Коагуляционная очистка сточных вод

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технический университет

им. А.Н.Туполева

Кафедра общей химии и экологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Теоретические основы защиты окружающей среды»

на тему:

Коагуляционная очистка сточных вод.

 

 

Выполнила студентка:

группы 3412

Габдуллина Л.А.

Научный руководитель:

доцент, к.х.н.

Мальцева С.А.

Рецензент:

 

 

 

 

Казань 2014

Содержание

Введение

Глава 1. Коагуляция примесей сточных вод

1.1 Устойчивость водных дисперсных систем

1.2 Механизм очистки сточных вод  под действием коагулянтов

Глава 2. Электрогоагуляция нефьсодержащих сточных вод

 

 

Введение

Актуальность.

Вода является основной составляющей жизни на нашей планете. Можно несколько недель прожить без еды, но без употребления воды человек умирает через несколько дней. В современной экономической жизни вода имеет важное значение для сельского хозяйства, промышленности, производства электроэнергии, транспорта. Поэтому рациональное использование водных ресурсов нашей планеты, защита их от истощения и загрязнения являются одной из главнейших задач во всех технически развитых странах мира.

Химический состав как природных так и промышленных сточных вод весьма разнообразен. В природных водах наряду с веществами, являющимися продуктами естественных биологических процессов, протекающих в природе, повсеместно присутствуют соединения антропогенного происхождения, часто не только ухудшающие органолептические свойства воды, но и сообщающие ей токсичность. Кроме того, огромное количество химических веществ в виде исходных, промежуточных или конечных продуктов различных производств попадает в естественные водоемы со сточными водами. Главными загрязняющими веществами являются нефтепродукты, биогенные вещества, фенолы, ядохимикаты, соли тяжелых металлов, радионуклиды.

Состав загрязнений зависит от вида производства. Так, в сточных водах производства минеральных и органических солей присутствуют неорганические кислоты, щелочи и соли, в стоках нефтеперерабатывающих заводов -нефтепродукты, масла, смолы, ПАВ и т.д.

Для предотвращения загрязнения водных ресурсов внедряется очистка сточных вод перед их сбросом в водные объекты. Разработаны и используются в промышленности различные методы механической, физико-химической и биологической очистки сточных вод, позволяющие утилизировать ценные примеси и эффективно обезвреживать сточные воды от вредных примесей.

Комплексная очистка сточных вод от примесей осуществляется путем применения технологических схем, включающих несколько методов очистки. Схема очистки сточных вод должна обеспечивать минимальный сброс загрязняющих веществ в водоем, максимальное использование очищенных сточных вод в технологических процессах и системах оборотного водоснабжения, более полное извлечение ценных примесей.

Цель работы: изучение теоретических основ коагуляционных процессов для использования закономерностей  при разработке электрокоагулятора.

 

 

 

Глава 1. Коагуляция примесей сточных вод

 

Коагулирование примесей воды - процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их слипания. Коагулирование (коагуляция) завершается образованием видимых невооруженным газом хлопьев и выпадением их в осадок при отстаивании. В результате коагуляции вода становится прозрачнее, обесцвечивается.

Правило коагуляции электролитами:

1. Все сильные электролиты добавлены в коллоидную систему в достаточном количестве вызывают коагуляцию. Минимальная концентрация электролита при котором начинается коагуляция называют порогом коагуляции; [Ск] – обозначение.

Коагулирующая способность – объем раствора которая коагулирует раствор под действием 1 моль/л.

 

Чем меньше порог коагуляции, тем больше коагулирующая способность электролита.

Чаще всего природная вода имеет примеси в виде глины и гумусовых или гуминовых веществ - продуктов распада растений. Эти частицы при столкновении друг с другом или с частицами контактной массы обычно взаимно отталкиваются, так как обладают агрегативной устойчивостью (АУ). АУ большинства примесей воды обусловлена электростатическими силами отталкивания, т.е. электрическим зарядом за счет наличия вокруг частиц двойного электронного слоя, состоящего из противоположно заряженных ионов. Непосредственно на поверхности частиц расположен адсорбционный слой из отрицательно заряженных ионов, а вокруг находится диффузный слой из положительно заряженных ионов H+, Na+, K+.

