Расчет электрокоагулятора

 

Таблица 2.1 - Дозы металлического алюминия для коагуляции природной воды

 

Мутность воды, мг/л	Дм (мг/л)
100 и менее	3,4–4,7
100–200	4,0–5,4
200–400	4,7–6,0

 

       

Оптимальными условиями для электрокоагуляции при осветлении являются: рН менее 6–7, температура свыше +10 ° С, анодная плотность тока 40–60 А/м².   

    Цветность природной воды обусловлена присутствием гуминовых веществ: гуминовой кислоты и ее солей, находящихся в коллоидальной форме, а также фульвокислот и их солей в молекулярно-растворенной форме. Коагуляция позволяет удалять гуминовую кислоту и ее соли, но не сказывается на содержании фульвокислот и их солей. Для очистки воды от последних окислением, применяются электролизные установки по генерации гипохлорита и озонирование.   В процессе электрокоагуляции попутно происходят окислительные процессы, особенно в присутствии хлоридов, что позволяет достичь более значительного обесцвечивания воды, чем в случаях реагентной коагуляции. Дозы металлического алюминия, мг/л, необходимые при электрокоагуляционном обесцвечивании, ориентировочно могут определяться путем корректировки формулы СНиП [8]:                                                   

,                                                         (2.2)

       где  – доза коагулянта по Al₂O₃; Ц – цветность исходной воды, град.   

  Обесцвечивание протекает наиболее интенсивно при рН = 5 (рисунок 2.1). Как следует из этого рисунка остаточная цветность воды при рН <5 и рН > 5 увеличивается, что объясняется растворением Al(OH)₃. Процесс оптимизируется при температурах воды более +20 ° С и при анодной плотности тока не менее 40– 60 А/м² (рисунок 2.2) Продолжительность пребывания воды в электрокоагуляторе – до 30–60 мин (рисунок 2.3).

 

Рисунок 2.1. График зависимости

 обесцвечивания воды от водородных  показателей. 

 

 

Рисунок 2.2. График зависимости

обесцвечивания воды от анодной  плотности

 тока: 1 – Д_м = 2,5 мг/л; 2 – Д_м = 5,0 мг/л 

Рисунок 2.3. График зависимости

обесцвечивания воды от продолжительности электролиза

 

В таблице 2.2 приводятся некоторые технические характеристики отечественных установок для осветления и обесцвечивания воды с применением электрокоагуляторов.

 

Таблица 2.2 - Технические характеристики некоторых  установок для  
осветления и обесцвечивания воды

 

Назначение	Технологическая схема	Габариты, мм
		Длина	Ширина	Высота
Получение питьевой воды из поверхностных источников (производительность 0,15 м3/ч)	Префильтр (грубозернис-тый)–электрокоагулятор- фильтр–обеззараживание  УФ лучами	1150	500	1400
Передвижная установка для временного питьевого водоснабжения из поверхностных  источников (производительностью 0,5 м3/ч)	Электрокоагулятор– фильтр–обеззараживание УФ лучами	3860	1870	1940
Очистка воды для хозяйственно-бытовых нужд  (производительность 5 м3/ч)	Гидроциклон–электро- коагулятор–фильтр– обеззараживание УФ лучами	9300	2000	4000
То  же (производительность 10 м3/ч)	сетчатые фильтры–электрокоагулятор – фильтр–обеззараживание УФ лучами	6000	6000	4500

     

       В воде поверхностных источников и в подрусловых водах железо присутствует в виде тонкодисперсных суспензий и коллоидов или в растворе в виде комплексных соединений. Суспензии и коллоиды хорошо удаляются коагуляцией, а комплексные соединения следует предварительно разрушить окислением. В качестве окислителей обычно используют озон и хлор[2].

       При электрокоагуляции эффект обезжелезивания выше, чем при обработке воды коагулянтами, так как наряду с генерацией гидроокиси алюминия проходят окислительные процессы на анодах и в межэлектродном пространстве, особенно в присутствии соединений хлора.    

   Обезжелезивание электрокоагуляцией может производиться одновременно с осветлением и обесцвечиванием воды, так как какого-либо отрицательного влияния цветности на процесс обезжелезивания не обнаружено, а в присутствии тонкодисперсных суспензий он интенсифицируется, поскольку появляются дополнительные центры хлопьеобразования.    

 Дозы  металлического алюминия при  обезжелезивании определяются экспериментально, но ориентировочно могут приниматься  равными 75–100 % от содержания железа в исходной воде. Достигаемый эффект очистки высок и может составить 90–95 %.   

 Продолжительность  пребывания воды в электрокоагуляторе зависит от качества воды и требуемого эффекта очистки и составляет не менее 30–40 минут (рисунок 2.4). Как и в других случаях, эффект очистки особенно велик в первые минуты электролиза, а потом замедляется. На рисунке 2.5 приводится график, построенный по результатам экспериментальных исследований, описывающий влияние на обезжелезивание рН воды. Степень очистки интенсивно возрастает в интервале значений рН от 5 до 8. Это объясняется улучшением условий коагуляции и усилением процесса окисления двухвалентного железа в трехвалентное. Влияние температуры воды на обезжелезивание при повышении до +20 ° С малосущественно. Исследования показали, что плотность тока практически не влияет на условия обезжелезивания.

 

 

Рисунок 2.4. График зависимости

обезжелезивания от продолжительности  электролиза

 

 

Рисунок 2.5. График зависимости обезжелезивания от рН

 

       Технологическая схема установки  включает помимо электрокоагулятора отстойник и фильтр либо фильтр большой грязеемкости. Электрокоагуляция целесообразна только при необходимости комплексной очистки воды и удаления из нее как соединений железа, так и других загрязнений (взвешенных и органических веществ, водорослей, нерастворимых частиц и др). В таблице 2.3 приводятся удельные расходы алюминия и электроэнергии при очистке природной воды [11].

 

 

 

Таблица 2.3 - Значения удельных расходов  
алюминия и электроэнергии

 

Загрязнения	Измеритель	Предварительная очистка (5 %)		Полная очистка (90–99 %)
		Al3+ мг/л	квт ч/м3	Al3+ мг/л	квт ч/м3
Мутность Цветность Железо	1 мг 1 град 1 мг	0,04–0,06 0,04–0,10 0,3–0,4	5–10 10–40 30–80	0,15–0,2 0,10–0,20 1,0–1,5	20–40 40–80 100–200

 

2. Электрокоагуляционная обработка сточных вод

      На предприятиях масложировой промышленности, мясо- и рыбкомбинатах, кожзаводах, фабриках первичной обработки шерсти и меховых фабриках образуются высококонцентрированные сточные воды, содержащие высокодисперсные и плохо удаляемые примеси. Наряду с механической и биологической очисткой таких сточных вод применяется физико-химическая очистка, в том числе предусматривающая электрокоагуляцию. Электрокоагуляторы оборудуются стальными или алюминиевыми электродами, продолжительность пребывания воды в электрокоагуляторе составляет 5–30 минут, эффект очистки по взвешенным веществам достигает 85–95 %, в том числе от жиров – не менее 70–98 %, химическая потребность в кислороде (ХПК) воды уменьшается на 60–80 % [8].

       Схема очистки предусматривает применение электрофлотокоагуляторов (ЭКФ) или вертикальных отстойников. Ожидаемый эффект очистки по этим вариантам приведен в таблице 2.4

 

 

 

 

Таблица 2.4 - Эффект очистки

 

Показатель	Эффект очистки, %
	электрокоагулятор-отстойник	ЭКФ
Жиры Взвешенные вещества БПКполн	94–96 89–90 70–73	96–97 90–92 70–75

      

       Рекомендуемые параметры электрокоагуляторов: материал электродов – алюминий или железо, расстояние между вертикально устанавливаемыми пластинами электродов – 20 мм, напряжение на электродах – 6 В, плотность тока – 30 или 40 А/м² для алюминиевых или стальных электродов, соответственно, продолжительность пребывания воды в межэлектродном пространстве 3–5 минут (алюминиевые и стальные электроды) доза железа 15 г/м³, алюминия – 7 г/м³.    

 При расчете  электрофлотаторов в блоке ЭКФ принимают аноды из нерастворимых материалов (ОРТА или другие), катоды из стальной сетки. Электроды располагаются горизонтально. Плотность тока при использовании в электрофлотаторах электродов из железа – 220 А/м², алюминия – 140 А/м², продолжительность флотационной обработки, соответственно 12 и 6 минут. Количество образующейся при электрообработке пены достигает 25 % от объема воды, объем пенного продукта после разрушения пены – 1,4 %.   

  Сточные воды прачечных содержат до 100–150 мг/л СПАВ, до 300 мг/л взвешенных веществ, имеют БПК_полн более 300 мг/л и ХПК около 1400 мг/л. Электрокоагуляция с использованием стальных электродов снижает содержание СПАВ на 90 % и более, взвесей – более чем на 90 %, БПК – на 80 %. При плотности тока 80 А/м², дозе железа 50–70 мг/л удельный расход электроэнергии не превышает 2 кВт, ч/м³ .   

    

 Электролизеры  оборудуются электродами из алюминия  или его сплавов. Плотность  тока принимается 80–120 А/м², удельный расход алюминия составляет 30 мг на 1 г удаляемого масла, продолжительность пребывания воды в электродной камере – 20–30 мин, рН воды перед электрокоагулятором должно быть равно 4,5 – 5,5.   

 После  электрокоагуляции производится  отстаивание воды в течение  1,0–1,5 ч. В том случае, когда  содержание масел превышает 10 г/л, должна производиться предварительная  грубая очистка воды, например, флотацией[17].    

 Новочеркасским  политехническим институтом для  очистки эмульсионных, а также  масло- и нефтесодержащих сточных  вод при концентрации масел  и нефти от 10 до 200 г/л рекомендована  схема, включающая усреднитель, электрофлотатор предварительной очистки, электрокоагулятор и отстойник. Электрофлотатор, оборудованный нерастворимыми электродами, снижает концентрацию загрязнений в воде до 2–10 г/л. Параметры электрофлотатора: напряжение 6–12 В, плотность тока – 60 А/м².   

 После  электрокоагулятора, проектируемого по указаниям СНиП, вода направляется в отстойник. В очищенной воде концентрация нефтепродуктов составляет 5,0 мг/л и менее.   

 Электрокоагуляция  применяется для очистки нефтесодержащих  стоков некоторых нефтеперерабатывающих  заводов. Так, при электрокоагуляционной очистке общего стока нижегородского НПЗ при использовании стальных электродов обеспечивалось снижение концентрации нефтепродуктов от 370 до 25 мг/л, т.е. более чем на 90 % . Хорошие результаты могут быть достигнуты при электрокоагуляции с последующим отстаиванием и фильтрованием при обработке общего стока предприятий железнодорожного транспорта, автотранспортных и авторемонтных предприятий . Обычно применяют электркоагуляторы с алюминиевыми электродами, снижающие концентрацию нефтепродуктов после очистки до 5–6 мг/л и менее. Продолжительность пребывания воды в электрокоагуляторе составляет около 10–15 минут, плотность тока – 50–100 А/м², доза металлического алюминия – от 3 до 15 мг/л.   

 Гальванические  стоки и другие сточные воды, загрязненные ионами тяжелых  металлов, успешно очищаются электрокоагуляцией  с использованием железных электродов.    

 Механизм  удаления из воды ионов тяжелых  металлов (кроме шестивалентного  хрома) заключается в том, что  при соответствующих значениях  рН в воде образуются нерастворимые гидроксиды. Микрочастицы гидроксидов, выделяющиеся в ходе кристаллизации, активно сорбируются на хлопьях гидроокиси железа, являющегося непосредственным продуктом электрокоагуляции. На последующих этапах очистки гидроксиды удаляемых металлов соосаждаются с гидроокисью железа. Чем ниже рН воды, тем меньше электроэнергии затрачивается на электрокоагуяцию, так как уменьшается пассивация электродов и усиливается процесс химического растворения катодов. Например, при прочих равных условиях затраты электроэнергии при рН = 2 вдвое меньше чем при рН = 3, втрое – чем при рН = 7. С другой стороны, значения рН перед электрокоагулятором должны быть достаточными для образования гидроксидов металлов-загрязнителей (таблица 2.5).