Очистка сточных вод методом нейтрализации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.3 Фильтрование через нейтрализующие материалы

  Нейтрализация соляно- и азотнокислых, а также сернокислых сточных вод при концентрации серной кислоты не более 1,5 г/л происходит на непрерывно действующих фильтрах-нейтрализаторах, которые могут быть горизонтальными или вертикальными. В качестве загрузки применяют такие нейтрализующие материалы, как доломит, известняк, магнезит, мел, мрамор и др. В вертикальных фильтрах крупность фракций материала загрузки 3-8 см. Расчетная скорость фильтрования зависит от вида загрузочного материала, но не более 5 м/с. Продолжительность контакта не менее 10 мин. У горизонтальных скорость течения сточных вод 1-3 м/с. Высоту загрузки для сточных вод, содержащих HCI и HNO3, принимают равной 1-1,5 м, а содержащих H2SO4 — равной 1,5-2 м. Вода фильтруется сверху вниз или снизу вверх. Применение таких фильтров возможно при условии отсутствия в сточных водах растворенных солей металлов, поскольку при рН > 7 они будут выпадать в осадок в виде труднорастворимых соединений, которые полностью забивают поры фильтра.

   Установка состоит из усреднителя, устройств для дробления и классификации загрузки, дозаторов, насосов для перекачки промывных вод и аппаратов для удаления взвешенных веществ из промывных вод.

   Аппаратуру и трубопроводы изготовляют из кислотоупорных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.4 Нейтрализация дымовыми газами

    Применение для нейтрализации щелочных сточных вод отходящих газов, содержащих CО2 , SО2 , NO2 и другие кислые газы, позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно осуществлять высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов[3]. Применение CО2 имеет ряд преимуществ по сравнению с применением соляной или серной кислот, позволяет резко снизить стоимость процесса нейтрализации. Вследствие плохой растворимости CО2 уменьшается опасность перекисления нейтрализуемых растворов. Образующиеся карбонаты находят большее применение по сравнению с сульфатами или хлоридами, кроме того коррозионные и токсичные воздействия CО32- ионов воде меньше, чем ионов SO42- и Cl3-. Нейтрализация может производится в реакторах с мешалкой (рис.8), в распылительных, тарельчатых и пленочных колоннах.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.8. Нейтрализатор щелочных сточных вод дымовыми газами [3].

     Дымовые газы вентилятором подают в кольцевое пространство вокруг вала мешалки и распределяют мешалкой в виде пузырьков и струй в сточной воде, поступающей внутрь реактора. Благодаря большой поверхности контакта между водой и газами происходит быстрая нейтрализация сточной воды. Присутствие в газах SО2 способствует нейтрализации щелочных вод. При проведении процесса в тарельчатых колоннах степень нейтрализации увеличивается с ростом скорости газа и уменьшением плотности орошения.

    Нейтрализованная вода проходит через дополнительный рН-контроль на выходе и сбрасывается на городские очистные сооружения.

   Нейтрализация щелочных вод дымовыми  газами является примером ресурсосберегающей  технологии, позволяющей исключить  использование кислот, создать бессточную  схему водопотребления. При этом  ликвидируется сброс сточных  вод, сокращается потребление свежей  воды, а так же очищение дымовых газов от кислых компонентов и пыли.

Реакция нейтрализации:

SО2+ Н2О  → Н2SO4 →  2 H+ + SO32-     

1. H+ +OH- → Н2О 
2. SO32- + Met2+ → Met SO3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Технологическая часть

2.1 Краткая характеристика метода  нейтрализации 

    Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоёмы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН = 6,5 – 8,5.

    Нейтрализацию можно проводить различным путём: смешиванием кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, адсорбцией кислых газов щелочными водами или адсорбцией аммиака кислыми водами. Выбор метода нейтрализации зависит от объёма и концентрации сточных вод, от режима их поступления, наличия и стоимости реагентов. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки, количество которых зависит от концентрации и состава сточных вод, а также от вида и расхода используемых реагентов.

   Нейтрализация смешением. Этот метод применяют, если на одном предприятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не загрязнённые другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в ёмкости с мешалкой и без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут воздухом при его скорости в линии подачи 20 – 40м/с.

   Нейтрализация реагентами. Данный метод используют, если на промышленных предприятиях имеются только кислые или только щелочные стоки. Наиболее часто его применяют для нейтрализации кислых сточных вод.

