Курсовая работа (т): Проект рационального водопользования промышленного предприятия

Проект рационального водопользования промышленного предприятия

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет)

Факультет «Химический»

Кафедра «Экология и природопользование»

Проект рационального водопользования промышленного предприятия

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К СЕМЕСТРОВОМУ ЗАДАНИЮ

ЮУрГУ 241000. 62.2014.893.ПЗ.СЗ

Автор работы

студентка группы Х-434

К.А. Шекунова

Челябинск 2015

Аннотация

Шекунова К.А., Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу процессы и аппараты защиты водных объектов. - Челябинск: ЮУрГУ, Хим - 434.

Курсовой проект выполнен с целью разработки проекта рационального водопользования для цеха покрытий промышленного предприятия г. Челябинска.

В курсовой работе проведён литературный обзор основных технологических процессов гальванического производства, сточных вод и методов их очистки. Произведен расчет переработки осадков. Разработана балансовая схема очистки сточных и конструктивное оформление одного из сооружений в плане разреза.

Оглавление

Введение

. Литературный обзор

.1 Характеристика сточных вод гальванического производства

.2 Очистка сточных вод от тяжелых металлов

.2.1 Реагентные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов

.2.2 Сорбционные методы

.2.3. Метод ионного обмена          

.2.4. Электрохимические методы

.2.5. Гальванокоагуляци

.3 Очистка хромсодержащих сточных вод

.3.1 Реагентный метод

.3.2 Биологические методы очистки хромсодержащих сточных вод

.3.3 Очистка сточных вод от хрома (VI)

.4 Обработка осадков сточных вод гальванического производства

.5 Oрганизация oбoрoтнoгo водоснабжения на гальванических производствах

. Анализ существующей схемы обработки сточных вод и предложения по ее реконструкции

. Специальная часть

.3 Вертикальный отстойник оборудованный тонкослойными модулями

.4 Расчёт уплотнителя осадка и центрифуги для обезвоживания осадка

.5 Расчёт установки ультрафильтрации

.6 Расчёт установки нанофильтрации

Заключение

Библиграфический список

Введение

рациональный водопользование очистка металл отстойник

Гальваническое производство - это отрасль промышленности, которая занимается нанесением защитных или декоративных покрытий на металлические и неметаллические изделия. Это производство является очень важным и нужным в промышленности, однако оно имеет существенные минусы, основные из них: большая энергоемкость и, следовательно, дороговизна производства; сложность обработки сточных вод цехов.

Основные металлы, применяемые в гальванотехнике, обладают токсическим действием - Cd, Cu, Ni, Cr; аллергенным действием - Ni, Cr; тератогенным действием (возникновение уродств) - Cd; канцерогенным действием - Ni, Cr, Zn; мутагенным действием - Cd, Cu, Ni, Cr, Zn. Поэтому требования охраны окружающей среды для промышленных сточных вод жёстко ограничивают концентрации загрязнителей в спускаемых водах, а для решения этой проблемы предлагается множество методов очистки стоков.

Цель курсового проекта - создание проекта рационального водопользования цеха гальванопокрытий.

Задачи проекта:

) произвести анализ работы сооружений цеха покрытий одного из предприятий города Челябинска;

) предложить мероприятия по изменению технологического процесса с целью снижения содержания загрязняющих веществ в сточных водах и водопотребления;

) разработать вариант реконструкции, обосновать и провести укрупненный расчет очистных сооружений водоотведения;

) рассмотреть возможность применения оборотной системы водоснабжения;

) предложить способы утилизации осадков сточных вод.

1. Литературный обзор

.1 Характеристика сточных вод гальванического производства

В процессе химической и электрохимической обработки изделий, образуются воды загрязненные кислотами, щелочами, солями, соединениями хлора, цинка, меди, никеля, цианосоединениями и другими химическими веществами (50 - 80 %). Они содержат тяжёлые металлы в виде растворимых химических соединений. По объёму, составу загрязнений третья категория сточных вод является преобладающей.

Сточные воды, которые образуются на гальванических производствах делятся на отработанные и промывные. Отработанные сточные воды образуются периодически, при смене отработанных технологических растворов на свежие растворы, а также при промывке заготовок. Характерной чертой всех сточных вод гальванических отделений является низкая концентрация кислот и высокая концентрация ионов металлов.

Сточные воды, поступающие из гальванических отделений, по химическому составу подразделяются на три основных потока: хромосодержащие, кислотно - щелочные, цианосодержащие.

После электрохимического хромирования, травления в растворах содержащих хромовую кислоту и прочих процессов образуются стоки, содержащие большое количество хрома.

В ходе процессов травления, активации, обезжиривания, фосфатирования и нанесения гальванических покрытий образуются кислотно - щелочные стоки.

Цианосодержащие стоки образуются в процессе покрытий в цианосодержащих электролитах. Для них характерно наличие цианогрупп, Zn, Cu, Cd [1].

