Курсовая работа (т): Проект рационального водопользования промышленного предприятия

Слабокислый катионит благодаря своей высокой селективности к Н-ионам почти не требует избытка кислоты для регенерации (расход кислоты составляет 100-105 % расчётной потребности). При установке слабокислого фильтра перед сильнокислым (например, для улавливания ПАВ или извлечения металлов) для регенерации применяют соляную или серную кислоту с концентрацией 3-15 %.

Применяемые для очистки промывной воды слабоосновные (до средне-основных) аниониты благодаря образованию при регенерации относительно слабо диссоциирующихся оснований также не требуют большого избытка щелочи. Регенерация производится 4-5 %-ным едким натром, а избыток его принимают равным 130-150 % расчётной потребности в зависимости от насыщения смолы органическими веществами.

Для экономии кислоты или щелочи необходимо использовать способы регенерации, позволяющие снизить их избыток. Так, при регенерации сильнокислых катионитов с большим избытком кислоты улавливается элюат с высокой её концентрацией, который используется для следующей регенерации перед подачей свежей кислоты. Если после слабоосновного устанавливается сильноосновный анионитовый фильтр, то при высоких концентрациях цианидов в промывной воде для регенерации требуется большой избыток щелочи (до 400 % расчётного). В этом случае щёлочь после регенерации подаётся на слабоосновный анионит и, таким образом, один её объём используется дважды.

При однопоточном способе фильтрование, регенерация и отмывка смолы производятся в одном направлении - сверху вниз (обратная промывка снизу вверх). Эксплуатация сооружений в этом случае существенно упрощается, однако требуется значительный избыток регенерирующих растворов.

При противоточном способе фильтрование производится сверху вниз, а регенерация и отмывка - в обратном направлении, т.е. снизу вверх. При таком способе регенерации смола при фильтрации воды насыщается ионами неравномерно (верхние её слои в фильтре насыщены больше, чем нижние. Исследованиями также установлено [3], что при противоточном способе катионит способен адсорбировать и возвращать с регенератом большее количество неионогенных ПАВ.

Расход реагентов при противоточном способе, который применяется для регенерации сильнокислых катионитов и сильноосновных анионитов (в сочетании со слабоосновными), составляет 129-130 % расчётной потребности.

Оценивая в целом ионообменный метод очистки сточных вод можно выделить следующие его достоинства: возможность очистки до требований ПДК; возврат очищенной воды до 95 % в оборот; возможность утилизации тяжёлых металлов; возможность очистки в присутствии эффективных лигандов.

Кроме этого имеются и существенные недостатки. К ним относятся затраты большого количества химикатов для регенерации ионитов, а также больших количеств воды на их взрыхление и отмывку, что создаёт значительные циркуляционные нагрузки. В связи с тем, что во многих случаях переработка элюатов ионообменных установок на ценные химические продукты сложна и неэкономична, эти растворы приходится обезвреживать с помощью реагентов, расход которых также велик [5].

.2.4 Электрохимические методы

Очистка промышленных сточных вод электрохимическими методами достаточно распространена. Электрохимические процессы относятся к физико - химическим процессам очистки водных систем. Для них характерна многостадийность и сложность происходящих в аппаратах водоочистки физико-химических явлений.

К удалению растворимых и диспергированных веществ из сточных вод приводит комбинированное действие некоторых процессов, а именно: очистка, которая осуществляется посредством анодных и катодных реакций окисления и восстановления растворимых в воде веществ; реакций между ионами металлов, которые в результате электролитического растворения металлического анода, переходят в воду и другие процессы.

Электрохимическую очистку промышленных сточных вод обычно применяют при относительно высокой их электропроводности. Это объясняется наличием в сточных водах минеральных солей, кислот и щелочей.

