Состав и расчет выпусков сточных вод в водоемы

В машиностроении источниками загрязнений сточных вод являются производственные, бытовые и поверхностные стоки.

Производственные сточные воды образуются в результате использования воды в технологических процессах. Типовой состав примесей сточных вод представлен в табл 6.5. Сточные воды сварочных, монтажных, сборочных, испытательных цехов содержат механические примеси, маслопродукты, кислоты и тому подобные вещества в значительно меньших концентрациях, чем в рассмотренных видах цехов и участков. Наибольшую опасность в машиностроении представляют стоки гальванического производства.

Таблица 65 Состав сточных вод [6.10]

Тип цеха, участка	Вид сточных вод	Основные примеси	Концентрация примесей, кг/м^3	Температура сточных вод, °С
Металлургические	От охлаждения печей	Взвешенные вещества Масла	0,01… 0,05 0,01	40…45
	От влажной газо-	Мелкодисперсная	2…5
Литейные	очистки	минеральная пыль
	От грануляторов стержневых смесей	Песок, частицы шлака	20...40
	От гидровыбивки	Песок, окалина,	0.5...15	15...30
	отливок и регенерации смеси	глина Органические вещества	0,05
Кузнечно-прессовые	От охлаждения поковок и оборудова	Взвешенные вещества минерального	0,1…02	30…40
	ния	происхождения Окалина	5…8
		Масла	10…15
Механичес	Отработанные сма-	Взвешенные веще-	0.2…1	15 20
кие	зочноохлаждающие	ства
	жидкости	Сода	5…10
	Из гидрокамер окрасочных отделений Из отделений гид	Масла Органические растворители Масла, краски Взвешенные веще	0,5…2 0,1…0,2   0,1…0,3 0,1…0,2	15…25     15…20
	Равлических испытании	ства Масла	0,03…0,05
Термические	Промывные растворы     Из закалочных ванн	Окалина Щелочи Масла Взвешенные веще	0,02…0,03 0,02…003 0,01…0,02 0,05…0,25	50…60     30…40
		ства минерального
		происхождения Тяжелые металлы Масла Цианиды	0,03…0.15 0,001…0,01 0,002…0,05
Травиль-	Промывные воды	Механические	0,4	15…25
ные
		Маслоэмульсии	0,05…0,1
		Щелочи	0,02…0,2
		Кислоты	0,02…0,25
	Отработанные рас-	Механические	10…20
	творы
		Маслоэмульсии
		Щелочи	20…30
		Кислоты	30…50
Гальвани-	Промывные воды	Хром	0,005…0,2	20…30
ческие
		Циан	0,005 0,15
	Отработанные	Тяжелые металлы	0…10	20…25
	электролиты
		Кислоты	0,04…20
		Щелочи	0,02…30
		Масла	0,02…0,05
		Хром	5…200
		Циан	10…100

 

Бытовые сточные воды, образующиеся в раковинах, санитарных узлах, душевых и тому подобном, содержат крупные примеси (остатки пищи, тряпки, песок, фекалии и т.п.); примеси органического и минерального происхождения в нерастворенном, коллоидном и растворенном состояниях; различные, в том числе болезнетворные бактерии. Концентрация указанных примесей в бытовых сточных водах зависит от степени их разбавления водопроводной водой.

Поверхностные сточные воды образуются в результате смывания дождевыми, снеговыми и поливочными водами загрязнений, имеющихся на поверхности грунтов, на крышах и стенах зданий и т.п. Основными примесями поверхностных сточных вод являются механические частицы (земля, песок, камень, древесные и металлические стружки, пыль, сажа) и нефтепродукты (масла, бензин, керосин, используемые в двигателях транспортных средств).

При выборе схемы станции очистки и технологического оборудования необходимо знать расход сточных вод и концентрацию содержащихся в них примесей, а также допустимый состав сточных вод, сбрасываемых в водоемы. Допустимый состав сточных вод рассчитывают с учетом «Правил охраны поверхностных вод». Эти правила предназначены для предупреждения избыточного загрязнения сточными водами водных объектов. Правила устанавливают нормы на ПДК веществ, состав и свойства воды водоемов.

Расчет допустимой концентрации примесей в сточных водах, сбрасываемых в водоемы, проводят в зависимости от преобладающего вида примесей сточных вод и характеристик водоема.

При преобладающем содержании взвешенных веществ их допустимая концентрация в очищенных сточных водах

Со≤Св+nПДК,

где Св – концентрация взвешенных веществ в воде водоема до сброса в него сточных вод, кг/м³, п – кратность разбавления сточных вод в воде водоема, характеризующая часть расхода воды водоема, участвующую в процессе перемешивания и разбавления сточных вод; ПДК – предельно допустимая концентрация взвешенных веществ в воде водоема, кг/м³.

При преобладающем содержании растворенных веществ допустимая концентрация каждого из них в очищенных сточных водах

Соi≤n(Cmi-Cвi)+Свi

где Свi –концентрация i-го вещества в воде водоема до сброса в него сточных вод, кг/м; С_mi –максимально допустимая концентрация того же вещества в воде водоема с учетом максимальных концентраций и ПДК всех веществ, относящихся к одной группе лимитирующих показателей вредности, кг/м³:

Кратность разбавления сточных вод в воде водоема

n=(Со-Св)/(С-Св),

где Со – концентрация загрязняющих веществ в сбрасываемых сточных водах, кг/м³; Св и С – концентрации тех же веществ в воде водоема до и после сброса в них сточных вод, кг/м³.

Для водоемов с направленным течением кратность разбавления

n=(Qв+mQp)Qв,

где Qв–объемный расход сточных вод, сбрасываемых в водоем с объемным расходом Qр, м³/4; т – коэффициент смешения, показывающий долю расхода воды водоема, участвующей в процессе смешения:

где

 

– коэффициент, характеризующий гидравлические условия смешения, м^1/3; ψ– коэффициент,.характеризующий месторасположение выпуска сточных вод (для берегового выпуска (φ = 1; для выпуска в сечении русла ψ= 1,5); (φ = L/Ln – коэффициент извилистости русла; L – длина русла реки от сечения выпуска до расчетного створа, M, Ln – расстояние между этими же параллельными сечениями в нормальном направлении, м; DТ –коэффициент турбулентной диффузии в водоеме, м²/c; DT=gHWMCш (g– ускорение свободного падения, м/с²; Н–средняя глубина водоема по длине смешения, м; W– средняя по сечению водоема скорость течения на расстоянии L от места выпуска сточных вод, м/с; Сш=40...44 м^0,5/с–коэффициент Шези [6.8]; М– функция коэффициента Шези, равная 22,3).

Условия смешения сточных вод с водой озер и водохранилищ существенно отличаются от условий их смешения в реках и каналах. Концентрация примесей сточных вод в начальной зоне смешения уменьшается более существенно, однако, полное их перемешивание происходит на значительно больших расстояниях от места выпуска, чем в реках и каналах. Расчет разбавления сточных вод в озерах и водохранилищах проводят в соответствии с [6.8].

СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ГИДРОСФЕРЫ

Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод можно выбрать, зная допустимые концентрации примесей в очищенных сточных водах. При этом необходимо иметь в виду, что требуемые эффективность и надежность любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентрации примесей и расходов сточных вод. С этой целью применяют усреднение концентрации примесей или расхода сточных вод, а в отдельных случаях и по обоим показателям одновременно. Для этого на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых зависит от параметров изменяющихся по времени сбросов сточных вод. Выбор объема усреднителя концентрации примесей сточной воды зависит от коэффициента подавления kn=(Cmax-Ccp)(Cд-Сср), где Сmах – максимальная концентрация примесей в сточной воде, кг/м³; Сcр – средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные сооружения, кг/м³; Сд –допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная эксплуатация очистных сооружений, кг/м³.

При kn≥5 объем усреднителя (м³)

V=kпΔQτ3,

где ΔQ –превышение расхода сточной воды при переменном сбросе, м^3/с; τз – продолжительность переменного сброса, с; при kn< 5 V=ΔQτ3/ln[kп/(kп-1)].

После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия Δ Qh/V≤. W д, где h –высота секции усреднителя, м; Wд = 0,0025 м/с –допустимая скорость движения сточной воды в усреднителе.

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, целесообразно [6.5] существующие методы классифицировать на механические, физико-химические и биологические.

Механическ а я очистка. Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.

Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решетках, ширина прозоров.обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку. Последующая обработка удаленного осадка требует дополнительных затрат и ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении. Эти недостатки устраняются при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10мм и менее. В настоящее время используют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 мЭ/ч и диаметром сетчатого барабана 200мм.

Для выделения волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий используют валокноуловители, например с использованием перфорированных дисков или в виде движущихся сеток с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях. Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (всплывания) примесей (м/с)

Wo=gd²₄(P4-PB)/(18m),

где g– ускорение свободного падения, м/с²; d4,– средний диаметр частиц, м; рч и рв –плотности частицы и воды, кг/м³; m –динамическая вязкость воды. Па/с.

Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25мм. В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые. На рис. 6.15 показана схема горизонтальной песколовки, ее длина (м)

L=αhW/Wo

где W– скорость движения воды в песколовке, W=0,15...0,3 м/с; α – коэффициент, учитывающий влияние возможной турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке α=1,3...1,7.

