титано-магниевых предприятиях; она является отходом газотехнических установок магниевых цехов, где для улавливания хлора из отходящих газов последние подаются в раствор известкового молока с концентрацией гидроксида кальция 100–800 г/дм³. Гипохлоритная пульпа нашла широкое применение и используется на большинстве обогатительных фабриках Казахстана, которые применяют технологию с использованием циансодержащих реагентов.

Применение жидкого хлора

Метод использования жидкого хлора для очистки циансодержащих сточных вод внедрен на ряде обогатительных фабриках.

Хлоргаз из испарителя хлораторной установки поступает на регулятор, стабилизирующий давление газа в магистрали до дозатора хлора; давление газа задается в диапазоне 30–50 кПа. Дозатором служит бессальниковый игольчатый клапан, после которого хлор поступает в антикоррозионный эжектор. В качестве рабочей среды эжектора на установках используется оборотная вода. Затем в смесь оборотной воды с хлором подается известковое молоко для получения слабоконцентрированной гипохлоритной пульпы, которая через усреднитель поступает в поток сточных вод.

На одной из фабрик оптимальная производительность эжекторной установки по хлору составляет 100, максимальная 200 кг/ч. Количество сточных вод, подвергающихся очистке: 100–200 м³/ч. Расход хлора на 1 т руды в зависимости от ее типа составляет 2,2–2,8 кг. Внедрение системы автоматического регулирования позволяет максимально приблизить режим процесса обезвреживания к оптимальному и тем самым к полной очистке промышленных сточных вод при наиболее экономичном расходе хлора и извести. Такая установка надежна в работе и позволяет осуществить полный водооборот с добавлением 30 % свежей воды на компенсацию потерь.

Достоинствами способа очистки жидким хлором являются: замена дефицитных реагентов; снижение затрат на очистку ориентировочно на 20–30 %; возможность полной автоматизации процесса и вероятность длительного хранения и транспортировки хлорагента без разложения.

Применение электролизного гипохлорита натрия

Электролизные установки непроточного типа производительностью 1; 5; 25 и 100 кг/сут активного хлора предназначены для получения гипохпорита натрия путем электролиза раствора поваренной соли. Установки могут применяться для обеззараживания питьевой воды, промышленных и бытовых сточных вод в системах оборотного водоснабжения цветной металлургии и других областях народного хозяйства, где в процессах используется хлор или хлорсодержащие реагенты.

В комплект установки входят растворный узел, электролизер, бак-накопитель, выпрямительный агрегат, шкаф управления и вентилятор. Электролизные установки непроточного типа (ЭН) работают по следующей схеме. В приемный бак загружают поваренную соль, заливают водопроводную воду и перемешивают насосом до получения насыщенного раствора поваренной соли (280–310 г/дм³) Приготовленный раствор подают в электролизер, где разбавляют водой до концентрации 100–120 г/дм³ NaCI или плотности 1,06–1,07. Процесс электролиза ведут по времени до получения требуемой концентрации активного хлора, после чего готовый раствор спивают в бак-накопитель и весь цикл повторяют.

Применение электролизного гипохлорита натрия весьма перспективно. В качестве заменителя поваренной соли могут быть использованы элюаты водоумягчительных ионообменных установок и другие отходы производств, содержащие хлористый натрий.

Ввиду малой производительности установок их целесообразно применять для очистки малых объемов сточных вод, а также для обеззараживания шахтных вод в объеме до 20 тыс.м³/сут от микробных загрязнений, т. е. из расчета эксплуатации не более 5–7 установок.

Озонирование

«Озонирование является конкурентоспособным методом по отношению к хлорированию. Хотя метод озонирования и несколько дороже, однако, он имеет ряд преимуществ. Расчеты показывают, что метод озонирования весьма перспективен для очистки сточных вод предприятий Севера и Дальнего Востока, куда затруднена доставка хлорсодержащих реагентов и где имеется относительно дешевая электроэнергия» [3].

«Озонирование позволяет разрушать загрязнения, которые не подвергаются окислению биохимическим методом; при этом обеспечивается необходимое качество сточных вод. Кроме того, при озонировании резко сокращается потребность в площадях, требуемых для размещения очистных сооружений. Таким образом, метод озонирования является конкурентоспособным по отношению и к биологической очистке» [3].

«Российскими и зарубежными исследователями установлено, что озон особенно эффективен при очистке сточных вод, загрязненных различными органическими растворителями, цианидами, сероводородом, сернистыми соединениями, ионами марганца, фенолами, нефтепродуктами и некоторыми другими органическими и неорганическими соединениями» [3].

«Озон обладает высокой окислительной способностью. Окислительно-восстановительные реакции при озонировании протекают легко, причем вода, как уже отмечалось, не загрязняется продуктами восстановления окислителя, как при использовании хлора или хлорной извести» [3].

«Озон – нестойкий газ, поэтому хранить и транспортировать его нерационально; более целесообразно получать озон на месте его применения. Чаще всего, особенно при озонировании промышленных сточных вод, через источник тлеющего разряда пропускают атмосферный воздух, в некоторых случаях используют чистый кислород. Эффективность получения озона в значительной степени зависит не только от конструкции генератора, но также от влажности пропускаемого воздуха. От выбора конструкции реактора во многом зависят экономика процесса и глубина очистки. Рассмотрим области применения озона для очистки сточных вод» [3].

«Большое внимание, как в нашей стране, так и за рубежом уделяется изучению возможности применения озона для очистки воды, загрязненной фенолами. При довольно высокой концентрации фенола (более 200 мг/дм³) процесс окисления не зависит от величины рН и протекает с одинаковой скоростью; при более низких концентрациях рН оказывает влияние на ход реакции. Например, для снижения концентрации фенола с 100 до 0,05 мг/дм³ при оптимальном значении рН=11,4 требуется 180 мг озона на 1 дм³ раствора» [3].

«При введении в 1 дм³ воды 1,0–2,5 г озона концентрация фенолов снижается с 300–1500 до 0,6–1,2 мг. Фенол, содержащийся в сточных водах в количестве 5 мг/дм³, разрушается в течение 10–15 мин при обработке озоном концентрацией 2,5–6,0 г/м³. При этих же условиях разрушаются крезолы. Скорость окисления фенола зависит от его строения, однако во всех случаях при озонировании в первую очередь образуются малотоксичные производные непредельных альдегидов и кислот» [3].

«Применение озона для очистки сточных вод является эффективным и в некоторых случаях экономичным процессом, так как относительно большие капитальные затраты быстро окупаются: процесс прост и относительно безопасен, в эксплуатации несложен, продукты озонирования не ядовиты. Согласно зарубежным данным стоимость окисления озоном 1 кг фенола составляет 1,48 долл. Основным фактором, влияющим на степень очистки, являются продолжительность контакта сточной воды с озонированным воздухом и степень его дисперсности, т.е. правильный выбор реактора» [3].

«Озон может применяться для очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ для окисления некаля (дибутилнафталинсульфоната натрия), для разрушения деэмульгаторов типа НЧК, ОП-10 и дисольван 4411» [2].

Надо отметить возможность очистки сточных вод от вспенивателей, например от ИМ-68, который применяется в процессах обогащения руд. Скорость реакции окисления ИМ-68 зависит от концентрации исходного раствора и значения рН. При исходной концентрации 9,5 мг/дм³ реакция замедляется после 95-процентного распада вспенивателя. Наибольшая скорость окисления наблюдается в щелочной среде при рН=10. В течение 1–3 мин происходит полное окисление 13,5 мг/дм³ ИМ-68 при оптимальном рН и концентрации озона в воздухе 9,5–15 мг/дм³.

Озонирование применяют для очистки сточных вод от углеводородов. Часть углеводородов входит в число веществ, экстрагируемых хлороформом, которые хорошо удаляются при озонировании. Так, в процессе очистки сточных вод озоном начальная концентрация углеводородов (0,5–1,0) может быть снижена до 0,05–0,1 мг/дм³.

Исследованы возможности использования озона для обезвреживания сточных вод, содержащих цианистые соединения. При окислении цианидов протекают реакции:

CN^-+О₃→CNO^-+О₂;

CNO^-+2Н⁺+Н₂О→СО₂+NH₄.

Во ВНИИВодгео определяли действие озона на цианиды меди, цинка, железа, кобальта и никеля, в институте "Казмеханобр" – на мышьяк, цианиды и ионы тяжелых металлов. Было установлено, что скорость окисления цианидов не зависит от рН при изменении его в пределах 10,5–12,0. Однако увеличение рН до 13 ведет к резкому повышению скорости процесса, что объясняется лучшим диспергированием озонированного воздуха в сильнощелочной среде.

Преимущества метода очистки озоном циансодержащих сточных вод следующие: возможность полной автоматизации процесса; образование незначительного количества осадка; отсутствие посторонних примесей в обрабатываемой воде; возможность получения окислителя на месте.

«Метод озонирования был проверен в промышленных условиях при обезвреживании циансодержащих сточных вод Зодского рудника. Для этой цели были изготовлены пульпо-озонные реакторы емкостью 6 м³, соединенные последовательно. Озон подавался в сточные воды по принципу противотока. Диспергирование озоно-воздушной смеси осуществлялось через фильтросные плиты, вмонтированные у дна реактора. Производительность установки 2,3 кг озона в час» [1].

«Было установлено, что оптимальная скорость потока обеззолоченного раствора с исходной концентрацией цианидов 450 мг/дм³ равна 3 м³/ч. Остаточное содержание цианидов на выходе из реакторов 0,16 мг/дм³; при этом озон полностью вступал в реакцию, в отработанной озоно-воздушной смеси озона не обнаруживалось. Расход озона составил 3 мг на 1 мг цианидов. При этом концентрация ионов меди снижалась с 11,5 до 0,05 мг/ дм³, никеля – с 12,1 до 0,06 мг/дм³, а сульфат-ионов, наоборот, возросла с 62,6 до 189 мг/дм³; сухой остаток снизился с 2264 до 2000 мг/дм³» [1].

«Для более глубокой очистки сточных вод от цианидов и ионов металлов целесообразно рН в реакторе поддерживать в пределах 9,0–9,6. Кроме того, для обработки озоном обеззолоченных пульп были испытаны реакторы-пачуки. При этом было отмечено, что в режиме противотока заиливание пачуков практически исключено» [1].

«При производстве цветных металлов в некоторых случаях сбрасываемые в хвостохранилище растворы и пульпы содержат мышьяк, сурьму и комплексные цианистые соединения тяжелых цветных металлов. Озон разрушает цианистые комплексы и простые цианиды; тяжелые цветные металлы удаляются из очищаемого раствора в виде гидроксидов. Мышьяк может быть выведен из растворов путем его окисления озоном в пятивалентную форму и осаждения с гидроксидом железа. При очистке пульпы от мышьяка расход озона и железа возрастает почти в пять раз по сравнению с очисткой осветленной ее части» [1].

Методом озонирования можно удалять из сточных вод сероводород; при этом на первой стадии наблюдается выделение серы, а на второй – окисление непосредственно до серной кислоты:

Н₂S+O₃→ S+О₂+Н₂О;

3Н₂S +4O₃→3Н₂SO₄.

Реакции протекают одновременно, но при избытке озона преобладает вторая.

«Озон и его водные растворы разрушают сталь, чугун, медь, резину, эбонит. Поэтому все элементы озонаторных установок и трубопроводы, контактирующие с озоном или с его водными растворами, должны изготовляться из нержавеющей стали и алюминия» [2].

«Расход электроэнергии на получение 1 кг озона из хорошо осушенного воздуха для озонаторов различных типов составляет 13–29 кВт·ч, а из неосушенного воздуха 43–57 кВт∙ч. Расход электроэнергии на осушение воздуха и его компрессию для получения 1 кг озона 6–10 кВт·ч» [2].

Чаще для более глубокой очистки промышленных сточных вод озонирование применяется в сочетании с другими методами, в частности сорбцией и биологической очисткой.

Анализ практики озонирования сточных вод позволяет сделать следующие выводы:

- озонирование может применяться при предварительной очистке, собственно очистке и доочистке сточных вод, т. е. в комбинации с другими методами;

- озон особенно эффективен при очистке сточных вод, загрязненных различными органическими растворителями, фенолами, нефтепродуктами, цианидами, сероводородом, сернистыми соединениями, ионами марганца и некоторыми другими веществами;

- количество озона, необходимое для очистки, зависит от требований, предъявляемых к качеству очистки, природы разрушаемых загрязнений и колеблется в широких пределах;

- перспективны способы применения озона при очистке сточных вод, основанные не на окислении загрязняющих веществ до конечных продуктов (СО₂ и Н₂О), а на переводе их из одного состояния в другое (например, из растворенного в коллоидное) с последующей очисткой сточных вод традиционными способами. При этом потребное количество озона может быть уменьшено в 1000 раз;

- перспективно применение озонирования вместо хлорирования в случае дефицита хлорагентов и сложности транспортировки их к месту потребления.

Окисление кислородом воздуха и пероксидом водород

В практике очистки сточных вод, как уже отмечалось, в качестве окислителей используют хлорагенты (хлор, гипохлориты кальция и натрия, хлорную известь), озон, а также технический кислород, кислород воздуха и пероксид водорода. Последние окислители, хотя и не нашли еще широкого применения, однако в ряде случаев могут быть использованы для окисления фенолов, цианидов, роданидов, сероводорода и других примесей. В частности, для окисления сульфидных сточных вод целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов кислород применяется более широко, чем хлорсодержащие реагенты.