Для обработки сточных вод малой концентрации используют электролиз. Он основан на деминерализации с повторным использованием очищенных вод в производстве и попутном извлечении из сточных вод некоторых ценных продуктов. Этот способ обычно применяют, когда имеются высокие требования к качеству сточных вод, которые сбрасываются в водоемы. Деминерализация сточных вод методом электродиализа возможна при достаточно высоком их расходе (порядка нескольких сот кубометров в сутки).

Вместе с электролизом протекают и другие физико-химические процессы. Такие как: электрофорез; катодное восстановление растворов органических и неорганических веществ и их химическое восстановление ионами Fe, a также образование катодных осадков металлов; химические реакции между ионами Fe2+ и Аl3+, которые выделяются при электролитическом растворении металлических анодов, и некоторыми содержащимися в воде ионами, в результате чего образуются нерастворимые в воде соли, выпадающие в осадок; флотация твёрдых и плавающих частиц пузырьками газообразного водорода, выделяющимися на катоде. Также происходит сорбция ионов, сорбция молекул растворимых веществ и эмульгированных веществ, которые находятся на поверхности хлопьев гидроксидов железа и алюминия [6].

Однако данный метод не обеспечивает достижение ПДК при сбросе в водоёмы рыбохозяйственного назначения; кроме этого требуются аноды из дефицитного материала, что крайне неэкономично.

С применением анодов из листовой стали или алюминия вода, при электрокоагуляционной очистке, обогащается соответствующими ионами, которые затем образуют гидроксиды этих металлов. Под действием гидроксидов происходит коагуляция содержащихся в воде высокодисперсных веществ. Главное отличие от применения солевых коагулянтов при электрокоагуляции вода не обогащается сульфат- или хлорид-ионами, содержание которых в очищенной воде лимитируется как при сбросе ее в водоемы, так и при повторном использовании в системах производственного водоснабжения.

Этот метод имеет существенные минусы:большой расход электроэнергии; не достигается ПДК при сбросе в водоёмы рыбохозяйственного назначения; значительный расход металлических растворимых анодов; невозможность извлечения из шлама тяжёлых металлов из-за высокого содержания железа; необходимость предварительного разбавления стоков до суммарной концентрации ионов тяжёлых металлов 100 мг/л; высокая трудоёмкость при смене загрузки; большие количества осадка и сложность его обезвоживания [11].

.2.5 Гальванокоагуляция

Хотя в настоящее время реагентный метод является широко распространённым методом очистки стоков промышленных производств, но, как известно для большинства ионов металлов не обеспечивает достижения приемлемых значений ПДК для водоёмов рыбохозяйственного назначения.

Заслуживают внимание относительно новые методы очистки стоков для удаления (извлечения) металлов из различных сточных и использования полученной воды в обороте. Таким методом является, в частности, гальванохимический метод, наиболее распространённое его название - гальванокоагуляционный.

Кроме этого, возможна обработка общего стока гальванического производства, в котором содержание хрома(VI) превышает содержание ионов тяжёлых металлов с достижением высокой степени очистки стоков уже при расходе реагентов (как правило, металлического железа), необходимых только для удаления из сточных вод хрома(VI). Это осуществляется в результате осаждения гидроксидов тяжёлых металлов и гидроксидов хрома(III) и железа (III) и (II), а также сорбции ионов тяжёлых металлов гидроксидами железа и хрома [11].

Метод гальванокоагуляциии деминерализации сточных вод, основанный на использовании эффекта короткозамкнутых гальванических элементов из смеси двух или нескольких токопроводящих материалов, имеющих различные значения электрохимических потенциалов, помещённых в очищаемый раствор и образующих множество гальванопар без наложения тока от внешнего источника в присутствии кислорода воздуха, позволяет практически без применения химических реагентов и повышения солесодержания обрабатываемой воды добиться нужного уровня очистки от тяжёлых металлов, солей жесткости, сульфатов и различных органических загрязнителей, возвратить воду в производство.

