Мероприятия по улучшению эффективности существующих очистных сооружений.

 

4.1.1. Целесообразно на станции нейтрализации увеличить дозу вводимой извести на 11 (мГ-Экв/л). При этом, все остаточные сульфаты переходят в состав гидрата СаSO₄ • 2Н₂О (гипс), а весь остаточный магний в нерастворимую гидроокись Mg(ОН)₂.

Однако, увеличение дозы на 11 (мГ-Экв/л) – невозможно, поскольку даже с учетом поглощения части гидроксильных групп ОН^- при гидролизе ионов марганца, рН стока превысит 12 ед. В этом случае существует опасность растворения выделенных гидроокисей металлов в избытке щелочи. Дабы избежать указанного явления, рН обработанного стока должен быть менее 11. С другой стороны, известно, что для полного удаления ионов Mg²⁺ в процессе известкового умягчения необходимо, чтобы рН обработанной воды был более 10.

После увеличения вводимой дозы известкового молока в сточной воде произойдут следующие изменения фазово-дисперсных состояний содержащихся в ней примесей:

· Общая концентрация гипса возрастет, но при этом количество растворенного гипса останется прежним.

Концентрация гипса находящегося в равновесном с водой состоянии в виде перенасыщенного (коллоидного) раствора увеличивается.

Концентрация остаточных сульфатов, входящих в состав других растворенных солей, уменьшится.

· Ионы магния объединяются с гидроксильными группами и образуют нерастворимое соединение Mg(ОН)₂↓, т.е. удаляются из раствора.

 

4.1.2. Как следует из предыдущего пункта, введение дополнительного реагента (извести) влечет за собой увеличение концентрации гидрата СаSO₄ • 2Н₂О, находящегося в виде перенасыщенного (коллоидного) раствора. С другой стороны, установлено, что концентрации ионов металлов, содержащихся в исходной воде, недостаточно для осуществления эффективного укрупнения коллоидных частиц с целью их последующего отделения путем отстаивания.

Однако, дополнительное введение солей металлов в исходную воду является экономически нецелесообразным, поэтому предлагается с целью усиления коагулирующего эффекта дополнительно вводить флокулянт (полиакриламид - ПАА) в воду, обработанную на станции нейтрализации. Применение флокулянта способствует снижению расхода коагулянтов, т.е. в нашем случае, при неизменной концентрации ионов металлов, процесс коагулирования значительно интенсифицируется. Кроме того, флокулянты расширяют диапазоны рН, применяемых коагулянтов, а также повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, таким образом, улучшается качество осадка, что немаловажно в случае осаждения гидроксида магния и гидрата сульфата кальция.

4.1.3. В настоящее время, для очистки воды от солей жесткости широко применяются, так называемые, устройства электромагнитного умягчения. Принцип действия данных устройств базируется на эффекте изменения кристаллической структуры содержащихся в воде солей жесткости при обработке ее потока электромагнитными импульсами определенной частоты. Другими словами, переменное электромагнитное поле, присутствующее в объеме стока, способствует частичному или полному удалению молекул воды из кристаллической решетки гидратов солей жесткости, в связи с чем, изменяются их свойства, в частности, предел их растворимости. Таким образом, электромагнитное поле обеспечивает специфические условия при формировании кристаллической структуры примесей, поэтому в воде образуются соединения (гидраты), которые в естественных условиях в ней отсутствуют. В нашем случае, в воде содержится гидрат СаSO₄ • 2Н₂О (гипс), предел растворимости которого равен ~ 2100 (мГ/л). После обработки стока электромагнитными импульсами структура названного гидрата изменяется за счет удаления из его кристаллической решетки 1,5 молекул воды и, таким образом, образуется другой гидрат СаSO₄ • ½ Н₂О (бассанит), который в воде практически не растворим. Преобразование, под воздействием переменного электромагнитного поля, частично растворимого гипса в практически нерастворимый бассанит влечет за собой снижение в обработанной воде концентраций ионов Са²⁺ и SO₄^2- на 12 (мГ-Экв/л).