Рабочую глубину песколовки h выбирают из условия h/W≤τпр, где τпр –время пребывания воды в песколовке, τпр= 30...100 с. Ширина песколовки (м)

 

где Q – расход сточной воды, мУс; п – число секций в песколовке.

Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту. Существуют различные методики расчета длины отстойников. На рис. 6.16 представлена расчетная схема горизонтального отстойника [6.5]. В первой зоне длиной l1 (м) имеет место неравномерное распределение скоростей по глубине отстойника

 

где Н– рабочая высота отстойника,м; hо=0,25 H–высота движущегося слоя сточной воды в начале отстойника, м; β = (0,018...0,02) Wx;Wx – горизонтальная составляющая скорости движения воды, м/с.

Во второй зоне длиной l2 (м) скорость потока сточной воды постоянна. В этой зоне основная часть примесей должна осесть (всплыть) в иловую часть (на поверхность) отстойника, поэтому

Рис 6.15. Схема горизонтальной песколовки. 1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3– шламосборник; 4 –выходной патрубок

l2=(H-h1)Wx(Wo-0,5Wx),

где h1 – максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне, м. В третьей зоне длиной l3 (м) скорость потока увеличивается и условия осаждения частиц ухудшаются

l3=H/tgα,

где α –угол сужения потока воды в выходной части отстойника; α =25…30˚.

Для расчета общей длины отстойника l=l1+l2+l3 задают расход сточной воды и размеры поперечного сечения отстойника.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточной воды крупных твердых примесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др), а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона

Открытый гидроциклон (рис. 6.17) состоит из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, патрубка 3 дляотвода очищенной воды и шламоотводящей трубы 4. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Производительность (м³/с) открытого гидроциклона Q= 0,785qD², где q – удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15wo (wo–скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с); D – диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

Для проектирования открытых гидроциклонов рекомендуются следующие его геометрические характеристики: D = 2...10 м; H= D; d= 0,ID при одном отверстии и d= 0,0707D при двух входных отверстиях; α = 60°.

Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична схеме циклона для очистки газов от твердых частиц. Производительность напорного гидроциклона

Рис. 6.16. Расчетная схема горизонтального отстойника.

 

 

Рис. 6.17. Схема открытого гидроциклона

где К – коэффициент, зависящий от условий входа воды в гидроциклон; для гидроциклонов с D)=0,125...0,6 м и α =30° K=0,524; ∆ р– перепад давлений воды в гидроциклоне, Па; p – плотность очищаемой сточной воды, кг/м.

На рис. 6.18 представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов. Сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вследствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх. При этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 маслопродукты выводятся из гидроциклона для последующей утилизации. Сточная вода, очищенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным сечением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Рис. 6.18. Схема комбинированного гидроциклона

 

Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод прокатных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответственно 0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м³ и эффективностью их очистки около 0,7 и 0,5. При расходе очищаемой сточной воды 5 м³/ч перепад давлений в гидроциклоне составляет 0,1 МПа.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией.

Рис. 6.19. Схема зернистого фильтра

 

Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки. Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.).

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 6.19). Сточная вода по трубопроводу 4 поступает в корпус 1 фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шунгизита и т. п., расположенную между пористыми перегородками 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра через трубопровод 8. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрывается входной трубопровод 4ипо трубопроводу 9 подается сжатый воздух. Он вытесняет из фильтровального слоя 3 воду и твердые частицы в желоб 6, которые затем по трубопроводу 7 выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра является развитая поверхность фильтрования, а также простота конструкции и высокая эффективность.

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов широко используют фильтры с фильтровальным материалом из частиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая большой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скорости фильтрования до 0,01 м/с. При этом насадка из пенополиуретана легко регенерируется при механическом выжимании маслопродуктов.

На рис. 6.20 представлена схема фильтра-сепаратора с фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, предназначенного для очистки сточных вод от маслопродуктов и твердых частиц. Сточную воду по трубопроводу 5 подают на нижнюю опорную решетку 4. Затем вода проходит через фильтровальную загрузку в роторе 2, верхнюю решетку 4 и очищенная от примесей переливается в приемный кольцевой карман 6 и выводится из корпуса 1. При концентрации маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м³ эффективность очистки составляет соответственно 0,92 и 0,9; а время непрерывной эксплуатации фильтра 16...24 ч. Достоинствами данной конструкции являются простота и большая эффективность регенерации фильтра. При включении электродвигателя 7 вращается ротор 2 с фильтровальной загрузкой. В результате частицы пенополиуретана под действием центробежных сил отбрасываются к внутренним стенкам ротора, выжимая из него маслопродукты, которые поступают в карманы 3 и направляются на регенерацию. Время полной регенерации фильтра 0,1 ч.

 

Рис. 6.20. Схема фильтра-сепаратора

 

Физико-химические методы очистки. Данные методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.

В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица – пузырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

В настояще время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки, qr=100Q(Co-Cк)6M, где Co и Ск–концентрации маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³; М– удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа I= qr/αr, где α_r– выход газа по току; α_r = 0,0076 дм³ / (л-мин).

Расход водорода (дм/мин) в смеси электролизного газа

QH2=22,4qrαH(αrMH2)

где α_H – электрохимический эквивалент водорода, α_H = 0,627 мг/(А-мин); M_н2 – молекулярная масса водорода.

Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела «сточная вода – воздух рабочей зоны» в камере флотации, исходя из соотношения q≥50qн2 и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора qсм=qr+qв. Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность ценообразования ω = 300...600 дм³/(м - мин) [6.5] и определяют площадь поверхности пенообразования f=qсм/ω.

Определяют объемную плотность тока (А/м³), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения. j=(φ+0,261Kcp+0,1)/(0,022-0,011Kф),

где φ –степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации; φ == 1...5 дм³/м³; Кф = 0,3...1,2 –коэффициент формы флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры V=I/j; F=(K_ф³V)² и затем ее основные размеры.

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимнонерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции Kф=Cэ/Cв, где Сэ и Св – концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата Кз составляет соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ≈ 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким кали, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.

Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле q = сМэ/Мк где с – концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; Мэ и Мкк – молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

– фильтрационный–путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

– водно-реагентный –добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

– полусухой –перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент – активированный уголь. Расход сорбента т = Q(Сo– Ск)/д, где Q– расход сточной воды, м³с; Со и Ск–концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³; а– удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют ионитами–синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н⁺ или Na⁺- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН^-- или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

 

Рис. 6.21. Технологическаясхемаионообменной очистки сточных вод:

а – одноступенчатая очистка; б – очистка с двухступенчатым анионированием; в – очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым анионированием; К – катионитовый фильтр; А– анионитовый фильтр; Д– декарбонизатор. ПБ– промежуточный бак

 

Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и аниониты. При контакте сточной воды с катионитом в водородной форме имеет место обмен катионов растворенных в воде солей на Н^{+ –} ионы катионита в соответствии с уравнением реакции

n[K]H+Meⁿ⁺↔[K]_nMe+hH⁺

где К –«скелет» (радикал) катионита; Me –извлекаемый из сточной воды катион металла; n– заряд катиона. При этом имеет место увеличение кислотности сточной воды.

При контакте сточной воды с анионитом в гидроксильной форме происходит обмен анионов кислот на OH'-ионы анионита в соответствии с уравнением реакции

m[Ap]OH+A^m-↔[A_n]_mA+mOH

где Аn–«скелет» (радикал) анионита; А–извлекаемый из сточной воды анион; т – заряд аниона.

В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок. Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-кати-онирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита (рис. 6.21, a). Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите (рис. 6.21, б).

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах (рис 621, в)

Рис. 6. 22. Технологическая схема установки
электрохимического окисления циансодержащих сточных вод

 

При необходимости обеспечивать значение рН ≈ 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита

Электрохимическая очистка, в частности, электрохимическое окисление осуществляется электролизом и реализуется двумя путями окислением веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или через вещество–переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С1₂, НОС1, С12O, С1O, СlOз), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КС1, NaCI) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде –разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

На рис. 6. 22. показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар 1, бак 2 для приготовления концентрированного раствора NaCI, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. Очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 7. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.

Рис. 6.23. Технологическая схема эвапо-рационной установки

1–трубопровод подачи исходной сточной воды; 2 – теплообменник; 3– эвапорационная колонна; 4– трубопровод загрязненного пара; 5–трубопровод подачи растворителя; 6– колонна с насадками из колец Рашига для очистки отработанного пара; 7–вентилятор; 8 – трубопровод повторно используемого очищенного пара; 9 – трубопровод отвода загрязненного летучими примесями растворителя; 10– трубопровод отвода очищенной сточной воды; 11– трубопровод подачи свежего пара

 

Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрованияих через мембраны, поры которых размером около 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация требует малых энергозатрат установки для очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются, фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оценивается уравнениями Q = k1(Pp-∆p); F=k2∆c, где Q – расход воды через мембрану, м³/с, k₁, k₂ –коэффициенты проницаемости соответственно воды и растворенного вещества через конкретную мембрану; рр – рабочее давление на входе в мембрану, Па; ∆ р – разность осмотических давлений раствора на входе в мембрану, Па, ∆с – разность концентраций растворенного в воде вещества на входе в мембрану и выходе из нее, кг/м³; F– масса растворенного вещества, переносимого через мембрану, кг.