   Фильтрование через нейтрализующие материалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, известняка, твёрдых отходов (шлак, зола). Процесс ведут в фильтрах-нейтрализаторах.

   Нейтрализация дымовыми газами. Для нейтрализации щелочных сточных вод используют отходящие газы, содержащие CО2 , SО2 , NO2 и другие кислые газы. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Описание принципиальной  схемы реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

    Производства, сточные воды  которых содержат тяжелые металлы, относятся к числу наиболее  опасных для окружающей природной  среды. Сброс неочищенных или  недостаточно очищенных  сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, в водные бассейны приводит к превышению их предельно допустимых концентраций, что, в свою очередь, оказывает негативное воздействие на экосистемы. Зачастую, оборотная вода не соответствует требованиям к технической воде.

   Для очистки сточных вод  от ионов тяжелых металлов  используются различные методы. Наиболее распространенный метод заключается в переводе растворимых веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков. 
В качестве реагентов используют гидроксиды кальция и 
натрия, сульфиды натрия, феррохромовый шлак, сульфат железа(II), пирит. Наиболее широко для осаждения металлов используется гидроксид кальция, который осаждает ионы металла в виде гидроксидов: 
Men+ + nOH-  = Me(OH) n

   Наиболее эффективным для извлечения цветных металлов 
является сульфид натрия, т.к. растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно ниже растворимости других труднорастворимых соединений – гидроксидов и карбонатов. Процесс извлечения металлов сульфидом натрия выглядит так: 
Me2++S2- =MeS ; 
Me3+ +S2- =Me 2S 3 . 
   Сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы, и поэтому для ускорения процесса их осаждения вводят коагулянты и флокулянты. Так как коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, то в качестве коагулянтов используют электролиты с многозарядными

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 катионами – обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа, также их смеси.

  При использовании смесей Al 2(SO4) 3 и FeCI3 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном применении реагентов. Кроме вышеназванных коагулянтов, могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси и шлаки, содержащие диоксид кремния. 
    Для ускорения процесса коагуляции используют 
флокулянты, в основном полиакриламид. Добавка его в количестве 0.01% от массы сухого вещества увеличивает скорость выпадения осадков гидроксидов металлов в 2 – 3 раза. 
Метод реализован на большинстве предприятий в виде станций нейтрализации. 
Достоинства метода: 
1) Широкий интервал начальных концентраций ИТМ. 
2) Универсальность. 
3) Простота эксплуатации. 
4) Отсутствует необходимость в разделении промывных вод и концентратов. 
Недостатки метода:  
1) Не обеспечивается ПДК для рыбохозяйственных водоемов; 
2) Громоздкость оборудования; 
3) Значительный расход реагентов; 
4) Дополнительное загрязнение сточных вод; 
5) Невозможность возврата в оборотный цикл очищенной воды из-за повышенного солесодержания;

6) Затрудненность извлечения из  шлама тяжелых металлов для утилизации; 
7) Потребность в значительных площадях для шламоотвалов.

   На рис.9 представлена принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. При объемах сточных вод до 30 м3/ч обычно осуществляется периодическая схема очистки, а при больших – смешанная или непрерывная.

   Из дозаторов 2 и 3 сточные  воды и щелочной агент попадают  в смеситель 1.

   Для перемешивания реагента сточной водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение реагента с водой достигается за счет энергии потока воды. В механических смесителях турбулентность потока усиливается мешалками различных типов. Из смесителя сточные воды попадают в реактор-нейтрализатор 5, где продолжительность контакта колеблется от 5 до 30 минут, после чего смесь с помощью насоса 6 направляется в отстойник  7. Для ускорения процесса осаждения вводят флокулянт из дозатора 4.

   Для отстаивания получившихся  в процессе нейтрализации осадков  используются  отстойники, рассчитанные  на пребывание в них сточной  воды не менее 2 часов.

  Влажность осадка после отстойника  составляет 98-99,5%. Для снижения влажности  осадка применяется дополнительное  отстаивание в шламоуплотнителе 8 в течение 3-5 суток. Влажность осадка после шламоуплотнителя 95-97%. Осадок после шламоуплотнителя подается на узел обезвоживания 9 (вакуум-фильтрация, фильтр-прессование или центрифугирование). Влажность осадка после вакуум-фильтра составляет 80-85%, после центрифуги 72-79%, после фильтр-пресса 65-70%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Расчетная часть

 

   Исходные данные:

1. Рассчитать количество нейтрализующего агента для нейтрализации кислых сточных вод, содержащих следующие компоненты:

Объемный расход сточной воды Q= 70 м3/ч;

Концентрация серной кислоты АH2SO4 = 0,15 г/л;

Концентрация сернокислой меди СCuSO4 = 92 мг/л.