1.2 Очистка сточных вод от тяжелых металлов

Загрязнение водной среды ионами тяжелых металлов опасно для всей биосферы, а также свидетельствует о расточительном отношении к ресурсам.

Сточные воды гальванического производства содержат около 50 % ионов тяжелых металлов, которые предназначены для декоративных, защитных и других покрытий. Помимо этого тяжелые металлы являются токсичными для живых и растительных организмов. Они способны накапливаться в пищевых цепочках, что усиливает их опасность для человека. Самыми опасными являются ионные комплексные формы тяжелых металлов. Так как эти вещества очень опасны, необходим строгий контроль за их поступлением в окружающую среду, что требует на практике использования сравнительно недорогих, доступных методов их улавливания [1].

.2.1 Реагентные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов

Реагентный метод очистки сточных вод гальванического производства является самым распространенным. Он заключается переводе растворимых веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков. Обычно для удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод используют NaOH и Ca(OH)2, а также Na2CO3, сульфиды натрия, различные отходы (феррохромовый шлак).

Лучшим реагентом для очистки сточных вод является едкий натр NaOH, так как он обладает высокой реакционной способностью и осадки, полученные с его использованием, относительно чисты, легче отмываются, перерабатываются и эффективно разделяются при осветлении [3].

К достоинствам данного метода относятся:

) Широкий интервал начальных концентраций ИТМ;

) Универсальность;

) Простота эксплуатации;

) Отсутствует необходимость в разделении промывных вод и концентратов.

Недостатки метода:

) Не обеспечивается ПДК для рыбохозяйственных водоемов;

) Громоздкость оборудования;

) Значительный расход реагентов;

) Дополнительное загрязнение сточных вод;

) Невозможность возврата в оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного солесодержания;

) Затрудненность извлечения из шлама тяжелых металлов для утилизации.

Обезвреженные щелочные цианистые и хромсодержащие стоки, а также другие щелочные или кислые стоки перед выпуском в канализацию или водоёмы (в зависимости от местных условий) нейтрализуют до pH = 6,5 - 9 и освобождают от ионов металлов. Эти задачи не всегда имеют положительный результат, так как осаждение различных металлов происходит при различных рН и в то же время наличие в растворе ионов различных металлов часто улучшает условия их осаждения.

Осаждение металлов производится, как правило, одновременно с нейтрализацией. Тяжёлые металлы осаждаются в виде гидроокисей или труднорастворимых основных солей.

Осаждение гидроксидом кальция Ca(0H)2

Гидроксид кальция используется наиболее широко. Осаждение металлов происходит в виде гидроксидов. Процесс проводится при различных значениях рН. Гидроксид кальция часто используют для нейтрализации минеральных кислот.

При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту (H2SO4), реакция протекает по уравнению:

H2SO4+Ca (OH)2 = CaSO4+2H2O,

бразующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов в виде CaSO4·2H2O. Растворимость этой соли при температуре 0-40 0С колеблется от 1,76 до 2,11 г/л.

При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является образование пресыщенного раствора гипса (коэффициент пресыщения может достигать 4-6), выделение которого из сточной воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пресыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.

Осаждение карбонатом натрия Na2СО3

Соли цинка, которые содержатся в стоках, обрабатывают гидроксидом натрия. Дозирование реагента проводят при строгом контроле за рН обрабатываемого стока. Это необходимо для того чтобы не создавать условия для растворения амфотерных гидроксидов.

Выделение катионов Zn2+ щелочами основано на переводе их в труднорастворимый гидроксид цинка:

Zn2++2OH- → Zn(OH)2 (1)

При действии соды на сточные воды образуются основные карбонаты:

ZnCl2+2NaCO3=2ZNCO3+4NaCl (2)

ZnCO3 + H2O = CO2 + (ZnOH)2CO3 (3)

ZnCl2 + 2Na2CO3 + H2O → 4NaCl + CO3 + (ZnOH)2CO3 (4)

ЗСu(NO3)2 + 4Na2CO3 + 2H2O ↔ CaCO3 ∙ Cu(OH)2 + 6NaNO3+2NaHCO3 (5)

Хотя осаждение основных карбонатов начинается при более низких значениях рН, чем соответствующих гидроксидов, расход соды на осаждение выше, чем при использовании едкого натра или извести. Так как при осаждении содой тяжелых металлов поцесс протекает через стадию образования гидрокарбонатов и для завершения реакции требуется избыток реагента.

Диоксид углерода, который выделяется в результате осаждения содой, способствует тому, что пузырьки газа обволакивают частицы осадка и поднимают их, из - за чего происходит всплытие части осадка в отстойниках.

Газ удаляется продувкой воздухом по достижении рН = 4,5.

Гидроксид меди осаждается при рН = 5,3.