В цветной металлургии кислород может найти применение для окисления сероводорода. Окисление сероводорода при рН=7–7,5 кислородом воздуха протекает по реакциям:

2H₂S+2О₂→S₂O₃^2-+H₂O+2H⁺;

8H₂S +9О₂→2S₄O₆^2-+6H₂O+4H⁺;

H₂S +2О₂→SO₄^2-+2H⁺;

2HS +2О₂→ S₂O₃^2-+ H₂O;

2HS^-+4О₂→2 SO₄^2-+2H⁺.

Как показали расчеты, стоимость очистки сточных вод перекисью водорода соизмерима со стоимостью очистки озонированием.

Использование сжатого воздуха для окисления железа (П) до железа (III) предусмотрено в проекте создания схемы кондиционирования оборотной воды для обогатительной фабрики объединения "Дальполиметалл". Схема предусматривает кондиционирование слива хвостохранилища, который совместно с дренажными водами подщелачивается известью до рН = 11–12 с последующим добавлением железного купороса. При этом происходит обильное образование гидроксида железа, что приводит к соосаждению нежелательных примесей. В последующей операции кондиционирования производится, как уже отмечалось, окисление остаточного железа (П) до железа (Ш) кислородом воздуха путем аэрации сжатым воздухом. Разработанная схема полного водооборота исключает сброс токсичных сточных вод в водоисточники.

Кислород воздуха использован также при создании полного водооборота на другой обогатительной фабрике объединения "Дальполиметалл", перерабатывающей полиметаллические руды. При обогащении руды в процессе флотации оборотная вода обрабатывается известью (рН = 11–12, расход активной окиси кальция 100 г/м³) с добавлением последовательно, г/м³: 100 железного купороса, 15 сернистого натрия, 25 активированного угля при непрерывном перемешивании и с последующим отстаиванием в течение суток. Осветленная часть декантируется и подвергается аэрированию из расчета 2,5 м³ воздуха на 1 м³ сточных вод при длительности контакта 10 мин. После изменения реагентного режима флотации повысились общие показатели работы фабрики.

ЛЕКЦИЯ № 8. СИСТЕМЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Коагуляция и флокуляция частиц

Коагуляция, как процесс укрупнения дисперсных частиц, наиболее эффективна для удаления из воды тонкодисперсных примесей (1–100 мкм) и эмульгированных веществ. Объединение частиц в агрегаты происходит под действием коагулянтов, которые в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, быстро оседающие под действием сил тяжести. Коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд, что способствует их взаимному притяжению. Процесс гидролиза коагулянтов с образованием хлопьев идет по следующим стадиям:

Me³⁺+HOH=Me(OH)²⁺+H⁺

Me(OH)²⁺+HOH=Me(OH)₂⁺+H⁺

Me(OH)₂⁺+HOH=Me(OH)₃+H⁺

Me³⁺+3HOH=Me(OH)₃+3H⁺

В качестве коагулянтов применяют соли алюминия, железа или их смеси. Из солей алюминия чаще применяют смесь NaAlO₂+Al(SO₄)₃ в соотношении от 10:1 до 20:1:

NaAlO₂+Al(SO₄)₃+12 H₂O=8Al(OH)₃+3Na₂SO₄.

Соли железа (сульфаты, хлориды) как коагулянты лучше действуют при низких температурах, дают более крупные и прочные хлопья, применимы при более широких диапазонах рН среды, а также солевого состава воды, но окрашивают воду, повышают ее кислотные свойства:

FeCl₃+3H₂O=Fe(OH)₃+3HCl

Fe₂(SO₄)₃+6H₂O=2Fe(OH)₃+3H₂SO₄,

что требует дополнительного подщелачивания введением NaOH или Ca(OH)₂:

2FeCl₃+3Ca(OH)₂=2Fe(OH)₃+3CaCl₃

Fe₂(SO₄)₃+3Ca(OH)₂=2Fe(OH)₃+3CaSO₄

Поэтому, наилучший эффект достигается при использовании смесей Al(SO₄)₃ и FeCl₃ в соотношении от 1:1 до 1:2.

Кроме названных коагулянтов можно применять продукты металлургических производств: алюминийсодержащие отходы, травильные растворы, шлаки, содержащие оксид кремния и др.

При флокуляции процесс агрегатирования взвешенных частиц происходит под действием высокомолекулярных соединений – флокулянтов. При этом агрегатация идет не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного вещества на частицах флокулянта. Это позволяет интенсифицировать образование хлопьев гидроксидов алюминия и железа при относительном снижении расхода коагулянта и увеличить скорость осаждения хлопьев. В качестве флокулянта наибольшее распространение получил полиакриламид технический (ПАА) и гидролизованный (ГПАА).

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией идет в две стадии: дозирование и смешение реагентов со сточной водой; хлопьеобразование и осаждение хлопьев (рис. 8.1). Для смешения коагулянтов с водой применяют гидравлические перегородчатые смесители (рис. 8.2, а) или механические аппараты с мешалкой. Процесс гидролиза происходит в гидравлических камерах хлопьеобразования (рис. 8.2, б), камерах с мешалками или вихревых камерах. Его продолжительность от 10 до 30 мин. при скорости воды в коридорах 0,2–0,3 м/с. Осаждение хлопьев идет в отстойниках и осветлителях, описанных ранее. Часто стадии смешения, коагуляции и осаждения проводят в одном аппарате (рис. 8.2, в). Сточная вода поступает в воздухоотделитель, двигается по центральной трубе к распределительным трубам. Эти трубы имеют сопла, обеспечивающие вращение струй воды в кольцевой зоне, куда вводится флокулянт. Образующиеся в этой зоне хлопья вместе со взвешенными частицами оседают на дно аппарата и удаляются в виде шлама, а осветленная вода поступает в желоб для отвода на последующую обработку.

 

Рис. 8.1. Схема установки для очистки вод коагуляцией:
1 – емкость для приготовления растворов; 2 – дозатор; 3 – смеситель; 4 – камера хлопьеобразования; 5 – отстойник

Рис. 8.2. Аппараты для коагуляции:

а) – смеситель: 1 – коридор; 2 – перегородка; 3 – окно;

б) – камера хлопьеобразования: 1 – коридор; 2 – перегородки; 3 – окно;

в) – коагулятор-осветлитель: 1 – корпус; 2 – желоб; 3 – отверстия для отвода осветленной воды; 4 – воздухоотделитель; 5 – труба; 6 – распределительные трубы

Флотация

«Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются, реже – для удаления растворенных веществ, например, ПАВ. По сравнению с отстаиванием, флотация обеспечивает селективное выделение примесей, большую скорость процесса, получение шлама более низкой влажности (90–95 %), высокую степень очистки (95–98 %), возможность рекуперации удаляемых веществ. Кроме того, при флотации сточные воды аэрируются, в них снижается содержание легко окисляемых веществ и ПАВ, бактерий и микроорганизмов. Флотаторы просты по конструкции, надежны, требуют небольших эксплуатационных затрат и обеспечивают непрерывный процесс очистки» [1].

«Элементарный акт флотации состоит в следующем. Пузырек воздуха сближается с гидрофобной твердой частицей, слипается с ней и всплывает на поверхность воды, где образуется пенный слой, который содержит повышенную концентрацию частиц примесей и периодически удаляется из флотатора. Эффективность флотации зависит от природы примесей, смачиваемости частиц водой и характера взаимодействия реагентов с их поверхностью. Поверхностно-активные вещества (масла, жирные кислоты и их соли, амины, меркаптаны и др.) являются реагентами-собирателями и, адсорбируясь на частицах, понижают их смачиваемость, т.е. делают их гидрофобными. Поэтому, прочность прилипания частицы к пузырьку максимальна» [1].

На эффект флотации влияет размер и количество пузырьков воздуха и их стабильность. Оптимальным является размер пузырька 15–30 мкм. Количество пузырьков должно быть по возможности максимальным, а их стабильность обеспечиваться введением пенообразователей (крезол, фенол, алкилсульфат натрия и др.), которые уменьшают поверхностную энергию на границах раздела твердой, жидкой и газообразной фаз. Поскольку вес частицы должен быть меньше силы ее прилипания к пузырьку и его подъемной силы, то хорошо флотирующимися из сточных вод металлургического производства являются частицы с размерами 0,2–1,5 мм (в зависимости от плотности материала).

«Различают следующие способы флотации сточных вод:

1. С выделением воздуха из растворов.

2. С механическим диспергированием воздуха.

3. С подачей воздуха через пористую перегородку.

4. Электрофлотация.

5. Химическая флотация» [1].

«Первый способ реализуется с помощью напорных установок, применяемых для очистки сточных вод с содержанием до 4–5 г/дм³ взвеси. Процесс идет в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением 0,15–0,4 МПа; выделение растворенного газа под атмосферным давлением. Производительность такого аппарата от 5 до 2000 м³/ч по очищенной воде (с учетом добавок коагулянтов). Основным элементом установки напорной флотации» [1] (рис. 8.3) является флотатор. На практике применяют различные конструкции одно- и многокамерных аппаратов. Типичной является флотационная камера “Аэрофлотор” (рис. 8.4).

Рис. Рис. 8.3. Установка напорной флотации: 1 – емкость; 2 – насос;
3 – напорный бак; 4 – флотатор

«Сточную воду, насыщенную воздухом, подают в камеру, где давление близко к атмосферному. Выделяющиеся пузырьки воздуха захватывают частицы примесей и всплывают вверх. Пенный слой с твердыми включениями поверхностным скребком удаляют в шламоприемник, а осветленную воду отводят на последующее использование. Твердые частицы, осевшие на дно камеры, донным скребком сдвигают в приемник и удаляют из аппарата» [1].

Рис. 8.4. «Аэрофлотор»: 1 – камера; 2 – скребок; 3 – шламоприемник; 4 – поверхностные скребки

«Флотация с механическим диспергированием воздуха широко используется в процессах обогащения полезных ископаемых, а в последнее время и для очистки сточных вод с содержанием взвеси более 2 г/дм³. Диспергирование воздуха обеспечивается турбинками насосного типа – импеллерами (диски с обращенными вверх лопатками)» [1]. Степень измельчения и эффективность очистки возрастают с увеличением числа оборотов импеллера до начала интенсивного развития турбулентности потока, ведущей к разрушению хлопьев. Во флотатор (рис. 8.5, а) поступает сточная вода и из приемного кармана по трубопроводу попадает в импеллер. Вал импеллера заключен в трубку, через которую всасывается воздух в количестве 0,1–0,5 объемов на 1 объем воды.

Рисунок 8.5. Флотаторы:

а) – с импеллером: 1 – камера; 2 – труба; 3 – вал; 4 – импеллер;

б) – с пористыми колпачками: 1 – камера; 2 – пористые колпачки; 3 – желоб; 4 – регулятор уровня

Для очистки сточных вод металлургического производства, содержащих растворенные примеси, агрессивные к подвижным механизмам (насосам, импеллерам) применяют пневматические установки (рис. 8.5, б). В них пузырьки воздуха образуются при его пропускании через специальные сопла на воздухораспределительных трубах. Скорость воздуха на выходе из сопел
100–200 м/с, продолжительность флотации 15–20 мин. Флотация с использованием пористых керамических пластин дает высокое качество очистки, но из-за засорения и зарастания отверстий пористого материала и трудностей с подбором пористых перегородок с одинаковыми отверстиями этот способ применяется мало.

Методы химической, биологической и ионной флотации в металлургии пока распространены мало, но в ряде производств их применение перспективно. Химическая флотация основана на введении в очищаемую воду реагентов, вызывающих протекание процессов с выделением пузырьков газов (O₂, CO₂, Cl₂ и др.), которые и выполняют функции по флотации взвешенных частиц. Недостатком способа является большой расход реагентов. Биологическая флотация используется для уплотнения осадка из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод. Осадок нагревается паром до 35–55^о С и выдерживается несколько суток для обеспечения деятельности микроорганизмов, в результате которой выделяется много пузырьков газа. Эти пузырьки уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются за 5–6 суток до влажности 80 %. Ионная флотация особенно перспективна для извлечения из сточных вод металлов (Mo, W, V, Pt, Ge, Re и др.) при низкой концентрации их ионов (10^-3–10^-2 г-ион/дм³). В сточную воду вводят пузырьки воздуха (полученные тем или иным способом) и собиратель (ПАВ).

Собиратель образует в воде ионы с зарядом, противоположным заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений концентрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пена удаляется из флотатора, разрушается и из нее извлекаются сконцентрированные ионы.

Адсорбционная очистка сточных вод

«Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических примесей (фенолов, ПАВ и др.) после биохимической очистки, а также если концентрация таких примесей невелика и они биологически не разлагаются или сильнотоксичны. Метод высокоэффективен (80–95 %), позволяет очищать сточные воды, содержащие несколько веществ, допускает их рекуперацию. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией и деструктивной, при которой адсорбент, содержащий извлеченные из сточных вод вещества уничтожается. В качестве адсорбентов используют активированный уголь (наиболее универсален), шлаки, глины, некоторые синтетические вещества и др.

В общем случае, процесс адсорбции складывается из трех стадий:

1. Перенос вещества из сточной воды на поверхность адсорбента.

2. Собственно адсорбция.

3. Перенос вещества внутри зерен адсорбента» [1].