2. Рассчитать отстойник для осаждения осадка.

Производительность Q = 1680 м3/сут;

содержание взвешенных веществ в воде С0= 296 мг/л;

требуемый эффект осветления воды Э = 40%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Расчет нейтрализации кислых вод, содержащих соединения меди

   Расчитаем количество образующихся гидроксидов металлов.

   Переведем значение концентрации кислоты в кг/ч.

АH2SO4 = 0,15 г/л

   Составим пропорцию:

В 1 литре содержится 0,15 г серной кислоты,

В 1000 литрах содержится X г серной кислоты.

X = г/м3

GH2SO4 = 150 г/м3* 70 м3/ч = 10500 г/ч = 10,5 кг/ч.

  Аналогично переводим значение концентрации металлов.

СCuSO4 = 92 мг/л

    Составим пропорцию:

В 1 литре содержится 92 мг металлов,

В 1000 литрах содержится Х мг металлов.

Х = 92000 мг/м3 = 92 г/ м3

GCuSO4 = 92* 70 = 6440 г/ м3 = 6,44 кг/ м3

   Составим уравнение реакции:

1. H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 +  2H2O

Молекулярная масса серной кислоты М(H2SO4) = 98;

Молекулярная масса  извести М(Ca(OH)2) = 74;

Молекулярная масса  гипса М (CaSO4) = 136.

  Составим пропорцию:

Из 98 г серной кислоты мы получим 136 г гипса,

Из 10,5 кг серной кислоты мы получим y2 кг гипса.

Y2 = = 14,6 кг CaSO4.

2. CuSO4 + Ca(OH)2 → Cu(OH)2 + CaSO4

Молекулярная масса сульфата меди М(CuSO4) = 144;

Молекулярная масса гидроксида меди М (Cu(OH)2) = 98.

   Составим пропорцию:

Из 144 г сульфата меди мы получим 136 г гипса,

Из 6,44 кг сульфат меди мы получим y1 кг гипса.

Y1 = = 6,08 кг CaSO4.

   Составим пропорцию:

Из 144 г сульфата меди мы получим 98 г гидроксида меди,

Из 6,44 кг сульфат меди мы получим x3 кг гидроксида меди.

X3 = = 4,4 кг Cu(OH)2.

   Количество сухого вещества осадка, кг, образующегося при нейтрализации 1 м3 сточной воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов, определяется по формуле:

(x1 + x2) + x3 +( y1 + y2 – 2),

где B – количество активной части в товарном продукте равно 96%;

x1 –количество активной CaO, необходимой для осаждения металлов равно 0,88 кг;

x2 – количество активной CaO, необходимой для нейтрализации свободной серной кислоты равно 0,56 кг;

x3 – количество образующихся гидроксидов металлов равно 4,4 кг;

y1 – количество гипса, образующегося при осаждении металлов равно 6,08 кг;

y2 – количество CaSO4, образующегося при нейтрализации свободной серной кислоты равно 14,6 кг;

(0,88 + 0,56 ) +  4,4 +(6,08  + 14,6 – 2) = 23,14 кг/м3 [9].

   Объем осадка, образующегося  при нейтрализации 1 м3 сточной воды, Wmud, %, определяется по формуле:

Wmud = ,

где P– влажность осадка равная 96%.

 

Wmud = = 57,85% [10].

  Количество реагента G, кг, для нейтрализации кислых стоков, содержащих соли тяжелых металлов, определяется по формуле:

,

где k – коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим; для известкового молока равен 1,1, для известкового теста и сухой извести – 1,5;

     Q – количество сточных вод, подлежащих нейтрализации равно 70 м3;

     A – концентрация кислоты равная 10,5 кг/м3;

    a – расход реагента для нейтрализации серной кислоты (принимается по таблице 3.2) равен 0,56 кг/кг ;

   C – концентрации сернокислой меди в сточных водах равен 6,44 кг/м3;

    b – расход реагентов, требующих для перевода металлов из растворенного состояния в осадок равен 0,88 кг/кг (принимается по таблице 3.3).