close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Bogdanov

код для вставки
Техника защиты водных ресурсов и атмосферного воздуха
1 Методы очистки газов
Абсорбционные методы очистки газов
Суть абсорбции заключается в поглощении удаляемых компонентов жидкостью. В зависимости от особенностей
взаимодействия поглотителя и извлекаемого из газовой смеси компонента абсорбционные методы подразделяются на
методы физической абсорбции и химической (хемосорбция), сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе. Для
физической абсорбции применяют поглотители - воду, органические растворители, не вступающие в реакцию с
извлекаемым газом. При хемосорбционной очистке выделяемые из газов компоненты вступают в химические реакции с
хемосорбентами, в качестве которых используют растворы минеральных и органических веществ, суспензии и
органические жидкости. Абсорбционные методы используют для очистки газов от СО, NxOy, S02, H2S, HC1, CO2.
Очистка газов от диоксида серы
Для очистки газов от SO2 предложено большое количество хемосорбционных методов, однако на практике нашли
применение лишь некоторые из них. Это связано с тем, что объемы отходящих газов велики, а концентрация SO 2 в них
мала, газы характеризуются высокой температурой и значительным содержанием пыли. Для абсорбции могут быть
использованы вода, водные растворы и суспензии солей щелочных и щелочно-земельных металлов.
Известняковые и известковые методы
Достоинством этих методов являются доступность и дешевизна абсорбентов, простая технологическая схема процесса,
низкие капитальные и эксплуатационные затраты, возможность очистки газа без предварительного охлаждения и
обеспыливания.
Недостатки - невысокая эффективность очистки, недостаточная степень использования известняка, образование отходов
в виде шлама или загрязненного гипса.
Процесс абсорбции диоксида серы для известкового и известнякового методов представляется в виде следующих
стадий:
химические реакции при абсорбции известковым молоком:
S02 + Н20 = H2S03; SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 + H2O ; 2CaSO3 + O2 = 2CaSO4.
Известняки содержат разное количество СаСО3 и примесей, поэтому 1 кг известняка поглощает от 0,4 до 0,6 кг SO 2. Для
уменьшения отложений CaSO4 и CaSO3 рН суспензии должен быть не < 5.
Абсорбция SO2 сульфитом натрия Метод двухстадийный и заключается в следующем:
Na2SO3 + SO2 + H2O = 2NaHSO3; 2NaHSO3 = SO2 + H2O + Na2SO3.
Вторая стадия - регенерация сульфита натрия - проводится при температуре 130 °С, при этом выделяется газообразный
SO2. Охлажденный раствор сульфита натрия снова возвращается на абсорбцию, a SO2 направляется на переработку в
серную кислоту.
Аммиачный способ улавливания SO2 Этот метод основан на протекании реакции:
SO2 + NH4OH = NH4HSO3; (NH4)2SO3 + SO2 + Н2О = 2NH4HSO3.
При нагревании бисульфит аммония разлагается:
2 NH4HSO3 = (NH4)2SО3 + SO2 + Н2О.
Этим методом достигается высокая степень улавливания SO2.
Другие методы: магнезиальный (абсорбция SO2 суспензией оксида -гидроксида магния); фосфатный (абсорбция
SO2 водным раствором фосфата натрия); кислотно-каталитический (применение разбавленной H2S03, полученной в
процессе абсорбции, в качестве катализатора – соединения марганца); озоно-каталитический; радиационнокаталитический, с использованием органических сорбентов (ксилидина, диметиланилина и др.).
Очистка газов от оксидов азота
Газы, содержащие оксиды азота (NxOy), образуются в ряде производств химической промышленности, металлургии,
машиностроения, при сжигании топлива. На практике с отходящими газами выбрасываются в основном NO и
NO2 одновременно. Основная сложность абсорбционной очистки связана с низкой химической активностью и
растворимостью оксида азота. Имеется несколько путей решения этой проблемы: полное или частичное окисление NО в
N02, использование селективных абсорбентов и катализаторов абсорбции. При абсорбции оксидов азота используют
воду, растворы щелочей и селективные сорбенты, кислоты и окислители. Например, при абсорбции диоксида азота
водой в газовую фазу выделяется часть менее опасного оксида азота, скорость окисления которого мала:
3 NO2 + Н2О = 2 HNO3 + NO + Q .
Для очистки газов применяют различные растворы щелочей и солей (NaOH, Na2CO3, КОН, Са (ОН)2, NH4OH, MgCO3 и
др.).
N2O3 + Na2CO3 = 2 NaNO2 + СО2 + Q .
Для очистки газов при отсутствии кислорода используют растворы FeSO4, FeCl2, Na2SO3, NaHC03, Na2S203. При
взаимодействии NO, например с FeС12, протекает следующая реакция
FeCl2 + NO = Fe(NO)Cl2.
Применение растворов-восстановителей NaHSO3, Na2S2O3, (NH4)2CO приводит к получению азота
2 Na2S2O3 + 6 NO = 3N2 + 2Na2SO4 + 2SO2.
Очистка газов от сероводорода
Технологические и топочные газы, содержащие H2S, очень коррозионно-активны. Очистка газов от сероводорода
производится с применением различных хемосорбционных методов. Для очистки используется также мышьяковощелочной метод, абсорбция этаноламинами, фосфатный метод.
Очистка газов от оксида углерода
Оксид углерода является высокотоксичным газом. Предельно-допустимые концентрации его: в рабочей зоне - 20 мг/м3,
в атмосфере (максимально разовая) - 3 мг/м3, среднесуточная - 1 мг/м3. Оксид углерода образуется при неполном
сгорании веществ, содержащих углерод. Он входит в состав газов, выделяющихся в процессах выплавки и переработки
черных и цветных металлов; выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания и т.д. Для очистки газов от оксида
углерода используют абсорбцию или промывку жидким азотом, а также адсорбцию водно-аммиачными растворами
закисных солей ацетата, формиата или карбоната меди: Сu(NН4)nСОСН + СО = Cu(NH3)nCOCOCH.
Очистка промывкой жидким азотом представляет собой физическую абсорбцию. В нем наряду с СО одновременно
поглощаются и другие компоненты газовой смеси. Абсорбцию ведут в колоннах тарельчатого типа.
Очистка газов от галогенов и их соединений
Фторсодержащие газы выделяются при электролитическом производстве алюминия. Они содержат фторид водорода
(HF) и тетрафторид кремния (SiF4). Газы в значительной степени загрязнены различными веществами, что затрудняет их
переработку.
Образование промышленных отходящих газов, содержащих хлор и его cоединения, характерно для многих производств:
получения хлора и щелочей методом электролиза, переработки цветных металлов методом хлорирующего обжига,
получения соляной кислоты и хлорсодержащих неорганических и органических веществ.
Очистка от соединений фтора
Для абсорбции фтористых газов можно использовать воду, растворы щелочей, солей и некоторые суспензии (Na2CO3,
NH4OH, NH4F, Ca(OH)2, NaCl, K2SO4и др.). Например, нейтрализация HF карбонатом калия протекает по реакции
2 HF + К2СО3 = 2KF + СО2 + Н2О. . (5.13)
Абсорбция хлора
Для абсорбции хлора и хлорсодержащих веществ используют воду, водные растворы щелочей и органических веществ,
водные суспензии и органические растворители.
Хлористый водород сорбируют водой с образованием соляной кислоты или щелочными реагентами (NaOH, Na 2CO3,
Ca(OH)2). В этом случае получают соли - хлориды натрия и кальция. Процесс абсорбции газов проводят в пленочных,
насадочных (с неподвижной и подвижной насадкой), тарельчатых, форсирующих и других аппаратах.
Адсорбционные методы
Адсорбционные методы очистки газов основаны на поглощении газообразных и парообразных примесей твердыми
телами с развитой поверхностью - адсорбентами.
Поглощаемые молекулы газа удерживаются на поверхности твердого тела силами Ван-дер-Ваальса (физическая
адсорбция) либо химическими силами (хемосорбция).
Процесс адсорбции осуществляется в несколько стадий: перенос молекул газа к внешней поверхности твердого тела;
проникновение молекул газа в поры твердого тела; собственно адсорбция. Самая медленная стадия лимитирует процесс
в целом.
Адсорбция рекомендуется для очистки газов с невысокой концентрацией вредных компонентов. Адсорбированные
вещества удаляются из адсорбентов десорбцией инертным газом или паром. В некоторых случаях проводят
термическую регенерацию.
Процесс осуществляется в адсорберах с неподвижным, движущимся и псевдосжиженным слоем сорбента, в установках
периодического и непрерывного действия.
В качестве адсорбентов используют материалы с высокоразвитой внутренней поверхностью. Адсорбенты могут быть
как природного, так и синтетического происхождения. К основным типам промышленных адсорбентов относятся
активированные угли, силикагели (SiO2*nН2О), алюмогели (активный оксид алюминия А12О3*nН2О), цеолиты и
иониты.
Очистка газов от диоксида серы
В качестве адсорбентов при очистке от SO2 используют активированные угли, полукоксы, активированный силикагель,
доломит, карбонат кальция, подщелоченный оксид алюминия, активированный диоксид марганца. Разрабатываются
процессы адсорбции SO2 известняком или доломитом непосредственно в камере сгорания. Диоксид серы при высокой
температуре сорбируется порошкообразным материалом. Затем дымовые газы очищают в сухих или мокрых
пылеуловителях. Добавление к доломиту 1-2 % Fe2O3 катализирует процесс.
Очистка газов от сероводорода
Для удаления H2S и органических сернистых соединений из газа используют аппараты с несколькими
псевдосжиженными слоями гранулированного оксида и гидроксида железа при температуре ~ 340 °С. Гранулы оксида
железа регенерируют путем отжига частично сульфидированного и восстановленного оксида в воздушной среде при 800
°С, при этом получают SO2, который перерабатывают в серную кислоту. Недостатками процесса являются низкая
эффективность очистки, невысокая степень использования известняка, зарастание технологического оборудования.
Каталитические методы
Химические превращения токсичных компонентов в нетоксичные происходят в присутствии катализаторов. Очистке
подвергаются газы, не содержащие пыли и яды для катализаторов. Каталитический метод применяют для очистки газов
от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей.
Каталитическое разложение оксидов азота
Оксиды азота восстанавливаются газом - восстановителем (Н2, СH4, СО) в присутствии катализаторов. В качестве
катализаторов используют различные металлы, которыми покрывают огнеупорные материалы (носители); применяют
палладиевый катализатор, нанесенный на оксид алюминия. Температура начала контактирования при восстановлении
400 ~470 С. Восстановительные процессы происходят по следующим реакциям: 4 NО + СН 4 = СО2 + 2Н2О + 2N2; 2NO +
2H2 = N2+2H20; 2 N20 + 4CO = N2 + 4CO2
Очистка от оксида углерода
Каталитическая очистка является наиболее рациональным методом обезвреживания промышленных газов от СО.
Процесс гидрирования оксида углерода на никелевых и железных катализаторах проводят при высоких давлениях и
повышенных температурах по реакции
СО + ЗН2 = СН4 + Н2O. 5.2.4.4.3. Очистка от диоксида серы
Разработанная технология каталитической очистки газов от диоксида серы основана на принципе окисления SO 2 в
SO3 нитрозным либо контактным методом. Этот процесс лежит в основе производства серной кислоты.
Существует также метод очистки газа от SO2 с получением сульфата аммония, который можно использовать как
удобрение. SO2 окисляют до SO3 в присутствии V2Os при 450 - 480 °С, затем при температуре 220 - 260 °С вводят
газообразный аммиак. Полученные кристаллы сульфата аммония отделяют в циклонах и электрофильтрах.
2 Механические («сухие») пылеуловители
Такие
пылеуловители условно делятся на три группы:
- пылеосадительные камеры, принцип работы которых основан на действии силы тяжести (гравитационной силы);
- инерционные пылеуловители, принцип работы которых основан на действии силы инерции;
- циклоны, батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители, принцип работы которых основан на действии
центробежной силы.
Пылеуловительная камера представляет собой пустотелый или с горизонтальными полками во внутренней полости
прямоугольный короб, в нижней части которого имеется отверстие или бункер для сбора пыли (рис. 1.).
Рис. 1. Пылеосадительные камеры:
а - полая: б - с горизонтальными полками; в, г - с вертикальными перегородками: / - запыленный газ; // очищенный газ; /// - пыль; 1 - корпус; 2 - бункер; 3 -штуцер для удаления;
4 - полки; 5 - перегородки.
Скорость газа в камерах составляет 0,2-1,5 м/с, гидравлическое сопротивление 50-150 Па. Пылеосадительные камеры
пригодны для улавливания крупных частиц размером не менее 50 мкм. Степень очистки газа в камерах не превышает
40-50%. Продолжительность прохождения т(с) газами осадительной камеры при равномерном распределении газового
потока по ее сечению составляет:
где Vk, - объем камеры, м3; Vг- объемный расход газов, м3/с; L - длина камеры, м; В- ширина камеры, м; Н- высота
камеры, м.
В инерционных пылеуловителях для изменения направления движения газов устанавливают перегородки (рис. 2). При
этом наряду с силой тяжести действуют и силы инерции. Пылевые частицы, стремясь сохранить направление движения
после изменения направления движения потока газов, осаждаются в бункере. Газ в инерционном аппарате поступает со
скоростью 5-15 м/с. Эти аппараты отличаются от обычных пылеосадительных камер большим сопротивлением и
высокой степенью очистки газа [З].
Рис. 2. Инерционные пылеуловители с различными способами подачи и распределения газового потока:
а - камера с перегородкой; б - камера с расширяющимся конусом; в - камера с заглубленным бункером.
Большое внимание при проектировании пневмотранспортных и других устройств пылеочистки необходимо уделять
узлам отделения материала от транспортирующего воздуха - разгрузочным и пылеулавливающим устройствам
(циклонам, фильтрам и т.п.). В зависимости от способа отделения материала в системах пневмотранспорта
используют объемные разгрузочные устройства и центробежные циклоны. Выбор того или иного типа устройства
зависит от конкретных условий работы установок и требований, предъявляемых к его работе: наибольшее значение
коэффициента осаждения материала, минимальное сопротивление разгрузочного устройства, надежность в
эксплуатации.
Предпочтение отдается центробежным циклонам, выполняющим одновременно и роль пылеулавливающего аппарата.
Эффективность улавливания пыли в циклонах повышается с уменьшением диаметра корпуса, но при этом снижается их
пропускная способность. Для обеспечения соответствующей производительности пневмотранспортной установки
небольшие циклоны группируют в батарею. Коэффициент пылеулавливания батареи циклонов составляет 0,76-0,85 и
несколько повышается с увеличением входной скорости (с 11 до 23 м/с). Использование вместо циклонов вихревых
пылеуловителей обеспечивает улавливание частиц пыли размером 5-7 мкм.
Воздух после разгрузочных устройств или циклонов, насыщенный субмикронными частицами, должен направляться на
доочистку в пылеуловители. При выборе типа пылеуловителя в условиях работы таких установок учитывают
следующие показатели:
 степень пылеулавливания, равную отношению количества пыли, задержанной пылеуловителем, к количеству
пыли, содержащейся в воздухе при его поступлении в пылеуловитель;
 сопротивление пылеуловителя, от которого зависит экономичность процесса пылеулавливания;
 габаритные размеры и масса пылеуловителя, надежность и простота его обслуживания.
Циклоны рекомендуется использовать для предварительной очистки газов и устанавливать перед высокоэффективными
аппаратами (например, фильтрами или электрофильтрами) очистки.
Основными элементами циклонов являются корпус, выхлопная труба и бункер. Газ поступает в верхнюю часть корпуса
через входной патрубок, приваренный к корпусу тангенциально. Улавливание пыли происходит под действием
центробежной силы, возникающей при движении газа между корпусом и выхлопной трубой. Уловленная пыль
ссыпается в бункер, а очищенный газ выбрасывается через выхлопную трубу (рис. 3).
В зависимости от
производительности циклоны можно устанавливать по одному (одиночные циклоны) или объединять в группы из двух,
четырех, шести или восьми циклонов (групповые циклоны).
Существуют батарейные циклоны. Конструктивной особенностью последних является то, что закручивание газового
потока и улавливание пыли в них обеспечивается размещенными в корпусе аппарата циклонными элементами [4].
Ниже приведенатехническая характеристика наиболее распространенного на производстве циклона ЦН-15:
- допустимая запыленность газа, г/м3:
для слабослипающихся пылей - не более 1000;
для среднесливающихся пылей - 250;
- температура очищаемого газа, °С - не более 400;
- давление (разрежение), кПа (кг/см2) - не более 5 (500);
- коэффициент гидравлического сопротивления:
для одиночных циклонов - 147;
для групповых циклонов - 175-182;
- эффективность очистки (от пыли dm = 20 мкм, при скорости газопылевого потока 3,5 м/с и диаметре циклона 100 мм),
% - 78.
Рис. 3. Циклон типа ЦН-15П:
1 - коническая часть циклона; 2 - цилиндрическая часть циклона; 3 - винтообразная крышка; 4 - камера
очищенного газа; 5 - патрубок входа запыленного газа; 6 -выхлопная труба; 7 -бункер; 8 - люк; 9 - опорный пояс; 10
- пылевыпускное отверстие.
Для расчетов режимов и выбора марки (конструкции) циклона необходимы следующие исходные данные: количество
очищаемого газа при рабочих условиях Vг, мЭ/с; плотность газа при рабочих условиях р, кг/м 3; динамическая вязкость
газа при рабочей температуре ; дисперсный состав пыли, задаваемый двумя параметрами d m и lg r; запыленность газа
Сх, г/м3; плотность частиц рч, кг/м3; требуемая эффективность очистки газа .
Конструкцию и режимные параметры циклона рассчитывают методом последовательных приближений по методикам
[3-5] или используя более современный математический аппарат [б].
Пористые фильтры
Для
очистки запыленных газов все большее распространение получает на последних ступенях сухая очистка рукавными
фильтрами. Степень очистки газов в них при соблюдении правил технической эксплуатации достигает 99,9%.
Классификация рукавных фильтров возможна по следующим признакам:
- форме фильтровальных элементов (рукавные, плоские, клиновые и др.) и наличию в них опорных устройств
(каркасные, рамные);
- месту расположения вентилятора относительно фильтра (всасывающие, работающие под разрежением, и
нагнетательные, работающие под давлением);
- способу регенерации ткани (встряхиваемые, с обратной продувкой, с импульсной продувкой и др.);
- наличию и форме корпуса для размещения ткани - прямоугольные, цилиндрические, открытые (бескамерные);
- числу секций в установке (однокамерные и многокамерные);
- виду используемой ткани (например, стеклотканевые).
В качестве фильтровальных материалов применяют ткани из природных волокон (хлопчатобумажные и шерстяные),
ткани из синтетических волокон (нитроновые, лавсановые, полипропиленовые и др.), а также стеклоткани. Наиболее
распространены лавсан, терилен, дакрон, нитрон, орлон, оксалон, сульфон. Последние два материала представляют
полиамидную группу волокон, обладающих термостойкостью при температуре 250-280 °С. Для фильтровальных тканей
наиболее характерно саржевое переплетение. Применяют также нетканые материалы - фетры, изготовленные
свойлачиванием шерсти и синтетических волокон.
3 Для обезвреживания отходящих газов от газообразных и парообразных токсичных веществ применяют следующие
методы: абсорбции (физической и хемосорбции), адсорбции, каталитические, термические, конденсации и
компримирования. Абсорбционные методы очистки отходящих газов подразделяют по следующим признакам: 1) по
абсорбируемому компоненту; 2) по типу применяемого абсорбента; 3) по характеру процесса – с циркуляцией и без
циркуляции газа; 4) по использованию абсорбента – с регенерацией и возвращением его в цикл (циклические) и без
регенерации (не циклические); 5) по использованию улавливаемых компонентов – с рекуперацией и без рекуперации; 6)
по типу рекуперируемого продукта; 7) по организации процесса – периодические и непрерывные; 8) па конструктивным
типам абсорбционной аппаратуры. Для физической абсорбции на практике применяют воду, органические
растворители, не вступающие в реакцию с извлекаемым газом, и водные растворы этих веществ. При хемосорбции в
качестве абсорбента используют водные растворы солей и щелочей, органические вещества и водные суспензии
различных веществ. Выбор метода очистки зависит от многих факторов: концентрации извлекаемого компонента в
отходящих газах, объема и температуры газа, содержания примесей, наличия хемосорбентов, возможности
использования продуктов рекуперации, требуемой степени очистки. Выбор производят на основании результатов
технико-экономических расчетов.
4 Адсорбционные методы очистки газов используют для удаления из них газообразных и парообразных примесей.
Методы основаны на поглощении примесей пористыми телами-адсорбентами. Процессы очистки проводят в
периодических или непрерывных адсорберах. Достоинством методов является высокая степень очистки, а недостатком –
невозможность очистки запыленных газов.
5 Каталитические
методы очистки основаны на химических превращениях токсичных компонентов в нетоксичные на поверхности
твердых катализаторов. Очистке подвергаются газы, не содержащие пыли и катализаторных ядов. Методы
используются для очистки газов от оксидов азота, серы, углерода и от органических примесей. Их проводят в реакторах
различной конструкции. Термические методы применяют для обезвреживания газов от легко окисляемых токсических
примесей.
5 Помимо механических, физико-химических и химических методов очистки газов широко применяют термические
методы. Методы сжигания вредных примесей, способных окисляться, находят все большее применение для очистки
дренажных и вентиляционных выбросов. Эти методы выгодно отличаются от других (например, мокрой очистки в
скрубберах) более высокой степенью очистки, отсутствием в большинстве случаев коррозионных сред и исключением
сточных вод. Как правило, примеси сжигают в камерных топках с использованием газообразного или жидкого топлива.
Иногда на практике представляется возможным окислять органические вещества, находящиеся в газовых выбросах, на
поверхности катализатора, что дает возможность понизить температуру процесса. Химические реакции между
ингредиентами газовых выбросов, которые в обычных условиях практически незаметны, значительно ускоряются с
повышением температуры. Система, содержащая токсичные вещества, может быть обезврежена посредством
термообработки, если реакции, происходящие в ней, приведут к образованию менее токсичных компонентов. Из всех
термоокислительных процессов для термообезвреживания пригодны исключительно реакции с кислородом, поскольку
при участии иных окислителей принципиально невозможно получить безвредные продукты окисления. Поэтому далее
под термином "окисление" подразумевается процесс, окислителем в котором служит кислород. Газофазный процесс
осуществляют непосредственной огневой обработкой (сжиганием в пламени) газовых выбросов при температурах, превышающих температуру воспламенения горючих компонентов выбросов. Огневой обработкой, как и
термокаталитическим окислением, принципиально возможно обезвредить лишь вещества, молекулы которых не
содержат каких-либо других элементов, кроме водорода Н2, углерода С и кислорода О. Это следующие химические
соединения: водород Н2 оксид углерода СО, углеводороды CmHn и кислородные производные углеводородов СтНпОр .
Посредством сжигания возможно обезвреживание перечисленных веществ в газообразном, жидком и твердом
состояниях, диспергированных или компактных, а посредством термокаталитического окисления - только в
газообразном. Термокатализ неприемлем и для обработки газов (паров) высокомолекулярных и высококипящих
соединений, которые, плохо испаряясь с катализатора, коксуются и "отравляют" его, т. е. заполняют активную
поверхность сажистыми продуктами неполного окисления. Загрязнители, содержащие какие-либо элементы, кроме Н, С
и О - серу S, фосфор Р, галогены, металлы и др., нельзя подавать на термоокислительную обработку, так как продукты
сгорания будут содержать высокотоксичные соединения. В реальных условиях и при сжигании чисто органических
соединений не удается обеспечить абсолютно полное окисление исходных компонентов до практически безвредных
углекислого газа СО2 и паров воды Н20. В дымовых газах всегда присутствуют оксид углерода СО и другие продукты
химического недожога (неполного окисления). Кроме того, при повышенных температурах заметно ускоряется реакция
окисления азота, который поступает в зону горения с топливом и воздухом. Некоторые оксиды азота оказывают вредное
воздействие на организм человека и окружающую среду. Методы прямого сжигания применяют для обезвреживания
газов от легко окисляемых токсичных, а также дурно пахнущих примесей. Их преимуществами являются относительная
простота аппаратурного оформления и универсальность использования, т. к. на работу термических нейтрализаторов
мало влияет состав обрабатываемых газов. 6 Суть высокотемпературной очистки газов заключается в окислении
обезвреживаемых компонентов кислородом. Они применимы практически для обезвреживания любых паров и газов,
продукты сжигания которых менее токсичны, чем исходные вещества. Прямое сжигание используют в тех случаях,
когда концентрация горючих веществах в отходящих газах не выходит за пределы воспламенения. При обработке
горючих газов для разрушения токсичных органических веществ может быть использовано дожигание, однако
применение этого метода затруднено тем, что концентрация органических примесей, распределенных в большом объеме
воздуха, очень низка. Дожигание представляет собой метод очистки газов путем термического окисления
углеводородных компонентов до СО2 и Н2О. В ходе процесса дожигания другие компоненты газовой смеси, например,
галоген - и серосодержащие органические соединения, также претерпевают химические изменения и в новой форме
могут эффективно удаляться или извлекаться из газовых потоков. Для того, чтобы нагреть такие большие количества
воздуха до температур, при которых проводится дожигание, расходуется очень большое количество энергии.
Экономичность процесса дожигания может быть значительно повышена благодаря адсорбционному концентрированию
загрязнений перед дожиганием. Обрабатываемые газы пропускают через слой адсорбента, а насыщенный адсорбент
продувают воздухом, который затем поступает на дожигание. Такой метод позволяет повысить концентрацию
загрязнителя в 40 раз.
7 Укрупненная оценка экономического ущерба за загрязнение водоемов
Экономическая оценка ущерба У (руб./год), наносимого сбросами загрязняющих веществ в водоемы, для отдельного
источника определяется по формуле (1.1):
,
где у – удельный ущерб от сброса в водоем одной условной тонны загрязняющего вещества, у = 440,0 руб/усл. т (в ценах
2002 г.);
 безразмерный показатель, учитывающий относительную опасность загрязнения различных водохозяйственных
участков (таблица 1.5);
Мi  приведенная масса годового выброса i-го загрязнения из источника, усл. т/год;
i  вид загрязняющего вещества (i = 1, 2, 3…n).
Приведенная масса загрязняющего вещества Мi, усл. т/год, определяется по формуле (1.2)
,
где i – вид загрязняющего вещества;
– фактическая масса годового сброса i-го вида примеси в водоем, т/год;
Аi – показатель относительной опасности i-го загрязняющего вещества, поступающего в водоем, рассчитывается по
формуле:
,
где ПДКi  – предельно допустимая концентрация i-го загрязнителя в водоеме.
Укрупненная оценка экономического ущерба
за загрязнение почв твердыми отходами
Укрупненную оценку ущерба в результате загрязнения почв твердыми отходами проводят по уравнению
, (1.7)
где m – масса твердых отходов, т/год;
– удельный ущерб от поступления в окружающую среду од-ной тонны твердых отходов (руб./т).
Удельный ущерб от поступления в окружающую среду на почвы одной тонны твердых отходов производства и
потребления может быть выражен через затраты на удаление, обезвреживание и захороне-ние твердых отходов, а также
через стоимость отчуждаемой для этих целей земли и затраты на ее санитарно-гигиеническую рекультива-цию
, (1.8)
где
– затраты на удаление, обезвреживание и захоронение 1 т твердых отходов (руб./т);
– ущерб, наносимый народному хозяйству при изъятии терри-тории под складирование, создание отвалов,
захоронение 1 т твердых отходов с последующей их санитарно-гигиенической рекультивацией (руб./т).