Обычно стадией, лимитирующей процесс, является либо первая, либо третья. Внешняя диффузия определяется интенсивностью турбулентного переноса, т.е. скоростью перемешивания жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопереноса зависит от вида и размеров зерен (и пор) адсорбента, размеров молекул адсорбирующихся веществ. Установлено, что при скорости жидкости w>1,8 м/ч и диаметре зерна адсорбента d>2,5 мм процесс лимитируется внутренней диффузией, а при w<1,8 м/ч и d<2,5 мм – внешней диффузией.

При адсорбции поглотитель насыщается адсорбируемым веществом и эффективность очистки падает. «В этом случае процесс адсорбции прекращают, а адсорбент подвергают регенерации, десорбируя из него поглощенные вещества» [1].

«Процесс адсорбции ведут при интенсивном перемешивании адсорбента со сточной водой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое на установках периодического или непрерывного действия. Более эффективны установки непрерывного действия» [1], имеющие несколько ступеней адсорбции (рис. 8.6). При этом часть колонн работает последовательно, а часть отключают на регенерацию адсорбента острым паром. Адсорбцию в колонне проводят, в основном, либо фильтрацией воды через слой адсорбента, либо в псевдоожиженном слое. Второй способ целесообразен при высоком содержании взвешенных веществ в воде и предполагает скорость потока w = 8–12 м/ч при размере зерен адсорбента 0,5–1 мм. Первый способ реализуется при скоростях фильтрования от 2–4 до
5–6 м³/(м²*ч) через слой адсорбента с размерами частиц 1,5–5 мм.

Рис. 8.6. Адсорбционная установка: 1 – усреднитель; 2 – насос; 3 – фильтр;
4–6 – колонны; 7 – емкость

«Адсорбер, использующий первый способ, представляет собой колонну, в которой на решетке уложен сначала слой гравия, а затем слой активного угля. Очищаемая вода подается снизу вверх, а пар для регенерации адсорбента – сверху вниз. Адсорберы с псевдоожиженным слоем (рис. 8.7) действуют иначе. Активный уголь через воронку по трубе непрерывно подается на распределительную решетку с отверстиями 5–10 мм. Сточная вода захватывает зерна адсорбента и проходит вместе с ними через решетку, над которой образуется псевдоожиженный слой, где идет адсорбция. Избыток угля поступает в сборник и из него на регенерацию. Очищенную воду через желоба отводят из колонны» [1].

«Адсорбированные ценные вещества извлекают при регенерации активного угля десорбцией насыщенным или перегретым паром при температуре 200–300^о С и давлении 0,3–0,6 МПа, или инертным газом при 120–130^о С. После десорбции пары конденсируют и извлеченные вещества направляют на переработку. В случаях, когда адсорбированное вещество не представляет ценности, проводят деструктивную регенерацию активного угля. Она осуществляется либо химическим методом (окисление хлором, озоном и др.), либо термическим методом (обработка в печах при температурах 700–800^о С в бескислородной среде смесью продуктов сгорания и водяного пара)» [1].

 

Рис. 8.7. Одноярусный адсорбер: 1 – колонна; 2 – труба; 3 – решетка; 4 – воронка;
5 – сборник

Ионообменная очистка сточных вод

Данный метод широко применяется для извлечения из сточных вод металлов (Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, V, Mn и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Ионный обмен используется в процессах водоподготовки для обессоливания воды.

Процесс ионного обмена состоит во взаимодействии раствора с твердой фазой (ионитом), обладающей свойствами обменивать свои ионы с ионами раствора. Иониты, поглощающие из растворов положительные ионы, обладают кислотными свойствами и называются катионитами, а поглощающие отрицательные ионы – обладают основными свойствами и называются анионитами. Ионитами является ряд минеральных и органических веществ. К первым относятся глинистые минералы, цеолиты, слюды, полевые шпаты, силикаты, труднорастворимые оксиды и гидроксиды Al, Cr, Zr и других металлов. Органическими природными ионитами являются гуминовые кислоты почв и углей, а искусственными – ионообменные смолы с развитой поверхностью. Последние имеют наибольшее практическое применение для очистки сточных вод и выпускаются промышленностью целой гаммой марок катионитов и анионитов. При сокращенном написании ионита его пространственная углеводородная сетка (матрица) обозначается в общем виде R, а обменивающиеся ионы (противоионы) указываются полностью. Каждый противоион в ионите соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми анкерными. Поэтому, например, сульфокатиониты записывают как RSO₃H (R – матрица, H – противоион, SO₃ – анкерный ион). Реакция ионного обмена протекает по следующей схеме:

- - при контакте с катионитом

RSO₃H+NaCl=RSO₃Na+HCl,

- - при контакте с анионитом

ROH+NaCl=RCl+NaOH.

Реакции ионного обмена протекает вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов до достижения химического равновесия, и зависят от гидродинамического режима в среде, концентрации ионов, структуры зерен ионита и его свойств.

По завершении процесса ионного обмена иониты регенерируют: катиониты обрабатывают 2–8%-процентными растворами кислот с переводом в Н-форму, а затем пропускают через регенерационную среду раствор поваренной соли, в результате чего Н-группа заменяется на Na-группу. Отработанные аниониты регенерируют 2–6 %-ми растворами щелочи с переводом их в ОН-форму. «Получаемые регенерационные растворы (элюаты) содержат в сконцентрированном виде все извлеченные из сточных вод ионы. Элюаты, представляющие собой растворы кислот и щелочей, нейтрализуют или обрабатывают с целью извлечения ценных компонентов» [1].

«Процессы ионообменной очистки проводят в установках периодического и непрерывного действия. Последние наиболее предпочтительны для промышленных условий, поскольку позволяют при использовании компактного оборудования снизить удельный расход ионитов, реагентов для их регенерации и промывной воды. Установки непрерывного действия состоят из нескольких ионообменных аппаратов (колонн) с катионитом и анионитом, работающих с движущимся слоем ионита или с кипящим слоем смолы» [1]. В аппаратах с движущимся слоем ионита использована противоточная схема, однако, они имеют сравнительно небольшую удельную производительность (1–5 м³/(м²*ч)) и малоэффективны из-за сильного перемешивания фаз и неравномерного распределения смолы по сечению колонны. Для повышения эффективности процесса применяют колонны с псевдоожиженным слоем или пульсацией. Колонны с тарелками провального типа (рис. 8.8, а) имеет удельную производительность 30–45 м³/(м²*ч). Тарелки с лопатками расположены под углом 30⁰, а лопатки двух соседних тарелок направлены в противоположные стороны. Этим обеспечивается спиральное противоточное движение ионита и раствора. Для регенерации смолы часто используют пневмопульсационные колонны (рис. 8.8, б). Сорбент подают через коническую трубу, на выходе из которой он подхватывается воздухом, двигается навстречу активному раствору и удаляется сверху.

Рис. 7.8. Колонны для ионообменной очистки: а – с тарелками провального типа: 1 – корпус; 2 – зона разделения; 3 – тарелки; 4 – аэролифт; б – регенерационная пневмопульсационная:

1 – колонна; 2 – решетка; 3 – труба; 4 – распределитель раствора

Экстракционная очистка сточных вод

«Экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, ионы металлов и др. В общем случае экстракция более целесообразна, чем адсорбция, если концентрация извлекаемых веществ выше 3–4 г/дм³. Процесс очистки состоит из трех стадий. Сначала сточная вода интенсивно смешивается с экстрагентом (органическим растворителем) с образование двух жидких фаз: экстракта (экстрагент с извлекаемым веществом) и рафината (сточная вода и экстрагент). Вторая стадия – разделение экстракта и рафината, третья стадия – регенерация экстрагента из экстракта и рафината» [1].

«Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой и непрерывной противоточной экстракции (рис. 8.9). В первой схеме каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. На последней ступени исходная сточная вода смешивается с экстрагентом, содержащим значительное количество извлеченного вещества, а на первой ступени – со свежим экстрагентом. Такой противоток обеспечивает создание большой движущей силы процесса экстракции. При непрерывной экстракции используются противоточные колонны (распылительные, насадочные, тарельчатые, с центробежным аппаратом)» [1].

«Для возврата отработавшего экстрагента в процесс экстракции его извлекают из экстракта. Такая регенерация проводится с применением вторичной экстракции (с другим растворителем), а также выпариванием, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Если экстрагент не следует возвращать в цикл, то после извлечения из него ценных веществ он может быть использован для технологических целей или в качестве топлива (если экстрагированное вещество не является ценным)» [1].

 

Рис. 8.9. Схемы экстракционных установок: а) – схема многоступенчатой противоточной экстракции: 1–3 – смесители; 1’–3’ – отстойники; б) – схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента из экстракта и рафината; 1 – система удаления экстрагента из рафината; 2 – колонна; 3 – система удаления экстрагента из экстракта

«Для предотвращения загрязнения сточной воды частично растворимым в ней экстрагентом и сокращения потерь экстракт удаляют из рафината адсорбцией или отгонкой отработанным паром или отходящими дымовыми газами» [1].

«Жидкостная экстракция занимает особое место в процессах извлечения ценных металлов из сточных вод и обеспечивает их концентрирование для последующей рекуперации. Сначала металлы из сточной воды переводят в органическую фазу (экстрагент и органическую жидкость), а затем проводят реэкстракцию, переводя металлы в водный раствор. В качестве экстрагентов применяют органические кислоты, эфиры, спирты, кетоны, амины и др., а реэкстрагентов – водные растворы кислот и оснований» [1].

Обратный осмос и ультрафильтрация

«Данные методы реализуются в процессе фильтрования сточной воды через полупроницаемые мембраны при давлении (Р), превышающем осмотическое. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая молекулы растворенного вещества, размеры которых не больше молекул растворителя (обратный осмос при давлении до 10 МПа), или на порядок их больше (ультрафильтрация при Р=0,1–0,5 МПа). Установка обратного осмоса весьма проста и экономична, имеет высокую эффективность, но требует периодической замены мембран при заметном возрастании у их поверхности концентрации растворенного вещества, а также работы аппаратуры при повышенных давлениях, что требует ее специального уплотнения» [1].

«Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических условий, природы и концентрации содержащихся в сточных водах примесей, температуры. При увеличении концентрации раствора увеличивается осмотическое давление растворителя, что снижает проницаемость и селективность фильтра. С ростом температуры из-за уменьшения плотности и вязкости раствора проницаемость фильтра увеличивается, но при этом растет осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембранах лучше, чем органические. Повышение давления увеличивает удельную производительность мембран до тех пор, пока с его ростом сама мембрана не уплотняется. Обратный осмос применяют для разделения растворов, содержащих частицы с размерами 0,0001–0,001 мкм, а ультрафильтрацию – для частиц размерами 0,001–0,02 мкм. Данные методы рекомендуется применять при содержании в электролитах: одновалентных солей – не  более 10 %, двухвалентных – 15 %, многовалентных – 20 %. Для органических веществ эти пределы несколько выше» [1].

Наибольшее распространение получили мембраны из ацетатцеллюлозы. Для проведения процесса применяют четыре типа аппаратов:

1. Типа фильтр-пресса с плоскопараллельными фильтрами.

2. С трубчатыми фильтрующими элементами.

3. С рулонными или спиральными элементами.

4. С мембранами в виде полых волокон.

Аппараты первого типа имеют невысокую производительность из-за небольшой площади мембраны. Аппараты второго типа при давлении 3–4 МПа имеют производительность от 400 до 1000 дм³/(м²*ч) при скорости воды 0,9–12 м/с, но более энергоемки, дороги и сложны в эксплуатации, чем фильтр-прессы. Аппараты третьего типа имеют широкий диапазон производительности, но монтаж и смена в них мембран отличается повышенной сложностью. Аппараты четвертого типа компактны и обеспечивают высокую производительность, но имеют относительно большое гидравлическое сопротивление.

«Установки мембранного разделения собирают из большого числа отдельных модулей в батареи. Для небольших производительностей модули соединяют параллельно. Для увеличения выхода фильтрата модули собирают последовательно-параллельно. Для одновременного разделения органических и неорганических веществ используют обратный осмос и ультрафильтрацию. При этом в процессе ультрафильтрации получают концентрат органических веществ, а затем в процессе обратного осмоса – концентрат неорганических веществ и чистую воду» [1].

Десорбция, дезодорация и дегазация сточных вод

«Сточные воды ряда металлургических производств загрязнены летучими примесями органического и неорганического происхождения, в том числе сероводородом, диоксидом серы, диоксидом углерода и др. Удаление таких примесей осуществляется десорбцией. При пропускании инертного газа, малорастворимого в воде (воздух, диоксид углерода, дымовые газы и др.) через сточную воду, летучий компонент диффундирует в газовую фазу, поскольку парциальное давление газа над раствором больше, чем в окружающем воздухе. Десорбцию осуществляют в тарельчатых, каскадных и распылительных колоннах. Количество вещества, перешедшего в газовую фазу, растет с увеличением температуры среды, поверхности контакта фаз и коэффициента массопереноса. Десорбированное из воды вещество направляют на адсорбцию или каталитическое сжигание» [1].

«В некоторых сточных водах содержатся дурно пахнущие вещества (сероводород, углеводороды, аммиак, альдегида и пр.). Для их дезодорации можно использовать ряд способов: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку продуктами сжигания топлива, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракцию, адсорбцию и микробиологическое окисление. Наиболее эффективной является аэрация воды при продувании ее сжатым воздухом (процесс десорбции)» [1].

«Применение иных способов связано со специфическими особенностями содержащихся в воде примесей. Например, для эффективной очистки воды от сероводорода окислением кислородом воздуха при атмосферном давлении, процесс проводят в присутствии катализатора (железной стружки, графитового материала и др.) в аэрационном бассейне, продуваемом сжатым воздухом. При этом часть сероводорода окисляется до элементной серы, а другая часть отдувается воздухом в адсорбер с активным углем. После насыщения активный уголь регенерируют сульфатом аммония» [1].

«Присутствие в сточных водах растворенных газов существенно затрудняет их очистку и использование. Растворенные газы удаляют дегазацией, осуществляемой химическим, термическим и десорбционным (аэрационным) методами. Выбор метода зависит от растворенного газа и его концентрации в воде. На металлургических предприятиях наиболее распространенным способом является аэрация, проводимая, в зависимости от требуемой производительности, в пленочных, насадочных, барботажных или вакуумных дегазаторах» [1].

Электрохимическая очистка

Данные методы применяют для очистки сточных вод, содержащих ценные или высокотоксичные компоненты, поскольку на осуществление процесса требуется большой удельный расход электроэнергии. «Очистку проводят без использования химических реагентов на автоматизированных установках с применением процесса анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа, протекающих при пропускании постоянного тока через очищаемую воду» [1].

«Анодное окисление и катодное восстановление проводят в электролизерах. На аноде ионы отдают электроны (реакция окисления), а на катоде происходит присоединение электронов (реакция восстановления). При окислении вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием CO₂, NH₃ и H₂O, или образуют простые нетоксичные соединения, которые затем удаляют другими методами» [1].

«Катоды изготавливают из стали, графита, металлов, покрытых вольфрамом, молибденом. Для анодов используют электролитически нерастворимые материалы (графит, магнетит и др.)» [1].

«Анодное окисление широко применяют, например, для очистки сточных вод, содержащих простые и комплексные соединения цианидов с концентрацией их до 600 мг/дм³» [1]. Процесс проводится при добавке в воду NaCl для повышения ее электропроводности и протекает по следующей схеме:

2Cl^--2e=Cl₂,

CN^-+Cl₂+2OH^-=CNO+2Cl^-+H₂O,

2CNO^-+3Cl₂+4OH^-=2CO₂+N₂+6Cl^-+2H₂O,

т.е. разрушение цианидов происходит в результате прямого электрохимического окисления на аноде и окисления хлором, выделяющимся на аноде при разложении NaCl.

«Катодное восстановление проводят для удаления из сточных вод ионов металлов с получением осадков, для перевода загрязняющего компонента в менее токсичную форму или в легко выводимое из воды соединение (осадок, газ). При катодном восстановлении по схеме:

Meⁿ⁺+ne=Me

выделяемый из воды металл осаждается на катоде и затем может быть рекуперирован» [1].

«Процессы электрокоагуляции в металлургии применяют относительно редко и преимущественно для очистки масло-эмульсионных сточных вод. Электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами. При прохождении между ними сточной воды происходит ее электролиз, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы и взаимодействие продуктов электролиза друг с другом» [1].

«Электрофлотаторы используют эффект удаления взвешенных частиц пузырьками газа, образующимися при электролизе воды (на аноде – кислорода, на катоде – водорода). Более эффективная очистка достигается при использовании растворимых электродов, в результате чего образуются кроме пузырьков газа еще и хлопья коагулянтов. Электрофлотационные установки применяют в случаях, когда обычная флотация не дает требуемого качества очистки» [1].

«Электродиализ для очистки промышленных сточных вод применяется крайне редко, хотя считается перспективным способом. Процесс основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран – анионообменной и катионообменной. Первая мембрана пропускает в анодную зону анионы, а вторая – пропускает катионы в катодное пространство. Простейшая конструкция установки представляет собой ванну, разделенную на три камеры. В среднюю камеру поступает сточная вода, в боковые, где расположены соответственно катод и анод – чистая вода. При прохождении тока на аноде выделяется кислород и образуется кислота, а на катоде выделяется водород и образуется щелочь. За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы H⁺ и OH^-, образуя воду. Применение метода ограничено тем, что при электродиализе из-за концентрационной поляризации на поверхности мембран осаждаются соли, что ухудшает показатели очистки» [1].

 

ЛЕКЦИЯ № 9. СИСТЕМЫ БИОХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Принципы и методы биотехнологической очистки

«Биологические методы очистки сточных вод основаны на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы обладают рядом особых свойств, из которых выделим три основных, используемых для целей очистки:

- способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования;

- свойство быстро размножаться. В среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мин. По утверждению проф. Н.П. Блинова, если бы микроорганизмы могли беспрепятственно размножаться, то при наличии достаточного питания и соответствующих условий за 5–7 дней масса только одного вида микроорганизмов заполнила бы бассейны всех морей и океанов. Этого не происходит из-за ограниченности источников питания и благодаря сложившемуся природному экологическому равновесию;

- способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений» [3].

«В живой микробиальной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса – распад молекул (катаболизм) и их синтез (анаболизм), составляющие в целом процесс обмена веществ – метаболизм» [3].

«Источником питания для гетеротрофных микроорганизмов являются углеводы, жиры, белки, спирты и т.д., которые могут расщепляться ими либо в аэробных, либо в анаэробных условиях. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Некоторые промежуточные продукты служат питательным резервом, который клетка использует после истощения основного питания» [3].

«Весь цикл взаимоотношений клетки с окружающей средой в процессе изъятия из нее и трансформации питательных веществ определяется и регулируется соответствующими ферментами. Ферменты локализуются в цитоплазме и в различных субструктурах, встроенных в мембрану клетки, выделяются на поверхность клетки или в окружающую среду» [3].

«Наиболее полным является процесс аэробного окисления, так как его продукты – вещества, не способные к дальнейшему разложению в микробиальной клетке и не содержащие запаса энергии, которая могла бы быть высвобождена обычными химическими реакциями. Главные из этих веществ – диоксид углерода (СО₂) и вода (Н₂О). Хотя оба эти вещества содержат кислород, химический путь их образования в клетке может быть различным, поскольку диоксид углерода может получаться в результате биохимических процессов, протекающих в бескислородной среде под воздействием ферментов – декарбоксилаз, отщепляющих СО₂ от карбоксильной группы (СООН) кислоты. Вода в результате жизнедеятельности клетки образуется исключительно путем соединения кислорода воздуха с водородом тех органических веществ, от которых он отщепляется в процессе их окисления» [3].

«Для удаления из воды растворенных органических веществ наиболее часто применяют биохимическое их окисление в природных или искусственно созданных условиях. В первом случае для этого используются почвы, проточные и замкнутые водоемы (реки, озера, лагуны и т. п.), во втором – специально построенные для очистки сооружения (биофильтры, аэротенки и другие окислители различных модификаций). Эти сооружения аналогичны сооружениям, применяемым для очистки бытовых сточных вод; специфичны лишь исходные расчетные данные (нагрузка по воде и по количеству загрязняющих веществ на единицу объема сооружения), которые определяются особенностями состава производственных стоков» [3].

«Наибольшие трудности при очистке бытовых и производственных сточных вод связаны с удалением из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Для извлечения таких примесей используются биологические, точнее, биохимические процессы, осуществляемые комплексом различных видов микроорганизмов, способных адаптироваться (приспосабливаться) к условиям среды, т. е. к составу воды и концентрации в ней загрязнений, а также к температуре и активной реакции воды. Этим свойством объясняется то, что практически биологическая очистка сточных вод, содержащих различного рода органические вещества, производится в основном одним и тем же комплексом микроорганизмов» [3].

«Процесс биологической очистки условно разделяют на две стадии (протекающие одновременно, но с различной скоростью): адсорбция из сточных вод тонкодисперсной и растворенной примеси органических и неорганических веществ поверхностью тела микроорганизмов и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в ней биохимических процессах (окислении, восстановлении). Обе стадии наблюдаются в аэробных и в анаэробных условиях. Соответственно и микроорганизм разделяют на две группы – аэробные и анаэробные» [3].

Окисление органических веществ

«Согласно методике ВНИИ ВОДГЕО, процесс биоокисления производственных сточных вод оценивается путем учета развивающейся сапрофитной микрофлоры и простейших и сравнения этих данных с величинами контрольного опыта. Окончательное суждение о составе вещества выносится по результатам прямого эксперимента, проводимого в модели очистного сооружения, условия работы которого максимально моделируют натурное сооружение» [3].

«Определение состава промежуточных и конечных продуктов процесса биологического окисления органических веществ – большая и сложная проблема, применительно к очистным сооружениям канализации практически не решенная. Сложность проблемы обусловлена колебаниями состава исходного сырья, а также изменчивостью условий работы очистного сооружения. Однако в приложении к процессам, происходящим в очистных сооружениях, можно, по-видимому, говорить о тех же основных путях трансформации органических веществ, какие встречаются в природных условиях и свойственны многим микроорганизмам» [3].

«Окисление в сооружениях не всегда проходит до конца, т.е. до образования СО₂ и Н₂О. В воде после биологической очистки могут появиться вещества – промежуточные продукты, которых не было в исходной сточной воде, иногда даже менее желательные для водоема, чем первоначальные загрязнения. В связи с этим глубокая расшифровка веществ в очищенной сточной воде – важная задача при решении вопроса об их дальнейших превращениях в водоеме (почве)» [3].

«Суммарное количество органических веществ, которое может быть изъято и разрушено комплексом микроорганизмов, в основном определяется биомассой этого комплекса. Скорость же изъятия веществ и их окисления зависит от многочисленных факторов: от структуры веществ и их концентрации, их сочетания в очищаемых водах и способности взаимодействовать, от степени их токсичности и т.д.» [3].

«Биохимическому окислению могут подвергаться и некоторые минеральные вещества, например сероводород с помощью серобактерий окисляется до элементной серы и серной кислоты, аммиак окисляется до азотистой, азотной кислоты (нитрификация)» [3].

Методы биоокисления загрязнений

«Биологические методы находят все более широкое применение для очистки сточных вод различных производств благодаря таким достоинствам, как низкий расход энергии, высокий возвратный энергетический потенциал (например, выделение газа в процессе анаэробного сбраживания), отсутствие вторичного загрязнения воды, способность обеспечивать жесткие нормативы условий сброса и, наконец, относительно невысокие эксплуатационные расходы» [3].

«Окисление загрязнений может происходить в анаэробных и аэробных условиях. Очистка анаэробным способом производится в метантенках – резервуарах закрытого типа, содержащих анаэробный ил. Этот ил включает различные группы микроорганизмов, осуществляющих процессы брожения» [3].

«Анаэробная очистка ведется в диапазоне 20–60° С и применяется для сбраживания высококонцентрированных сточных вод, а также для обезвреживания осадков сточных вод и избыточного ила, образующегося в аэротенках. К достоинствам анаэробного метода относятся возможность очистки очень загрязненных сточных вод без предварительного разбавления и относительно невысокие эксплуатационные расходы, так как отпадает необходимость в подаче воздуха, а влажность ила и его прирост во много раз меньше, чем при аэробном процессе; кроме того, в процессе сбраживания образуется значительное количество метана, который может быть использован для нужд энергетики» [3].

«Однако из-за ряда недостатков (невысокой скорости процесса, неспособности микроорганизмов сбраживать некоторые органические соединения, высокой чувствительности анаэробных процессов к температуре и концентрации веществ, взрывоопасности образующихся при брожении газов) метод нецелесообразно применять для очистки сточных вод многих видов производств. Поэтому наибольшее распространение получили аэробные методы биологической очистки» [3].

«Аэробная очистка осуществляется организмами, нуждающимися в свободном кислороде воздуха, и происходит как в естественных условиях (водоемах, окислительных прудах, на полях орошения), так и на искусственных очистных сооружениях (в аэротенках различных систем, аэрофильтрах, биофильтрах). Чаще всего аэробная очистка осуществляется в аэротенках – открытых бассейнах проточного типа с принудительной аэрацией, содержащих активный ил. В иле находится огромное количество бактерий и простейших» [3].

«Иловая смесь (сточная вода и активный ил) подвергается интенсивной аэрации, продолжительность которой зависит от концентрации примесей в сточной воде и заданной степени очистки. При этом происходит окисление сложных органических веществ, содержащихся в сточных водах до простых продуктов. Тот же принцип применяется при очистке сточных вод на биофильтрах, конструктивно отличающихся тем, что сточная вода фильтруется через какой-либо пористый материал (кокс, керамзит, шлак и т.д.)» [3].

«Аэробная очистка сточных вод может производиться в биологических прудах. В таких прудах формируется своеобразный комплекс бактериальной флоры и фитопланктона, под действием которого происходит окисление органического вещества сточных вод. Существует три типа прудов: сточные воды разбавляются в пруду чистой речной водой; неочищенная сточная вода проходит последовательно 4–6 ступеней очистки; пруд для доочистки устраивается после станции биологической очистки. Наибольшее распространение получили пруды, заполняемые неочищенной сточной водой» [3].

«Биоценоз в прудах более разнообразен, чем в аэротенках, однако концентрация микроорганизмов там обычно невелика, поэтому необходимый период пребывания в них сточных вод достигает десятков суток. Наряду с этим глубина процесса очистки в прудах может превышать показатели, достигаемые в обычных аэротенках» [3].