Так как гидроксид-карбонат растворяется очень плохо, медь осаждают в виде основного карбоната. Для этого в растворе нейтрализующего агента необходимо иметь одновременно как гидроксидные, так и карбонатные ионы. Из этого следует, что невыгодно использовать для осаждения меди только щелочи или извести высшего сорта. Поэтому реагентом является известь III сорта, которая содержит «недожог» СаСО3.

Также для осаждения меди используют ферроцианид калия. Этот реагент можно использовать и для осаждения других ионов тяжёлых металлов.

Осаждение гидроксидом натрия NaОН

При обработке сточных вод едким натром также происходит осаждение металлов в виде гидроксидов и труднорастворимых соединений, например:

Ni SO4 + 2NаОН ↔ Ni(OH)2 + Na2SO4     (6)

FeCl3+5Ca(0H)2 ↔ 2Fe(0H)3+3CaCl2        (7)+ 2NaOH ↔ Сu(ОН)2 + Na2SQ4           (8)

Несмотря на то, что в сточных водах обычно содержатся катионы нескольких металлов, применение для удаления каждого из них специфического метода невозможно. Поэтому сточную воду обрабатывают обычно гидроксидом кальция (известковым молоком), который производят из извести III сорта. При этом одновременно происходят два процесса осаждение катионов тяжёлых металлов в виде гидроксидов и карбонатов. Известно, что достигаются лучшие результаты при совместном осаждении нескольких металлов, чем при осаждении каждого из металлов в отдельности. Это происходит в связи с образованием смешанных кристаллов и адсорбцией ионов металлов на поверхности твёрдой фазы.

Щелочные реагенты, которыми обрабатываются сточные воды, позволяют снизить содержание тяжёлых металлов в растворе до величин, соответствующих ПДК для водоёмов санитарно-бытового пользования. Но очистка щелочными реагентами не даёт необходимого эффекта при более глубокой очистке [2].

Осаждение сульфидом натрия Na2S

Более глубокая очистка от тяжёлых металлов достигается при обработке сточных вод сульфидом натрия. Это связано с тем, что растворимость сульфидов тяжёлых металлов значительно меньше растворимости любых других труднорастворимых соединений - гидроксидов и карбонатов. Осаждение сульфидов происходит при более низком значении рН, чем гидроксидов и карбонатов. Например, сульфид цинка осаждается при рН = 1,5, сульфиды никеля и кобальта при рН = 3,3.

Процесс извлечения металлов сульфидом натрия:

Me2++S2-=MeS (9)++S2-=Me2S3 (10)

Таким образом, процесс осаждения ионов тяжёлых металлов можно разделить на два этапа:

) перевод ионов металлов в нерастворимые и труднорастворимые соединения, т.е. образование твёрдой фазы;

) седиментация, т.е. отделение твёрдой фазы от жидкой под действием сил тяжести.

Первый этап процесса осаждения ионов металлов обычно происходит в реакторах.

Для отделения твёрдой фазы применяют отстойники, осветлители, фильтры. Процессу седиментации, как правило, предшествуют флокуляция и коагуляция, т.е. обработка раствора различными реагентами, способствующими образованию крупных хлопьев и быстрому их осаждению. В зарубежной практике предпочтение отдается только флокуляции, так как для коагуляции требуется много реагентов и образуется большое количество осадка.

Существует несколько типов коагулянтов.

Минеральные коагулянты

Их основой являются соли железа (FeCl3, Fe(SO4)2 и т. д.) или алюминия (PAC - полиоксихлорид алюминия, квасцы и т. д.). Это наиболее часто используемые коагулянты. Заряд катиона создаётся ионами металлов Fe3+ или Al3+, которые образуются из гидроокисей железа Fe(OH)3 или алюминия Al(OH)3 при контакте с водой. Соли железа имеют преимущества перед солями алюминия, а именно: а) лучшее действие при низких температурах; б) более широкая область оптимальных значений рН среды; в) большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; г) возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава.

При использовании смесей Al2(SO4)3 и FeCl3 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном применении реагентов. Также преимуществами таких коагулянтов являются универсальность их применения и низкая стоимость.

Органические коагулянты

Заряд катиона создаётся функциональной группой, которая представляет собой четвертичный аммоний, присоединённый к длинной полимерной цепи.

В настоящее время наиболее распространенными являются четыре основных семейства органических коагулянтов: полиамины, полидадмак, дициандиамидные, меламиноформальдегидные смолы.

Основными преимуществами таких коагулянтов являются небольшие дозы и небольшой объём образующегося ила (нет гидроокиси). Также данные коагулянты не влияют на рН или титриметрический анализ жёсткости.

Свое применение нашли и смеси из минеральных и органических коагулянтов:

Эти смеси позволяют в одном коммерческом продукте объединить преимущества как органических, так и минеральных коагулянтов. В таких смесях в качестве минерального коагулянта чаще всего используется РАС.