Для расчета затрат на удаление отходов
используют выра-жение
, (1.9)
где
– текущие затраты на удаление 1 т твердых отходов (транспо-ртировка отходов, погрузочно-разгрузочные
работы), руб./т;
– эксплуатационные расходы, связанные с содержанием 1 т твердых отходов на свалках или отвалах, а также с
обезвреживанием или уничтожением твердых отходов в специальных установках руб./т;
– нормативный коэффициент экономической эффективности удельных капитальных затрат;
– удельные капитальные затраты на сооружение систем уда-ления, обезвреживания, складирования или
уничтожения отходов,
руб. т/год.
Величину ущерба
рассчитываем по формуле
, (1.10)
где
– экономическая оценка 1 га земли по нормативам затрат на возмещение потерь сельскохозяйственного
производства, руб./га;
– усредненные затраты на санитарно-гигиеническую рекульти-вацию 1 га земли;
S – площадь, используемая при складировании 1 т твердых отхо-дов.
9 Процесс биологической очистки
Биологическая очистка сточных вод представляет собой результат функционирования системы активный ил - сточная
вода, характеризуемой наличием сложной многоуровневой структуры. Биологическое окисление составляющее основу
этого процесса, является следствием протекания большого комплекса взаимосвязанных процессов различной
сложности: от элементных актов обмена электронов до сложных взаимодействий биоценоза с внешней средой.
Результаты исследований показывают, что характерной особенностью сложных многовидовых популяций, к которым
относятся и активный ил, является установление в системе динамического равновесия, которое достигается сложением
множества относительно небольших отклонений активности и численности отдельных видов в ту или иную сторону от
их среднего уровня.
Сооружения и аппараты биологической
очистки
Биологическая очистка может осуществляться как в естественных
так и в искусственных условиях.
К сооружениям естественной очистки относятся:
1.
Фильтрующие колодцы, используемые при расходе 1 куб.м в сутки и менее, и фильтрующие кассеты - при расходе 0,5-6
куб.м в сутки.
2. Поля подземной фильтрации - при расходе до 15 куб.м в сутки и более.
3. Поля фильтрации - при расходе 1400 куб.м в сутки и менее.
В этих сооружениях, фильтрующей загрузкой являются естественные грунты, используемые непосредственно на месте
(пески, супеси, легкие суглинки).
4. Фильтрующие траншеи, песчано-гравийные фильтры, применяемые при расходе 15 куб.м в сутки и более.
Оросительная и дренажная сеть этих сооружений положена в слое искусственной фильтрующей загрузки из привозного
грунта. Их устраивают при наличии водонепроницаемых или слабофильтрующих грунтов.
5. Фильтрующие кассеты с пропускной способностью 0,5-6 куб.м в сутки, применяемые в слабофильтрующих грунтах
(суглинках) при коэффициенте фильтрации не менее 0,1 куб.м в сутки.
6. Циркуляционные окислительные каналы (ЦОК) - при расходе 100-1400 куб.м в сутки.
7. Биологические пруды с естественной или искусственной аэрацией - при расходе 1400 куб.м в сутки.
При круглогодичной работе очистной станции Сооружения естественной очистки рекомендуется использовать, если
удовлетворяются следующие условия: среднегодовая температура воздуха в районе расположения очистной станции не
менее 10 град.С; глубина грунтовых вод не менее 1 м от поверхности земли; наличие свободных площадей в близи
малых объектов.При сезонной работе станции (только в летний период) первое условие, касающееся среднегодовой
температуры, исключается.
Однако почвенные методы не всегда приемлемы из-за неблагоприятных санитарных, почвенно-грунтовых,
климатических, гидрогеологических условий. В связи с этим возникает необходимость в применении сооружений
искусственной биологической очистки. К сооружениям, в которых биологическая очистка протекает в искусственно
созданных условиях, относятся:
1.
Биофильтры с загрузкой из пеностекла или пластмассы.
2. Биодисковые фильтры.
3. Биофильтраторы.
4. Биореакторы с биобарабанами.
5. Блок биореакторов с затопленной ершовой загрузкой.
6. Аэрационные установки, работающие по методу полного окисления (продленной аэрации).
7. Аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Биофильтры с загрузкой из
пеностекла или пластмассы
Сооружения биологической фильтрации,
особенно с прикрепленным биоценозом, хорошо себя зарекомендовали в работе с малыми расходами и пиковыми
нагрузками по органике. Они просты, удобны, в них за короткое время (до 30 минут) происходит скоростное изъятие
загрязнений. На традиционных биофильтрах в качестве фильтрующей массы применяют объемный материал: щебень,
гравий, керамзит. Блочные загрузки из блоков пеностекла имеют преимущества в технологическом, конструктивном и
эксплуатационном отношениях по сравнению с другими материалами. Пеностекло - это теплоизоляционный
строительный материал. Он отличается механической прочностью, влаго-, паро- и газонепроницаемостью,
огнестойкостью, морозостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воздействию кислот и продуктов разложения.
Площадь адсорбционной поверхности пеностекла в зависимости от величины перфорации с учетом малых и больших
пор- 200 кв.м/куб.м. Пеностекло имеет чрезмерно развитую поверхность, удерживает в единице объема большое
количество биопленки, чем какой-либо другой вид загрузочного материала, что способствует интенсивному изъятию
загрязнений из сточных вод. Распределение сточной воды по поверхности биофильтра осуществляется с помощью
реактивного оросителя. Пластмассовые загрузки используются в виде жесткой (кольца, обрезки труб и т.д.), жесткоблочной (из плоских и гофрированных листов), а также мягкой (из пластмассовых пленок) засыпки. Таким образом,
загрузка обладает высокой пустотностью, большой сорбционной поверхностью и относительно малым коэффициентом
сцепления биопленки с поверхностью загрузки, что создает условия для образования тонкого слоя биопленки.
Пластмассовая загрузка исключает заиливание биофильтров, значительно увеличивает объем поступающего воздуха,
что способствует повышению окислительной мощности. Кроме достоинств, биофильтры обладают и рядом недостатков.
Так, высокая не равномерность поступления сточных вод от малых объектов крайне отрицательно влияет на работу
биофильтров и аэротенков. В биофильтрах происходит подсыхание биопленки и наблюдается не равномерность
температурного режима ее работы, создаются условия, способствующие заиливанию загрузки. Во избежания этих
явлений в часы минимального притока сточных вод осуществляют рециркуляцию очищенных сточных вод, что
приводит к дополнительным энергозатратам на перекачку стоков.
Биодисковые фильтры
Эти сооружения предназначены для расхода сточных вод до 1000 куб.м в сутки. В качестве загрузки для биодисковых
фильтров рекомендуются перфорированные диски, изготовленные из объемных синтетических материалов пониженной
плотности (пенопласта, пеностекла). Современные биодисковые фильтры представляют собой многосекционную
емкость, наполненную вращающейся загрузкой (Рис. 2). Диски набирают на горизонтально расположенном валу с
расстоянием между ними 15-20 мм. Диски обычно погружены в очищаемую жидкость на 0,45Д (30—45 %), иногда до
0,75Д. Диаметр дисков находится в пределах от 0,4 до 3,0 метров в зависимости от производительности
установки. Принцип действия данного сооружения следующий: диски - основной компонент сооружения - находится в
постоянном вращательном движении, причем их поверхность перфорации покрывается биопленкой, которая находится
в прикрепленном состоянии. Биомодули, создавая обширную поверхность, обеспечивают гидродинамические условия,
при которых отторгнутая биопленка продолжает работать, находясь во взвешенном состоянии. Здесь совмещается
режим работы прикрепленного биоценоза и взвешенного (активного) ила. За пределами зоны очищаемой воды
микроорганизмы, находясь в биопленке, получают кислород непосредственно из атмосферы. При одинаковых
категориях обрабатываемых городских сточных вод и заданном эффекте очистки время аэрации в БДФ составляет 60-90
минут, а в классических аэротенках - около 6 часов. Биодисковые фильтры компактны, конструктивно просты,
устойчивы к различного рода перегрузкам, имеют низкие удельные энергозатраты. Кроме того, при использовании этих
фильтров практически отпадает необходимость насосной станции, так как гидравлические потери сооружений не
значительны. Биодисковые фильтры - многосекционные сооружения (3-6 секций). Основная масса удаленных
биоразлагаемых загрязнений приходится на первую и вторую секции БДФ. Процесс снижения аммонийного азота и
нитрификации успешно протекает в третьей и последующих секциях. Удаление азота достигает 40 %, что выше, чем в
классических биофильтрах и аэротенках. Однако в очищенных водах присутствуют азотистые соли (биогенные
соединения), поэтому в некоторых случаях требуется доочистка. Из биодисковых фильтров биологическая пленка
потока обработанной жидкости выносится во вторичный отстойник. Разделение биопленки осуществляется
гравитационным способом. Вторичные отстойники рекомендуется оборудовать тонкослойными модулями.
Биофильтраторы
Компактная
установка биофильтратор предназначена для малых расходов сточных вод (от 2 до 600 куб.м в сутки) и обеспечивает
полную биологическую очистку от разнообразных загрязнений в широком диапазоне концентраций. Установка имеет
низкие капитальные вложения и энергетические затраты. Она проста и экономична в эксплуатации, не требует
специального постоянного ухода.Биофильтратор (Рис.3) состоит из аэрационной (сорбционной) зоны и зоны осветления.
В сорбционной зоне установлены вращающиеся перфорированные диски из пенопласта или подобных материалов.
Диски вращаются мотор-редукторм с частотой вращения 10-15 об/мин. За счет градиента давления жидкость и
отторгнутая биопленка переливаются через отверстие, устроенное в разделительной перегородке. Укрупненные хлопья
активного ила из зоны осветления опускаются вниз и через отверстия подсасываются в аэрационную зону за счет
кинематики течения. Таким образом, происходит постоянный обмен биомассы между зонами сорбции и осветления.
Очищаемая жидкость поднимается к лотку и отводится за пределы сооружения. Для интенсификации биотехнологии в
биофильтре используется струйная аэрация, что позволяет исключить механическую систему привода мотор-редуктор.
Такой метод очистки применяется дла расходов сточных вод от 0,5 до 1,5 куб.м в сутки и более, с загрузкой от низких
до высоких значений концентрации биоразделяемых соединений (БПК). Струйный биофильтр работает следующим
образом. Сточные воды, прошедшие механическую очистку, попадают в аэрационную зону, куда также поступает смесь
осветленной жидкости и циркуляционного активного ила. Эта смесь из нижней части осветляется забирается по
трубопроводу насосом и через струйный аэратор шахтного типа сбрасывается в аэрационную зону биофильтра. Струя
потока вводится в межсекционное пространство (Рис. 4) ниже свободной поверхности на 15-30 см и отражается от
специально спланированной поверхности дна. В результате возникают интенсивные воздушные восходящие потоки,
которые приводят к движению биоротора. После контакта очищаемой жидкости в аэрационной зоне смесь или и
сточной воды поступает на осветление. Зона осветления разделена на три отсека. В дегазационно-отстойной зоне при
низходящем потоке отделяются выносимые из аэрационной зоне пузырьки газа малых размеров. Здесь укрупненные
частицы ила осаждаются на дно отстойника и возвращаются в аэрационную систему. Далее смесь поступает во вторую
зону отстаивания, где происоходит основной процесс разделения твердой и жидкой фаз с образованием взвешенного
слоя, углубляющего процесс биофильтрации. Из этой зоны укрупненные хлопья активного ила также поступают в
камеру аэрации. В последующем отделении обеспечивается окончательная очистка сточных вод. Вторая зона
отстаивания работает в режиме отстойника. Осаждающиеся хлопья активного ила по стенке емкости сползают в зону их
забора насосным агрегатом. Осветленные сточные воды через сбросный лоток отводятся на обеззараживание.
Биореакторы с биобарабанами
В
качестве биореакторов для очистных сооружений пропускной способностью 50-700 куб.м в сутки сточных вод
предложены 5-6-ступенчатые установки с полупогруженными вращающимися биобарабанами. Они представляют собой
каскад поддонов (корыт) цилиндрической или близкой к ним конфигурации. Движение очищаемой сточной воды и
жидкости из поддона в поддон - самотечное за счет объединения поддонов в сообщающиеся сосуды по средствам
системы патрубков, располагаемых в примыкающих друг к другу стенок поддонов. Для равномерного распределения
жидкости в первом по ходу движения поддоне расположен приемный карман с затопленным щелевым переливом.
Сборный канал для отвода очищенной жидкости устраивается на выходе из последнего поддона установки. В каждый
поддон помещается барабан с волокнистой загрузкой , на которой нарастает биопленка. Барабан медленно вращается
вследствие легкости конструкции, все барабаны каскада приводятся в движение от одного привода. При вращении
барабана осуществляется естественная аэрация биомассы микроорганизмов. В нижней части поддона в нижней части
поддонов устраивают сборно- отводящие каналы или продольные бункеры для сбора и отвода осадка, заканчивающиеся
патрубком и задвижкой, которые присоединяются к сборному коллектору, отводящему осадок на обезвоживание.
Регенерация ершей осуществляется барботированием через перфорированные трубы, расположенные в нижней части
биореактора. Установки работают устойчиво при различных концентрациях органических веществ в сточных водах.
Они просты в эксплуатации, что позволяет использовать не квалифицированных работников.
Аэротенки
Для полной биологической очистке сточных вод малых населенных пунктов применяются: аэрационные установки,
работающие по методу полного окисления (аэротенки подлинной аэрации); аэрационные установки с аэробной
стабилизацией избыточного активного ила. Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность
очистки сточных вод, могут применятся в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не
требую отвода больших площадей земли. Установки, работающие по методу полного окисления. Они предназначены
для полной биологической очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных вод. Полное
окисление органических загрязнений протекает в три фазы. В первой фазе наличия большого количества органических
веществ в сточной жидкости обеспечивает быстрое размножение микроорганизмов с непрерывным прогрессированием
общего их количества. Во второй фазе нагрузка по органическим загрязнениям на активный значительно ниже и из-за
недостаточного количества этих загрязнений размножение микроорганизмов несколько сдерживается. Устанавливается
определенное соотношение мужду количеством поступивших органических веществ и приростом ила. В третей фазе
размножение микроорганизмов активного ила замедляется из-за недостатка органических загрязнений. Ил как бы
находится в «голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила использовать не только
органические вещества поступившие со сточными водами, но и большую часть органических веществ отмерших
микроорганизмов, т.е. минерализовать органическую часть самого активного ила. В результате полного окисления
органических загрязнений прирост активного ила настолько мал, что его можно удалять из сооружений через 1-4
месяца.
Компактные установки (КУ) производительностью 12 и 25 куб.м в сутки изготавливаются в заводских
условиях в виде единого металлического блока. Все установки конструктивно выполнены в виде аэротенко-отстойников
с принудительным возвратом активного ила. Установки производительностью 12 куб.м в сутки оборудованы
механической системой аэрации, остальные - эжекторной или пневматической. Принцип работы установки (Рис. 6):
сточные воды пропускают через решетку и без первичного отстаивания направляют в зону аэрации. Здесь происходит
биологическая очистка сточных вод активным илом, который поддерживается во взвешенном состоянии за счет
вращения роторного аэратора. Затем после полутора часового контакта в аэрационном объеме, смеси сточных вод и
активного ила по дегазационному каналу поступает в зону отстаивания. Осевший ил через нижнюю щель отстойника
возвращается в аэрационную зону. Сверху установка перекрывается щитами для предохранения от замерзания в зимний
период. Принцип работы установок КУ -25 - КУ-200 (Рис. 7): до поступления на установку сточную воду пропускают
через решетку-дробилку или решетку с ручной очисткой. На установку сточная жидкость поступает через входной
патрубок и по подающему лотку перетекает в два распределительных лотка, проходящих по продольным стенкам. Для
предотвращения осаждения взвешенных веществ в лоток подается сжатый воздух. Из распределительных лотков через
отверстия с регулируемыми треугольными водосливами сточная вода переливается в аэротенк-отстойник. Аэрационные
зоны расположены по продольным стенкам. Воздух в аэрационную зону подается от воздуходувок по воздухопроводам
и распределяется через дырчатые трубы. В аэротенка возможно применение эжекционной аэрации. Отстойная зона
расположена в центре установки. Смесь сточных вод и активного ила поступает в зону через нижнюю щель, проходит
через взвешенный слой, образованный активным илом, где происходит разделение активного ила и очищенной сточной
жидкости. Последняя поднимается к поверхности отстойной зоны, протекает через затопленные отверстия в сборный
лоток и по нему отводится из установки. Активный ил увлекается потоком в бункеры отстойной зоны и перекачивается
лифтами в аэрационные зоны. Избыточный активный ил периодически (1 раз в 1-4 месяца) удаляется из аэрационных
зон на иловые площадки. Компактные установки КУ-12 - КУ-200 прошли длительные испытания на многих очистных
станциях, качество очищенного стока БПК и взвешенным веществам составляет 12-15 мг/л, концентрация аммонийного
азота снижается на 40%. Эффективность очистки сточных вод на этих сооружениях повышается, если во вторичных
отстойниках использовать тонкослойные модули. ГПИ «Эстонпроект» была разработана установка БИО заводского
изготовления. Она представляет собой аэротенк-отстойник, работающий в режиме продленной аэрации. Принцип
работы БИО-25 аналогичен установкам КУ. Продолжительность аэрации около суток. В этих сооружениях
использованы эжекторная или пневматическая система аэрации.
Метод аэробной стабилизации избыточного ила по сравнению с методом анаэробной обработки осадка имеет такие
существенные преимущества:
простота конструктивного исполнения сооружений; отсутствие взрывоопасности;
хорошие санитарно-гигиенические показатели; лучшие водоотдающие свойства;
легкость автоматизации процесса; простота обслуживания сооружений.
Обработка осадков
Обработка осадков,
поступающих со сточной водой может осуществляться в анаэробных условиях, протекающих без доступа кислорода
воздуха, когда за счет жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов происходит распад органических веществ,
находящихся в осадке. К ним относятся:
1) биотуалеты, предназначенные для жилого дома;
2) септики, рекомендуемые при расходе до 20 куб.м в сутки;
3) двухярусные отстойники и осветители - перегниватели, применяемые при расходе до 1400 куб.м в сутки и более.
В сооружениях второго и третьего типов одновременно проводят два процесса: отстаивание сточной жидкости и
обработка осадка. В аэробных условиях, протекающих при наличии кислорода воздуха, за счет жизнедеятельности
аэробных микроорганизмов происходит окисление органических веществ, находящихся в осадке. К ним относятся:
1) аэротенки, работающие с продленной аэрацией по методу полного окисления органических загрязнений,
находящихся как в жидкой так и в твердой фазе сточных вод;
2) аэробные стабилизаторы, расположенные в блоке емкостей (аэрационных установок).
Обеззараживание сточных вод
Производится с целью
уничтожения содержащихся в них патогенных микроорганизмов и устранения опасности заражения водоема этими
микробами при спуске в него очищенных сточных вод. Наиболее распространенным методом обеззараживания является
хлорирование. В настоящее время на малых очистных станциях применяется несколько типов установок для
приготовления дозирования растворов, содержащих активный хлор. К первому типу относятся установки по
хлорированию воды хлорной известью или порошкообразными гипохлоритами. Принцип их действия сводится к
приготовлению раствора требуемой концентрации и последующей подачей его в воду. Ко второму типу относятся
установки, которые позволяют получить обеззараживающие хлорпродукты из исходного сырья - поваренной соли непосредственно на месте потребления. Такими установками являются электролизеры предназначенные для
приготовления электролитического гипохлорита натрия. К третьему типу относятся установки, позволяющие
осуществлять обеззараживание воды путем его прямого электролиза. Этот метод безреагентный, поскольку
обеззараживающие продукты образуются за счет электролитического разложения хлоридов, находящихся в самой
обрабатываемой воде.
Доочистка сточных вод
Хозяйственно бытовые сточные воды, поступают от малых объектов, подвергается механической и биологической
очистке, которая может быть полной и неполной. Сооружения доочистки позволяют снизить содержание взвешенных и
органических веществ до 3-5 мг/л, азота аммонийных солей (N) и фосфатов (P2O5) до 0,5 мг/л, нитратов до 0,02 и
нитритов до 10 мг/л по азоту.
10 Природные воды бывают поверхностные, подземные и биосферные. Поверхностные природные водные объекты
разделяются на водоемы, водотоки, моря и океаны.
Качество природных и сточных вод определяется их составом и свойствами. Нормирование качества воды рек, озер,
водохранилищ проводят в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от
загрязнений». «Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод от загрязнений» устанавливают две
категории водоемов: 1 категория – водоемы питьевого и культурно-бытового назначения; 2 категория – водоемы
рыбохозяйственного назначения.
Нормы качества воды устанавливаются с учетом вида водопользования.
Качество воды водных объектов определяется следующими основными показателями:
 содержание взвешенных веществ;
 плавающие примеси (пленка, пятна, скопления);
 запах и вкус;
 окраска;
 температура;
 состав и концентрация минеральных примесей;






значение рН;
растворенный в воде кислород (ХПК);
биохимическая потребность воды в кислороде (ВПК);
возбудители заболеваний;
состав и предельно допустимая концентрация ядовитых и вредных веществ;
состав и содержание болезнетворных бактерий.
Предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества (ПДК) – максимальная концентрация загрязняющих
веществ в воде, при которой вещество не оказывает прямого или опосредованного влияния на здоровье человека (при
воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшает гигиенические условия водопользования.
ПДК вредных веществ, как показатель качества воды, устанавливается с учетом лимитирующего показателя вредности
(ЛПВ) вредного вещества, под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества.
При нормировании качества воды в водных объектах 1-ой категории используют три вида ЛПВ: санитарнотоксикологический, общесанитарный, органолептический. Для водоемов 2-ой категории, наряду с указанными,
используют
еще
два
вида
ЛПВ:
токсикологический
и
рыбохозяйственный.
При оценке опасности загрязнения водных объектов используется соотношение:
С/ПДК<1, где С –
концентрация вредного вещества в водоеме, г/м3; ПДК – предельно допустимая концентрация вещества, г/м3.
Если значение соотношения больше единицы, то опасность загрязнения существует.
При
поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковыми ЛПВ, их концентрация должна удовлетворять
условию:
С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + …+ С n ПДКn<1,
где C1,n – фактические концентрации вредных веществ, г/м3; ПДК1,n – предельно допустимые концентрации этих
веществ, г/м3.
Предельно допустимые сбросы (ПДС) в водный объект – это масса загрязняющего вещества в
сточных водах, максимально допустимая к отведению в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью
обеспечения качества воды.
ПДС устанавливаются для предприятий, имеющих самостоятельные
выпуски сточных вод.
ПДС для всех категорий водопользования определяется по формуле:
ПДС = Q∙С,
где Q – расход сточных вод; С – концентрация веществ в сточных водах.
ПДС
устанавливается по каждому веществу, в том числе и по веществам, относящимся к одной группе ЛПВ.
11 Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в процессе теплового движения,
перемешивания или направленного перемешивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются
агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Первичные
частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку
окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и снижением их
общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных –
гетерокоагуляцией.
Флокуляция – это один из видов коагуляции, при которой более мелкие частицы, находящиеся во взвешенном
состоянии в воде, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов), образуют интенсивно оседающие
скопления в виде хлопьев.
Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической,
нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей
промышленности.
Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц; их концентрации и
степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического
потенциала. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и
жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы.
Расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре) способствуют флокулянты, повышающие
плотность и прочность образующихся хлопьев, снижающие расход коагулянтов, повышающие надежность работы и
пропускную способность очистных сооружений. При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в
неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов. В
зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают: неионогенные - полимеры, содержащие неионогенные
группы: - ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт" полиакрилонитрил и др.);
анионные - полимеры, содержащие анионные группы: -СООН, -SO3H, OSO3H (активная кремниевая кислота,
полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);
катионные - полимеры, содержащие катнонные группы: -NH2, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА2, ВА-102, ВА-212 и др.); амфотерные - полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы:
полиакриламид, белки и др.
Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности
перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются обычно
0,1-10 г/м3, а в среднем 0,5-1 г/м3. Так, применение добавок полиакриламида в концентрации 1 г/м3 при коагуляции
сточных вод металлургического завода позволило увеличить удельную нагрузку на радиальные отстойники в 2 раза.
Процесс очистки сточных вод методом коагуляции или флокуляции включает приготовление водных растворов
коагулянтов или флокулянтов, их дозирование, смешение со всем объемом сточной воды, хлопьеобразование,
выделение хлопьев из нее.
13 Для очистки поверхностного стока наиболее целесообразно применять горизонтальные или тангенциальные
песколовки. Длину горизонтальных песколовок L, м, рекомендуется определять по формуле: L=1000∙ k∙ hp∙ v/u0, где k –
коэффициент, учитывающий неполное использование зоны отстаивания, = 1,7;
hp - расчетная глубина песколовки, принимается в диапазоне от 0,5 до 2 м;
v - скорость движения сточных вод, при максимальном притоке vмакс = 0,3м/с;
u0 – гидравлическая крупность частиц песка, на задержание которых рассчитывается песколовка, u0 = 18,7 мм/с;
1000 – переводной коэффициент размерности.
Площадь живого сечения песколовки (F): F = Q/vмакс, где Q - максимальный расход сточных вод, м3/с;
vмакс – скорость движения сточных вод, м/с.
Из уравнения неразрывности струи:
Q=F∙ v, м3/с,
определяют ширину песколовки (В):
В=F/hp, м.
При нескольких отделениях песколовки ширина одного отделения:
b=B/n, м.
где n - количество песколовок или их отделений.
Ширина отделений обычно принимается от 0,5 до 2 м.
Для определения высоты слоя осадка, задерживаемого в песколовке (hос), устанавливается общий объем задержанного
осадка (Wос):
Wос = Q∙C0∙0,15/(100-b)∙v∙104,м3/ч, где Q - расход сточных вод, м3/ч;
C0 - концентрация взвешенных веществ в поступающем стоке, мг/л.
b - влажность осадка, % (60-70 %);
v - плотность осадка, г/см3 (1,2-1,5 г/см3).
Обычно число суток между чистками песколовки принимается 0,33-2 суток.
hос = Wос/L∙B∙N, м.
Общая строительная глубина песколовки определяется по формуле:
H = hб + hр + hос, м
где hб - высота бортов над уровнем воды в песколовке (принимается 0,2-0,4 м).
Время протекания в песколовке определяется в секундах (с) из уравнения: L=vмакс∙ t, м.
Отсюда:
t=L/vмакс. (4.15)
Продолжительность протекания сточных вод в горизонтальной песколовке должна быть не менее 30 с.
Расчет тангенциальных песколовок осуществляется по гидравлической нагрузке на поверхность песколовки в плане.
Необходимая площадь песколовок в плане определяется по формуле:
F = Q / q0, м2, где Q - расчетный расход сточных вод, м3/ч;
q0 - расчетная гидравлическая нагрузка, м3/(м2∙ ч).
Расчетная гидравлическая нагрузка на поверхность тангенциальных песколовок в плане рекомендуется принимать в
границах 90-130 м3/(м2∙ ч) (на маленьких очистных станциях – 60-80 м3/(м2∙ ч)) 16. По СНиП 2.04.03-85 расчет
тангенциальных песколовок рекомендуется осуществлять по гидравлической нагрузке 110 м 3/(м2∙ ч).
Диаметр песколовки должен составлять:
, м,
где N – количество песколовок (не менее двух).
Диаметр тангенциальных песколовок не должен превышать 6 м, а рабочая глубина принимается не большей величины
радиуса.
14 Усреднители
Усреднение расхода и
концентрации загрязнений позволяют рассчитывать все последующие звенья очистки не на максимальные, а на
некоторые средние значения параметров потока. Экономичнее иметь усреднитель в начале цепи, чем завышать объем и
производительность каждого из последующих звеньев очистки.
Выбор рациональной схемы усреднения (типа усреднителя), расчет его объема проводятся на основе информации о
характере колебаний параметров входного потока (концентраций Сen(t) и расхода qen(t) ч и требований на допустимые
колебания параметров сточных вод на выходе усреднителя Ceх,(t),qex(t). Эти требования обычно устанавливаются на
основе максимально допустимых величин Сadm и qadm, назначаемых в зависимости от типа последующих очистных
сооружений, при этом они должны превышать средние значения параметров Сen mid, qen mid.
Для расчета объема усреднителя используется информация, получаемая: от технологов основного производства,
которые используя характеристику номинального режима производства и аварийных режимов, могут прогнозировать
характер поступления сточных вод на очистные сооружения; с объектов-аналогов, а также непосредственным
наблюдением на объекте.
При наличии на предприятии контрольно-измерительной аппаратуры изменение состава сточных вод регистрируется
непрерывно, при отсутствии - дискретно с различной длительностью интервалов между лабораторными анализами (не
более 1 ч). Окончательная форма представления информации о колебаниях - таблицы и графики. Полученная
информация о колебаниях расхода и состава сточных вод (по лимитируемым загрязнениям, например: рH среды,
интенсивность окраски, взвешенные вещества, специфические загрязнения производства), а также представление о
количественном и качественном составе нерастворимых загрязнений, даст возможность вести расчет объема
усреднителя в соответствии с основными типами нестационарности потока:
залповые сбросы высококонцентрированных сточных вод;
циклические колебания;
случайные колебании произвольного спектра.
Сведения о количественном и качественном составе нерастворимых загрязнений необходимы для выбора способа
перемешивания и расчета перемешивающих устройств. Кроме того, эти сведения помогу принять решения о возможной
компоновке усреднителя с отстойной зоной в целях облегчения его эксплуатации и частичной очистки стоков.
Образование непредусмотренного и трудноотделяемого осадка в усреднителях является основной причиной снижения
эффективности их работы.
Конструктивное выделение зоны отстаивания в усреднителе приемлемо при наличии узла обработки осадка в
технологической цепи очистки (напорная, реагентная флотация, отстаивание, осветление).
Типы и конструкции усреднителей
Тип усреднителя необходимо выбирать в зависимости от характера и количества нерастворенных компонентов
загрязнений, а также динамики поступления сточных вод. При гашении залповых сбросов предпочтительнее
конструкции многоканального типа, при произвольных колебаниях практически равноценны любые типы усреднителей.
В таких случаях большую роль играют вид и количество нерастворенных загрязнений.
К многоканальным конструкциям относятся: прямоугольные - Д. М. Ванякина, круглые - Д. А. Шпилева, конструкции с
неравномерным распределением расхода и объемов по каналам.
Усреднитель-смеситель барботажного типа следует применять для усреднения стоков независимо от режима их
поступления при содержании грубодиспергированных взвешенных веществ с концентрацией до 500 мг/л
гидравлической крупностью до 10 мм/с. Усреднитель-смеситель с механическим перемешиванием и отстойной зоной
необходимо применять для усреднения стогов с содержанием взвешенных веществ более 500 мг/л любой
гидравлической крупности. Режим поступления стоков - произвольный. Усреднители следует устанавливать после
отстойников или оборудовать их отстойной частью с целью облегчения эксплуатации. Расчет отстойной части
необходимо проводить по данным кинетики осаждения взвесей, аналогично расчету отстойников. При этом необходимо
учитывать гидродинамический режим выбранного типа усреднителя. Для подавления залповых сбросов
высококонцентрированных стоков и произвольных колебаний состава и при наличии взвешенных
мелкодиспергированных веществ с концентрацией до 500 мг/л, гидравлической крупностью до 5 мм/с следует
применять многоканальные усреднители без принудительного перемешивания. При необходимости усреднения и
расхода усреднитель блокируется с аккумулирующей емкостью.
КОНСТРУКЦИИ УСРЕДНИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНОГО ТИПА
Комплексный подход к выбору типа усреднителя и его расчету в зависимости от характера колебаний концентрации
загрязнений и расхода сточных вод, от их качественного состава, позволил выявить основные ниш конструкций. Однако
для конкретных технологических задач усреднения сточных вод могут быть использованы и другие схемы усреднения
(последовательно-параллельные, двухступенчатые и др.) с соответствующим обоснованием, разрабатываться новые
конструкции с заданными свойствами.
Усреднитель - смеситель барботажного типа
Союзводоканалпроект разработал типовые проекты многосекционных пневматических усреднителей концентрации
сточных вод полезным объемом одной секции 300, 1400 и 5000 м3. Применение усреднителей барботажного типа
связано с соблюдением ряда принципиальных положении:
1. Распределение сточных вод по площади усреднителя должно быть максимально равномерное. С этой целью могут
использоваться системы подающих лотков с придонными водосливными окнами, расположенными на расстоянии 2 м
друг от друга. При обеспечении должного качества строительства возможно распределение жидкости из лотков через
донные выпуски. Размеры выпусков рассчитываются по формуле:
(1)
Каждый распределительный лоток оборудуется двумя шиберами: на входе в лоток для создания оптимального режима и
равномерного распределения сточной воды между лотками; и в конце лотка в торцевом придонном водосливном окне
размером 20х40 см (НхВ), обеспечивающий периодическую промывку лотка. Число распределительных лотков и
размещение выпускных окон в одной или обеих стенках лотков принимается из такого расчета, чтобы в каждый
циркуляционный поток поступало одинаковое количество жидкости.
2. При напорной подаче воды на усреднитель перед ним на трубопроводе необходимо устанавливать колодец гашения
напора. Целесообразнее самотечная подача стоков на усреднитель. В этом случае сооружение несет на себе всю
нагрузку по выравниванию расхода и концентрации.
3. Расчет объема усреднителя ведется в зависимости от характера поступления сточных вод на сооружение в
соответствии с формулами (19)-(24) СНиП 2.04.03- 85.
Максимальная величина скорости проточного течения жидкости в усреднитель 2,5 мм/с, при этом длина секции
усреднителя принимается из расчета
(2)
с учетом графика поступления концентрации загрязнении по часам суток.
С целью обеспечения равномерного распределения жидкости и воздуха вдоль усреднителя целесообразна длина секции
не более 24 м. Глубина слоя поды в усреднителе из конструктивных соображений принимается в пределах 3-6 м.
Ширина секции усреднителя принимается не более 12 м.
4. В качестве барботеров в усреднителе рекомендуется использовать перфорированные трубы с отверстиями диаметром
3 мм (шаг 8-16 см), располагаемыми в нижней части трубы в один или два ряда под углом 45° к оси трубы.
Трубы укладываются горизонтально вдоль резервуара на подставках высотой 6-10 см. Допустимое отклонение от
горизонтальной укладки труб барботеров не должно превышать ± 0,015 м так, чтобы связанная с этим неравномерность
подачи воздуха по длине барботера не превысила одной трети от принятой в расчете неравномерности подачи воздуха
(20 % среднего расхода воздуха).
Барботеры подразделяют на пристеночные, создающие один циркуляционный поток, и промежуточные, создающие два
циркуляционных потока.
Оптимальное расстояние между барботерами следует считать (2-3)^ Н, а между барботерами и параллельной ему стеной
усреднителя (1-1,5)Н, где Н - глубина погружения барботера.
При расчете принимаются:
интенсивность барботирования для усреднения концентрации растворенных примесей при простеночных барботерах 6
м3/ч на 1 м, при промежуточных барботерах 12 м3/ч на 1 м;
интенсивность барботирования для предотвращения выпадания в осадок взвесей в пристеночных барботерах 12 м3/ч на
1 м, в промежуточных 24 м3/ч на 1 м. Расчетная глубина погружения барботера принята равной 4,3 м. Приведенные в
табл. 1 данные могут использоваться при изменении погружения в диапазоне 3-5 м.
При среднем перепаде давления на перфорированных отверстиях
= 1 кПа максимальные потери в барботере не
более
м = 2 кПа, а при
= 4 кПа - не более
м = 7 кПа.
5. Для предотвращения выпадения осадка в местах прямоугольного сопряжения днища со стенками резервуара
рекомендуется заполнение этих мест тощим бетоном. При этом угол сопряжении днища с заполнением должен
составлять 30.
Возможен уклон в сторону забора воды, где должен быть предусмотрен трубопровод опорожнения секции усреднителя.
6. На входе в усреднитель необходимо устанавливать контрольно-измерительную аппаратуру для определения расхода
полы и воздуха, поступающих на сооружение.
7. Все конструктивные узлы сооружения необходимо оборудовать трубопроводами опорожнения и предусматривать
малые средства механизации (например, бадья-таль-кошка, бадья-тальфер и др.) для периодической чистки усреднителя.
Возможно предусмотреть нестационарную систему пеногашения усредненными стоками (например, шланги с
насадками, укрепленные на штативах). Как показал опыт эксплуатации, пены в усреднителях нет, кроме
исключительных случаев, когда применяли и производстве запрещенные в настоящее время ПАВ.
8. В зависимости от характеристик стоков в цеховых каналах, на выпусках из промышленных здании или перед
резервуаром - усреднителем необходимо предусматривать решетки для сбора волокон, шерсти, тряпок и других отходов
производства. Целесообразно по ходу технологических линий на определенных производствах устанавливать
шерстеуловители.
9. Самым надежным способом водоотведения, как показал опыт эксплуатации, является работа насосов.
15 Расчет отстойников для очистки сточных вод
Расчет отстойников подлежит производить по гидравлической крупности частиц взвеси, выделение которых
обеспечивает необходимый эффект очистки. В качестве примера приведенная методика расчета горизонтального и
тонкослойного отстойников.
Данные для расчета горизонтальных отстойников:
В – ширина отстойника или его секции, принимается в пределах 3-9 м;
u0 – гидравлическая крупность, составляет 1-0,05 мм/с при эффекте удале-ния взвесей Э (%) от 25 до 85 %;
tр – расчетное время пребывания воды в отстойнике, tр = 1-3 ч;
Н0 – высота зоны отстаивания, Н0 = 2-3 м.
Суммарную площадь горизонтальных отстойников определяют по формуле:
где Qоч – расчетный расход сточных вод, м3/ч;
u0 – скорость выпадения (всплытия) примесей (взвешенных веществ, нефтепродуктов и т.д., задерживаемых
отстойником (гидравлическая крупность), мм/с;
α – коэффициент, учитывающий вертикальной составляющей скорости потока;
vср – скорость движения воды в отстойнике, принимается в пределах 5-7 мм/с, при расчете его на удаление взвесей с u0 ≥
0,55 мм/с и 3-5 мм/с при расчете на удаление взвесей с u0 ≥ 0,4 мм/с.
Длина отстойника L0 (м):
Общая ширина отстойников В (м) определяется по формуле:
В = F0/L0;
После определения величины В определяется фактическая скорость (vср, мм/с) в проточной части отстойников:
, мм/с. (4.23)
Ширина (^ В ) принимается 3-9 м, а длина не более 10Н0. Расчетное количество отстойников или секций не менее двух.
При расчете осадочной части отстойника следует исходить из расчетного накопления осадка и принятой частоты его
удаления.
В отстойниках для механической очистки поверхностного стока, как в нефтеловушках и в первичных отстойниках
городских очистных сооружений, должны быть предусмотрены устройства для задерживания и периодического
удаления всплывающих примесей (в основном нефтепродуктов и масел) и накапливающегося осадка. Удаляемые с
поверхности отстойника всплывающие примеси отводятся в сборники, где выдерживаются в течение нескольких суток
для отделения нефтепродуктов. Частично осветленные и обезвоженные нефтепродукты, в зависимости от их качества,
должны направляться на утилизацию или сжигание, а отделившаяся вода или шлам возвращаться в отстойник.
Расчет тонкослойных отстойников
Перед началом расчета тонкослойных отстойников, которые работают по противоточной схеме (рис. 4.1), принимают:
высоту яруса по вертикали hв, угол наклона пластин к горизонту α, скорость движения потока в межполочном
пространстве v, количество секций Nф и строительную ширину одной секции отстойника B. Высоту яруса по
вертикали hв принимают 0,2-0,025 м (при высоких начальных концентрациях взвешенных веществ рекомендуется
принимать большие значения). Для лучшего сползания осадка с поверхности пластин или труб их целесообразно
устанавливать в блоках под углом α = 55-600. Скорость движения потока v в межполочном пространстве принимают не
больше 10 мм/с. Ширину тонкослойного отстойника Bbl принимают конструктивно (2-6 м), исходя из строительной
ширины секции отстойника B, размеров материала листов блоков и условий их монтажа. Количество секций
отстойника Nф должно быть не меньше двух (если принять минимальное число отстойников (Nф= 2), то максимальный
расчетный расход очищаемых сточных вод следует увеличить в 1,2-1,3 раз).
16 Общая характеристика термических методов обезвреживания сточных вод
Все методы очистки сточных вод могут быть разделены на деструктивные и регенеративные.
Под деструктивными понимают такие методы, при которых загрязняющие воду вещества подвергаются разрушению.
Образующиеся продукты распада удаляются из воды в виде газов или осадков или остаются в растворе, но уже в
обезвреженном виде. Чаще всего это происходит при использовании естественных или искусственных окислительных
процессов. Регенеративные методы решают две задачи: очистку сточных вод и утилизацию ценных веществ.