«В зависимости от условий жизнедеятельности микроорганизмов в процессе очистки биомасса может уменьшаться или увеличиваться. Прирост ее зависит от соотношения между количеством органических веществ, поддающихся биохимическому распаду, выраженным БПК, и общим количеством органических веществ, содержащихся в очищаемой сточной жидкости, выраженным ХПК. Чем больше величина этого соотношения, тем выше прирост биомассы, так как происходит он за счет разницы в количестве органического вещества, оцениваемого по ХПК и БПК. В производственных сточных водах соотношение БПК и ХПК колеблется в пределах от 0 до 0,9» [3].

«Зависимость между приростом биомассы и БПК необходимо учитывать при выборе типа биоокислителя. Очевидно, что для очистки стоков с большой ХПК и малой ВПК нельзя применять биофильтры обычной конструкции с мелко- и даже крупнозернистым загрузочным материалом, так как будет неизбежным их заиливание биопленкой и нарушение нормальной работы. В этом случае рекомендуется применять аэротенки» [3].

«Прирост биомассы устанавливают экспериментально при изучении сточных вод и выяснении возможных наиболее эффективных методов их очистки или принимают по данным эксплуатации очистных сооружений для аналогичных сточных вод. При ориентировочных расчетах используют (по данным ВНИИ ВОДГЕО) уравнение

Пр=К(ХПК-БПК_полн),

где Пр – прирост биомассы активного ила в аэротенках, рассчитанных на полную очистку; К – коэффициент пропорциональности, характеризующий количество ила; для промышленных сточных вод К=0,1–0,9, или уравнение

Пр=(ХПК_н-ХПК_о-БПК_н-БПК_о-α)/r,

где ХПК_н, ХПК_о – химическая потребность кислорода соответственно в неочищенной и очищенной воде; БПК_н, БПК₀ – биологическая потребность кислорода соответственно в неочищенной и очищенной воде; α – убыль биомассы активного ила вследствие автолиза за время пребывания жидкости в аэротенке; r – ХПК 1 мг биомассы активного ила» [3].

«О возможности очистки производственных сточных вод судят по ряду показателей качественной и количественной характеристик. Основными из них являются:

- способность органических веществ сточных вод биохимически окисляться; эта способность определяется по соотношению БПК и ХПК;

- концентрация загрязняющих веществ;

- наличие в сточных водах необходимых для микроорганизмов питательных веществ (азота, фосфора, калия);

- наличие и концентрация веществ, способных оказывать токсическое воздействие на микроорганизмы;

- активная реакция сточных вод» [3].

«Часто предварительная подготовка производственных сточных вод к биотехнологической очистке сводится к снижению начальной концентрации в них загрязняющих веществ примерно до 1 г/дм³. В этих случаях ограничиваются разбавлением концентрированных стоков. В качестве разбавляющей воды используются условно-чистые производственные воды и биологически очищенные стоки; последние можно применять лишь в тех случаях, если они не содержат токсичных веществ, которые не разрушаются биохимически и при повышении их концентрации за счет рециркуляции могут затормозить или приостановить биохимические процессы окисления органических веществ разбавляемой сточной жидкости. Количество рециркулируемой биологически очищенной воды, как правило, не должно превышать 25 % разбавляемого стока» [3].

«Сильнощелочные или кислые производственные стоки нередко приходится предварительно нейтрализовать до оптимального значения активной реакции 6,5–8,5» [3].

«Ограничивается также концентрация растворенных солей: общее их количество, как правило, не должно превышать 10 г/дм³» [3].

«Биоокислители непрерывно снабжаются кислородом воздуха. Общее его количество должно быть таким, чтобы в выходящей из вторичного отстойника очищенной воде было не менее 2 мг/дм³ кислорода» [3].

«При повышенном содержании в сточных водах труднооседающих примесей целесообразно предусматривать предварительную аэрацию или биокоагуляцию таких вод. В результате достигается более высокий эффект удаления взвешенных веществ при последующем отстаивании, а также значимое снижение ВПК» [3].

Биотехнологическая очистка сточных вод в природных условиях

«Для биотехнологической очистки производственных сточных вод могут быть применены все известные методы очистки в естественных условиях. Однако применение почвенных методов связано с рядом ограничений, обусловленных количеством и характером сточных вод, санитарно-гигиеническими требованиями и способами утилизации» [3].

Почвенная очистка

«Почва – это сложный комплекс органических и неорганических веществ, заселенный большим числом различных микроорганизмов. Число бактерий в 1 г почвы исчисляется сотнями миллионов. В почве отсутствуют благоприятные условия для развития патогенной микрофлоры, паразитирующей в организме человека, вследствие чего почва представляет собой надежный и мощный фактор обезвреживания сточных вод. В результате почвенной очистки одновременно решаются две основные задачи – минерализация внесенных органических веществ и обеззараживание» [2].

«Затруднения возникают при выборе площадки для устройства полей из-за высоких требований в отношении защиты окружающей природной среды, предусматривающих, в частности, полное исключение возможности попадания сточных вод с полей в водоносные слои, используемые в качестве источников водоснабжения» [2]. Необходимо также отметить постоянное повышение требований врачей-гигиенистов к сточным водам, поступающим на поля орошения.

«Сооружения почвенной очистки сточных вод по мощности разделяют на малые, средние и крупные с расчетной пропускной способностью 0,5–25 и 25–700, 1400–10000 и 17000–80000, 100000–280000 м³/сут» [2].

«Малые сооружения имеют много разновидностей: площадки подземного орошения (ППО), площадки подземной фильтрации (ППФ), фильтрующие колодцы (ФК), фильтрующие траншеи с естественным или искусственным слоем грунта (ФТ) и песчано-гравийные фильтры (ПГФ). Малыми сооружениями могут считаться и небольшие поля подземного орошения или подземной фильтрации. Самыми крупными сооружениями являются коммунальные поля орошения (КПО), земледельческие поля орошения (ЗПО) и поля наземной фильтрации (ПНФ)» [2].

«Применяют несколько видов систем орошения: сплошной залив, залив по бороздам и полосам, дождевание и подпочвенное орошение. Считают, что из всех способов орошения подпочвенное (рис. 9.1) наиболее удовлетворяет эпидемиологическим, санитарно-техническим, агроэкономическим, эстетическим и водохозяйственным требованиям» [2].

Рис. 9.1. Очистные сооружения с полями подземного орошения: 1 – канализационный коллектор; 2 – резервуар-накопитель; 3 – насосная станция; 4 – напорный трубопровод;

5 – подпочвенный распределительный трубопровод; 6 – подпочвенный увлажнитель;

7 – гидрант-водопуск; 8 – контрольно-вентиляционный стояк

«Для очистки производственных сточных вод, по-видимому, наиболее подходят средние сооружения с пропускной способностью 1,4–10 тыс. м³/сут и городские на 17–80 тыс. м³/сут. Поэтому наибольший интерес представляют ПНФ, а также КПО и ЗПО» [2].

«Схема очистных сооружений с малыми ПНФ показана на рис. 9.2. В систему сооружений предварительной механической очистки входят решетка, песколовка и двухъярусный отстойник. Предусматриваются вывоз и обезвреживание песка, а также обезвреживание осадка из отстойников от патогенной микрофлоры и яиц гельминтов. Как самый доступный метод обезвреживания применяют иловые площадки с длительным хранением на них осадка (не менее 2 лет). Схемы сооружений с малыми ПНФ разработаны в нескольких вариантах. Один из них предусматривает круглогодичный прием сточных вод с сезонным регулированием их подачи (рис. 9.3)» [2].

Рис. 9.2. Схема очистных сооружений с малыми полями наземной фильтрации производительностью 100 м³/сут: 1 – канализационный коллектор; 2 – канализационный колодец; 3 – решетка; 4 – установки утилизации или обезвреживания отбросов;

5 – песколовка; 6 – песковые площадки; 7 – двухъярусный отстойник; 8 – иловые площадки; 9 – распределительное устройство; 10 – карты полей фильтрации

Рис. 9.3. Схема очистных сооружений с малыми полями орошения при круглогодичном приеме сточных вод: 1 – канализационный коллектор; 2 – канализационный колодец;

3 –решетка; 4 – установки утилизации или обезвреживания отбросов; 5 – двухъярусный отстойники; 6 – иловые площадки; 7 – распределительное устройство; 8 – поля орошения;

9 – пруды-накопители

«Полив осуществляется только в вегетационный период, в остальное время года сточные воды должны поступать в пруды-накопители вместимостью, равной 6-месячному накоплению в них воды. В качестве системы орошения в последние годы предложено попользовать передвижное ирригационное оборудование» [2].

«Схема очистной станции с большими полями орошения показана на рис. 9.4. Сточная жидкость подается на эти поля после механической очистки. Осадки обрабатываются в метантенках. Вода с полей отводится через дренажную систему. Поскольку сточные воды для полива можно использовать только в определенный период, более перспективной в настоящее время считается система с частичным использованием биологически очищенной воды для орошения. По такой схеме работает сейчас Бортническая оросительная система Киева» [2].

Рис. 9.4. Схема очистных сооружений с большими полями орошения:1 – канализационный коллектор; 2 – канализационный колодец; 3 – решетка; 4 – дробилки; 5 – песколовка;

6 – песковые площадки; 7 – отстойник; 8 – метантенк; 9 – иловые площадки;

10 – распределительный колодец; 11 – поля орошения; 12 – дренаж; 13 – биологический пруд; 14 – подача воды для технических целей; 15 – выпуск в водоем

Орошение биологически очищенными водами не исключает полностью возможности загрязнения почвы и выращиваемых растений патогенными бактериями и яйцами гельминтов. В связи с этим поиск и разработка новых очистных систем, безопасных в санитарном отношении, продолжается.

Биологические пруды

«Биологические пруды – искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы» [2].

«Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией; эти две разновидности прудов называются соответственно аэробно-анаэробными, а также факультативными и аэробными лагунами. Режим в лагуне аэробно-анаэробный, если аэрация обеспечивает наличие растворенного кислорода только в поверхностных слоях воды. Искусственную аэрацию можно осуществлять с помощью механических аэраторов или путем продувки воздуха через толщу воды. Наиболее эффективно окислительные процессы в прудах проходят в летнее время, кроме того, в это время выходящая из пруда вода не содержит патогенной микрофлоры. Полагают, что бактерицидным действием на патогенную микрофлору обладают метаболиты (продукты жизнедеятельности) ряда одноклеточных водорослей и высшей водной растительности. В связи с этим хлорировать очищенную в прудах воду требуется преимущественно в зимнее время года. Для лучшего прогрева воды, ее освещения и аэрации пруды с естественной аэрацией устраивают неглубокими (1 м). При наличии механических аэраторов глубину пруда увеличивают до 3 м, чтобы предохранить его дно от размыва. Пруды с искусственной аэрацией устраивают из нескольких параллельных каскадов (до трех-пяти, но не менее двух); после прудов рекомендуется выделять отстойные секции и предусматривать их очистку» [2].

«Применение искусственной аэрации в прудах значительно ускоряет процессы очистки воды, но вследствие малой скорости окисления необходимая продолжительность пребывания воды в прудах все же очень высока» [2].

«В окислительных процессах существенную роль играет водная растительность, которая способствует снижению числа биогенных элементов и регулирует кислородный режим водоема» [2].

«Опыт применения биологических прудов для очистки сточных вод завода органического синтеза и ряда нефтехимических предприятий оказался положительным» [2].

«К недостаткам этих сооружений следует отнести низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях, неуправляемость и затруднительность очистки» [2].

«Если требуется глубокая очистка стоков, воду из прудов дополнительно очищают фильтрованием на песчаных фильтрах» [2].

«Допустимая нагрузка на поля фильтрации зависит от многих факторов (климатических условий региона, структуры почвы и фильтрационной ее способности, от уровня грунтовых вод, а также от характера загрязнений сточных вод и их концентрации) и поэтому колеблется в весьма широких пределах – 50–200 м³ на 1 га в сутки. Нагрузка по количеству загрязняющих веществ, оцениваемому по БПК_полн, принимается равной 20–80 кг/га. Точно она устанавливается по результатам натурных обследований» [2].

Существенным недостатком прудов с естественной аэрацией является потребность в больших площадях. Значительное сокращение площади биологического пруда достигается применением искусственной аэрации. В таких прудах аэрационными устройствами (поверхностными механическими аэраторами, дырчатыми пневматическими аэраторами) создается постоянное движение воды, в 5–7 раз увеличивающее коэффициент неконсервативности.

Если позволяют местные условия, то воду, выходящую из прудов (с естественной или искусственной аэрацией), следует фильтровать через заросли высшей водной растительности (камыши, тростник, рогоз), что повышает глубину очистки воды. Высшая водная растительность в период вегетации практически полностью извлекает из воды соединения азота, чем защищает водоем (приемник сточных вод) от эвтрофикации, а технологическую аппаратуру (при повторном использовании очищенных вод) – от обрастания.

Водную растительность можно размещать в последних ступенях пруда – у выхода воды и за пределами пруда – в староречье, на мелководье, на заболоченных территориях.

При расчетах принимают, что нагрузка по воде может составлять 20000 м³/сут на 1 га при размещении 100–200 стеблей на 1 м.

Численность водной растительности необходимо регулировать, поскольку она способна разрастаться. В благоприятных условиях численность растительности регулируют растительноядными рыбами (белый амур, пестрый амур, толстолобик и др.). Предполагается, что уровень растительности останется неизменным, если принять 5 экз. взрослых особей рыбы на 1 га зарослей растительности.