Кроме того, электромагнитная обработка способствует слипанию (коагуляции) мелкодисперсных примесей, что в итоге приводит к уменьшению концентраций перенасыщенных коллоидных растворов.

 

Выводы.

Для повышения эффективности очистки существующих сооружений необходимо осуществить следующие мероприятия:

– увеличить дозу извести, вводимой при нейтрализации, до остаточной величины рН обработанного стока соответствующей диапазону значений 10,5÷11;

– в обработанный сток следует дополнительно вводить раствор флокулянта (ПАА) с целью усиления эффекта коагуляции коллоидных частиц гидроксидами металлов, присутствующих в сточной воде (цинк, железо и т.д.);

– использовать устройство электромагнитного умягчения воды для изменения структуры кристаллических решеток формирующихся в воде гидратов, в частности, при этом вместо двух водного гидрата – гипса, в воде образуется мало растворимый полуводный гидрат - бассанит.

Ожидаемые результаты.

После осуществления названных мероприятий, за счет присутствия флокулянта происходит укрупнение и последующее осаждение коллоидных частиц, т.е. соединения Mg(ОН)₂ и СаSO₄•½ Н₂О способны выделиться из воды в процессе отстаивания и образуют осадок. Использование устройства электромагнитного умягчения позволяет значительно понизить в очищаемом стоке концентрации ионов Са²⁺ и SO₄^2-.

Однако, обработанная вода имеет высокое значение рН, концентрации сульфатов и нитратов превышают допустимые пределы. Кроме того, в отстоянной воде могут присутствовать мелкодисперсные коагулированные частицы, которые не имеют возможности отделиться от воды в процессе осаждения в связи со своей малой плотностью.

Поэтому для получения очищенной воды заданного качества (см.п.2, Табл.1)осуществления названных мероприятий – недостаточно.

 

Дополнительное технологическое оборудование.

Для получения воды заданного качества, необходимо предусмотреть дополнительные этапы очистки, а именно: осветление и обессоливание

Осветление.

Основными воздействиями для данного этапа являются контактное осветление или фильтрация, а так же сорбция. Остаточные хлопья эффективно отделяются на поверхности зернистых загрузок методом контактного осветления. В качестве устройств контактного осветления, как правило, используются засыпные фильтры. В связи с высоким рН обработанной воды, в качестве загрузки целесообразно использовать дробленый антрацит, т.к. из за наличия в воде избытка щелочи, кварцевые загрузки растворяются в ней и образуют ионы SiО₃^2- (силикаты).

После контактного осветления, нет необходимости использовать устройство сорбции, поскольку в исходной воде практически отсутствуют молекулярно растворенные органические соединения.

Вывод: На этапе осветления необходимо использовать контактный осветлитель на основе засыпного фильтра, загруженного дробленым антрацитом.

 

Обессоливание.

Обессоливанием называется процесс полного или частичного удаления из воды катионов Na⁺, К⁺, NH₄⁺ и др. и анионов Cl^-, SO₄^2-, NO₃^- и т.д.

Существуют следующие методы обессоливания:

· Дистилляция (переиспарение) – Применяется для источников с исходным солесодержанием свыше 10 (г/л), требует предварительного умягчения воды, является весьма энергозатратным способом, устройство имеет значительные габаритные размеры (установка производительностью 1 (м³/ч) размещается в контейнере 9м х 2,5м х 2,56м). Объем концентрата (рассола), не менее 15% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного умягчения). После очистки необходимо охлаждение воды.

· Обратный осмос – Применяется для источников с исходным солесодержанием до 10 (г/л), требует предварительного умягчения воды, объем дренажа (рассола) составляет не менее 20% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного умягчения). Необходима мощная предварительная очистка, т.к. оборудование очень чувствительно к качеству исходной воды.

· Электродиализ – Наиболее целесообразно использовать для опреснения воды с солесодержанием NaCl 5÷7 (г/л), при этом предельная остаточная концентрация NaCl в очищенной воде составляет ~ 1 (г/л), т.е. обработанная вода требует дополнительного обессоливания. Объем дренажа (рассола) составляет не менее 15% от общего потока очищаемой воды (при условии предварительного умягчения).

· Ионный обмен – Применяется для обессоливания источников с исходным общим солесодержанием не более 3 - 3,5 (г/л), не требует предварительного умягчения воды, т.к. сам является одним из способов удаления ионов Са²⁺ и Mg²⁺. Объем концентратов (отходов) составляет ~ 2÷5% от общего объема очищаемой воды (при условии использования метода экономичной регенерации).

Рассмотрим достоинства и недостатки перечисленных методов обессоливания:

· Метод дистилляции, как было отмечено, отличается высокими энергозатратами, поэтому используется для деминерализации воды, имеющей сухой остаток свыше 10 (г/л), т.е. только в том случае, когда другие методы обессоливания не применимы.

· После очистки воды электродиализным методом наблюдается высокая остаточная концентрация солевых растворов, что, в нашем случае, потребует наличия дополнительного блока обработки ионообменном или обратным осмосом. Таким образом, система очистки значительно усложняется как в изготовлении, так и при эксплуатации.

· При обессоливании с помощью мембран, необходимо обеспечить определенное качество воды, подаваемой в обратноосмотическую установку, т.е. на этапе предварительной очистки и осветления из стоков должны быть удалены все взвешенные вещества, ионы тяжелых металлов, ПАВ, коллоидные растворы, а также ионы Са²⁺ и Mg²⁺ и т.д. При выполнении названных условий обратноосмотическая установка работает достаточно надежно и устойчиво с постоянным дренажом ~ 20% от расхода, вне зависимости от периодического изменения солевого состава исходной воды. Другими словами, если обеспечить отсутствие указанных загрязнений в воде подаваемой на установку, то потребуется только ее разовая наладка (пуско-наладка), а далее процесс обессоливания осуществляется автоматически и не требует дополнительной настройки системы, в случае изменения концентрации солевых растворов в исходной воде. Таким образом, обратный осмос выделяется меньшими эксплуатационными затратами, при этом нет необходимости в постоянном присутствии квалифицированного обслуживающего персонала.

Обозначенные выше этапы предварительной очистки и осветления, позволяют получить устойчивое качество осветленной воды вполне позволяющее использовать для ее опреснения обратный осмос. Однако, перед обратноосмотической обработкой необходимо предусмотреть наличие дополнительного устройства водоумягчения.

Наиболее оптимальным является использование Na-катионитовых фильтров, как наиболее компактного и надежного оборудования. При этом регенерация данных загрузок производится раствором поваренной соли NaCl.

Производительность обратноосмотической установки, объем дренажных вод, площадь и селективность мембран взаимосвязаны, поэтому для снижения объема дренажных вод до 10% следует увеличить площадь мембраны ~ в 2 раза. Т.е. допустим, взять установку с номинальной производительностью 4 (м³/ч) и эксплуатировать ее с расходом не более 2 (м³/ч), но при этом можно уменьшить дренаж до 10% от объема воды, подаваемой на очистку (0,2 м³/ч). Учитывая, что все катионы были замещены на катионы Na⁺ в ионообменном фильтре, а их концентрация в дренаже возрастает в 10 раз, дренажные воды вполне можно использовать в качестве реагента для восстановления ионообменных свойств Na-катионитовой смолы. Кроме того, дренаж так же можно использовать для обратной промывки загрузки контактного осветлителя и сорбента.

Данные воды представляют собой концентрированный ионный раствор, в котором полностью отсутствуют взвешенные вещества, коллоиды и молекулярные растворы, поэтому дренаж никак не может повредить указанным загрузкам.

Таким образом, для получения количества жидких отходов соответствующих максимальной величине при ионообменном методе (5%), необходимо увеличить площадь фильтрации в 4 раза, т.е. в нашем случае, требуется обратноосмотическая установка с номинальной производительностью 336 (м³/час). Но увеличение площади фильтрации влечет за собой пропорциональное наращивание габаритных размеров установки, что препятствует её размещению в помещении станции нейтрализации.