Механизмы гальванохимической очистки СВ определяются процессами, возникающими во время контактирования очищаемой воды, воздуха с гальванопарой(ГП), в качестве которой используют различные материалы: металлургический кокс (графит, уголь) - железо, кокс-алюминий, кокс-медь, кокс-сплав железа с марганцем (природный ферромарганец), железо-медь (1,5:1). Специальной технологии приготовления ГП пока нет, обычно используют промышленные продукты или промышленные отходы: железорудные окатыши, скрап, металлическую стружку, высечку, опилки после механической обработки металлов (железные или алюминиевые). Из величин стационарных потенциалов коксового и железного полуэлементов следует, что при их замыкании на поверхности кокса должна протекать преимущественно катодная реакция, а на поверхности железа - анодная. Полученная зависимость потенциала коксового полуэлемента от рН показывает, что основной редокс-реакцией, протекающей на поверхности кокса в условиях аэрации, является реакция восстановления кислорода:

О2+4Н++4е=2Н2О (13)

в интервале рН 2-6;

О2+2Н2О+4е=40Н- (14)

в интервале рН 6-10.

Ионы тяжёлых металлов осаждаются за счёт включения их в состав феррита, имеющего кристаллическую решётку типа шпинели, по уравнению вида:

Fe3++М2++8ОН-=MFe2O4+4H2O (15)

При очистке стоков одновременно протекает ряд физико-химических процессов, основными из которых являются: катодное осаждение (цементация цветных металлов), восстановление металлов и поливалентных анионов, сорбция примесей на свежеобразованных поверхностях гидроксидов железа (алюминия), включение анионов в коллоидную мицеллу гидроксидов железа с образованием нерастворимых оксигидроксокомплексов.

В результате очистки 1 м3 сточных вод образуется 0,4 - 5 кг осадка; расход железа на очистку соответственно составляет 0,25 - 1 кг/м3.

В результате изучения эффективности гальванохимической очистки сточных вод ПО «Электороаппарат» было выявлено, что кислотно - щелочные стоки, поступающие на очистку имеют pH 2 - 4, а обработку стоков ведут в интервале pH 2 - 5. Сточная вода прошедшая обработку имеет pH 7 - 7,5. Перед последующим отстаиванием pH корректируют до 8,9 - 9,3 [8].

Для глубокой очистки сточных вод гальванокоагуляционный метод применяют в сочетании с последующей обработкой стоков известковым молоком.

Оптимальное время контакта растворов с гальванопарой 5- 10 мин, эффективность очистки по Zn, Cu, Ni, Сr составляет (в %) 97-98, 90-98, 86-98 и 97-98 соответственно.

При этом Cr(VI) после очистки в диапазоне рН от 2,5 до 4,7 отсутствует во всех случаях. Вода после ГХО вполне удовлетворяет требованиям к технической воде ГОСТ 9.314-90 «Вода для гальванического производства и схемы промывок» и пригодна для повторного использования [4].

.3 Очистка хромсодержащих сточных вод

.3.1 Реагентный метод

Исследовали растворы с содержанием 50 мг/л xpoма(VI) и 30 мг/л меди, а также различные хромсодержащие растворы с целью их гальванохимической очистки [14-17]. Гальванохимическая обработка растворов при рН 1,5 - 2 обеспечивала полное восстановление Сг(VI) в течение 3, 4 мин при высокой скорости потока (до 18 удельных объёмов в час).

В кислой и нейтральной средах протекают реакции:

Fe2++Cr2O72-+14Н+=6Fe3++Сг3++7Н2O (16)

Cr2O42-+14H++6е=2Сг3++7H2O (17)

Cr2O72-+4Н2О+Зe=Cr(OH)3 + 50Н- (18)

Удаление Сг3+ начинается при рН раствора 5,3. При рН 3 и обработке в течение 10 мин извлечение меди достигает 98 %. Содержание меди снижается до 0.1 мг/дм3. Практика эксплуатации гальванокоагулятора барабанного типа в условиях Кыштымского медеэлектролитного завода показала, что после очистки хром не обнаруживали. Растворы после очистки по концентрации примесей соответствуют требованиям оборотного водоснабжения. При производительности аппарата 4 м3/ч расход железного скрапа составил 0.4 кг/ч.

Эксплуатация аппарата КБ-1 в режиме гальванопары железо-кокс в условиях Балхашского завода обработки цветных металлов подтвердила полученные результаты. При скорости подачи раствора 10 - 15 м3/ч (время пребывания его в аппарате 45-60 с) в кислой среде при рН 1.3-2,0 достигается полное восстановление хроматов и частичное удаление меди (на 7-15 %), никеля (на 25-70 %), цинка (на 5-8 %); кислота нейтрализуется на 15 %. Уменьшение скорости подачи раствора ведёт не только к восстановлению Cr(VI), но и к удалению наряду с ним ионов тяжёлых цветных металлов.

Растворы после ГХО фильтровали, осаждали хром(Ш) раствором NaOH. Осадок после обработки NaOH отделяли фильтрацией. Из фильтрата осаждали фторид-ион азотнокислым кальцием [9].

.3.2 Биологические методы очистки хромсодержащих сточных вод

В последнее время в Росси и за рубежом увеличились масштабы проводимых исследований по разработке технологии выделения тяжёлых цветных металлов из сточных вод гальванопроизводств биохимическим методом сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ).

Наиболее перспективны микробиологические методы сорбции и осаждения ионов металлов. Для извлечения металлов из растворов используют представителей различных таксономических групп. На рисунке 4 показано изобретение, которое относится биохимической очистке промышленных сточных вод трубного производства от ионов тяжёлых металлов и сульфатов.

Сточные воды с органическим питанием подают из ёмкости источника органического питания 5 в анаэробный вертикальный биореактор 1 с восходящим потоком воды, содержащим зубчатый водослив 8 и распределительное устройство 2. Очистка воды в биореакторе 1 осуществляется с помощью иммобилизованного на носителе-коксе 7 штамма бактерий Desulfovibriosp. СВБ-2. Затем очищенную воду, содержащую избыточный растворенный сероводород, подают в реактор окисления 9 и тонкослойный отстойник 11. Осветлённую воду подают в песчаный фильтр 12. Затем очищенную воду отводят потребителю. . В качестве источника органического питания для СВБ-2 используют отработанную смазочно-охлаждающую жидкость, а окисление остаточного сероводорода в серу осуществляют кислородом воздуха в присутствии катализатора. Способ очистки сточных вод осуществляется в установке для очистки сточных вод, которая также содержит два абсорбера 14, 15 для очистки сероводородсодержащего газа и узел обезвоживания 16. Технический результат: интенсификация процесса очистки сточных вод [10].

Эффективность биохимической очистки сточных вод в данном производстве достигает 99,8 %.

Главным недостатком способа очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов биогенным сероводородом путём непосредственного прохождения загрязнённых стоков через биореактор с cульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ) является накопление сероводорода и гидросульфид-иона, угнетающих процесс сульфатредукции.

На рисунке 5 показана опытная установка по обезвреживанию высококонцентрированных (до 250 мг/л по Cr) хромосодержащих электролитов.

Рисунок 4 - схема биохимической очистки промышленных сточных вод трубного производства [10]:

- анаэробный вертикальный биореактор, 2 - распределительное устройство, 3 - сточная вода, 4 - подача органического питания, 5 - источник органического питания, 6 - решетка, 7 - загрузка, 8 - зубчатый водослив, 9 - реактор окисления, 10 - подача воздуха, 11 - тонкослойный отстойник, 12 - песчаный фильтр, 13 - выпуск очищенной воды, 14 и 15 - адсорберы для очистки сероводорода, 16 - узел обезвоживания [10].