Из изложенного следует, что во всех случаях необходимо предусматривать хлорирование воды, которое можно использовать в любой момент времени. Хлор желательно вводить в воду на выходе ее из биологического пруда.

В сложных схемах очистки первыми размещают биологические пруды, а за ними фильтры. Это обеспечивает более глубокую очистку сточной жидкости. При размещении прудов после фильтров летом при вспышках цветения можно получить воду, загрязненную взвешенными веществами. Промывную воду фильтров следует направлять в первичные отстойники с тем, чтобы она прошла всю схему очистки. Если же по местным условиям ее окажется целесообразным направить в головную секцию прудов, то это можно сделать только после выделения из нее вымытых из фильтра взвешенных веществ.

Очистка сточных вод в искусственных условиях

Биологическая очистка сточных вод в искусственных условиях имеет многолетнюю историю. Первые очистные сооружения были построены в Англии; биофильтр в 1893 г. и аэротенк в 1914 г. В отечественной науке и технике ведущая роль в популяризации идей биологической очистки, глубоком изучении процессов окисления, создании первых методов расчета сооружений и разработке принципиально новых конструкций принадлежит С. Н. Строганову, К. Н. Королькову, Н. А. Базякиной.

«Всю совокупность сооружений биологической очистки целесообразно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы: 1) активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки; 2) активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии; 3) сочетаются оба варианта расположения биомассы» [2].

«Первую группу сооружений составляют биофильтры; вторую – аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки; третью – погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями» [2].

Характеристики ила и биопленки

«Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку). Действие других факторов – температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода – практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов» [2].

«Бактериальное микронаселение илов обычно представлено родами Pseudomonas, Bacterium, Bacillus, Corynebacterium, Arthrobacter, Mycobacterium, Micrococcus, Sarcina, Actinomyces, Nocardia и др.» [2].

«В биоценозах очистных сооружений встречаются представители трех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые (Mastigophora) и инфузории (Infusoria) с двумя подклассами – ресничные (Ciliata) и сосущие (Suctoria). Простейшие являются индикаторами состояния окислительной системы и качества очистки воды. Установлено, что в илах хорошего качества на 10¹⁶ бактериальных клеток приходится 10–16 видов простейших организмов, в илах среднего качества – 5–9 и в илах плохого качества 1–4. Этот показатель состава ила называют коэффициентом протозойности» [2].

«Из других сопутствующих организмов важное место занимают коловратки (Rotatoria) – микроскопические живые организмы длиной 0,01–2,5 мм, питающиеся бактериями, простейшими, органическим детритом. Они чувствительны к кислороду и их наличие является показателем хорошей работы очистной системы» [2].

«Кроме рассмотренных групп организмов в илах и биопленке развиваются водные грибы, дрожжи, плесени, а в биопленке встречаются даже водные клещи, мушки Psichoda» [2].

«Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию. Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120–150 мл/г – удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г – плохо» [2].

Биофильтры

«Биологический фильтр (биофильтр) – сооружение, в котором сточная вода фильтруется через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой (биопленкой), образованной колониями микроорганизмов» [3] (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Схема биологического фильтра: 1 – подвод сточной воды;

2 – водораспределительное устройство; 3 – фильтрующая загрузка; 4 – дренажное устройство; 5 – очищенная сточная вода; 6 – вентиляционное устройство

«Биофильтр состоит из следующих частей:

- фильтрующей загрузки, помещенной в резервуар в плане круглой или прямоугольной формы;

- водораспределительного устройства, обеспечивающего равномерное орошение сточной водой поверхности загрузки биофильтра;

- дренажного устройства для удаления очищенной сточной воды;

- вентиляционного устройства, с помощью которого поступает необходимый для окислительного процесса воздух» [3].

«Толщина образующейся биопленки зависит от гидравлической нагрузки, концентрации органических веществ, от пористости и удельной поверхности загрузочного материала, влияния внешней среды и многих других факторов.

Общая толщина слоя биопленки может составлять от микрон в верхних его слоях до 3–6 мм в нижних» [3].

«Процессы биологического окисления органических загрязнений в биофильтрах протекают значительно интенсивнее за счет увеличенной пористости загрузочного материала по сравнению с пористостью почв» [3].

«В качестве фильтрующего материала для загрузки биофильтров применяется шлак, щебень, керамзит, пластмасса, гравий и т. п. Общие требования к загрузочным материалам – водоустойчивость, устойчивость к специфическим загрязнениям стоков и достаточная прочность. При выборе загрузки предпочтение следует отдавать материалам с развитой поверхностью (шлак_, керамзит, кольца и решетки из пластмассы)» [3].

«По способу поступления воздуха в толщу загрузки биофильтры бывают с естественной и принудительной подачей воздуха» [3].

«Биофильтры с естественной подачей воздуха применяют для очистки небольшого количества сточных вод (до 1000 м³/сут). Для очистки сильно концентрированных производственных вод и вод, содержащих вещества, обусловливающие большой прирост биопленки, применять биофильтры с естественной подачей воздуха не рекомендуется, так как при допустимой по действующим нормам гидравлической нагрузке на 1 м² площади поверхности они быстро заиливаются» [3].

«Очищаемая сточная вода подается на биофильтры непрерывно или периодически с продолжительностью цикла (наполнение и опорожнение дозирующего бачка) 5–10 мин» [3].

«Распределение воды по поверхности биофильтра должно быть максимально равномерным, что достигается применением подвижных оросителей» [3].

«Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод устанавливается после того, как на загрузочном материале биофильтра образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой адаптировались к органическим веществам очищаемых сточных вод. Период адаптации к различным видам органических загрязнений сточных вод, поступающих на биофильтр, может длиться 2–4 недели в зависимости от вида загрязнения и температуры сточных вод; для некоторых производственных сточных вод он длится несколько месяцев» [3].

Аэротенки

«Для биологической очистки значительных количеств воды наиболее часто применяют аэротенки различных видов, которые отличаются друг от друга иногда весьма существенными элементами. Общим для всех аэротенков является принцип их работы, а также то, что они дают возможность эффективно влиять на скорость и полноту протекающего в них биохимического процесса» [3]. Последнее имеет исключительно важное практическое значение при очистке производственных стоков нестабильного состава, когда в них попадают не предусмотренные расчетами вещества, способные вызывать серьезные нарушения нормальной работы очистных сооружений.

Классификация аэротенков. «Аэротенки можно классифицировать по следующим основным признакам:

- по структуре потока – аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным впуском сточной жидкости, так называемые аэротенки промежуточного типа;

- по способу регенерации активного ила – аэротенки с отдельно стоящими регенераторами ила, аэротенки, совмещенные с регенераторами;

- по нагрузке на активный ил – высоконагружаемые, обычные и низконагружаемые;

- по числу ступеней – одно-, двух- и многоступенчатые;

- по конструктивным признакам – прямоугольные, круглые, комбинированные, противоточные, шахтные, фильтротенки, флототенки и др;

- по типу систем аэрации – с пневматической, механической, комбинированной гидродинамической или пневмомеханической» [3].

«Современный аэротенк представляет собой гибкое в технологическом отношении сооружение. Аэротенки могут быть успешно применены для полной или частичной очистки многих видов производственных сточных вод в широком диапазоне концентраций загрязнений и расходов сточных вод. Число конструктивных модификаций и технологических рабочих схем аэротенков непрерывно увеличивается. В аэротенках-вытеснителях, имеющих один-четыре коридора, вода и ил подаются в начало сооружения, а смесь отводится в конец его» [3].

«Аэротенк ячеистого типа представляет собой прямоугольное в плане сооружение, разделенное на ряд отсеков поперечными перегородками. Смесь из первого отсека переливается во второй (снизу), из второго – в третий (сверху) и т. д. В каждой ячейке устанавливается режим полного смешения, а сумма ряда последовательно расположенных смесителей составляет практически идеальный вытеснитель» [3].

«Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения. Принимается, что поступающая смесь очень быстро (в расчетах мгновенно) смешивается с содержимым всего сооружения» [3].

«В аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду, либо ил с отводом смеси сосредоточенно в конец аэротенка. На практике применяется первый тип – с рассредоточенной подачей воды» [3].

Окислительная мощность аэротенков колеблется от 0,5 до 1,5 кг в сутки на 1 м³ полезного объема сооружения. Зависит она от многих факторов: от физико-химической характеристики загрязняющих веществ и их концентрации, от дозы активного ила и способа его подачи, от количества подаваемого воздуха и способа его диспергирования, от степени очистки и т.д.

Рис. 9.6. Технологические схемы работы аэротенков: а) – аэротенки с дифференцированной подачей воздуха; б) – аэротенк-смеситель с рассредоточенной подачей сточной воды и активного ила; в) – аэротенк-смеситель с дифференцированной подачей сточной воды;

г) – аэротенки с регенераторами активного ила; 1 – водоподающий канал; 2 – первичный отстойник; 3 – аэротенки; 4 – вторичные отстойники; 5 – трубопровод избыточного ила;

6 – трубопровод очищенной воды; 7 – регенераторы

«Если БПК очищаемых сточных вод не превышает 500 мг/дм³, применяют аппараты с сосредоточенной подачей смеси сточной жидкости и активного ила в начале сооружения, так называемые аэротенки-вытеснители. Воздух в них распределяется равномерно по всей длине сооружения или подается в большом количестве в его начале» [3] (рис. 9.6, а).

«При очистке более концентрированных стоков, особенно стоков с резко колеблющимся составом, применяют аэротенки-смесители. Этот тип сооружений обеспечивает практически полное выравнивание скорости потребления кислорода во всех точках по живому сечению и длине аэротенка, что способствует более полному использованию подаваемого воздуха и повышает общий эффект очистки. Такие условия создаются при децентрализованном впуске сточной жидкости и активного ила или при децентрализованном впуске сточной жидкости и централизованной подаче ила» [3].

«В первом случае впускные устройства располагаются на расстоянии 3–4 м друг от друга; через такие же интервалы подается активный ил. Выпуск очищенной воды производится с противоположной впуску стороны. Воздух распределяется равномерно по длине аэротенка» [3].

«Во втором случае очищаемая вода подается рассредоточено в первую (от начала) половину аппарата по его длине. Впуск производится в четырех зонах, причем в первую (от начала) поступает 10 % общего количества сточных вод; во вторую и третью – по 35 %, в четвертую зону – 20 % (рис. 9.6, в). Активный ил подается централизованно в начале аэротенка, а воздух – равномерно по его длине» [3].

При такой схеме подачи очищаемой сточной жидкости и активного ила в первой половине аэротенка образуется зона с повышенной концентрацией загрязняющих веществ. Так же, как и в начале аэротенка-вытеснителя, в этой зоне возникает наибольшая потребность в кислороде. Поэтому сюда требуется подавать больше воздуха, чем в другие зоны, по длине сооружения, т. е распределять его дифференцировано в соответствии с изменяющейся потребностью в кислороде по ходу процесса очистки. Поскольку практически трудно осуществить такое распределение воздуха, его, как правило, подают равномерно по всей длине аэротенка.

«Аэротенки с регенераторами активного ила показаны на рис. 9.6, г. Диспергирование воздуха в очищаемой сточной жидкости производится в основном с помощью механических или пневматических аэраторов» [3].

«Активный ил в аэротенках сорбирует различные по скорости окисления загрязняющие вещества. Наиболее трудно окисляемая часть их постепенно накапливается в иле, что приводит к снижению его активности и к ухудшению работы аэротенков» [3].

«Регенерация ила достигается при уменьшенных нагрузках загрязнений на единицу его объема и длительной аэрации в специально приспособленных для этой цели регенераторах. Под регенераторы выделяется часть (обычно 25–50 %, реже 75 %) полезного объема самого аэротенка. По восстановлении активности ил направляется в аэротенки» [3] (см. рис. 9.6, г).

«С увеличением продолжительности контакта воздуха с очищаемой сточной жидкостью в биологических окислителях значительно повышается коэффициент использования кислорода; повышается также окислительная мощность окислителя. Особенно удачно эта зависимость использована в конструкциях противоточных аэротенков» [3]. Схема такого аэротенка приведена на рис.9.7.

Рис. 9.7. Противоточный аэротенк: 1 – зоны аэрации; 2 – пористые аэраторы; 3 – зоны циркуляции; 4 – эрлифты; 5 – струенаправляющие лопатки; 6 – зона отстаивания;

7 – водоотводящий лоток; 8 – подвод смеси очищаемой воды и активного ила

Метантенк

«Метантенки – сооружения, предназначенные для стабилизации осадков, отделяемых в процессах очистки сточных вод; одновременно обеспечивается обеззараживание осадков. Биохимический процесс стабилизации осуществляется в анаэробных условиях и представляет собой разложение органического вещества осадков в результате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов до конечных продуктов, в основном метана и диоксида углерода» [3].

«Наибольшее практическое применение в обогреваемых метантенках нашли два температурных режима: мезофильный (32–35° С) и термофильный (52–55° С)» [3].

«В необогреваемых сооружениях (септиках, двухъярусных отстойниках, осветлителях-перегнивателях) анаэробное брожение происходит в психрофильной зоне при температурах, определяемых климатическими условиями» [3].

«Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объема метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, отложения песка и образования корки, выравнивания температурного поля. Кроме того, перемешивание должно обеспечивать выравнивание концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения, а также поддержание необходимого контакта между ферментами и субстратами, разными группами бактерий и др. Существует некоторый предел интенсивности перемешивания, превышение которого может привести к механическому отрыву отдельных групп бактерий друг от друга, а также от частиц потребляемого ими субстрата» [3].

«Метантенки могут работать в периодическом, непрерывном и полунепрерывном режимах» [3].

«В процессе эксплуатации метантенков необходим постоянный контроль над основными показателями процесса брожения» [3]. «К ним относятся:

- выход и состав биогаза, в котором обычно содержится 60–65 % метана, 32–35 % диоксида углерода, а также некоторые количества водорода, сероводорода, азота и др.;

- степень распада органического вещества;

- содержание летучих жирных кислот, аммонийного азота и щелочность иловой жидкости;

- влажность и зольность загружаемого и сброженного осадка;

- рН» [3].

Конструкции метантенков

Метантенки представляют собой герметичные вертикальные резервуары с коническим или плоским днищем, выполненные из железобетона или стали (рис. 9.8).

Полезный объем 500–4000 м³, диаметр 10–20 м; разработаны индивидуальные проекты метантенков с полезным объемом 6000–8000 м³.

Уровень осадка поддерживается в узкой горловине метантенка, что позволяет повысить интенсивность газовыделения на единицу поверхности бродящей массы и предотвратить образование плотной корки.

Рис. 9.8. Метантенк: 1 – подача осадка; 2 – паровой инжектор; 3 – выпуск

сброженного осадка; 4 – теплоизоляция; 5 – система сбора и отвода газа; 6 – циркуляционная труба; 7 – уровень осадка

«При разработке конструкций метантенков значительное внимание уделяется теплоизоляции резервуаров и обеспечению герметичности купола» [3].

«Основными конструктивными элементами метантенков, являются:

- система подачи осадков на сбраживание и стабилизированного осадка;

- система подогрева;

- система перемешивания бродящей массы;

- система сбора и отвода выделяющегося газа» [3].

«С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадков происходит одновременно и непрерывно (или с минимальными перерывами). Такой режим исключает охлаждение бродящей массы вследствие залповых поступлений более холодных сырого осадка и избыточного ила, обеспечивает равномерность газовыделения в течение суток» [3].

«Подача осадка на сбраживание может осуществляться либо через общую для всех метантенков загрузочную камеру, либо насосом непосредственно в каждый метантенк. В том и другом случае должна быть обеспечена равномерность распределения нагрузки между отдельными сооружениями и возможность ее регулирования» [3].

«Осадок подают в верхнюю зону метантенка, а выгружают из самой нижней точки днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов подачи и выгрузки предотвращает попадание несброженного осадка в выгружаемую массу. Кроме того, при постоянной выгрузке сброженной массы из нижней части удается замедлить процесс накопления песка, который вместе с осадком из первичных отстойников попадает в метантенк» [3].

«В метантенках тепло расходуется непосредственно на подогрев загружаемого осадка до необходимой температуры; теряется через стенки, днище и перекрытие метантенка; отводится из метантенка газом» [3].

«Подогрев осадка наиболее часто осуществляют острым паром с температурой 110–112° С; его подают во всасывающую трубу насоса или непосредственно в метантенк через паровой инжектор. Инжекторы устанавливают в каждом метантенке. Забирая в качестве рабочей жидкости осадок из метантенка и подавая смесь его с паром снова в метантенк, паровой инжектор обеспечивает и подогрев осадка, и частичное перемешивание бродящей массы» [3].

Биотехнологическая очистка сточных вод на металлургических предприятиях

Биотехнологическая очистка сточных вод предприятий цветной металлургии, основными токсичными компонентами которых являются цианиды, ионы тяжелых металлов и органические флотореагенты, до недавнего времени не применялась из-за сложности состава сточных вод, больших объемов, недоступности некоторых органических флотореагентов для микроорганизмов, токсичностью действия на микрофлору активного ила, ионов металлов, цианидов, ряда органических флотореагентов.

Для очистки сточных вод обогатительных фабрик цветной металлургии подходящим видом очистных сооружений являются биологические пруды. Пруды могут вмещать большие объемы сточных вод; их строительство и эксплуатация обходятся дешевле, чем сооружений для очистки с активным илом. Кроме того, имея значительные объемы, биопруды обладают большой буферностью и при временных незначительных колебаниях расходов воды и исходной концентрации загрязнений эффективность очистки не снижается. При проведении очистки в прудах может быть использовано осуществляемое микроорганизмами воды и почвы природное самоочищение вод, которое можно интенсифицировать направленным воздействием на микробиологические процессы.

Очистка от органических флотореагентов

«Очистка может производиться либо в биологическом пруду, либо в отстойном пруду хвостохранилища путем микробного окисления органических соединений. Процесс биохимического окисления органических флотореагентов осуществляется обычной почвенной микрофлорой, содержащейся в прудах. Для увеличения количества микроорганизмов в водной фазе в отработанное хвостохранилище или в пруд вносится почва или инокулят микроорганизмов. В пруду формируется биоценоз специфических микроорганизмов, использующих содержащиеся в сточных водах органические флотореагенты в качестве единственного источника углерода и энергии путем окисления их до углекислого газа и воды. Процесс окисления интенсифицируется при введении в пруд биогеновой добавки – сернокислого аммония в количестве 6 г/м³ сточных вод» [3].

Способ использован при очистке сточных вод Кентауской обогатительной фабрики (комбинат "Ачполиметалл"), содержащих до 10 различных флотореагентов. Очистка производится в отстойном пруду хвостохранилища, в который предварительно было внесено 40 т почвы, после чего туда ежесуточно подается сернокислый аммоний в количестве 350 кг/сут. В результате достигнута очистка сточных вод фабрики объемом 60 тыс. м³/сут от органических флотореагентов до санитарных норм, установленных для водных объектов (БПК = 3 мг О₂/дм³) с одновременной частичной очисткой от металлов, цианидов и улучшением состава сточных вод по органолептическим показателям (отсутствие пены, запаха, прозрачность).

Основные технико-экономические показатели процесса: нагрузка в пруду хвостохранилища по БПК 25–30 мг/дм³ О₂; нагрузка по ХПК 60–80 мг О₂/дм³; время очистки 15–25 сут; степень очистки по БПК – до санитарных норм (3 мг/дм³ О₂); микробное число 10⁴–10⁶ кл/мл (клеток в 1 мл). Преимущество метода в том, что очистка производится в имеющемся хвостохранилище без строительства других специальных сооружений. Для очистки используются широко распространенные виды почвенных микроорганизмов и дешевые азотные добавки (сернокислый аммоний).

Очистка от цианидов

«Очистка от цианидов реализует принцип микробного разрушения цианистых соединений, а микроорганизмы используют цианиды в качестве единственного источника азота. Процесс очистки осуществляется в биологическом пруду обычной почвенной микрофлорой, которая в результате адаптации к цианиду приобретает способность к его утилизации. Для проведения очистки в пруд вносится почва как дополнительный источник микроорганизмов; процесс биохимического окисления цианидов интенсифицируется введением биогенных добавок, являющихся необходимым источником углерода для микроорганизмов (патока-меласса, свекловичный жом, древесные опилки и др.) в количестве 4 мг на 1 мг цианидов» [3].

«Способ испытан на Текелийском свинцово-цинковом комбинате для очистки сточных вод, содержащих цианиды (до 3 мг/дм3), объемом 28 тыс. м3/сут с одноразовым внесением свекловичного жома в количестве 60 т. В результате содержание цианидов снизилось до следов и улучшился состав сбрасываемых сточных вод по рН, содержанию растворенного кислорода и взвешенным веществам. Степень очистки от цианидов составляет 97–98 %» [3].

Очистка от ионов тяжелых цветных металлов

«Способ основан на способности специфической группы микроорганизмов сульфатредуцирующих бактерий использовать в процессе дыхания кислород сульфатов в качестве акцептора водорода, восстанавливая их при этом до сероводорода. Сероводород, являясь сильным восстановителем, реагирует с растворенными ионами металлов с образованием нерастворимых сульфидов, выпадающих в осадок» [3].

«Очистка производится в биологических прудах, в донных отложениях которых обычно содержатся сульфатредуцирующие бактерии. Для проведения очистки необходимо снизить окислительно-восстановительный потенциал воды пруда путем введения восстановителей или избыточного количества органических веществ. В результате происходит интенсивное размножение указанных бактерий в водной толще» [3].

«Способ был принят к промышленной эксплуатации для очистки сточных вод Балхашского горно-металлургического комбината, содержащих ионы металлов в количестве 0,2–0,3 мг/дм³. В отстойном пруду хвостохранилища было произведено скашивание тростника в количестве 320 т, что привело к снижению окислительно-восстановительного потенциала воды. Эта мера вызвала интенсивное развитие сульфатредуцирующих бактерий, в результате жизнедеятельности которых содержание вредных примесей в сточных водах снижалось независимо от сезонов года в среднем: меди на 79, мышьяка на 86 и молибдена на 44 %. Абсолютное содержание ионов меди, мышьяка и молибдена при этом составило соответственно 0,06; 0,0062 и 0,39 мг/дм³ при исходной концентрации ионов металлов до 0,2–0,3 мг/дм³. Продолжительность очистки 20–25 сут, количество сульфатредуцирующих бактерий 10²–10³ клеток на мл» [3].

Очистка от ионов металлов с применением харовых водорослей

«Харовые водоросли довольно интенсивно поглощают ионы тяжелых металлов и обогащают при этом воду кислородом. Так, введение 5 дм³ промышленных сточных вод, содержащих 5 мг/дм³ меди и 3000 мг/дм³ сухого остатка, в вегетационный сосуд с растущими в нем харовыми водорослями способствовало снижению общей минерализации через 5 сут на 190 мг/дм³ и полному удалению меди. При введении в вегетационный сосуд с харовыми водорослями сточных вод, содержащих 10 мг/л меди, и общей минерализацией 3000 мг/дм³, медь в воде через 5 сут не была обнаружена, общая минерализация воды снизилась на 115 мг/дм³» [3].

«Харовые водоросли являются неприхотливыми растениями, быстро размножаются, при этом несколько растений за 2–3 года способно образовать целые заросли. Эти водоросли представляют большой интерес для рыбоводческих хозяйств, так как обогащают пруды кислородом и являются кормом для рыб. Способ может быть внедрен при наличии в составе предприятия биологических прудов» [3].

 

РАЗДЕЛ 3. Очистка газов на предприятиях цветной металлургии

ЛЕКЦИЯ № 10. ОЧИСТКА ГАЗОВ В ЦИНКОВОМ  И СВИНЦОВОМ ПРОИЗВОДСТВАХ

Свинцовые заводы

На свинцовых заводах очищают в основном газы спекательных (агломерационных) машин, шахтных печей, купеляционных печей и печей шлаковозгонки.

Агломерирующий обжиг (спекание) свинцовых концентратов ведут либо с просасыванием газов через слой шихты, либо с дутьем снизу вверх. В первом случае обычно газы от всех камер машины смешивают; среднее содержание S0₂ в них невелико (0,5–1,5 %), и после очистки от пыли газы выбрасывают.

Во втором случае концентрация SO₂ в газах, отбираемых от головной части машины, значительно выше – 5–6 %, и эти газы используют для производства серной кислоты. Такая система агломерирующего обжига более предпочтительна.

В табл. 10.1 приведены некоторые данные о свойствах указанных видов технологических газов свинцовых заводов и содержащейся в них пыли.

Очистка газов спекательных машин

Спекательные машины с просасыванием. Газы спекательных машин с просасыванием можно очищать от пыли в сухих электрофильтрах и в рукавных фильтрах. В первом случае газы до входа в электрофильтр следует подготовить, т. е. охладить и увлажнить до относительной влажности, близкой к 90 %. Без подготовки удается достичь степени улавливания возгонов свинца всего лишь равной 40–50 %, что вызвано высоким электрическим сопротивлением пыли.

Так как подготовка газов связана с их интенсивна охлаждением, температура газов перед электрофильтром близка к точке росы (70–75°С). Поэтому возможна конденсация паров слабой серной кислоты в элекрофильтре и активная коррозия осадительных и коронирующих электродов.

 

Таблица 10.1.

Характеристика основных видов технологических газов свинцовых заводов и содержащейся в них пыли

Газы (средний размер	Параметры газов на выходе из металлургического агрегата			Запыленность газов	Содержание металлов
частиц пыли из пылеуловителей тонкой очистки, мкм)	температура, 0С	запыленность, г/м3 (норм.)	состав, % (объемн.)	перед пылеуловителями тонкой очистки, г/м3 (норм.)	в пыли из пылеуловителей тонкой очистки, % (масс.)
Спекательных машин (0,5–1,0): с просасыванием с дутьем снизу богатые бедные	130–180   200–250 470–520	1,5–2,5   12,5 11,8	0,5–1,5 SO2   5–6 SO2 1,5–2 SO2	1,0–1,5   8,1*1 3,5	50–60 Pb, 3–9 Zn, 0,4–0,8 Cu, 1–3 Cd, 5–12 S
Шахтных печей (0,6–0,8)	200–300*2	8–17	15 CO2*2, 16 CO, 1 O2, 0,05–0,2 SO2	3,5–12,0*3 (в среднем 4–6)	55–65 Pb, 12–20 Zn, 1–3 Cd, 0,4 As, 0,1–0,2 Sb, 6–8 S, 0,4–0,8 Cl
Купеляционных печей (1,75)	250–500*4	-	16–18 CO2	3–6	50–60 Pb, до 20 Zn
Шлаковозгонки	1200–1300	-	6 CO2*5, 15 O2, 0,05 SO2	20–40	50–60 Zn, 10–20 Pb, 2,0 As

 

1. Запыленность дана перед скруббером тонкой очистки (электрофильтрами).

2. После догорания СО на колошнике и в результате подсосов воздуха по газовому тракту состав газов у пылеуловителей тонкой очистки следующий, %: 4–10 CO₂, 0,3–0,4 CO, 7–14 O₂, 0,01 SO₂.

3. При расстройстве хода печи температура газов возрастает до 800–1000⁰ С и запыленность перед пылеуловителями тонкой очистки доходит до 30–40 г/м³ (норм.).

4. На входе в поверхностный холодильник тонкой очистки (рукавные фильтры).

5. На входе в пылеуловитель тонкой очистки.

При очистке газов спекательных машин в рукавных фильтрах, после снижения их температуры в газовом тракте от машин к рукавным фильтрам, газы окончательно охлаждают подсосом воздуха до 90–100° С для шерстяной ткани и ткани ЦМ и до 130° С – для ткани нитрон.

На рис. 10.1 показаны принципиальные технологические схемы очистки от пыли газов спекательных машин с просасыванием: в сухих электрофильтрах (а) и в рукавных фильтрах (б). До поступления в электрофильтры или рукавные фильтры газы предварительно очищают от грубой пыли в циклонах с к.п.д., равным 25–30 %.

Запыленность газов после рукавных фильтров колеблется от 0,03 до 0,07 г/м³ (норм.).

Рис.10.1.  Принципиальные технологические схемы очистки от пыли газов спекательных машин с просасыванием:

1 – спекательная машина; 2 – циклон; 3 – эксгаустер; 4 – полый скруббер;5 – электрофильтр; 6 – вентилятор; 7 – рукавный фильтр

Спекательные машины с дутьем снизу

При агломерирующем обжиге с дутьем снизу получают богатые газы с содержанием 5–6 % S0₂ и бедные газы, содержащие 1,5–2 % SO₂.

Богатые газы, пригодные для получения серной кислоты, очищают вначале в сухих электрофильтрах с подготовкой газов в полых скрубберах, а затем в мокрых электрофильтрах сернокислотного цеха.

Бедные газы после охлаждения в поверхностном холодильнике с обдувкой труб воздухом и смешения с вентиляционными газами очищают в рукавных фильтрах и выбрасывают в атмосферу.

Пыль обладает электрическим сопротивлением, при котором не требуется большого повышения относительной влажности. Очистку газов можно проводить при температуре газов на входе в электрофильтр, равной – 100–110⁰ С.

На рис. 10.2. показана технологическая схема очистки от пыли богатых и бедных газов спекательной машины с дутьем снизу вверх.

 

Рис. 10.2. Принципиальная технологическая схема очистки от пыли газов спекательных машин (с дутьем снизу вверх) свинцовых заводов:

1 – сухой электрофильтр; 2 – полый скруббер; 3, 7, 9, 12 – вентиляторы;
4, 5 – инерционные пылеуловители; 6 – спекательная машина; 8 – кулер;
10 – смеситель газов; 11 – рукавный фильтр; ------ – богатые газы; - - - – бедные; ^{._ . _ . _} – вентиляционные; -о-о-о-  – воздух   

 

При низких скоростях газов в электрическом поле (около 0,25 м/с) выходная запыленность богатых газов (за электрофильтром) составляет 0,03–0,1 г/м³ (норм.). Запыленность бедных газов на выходе из рукавных фильтров колеблется в пределах от 0,03 до 0,07 г/м³ (норм).

Запыленные вентиляционные газы можно очищать в рукавных фильтрах со струйной продувкой.

Очистка газов шахтных печей

Газы шахтных печей, как мало агрессивные, можно очищать от пыли сухими (сухие электрофильтры, рукавные фильтры) и мокрыми методами (мокрые электрофильтры, скоростные пылеуловители). Применение мокрых методов пылеулавливания для газов шахтных печей может оказаться целесообразным, если уловленную пыль, (возгоны) подвергать на месте гидрометаллургической переработке. Учитывая повышенную температуру газов шахтных печей при сухих и при мокрых методах пылеулавливания, их охлаждают водой в полых скрубберах.

Для пыли газов шахтных печей характерно высокое электрическое сопротивление. Подготовка этих газов (охлаждение и увлажнение) важна для достижения высокой степени улавливания пыли в сухих электрофильтрах.

Скоростные пылеуловители, несмотря на несколько повышенное содержание пыли в очищенных газах и увеличенный расход электроэнергии, отличаются низкими капитальными затратами, простотой эксплуатации, малыми габаритами.

На рис. 10.3 показаны принципиальные технологичеcкие схемы очистки от пыли газов шахтных печей в сухих электрофильтрах (а), в рукавных фильтрах (б), в мокрых электрофильтрах (в) и в скоростных распылителях (г).

В современной практике работы свинцовых заводов чаще всего применяют схему с рукавными фильтрами. Очищать от грубой пыли газы шахтных печей целесообразно в циклонах, устанавливаемых непосредственно у печей. Этим устраняется опасность забивания пылью длинных газоходов, а иногда также повышается содержание высокодисперсных фракций редких металлов в пыли пылеуловителей тонкой очистки.

Запыленность газов шахтных печей после рукавных фильтров на заводах России невелика и колеблется от 0,02 до 0,04 г/м³ (норм.), а после очистки в скоростных пылеуловителях выше и составляет 0,10–0,20 г/м³ (норм.).

Рис. 10.3. Принципиальные технологические схемы очистки от пыли газов шахтных печей свинцовых заводов:

1 – шахтная печь; 2 – циклон; 3 – полый скруббер; 4 – сухой электрофильтр; 5 – вентилятор; 6 – рукавный фильтр; 7 – мокрый электрофильтр; 8 – труба Вентури; 9 – циклон-каплеуловитель

Очистка газов купеляционных печей

Газы купеляционных печей обычно очищают от пыли в рукавных фильтрах. Поскольку на выходе из печей температура этих газов высока (900–1000° С), их перед подачей в эти фильтры охлаждают в поверхностных (газовых) холодильниках и подсосом воздуха. Запыленность газов за рукавными фильтрами колеблется от 0,02 до 0,05 г/м³ (норм.).

Очистка газов шлаковозгонки

Газы шлаковозгоночных установок по выходе из печей поступают для охлаждения в котлы-утилизаторы. В них одновременно с использованием тепла отходящих газов задерживается и значительное количество пыли. Температура газов по выходе из котлов-утилизаторов составляет 300–400°С. Если газы окончательно очищают в рукавных фильтрах, что чаще всего и бывает, то их дополнительно охлаждают, например, в поверхностных холодильниках и подсосом воздуха до 130° С (при использовании ткани нитрон). Запыленность газов за рукавными фильтрами небольшая – около 0,02 г/м³ (норм.).

Газы конвертеров, в которых перерабатывают медно-свинцовые штейны, очищают в сухих электрофильтрах (с подготовкой газов) или в рукавных фильтрах.

Примеры установок пылеулавливания на свинцовых заводах

Очистка богатых газов спекательной машины с дутьем снизу вверх в сухих электрофильтрах с предварительной подготовкой газов в полых скрубберах

Газы после предварительной очистки в инерционном пылеуловителе с температурой 150–250° С, содержанием около 5–6 % SO₂ и запыленностью ~8,1 г/м³ (норм.) поступают в две увлажнительные башни диаметром 6 м и высотой 14,5 м. Входят газы сверху, выходят снизу. Корпус башни изготовлен из стали с антикоррозийной футеровкой изнутри (пластик и кирпич). Для охлаждения газов на каждой башне установлено восемнадцать водяных форсунок, включаемых автоматически в зависимости от температуры газов. Избыточное давление воды, подаваемой насосами на форсунки, составляет около 585 кН/м² (6 ат). Воду перед подачей предварительно фильтруют.

Неиспарившаяся в башнях вода поступает в отстойник и затем в канализационную сеть. Шлам, осевший в отстойнике, периодически удаляют. Скорость газов в башнях равна ~0,5 м/с. В башнях осаждается около 10 % попадающей в них пыли.

Газы с температурой 100–110° С поступают в сухих горизонтальных двухсекционных электрофильтра; в каждой секции четыре последовательно расположенных электрических поля.

Осадительные электроды сделаны в виде С-образных полос; толщина полосы 1,25 мм, длина 400 мм, высота 4100 мм. Полосы скрепляют по четыре в пластины длиной 1600 мм. Расстояние между осями пластин равно 300 мм.

Используют коронирующие электроды двух типов: 50 % штыкового сечения и 50 % с остриями.

Коронирующие электроды штыкового сечения установлены между выпуклыми поверхностями осадительных полос, электроды с остриями – между вогнутыми.

Осадительные и коронирующие электроды, а также входные распределительные решетки периодически очищают от пыли ударами молотков; коронирующие электроды – через 1 мин, осадительные электроды и распределительные решетки – через 4 мин.

Электрические показатели работы электрофильтров следующие: удельная сила тока составляет около 0,088 мА/м; плотность тока – 0,41 мА/м².

При скорости газов в электрофильтре ~0,25 м/с запыленность газов на выходе составляет 0,03–0,1 г/м³ (норм.). В электрофильтре поддерживают разрежение порядка 0–20 Н/м².

Пыль из электрофильтров выгружают шнеками. Кварцевые изоляторы, через которые проходят тяги подвеса коронирующих электродов, снабжены электрическим обогревом.

Из сухих электрофильтров газы поступают в сернокислотный цех.

Очистка газов шлаковозгонки в рукавных фильтрах

На заводе Порт-Пири (Австралия) газы шлаковозгонки после охлаждения до 200° С поступают в рукавные фильтры – семь аппаратов, в каждом 232 рукава из термостойкой ткани «Номекс»; диаметр рукава 22,8 cм, длина 8,5 м; площадь фильтрации одного рукава 6,2 м²; ткань «Номекс» – полотняного переплетения массой 300 г/м². Регенерацию ткани осуществляют в зависимости от сопротивления ткани; обычно каждый аппарат регенерируют через 75 мин. Скорость фильтрации (по количеству газов на выходе из рукавных фильтров) около 0,5 м/мин. Степень улавливания пыли в рукавных фильтрах свыше 99,9 %. На входе в фильтры автоматически поддерживают небольшое разрежение. Очищенные газы выбрасывают в дымовую трубу. В установку рукавных фильтров включены как головные, так и хвостовые вентиляторы.

Несмотря на более высокую стоимость ткани «Номекс», ее продолжительный срок службы при температуре 200° С позволяет уменьшить требуемую поверхность фильтрации и снизить капитальные и эксплуатационные затраты.

Цинковые заводы

«На цинковых заводах основными видами технологических газов, очищаемых от пыли, являются газы обжиговых печей кипящего слоя и газы трубчатых печей (вельц-печей)» [4].

«Обжиговые газы, используемые для получения серной кислоты, дополнительно очищают от тумана серной кислоты, мышьяка н селена» [4].

В табл. 10.2 приведены данные о свойствах указанных технологических газов и содержащейся в них пыли.

Очистка газов обжиговых печей кипящего слоя (КС)

Тонкую очистку газов обжиговых печей КС от пыли осуществляют в сухих горизонтальных многопольных электрофильтрах.

«Предварительно газы проходят через систему грубой очистки, состоящую из стояков и одной ступени циклонов. Стояки охлаждают воздухом или водой, и в них, помимо осаждения пыли снижается температура газов перед циклонами до 450–550° С» [4].

«Между циклонами и сухими электрофильтрами установлены эксгаустеры (типа Э-2, Э-4) и электрофильтры работают под небольшим разрежением (давлением): от +20 до -50 Н/м² (от +2 до -5 мм вод ст.). В связи с этим подсосы воздуха в электрофильтры невелики» [4].

«Так как пылевынос из печей КС весьма велик (30–40 %), запыленность газов на входе в циклоны достигает 60–130 г/м³ (норм.)» [4].

На печь устанавливают два параллельно работающих циклона СИОТ № 10 или 12, или четыре циклона СИОТ № 9.

«Сухие электрофильтры должны работать при скорости газов в электрическом поле порядка 0,5–0,6 м/с; при хорошем электрическом режиме и указанной скорости запыленность газов за электрофильтрами равна около 0,1 г/м³ (норм.)» [4].

«В электрофильтрах поддерживают температуру не ниже
220–240° С во избежание конденсации паров серной кислоты. На рис. 10.4 показана принципиальная технологическая схема очистки от пыли газов обжиговых печей КС» [4].

Рис. 10.4. Принципиальная технологическая схема очистки от пыли газов обжиговых печей кипящего слоя цинковых заводов:

1 – печь КС; 2 – стояки; 3 – циклон; 4 – вентилятор; 5 – сухой электрофильтр

На одном из отечественных цинковых заводов охлаждение газов печи КС для обжига цинковых концентратов осуществляют в котле-утилизаторе туннельного типа ТКС 4/40.

Схема газового тракта и его показатели таковы: псчь КС – котел-утилизатор – два циклона СИОТ № 10 – два дымососа Э-4 – электрофильтр ГК-30.

Температура под сводом печи 810° С, за котлом 380–390° С. Запыленность газов, г/м³ (норм.): перед котлом 130–140; перед циклонами СИОТ 7–20 (средняя 13,4); за циклонами 1,35–1,75 (средняя 1,5); за электрофильтром 0,15–0,25.

Таблица 10.2.