· Обессоливание методом ионообмена не требует предварительного умягчения и выделяется минимальным количеством отходов и малыми габаритными размерами самого устройства. Обессоливание методом ионного обмена подразумевает последовательную обработку воды сначала на сильнокислотном катионообменном фильтре (КАТ) со смолой в Н-форме, затем на сильноосновном анионообменном фильтре (АН) со смолой в ОН-форме. При этом проистекают следующие реакции:

КАТ – Н + MgSO₄ → KAT – Mg + H₂SO₄

КАТ – Н + Ca(HCO₃)₂ → KAT – Ca + H₂CO₃

КАТ – Н + NaCl → KAT – Na + HCl

H₂CO₃ → H₂O + CO₂↑ - удаляется путем дегазации

AH – OH + H₂SO₄ → AH – SO₄ + H₂O

AH – OH + HCl → AH – Cl + H₂O

Таким образом, из воды удаляются катионы Mg²⁺, Ca²⁺, Na⁺ и анионы NO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, т.е. производится полное обессоливание воды.

Регенерацию Н - катионовых фильтров производят раствором кислоты HCl, а ОН - анионитовых – раствором щелочи NaOH.

Обычно цикл регенерации ионообменных смол заключается в следующем: встряхивание загрузки, подача реагента, промывка загрузки после реагента, смыв. Причем, все названные потоки объединяются в общей дренажной трубе. При этом при восстановлении одного м³ загрузки образуется 5-8 м³ жидких отходов, представляющих собой малоконцентрированные солевые растворы. Для значительного снижения количества получаемых отходов используется, так называемый, экономичный способ регенерации, который подразумевает разделение потоков реагента и промывной воды. Названный способ регенерации ионообменных загрузок заключается в следующем (см. рис.):

 

 

- перекрываются краны подачи и отведения стока КО1, КО2;

- открываются краны К1 и К3, при этом на смолу подается обратный поток чистой воды с большим расходом для осуществления, так называемого, встряхивания загрузки. Отработанная вода поступает в общую дренажную систему и возвращается в голову процесса, т.е. в емкость - усреднитель.

- закрываются К1 и К3, открываются краны К2, затем КВ2 и производится выдавливание сжатым воздухом остатков воды из корпуса фильтра в общую дренажную систему;

- закрываются КВ2, затем К2; открывается КН1, потом КР1 и из бака подается самотеком порция раствора реагента в промывное устройство равная 1,1 • V смолы. Для 1м³ катионообменной смолы, объем порции составляет 1,1 • 1 = 1,1 (м³) 1,5М раствора HCl.

- закрывается КР1, затем КН1; открываются КР2 и КН2, после чего КВ1. Происходит передавливание сжатым воздухом фиксированной порции реагента из промывного устройства в объем смолы. Статическое восстановление обменной активности смолы путем простого замачивания малоэффективно, поэтому на 10÷15 мин остается малоинтенсивная подача сжатого воздуха для перемешивания раствора и смолы.

- через 10÷15 мин закрывается КВ1, затем КН2;открывается КН1, после чего КВ2, при этом производится выдавливание реагента из объема смолы и его возвращение в промывное устройство. Затем закрываются КВ2 и КН1, снова открываются КН2 и КВ1, реагент возвращается в фильтр. Данные действия следует повторить 3÷5 раз, причем с разной скоростью подачи-отвода реагента, которая, в свою очередь, определяется интенсивностью подвода сжатого воздуха. По окончании, реагент выводится из объема смолы и промывного устройства в емкость отходов, при этом открываются краны КР3, КВ1 и КВ2; краны КН1, КН2 – закрыты.

- после осушения Ф и промывного устройства закрываются краны КВ1, КВ2 и КР2, открываются краны КН1 и КН2, после чего открывается кран К и в промывное устройство подается объем чистой воды равный 0,3 л; кран К закрывается.

- далее повторяются все те же действия, что и при обработке смолы реагентом, но с поступившим объемом воды, тем самым производится промывка смолы от остатков реагента. Промывная вода, по окончании данного процесса, также вытесняется из Ф и объема устройства в емкость отходов, после чего краны КР3, КВ1 и КВ2, КН1 и КН2 закрываются.