Примеси в природных водах по своей химической природе являются амфолитами, т.е. веществами, обладающими амфотерными свойствами. Для каждого амфотерного вещества существует значение рН среды (рН изоэлектрической точки - рН ИТ), при котором заряд частицы равен нулю. Чем больше разница между рН среды и рН ИТ амфолита, тем больше величина заряда и соответственно агрегативная устойчивость. Например, для глины рН ИТ равен 5, гуминовых веществ - 3,5-4,5, а большинство природных вод имеют рН 6,5-7,5. В этих условиях примеси воды обладают отрицательным зарядом и имеют высокую агрегативную устойчивость.

Для обеспечения коагуляции необходимо нарушить АУ, т.е. свести заряд частицы до минимума. Известно, что частицы гумуса и глины способны к обменной адсорбции катионов диффузного слоя на 2-х и 3-х валентные катионы. При поглощении амфолитами из воды катионов Ca2+, Mg2+ их устойчивость понижается. В еще большей степени их устойчивость снижается при адсорбции катионов Al3+ и Fe3+. Поэтому в практике коммунального водоснабжения для снижения агрегативной устойчивости соединений воды применяются коагулянты, содержащие, в основном, 3-х валентные катионы: сернокислый глинозем, железный купорос, хлорное железо и высокомолекулярные флокулянты (ВА-2, полиакриламид).

Наиболее часто приоритет отдается сернокислому алюминию (Al2(SO4)3•18H2O), сернокислому (FeSO2•7H2O) и хлорному (FeCl3•6H2O) железу.

При растворении указанных реагентов в воде происходит их гидролиз с образованием труднорастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры, на которой сорбируются коллоидные частицы и грубые взвеси, оседающие на дно и осветляющие воду.

Химические реакции взаимодействия коагулянтов с водой выглядят следующим образом:

1. Использование сернокислого глинозема:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 ; 
Al2(SO4)3 + 3Mg(HCO3)2 = 2Al(OH)3 + 3MgSO4+ 6CO2

2. Использование железного купороса (сернокислой закиси Fe):

FeSO4 + Ca(HCO3)2 = Fe(HCO3)2 + CaSO4

Для ускорения процесса в воду добавляют известь:

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 = Fe(OH)2 + Ca(HCO3)2 
2Fe(OH)2 + H2O + O = 2Fe(OH)3

Доза коагулянта для вод разного состава не одинакова и должна устанавливаться путем опытного (пробного) коагулирования исходной воды в производственной лаборатории. Необходимое количество коагулянта зависит от ряда факторов: солевого состава воды, величины ее рН, количества и характера взвешенных веществ в ней, температуры, химических свойств коагулянта и температурных условий проведения процесса. Оптимальная доза коагулянта вызывает образование крупных, быстро оседающих хлопьев, и не дает опалесценции воды.

Ориентировочную дозу коагулянта можно определить в соответствии со СНиП 2.02.02-84 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" по формуле, а также по методикам, изложенным в "Инструкции по нормированию расхода воды на хозяйственно-бытовые и технологические нужды, проведению лабораторно-производственного и санитарно - гигиенического контроля за качеством питьевой воды и очистки сточных вод". При содержании в воде примерно 100 мг/л взвешенных веществ доза коагулянта составляет 25-35 мг/л.

Наибольшее значение для эффективности процесса коагуляции имеет щелочность воды, т.е. содержание в воде карбонатов (СО3)2- и гидрокарбонатов (НСО3)-. Установлено, что для нормального течения процесса коагуляции щелочность воды должна быть не менее 1,4-1,8 мг-экв/л. Если она ниже, на водопроводных станциях прибегают к подщелачиванию воды содой, негашеной или хлорной известью.

По-разному подвергаются коагуляции взвешенные вещества. Так, если гидрофильные коллоиды (гуминовые вещества и др.) плохо сорбируются на поверхности хлопьев коагулянта и не способствуют их образованию, то гидрофобные коллоиды (глина, почва и т.д.) хорошо сорбируются на поверхностях, утяжеляют их и быстро оседают.

Низкая температура воды замедляет процесс хлопьеобразования, поэтому время коагуляции зимой больше, чем летом.

К недостаткам коагуляции следует отнести то обстоятельство, что использующиеся "неочищенные" соединения (т.е. не "химически чистый" кремнезем) являются источниками попадания в воду мышьяка, фтора и меди.

Для смешения коагулянтов с водой применяют специальные сооружения - смесители. После смешения воды и реагентов в специальных камерах осуществляется вторая стадия процесса коагуляции - хлопьеобразование. Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода находилась в камере от 10 до 40 минут при условии постоянного плавного перемешивания. Этим же целям служат отстойники, в которых хлопья коагулянта со взвешенными примесями под действием силы тяжести выпадают в осадок.

Осаждение взвешенных веществ происходит с различной скоростью, которая зависит от формы, размеров, плотности, шероховатости поверхности частиц и от температуры воды. Первоначально процесс отстаивания происходит с наибольшей эффективностью. После осаждения наиболее плотных частиц взвеси процесс отстаивания замедляется. Поэтому практически осветление осуществляется на 70-87% от теоретически возможного.

В процессе коагуляции вместе со взвешенными веществами в осадок увлекаются и микроорганизмы, что способствует обеззараживанию воды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Устойчивость водных дисперсных  систем

В различных технологических процессах очистки сточных вод от взвешенных веществ возникают затруднения, обусловленные малым размером частиц и высокой седиментационной устойчивостью дисперсных систем. Водные дисперсные системы (сточные воды) представляют собой сложные гетерогенные многокомпонентные системы, в которых содержатся взвешенные частицы, растворенные вещества в молекулярном и ионном виде. Для выделения примесей используют коагуляцию. В общем смысле под коагуляцией понимают потерю агрегативной устойчивости дисперсной системой.

Коагуляция в разбавленных системах приводит к потере седиментационной устойчивости и, в конечном итоге, к расслоению (разделению) фаз. К коагуляции относят адгезионное взаимодействие частиц дисперсной фазы с макроповерхностями, иначе этот процесс называют адагуляцией. В более узком смысле под коагуляцией понимают явление слипания частиц, а процесс слияния частиц называют коасценцией.

Под устойчивостью дисперсных систем понимают неизменность их свойств (дисперсности фазы, характера взаимодействия между частицами и состава во времени). Ликвидация агрегативной устойчивости необходима в процессах выделения осадков при разделении фаз, очистке сточных вод и промышленных выбросов.

По классификации П.А. Ребиндера дисперсные системы делят на лиофильные, получающиеся при самопроизвольном диспергировании одной из фаз, и лиофобные, получающиеся при принудительном диспергировании и конденсации с пересыщением. Лиофобные системы обладают избытком поверхности энергии, в них самопроизвольно могут идти процессы укрупнения частиц, т.е. может происходить снижение поверхностной энергии за счет уменьшения удельной поверхности; такие системы называют агрегативно неустойчивыми.

Агрегация частиц может заключаться в переносе вещества от мелких частиц к крупным, так как химический потенциал последних меньше (изотермическая перегонка). Крупные частицы растут, а мелкие частицы постепенно растворяются (испаряются). Агрегация частиц может происходить и путем слипания (слияния) частиц – наиболее характерный путь для дисперсных систем (коагуляция).

Различают термодинамические и кинетические факторы агрегативной устойчивости дисперсных систем. Движущей силой коагуляции является избыточная поверхностная энергия. Основными факторами, влияющими на устойчивость систем, являются процессы, снижающие поверхностное натяжение при сохранении размера поверхности; эти факторы относят к термодинамическим. Они уменьшают вероятность эффективных соударений частиц, создают потенциальные барьеры, замедляющие или даже исключающие процесс коагуляции. Чем меньше поверхностное натяжение, тем больше термодинамическая устойчивость системы.

Кинетические факторы связаны в основном с гидродинамическими свойствами среды: замедление сближения частиц, разрушение прослоек среды между частицами. В целом различают следующие факторы устойчивости дисперсных систем:

• гидродинамический – в результате изменения вязкости среды и плотности фазы и дисперсной среды снижается скорость коагуляции;
• структурно-механический – обусловлен наличием на поверхности частиц упругой механически прочной пленки, разрушение которой требует затрат энергии и времени;
• электростатический – в результате возникновения двойного электростатического слоя (ДЭС) на поверхности частиц уменьшается межфазное натяжение; появление электрического потенциала на межфазной поверхности возможно из-за поверхностной электролитической диссоциации или адсорбции электролитов
• энтропийный – проявляется в системах, в которых частицы или их поверхностные слои участвуют в тепловом движении; сущность его состоит в стремлении дисперсной фазы к равномерному распределению по объему системы.
• адсорбионно-сольватный – проявляется в уменьшении межфазного натяжения вследствие адсорбции и сольватации при взаимодействии частиц с дисперсной средой.