Электрокоагулятор для очистки нефтьсодержащих сточных вод

где U1 и U2 – соответственно силы отталкивания и притяжения.   

 Если D U больше нуля – укрупнение частиц невозможно, если меньше – произойдет слипание частиц, т.е. коагуляция.   

 В электрическом поле создаются  особенно благоприятные условия для коагуляции, чему способствует дополнительно возникающая сила диполь-дипольного воздействия U3, уменьшающего ДЭС и поляризующего частицы:                                       

.                                                                    

 Второй этап коагуляции сводится  к химическому процессу образования  нерастворимых гидроксидов металлов, их кристаллизации с последующим  формированием хлопьев, способных  флокулировать грубодисперсные  примеси воды. Соответствующие химические реакции происходят в межэлектродном пространстве и включают один, а иногда несколько этапов:

;

;

;

.   

 Процесс хлопьеобразования  в электрокоагуляторах протекает  значительно интенсивнее, чем в  камерах хлопьеобразования при  реагентной коагуляции, что объясняется положительным влиянием электрофореза на взаимное укрупнение зародышей частиц гидроксидов и перемешиванием воды выделяющимися на катодах пузырьками водорода.   

 Благоприятные условия электрокоагуляции  позволяют уменьшить дозы металла, необходимые для очистки, по сравнению с дозами при реагентной коагуляции на 10–20 % и более.    

 Помимо использования электрокоагуляции  для дестабилизации коллоидов  и флокуляции грубодисперсных  примесей, метод применим в схемах  очистки воды от ионов тяжелых  металлов. Это становится возможным в результате такого повышения рН воды при электролизе, когда металлы переходят в состояние нерастворимых гидроксидов и осаждаются совместно с гидроксидами железа.

Как и другие электролизеры, электрокоагуляторы могут быть горизонтальными или вертикальными, что зависит от условий размещения и монтажа, а также от расходов обрабатываемой воды.   

 Аноды и катоды выполняются  из алюминия, его сплавов, не содержащих  медь, стали. Наряду с пластинчатыми  электродами иногда используют  засыпные из стальной стружки. Несмотря на некоторые преимущества (большая поверхность, низкая стоимость), засыпные электроды применяются редко, они засоряются гидрооксидами металлов и плохо регенерируются. Выбор материала для электродов зависит от технологических особенностей процессов очистки.

В связи с незначительным пенообразованием для таких электрокоагуляторов можно принимать ширину межэлектродных каналов менее 15–20 мм и при обосновании не предусматривать устройств для удаления пены.   

 При низкой плотности тока возрастает необходимая продолжительность пребывания обрабатываемой воды в межэлектродном пространстве, так как растворение анодов и хлопьеобразование протекают вяло. Увеличение продолжительности достигается за счет увеличения длины межэлектродных каналов последовательным размещением электродных блоков по ходу движения воды или за счет ее рециркуляции. Для удлинения межэлектродных каналов их выполняют не по обычной, параллельной, а по последовательной (лабиринтной) схеме (рис. 2, б).

Рис. 2. Схема движения воды по межэлектродным каналам:

а – параллельное; б – лабиринтное

 

Технологическая схема очистки сточных вод электрокоагуляцией показана на рис 3.

 

Рис. 3. Схема электрокоагуляционной установки:

1 — усреднитель; 2 — бак для приготовления раствора; 3 — источник постоянного тока; 4 — электрокоагулятор; 5 — отстойник; 6 — аппарат для обезвоживания осадка

 

Обезвоживание осадка проводят в фильтр-прессе или центрифуге. Выделяющийся в процессе газообразный водород можно использовать для флотации гидроксида. С этой целью в схеме очистки используют электрокоагуляторы-флотаторы, или специальные флотационные аппараты, например гидроциклоны-флотаторы. Замена отстойника на флотаторы позволяет значительно уменьшить габариты установки, сократить капитальные затраты и получить менее влажный осадок гидроксида.

Электрокоагуляционную очистку сточных вод можно использовать для очистки от эмульсий нефтепродуктов, масел, жиров (электрокоагулятор представляет собой ванну с электродами). Эффективность очистки от нефтепродуктов составляет: от масел 54—68%, от жиров 92—99% при удельном расходе электроэнергии 0,2—3,0 Вт-ч/м3.

На практике наиболее широко используют безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы, направление движения жидкости в которых может быть горизонтальным и вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными и смешанными. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно через промежутки между электродами (параллельное соединение каналов). При однопоточной схеме вода проходит между электродами последовательно (последовательное соединение каналов), что уменьшает пассивацию электродов. Скорость движения воды у однопоточных электрокоагуляторов в п—1 раз больше, чем у многопоточных (га—число электродов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 5. Расчет и проектирование электрокоагулятора

 

1.Электрокоагуляторы со стальными электродами следует применять для очистки сточных вод предприятий различных отраслей промышленности от шестивалентного хрома и других металлов при расходе сточных вод не более 50 м3/ч, концентрации шестивалентного хрома до 100 мг/л, исходном общем содержании ионов цветных металлов (цинка, меди, никеля, кадмия, трехвалентного хрома) до 100 мг/л, при концентрации каждого из ионов металлов до 30 мг/л, минимальном общем солесодержании сточной воды 300 мг/л, концентрации взвешенных веществ до 50 мг/л.

2.Величина рН сточных вод должна составлять при наличии в сточных водах одновременно:

шестивалентного хрома, ионов меди и цинка:

4-6 при концентрации хрома 50-100 мг/л;

5-6     «             «               «          20-50            «;

6-7     «             «               «          менее 20      «;

шестивалентного хрома, никеля и кадмия:

5-6 при концентрации хрома  свыше 50 мг/л;

6-77   «             «               «          менее 50      «;

ионов меди, цинка и кадмия (при отсутствии шестивалентного хрома) - свыше 4,5;

ионов никеля (при отсутствии шестивалентного хрома) - свыше 7.

3.Корпус электрокоагулятора должен быть защищен изнутри кислотостойкой изоляцией и оборудован вентиляционным устройством.

4.При проектировании электрокоагуляторов надлежит принимать:

анодную плотность тока - 150-250 А/м2;

время пребывания сточных вод в электрокоагуляторе - до 3 мин;

расстояние между соседними электродами - 5-10 мм;

скорость движения сточных вод в межэлектродном пространстве - не менее 0,03 м/с;

удельный расход электричества для удаления из сточных вод 1 г Cr6+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Cu2+ при наличии в сточных водах только одного компонента - соответственно 3,1; 2-2,5; 4,5-5; 6-6,5 и 3-3,5 А•ч;

удельный расход металлического железа для удаления из сточных вод 1 г шестивалентного хрома - 2-2,5 г; удельный расход металлического железа для удаления 1 г никеля, цинка, меди, кадмия - соответственно 5,5-6; 2,5-3; 3-3,5 и 4-4,5 г.

5. При наличии в сточных водах одного компонента величину тока Icur, А, надлежит определять по формуле

                                                       (1)

Icur=2,7*7,5*3.3=66,825 А.

где qw - производительность аппарата, м3/ч;

Cen - исходная концентрация удаляемого компонента в сточных водах, г/м3;

qcur - удельный расход электричества, необходимый для удаления из сточных вод 1 г иона металла, А•ч/г.

При наличии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома величину тока надлежит определять по формуле (1), причем в формулу подставлять значения Cen и qcur для шестивалентного хрома. При суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома величину тока, определяемую по формуле (1), следует увеличивать в 1,2 раза, а величины Cen и qcur принимать для одного из компонентов, для которого произведение этих величин является наибольшим.

6. Общую поверхность анодов fpl, м2, надлежит определять по формуле

         

  м2;                                                      

(2)

где ian - анодная плотность тока, А/м2.

При суммарной концентрации шестивалентного хрома и ионов тяжелых металлов в сточных водах до 80 мг/л, в интервалах 80-100, 100-150 и 150-200 мг/л анодную плотность тока следует принимать соответственно 150, 200, 250 и 300 А/м2.

7. Поверхность одного электрода fpl, м2, следует определять по формуле

      

 

ʄ ʹpl = 0,82*0,65=0,533 м2;                                                      (3)

где bpl - ширина электродной пластины, м;

hpl - рабочая высота электродной пластины (высота части электродной пластины, погруженной в жидкость), м.

8. Общее необходимое число электродных пластин Npl надлежит определять по формуле

      

 

                                                        (4)

Общее число электродных пластин в одном электродном блоке должно быть не более 30. При большем расчетном числе пластин необходимо предусмотреть несколько электродных блоков.

9. Рабочий объем электрокоагулятора Wek, м3, следует определять по формуле

    

      м3;                                                     (5)

где b - расстояние между соседними электродами, м.

Расход металлического железа для обработки сточных вод QFe, кг/сут, при наличии в них только одного компонента надлежит определять по формуле

    

 кг/сут                                                    (6)

где qFe - удельный расход металлического железа, г, для удаления 1 г одного из компонентов сточных вод;

Kek - коэффициент использования материала электродов, в зависимости от толщины электродных пластин принимаемый равным 0,6-0,8;

Qw - расход сточных вод, м3/сут.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов менее 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа для обработки сточных вод надлежит определять по формуле (6), в которую подставляются значения qFe иCen для шестивалентного хрома.

При одновременном присутствии в сточных водах нескольких компонентов и суммарной концентрации ионов тяжелых металлов свыше 50 % концентрации шестивалентного хрома расход металлического железа надлежит определять по формуле (6) с коэффициентом 1,2, а qFe и Cen относить к одному из компонентов сточных вод, для которого произведение этих величин является наибольшим.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.1 Чертеж электрокоагулятора

 

Наиболее выгодной должна быть работа электрокоагулятора при высоких, плотностях тока, поскольку при этом более интенсивно используется его емкость и рабочая поверхность электродов. Однако с погашением плотности тока возрастают поляризационные явления и пассивация электродов, что приводит к возрастанию потребного напряжения и потерям электроэнергии на побочные процессы, а также к возрастанию выделяющегося при электролизе двухвалентного железа. При электрокоагуляции в резервуаре (электрокоагуляторе) через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0 6 А / дм2 под напряжением 10 - 18 В.

 Наибольшее применение получили в настоящее время электрокоагуляторы с помещенными в них пакетами ( блоками) плоских пластинчатых электродов, расположенных вертикально, параллельно друг другу. На основании лабораторных исследований была выбрана конструкция электрокоагулятора. Для более полного использования при разделении процессов электрофореза и флотации применяют электрокоагулятор, создающий неоднородное поле и работающий в восходящем потоке жидкости, который состоит из корпуса 1, днища 2 и крышки.

При использовании в качестве анода железных или алюминевых электродов происходит их электролитическое растворение, при котором в сточную воду переходит ионы этих металлов, превращающиеся в гидроксиды, или основные соли металлов, обладающие коагулирующей способностью. На этом принципе основан процесс электрокоагуляции загрязнений сточных вод. При электрокоагуляции сточных вод, содержащих тонкодиспергированных загрязнений, могут идти и другие электрохимические и физика-химические процессы, такие как:  электрофорез, катодное восстановление растворенных в воде органических и неорганических веществ, химические реакции между ионами железа или алюминия и содержащимимся в воде ионами с образованием нерастворимых солей. Поэтому эффект очистки воды при электрокоагуляции в ряде случаев более высокий, чем при ее обработке одинаковыми, в пересчете на металл, дозами солевых коагулянтов. При использовании нерастворимых электродов пузырьки выделяющихся газов сорбируют на своей поверхности загрязнения и, поднимаясь вверх,увлекают их за собой.