- открываются краны К1 и К3 и производится смыв остатков промывной воды в общую дренажную систему и затем возвращается в голову процесса. Объем смывной воды составляет ~ 3 Vзагр., т.е. 3 м³. Некоторое количество солей, конечно же, попадает в голову процесса со смывной водой, но их концентрация несоизмерима в сравнении с обычной регенерацией и меньше в десятки тысяч раз, т.е. солесодержание объединенного стока, при этом остается практически неизменным.

Таким образом, после введения экономичной регенерации количество отходов, подлежащих утилизации, значительно снижается и составляет в нашем случае 1,4 м³ раствора концентрации 1,2 М с 1м³ ионообменной смолы.

В принципе дилемма проста:

- либо производить тщательную, экономную регенерацию смолы с минимизацией получаемых отходов, а так же их аккумулирование с последующей регенерацией, утилизацией, выделением ценных продуктов или термическим обезвреживанием,

- либо получить значительное увеличение солесодержания всего стока предприятия и затрачивать стократно большие трудовые и финансовые усилия для его снижения и возвращения в рамки ПДК.

Изложенный выше алгоритм экономичной регенерации, в общем-то, несложно автоматизировать и сама система управления будет относительно недорогой, но обилие исполнительных устройств (краны электромеханические, клапаны и т.д.) приводит к значительному удорожанию комплекта в целом. Поэтому нами выбрано другое решение: габаритные размеры фильтров выбираются с учетом получения периода регенерации до 0,5÷2 суток, а управление остается ручным. На очистных сооружениях все равно необходимо постоянное присутствие оператора, ему нетрудно будет произвести регенерацию загрузок с заданной периодичностью. Все фильтрационное оборудование дублируется, следовательно, времени для осуществления перечисленных действий вполне достаточно, а сам процесс очистки, в момент их реализации, не прерывается. Такое решение проблемы выглядит более надежным. К тому же целесообразнее затрачивать финансовые средства на приобретение основного технологического оборудования, имеющего значительный запас по ресурсам, чем те же средства использовать для полной автоматизации маломощной очистной системы без какого-либо коэффициента запаса, как это принято, например, в Японии.

Вывод: В нашем случае,общее солесодержание сточной воды после осуществления мероприятий, перечисленных в п.4.1., составляет менее 2 (г/л), но при значительном часовом расходе (84 м³/час; см.п.2.1). Поэтому, наиболее целесообразным как с экономической, так и с технической (габаритные размеры) точек зрения, является последовательная обработка воды сначала на сильнокислотном катионообменном фильтре (КАТ - со смолой в Н-форме), а затем на сильноосновном анионообменном фильтре (АН - со смолой в ОН-форме). При этом осуществляется как умягчение воды, так и ее обессоливание.

Примечание: Существует реагентный метод умягчения и обессоливания сточной воды именуемый «десульфатация». В этом случае, производится введение в очищаемую воду гидроксида бария (Ва(ОН)₂), после чего проистекают следующие реакции:

Са SO₄ + Ва(ОН)₂ → Ва SO₄↓ +Са(ОН)₂

Na₂ SO₄ + Ва(ОН)₂ → Ва SO₄↓ + 2 NaОН

К₂ SO₄ + Ва(ОН)₂ → Ва SO₄↓ + 2КОН

Сульфат бария является нерастворимым веществом, поэтому выводится в осадок в виде устойчивых хлопьев.

В принципе, гидроксидом бария можно заменить известь на этапе нейтрализации исходной воды, поскольку в отличие от гипса, образующийся сульфат бария в воде практически не растворим. Поэтому не потребуется дополнительная электромагнитная обработка потока нейтрализованной воды с целью изменения кристаллической структуры и, как следствие, предела растворимости, образующихся солей. Однако, данный вариант нами не рассматривался, в связи со значительной стоимостью гидроксида бария (до 90 руб за 1 кг). С учетом того, что при прочих равных условиях потребуется в ~ 2,3 раза больше (по массе) гидроксида бария, чем извести, а стоимость извести составляет ~ 13 (руб/кг), становится очевидным, что использование данного реагента (Ва(ОН)₂) является экономически крайне не целесообразным.

 

 

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: