Техника защиты окружающей среды

Из растворных баков коагулянты перекачивают в расходные баки, а  оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных  конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую воду обычно в виде (1 − 10)-процентных растворов, а флокулянты (0,1 − 1)-процентных растворов. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях в течение 1 − 2 мин. Для смешения коагулянтов применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости тока воды.     Применяют перегородчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические с пропеллерными или лопастными мешалками. Трубопроводы или лотки, отводящие воду из смесителей в камеры хлопьеобразования, и осветлители с взвешенным слоем осадка рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8 −1 м/с и продолжительность её пребывания в них не более двух минут.    После смешивания сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, с механическим перемешиванием.

Водоворотные камеры хлопьеобразования  представляют собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода, имеющая скорость на выходе из сопла 2 − 3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере 15 − 20 мин. Перегородчатые камеры могут быть горизонтальные (рис.3) и вертикальные. В горизонтальной камере сточная вода протекает по нескольким последовательно соединённым коридорам. Перемешивание осуществляется за счёт 8 – 10 поворотов. Коридоры устраиваются таким образом, чтобы скорость движения сточной воды в первом была 0,2 − 0,3 м/с, а в последнем – 0,1 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых камерах 20 − 30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.

Вихревые камеры хлопьеобразования  представляют собой конический или  цилиндрический расширяющийся в верхней части резервуар с нижним впуском сточной воды со скоростью 0,7 − 1,2 м/с. Угол наклона стенок камеры к горизонту ≈70°.  Скорость входящего потока сточной воды на уровне впуска 4 − 5 м/с, продолжительность пребывания воды в камере 6 − 10 мин.  В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками скорость движения воды 0,15 − 0,2 м/с, а продолжительность пребывания – 20 − 30 мин. Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, радиальных или вертикальных отстойниках. Наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания сточных вод. На первой ступени осуществляется простое отстаивание в отстойнике без коагулянта. На второй ступени – обработка сточных вод коагулянтами и флокулянтами с последующим отстаиванием в отстойнике.

Если концентрация взвешенных веществ в производственных сточных  водах, способных к агрегации, не превышает 4 г/л, то применяют осветлители со взвешенными слоями осадка. В осветлителях происходят три основных процесса: смешение, коагуляция и осветление сточных вод. Обрабатываемая в осветлителях сточная вода проходит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлака с такой скоростью, при которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взвешенного осадка. При движении сточной воды взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или прямоугольными в плане, площадь осветлителя не должна превышать 150 м2. 
Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смешения с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакции. В течение одного часа допускается колебание температуры не более чем на 1 °С, а расхода – не более чем на 10 %.

Электрокоагуляция

Коагуляция вод, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, может происходить при пропуске сточных вод через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока ионизируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются образовавшимися труднорастворимыми гидроксидами алюминия и железа.

Растворение в воде 1 г  алюминия эквивалентно введению 6,3 г Al2(SO4) и 1 г железа введению 2,9 г FeCl3 и 3,6 г Fe2(SO4)3. Теоретический расход электроэнергии для растворения 1г алюминия – 12 Вт⋅ч, а 1 г железа – 2,9 Вт⋅ч. Плотность тока рекомендуется не более 10 А/м2, расстояние между электродами не более 20 мм, а скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с. Метод электрохимического коагулирования может быть применён для разработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания является несомненным достоинством метода электрохимической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и металлов, являющиеся следствием образования окисной плёнки на поверхности электродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания обрабатываемой сточной воды ограничивают область применения этого метода.       На рис.4 изображена электрокоагуляционная установка по очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответственно 0,3 − 7,5 и 0,5 − 8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре через систему плоских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, пропускается постоянный ток плотностью 0,6А/дм2 под напряжением 10−18В. При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15 − 30 с и пропускной способности 1,5 − 3 м3/ч на 1 м2 площади поверхности электродов одного полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные результаты этот метод даёт также при обработке сточных вод гальванических цехов, где потребляемая мощность на 1 м3 обрабатываемой сточной воды составляет 0,4 − 0,5 кВт за один час работы.

Электрокоагуляция применяется  для очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжёлых металлов, а так же цианов. Схема установки (рис. 5) предназначена для отчистки сточных вод от шестивалентного хрома. Сточная вода из промывочной ванны 2 гальванического участка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает в промывочный электролизёр 6, в котором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12 − 14 В от выпрямителя 4. При пропускании электрического тока с плотностью 50 − 100 А/м2 через сточную воду, движущуюся по длине электролизёра 6 в течение 10 − 15 мин, происходит анодное растворение стальных электродов и образующиеся при этом ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром до трехвалентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и трехвалентного хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)2, Fe(OH)3, Cr(OH)3. Сточная вода со взвешенными в ней гидроксидами поступает из электролизёра 6 в центрифугу 7 , в которой происходит отделение гидроксидов железа и хрома и удаление их через трубопровод 8 . Очищенная от хрома вода по трубопроводу 10 поступает для дальнейшей отчистки или при закрытом вентиле 9 по трубопроводу 11 поступает для повторного использования в промывочных ваннах.

 

 

Рис. 6    Общая схема  физико–химического процесса коагуляции и флокуляции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. . Флокуляция.

Флокуляция – это этап, во время которого дестабилизированные коллоидные частицы (или частицы, образованные на стадии коагуляции) собираются в агрегаты.  Базовый принцип флокуляции. Этап флокуляции может проходить только в воде/стоках, где частицы уже дестабилизировались. Это этап, логически следующий за коагуляцией.

 

Рис.6  Схема флокуляции.

Цель флокуляции – сформировать агрегаты или хлопья из тонко диспергированных и коллоидно устойчивых частиц. Флокуляция – транспортный этап, приводящий к столкновению между устойчивыми частицами, стремящимися к образованию крупных частиц (агрегатов), которые могут быть легко удалены из обрабатываемых сточных вод при помощи отстаивания, фильтрации или флотации. Получила широкое практическое распространение в технологиях водоочистки в 30-е годы. В настоящее время широко используется в технологии очистки сточных вод промышленного и бытового происхождения. Механизм действия флокулянтов основан на явлении адсорбции молекул на поверхности коллоидных частиц; образование сетчатой структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счёт сил Ван-дер-Ваальса. При действии между коллоидными частицами образуются трёхмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Таким образом, это процесс, при котором происходит адсорбционное взаимодействие частицы загрязнений сточных вод с высокомолекулярными веществами (флокулянтами). При этом, в процессе флокуляции происходит процесс хлопьеобразования (при взаимодействии высокомолекулярных веществ с частицами, находящимися в очищаемой сточной воде), с образованием агрегатов (хлопьев, комплексов), имеющих трёхмерную структуру.     Процесс адсорбции происходит в две стадии: сначала каждая макромолекула прикрепляется несколькими сегментами к одной частице (первичная адсорбция), затем свободные сегменты закрепляются на поверхности других частиц, связывая их полимерными мостиками (вторичная адсорбция). Возможны различные механизмы закрепления макромолекул флокулянтов на поверхности частиц. Неионогенные полиэлектролиты закрепляются на частицах с помощью полярных групп (чаще всего гидроксильных) благодаря образованию водородных связей между водородом гидроксила и кислородом, азотом и другими атомами, находящимися на поверхности частиц. Наличие водородных связей установлено экспериментально с помощью инфракрасной спектроскопии. Хотя энергия водородной связи значительно меньше энергии химической связи, большое количество гидроксильных групп способствует прочному закреплению молекул флокулянта.

Рис.7 Анионные и неионные флокулянты, которые приносят в среду отрицательные заряды.

Анионные флокулянты способны закрепляться на поверхности частиц не только с помощью водородных связей, но и благодаря химическому взаимодействию (хемосорбции) анионов с катионами, находящимися на поверхности частиц. Катионные полиэлектролиты, помимо образования агрегатов по механизмам, аналогичным вышеизложенным, способствуют флокуляции благодаря нейтрализации отрицательного заряда частиц. Флокулянты представляют собой водорастворимые линейные полимеры, состоящие из большого числа групп. Длина цепочки может достигать 1 микрона.

Рис.8 Катионные флокулянты, которые приносят в среду положительные заряды.

Молекулярная масса флокулянтов может достигать нескольких миллионов, степень полимеризации – несколько тысяч. В технологии очистки сточных вод флокулянты обычно применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре), повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, снижают расход коагулянтов, повышают надежность работы и производительность сооружений очистки сточных вод. Добавление флокулянта в обрабатываемые сточные воды увеличивает скорость возникновения и последующего осаждения возникающих при коагуляции хлопьев. При этом плотность осадка увеличивается, а действие веществ-коагулянтов становится эффективным в более широком диапазоне рН очищаемых сточных вод. Если в обрабатываемых сточных водах содержится большое количество взвешенных частиц, то их осаждение может быть обеспечено только при помощи флокулянтов, без использования реагентов для коагуляции.  Флокуляция в процессах очистки сточных вод, может использоваться в следующих случаях: очистка сточных вод от суспендированных твердых частиц биохимическая потребность в кислороде в первичных отстойниках кондиционирование сточных вод, содержащих определенные промышленные отходы улучшение работы вторичных отстойных резервуаров, следующих за процессом обработки активным илом как этап предварительной очистки сточных вод для фильтрации вторичных промышленных отходов может проводиться в отдельных емкостях или резервуарах, специально спроектированных для этой цели, в трубопроводах, соединяющих оборудование очистки сточных вод, или в комбинации с флокулятором. Флокуляция обычно следует за быстрым перемешиванием, в процессе которого к нестабильным частицам добавляют химические реагенты. Дестабилизация частиц, происходящая в результате добавления химических реагентов, называется коагуляцией. Существует два типа флокуляции: микрофлокуляция макрофлокуляция Они различаются размерами частиц. Микрофлокуляция – термин, используемый в тех случаях, когда необходимо сослаться на скопление частиц, получившееся в результате случайного теплового движения молекул жидкости, известного как броуновское движение. Микрофлокуляция позволяет удалять из сточных вод частицы, размеры которых находятся в диапазоне от 0.001 до 1 микрона. Может быть достигнута с помощью вынужденного градиента скорости и неравномерного отстаивания. Частицы в сточной жидкости могут объединяться вместе (флокулировать) посредством вынужденного градиента скорости. Быстро двигающиеся частицы достигнут медленно двигающихся в поле скоростей. Если сталкивающиеся частицы агрегируют, то образуется более крупная частица, которую легче удалить из сточных вод посредством гравитационного разделения. В случае макрофлокуляции, происходящей благодаря неравномерному осаждению, более крупные частицы достигают более мелких частиц в процессе гравитационного осаждения. Когда две частицы сталкиваются и слипаются, образуется более крупная частица, которая осаждается в очищаемой сточной воде с большей скоростью, чем исходные частицы  Таким образом, флокулянты являются эффективными реагентами, использующимися при сгущении стоков в процессе осветления. Использование новых эффективных реагентов, технологических процессов и оборудования позволяет существенно увеличить производительность, повысить качество очистки промышленных сточных вод при минимальном использовании производственных мощностей. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

В России широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды, в частности по очистке производственных сточных вод. Одним из основных направлений работы по охране водных ресурсов является внедрение новых технологических процессов производства, переход на замкнутые (бессточные) циклы водоснабжения, где очищенные сточные воды не сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Замкнутые циклы промышленного водоснабжения дадут возможность полностью ликвидировать сбрасываемые сточных вод в поверхностные водоёмы, а свежую воду использовать для пополнения безвозвратных потерь.             В химической промышленности намечено более широкое внедрение малоотходных и безотходных технологических процессов, дающих наибольший экологический эффект. Большое внимание уделяется повышению эффективности очистки производственных сточных вод.        Существенное влияние на повышение водооборота может оказать внедрение высокоэффективных методов очистки сточных вод, в частности физико-химических, из которых одним из наиболее эффективных является применение реагентов. Использование реагентного метода очистки производственных сточных вод не зависит от токсичности присутствующих примесей, что по сравнению со способом биохимической очистки имеет существенное значение.          Таким образом, охрана и рациональное использование водных ресурсов - это одно из звеньев комплексной мировой проблемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников.

1.     Гайнулина М.Р., Булавин А.В., Тюрина Т.Г. «Получение сополимеров малеинового ангидрида и стирола и использование их в качестве флокулянта». V Международная научная конференция студентов и аспирантов «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Т.1 – Донецк: ДонНТУ, ДонНУ, 2006.

2.   Проскуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. – Л.: Химия, 1977. – 464 с.

3. Яковлев С.В., Карелин Л.А. и др. Очистка производственных сточных вод: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Яковлева, 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Стройиздат, 1985. – 335 с.

4.  Родионов А.И. и др. Техника защиты окружающей среды: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Химия, 1989. – 512 с.

5. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: Издательство Воронежского государственного университета, 2000.-360с.

6.  Планкина С.М. Углеродные нанотрубки. Описание лабораторной работы по курсу "Материалы и методы нанотехнологии". Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники. Нижний Новгород, 2006.-12с.