Практически нередко приходится совмещать обе группы методов, а также проводить стадии предварительной очистки и
доочистки.
Методы очистки сточных вод можно подразделить также на гидромеханические, химические, физико-химические,
термические, электрохимические, биохимические.
Если в сточных водах имеются весьма вредные вещества, применяют термические методы, позволяющие уничтожить
эти примеси, например, при сжигании. Такой процесс применим для обезвреживания органических примесей сточных
вод. Для очистки минерализованных сточных вод из термических методов можно использовать выпаривание,
адиабатное испарение, вымораживание и кристаллизацию из растворов и др.
Для обезвреживания значительной группы жидких, твердых, пастообразных и газообразных промышленных отходов с
большим набором и высокой концентрацией органических и минеральных веществ применяют термические методы.
Они заключаются в тепловом воздействии на отходы, при котором происходит окисление или восстановление
некоторых вредных веществ с образованием безвредных или менее вредных. К термическим методам относят
жидкофазное окисление, гетерогенный катализ, газификацию отходов, пиролиз отходов, плазменный и огневой методы.
По теплотворной способности промышленные стоки делят на сточные воды, способные гореть самостоятельно, и на
воды, для обезвреживания которых необходимо добавлять топливо. Эти сточные воды имеют энтальпию ниже 8400
кДж/кг (2000 ккал/кг).
При использовании термоокислительного метода все органические вещества,
загрязняющие сточные воды, полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных
соединений. К этим методам относят метод жидкофазного окисления, метод парофазного каталитического окисления и
пламенный или "огневой" метод. Выбор метода зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности,
экономичности процесса и требований, предъявляемых к очищенным водам.
Метод жидкофазного окисления. Этот метод очистки основан на окислении органических веществ, растворенных в
воде, кислородом при температурах 100 – 350°С и давлениях 2 – 28 МПа. При высоких давлениях растворимость в воде
кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ.
Эффективность процесса окисления увеличивается с повышением температуры. Летучие вещества окисляются в
основном в парогазовой фазе, а нелетучие - в жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде
экономичность процесса жидкофазного окисления возрастает. Метод начинают использовать для очистки сточных вод в
химической, нефтеперерабатывающей, целлюлознобумажной, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Метод парофазного каталитического окисления. В основе метода находится гетерогенное каталитическое окисление
кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в сточных водах. Процесс
протекает интенсивно в паровой фазе в присутствии медно-хромового, цинк-хромового, медно-марганцевого или
другого катализатора. Основной недостаток метода - возможность отравления катализаторов соединениями фосфора,
фтора, серы. Поэтому необходимо предварительное удаление каталитических ядов из сточных вод. Достоинства метода:
возможность очистки большого объема сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствие в продуктах
окисления вредных органических веществ; возможность комбинирования с другими методами; безопасность в работе.
Недостатки метода: неполное окисление некоторых органических веществ; высокая коррозия оборудования в кислых
средах.
Огневой метод.
Этот метод обезвреживания сточных вод является наиболее эффективным и универсальным из термических методов.
Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900 – 1000°С. При
этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают. Огневой метод применяют для обезвреживания
сточных вод, содержащих только минеральные вещества. Метод может быть использован также для обезвреживания
небольшого объема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими
методами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод целесообразен, если имеются горючие отходы,
которые можно использовать как топливо. В процессе обезвреживания сточных вод различного состава могут
образовываться оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов (CaO, MgO, BaO, K2O, Na2O и др.). При
диссоциации хлоридов в дымовых газах содержится хлор и хлороводород. Органические соединения, содержащие серу,
фосфор, галогены, могут образовывать SO2, SO3, P2O5, HC1, C12 и др. Присутствие этих веществ в дымовых газах
нежелательно, т.к. это вызывает коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросоединения, могут
выделяться оксиды азота. Между этими соединениями происходят взаимодействия с образованием новых соединений, в
том числе и токсичных.
Огневой метод
Огневой метод используют для сжигания негорючих сточных вод. Сущность метода заключается в распылении сточных
вод в топочные газы, имеющие высокую температуру (900—1000 °С). Вода при этом полностью испаряется,
органические примеси сгорают с образованием газовых продуктов, а минеральные вещества образуют твердые или
расплавленные частицы, которые затем улавливаются.
Для обезвреживания особо опасных, ядовитых и неутилизируемых отходов огневой метод является наиболее
целесообразным, а зачастую единственно возможным. Однако у данного метода есть существенный недостаток – это
высокие затраты энергоресурсов и дороговизна, которые ограничивают возможности и масштабы его применения.
Поэтому снижение себестоимости термического способа очистки сточных вод является весьма актуальным. Разработан
ряд технологических установок для огневого метода обезвреживания: без рекуперации тепла и очистки газов; без
рекуперации тепла с очисткой газов; с рекуперацией тепла без очистки газов; с рекуперацией тепла и очисткой газов. Во
всех этих схемах отсутствует рекуперация твердых отходов. Предложены схемы и с рекуперацией твердых отходов,
выделяющихся при использовании огневого метода обезвреживания сточных вод. Огневой метод требует больших
затрат топлива на испарение воды и полного сгорания токсичных примесей. Обычно расход топлива составляет 250—
300 кг на 1 т сточной воды.
Ист ория развития термических
способов обезвреживания сточных вод начинается с использования камерных и шахтных печей, в которых
осуществлялось подсушивание и сжигание распыливаемой при помощи сопел сточной воды за счет сжигания топлива.
Основными их недостатками являются громоздкость, дороговизна и малая удельная производительность. Наиболее
совершенными для сжигания жидких отходов являются циклонные печи, преимущества которых обусловлены
аэродинамическими особенностями (вихревая структура газового потока), обеспечивающими высокую интенсивность и
устойчивость процесса сжигания с малыми тепловыми потерями и минимальными избытками воздуха. Это позволяет
создавать малогабаритные устройства, работающие с высокими удельными тепловыми нагрузками, в десятки раз
превышающими нагрузки камерных, шахтных и барабанных печей. Широкое применение циклонные печи нашли для
обезвреживания сточных вод, загрязненных органическими и минеральными компонентами. Подача воздуха и топлива
осуществляется тангенциально газо-мазутными горелками предварительного смешения, расположенными на боковой
поверхности камеры сгорания. Распыливание сточных вод осуществляется центробежными механическими форсунками,
установленными радиально ниже зоны горения топлива. Дальнейшее развитие техники сжигания сточных вод привело к
созданию многоподовых печей и печей с псевдоожиженным слоем. Однако имеющиеся существенные недостатки сложность технологической схемы подготовки и сжигания сточных вод и недостаточная стойкость футеровки ограничили широкое их распространение. В связи с огромным разнообразием и сложностью химических процессов,
появлением сложных соединений различного класса, пластификаторов, синтетических материалов, ядохимикатов и др.
резко возросла необходимость в поиске путей эффективного обезвреживания сточных вод различных производств,
содержащих токсичные органические и неорганические вещества. Описанные выше методы и способы термического
обезвреживания сточных вод оказываются не в состоянии обеспечить надежную их очистку и утилизацию
содержащихся в них солей. В этих случаях наиболее надежным, а часто и экономически целесообразным, является
огневой способ обезвреживания в циклонных печах. Однако, несмотря на столь существенные качественные
преимущества метода термического обезвреживания и термической очистки сточных вод промышленных предприятий,
его применение в современных условиях является достаточно ограниченным и несоответствующим потенциальным
возможностям последнего и относится, главным образом, лишь только к области обезвреживания путем прямого
сжигания небольших количеств высококонцентрированных по органическим примесям жидких отходов производств
или сжигания с выпариванием небольших количеств высококонцентрированных по минеральным веществам сточных
вод. Основными недостатками методов термического обезвреживания и термической очистки сточных вод
промышленных предприятий, препятствующих дальнейшему расширению применения последних, являются:
высокая стоимость процесса термического обезвреживания и термической очистки сточных вод промышленных
предприятий, обусловленная, прежде всего, большой удельной затратой топлива в процессе обезвреживания в
существующих промышленных установках ; конструктивная сложность и большие размеры установок; высокая
начальная стоимость установок ; недостаточная надежность установок ; сложность эксплуатации установок ; трудность
осуществления полной и высоконадежной автоматизации установок.
Жидкие отходы перед поступлением в камеру сгорания распыляются с помощью форсунок, поэтому, чтобы избежать
забивки форсунок, жидкие отходы должны быть тщательно очищены, а зимой, когда отходы густеют, их тщательная
очистка перед форсунками вообще неосуществима.
17 Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных
органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и
других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с
биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого метода являются возможность
поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо концентрированных
сточных вод.
Сорбция - это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды другим
веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое - сорбатом. В
зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.
Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а поверхностным слоем твердого или
жидкого сорбента - адсорбция. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым
веществом, называется хемосорбцией. Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой
очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической,
нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться
самостоятельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очистки. Преимуществами этого
метода являются возможность поглощения веществ из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно
слабо концентрированных сточных вод.
Сорбционные методы весьма эффективны для
извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных
сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий. Адсорбция растворенных веществ результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием
силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмолекулярного взаимодействия:
- молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверхности сорбента;
- молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).
Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с какой удерживается извлеченное из
раствора вещество на поверхности сорбента. Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем
большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется
вещество из раствора.
Сорбционная очистка сточных вод наиболее
рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты или слабые
электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы)
алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низких
одноатомных спиртов этот метод не применим. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые
природные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные гели и др. Эффективными и
наиболее универсальными сорбентами являются активированные угли различных марок. Минеральные сорбенты
используют мало, т.к. энергия взаимодействия их с молекулами воды велика - иногда превышает энергию адсорбции.
Пористость этих углей составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности 400-900 м2 на единицу веса сорбента.
Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависит от структуры пор, их величины,
распределения по размерам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делятся на крупно- и
мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подразделяются на три вида:
- макропоры - 0,1-2 мкм;
- переходные - 0,004-0,1 мкм;
- микропоры - 0,004 мкм.
Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами, быть
относительно крупнопористыми (с эффективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8-5,0 нм), чтобы их
поверхность была доступна для больших и сложных органических молекул. При малом времени контакта с водой они
должны иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при
регенерации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенерации угля будут небольшими. Угли
должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе
очистки используют мелкозернистые адсорбенты с частицами размерами 0,25-0,5 мм и высокодисперсные угли с
частицами размером менее 40 мкм. Важно, чтобы угли обладали малой каталитической активностью по отношению к
реакциям окисления, конденсации и др., т.к. некоторые органические вещества, находящиеся в сточных водах, способны
окисляться и осмоляться. Эти процессы ускоряются катализаторами. Осмелившиеся вещества забивают поры
адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они должны иметь низкую стоимость, не
уменьшать адсорбционную емкость после регенерации и обеспечивать большое число циклов работы. Сырьем для
активных углей может быть практически любой углеродсодержащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы
пищевой, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности
Макропоры
и переходные поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных
углей определяется микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие размер частиц менее
0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых соответствует поглощающей способности
сорбента.
Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента.
Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается
относительно частицы сорбента, т.е. движется вместе с ней, а также в динамических условиях, когда частица жидкости
перемещается относительно сорбента. Таким образом, сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество,
находится в газообразной или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешиваются с ним.
Так происходит в аппаратах с перемешивающими устройствами. Динамической сорбцию называют в тех случаях, когда
поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или газообразной фазе, которая фильтруется через слой
сорбента. Так происходит в аппаратах с псевдоожиженным слоем, фильтрах.
В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность сорбента. Статическая активность
характеризуется количеством поглощенного вещества на единицу массы сорбента к моменту достижения равновесия в
определенных условиях (постоянных температуре жидкости и начальной концентрации вещества). Динамическая
активность сорбента характеризуется временем от начала пропускания сорбата до его проскока, т.е. до появления за
слоем сорбента, или максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы сорбента до
момента появления сорбируемого вещества через слой сорбента. Динамическая активность в промышленных
адсорберах составляет 45-90 %. На практике сорбционные процессы осуществляют, как правило, в динамических
условиях, т.к. это обеспечивает непрерывность технологического процесса и возможность его автоматизации. Между
количеством вещества, адсорбированного сорбентом и оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает
равновесие, подчиняющееся закону распределения.
Сорбция - процесс обратимый, т.е. адсорбированное
вещество (сорбат) может переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости протекания
прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и
поверхности сорбента. Поэтому в начальный период процесса сорбции, т. е. при максимальной концентрации вещества
в растворе, скорость сорбции также максимальна. По мере повышения концентрации растворенного вещества на
поверхности сорбента увеличивается число сорбированных молекул, переходящих обратно в раствор. С момента, когда
количество сорбируемых из раствора (в единицу времени) молекул становится равным количеству молекул,
переходящих с поверхности сорбента в раствор, концентрация раствора становится постоянной. Эта концентрация
называется равновесной. Если после достижения адсорбционного равновесия несколько повысить концентрацию
обрабатываемого раствора, то сорбент сможет извлечь из него еще некоторое количество растворенного вещества. Но
нарушаемое таким образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного использования сорбционной
способности (емкости) сорбента, после чего повышение концентрации вещества в растворе не изменяет количества
сорбируемого вещества.
18 Очистка сточных вод методами флотации: флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления
воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);
флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);
электрофлотация.
Процесс флотации -образования комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой
фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице. Прочность соединения пузырек-частица зависит от
размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий
и других факторов.
Процесс очистки стоков при флотации заключается
в следующем: поток жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся в одном
направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с
пузырьками воздуха происходит агрегирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то
скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на
поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно
перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому
для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера.
Вакуумная флотация
Вакуумная флотация
основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха,
растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в
результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек и не нарушается их целостность вплоть до
достижения ими поверхности жидкости.
Напорная флотация
Этот вид флотации выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха
соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха.
Если флотация проводится без добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки
сточных вод.
Импел лерная флотация
Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и
жиров. Их также можно использовать для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ флотации в
промышленности применяют редко из-за его небольшой эффективности, высокой турбулентности потоков во
флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностноактивные вещества.
Флотация с подачей воздуха через пористые материалы
Для получения пузырьков воздуха небольших размеров можно использовать пористые материалы при флотации,
которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха
над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия.
Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения.
Электрофлотация
Сточная жидкость
при пропускании через нее постоянного электрического тока насыщается пузырьками водорода, образующегося на
катоде. Электрический ток, проходящий через сточную воду, изменяет химический состав жидкости, свойства и
состояние нерастворимых примесей. В одних случаях эти изменения положительно влияют на процесс очистки стоков
(флотации), в других -- ими надо управлять, чтобы получить максимальный эффект очистки.
В общем, достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие
капитальные и эксплуатационные затраты на флотацию, простая аппаратура флотации, селективность выделения
примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а также возможность получения шлама более
низкой влажности (90-95%), высокая степень очистки (95-98%), возможность рекуперации удаляемых веществ.
Флотацию растворенным в воде воздухом обычно ведут совместно с коагуляцией и флокуляцией взвеси для удаления
коллоидных малоконцентрированных (> 1 %) примесей. Пузырьки воздуха размером 10--100 мкм, выделяющиеся из
воды, пересыщенной растворенным в ней воздухом, захватывают взвесь частиц. Воздух диспергируется турбиной -импеллером флотационной машины. Иногда воздух вводят под избыточным давлением 0,03 -- 0,2 МПа через сопла или
фильтры. Флотация осуществляется крупными (> 1000 мкм) быстро всплывающими пузырьками (при расходе воздуха
0,3 -- 5 м3/м3 воды). При электрофлотации очистку промышленных стоков осуществляют кислородом и водородом,
которые выделяются на электродах, размещаемых в осветленной воде. Выделяющийся в ламинарном режиме газ с
размером пузырьков 50 мкм обеспечивает высокий эффект очистки. Биологическая и химическая флотация
(автофлотация) происходят в результате взаимодействия пузырьков газа размером 5 -- 50 мкм с поверхностью
взвешенных в воде частиц, которые освобождаются от воды.
19 Очистка газов от аэрозолей.
Методы очистки по их основному принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и
очистку с помощью звуковой и ультразвуковой коагуляции.
Механическая очистка газов включает сухие и мокрые методы. К сухим методам относятся:
1) гравитационное осаждение;
2) инерционное и центробежное пылеулавливание;
3) фильтрация.
Гравитационное осаждение основано на осаждении взвешенных частиц под действием силы тяжести при движении
запыленного газа с малой скоростью без изменения направления потока. Процесс проводят в отстойных газоходах и
пылеосадительных камерах. Для уменьшения высоты осаждения частиц в осадительных камерах установлено на
расстоянии 40–100 мм множество горизонтальных полок, разбивающих газовый поток на плоские струи. Степень
очистки воздуха в пылеосадочных камерах не превышает 50–60 %. Метод пригоден лишь для предварительной, грубой
очистки газов.
Инерционное осаждение основано на стремлении взвешенных частиц сохранять первоначальное направление движения
при изменении направления газового потока. Среди инерционных аппаратов наиболее часто применяют жалюзийные
пылеуловители с большим числом щелей -(жалюзи). Газы обеспыливаются, выходя через щели и меняя при этом
направление движения. Частицы пыли с d < 20 мкм в жалюзийных аппаратах не улавливаются. Степень очистки в
зависимости от дисперсности частиц составляет 20-70%. Инерционный метод можно применять лишь для грубой
очистки газа. Помимо малой эффективности недостаток этого метода – быстрое истирание или забивание щелей.
Центробежные методы очистки газов основаны на действии центробежной силы, возникающей при вращении
очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. В качестве центробежных
аппаратов пылеочистки применяют циклоны различных типов: батарейные циклоны, вращающиеся пылеуловители
(ротоклоны) и др. Степень очистки от пыли зависит от размеров частиц. Для циклонов высокой производительности, в
частности батарейных циклонов, степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц d > 30 мкм. Для частиц с d
= 30 мкм степень очистки снижается до 80%, а при d = 5 мкм она составляет менее 40%. Циклоны широко применяют
при грубой и средней очистке газа от аэрозолей.
Фильтрация основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть,
химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрующие материалы (керамика, металлокерамика,
пористые перегородки из пластмассы и др.). Фильтрация – весьма распространенный прием тонкой очистки газов. Ее
преимущества – сравнительная низкая стоимость оборудования (за исключением металлокерамических фильтров) и
высокая эффективность тонкой очистки. Недостатки фильтрации высокое гидравлическое сопротивление и быстрое
забивание фильтрующего материала пылью.
Мокрая очистка газов от аэрозолей основана на промывке газа жидкостью (обычной водой) при возможно более
развитой поверхности контакта жидкости с частицами аэрозоля и возможно более интенсивном перемешивании
очищаемого газа с жидкостью. Этот универсальный метод -очистки газов от частиц пыли, дыма и тумана любых
размеров является наиболее распространенным приемом заключительной стадии механической очистки, в особенности
для газов, подлежащих охлаждению. К аппаратам мокрой очистки относятся насадочные и центробежные скрубберы,
скрубберы Вентури, форсуночные скрубберы, тарелочные и барботажно-пенные скрубберы. Рассмотрим некоторые из
них.
Скруббер Вентури
Агрегат состоит из трубы Вентури 1и скруббера-каплеуловителя 2. Запыленный газ поступает сверху в трубу Вентури, в
конфузорную (сужающуюся) часть которой вводится через распыливающую механическую форсунку орошающая
жидкость (чаще всего – вода). В горловине трубы и в диффузорной (расширяющейся) части происходит дробление
капель жидкости, на поверхности которых оседают частицы пыли. Площадь поверхности капель достаточно велика,
чтобы уловить практически всю пыль. Капли жидкости с потоком газа поступают в каплеуловитель 2. Жидкость с
частицами пыли выводится через нижний штуцер, а очищенный газ – через верхний улиточный газоотвод.
В ряде случаев для мокрой очистки применяются форсуночные скрубберы (а). Запыленный газовый поток поступает в
скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый
поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку
капель, поступающих в скруббер через форсуночные пояса.
Форсуночный (а) и центробежный (б) скрубберы
В аппаратах центробежного типа (б) частицы пыли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами,
возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенциального расположения входного патрубка
5. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла 1 и непрерывно стекает вниз,
увлекая в бункер 4 частицы пыли.
Барботажно-пенный скруббер с провальной (а) и переливной (б) решетками
В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через
слой жидкости и пены 2, очищается от части пыли за счет осаждения частиц на внутренней поверхности газовых
пузырей.
Орошаемая противопоточная насадочная башня
1 – насадка; 2 – рабрызгиватели
Химически инертная насадка 1, заполняющая внутреннюю полость колонны, предназначена для увеличения
поверхности жидкости, растекающейся по ней в виде пленки. В качестве насадки используют тела разной
геометрической формы, имеющие собственную удельную поверхность и сопротивление движению газового потока. Для
изготовления насадок используют керамику, фарфор, пластмассы, металлы, которые выбираются исходя из
соображений антикоррозийной устойчивости.
Электростатическая очистка газов служит универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы
кислот, и при любых размерах частиц. Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа
через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Осаждение частиц
происходит на заземленных осадительных электродах. Степень очистки от аэрозолей – выше 90, достигая 99,9%.
Недостаток этого метода – большие затраты средств на сооружение и содержание очистных установок и значительный
расход энергии на создание электрического поля.
Звуковая и ультразвуковая коагуляция, а также предварительная электризация пока мало применяются в
промышленности и находятся в основном в стадии разработки. Они основаны на укрупнении аэрозольных частиц,
облегчающем их улавливание традиционными методами.
20 Преимущества электрохимических методов очистки
Наиболее широко
распространенные в мире методы очистки питьевой воды и отработанных водных растворов основаны на
моделировании природных процессов - фильтрации, сорбции, ионного обмена. Однако, установки в которых
реализованы указанные процессы, нуждаются в регенерации и периодической замене основного рабочего элемента:
фильтров, сорбентов, ионообменных смол.
При этом возникают проблемы с
утилизацией отработанных материалов, а также сохраняется необходимость восполнения их потерь путем производства
из невозобновляемых сырьевых запасов новых материалов взамен отработанных. Очевидно, стратегия наименьшего
экологического ущерба при сохранении достигнутого уровня жизни населения Земли или при его улучшении, должна
быть основана на использовании технологий, позволяющих обеспечить минимально возможное вовлечение в
производственно-хозяйственную деятельность человека природных минеральных сырьевых ресурсов, которые в
естественном состоянии (месторождения полезных ископаемых) не представляют угрозы окружающей среде, но после
серии различных технологических преобразований рассеиваются в виде растворимых в воде соединений. Одним из
естественных процессов, имеющих самое широкое распространение в живой и неживой природе является
электрохимическое преобразование веществ, т.е. окислительно-восстановительные реакции, связанные с удалением или
присоединением электрона. Этот природный процесс более эффективен в сравнении с вышеназванными. Теоретические
расчеты показывают, что потенциальные возможности электрохимического кондиционирования воды (очистки,
умягчения, опреснения, обеззараживания и т.д.) более чем в 100 раз превосходят фильтрационные, сорбционные и
ионообменные методы по экономичности, скорости и качеству. Кроме того, электрохимические реакции позволяют без
дополнительных затрат химических реагентов преобразовать пресную или слабосолоноватую природную воду в
высокоактивный технологический раствор, обладающий практически любыми необходимыми функциональными
свойствами.
Электрохимические методы очистки сточных вод
Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного
окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлоку-ляции и электродиализа. Все эти процессы
протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические
методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной
технологической схеме очистки, без использования химических реагентов. Основным недостатком этих методов
является большой расход электроэнергии.
Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.
Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов: плотностью тока, напряжением,
коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии. Плотность тока -- это
отношение тока к поверхности электрода, которое обычно выражают в А/м2 (А/см2, А/дм2). Напряжение электролизера
складывается из разности электродных потенциалов и падения напряжения в растворе'
где la и lk--величина анодной и катодной поляризации; la и lк--равновесные потенциалы анода и катода; Uэл и Uдиаф -падение напряжения в электролите и диафрагме.
Падение напряжения в электролите (сточной воде) при отсутствии пузырьков газа определяют по закону Ома:
Uэл =ip,
где i --плотность тока в сточной воде. А/см2; р--удельное сопротивление. Ом-см; --расстояние между электродами, см.
При выделении газовых пузырьков, вследствие удлинения потока между электродами Uэл возрастает. Отношение
напр=( la - lк )U
называют коэффициентом полезного использования напряжения.
Выход по току -- это отношение теоретически необходимого количества электричества (находят по закону Фарадея) к
практически затраченному, которое выражают в долях единицы или в процентах.
Анодное окисление и катодное восстановление
В электролизере, на положительном электроде -- аноде ионы отдают электроны, т. е. протекает реакция
электрохимического окисления; на отрицательном электроде -- катоде происходит присоединение электронов, т. е.
протекает реакция восстановления.
Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных примесей (цианидов, роданидов, аминов, спиртов.
альдегидов, нитросоединений, азокрасителей, сульфидов, меркаптанов и др.). В процессах электрохимического
окисления вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием СОз, МНз и воды или
образуются более простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять другими методами.
В качестве анодов используют различные электролитически нерастворимые материалы: графит, магнетит, диоксиды
свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу.
Катоды изготовляют из молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем, из графита, нержавеющей стали и других
металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами. Процесс проводят в электролизерах с диафрагмой и без
нее. Кроме основных процессов электроокисления и восстановления, одновременно могут протекать электрофлотация,
электрофорез и электрокоагуляция.
Сточные воды, содержащие цианиды, образуются на предприятиях машиностроения, приборостроения, черной и
цветной металлургии, химической промышленности и др. В состав вод кроме простых цианидов (KCN, NaCN) входят
комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов, концентрация которых колеблется от 10 до 600 мг/л.
Обычно рН таких стоков колеблется в пределах 8--12.
21 Ионный обмен – принципиально иной метод очистки воды. В так называемых инертных фильтрах частицы
загрязнений физически задерживаются на сетках, синтетических волокнах, порах активированного угля, тогда как
при ионном обмене они “химически” входят в структуру фильтрующего вещества. И еслимеханическая очистка
воды или угольная адсорбция просты и понятны, то ионный обмен намного интереснее.
Этот метод эффективно очищает воду от ионов многих металлов, однако в первую очередь - от кальция и магния.
Карбонаты этих веществ являются теми самыми солями жесткости, которые выводят из строя водонагревательные
приборы, трубы и оставляют наросты на сантехнике. Соли кальция и магния также ухудшают состояние кожи и волос
при мытье, не говоря уже о регулярном употреблении их в питьевой воде.
Ионы металлов имеют очень малые размеры, поэтому их невозможно задержать в порах угля и синтетических волокон.
Помочь здесь могут только специальные ионообменные смолы. Ионообменная смолапредставляет собой
высокомолекулярное нерастворимое химическое соединение. Вода с высоким содержанием солей жесткости проходя
через такую смолу оставляет в ней двухвалентные ионы кальция и магния. А если быть точнее, это ионообменная смола
их поглощает, отдавая взамен свои одновалентные ионы безвредного натрия.
Таким образом, происходит снижение концентрации солей кальция и магния в воде, то есть ее умягчение. Теперь,
вместо солей жесткости, вред которых очевиден и знаком каждому, в воде будут присутствовать карбонаты натрия,
которые совершенно безобидны для любых хозяйственных и бытовых целей.
Ионообменные смолы хорошо удаляют из воды не только соли жесткости, а также ионы большинства других, в том
числе тяжелых, металлов. Конечно, при условии их невысоких концентраций. Поэтому достаточно часто ионообменные
засыпки применяют в картриджах бытовых фильтров для воды. Однако основное применение такой смолы – бытовые и
промышленные умягчители воды.
23 Лиофобные золи термодинамически неустойчивы и их частицы с течением времени склонны к агрегации и
осаждению. Образование таких золей происходит в результате дробления вещества в объеме раствора либо при
агрегации небольших молекул или ионов. Диспергирование объемных материалов посредством механического
измельчения, ультразвуковой обработки и других подобных методов обычно не приводит к получению частиц меньшего
размера, чем верхний предел области коллоидных частиц. Более высокая степень диспергирования часто достигается
применением метода агрегации, связанного с образованием молекулярно диспергированного пересыщенного раствора,
из которого дисперсная фаза «осаждается» в нужной форме. Для этой цели могут быть использованы комбинированные
методы, такие, как замена хорошего растворителя на менее хороший, охлаждение и различные химические реакции.
Примеры химических реакций, с помощью которых получаются гидрозоли в соответствующих условиях эксперимента:
кипячение раствора хлорида железа(III), в результате чего получаются частицы оксида железа(III) малого размера;
реакция между разбавленными растворами тиосульфата натрия и соляной кислоты с образованием дисперсной серы;
реакция между разбавленными растворами нитрата серебра и иодида калия с образованием малых частиц иодида
серебра. Полимерные латексы можно получать методом эмульсионной полимеризации.
Образование новой фазы в процессе «осаждения» включает образование зародышей (центров кристаллизации) и рост
новой фазы; соотношение скоростей этих процессов и определяет размер частиц. Высокая степень дисперсности
получается, если скорость зародышеобразования велика, а скорость роста частицы мала. Ингибиторы роста могут
применяться не только для получения частиц малого размера, но также для селективного действия на рост отдельных
граней кристалла, т.е. для изменения формы частицы. Это важно для приготовления катализаторов гетерогенного
катализа, так как кристаллографическая ориентация граней влияет на эффективность катализатора. Если осаждаемый
порошок обладает умеренной растворимостью, то состав дисперсной фазы меняется во времени (наблюдается явление
старения), когда менее растворимые частицы большего размера растут за счет малых (но более растворимых) частиц.
Большинство препаративных методов приводит к образованию полидисперсных золей (в которых частицы имеют
распределение по размерам). Можно приготовить (например, с помощью методов зародышеобразования при условиях,
которые приводят к спонтанной кристаллизации) почти монодисперсные золи, в которых размеры частиц примерно
равны. Эти золи очень полезны в качестве калибровочных стандартов, а также в экспериментах для проверки новых
гипотез. Они имеют и специальные применения в множительной технике, при получении антиотражательных покрытий
линз и т.д. Вероятно, наиболее важным физическим свойством коллоидных дисперсных систем является тенденция
частиц к агрегации. Коагуляция – это сильная агрегация, флокуляция – слабая, легко обратимая. Пептизация –процесс, в
котором дисперсия восстанавливается (при слабом перемешивании или без него) при изменении состава дисперсионной
среды, например при добавлении разбавленного раствора электролита.
Устойчивость
коллоидных систем – сложный вопрос. В простейшем случае она определяется балансом сил между вандерваальсовым
притяжением и кулоновским отталкиванием частиц двойных слоев. (Эффекты ПАВ и полимерных добавок рассмотрены
ниже.)
Вандерваальсовы силы обычно
проявляются как силы межмолекулярного притяжения, которые обусловливают переход газов в жидкое состояние.
Энергия вандерваальсова взаимодействия двух атомов чрезвычайно мала и быстро уменьшается с увеличением
расстояния между ними (примерно обратно пропорционально шестой степени расстояния). Если силы притяжения
между всеми атомными парами в двух коллоидных частицах суммируются, значительно возрастает не только общее
взаимодействие, но и дальнодействующие кулоновские силы отталкивания (обратно пропорционально, в степени 1–2,
расстоянию между частицами).
Коллоидные частицы, диспер гированные в
полярной жидкости, такой, как вода, обычно несут чистые (несвязанные) заряды на своей поверхности. Ионы
дисперсионной среды, имеющие заряд, противоположный заряду частицы (противоионы), притягиваются к поверхности
частицы, а ионы одинакового заряда (коионы) отталкиваются от нее (что не так существенно). Наложение этого эффекта
на эффект перемешивания от теплового движения приводит к образованию двойного электрического слоя (ДЭС),
образованного заряженной поверхностью частицы и избытком противоионов относительно коионов, распределенных
диффузно в дисперсионной среде. Таким образом, частица может рассматриваться как окруженная диффузной ионной
атмосферой с общим зарядом, равным ее заряду, но противоположного знака. В основном два параметра количественно
определяют строение ДЭС: поверхностный потенциал (определяемый по измерению поверхностной плотности заряда) и
эффективная толщина (определяемая измерением расстояния от поверхности, на котором существует влияние ДЭС).
Поскольку поверхность частицы реально находится в области с резко изменяющимся ионным составом, определение (не
говоря уже об измерении) поверхностного потенциала чрезвычайно затруднено. Однако частный случай определения
поверхностного потенциала, так называемого дзета-потенциала, часто используется в исследованиях устойчивости
коллоидных систем. Дзета-потенциал рассчитывается из результатов электрокинетических измерений, которые проще
всего получить при исследовании электрофореза – движения заряженных частиц в электрическом поле. «Толщина» ДЭС
зависит от концентрации электролита и валентности противоионов. Чем больше концентрация и валентность, тем
меньше расстояние от поверхности частицы, на котором заряд частицы «экранируется» противоположным зарядом ДЭС
со стороны дисперсионной среды. Если две коллоидные частицы сближаются, возникает энергия отталкивания
вследствие взаимодействия одинаково заряженных частиц в диффузной части ДЭС вокруг них. Энергия отталкивания
увеличивается с возрастанием дзета-потенциала (вначале быстро, а затем стремится к пределу при больших значениях
дзета-потенциала) и уменьшается экспоненциально по мере возрастания отношения расстояния между частицами к
толщине ДЭС.
Общая энерги я взаимодействия является
суммой вандерваальсова притяжения и кулоновского отталкивания двойных слоев. Рассмотрим два крайних случая. При
низких концентрациях электролита отталкивательное взаимодействие двойных слоев является дальнодействующим и
(при условии, что дзета-потенциал является достаточно большим – обычно выше 25–30 мВ) определяет энергетический
барьер коагуляции (подобно энергии активации в химической реакции). Скорость коагуляции соответственно будет
замедляться и может сделаться такой малой, что золь можно считать практически стабильным. При высокой
концентрации электролита отталкивание двойных слоев действует на малом расстоянии и на всех расстояниях между
частицами превалирует вандерваальсово притяжение, так что энергетический барьер отсутствует и коагуляция
происходит быстро. Переход между этими двумя крайними случаями можно осуществить путем добавления
электролита; избыток электролита, необходимый для такого уменьшения потенциального барьера, при котором время
коагуляции сократилось бы, например, от месяцев до минут, относительно мал. Отсюда можно измерить критическую
концентрацию коагуляции; она зависит в основном от валентности противоионов.
Лиофильные коллоиды. К лиофильным коллоидам относятся растворы макромолекул, например желатин или крахмал
в воде. Растворимости этих веществ зависят от их сродства к молекулам растворителя и собственным молекулам.
Макромолекулы с высоким сродством к растворителю имеют достаточно открытую конфигурацию и обладают высокой
растворимостью, в то время как молекулы с бльшим сродством друг к другу, чем к растворителю, имеют тенденцию к
свертыванию (в клубок) и показывают более ограниченную растворимость. Баланс подобных свойств зависит от таких
факторов, как рН, концентрация соли и температура. Вследствие больших размеров и способности к свертыванию
растворимые макромолекулы имеют тенденцию к связыванию относительно большого числа молекул растворителя и их
растворы в общем случае обладают большей вязкостью по сравнению с обычными растворами. Если все молекулы
растворителя механически связаны и захвачены макромолекулярной цепью клубка, система в целом приближается к
твердому состоянию и называется гелем.
Устойчивость лиофобных золей можно часто повысить добавлением макромолекулярного материала, который
адсорбируется на поверхности частиц. Такое адсорбирующееся вещество называется протектором или
стабилизирующим агентом. Лучшими протекторами являются блок-сополимеры, которые имеют лиофобную часть
(якорную группу), которая прочно связывает макромолекулу с поверхностью частицы, и лиофильный хвост, который
свободно размещается в дисперсионной среде. Адсорбированная макромолекула может определять устойчивость золя
благодаря своему влиянию на вандерваальсовы взаимодействия и взаимодействия двойных электрических слоев, но
наиболее важна их роль, вероятно, в пространственной стабилизации частиц золя. В основном условия стабильности
дисперсной системы будут теми же, что и для растворимости той части стабилизирующей макромолекулы, которая
обращена в сторону дисперсионной среды. Если возникает агрегация частиц, то она будет ослабляться и становиться
легко обратимой (флокуляция) благодаря адсорбированным макромолекулам протектора, которые способствуют
разделению частиц. Равновесие между стабилизацией и флокуляцией очень подвижно и может меняться при изменении
температуры. ПАВ также могут играть роль мощных стабилизаторов. Они обычно сильно адсорбируются на
поверхности частиц и делают ее более лиофильной. Адсорбированные ионы ПАВ часто увеличивают
электростатическую стабилизацию.
Гидроксиды металлов, кремнезем и глины имеют высокое
сродство к воде и могут существовать в форме гелей. Молекулы гидроксида алюминия после удаления молекул воды
могут связываться в форме неорганических полимерных цепей, которые являются составными частями структуры геля.
Частицы некоторых глин при подходящих условиях могут иметь отрицательно заряженные грани и положительно
заряженные ребра, при этом притяжение грань – ребро делает легким образование структуры геля типа «карточного
домика». В некоторых случаях коллоидные дисперсные системы становятся более чувствительными к агрегации при
добавлении малых количеств макромолекулярных веществ или ПАВ, которые в бльших количествах действуют как
стабилизаторы. Если частицы золя и добавки (например, ионного ПАВ) заряжены противоположно, чувствительность к
агрегации появляется при уровне концентрации (и адсорбции) добавки, почти нейтрализующем заряд частиц, тогда как
при более высоких концентрациях происходит стабилизация благодаря перезарядке и стерическим эффектам. При
малых концентрациях макромолекулы могут вызывать самопроизвольную флокуляцию посредством мостикового
механизма, когда одна макромолекула адсорбируется на двух и более частицах.
Дзета-потенциал. Двойной электрический слой.
В дисперсных
системах на поверхности частиц (на границе раздела частица-дисперсионная среда) возникает двойной электрический
слой (ДЭС). Двойной электрический слой представляет собой слой ионов, образующийся на поверхности частицы в
результате адсорбции ионов из раствора или диссоциации поверхностных соединений. Поверхность частицы
приобретает слой ионов определенного знака, равномерно распределенный по поверхности и создающий на ней
поверхностный заряд. Эти ионы называют потенциалопределяющими (ПОИ). К поверхности частицы из жидкой среды
притягиваются ионы противоположного знака, их называют противоионами (ПИ). Таким образом, двойной
электрический слой состоит из потенциалопределяющих ионов и слоя противоионов, расположенных в дисперсионной
среде. Слой противоионов состоит из двух слоев:
 Адсорбционный слой (плотный слой), примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Данный
слой формируется в результате электростатического взаимодействия с потенциалопределяющими ионами и
специфической адсорбции.
 Диффузный слой, в котором находятся противоионы. Эти противоионы притягиваются к частице за счет
электростатических сил. Толщина диффузного слоя зависит от свойств системы и может достигать больших
значений.
При движении частицы двойной электрический слой разрывается. Место разрыва при перемещении твердой и жидкой
фаз друг относительно друга называется плоскостью скольжения. Плоскость скольжения лежит на границе между
диффузными и адсорбционными слоями, либо в диффузном слое вблизи этой границы. Потенциал на плоскости
скольжения называют электрокинетическим или дзета-потенциалом (ζ -потенциал).
Другими словами, дзета-потенциал - это разность потенциалов дисперсионной среды и неподвижного слоя
жидкости, окружающего частицу.
Теории двойного электрического слоя широко используются для интерпретации поверхностных явлений. Однако не
существует прямых методов измерения потенциалов на границе адсорбционного слоя. Для количественного
определения величины электрического заряда в двойном электрическом слое широко используется дзета-потенциал.
Дзета-потенциал не равен адсорбционному потенциалу или поверхностному потенциалу в двойном электрическом слое.
Тем не менее, дзета-потенциал часто является единственным доступным способом для оценки свойств двойного
электрического слоя. Знание дзета-потенциала важно во многих областях производственной и исследовательской
деятельности.
Важность определения дзета-потенциала
Важность дзетапотенциала состоит в том, что его значение может быть связано с устойчивостью коллоидных дисперсий. Дзетапотенциал определяет степень и характер взаимодействия между частицами дисперсной системы.
Для молекул и частиц, которые достаточно малы, высокий дзета-потенциал будет означать стабильность, т.е. раствор
или дисперсия будет устойчивы по отношению к агрегации. Когда дзета-потенциал низкий, притяжение превышает
отталкивание, и устойчивость дисперсии будет нарушаться. Так, коллоиды с высоким дзета-потенциалом являются
электрически стабилизированными, в то время, как коллоиды с низким дзета-потенциалом склонны коагулировать или
флокулировать.
Значение дзета-потенциала равное 30 мВ (положительное или отрицательное) можно рассматривать как характерное
значение, для условного разделения низко-заряженных поверхностей и высоко-заряженных поверхностей. Чем больше
электрокинетический потенциал, тем устойчивее коллоид.
Автор
mama675
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
162
Размер файла
516 Кб
Теги
bogdanov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа