Text
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Л.О. Штриплинг, Ф.П. Туренко
Основы очистки сточных вод
и переработки твердых отходов
Учебное пособие
Допущено учебно-методическим объединение вузов по университетскому
политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений, обучающихся по направлению
656600 (280200) - «Защита окружающей среды»
(специальности 330200 (280202) Инженерная защита окружающей среды)
Омск-2005
УДК 502 (075)
ББК 20. 18я73
Ш 93
Рецензенты:
А.И. Григорьев, д-р биол. наук, проф. ОмГПУ;
А.А. Файков, канд. геол.-минер.наук, начальник Отдела природопользования
Министерства промышленной политики, транспорта и связи Омской области.
Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П.
Ш 93 Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов: Учеб, посо-
бие- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. -192 с.
ISBN
Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным образова-
тельным стандартом для очной и заочной форм обучения по специальности
280202 - «Инженерная защита окружающей среды» при изучении курса «Теоре-
тические основы защиты окружающей среды».
В пособии изложены физико-химические процессы способов и технологий
переработки промышленных отходов: твердых, сточных вод, газообразных вы-
бросов и их воздействие на окружающую среду.
УДК 502 (075)
ББК 20. 18я 73
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского
государственного технического университета
ISBN
© Штриплинг Л.О.
Туренко Ф.И., 2005
© Омский государственный
технический университет, 2005
2
ВВЕДЕНИЕ
С ростом благосостояния и общего материально-технического потенциала
общества усиливается тенденция глобальной деградации окружающей природной
среды за счет нерегулируемого, неупорядоченного ресурсопотребления.
Истощение природных ресурсов составляет главный количественный крите-
рий глобального экологического ущерба, резко ухудшающий условия жизни всех
объектов биосферы. Изменения окружающей природной среды в результате гло-
бального техногенеза породили проблему выживания общества.
Рост концентрации диоксида углерода приводит не только к росту средних тем-
ператур, но и к изменению структуры атмосферной циркуляции, глобальному пере-
распределению осадков, а, следовательно, и изменению продуктивности биоты.
Загрязнение Мирового океана меняет характер энергообмена «океан - атмо-
сфера» и уменьшает испарение с водной поверхности, являющейся основным ис-
точником влаги на Земле.
Вырубка лесов, увеличение площади пустынь, замена естественных ценозов
узкоспециализированными агроценозами, осушение болот, создание искусствен-
ных водохранилищ меняют альбедо земной поверхности и структуру естествен-
ного круговорота химических элементов.
Кислотные дожди отравляют почву, губят урожаи, разрушают памятники
старины, попадая в почву, они выщелачивают ее и уносят из нее такие питатель-
ные вещества, как кальций, магний, калий и натрий, убивая микроорганизмы.
Проникая в тонкую структуру листьев и ветвей, кислотный дождь отравляет рас-
тения, опасно снижает интенсивность фотосинтеза и всхожесть семян.
Кислотные дожди загрязняют пищу и питьевую воду кислотными и ядовиты-
ми металлами (ртуть, медь, свинец и др.), образующимися при разложении ме-
таллических и других предметов под действием на них кислотных дождей.
Реальная опасность погубить жизненную среду обитания на планете побуди-
ла промышленно развитые страны повернуться лицом к экологическим пробле-
мам, выделяются огромные средства, призванные компенсировать ущерб, причи-
няемый природе, но это всего лишь полумеры, поскольку не изменяется ни в ка-
чественном, ни в количественном выражении сама поступь научно-технического
«прогресса», оказывающего все возрастающее негативное влияние своим про-
мышленным, индустриальным воздействием на все природные объекты.
Интеллектуальные истоки современного научно-технического прогресса не
одухотворены той необходимой культурой знаний, которая позволяет использо-
вать опыт всех времен и поколений во имя процветания живого организма плане-
ты, гармонии природы и общества.
Приходится развертывать деятельность по ликвидации результатов деятельности.
Необходимо воздействовать на биосферу, адаптируя ее к нашим целям и потребно-
стям, а сами эти цели и потребности адаптировать к возможностям биосферы, меняя
многие привычные для нас стандарты. Комплексное понимание системы «Человек -
Природа» и ее изменений как гармонического развития человеческой деятельности и
природы составляет интеллектуальный базис экологизации современного научно-
технического прогресса, который должен опираться на следующие принципы:
3
1. Духовное начало жизни является основой экологической морали, способст-
вующей выживанию природы и общества.
2. Образование и воспитание будущего специалиста должно строиться на
принципах экологического мышления.
3. Главная заповедь инженера - «не повреди биосферу».
4. Мыслить глобально, действовать - локально.
5. Реализация экологически репрезентативных моделей управления техно-
сферой в масштабах отдельных территорий и планеты в целом.
6. Развитие норм хозяйствования на основе коэволюции человека и биосферы.
7. Комплексная унификация экологических критериев защиты природы на
основе единых норм рационального использования природных ресурсов.
8. Единство действий вытекает из единства природы.
9. Наука, техника, производство должны оцениваться и развиваться только в
ключе экологической состоятельности на текущий момент и перспективу.
10. Экологическая когерентность всех направлений научно-технической
деятельности.
Ни одно инженерное обоснование не обходится без расчета. Но в лабиринте
математических формул и обозначений необходимо видеть живую душу Приро-
ды, которой предстоит принять на себя творение рук человеческих. Расчет -
весьма ответственный инструмент в арсенале инженера. Он может вывести нас на
такие цифры, которые будут одних устраивать, а других нет. Любая расчетная
модель строится на тех или иных допущениях, ограничениях и прочих условно-
стях, по которой затем предстоит работать конструктору, технологу, производст-
веннику. Результат расчета зависит также от достоверности исходных данных,
которые используют для получения конечных выводов.
До сих пор в задачах оптимизации преобладают прагматические тенденции,
когда в качестве приоритетов выдвигаются потребительские интересы («всего
побольше и подешевле»). Зачастую стремление к снижению себестоимости про-
екта вступает в противоречие с логикой сохранения качества окружающей среды,
с логикой выживания.
Экологические ошибки и промахи отнюдь не всегда объективно неизбежны.
И природа нередко становится заложницей тех псевдоэкологических обоснова-
ний, которые были воплощены в смертельные для нее технические проекты, об-
леченные сиюминутными хозяйственными интересами.
Современный инженер-эколог, это прежде всего человек, наделенный эколо-
гической культурой в своей профессиональной деятельности.
Это специалист, который:
• осознавая объективную неизбежность негативного влияния создаваемого им
проекта, изыщет все возможные резервы для минимизации экологического риска
и ущерба природной среде;
• в каждом конкретном случае выявит экологически оптимальный механизм
сосуществования и поддержания устойчивого динамического равновесия естест-
венного и искусственного;
• воспринимает принцип «не убий» в глубоко осознанном его значении, про-
низывающем все аспекты инженерной деятельности.
4
Глава I. ОСНОВЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
1. Показатели качества природных вод
Природные воды бывают поверхностные, подземные и биосферные. Поверхност-
ные природные водные объекты разделяются на водоемы, водотоки, моря и океаны.
Качество природных и сточных вод определяется их составом и свойствами.
Нормирование качества воды рек, озер, водохранилищ проводят в соот-
ветствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод
от загрязнений». «Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод
от загрязнений» устанавливают две категории водоемов:
1 категория - водоемы питьевого и культурно-бытового назначения;
2 категория - водоемы рыбохозяйственного назначения.
Нормы качества воды устанавливаются с учетом вида водопользования.
Качество воды водных объектов определяется следующими основными пока-
зателями:
- содержание взвешенных веществ;
- плавающие примеси (пленка, пятна, скопления);
- запах и вкус;
- окраска;
- температура;
- состав и концентрация минеральных примесей;
- значение pH;
- растворенный в воде кислород (ХПК);
- биохимическая потребность воды в кислороде (ВПК);
- возбудители заболеваний;
- состав и предельно допустимая концентрация ядовитых и вредных веществ;
- состав и содержание болезнетворных бактерий.
Предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества (ПДК) -
максимальная концентрация загрязняющих веществ в воде, при которой вещест-
во не оказывает прямого или опосредованного влияния на здоровье человека (при
воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшает гигиенические ус-
ловия водопользования.
ПДК вредных веществ, как показатель качества воды, устанавливается с уче-
том лимитирующего показателя вредности (ЛПВ) вредного вещества, под которым
понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества.
При нормировании качества воды в водных объектах 1 -ой категории исполь-
зуют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный, органолеп-
тический. Для водоемов 2-ой категории, наряду с указанными, используют еще
два вида ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный.
При оценке опасности загрязнения водных объектов используется соот-
ношение:
С/ПДК<1,
где С - концентрация вредного вещества в водоеме, г/м3; ПДК - предельно
допустимая концентрация вещества, г/м3.
5
Если значение соотношения больше единицы, то опасность загрязнения
существует.
При поступлении в водные объекты нескольких веществ с одинаковыми
ЛПВ, их концентрация должна удовлетворять условию:
С1/ПДК! + С2/ПДК2 + ...+ СППДКП<1,
где С1Д1 - фактические концентрации вредных веществ, г/м3; ПДК1 п - предельно
допустимые концентрации этих веществ, г/м3.
Предельно допустимые сбросы (ПДС) в водный объект - это масса загряз-
няющего вещества в сточных водах, максимально допустимая к отведению в
данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения ка-
чества воды.
ПДС устанавливаются для предприятий, имеющих самостоятельные выпуски
сточных вод.
ПДС для всех категорий водопользования определяется по формуле
ПДС = QC,
где Q - расход сточных вод; С - концентрация веществ в сточных водах.
ПДС устанавливается по каждому веществу, в том числе и по веществам,
относящимся к одной группе ЛПВ.
2. Классификация сточных вод
Сточная вода - это вода бывшая в употреблении, а также вода, прошедшая
какую-либо загрязненную территорию.
В зависимости от условий образования сточные воды делятся на производст-
венные, хозяйственно-бытовые, и атмосферные (или поверхностные).
Загрязняющие вещества по физическому состоянию можно разделить
- на нерастворимые,
- на растворимые,
- на коллоидные примеси.
По биохимическому составу загрязнения делятся на минеральные, органиче-
ские и биологические.
К минеральным относятся - песок, глина (глинистые частицы), частицы ру-
ды, шлака, минеральных солей и другие.
Органические подразделяются по своему происхождению на растительные и
животные. Растительные - это остатки растений, плодов, овощей, злаков, расти-
тельного масла и т.п. Органические загрязнения животного происхождения - это
физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клее-
вые вещества и другие.
Бактериальные и биологические вносятся, главным образом, бытовыми
сточными водами и стоками некоторых промышленных предприятий (кожевенные
заводы, фабрики первичной обработки шерсти, предприятия микробиологической
промышленности и т.п.). По степени агрессивности производственные сточные
воды разделяют на слабоагрессивные (слабокислые и слабощелочные), сильноаг-
рессивные (сильнокислые и сильнощелочные) и неагрессивные.
6
Производственные сточные воды образуются в результате использования
воды в технологических процессах. Их количество и состав определяются типом
предприятия, его мощностью, видами используемых технологических процессов,
от состава исходной свежей воды и от местных условий, схемы водообеспечения
водоотведения промышленных предприятий.
Производственные сточные воды содержат различные примеси и подразде-
ляются на три группы:
1) Загрязненные преимущественно минеральными примесями (металлургиче-
ская, машиностроительная, рудо- и угледобывающая промышленность, заводы по
производству минеральных удобрений, кислот, строительных материалов).
2) Загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия
мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, мик-
робиологической промышленности, заводы по производству пластмасс, каучука).
3) Загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия
нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной,
легкой, фармацевтической промышленности, заводы по производству сахара,
продуктов органического синтеза, витаминов, консервов).
Хозяйственно-бытовые - это стоки столовых, бань, прачечных, туалетов и
другие. В бытовых сточных водах органические вещества в загрязнениях состав-
ляют примерно 58 % и минеральные - 42 %.
Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения атмосфер-
ных осадков и стекающие с территорий предприятий. Они загрязняются органи-
ческими и минеральными веществами.
На территории промышленных предприятий образуются сточные воды трех
видов: бытовые, поверхностные и производственные.
Например, машиностроительные предприятия используют воду:
- на охлаждение (подогрев) исходных материалов и продукции, деталей и узлов
технологического оборудования;
- приготовление различных технологических растворов;
- промывку, обогащение, очистку исходных материалов или продукции;
- хозяйственно-бытовое обслуживание.
Бытовые сточные воды предприятий образуются при эксплуатации на его
территории душевых, туалетов, прачечных и столовых.
Поверхностные сточные воды промышленных предприятий образуются в ре-
зультате смывания дождевой, талой и поливочной водой примесей скапливаю-
щихся на крышах и стенах производственных зданий и на территории предпри-
ятия. Основными примесями этих вод являются твердые частицы (песок, камень,
стружки и опилки, пыль, сажа, остатки растений и деревьев и т.п.), нефтепродук-
ты (масла, бензин, керосин), используемые в двигателях транспортных средств, а
также органические и минеральные удобрения, используемые в заводских скве-
рах, цветниках и теплицах.
Большое количество забираемой для обеспечения промышленных предприятий
воды возвращается в водоемы с различной степенью загрязнения.
7
3. Методы очистки сточных вод
Существует большое количество способов очистки сточных вод и различные
виды их классификации. Выбор способа очистки обычно определяется видом и
концентрацией преобладающих примесей сточных вод: механических (взвешен-
ных), растворенных и органических.
Существующие методы очистки сточных вод от примесей можно разделить на
механические, физико-химические, химические, биологические и др. (рис. 1.1).
Механические методы очистки применяются для очистки сточных вод от
взвешенных частиц путем процеживания, отстаивания, отделения взвешенных
частиц с использованием центробежных сил, фильтрования.
Физико-химические методы используются для очистки сточных вод от рас-
творенных примесей, также в некоторых случаях и от взвешенных частиц. Ос-
новными методами являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ио-
нообменная очистка, гиперфильтрация, электрохимическая очистка, озонирова-
ние, электрокоагуляция, эвапорация.
К химическим методам очистки сточных вод относятся нейтрализация,
окисление и восстановление. Химическая очистка может применяться как само-
стоятельный вид очистки перед подачей производственных сточных вод в систе-
му оборотного водоснабжения, а также в качестве предварительной очистки пе-
ред биологической или физико-химической очисткой. Ее применяют для извле-
чения различных компонентов, растворенных в сточных водах, а также для ди-
зенфекции и обесцвечивания.
Биологическая (биотехнологическая) очистка применяется для очистки
сточных вод от растворенных органических веществ. Она основана на способно-
сти микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах
органические вещества (углеводы, спирты, белки и т.п.). Используется для очист-
ки бытовых и производственных сточных вод. Очистка осуществляется на полях
фильтрации, полях орошения, в биологических прудах, а также в специальных
установках - биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.
4. Механическая очистка сточных вод
Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерас-
творенных минеральных и органических примесей. Она предназначена для под-
готовки производственных сточных вод к биологическому, физико-химическому
или другому методу более глубокой очистки воды.
Механическая очистка состоит из процеживания через решетки, пескоулав-
ливания, отстаивания и фильтрования. Типы и размеры этих сооружений зависят
в основном от состава, свойств и расхода производственных сточных вод, а также
от методов их дальнейшей обработки.
Обычно, механическая очистка является предварительным этапом очистки
производственных сточных вод. Она обеспечивает выделение из сточных вод до
90 - 95 % взвешенных веществ и снижение органических загрязнений (по показа-
телю БПКполн) до 20 - 25 %.
8
— коагуляция
электрохимические методы
очистка от
тонкодисперсных
и растворенных
веществ
очистка от
взвешенных и
коллоидных
веществ
— аэробные методы
— аноидное
окисление и
катодное
восстановление
—электрокоагуляция
—электрофлотация
— электродиализ
— анаэробные методы
каталитическое
окисление
ОЧИСТКА И ОБРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД
Рис. 1.1. Классификация методов очистки и обработки сточных вод
9
Высокий эффект очистки сточных вод достигается различными способами
интенсификации гравитационного отстаивания - преаэрацией, биокоагуляцией,
осветлением во взвешенном слое (отстойники-осветлители) или в тонком слое
(тонкослойные отстойники), а также с помощью гидроциклонов.
Процесс более полного осветления сточных вод осуществляется фильтрова-
нием - пропуском воды через слой различного зернистого материала (кварцевого
песка, гранитного щебня, дробленого антрацита и керамзита, горелых пород, чугу-
нолитейного шлака и других материалов) или через сетчатые барабанные фильтры
и микрофильтры, через высокопроизводительные напорные фильтры и фильтры с
плавающей загрузкой - пенополиуретановой или пенополистирольной.
Преимущество этих процессов заключается в возможности их применения
без добавления химических реагентов.
Выбор метода очистки сточных вод зависит от размера взвешенных частиц. Раз-
меры взвешенных частиц, содержащихся в производственных сточных водах изме-
няются в широких пределах (от 5-10 ”9 до 5-10 м), ддя частиц размером до 10 мкм
конечная скорость осаждения составляет менее 10 ”2 см/с. Если частицы достаточно
велики (диаметром более 30 - 50 мкм), то они могут легко выделяться отстаиванием
или процеживанием. Коллоидальные частицы (диаметром 0,1-1 мкм) могут быть
удалены фильтрованием, однако из-за ограниченной емкости фильтрующего слоя бо-
лее подходящим методом при концентрациях взвешенных частиц более 50 мг/л явля-
ется коагуляция с последующим осаждением или осветлением во взвешенном слое.
Повышение технологической эффективности сооружений механической очист-
ки очень важно при создании замкнутых систем водного хозяйства промышленных
предприятий. Этому требованию удовлетворяют различные конструкции многопо-
лочных отстойников, сетчатых фильтров, фильтров с новыми видами зернистых и
синтетических загрузок, гидроциклонов (напорных, безнапорных, многоярусных).
Очистные сооружения рассчитываются по максимальному расходу сточных
вод или же по какому-либо среднему их расходу. Иногда следует проверять их
объемы по минимальному расходу. На рис. 1.2. показана схема механической очи-
стки производственных сточных вод. В состав очистных сооружений входят: ре-
шетки для задержания крупных загрязнений органического и минерального проис-
хождения, песколовки для выделения тяжелых минеральных примесей (главным
образом песка), усреднители расхода сточных вод и концентрации их загрязнений,
отстойники или отстойники-осветлители для выделения нерастворимых примесей,
фильтры для более полного осветления воды и сооружения для обработки осадка.
С целью обеспечения надежной работы сооружений механической очистки
производственных сточных вод обычно применяют не менее двух рабочих еди-
ниц основного технологического назначения - решеток, песколовок, усредните-
лей, отстойников или фильтров.
В ряде случаев механическая очистка является единственным и достаточным
способом для извлечения из производственных сточных вод механических за-
грязнений и подготовки их к повторному использованию в системах оборотного
водоснабжения. При необходимости предусматривается охлаждение механически
очищенной сточной воды в градирнях.
10
Сточная вода
Вода на доочистку
и повторное использование
Рис. 1.2. Схема механической очистки сточных вод:
1 - с дроблением отходов и отводом их в канализацию,
2 - с вывозом отходов в контейнерах на обезвреживание
Однако для некоторых производств требуется вода с меньшим содержанием
взвешенных веществ, чем содержание, обеспечиваемое механической очисткой,
поэтому необходима дополнительная физико-химическая и биологическая очист-
ка. При повторном использовании биологически очищенной сточной воды в со-
ответствии с санитарными нормами требуется применять хлорирование.
И
4.1. Процеживание
Процеживание предназначено для выделения из сточных вод крупных не-
растворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых
загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют
нормальной работе очистного оборудования. Процеживание сточных вод осуще-
ствляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители.
Решетки могут быть неподвижными, подвижными, а также совмещенными с дро-
билками (комминуторы). Наибольшее распространение имеют неподвижные решетки.
Решетки, изготовленные из металлических стержней с зазором между ними 5-25 мм,
устанавливают в коллекторах сточных вод вертикально или под углом 60 - 70° к гори-
зонту. Стержни могут иметь круглое или прямоугольное сечение. Стержни с круглым
сечением имеют меньшее сопротивление, но быстрей засоряются, поэтому чаще ис-
пользуют прямоугольные стержни, закругленные со стороны входа воды в решетку.
Решетки очищают граблями, которые могут быть установлены по-разному (рис. 1.3)
Рис. 1.3. Виды решеток с граблями для очистки:
1 - решетка, 2 - бесконечная цепь, 3 - грабли
Размеры поперечного сечения решеток выбирают из условия минимальных
потерь давления потока на решетке. Скорость сточной воды в зазоре между
стержнями решетки не должна превышать значений 0,8 - 1,0 м/с при максималь-
ном расходе сточных вод. Расчет решеток сводится к определению числа зазоров
п, ширины решетки В и потерь напора А/? сточной воды на ней по формулам
n = l,05[O,./(W/Wi7)],
где Qv- объемный расход сточной воды; b - ширина прозоров между стержнями;
Н— глубина коллектора; и-7/ - скорость движения сточной воды в прозорах;
В = Ьп + -1),
где 8 - толщина стержня;
Ар = £,-к-p-w2/2,
12
где w - скорость в канале перед решеткой (w = 0,7-0,8 м/с); к - коэффициент, учи-
тывающий увеличение сопротивления решетки в процессе осаждения в ее зазорах
примесей сточных вод, принимается равным 2-3; £ - коэффициент местного со-
противления решеток; S, = 0(8/Z?)4/3 since; 0 - коэффициент, характеризующий
форму поперечного сечения стержней решетки: для круглых стержней 0 = 1,79;
прямоугольных - 2,42; овальных - 1,83; а - угол наклона решетки к горизонту.
При эксплуатации решетки должны непрерывно очищаться, что обычно осу-
ществляется механически, и лишь при задержании примесей в количествах менее
0,0042 м3/ч допускается ручная очистка. Примеси, снятые с решеток, измельчают
на специальных дробилках и сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или
направляют на переработку. Однако эта процедура усложняет технологическую
схему очистки сточных вод и ухудшает качество воздушной среды в помещениях
очистных станций. Для устранения этих недостатков применяют решетки-
дробилки, измельчающие задержанные примеси, не извлекая их из воды. Средний
размер измельченных ими примесей не превышает 10 мм.
Наибольшее применение получили решетки следующих типов: решетки меха-
нические унифицированные типа РМУ и с механическими граблями типа МГ, пред-
назначенные ддя извлечения из сточных вод крупных загрязнений с механизиро-
ванной выгрузкой их непосредственно в контейнер или на транспортирующее уст-
ройство к дробилкам; комбинированные решетки-дробилки типов РД и КРД.
4.2. Отстаивание
Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных
примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения
процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях од-
новременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой
взвешенных частиц.
Обычно сточные воды содержат взвешенные частицы различной формы и
размера. Такие воды представляют собой полидисперсные гетерогенные агрега-
тивно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и фор-
ма частиц, а также физические свойства системы изменяются. Кроме того, при
слиянии различных по химическому составу сточных вод могут образовываться
твердые вещества, в том числе и коагулянты. Эти явления также оказывают
влияние на форму и размеры частиц. Все это усложняет установление действи-
тельных закономерностей процесса осаждения.
Свойства сточных вод отличаются от свойств чистой воды. Они имеют бо-
лее высокую плотность и вязкость. Вязкость и плотность сточных вод, содер-
жащих только взвешенные твердые частицы, равна
Цс — Во О + 2,5с0),
Рс =Р + Рл?(1-е)-
Объемная доля жидкой фазы вычисляется по соотношению
13
где цс и ц0 - динамическая вязкость сточной и чистой воды, Па-с; Cq -объемная
концентрация взвешенных частиц, кг/м3; р и ргв - плотность соответственно
чистой воды и твердых частиц, кг/м3; 8 - объемная доля жидкой фазы; Уж и
Утв ~ объем жидкой и твердой фаз в сточной воде, м3.
Основным параметром, который используют при расчете отстойников, явля-
ется Woe - скорость осаждения частиц.
Для ламинарного, переходного и турбулентного режимов скорость свобод-
ного осаждения шарообразных частиц вычисляют по формуле
Аг
RCq — I- ’
(18 + 0,6л/Лг)
где Re0 = wocdp/ ц0 - число Рейнольдса; Ar = d3p2g(pr/. - р)/ц„р - число Архиме-
да; d- диаметр частицы.
Для шарообразных частиц в формулы подставляют эквивалентный диа-
метр частиц d3 = y/vjn , где Кч - объем частицы.
При отстаивании сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое
сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением ско-
ростей как больших, так и малых частиц. Скорость стесненного осаждения
меньше скорости осаждения свободного, вследствие возникновения восходяще-
го потока жидкости и большей вязкости среды.
Скорость стесненного осаждения шарообразных частиц одинакового размера
можно рассчитать при ламинарном режиме по формуле Стокса с поправочным
коэффициентом, учитывающим влияние концентрации взвешенных частиц и рео-
логические свойства системы:
woc = d2g(pTB - р)^/18Мо, я = ец0/He-
Скорость осаждения полидисперсной системы непрерывно изменяется во вре-
мени. Вследствие агломерации частиц она может изменяться в несколько раз по
сравнению с теоретической. Способность к агломерации зависит от концентрации,
формы, размера и плотности взвешенных частиц, а также от соотношения частиц
различного диаметра и вязкости среды.
Коэффициент агломерации характеризуется отношением Ка = d<j/do, где d^ -
фиктивный диаметр частицы, эквивалентный теоретической скорости ее осаждения.
Для полидисперсных систем кинетику осажде-
ния устанавливают опытным путем. Она харак-
теризуется кривой, показанной на рис. 1.4.
При периодическом процессе осаждения
взвешенные частицы в отстойнике распределя-
ются неравномерно по высоте слоя сточных
вод. Через какой-то промежуток времени после
начала отстаивания в верхней части отстойника
появляется осветленный слой жидкости. Чем
ближе к дну отстойника, тем больше концен-
трация взвешенных частиц в сточной воде, а у
самого дна образуется слой осадка. Во времени
Рис. 1.4. Кинетика процесса
осаждения
14
высота слоя осветленной жидкости и высота слоя осадка возрастают за счет про-
межуточных слоев. Через определенный промежуток времени в отстойнике будут
находиться только слой осветленной жидкости и слой осадка. В дальнейшем, если
осадок не удалить, он будет уплотняться с уменьшением высоты.
Песколовки
Песколовки применяют для выделения минеральных частиц, размером свыше
0,2 - 0,25 мм из сточных вод. В зависимости от направления движения сточной
воды песколовки делят на горизонтальные с прямолинейным и круговым движе-
нием воды, вертикальные и аэрируемые песколовки.
Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных
вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизон-
тальные песколовки.
Горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным
или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25 -1м. Ско-
рость движения воды в них не превышает 0,3 м/с.
На рис. 1.5. представ-
лена схема горизонтальной
песколовки с прямолиней-
ным движением сточной
воды, поступающей в пес-
коловку (2) через входной
патрубок (1). Оседающие в
процессе движения воды
твердые частицы скапли-
ваются в шламосборнике
(3) и на дне песколовки, а
Рис. 1.5. Схема горизонтальной песколовки: очищенная сточная вода
1 ,4- входной и выходной патрубки; через выходной патрубок 4
2 - песколовка; 3 - шламосбоник направляется для даль-
нейшей обработки.
Глубину выбирают из условия \ / и-'() < тпр,
где тпр - время движения воды в песколовке, составляет обычно 30...100 с.
Длину песколовки определяют по формуле
L = k-h1 — ,
где w = 0,15...0,3 м/с - скорость движения воды в песколовке; к = 1,3... 1,7-
коэффициент, учитывающий влияние турбулентности и неравномерности скоро-
стей движения сточной воды в песколовке.
Ширину В песколовки определяют с учетом реализации заданного расхода сточ-
ных вод (О):
/?! W • П ’
где п - число секций в песколовке.
15
Разновидностью горизонтальных песколовок являются песколовки с круго-
вым движением воды в виде круглого резервуара конической формы с перифе-
рийным лотком для протекания сточной воды (рис. 1.6.). Горизонтальные пес-
коловки с круговым движением сточной воды предназначаются для удаления
песка из производственных сточных вод, имеющих нейтральную или слабоще-
лочную реакцию.
Рис. 1.6. Горизонтальные песколовки с круговым движением сточных вод
Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками. Подво-
дящий лоток располагается в насыпи высотой до 5 м.
Для выключения песколовок из работы на подводящих и отводящих лотках в
распределительной камере устанавливают затворы. Осадок из песколовок удаля-
ют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости к гидроэлеватору и отвод пуль-
пы осуществляются самостоятельными напорными трубопроводами через камеру
переключения, оборудованную задвижками.
Аэрируемые песколовки (рис. 1.7.) применяются для выделения содержа-
щихся в сточной воде минеральных частиц размером 13-18 мм/с. Скорость дви-
жения сточных вод составляет 0,08 - 0,12 м/с при максимальном притоке. Рас-
четная пропускная способность аэрируемой песколовки шириной 4,5 м на три от-
деления составляет 200 - 240 тыс. м3/сут сточных вод. Подвод сточной воды к
песколовкам и отвод ее осуществляются открытыми лотками. Для системы аэра-
ции используется воздух от насосно-воздуходувной станции.
Рис. 1.7. Схема аэрируемой песколовки
1 - входная труба, 2 - воздуховод, 3 - воздухораспределители, 4 - выходная
труба, 5 - шламосборник, 6 - отверстие для удаления шлама
Н
16
Осадок смывается в бункер песколовки гидромеханической системой, вклю-
чающей продольный лоток и трубопроводы со спрысками; осадок из бункера
удаляется с помощью гидроэлеватора.
Крупные фракции осаждаются, как и в горизонтальных песколовках. Мелкие
частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью
скребковых механизмов удаляются с поверхности.
Длина аэрируемых песколовок вычисляется по формуле
L = wxH / и-'().
Время пребывания сточной воды в песколовке составляет 30...90 с,
wx = 0,1...0,2 м/с, удельный расход аэрируемого воздуха 0,00083...0,0014 м3/(м2-с).
Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них
сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.
Расчет вертикальных песколовок заключается в определении требуемой ее
глубины Н = Tnpwy в предположении wo>wy, где wy = 0,03...0,04 м/с - вертикаль-
ная составляющая скорости движения воды; время пребывания сточной воды в
песколовке для практических расчетов принимают 120 с.
Отстойники
Отстойники используют для выделения из сточных вод твердых частиц раз-
мером менее 0,25 мм. По направлению движения сточной воды в отстойниках их
делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные и комбинированные.
Горизонтальные отстойники. Они представляют собой прямоугольные ре-
зервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода
движется с одного конца отстойника к другому. Глубина отстойников (Н) равна
1,5 - 4 м, длина 8 - 12 Н, а ширина коридора 3 - 6 м. Равномерное распределение
сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальная ско-
рость движения воды в отстойнике принимают не более 0,01 м/с.
Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных
вод свыше 15000 м3/сут. Продолжительность отстаивания - 1-3 ч. Эффектив-
ность отстаивания достигает 60 %.
При расчете отстойников определяют его длину и высоту. На рис. 1.8. пред-
ставлена расчетная схема горизонтального отстойника.
Отстойник по длине разбит на три зоны: в первой зоне длиной 1\ наблюдается
неравномерное распределение скоростей по глубине потока. Длина этой зоны:
/,=,
где ho - высота движущегося слоя в начале отстойника, принимается равной
0,25 Н; к = (0,0184-0,02) wx.
Во второй зоне длиной /2 скорость потока считается постоянной. При движе-
нии в этой зоне большая часть частиц загрязнений должна осесть в иловую часть
отстойника, поэтому
/2= (Я - hj)wx (w0 - 0,5wx),
где hi - максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне.
В третьей зоне длиной /3 скорость потока увеличивается, и условия осажде-
ния частиц ухудшаются. Длина этой зоны определяется по формуле /3 = H/tga,
17
где ос - угол сужения потока жидкости в выходной части отстойника, принима-
ется равным 25-30°.
Для расчета длины отстойника L = Ц + 12 + 1з должны быть заданы: расход
сточной воды и геометрические размеры поперечного сечения отстойника.
Рис. 1.8. Расчетная схема горизонтального отстойника.
Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадрат-
ный в плане) резервуар с коническим днищем (рис. 1.9). Сточную воду подводят по
центральной трубе. После поступления внутрь отстойника вода движется снизу
вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути
трубу делают с раструбом и распределительным щитом.
Рис. 1.9. Схема вертикального отстойника:
1 - трубопровод для удаления плавающих веществ,
2 - трубопровод для удаления осадка, 3 - приемная
воронка для отвода плавающих веществ, 4 - лоток
для сбора осветленной воды, 5 - водослив,
6 - кольцевая полупогруженная перегородка
Таким образом, осажде-
ние происходит в восходя-
щем потоке, скорость кото-
рого равна 0,5-0,6 м/с. Высо-
та зоны осаждения - 4 - 5 м.
Каждая частица дви-
жется с водой вверх со
скоростью v и под действи-
ем силы тяжести вниз woc.
Поэтому различные части-
цы будут занимать различ-
ное положение в отстой-
нике. При Woc>v будут бы-
стро оседать, при woc<v
уноситься вверх.
Эффективность осаж-
дения вертикальных от-
стойников на 10 - 20 % ни-
же, чем в горизонтальных.
18
Радиальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары.
Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость на-
блюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод
свыше 20 000 м3/сут. Глубина проточной части отстойника 1,5 - 5 м, а отношение
диаметра к глубине от 6 до 30. Эффективность осаждения составляет 60 %.
Пластинчатые отстойники. Они имеют в корпусе ряд параллельно установ-
ленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а осадок сползает
вниз, в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направ-
ление движения воды и осадка совпадают; противоточные - вода и осадок движут-
ся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно
движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.
Рис. 1.10. Схема открытого
гидроциклона
Г идроциклоны
Отделение твердых примесей под действием центробежных сил осуществля-
ется в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах.
Открытые (безнапорные) гидроциклоны применяют для отделения из
сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения 0,02 м/с. Преиму-
щества открытых гидроциклонов перед напорными - большая производитель-
ность и малые потери напора, не превышающие 0,5 кПа. Эффективность очистки
сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от характеристик при-
месей (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструкци-
онных и геометрических характеристик самого гидроциклона.
На рис. 1.10. представлена схема открытого гидроциклона, состоящего из
входного патрубка (1), кольцевого водослива (2), трубы для отвода очищенной
воды (3) и шламоотводящей трубы (4). Кроме указанной схемы известны гидро-
циклоны с нижним отводом очищенной воды и циклоны с внутренней цилиндри-
ческой перегородкой.
Производительность открытого гид-
роциклона
Q =0,785 -q-D2,
где D - диаметр цилиндрической части
гидроциклона; q - удельный расход воды,
определяемый по формуле
q = 4,32 w0
для открытых гидроциклонов с внутрен-
ней цилиндрической перегородкой
q = 7,15-Wq.
При проектировании открытых гид-
роциклонов рекомендуются следующие
значения геометрических характеристик:
D = 2.. ,70м.
Высота цилиндрической части H=D; диа-
метр входного отверстия d=0,lD (при одном
отверстии), при двух входных отверстиях
d 0,0707 D; угол конической части а = 60°.
19
Напорные гидроциклоны используются для выделения из сточных вод грубо-
дисперсных примесей, в основном минерального происхождения, плотность которых
отличается от плотности жидкой среды сточных вод, в том числе: частиц песка, угля,
окалины, компонентов керамики, стекла, строительных материалов и т. д
Из напорных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппарат ко-
нической формы (рис. 1.11).
Сточную воду тангенциально
подают внутрь гидроциклона. При
вращении жидкости под действием
центробежной силы внутри гидро-
циклона образуется ряд потоков.
Жидкость, войдя в цилиндрическую
часть, приобретает вращательное
движение и движется около стенок
по винтовой спирали вниз к сливу.
Часть ее с крупными частицами уда-
ляется из гидроциклона. Другая
часть (осветленная) поворачивает и
движется вверх около оси гидроци-
клона. Кроме того, возникают ради-
альные и замкнутые циркуляцион-
ные токи. В центре образуется воз-
душный столб, давление которого
меньше атмосферного. Он оказывает
влияние на эффективность гидроци-
кл онов. Гидроциклоны изготовляют-
ся диаметром от 10 до 700 мм, высо-
та цилиндрической части примерно
равна диаметру аппарата. Угол ко-
нусности равен 10-20°.
Рис. 1.11. Схема напорного гидроциклона
Производительность напорных гидроциклонов определяют по формуле
Q = K1-D-d^2-g-AH,
где Ki - безразмерный коэффициент; О - диаметр гидроциклона, м; - диаметр
входного патрубка, м; АН - перепад давлений между сливным и входным патруб-
ками, Па.
4.3. Фильтрование
Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперс-
ных твердых примесей с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования при-
меняется также после физико-химических и биологических методов очистки, т. к.
некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость
механических загрязнений.
20
Для очистки сточных вод промышленных предприятий используют два клас-
са фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через на-
садки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы
которых изготовлены из связанных пористых материалов.
Фильтры с зернистой перегородкой представляют собой резервуар, в ниж-
ней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж ук-
ладывается слой поддерживающего материала, затем - фильтрующий материал.
Важной характеристикой пористой среды является порозность и удельная по-
верхность. Порозность зависит от структуры пористой среды и связана не только
с размером зерен, но и с их формой и укладкой:
8 + Нв=1,
где 8 - порозность, VB- объем, занимаемый телом. При 8 = 0, среда превращается
в сплошное тело, а при 8 = 1 - в максимально пористое тело (размера стенок
твердого вещества так малы, что Рв—> 0).
Удельная поверхность слоя определяется не только общей порозностью, но и
порозностью отдельных зерен, а также зависит от формы зерен:
а = б(1-е)\|//б/э,
где а - удельная объемная поверхность фильтрующего слоя, м2/м3; \|/ - коэффи-
циент формы зерен; dj - эквивалентный диаметр зерен, м.
По характеру механизма задерживания взвешенных частиц различают два вида
фильтрования: 1) фильтрование через пленку (осадок) загрязнений, образующуюся на
поверхности зерен загрузки; 2) фильтрование без образования пленки загрязнений.
В первом случае задерживаются частицы, размер которых больше пор мате-
риала, а затем образуется слой загрязнений, который является также фильтрую-
щим материалом. Такой процесс характерен для медленных фильтров, которые
работают при малых скоростях фильтрования.
Во втором случае фильтрование происходит в толще слоя загрузки, где час-
тицы загрязнений удерживаются на зернах фильтрующего материала адгезион-
ными силами. Такой процесс характерен для скоростных фильтров.
Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и скоростные, от-
крытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1-2 м, в закрытых
0,5-1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.
Медленные фильтры используют для фильтрования некоагулированных
сточных вод. Они представляют собой бетонные или кирпичные резервуары с
дренажным устройством, на котором расположен зернистый слой. Скорость
фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц: до 25 мг/л
принимают скорость фильтрования 0,2 - 0,3 м/ч; при 25 - 30 мг/л - 0,1-0,2 м/ч.
Достоинством фильтров является высокая степень очистки сточных вод. Не-
достатки: большие размеры, высокая стоимость и сложная очистка от осадка.
Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и многослой-
ные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из одного и того же
материала, у многослойных - из различных материалов. Схема скоростного
фильтра приведена на рис. 1.12.
21
Рис. 1.12. Скоростной контактный фильтр
1 - корпус, 2 - система удаления промывных вод, 3 - система подачи сточ-
ных вод, 4 - система удаления промывных вод, 5 - пористый дренаж,
6 - фильтрующий материал.
Сточная вода подается по коллектору и через отверстия в нем равномерно
распределяется по сечению фильтра. Нисходящий поток сточной воды проходит
через слои фильтрующего материала и дренаж и удаляется из фильтра. После за-
сорения фильтрующего материала проводят промывку подачей промывных вод
снизу вверх. Дренажное устройство выполняют из пористобетонных сборных
плит. На нем размещают фильтрующий материал (в 2 - 4 слоя) одного грануло-
метрического состава. Общая высота слоя загрузки равняется 1,5-2 м. Скорость
фильтрования принимается равной 12-20 м/ч.
Выбор типа фильтра для очистки сточных вод зависит от количества фильт-
рующих вод, концентрации загрязнений и степени их дисперсности, физико-
химических свойств твердой и жидкой фаз и от требуемой степени очистки.
Особенностью фильтра с подвижной загрузкой является вертикальное рас-
положение фильтрующей загрузки и горизонтальное движение фильтруемой во-
ды. Фильтрующим материалом служит кварцевый песок (1,5-3 мм) или гранит-
ный щебень (3-10 мм). Схема фильтра показана на рис. 1.13.
Сточная вода подается в коллектор, откуда через каналы и отверстия посту-
пает в фильтрующий слой. Очищенную воду отводят из фильтра через дренаж-
ную камеру. Загрязненный материал перекачивают гидроэлеватором по трубе в
промывное устройство. Расчетная скорость фильтрации 15 м/ч; расход промыв-
ной воды 1 - 2% от производительности фильтра; необходимый напор перед
фильтром 2 - 2,5 м. Эффективность очистки составляет 50 - 55%.
22
Рис. 1.13. Фильтр с подвижной загрузкой:
1 - корпус, 2 - дренажная камера, 3 - средняя камера, 4 - каналы,
5 - щелевые трубы, 6 - ввод сточной воды, 7 - классификатор,
8 - промывное устройство, 9 - труба для подачи промывной воды,
10 - отвод промывной воды, 11 - коллектор, 12,13 - трубы, 14 - кольцевой
коллектор, 15 - гидроэлеватор
Микрофильтры. Процесс микрофильтрации заключается в процеживании
сточной воды через сетки с отверстиями размером от 40 до 70 мкм. Барабанные
сетки имеют ячейки размером от 0,3><0,3 до 0,5x0,5 мм. Микрофильтры приме-
няют для очистки сточных вод от твердых и волокнистых материалов. Схема од-
ного из микрофильтров показана на рис. L14.
Рис. 1.14. Микрофильтр: 1 - вращающийся барабан, 2 - устройство для
промывки, 3 - лоток для сбора промывных вод, 4 - труба для отвода
промывных вод, 5 - камера для удаления осветленных вод
23
Сточная вода поступает внутрь барабана и через отверстия проходит в каме-
ру. Взвешенные вещества задерживаются на внутренней поверхности барабана и
при промывке с промывной водой поступают в лоток. Барабан вращается с часто-
той 6-20 мин-1. Скорость фильтрации достигает 25 - 45 м3/(м2-ч).
При концентрации взвешенных частиц 15-20 мг/л эффективность очистки
составляет 50 - 60 % в зависимости от состава и свойств сточных вод, размера
ячеек и режима работы микрофильтров.
Магнитные фильтры обеспечивают степень очистки 80 %. Такие фильтры
применяют для удаления мелких ферромагнитных частиц (0,5 - 5 мкм) из жидко-
стей. Помимо магнитных частиц фильтры улавливают абразивные частицы, песок
и другие загрязнения. Этому способствует эффект электризации немагнитных
частиц. Магнитные фильтры могут быть снабжены постоянным магнитом или
электромагнитом, их производительность до 60 м3/ч.
При прохождении сточных вод ламинарным потоком через магнитное поле
ферромагнитные частицы размером 0,5-1 мкм намагничиваются и образуют аг-
ломераты размером до 50 мкм, которые удаляются фильтрованием или осажда-
ются под действием гравитационного поля. Направление потока жидкости долж-
но совпадать с направлением магнитного поля, т. к. при этом создаются наиболее
благоприятные условия осаждения.
Магнитные сепараторы делят на три группы:
1) сепараторы, в которых отделение ферромагнитных частиц идет непосред-
ственно под действием постоянного магнита;
2) сепараторы, в которых отделителями частиц служат специальные ферро-
магнитные элементы, помещенные в силовом поле постоянного магнита;
3) фильтры-сепараторы, представляющие собой комбинацию постоянных
магнитов с различными механическими фильтрующими элементами. Наиболее
простыми сепараторами являются магнитные уловители и магнитные патроны.
Степень очистки фильтрованием зависит от напряженности магнитного поля,
скорости течения жидкости, ее вязкости, расположения силовых полей относи-
тельно направления потока жидкости.
5. Физико-химические процессы очистки сточных вод
5.1. Коагуляция
Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях
в процессе теплового движения, перемешивания или направленного переме-
шивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агре-
гаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких
(первичных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами
межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку ок-
ружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирую-
щим укрупнением частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной
среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнород-
ных - гетерокоагуляцией.
24
Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют со-
бой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоид-
ные частицы размером 0,003-0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1-10 мкм, а
также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки
сточных вод достаточно хорошо удаляются частицы размером 10 мкм и более,
мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким об-
разом, сточные воды многих производств после сооружений механической очист-
ки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки приме-
няются методы коагуляции: агрегативно устойчивая система при этом наруша-
ется, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточ-
ных вод механическими методами. Одним из видов коагуляции является флоку-
ляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии,
под действием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют ин-
тенсивно оседающие рыхлые скопления.
Методы коагуляции и флокуляция широко распространены для очистки сточ-
ных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей,
целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.
Эффективность коагуляционной очистки зависит от вида коллоидных частиц;
концентрации и степени дисперсности коллоидных частиц; наличия в сточных во-
дах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала.
В сточных водах могут содержаться твердые (глина, волокна, цемент, кри-
сталлы солей и т.п.) и жидкие (нефть и нефтепродукты, смолы и другие) загряз-
нения. Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого
числа молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном со-
стоянии, при перемешивании прочно удерживают покрывающий их слой воды.
Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсор-
бируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, которые зна-
чительно снижают свободную поверхностную энергию коллоидной частицы. Ио-
ны, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных
ионов, или так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться
также небольшое количество противоположно заряженных ионов.
Коагулирующее действие есть результат гидролиза, который происходит
вслед за растворением. Силы взаимного притяжения между коллоидными
частицами начинают преобладать над электрическими силами отталкивания
при £ - потенциале системы менее 0,03 В. При £ = 0 В, коагуляция происхо-
дит с максимальной интенсивностью, состояние коллоидной системы в этом
случае называется изоэлектрическим, а величина pH называется изоэлектри-
ческой точкой системы (рис. 1.15.).
Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев происходит по сле-
дующим стадиям:
Ме3+ + НОН = Ме(ОН)2+ + IT
Ме(ОН)2+ + НОН = Ме(ОН) 2+ + Н+
Ме(ОН)2+ НОН = Ме(ОН)3 + Н*
Ме3+ + НОН = Ме(ОН)3 + 3lT
25
Рис. 1.15. Строение мицеллы:
А - адсорбционный слой; Б - диффузионный слой; 1 - ядро
В действительности процесс гидролиза значительно сложнее. Ион металла
образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-
ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный
заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными части-
цами. Одним из методов снижения потенциала коллоидной системы является
увеличение концентрации электролитов в сточной воде. Способность электро-
лита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением ва-
лентности коагулирующего иона, обладающего зарядом противоположным по
знаку заряду коллоидных частиц. Соотношение коагулирующей способности
одно-, двух- и трехвалентных ионов приблизительно 1:30:1000, т.е., чем выше
валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.
При коагуляции хлопья образуются сначала за счет взвешенных частиц и коагу-
лянта или только коагулянта. Образовавшиеся хлопья коагулянта сорбируют веще-
ства, загрязняющие сточные воды, и, осаждаясь вместе с ними, очищают воду.
Основным процессом очистки производственных сточных вод является гете-
рокоагуляция - взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частице агрега-
там и, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. При использо-
вании в качестве коагулянтов солей алюминия и железа в результате реакции
гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия,
которые сорбируют на раз витой хлопьевидной поверхности взвешенные мелко-
дисперсные частицы, коллоидные частицы при благоприятных гидродинамиче-
ских условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок:
A12(SO4)3 + 6Н2О 2А1(ОН)3 + 3H2SO4;
FeCl3 + ЗН2О Fe(OH)3 + ЗНС1;
Fe(SO4) + 2Н2О Fe(OH)2 + H2SO4;
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O -> 4Fe(OH)3.
Образующуюся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты следует
нейтрализовать известью или другими щелочами. Нейтрализация образующихся
26
при гидролизе коагулянтов кислот может также протекать за счет щелочного ре-
зерва сточной жидкости:
Н‘ I НСО ^СО2 । Н2().
В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осу-
ществлять в диапазоне оптимальных величин pH. Значения pH при оптимальных
условиях коагуляции будут следующими:
-ддяА1(ОН)3 pH = 4,57;
- для Fe(OH)2 pH = 8,5-10,5;
-ддяРе(ОН)3 рН = 4-6 и 8-10.
Для очистки производственных сточных вод применяют различные коагулян-
ты: соли алюминия, соли железа, соли магния, известь, шламовые отходы и отра-
ботанные растворы отдельных производств (например, хлорид алюминия являет-
ся отходом при производстве этилбензола, сульфат двухвалентного железа -
травление металлов, известковый шлам и другие).
Соли алюминия. Сульфат алюминия (глинозем) A12(SO4)-18Н2О (плотность
1,62 т/м3, насыпная масса на 1 м3 сточных вод равна 1,05-1,1 т, растворимость в
воде при температуре 20 °C - 362 г/л). Процесс коагуляции алюминия рекомен-
дуется проводить при значениях pH = 4,5-8. В результате применения сульфата
алюминия степень минерализации воды увеличивается. Алюминат натрия
NaAlO2, оксихлорид алюминия, полихлорид алюминия [А12(ОН)пС1бп]т(8О4)х,
где 1 < п < 5< т < 10, алюмокалиевые [А1К(8Од)2 18Н2О] и алюмоаммонийные
квасцы [А1(КНд)(8О4)2-12Н2О] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицит-
ность, чем сульфат алюминия.
Соли железа. Сульфат двухвалентного железа, или железный купорос Fe-
SO4-7H2O (плотность 3 т/м3, насыпная масса на один куб. метр сточных вод равна
1,9 т, растворимость в воде при 20 °C - 265 г/л). Применение процесса коагуля-
ции оптимально при pH > 9. Гидроксид железа - плотные, тяжелые, быстро осаж-
дающиеся хлопья, что является несомненным преимуществом его применения.
Хлорид железа ГеС1з-6Н2О, сульфат железа Ре2(8О4)з-9Н2О.
Соли магния - хлорид магния MgCl2-6H2O, сульфат магния MgSO4-7H2O. Со-
ли железа, как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия:
действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных
значений pH среды; большая плотность и гидравлическая крупность хлопьев;
возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого соста-
ва; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутст-
вием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции ка-
тионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашиваю-
щих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие кор-
розию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.
При использовании смесей А1(8О4)з и FeCls соотношениях от 1:1 до 1:2 дос-
тигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании
реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев. Кроме названных коагу-
лянтов для обработки сточных вод могут быть использованы другие реагенты -
глины, алюмосодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты,
27
смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния. Оптимальную дозу реагента уста-
навливают на основании пробного коагулирования.
Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуля-
ции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки
сточных вод и определяется экспериментально.
Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья
размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая про-
странственная структура хлопьев осадка обуславливает их высокую влажность -
до 96-99 %. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01-1,03 т/м3. Для обес-
цвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы
коагулянтов достигают 1-4 кг/м3 сточной воды. Объем осадка, получающегося в
результате коагуляции, достигает 10-20 % объема обрабатываемой сточной воды.
Недостатки метода коагуляционной очистки сточных вод (значительный
объем коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обра-
ботки и складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемой
сточной воды) не позволяют рекомендовать коагуляцию как самостоятельный
метод очистки.
Коагуляционный метод очистки сточных вод применяется в основном при
небольших расходах воды и при наличии дешевых коагулянтов.
Расширению оптимальных областей коагуляции (по pH и температуре) спо-
собствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся
хлопьев, снижающие расход коагулянтов, снижающие расход коагулянтов, повы-
шающие надежность работы и пропускную способность очистных сооружений.
При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в неионизи-
рованном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых
полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:
- неионогенные - полимеры, содержащие неионогенные группы: -ОН, >СО
(крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);
- анионные - полимеры, содержащие анионные группы: -СООН, -SO3H,
-OSO3H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия,
лигносульфонаты и др.);
- катионные - полимеры, содержащие катионовые группы: -NH2, =NH (поли-
этиленимин, сополимеры винил пиридина, BA-2, BA-102, ВА-202 и др.);
- амфотерные - полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные
группы: полиакриламид, белки и др.
Скорость и эффективность процессов флокуляции и коагуляции зависят от
состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания последова-
тельности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов составляют
обычно 0,1-10 г/м, а в среднем 0,5-1 г/м. Так применение добавок полиакрилами-
да в концентрации 1 г/м3 при коагуляции сточных вод металлургического завода
позволило увеличить удельную нагрузку на радиальные отстойники в два раза.
Процесс очистки сточных вод методом коагуляции или флокуляцией состоит
из следующих стадий: дозирование и смешивание реагентов со сточной водой;
хлопьеобразование и осаждение.
28
В реагентное хозяйство на очистных сооружениях входят склады для хранения
коагулянтов. Широко применяется так называемое мокрое (рис. 1.16) хранение
коагулянтов - в виде раствора или кускового продукта в концентрированном рас-
творе, в баках и резервуарах, располагаемых внутри или вне зданий. Емкости, рас-
полагаемые вне зданий, следует утеплять. Растворение коагулянтов в воде осуще-
ствляется в специальных растворных баках с устройствами для барботажа сжатым
воздухом интенсивностью 4-5 л/с на 1 м2 площади колосниковой решетки.
Применяются также баки с лопастными и пропеллерными мешалками для рас-
творения соответственно зернистых и кусковых материалов размером не более 20 см.
Рис. 1.16. Бак для хранения мокрого коагулянта: 1 - кусковой коагу-
лянт; 2 - подача воды; 3 - подача пара; 4 - подача сжатого воздуха;
5 - центробежный насос для перекачки раствора в растворные баки;
6 - выпуск осадка в канализацию; 7 - подача воды для смывания осадка
Из растворных баков коагулянты перекачивают в расходные баки, а оттуда до-
зируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций.
Коагулянты вводят в обрабатываемую воду обычно в виде 1-10 % растворов, а
флокулянты 0,1-1 % растворов. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной
водой в смесителях в течение 1-2 мин. Для смешения коагулянтов применяют гид-
равлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение
происходит вследствие изменения направления движения и скорости тока воды.
Применяют перегородчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также
механические с пропеллерными или лопастными мешалками. Трубопроводы или,
отводящие воду из смесителей в камеры хлопьеобразования, и осветлители с
взвешенным слоем осадка рассчитывают на скорость движения сточной воды 0,8-
1 м/с и продолжительность ее пребывания в них не более двух минут. После
смешивания сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования
хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вих-
ревые, с механическим перемешиванием.
Водоворотные камеры хлопьеобразования представляют собой цилиндр, в
верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода, имеющая скорость
29
на выходе из сопла 2-3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник
находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребы-
вания воды в камере 15-20 мин.
Перегородчатые камеры могут быть горизонтальные (рис. 1.17) и вертикаль-
ные. В горизонтальной камере сточная вода протекает по нескольким последова-
тельно соединенным коридорам. Перемешивание осуществляется за счет 8-10 по-
воротов. Коридоры устраиваются таким образом, чтобы скорость движения сточ-
ной воды в первом была 0,2-0,3 м/с, а в последнем - 0,1 м/с. Продолжительность
пребывания воды в перегородчатых камерах 20-30 мин. Высота камеры опреде-
ляется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.
План
Рис. 1.17. Горизонтальная перегородчатая камера хлопьеобразования:
1 - отводной канал сточной воды; 2 - отводной канал осадка;
3 - шиберы для отключения части коридоров; 4 - шиберы для выпуска осадка
В камерах хлопьеобразования с лопастными мешалками скорость движения
воды 0,15-0,2 м/с, а продолжительность пребывания - 20-30 мин.
Последующее осветление сточной воды производится в горизонтальных, ра-
диальных или вертикальных отстойниках.
Наиболее целесообразной является двухступенчатая схема отстаивания сточ-
ных вод. На первой ступени осуществляется простое отстаивание в отстойнике
без коагулянта. На второй ступени - обработка сточных вод коагулянтами и фло-
кулянтами с последующим отстаиванием в отстойнике.
Если в производственных сточных водах концентрация взвешенных веществ,
способных к агрегации, не превышает 4 г/л, то применяют осветлители со взвешен-
ными слоями осадка. В осветлителях происходят три основных процесса: смешение,
коагуляция и осветление сточных вод. Обрабатываемая в осветлителях сточная вода
проходит снизу вверх через слой ранее выделившегося шлака с такой скоростью, при
которой взвешенные частицы не уносятся из зоны взвешенного осадка. При движе-
нии сточной воды взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких сус-
пензированных частиц. Осветлители проектируются круглыми (диаметр до 15 м) или
прямоугольными в плане, площадь осветлителя не должна превышать 150 м2.
30
Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смеше-
ния с коагулянтами направляют в воздухоотделитель, где она освобождается от
пузырьков воздуха, выделяющихся в результате реакции. В течение одного часа
допускается колебание температуры не более чем на 1 °C, а расхода - не более чем
на 10 %. Скорость коагуляции (рис. 1.18) зависит от концентрации электролита.
dnx 4 При малых числах соударений частиц,
т.е. отношений числа столкновений окон-
чившихся слипанием скорость близка к
нулю (у = 0). По мере роста концентрации
скорость коагуляции повышается, но не
все столкновения эффективны - такую
коагуляцию называют медленной. При
'К = 1 наступает быстрая коагуляция, при
которой все столкновения частиц закан-
чиваются образованием агрегатов.
Рис. 1.18. Общая зависимость от-
носительной скорости коагуляции
от концентрации электролита
Скорость быстрой коагуляции ддя
неподвижной среды при броуновском
движении частиц по теории Смолухов-
ского равна
= к-(п0-пх)2.
Количество частиц в единице объема воды за время Т для быстрой и
медленной коагуляции определяются по формулам
Для ламинарного и турбулентного движения потока воды число взаимо-
действий частиц за единицу времени в единицу объема жидкости пл и пт вы-
числяется по формулам
6 -n2-G -((1,+ d2)3 ’
пт =5-n1-n2-R2 • д/и/ + V2,
где нх - число агрегатов частиц; к - константа коагуляции, k = 4nD, R = 8л Dr;
D - коэффициент диффузии одиночных частиц; г - радиус частиц; R - расстоя-
ния, на которые должны приблизиться частицы, чтобы произошло их объедине-
ние в агрегаты: R ~ 2г; н0 - начальная концентрация частиц; Т1/2 - время коагуля-
ции, в течение которого количество частиц в единице объема уменьшается вдвое;
4J - коэффициент эффективности столкновений частиц; пл и пт - число взаимо-
действий частиц за единицу времени в единицу объема соответственно для лами-
нарного и турбулентного движения потока воды; щ и п2 - число частиц с разме-
ром di и d2 соответственно; G - скоростной градиент: G = dv / dz; V) и V2 - сред-
неквадратичные скорости двух коагулирующих частиц.
31
В полудисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодис-
персных, т.к. крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие.
Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные
частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные.
Размер хлопьев (в пределах 0,5-3 мм) определяется соотношением между мо-
лекулярными силами, удерживающими частицы вместе, и гидродинамическими
силами отрыва, стремящимися разрушить агрегаты. Для характеристики хлопьев
пользуются (определением) понятием эквивалентного диаметра
d, = 0,136
где v - кинематическая вязкость воды; рх - плотность хлопьев; соос - скорость
свободного осаждения; К$ - коэффициент формы хлопьев.
Плотность хлопьев определяется с учетом плотностей воды рв и твердой фазы
рт и объема твердого вещества в единице объема хлопьев 8Т
Рх=Ре+^т-(Рт-Рв)-
Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся
частиц и пластичности. Агломераты частиц, неоднородных по размеру, прочнее,
чем однородных. Вследствие выделения газов из воды, а также в результате аэра-
ции и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которые сопровождаются
уменьшением плотности хлопьев и снижением скорости осаждения.
Резкие колебания скорости движения воды не допускаются. Величина восходя-
щей скорости потока в зоне осветления зависит от концентрации взвешенных ве-
ществ. Так, при обработке сточных вод сульфатом алюминия при содержании взве-
шенных веществ в одном литре до 40 мг расчетная скорость восходящего потока:
до 400 мг/л, VPac4= 0,8-1,0 мм/с;
400-1000 мг/л VPac4= 1,0-1,1 мм/с;
1000-2500 мг/л Урасч= 1,1-1,2 мм/с.
Высота слоя взвешенного осадка принимается равной 1,5-2,5 м; высота за-
щитной зоны от верха осадкоотводящих окон или труб до лотков для сбора ос-
ветленной воды 1-1,5 м; низ осадкоприемных окон или кромка осадкоотводящих
труб располагается на расстоянии 1,5-1,75 м выше перехода наклонных стенок
осветлителя в вертикальные; угол наклона к горизонту нижних частей стенок ос-
ветлителей и осадкоуплотнителей принимается не менее 45 °C.
Избыток шлама, накапливающегося в осветлителе со взвешенным слоем
осадка (рис. 1.19), перетекает под действием разности плотностей осветленной
воды и взвешенного слоя в осадкоуплотнитель - это осветлитель с естественным
отсосом шлама, либо отсасывается вследствие разностей уровней отбора воды из
рабочей камеры и уплотнителя - это осветлитель с принудительным отсосом из-
бытка шлама. Осветлители второй конструкции работают эффективнее.
Исходя из концентрации взвешенных веществ в обрабатываемой сточной воде
Сн, при известных расчетах скорости восходящего потока воды в зоне осветлителя
VPac4, эталонной концентрации взвешенных веществ во взвешенном слое Сэ (при
скорости движения воды 1 мм/с) и концентрации взвешенных веществ в осадке по-
сле его уплотнения С1ИЛ, можно определить расход воды и размеры осветлителя
(табл. 1.1). Расчетный расход сточной воды, проходящей через осветлитель
32
расч осе
\ ШЛ J _
где Qocb - расход сточных вод, выходящих из осветлителя, м3 /ч; Ск - конечная
концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м3.
Рис. 1.19. Схема осветлителя со взвешенным слоем осадка:
1 - воздухоотделитель; 2 - спускная труба; 3 - осадкоотводящие трубы;
4 - осадкоуплотнитель; 5 - трубопровод отводящего осадка;
6 - отвод осветленной воды
Таблица 1.1
Параметры для расчета осветлителя со взвешенным слоем осадка.
Сн, г/м3 ^расч, м/с Сэ, г/м3 Сщл после уплотнения, г/м3
4 ч 6 ч
100-400 2,8-3,6 1000-2000 20000 24000
400-1000 3,6-4 2000-2500 25000 27000
1000-2000 4-4,3 2500-10000 32000 34000
Площадь осветлителя F30, с вертикальным осадкоуплотнителем находим по
выражению
где F30 , Fov - площадь зоны соответственно осветления и осадкоуплотнения, м2;
кр - коэффициент распределения воды между зоной осветления и осадкоуплотнителем
к =1-V
р расч
где ср - коэффициент подсоса осветленной воды в осадкоуплотнитель; ср =1,15-1,2.
Площадь осветителя с поддонным осадкоуплотнителем
н
осн
ome — осе
V
р расч
отв
шл
33
где F0TB - площадь поперечного сечения осадкоотводящих труб, м2 ; V0TB - ско-
рость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах, равная 90-140 м/ч.
Объем зоны накопления и уплотнения осадка W3V (часть объема осадкоуплот-
нителя, которая расположена на 0,5-0,7 м и ниже нижней кромки осадкоотводя-
щих труб (или окон) должен удовлетворять условию:
W >О t (c -С ) с
где t = 3-6 ч - продолжительность уплотнения шлама.
5.1.1. Электрокоагуляция
Коагуляция вод, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, может
происходить при пропуске сточных вод через электролизер с анодом, изготовлен-
ным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока иони-
зируется и переходит в сточную воду, частицы загрязнений которой коагулируются
образовавшимися трудно растворимыми гидроксидами алюминия и железа.
Растворение в воде 1 г алюминия эквивалентно введению 6,3 г A bCSO,;) и 1 г
железа - введению 2,9 г FeCl3 и 3,6 г Fe2(SO4)3. Теоретический расход электроэнер-
гии для растворения 1 г алюминия - 12, а 1 г железа - 2,9 Втч. Плотность тока ре-
комендуется не более 10 А/м2 расстояние между электродами не более 20 мм, а
скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с. Метод электрохи-
мического коагулирования может быть применен для разработки сточных вод, со-
держащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы,
фосфаты. Компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйст-
ва, простота обслуживания является несомненным достоинством метода электро-
химической коагуляции. Однако значительные расходы электроэнергии и метал-
лов, являющиеся следствием образования окисной пленки на поверхности элек-
тродов, их механического загрязнения примесями сточных вод, а также нагревания
обрабатываемой сточной воды ограничивают область применения этого метода.
На рис. 1.20 изображена электрокоагуляционная установка по очистке сточных
вод, содержащих нефтепродукты и взвешенные вещества в концентрации соответ-
ственно 0,3-7,5 и 0,5-8 г/л. При электрокоагуляции в резервуаре через систему пло-
ских стальных электродов, установленных на расстоянии 10 мм друг от друга, про-
пускается постоянный ток плотностью 0,6 А/дм2 под напряжением 10-18 В.
При продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15-30 с
и пропускной способности 1,5-3 м3/ч на 1 м2 площади поверхности электродов
одного полюса эффективность очистки достигает 99 %. Положительные резуль-
таты этот метод дает также при обработке сточных вод гальванических цехов,
где потребляемая мощность на 1 м3 обрабатываемой сточной воды составляет
0,4-0,5 кВт за один час работы.
Электрокоагуляция применяется для отчистки сточных вод гальванических и
травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а так же цианов.
34
Рис. 1.20. Электрокоагуляционная установка:
I - подача сточной воды; II - отвод осветленной воды; III - выпуск осадка;
1 - отстойник; 2 - резервуар-электрокоагулятор; 3 - пакет плоских листо-
вых стальных электродов; 4 - выпрямитель электротока
Схема установки (рис. 1.21) предназначена для отчистки сточных вод от шес-
тивалентного хрома. Сточная вода из промывочной ванны 2 гальванического уча-
стка насосом 1 по трубопроводу 3 поступает в промывочный электролизёр 6, в ко-
тором расположены электроды 5, питающиеся напряжением 12-14 В от выпрями-
теля 4.
Рис. 1.21. Схема электрокоагуляционной очистки сточных вод:
I - насос; 2 - промывочная ванна; 3 - трубопровод; 4 - выпрямитель электриче-
ского тока; 5 - электроды; 6 - электролизер; 7 - центрифуга; 8 - отвод осадка;
9 - вентиль; 10 - слив очищенной воды; 11 - трубопровод для подачи воды при
повторном использовании
35
При пропускании электрического тока с плотностью 50-100 А/м2 через
сточную воду, движущуюся по длине электролизёра 6 в течение 10-15 мин, про-
исходит анодное растворение стальных электродов, и образующиеся при этом
ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром до трехва-
лентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и трехвалентного
хрома с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)2, l e(()11)3, Сг(ОН)3.
Сточная вода со взвешенными в ней гидроксидами поступает из электролизёра 6
в центрифугу 7, в которой происходят - отделение гидроксидов железа и хрома
и удаление их через трубопровод 8. Очищенная от хрома вода по трубопроводу
10 поступает для дальнейшей отчистки или при закрытом вентиле 9 по трубо-
проводу 11 поступает для повторного использования в промывочных ваннах.
5.2. Флотация
Флотация - это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого ма-
териала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости,
обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев,
а также поверхностными явлениями смачивания.
Флотацию применяют для удаления из сточных вод диспергированных при-
месей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.
Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ (поверх-
ностно-активные вещества), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материа-
лы методом флотации заключается в образовании комплексов "пузырек-частица",
всплывание этих комплексов и удаление образовавшегося пенного слоя с поверх-
ности обрабатываемой жидкости. Уплотнение и разрушение пенного слоя может
быть интенсифицировано нагреванием или с помощью специальных приспособ-
лений брызгалок. Прилипание частицы, находящиеся в ней, к поверхности газо-
вого пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или пло-
хое смачивание частицы жидкостью. Образование комплекса "пузырек-частица"
зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимо-
действия веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п. В тех слу-
чаях, когда флотацию применяют для удаления растворенных веществ, например
ПАВ, процесс называется пенной сепарацией или пенным концентрированнием.
Возможность образования флотационного комплекса "пузырек-частица", ско-
рость процесса и прочность связи, продолжительность существования комплекса
зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их
поверхностью и способности частиц смачиваться водой. При закреплении пу-
зырька образуется трехфазный периметр - линия, ограничивающий площадь
прилипания пузырька и являющийся границей трех фаз: твердой, жидкой и газо-
образной. Касательная к поверхности пузырька (рис. 1.22) в точке трехфазного
периметра и поверхность твердого тела образуют обращенный в жидкость угол
6, называемый краевым углом смачивания.
36
Смачивающая способность жидкости за-
висит от ее полярности, с возрастанием ко-
торой способность жидкости смачивать
твердые тела слабеет. Внешним проявлени-
ем способности жидкости к смачиванию яв-
ляется величина ее поверхностного натяже-
ния на границе с газовой средой, а также
разность полярностей на границе жидкой и
твердой фаз. Процесс флотации идет эффек-
тивно при поверхностном натяжении воды
не более 60-65 мН/м. Степень смачиваемо-
сти водой твердых или газовых частиц,
взвешенных в воде, характеризуется вели- Рис. 1.22. Схема образования ком-
чиной краевого угла смачивания 6. Чем плекса "пузырек-частица"
больше угол 6, тем более гидрофобна по-
верхность частицы, таким образом, увели-
чиваются вероятность прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхно-
сти воздушных пузырьков. Такие частицы обладают малой смачиваемостью и
легко флотируются. Большое значение при флотации имеют размер, количество и
равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптималь-
ные размеры воздушных пузырьков 15-30 мкм, а максимальные 100-200 мкм.
Таким образом, процесс флотации заключается в следующем - при сближении
в воде поднимающегося пузырька воздуха с твёрдой гидрофобной частицей разде-
ляющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и
происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс "пузырек-частица"
поднимается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный
слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.
Прилипание происходит при столкновении пузырька с частицей или при об-
разовании пузырька из раствора на поверхности частицы. На величину смачивае-
мости поверхности взвешенных частиц влияют адсорбционные явления и при-
сутствие в воде примесей ПАВ, электролитов и др. Поверхностно-активные ве-
щества - реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, понижают их смачи-
ваемость, т.е. делают их гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей ис-
пользуют масла, жирные кислоты и их соли, меркаптаны, ксантогенаты, дитио-
карбонаты, алкил-сульфаты, амины и другие вещества. Повысить гидрофобность
частиц можно сорбцией молекул растворенных газов на их поверхность.
Энергия образования комплекса "пузырек-частица":
A=a(l Cos 0), (1.1)
где о — поверхностное натяжение воды на границе с воздухом.
Для частиц, хорошо смачиваемых водой, 6 стремится к нулю, следовательно,
Cos 6 стремится к единице, а значит, прочность прилипания минимальна. Для не-
смачиваемых частиц, наоборот, энергия образования комплекса "пузырек-
частица" будет максимальной.
Эффект разделения флотацией зависит от размера и от количества пузырьков
воздуха. При этом необходима высокая степень насыщения воды пузырьками или
37
большое содержание газа в ней. Удельный расход воздуха снижается с повыше-
нием концентрации примесей, т.к. увеличивается вероятность столкновения и
прилипания. Большое значение имеет стабилизация размеров пузырьков процессе
флотации. Для этой цели вводят различные пенообразователи, которые умень-
шают поверхностную энергию раздела фаз. К ним относят сосновое масло, кре-
зол, фенолы, алкил-сульфаты натрия.
Вес частицы не должен превышать силы прилипания ее к пузырьку и подъ-
емной силы пузырьков. Размер частиц, которые хорошо флотируются, зависит от
плотности материала и равен 0,2-1,5 мм.
В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные кон-
структивные схемы, приемы и методы флотации. Флотацию применяют для отчистки
сточных вод многих производств: нефтепереработка, целлюлозно-бумажная про-
мышленность, а также кожевенная, машиностроительная, пищевая и химическая.
Флотацию используют ддя выделения активного ила после биохимической отчистки.
Достоинствами флотации являются:
1) непрерывность процесса;
2) широкий диапазон применения;
3) небольшие капитальные и эксплутационные затраты;
4) простота аппаратуры;
5) селективность выделения примесей;
6) более высокая скорость процесса по сравнению с отстаиванием;
7) возможность получения шлама более низкой влажности (90-95 %);
8) высокая степень отчистки (95-98 %);
9) возможность рекуперации удаляемых веществ.
Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации
ПАВ и легко окисляемых веществ, бактерий и микроорганизмов. Это способству-
ет успешному проведению следующих стадий очистки.
Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связа-
ны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По
этому принципу, можно выделить следующие способы обработки производст-
венных сточных вод:
- флотация с выделением воздуха из раствора;
- флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безна-
порные и пневматические флотационные установки);
- флотация с подачей воздуха через пористые материалы;
- электрофлотация;
- биологическая и химическая флотация.
Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (ка-
мер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходят одно-
временно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирую-
щихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и от-
стойного отделений, в первом отделении происходят образование пузырьков воз-
духа и агрегатов "пузырек-частица", а во втором - всплывание шлама (пены) и
осветление жидкости.
38
5.2.1. Флотация с выделением воздуха из раствора
Применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих
очень мелкие частицы загрязнении, поскольку позволяет получать самые мел-
кие пузырьки воздуха. Сущность метода заключается в создании перенасы-
щенного раствора воздуха в сточной жидкости. Выделяющийся из такого рас-
твора воздух образует микропузырьки, которые и флотируют содержащиеся в
сточной воде загрязнения. Количество воздуха, которое должно выделиться из
перенасыщенного раствора и обеспечить необходимую эффективность флота-
ции, обычно составляет L-5 % от объема обрабатываемой сточной воды. В за-
висимости от способа создания пузырьков различают вакуумную, напорную и
эрлифтную флотацию.
Рис. 1.23. Схема вакуумной флотации:
I - подача сточной воды; II - отвод пены;
III - отвод обработанной сточной воды;
1 - аэратор; 2 - деаэратор; 3 - флотационная
камера; 4 - механизм сгребания пены
Вакуумная флотация
(рис. 1.23). Преимуществом
вакуумной флотации явля-
ется то, что образование
пузырьков газа, их слипа-
ние с частицами загрязне-
ний и всплывание образо-
вавшихся агрегатов "пузы-
рек-частица" происходят в
спокойной среде и вероят-
ность их разрушения сво-
дится к минимуму. Мини-
мальны также энергозатра-
ты на насыщение жидкости
воздухом, образование и
измельчение воздушных
пузырьков.
Недостатки метода:
- необходимость сооружения герметичных резервуаров;
- сложность эксплуатации вакуумных флотационных установок;
- ограниченный диапазон применения вакуумных флотационных установок
(концентрация загрязнений в сточной воде не должна превышать 250 мг/л).
Сточная жидкость, поступающая на флотацию предварительно насыщается
воздухом в течение 1-2 мин в аэрационной камере 1, откуда она поступает в де-
аэратор 2 для удаления нерастворившегося воздуха. Далее под действием разре-
жения (0,02-0,03 МПа) сточные воды поступают во флотационную камеру 3, в
которой растворившийся воздух при атмосферном давлении выделяется в виде
пузырьков и выносит частицы загрязнений в пенный слой. Продолжительность
пребывания сточной воды во флотационной камере 20 мин, а нагрузка на 1 м2
площади поверхности около 200 м3/сут. Скапливающаяся пена вращающимися
скребками удаляется в пеносборник. Для отвода обработанной сточной воды
обеспечивается необходимая разность отметок уровней во флотационной камере
и приемном резервуаре или устанавливаются насосы.
39
Напорная флотация (рис. 1.24). Установки напорной флотации просты и на-
дежны в эксплуатации. Этот метод имеет более широкий диапазон применения,
поскольку позволяет регулировать степень перенасыщения в соответствии с тре-
буемой эффективностью очистки сточных вод при начальной концентрации за-
грязнений до 4-5 г/л и более. Для увеличения степени очистки в сточную воду
добавляют коагулянты. Аппараты напорной флотации обеспечивают по сравне-
нию с нефтеловушками в 5-10 раз меньше остаточное содержание загрязнений и
имеют в 5-10 раз меньшие габариты. Процесс осуществляется в две стадии: на-
сыщение сточной воды воздухом под повышенным давлением и выделение рас-
творенного газа под атмосферным давлением. Напорные флотационные установ-
ки имеют производительность от 5 до 2000 м3/ч. Пребывание воды в напорной
емкости составляет 10-15 мин, а во флотационной камере - 10-20 мин.
При напорной флотации (рис. 1.24) сточные воды по трубопроводу насосом 2
подаются в напорный бак 3 (сатуратор) из приемного резервуара 1. На всасы-
вающем трубопроводе имеется патрубок для подсоса воздуха. Сатуратор или на-
порная емкость служит для равномерного растворения воздуха в сточной воде.
Объем сатуратора рассчитывают на необходимую продолжительность насыще-
ния воздухом (обычно 1-3 мин) при избыточном давлении 0,15-0,4 МПа.
I - подача сточной воды; II - подача воздуха; III - отвод пены;
IV - отвод обработанной воды
Количество растворяющегося в сатураторе воздуха должно составлять 3-5 %
объема обрабатываемой сточной воды. Насыщенная воздухом вода подается во
флотационную камеру 4, где при атмосферном давлении растворенный воздух
выделяется в виде пузырьков и флотирует взвешенные частицы. Всплывающая
масса непрерывно удаляется механизмами для сгребания пены в пеносборники.
Отвод пены осуществляется по линии III в верхней части флотатора. Осветленная
вода отводится из нижней части флотатора - линия IV. Площадь флотационной
камеры следует принимать исходя из гидравлической нагрузки 6-10 м3/ч на 1 м2
площади поверхности камеры. Продолжительность флотации составляет 20 мин.
Объем засасываемого воздуха составляет 1,5-5 % от объема очищаемой воды.
Значения параметров зависят от концентрации и свойств загрязнений. При проек-
40
тировании флотаторов для обработки сточных вод с расходом до 100 м3/ч, при-
нимаются прямоугольные флотаторы в плане камеры глубиной 1-1,5 м, с расхо-
дом более 100 м3/ч - радиальные флотаторы глубиной не менее 3 м. Глубина зон
флотации и отстаивания назначается не менее 1,5 м, а продолжительность пребы-
вания сточной воды в них соответственно 5 и 15 мин.
По схемам (рис. 1.23 и 1.24) вся сточная вода, поступающая на флотацию, на-
сыщается воздухом. Схемы с рециркуляцией (рис. 1.25, а) и с частичной подачей
воды насосом (рис. 1.25, б) рекомендуется использовать, если проводится пред-
варительная коагуляция сточной воды с целью предотвращения или уменьшения
разрушения хлопьев в насосе.
Рис. 1.25. Схемы подачи воды при напорной флотации:
а - с рециркуляцией; б - с частичной подачей воды насосом; в - с рабочей
жидкостью; I - подача воды; II - отвод очищенной воды; III - подача воздуха;
IV - дополнительная подача чистой воды; 1 - приемное отделение;
2 - флотационное отделение; 3 - насос; 4 - напорный бак
В этих схемах только часть сточной воды подается насосом и насыщается воз-
духом. Схема с рабочей жидкостью (рис. 1.25, в) используется при большой кон-
центрации загрязнений в сточной воде, когда работа флотационной установки по
схеме (рис. 1.23.) малоэффективна. В качестве рабочей жидкости используют уже
очищенную или природную воду. При этом объем рабочей жидкости превышает
объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит
из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого их всплывания. Недостат-
ком схемы является большой расход энергии на перекачку рабочей жидкости.
Сточные воды (рис. 1.26), насыщенные воздухом, поступают во флотацион-
ную камеру 3 снизу через вращающийся водораспределитель 2. Выделяющиеся
из воды пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами загрязнений. Вращаю-
щимся механизмом 4 пена сгребается в лоток и удаляется - линия IV.
Обработанная вода отводится с днища флотатора 1 и по вертикальным кана-
лам переливается в отводящий кольцевой лоток 5. Пропускная способность одно-
го радиального флотатора не должна превышать 1000 м3/ч.
Применяют цилиндрические флотаторы, имеющие разный диаметр, следова-
тельно, разную производительность. Флотаторы отличаются конструкцией ввода и
вывода сточной воды и механизма сбора пены и ее отводом.
41
Рис. 1.26. Схема радиального флотатора:
I - подача сточной воды; II - отвод обработанной сточной воды;
III - опорожнение флотатора и отвод осадка; IV - отвод пены
Применяются также многокамерные флотационные установки. В многокамер-
ной установке (рис. 1.27) загрязненная сточная вода, скапливаясь в емкости 1, на-
сосом 2 сначала подается в гидроциклон 4, где удаляется часть взвешенных час-
тиц. Затем ее направляют в первую камеру флотатора 3, где сточная вода смеши-
вается с циркуляционной водой из напорного бака 6, насыщенной воздухом, по-
ступающей через аэраторы 7.
Рис. 1.27. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией:
I - подача сточной воды; II - отвод очищенной воды; 1 - емкость;
2 - насос; 3 - флотатор; 4 - гидроциклон; 5 - пеносъемник; 6 - напорный бак;
7 - аэраторы; 8 - насос
42
В первой камере флотатора выделяются пузырьки воздуха, которые и флоти-
руют загрязнения. После этого сточная вода поступает во вторую камеру и в по-
следующие, в которых также происходит процесс флотации, после смешения
сточной воды с очищенной. Таким образом, происходит многоступенчатая очи-
стка сточной воды. Пройдя последнюю камеру флотатора, очищенная вода уда-
ляется из установки - линия II. Пена удаляется пеносъемниками 5. Часть очи-
щенной воды подается насосом 8 в напорный бак 6, где растворяется воздух, по-
ступающий во всасывающую магистраль насоса. В случае необходимости одно-
временного проведения процессов флотации и окисления загрязнений сточную
воду насыщают воздухом, обогащенным кислородом или озоном. Для устранения
процесса окисления вместо воздуха на флотацию следует подавать инертные га-
зы. Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефте-
продуктов, жиров масел, ПАВ, волокнистых веществ и других.
Эрлифтная флотация (рис. 1.28).
Рис. 1.28. Схема эрлифтной флотации:
I - подача сточной воды; II - подача воздуха;
III - отвод шлама; IV - отвод очищенной воды
Эрлифтные установки применяют для очистки сточных вод в химической
промышленности.
Простота устройства и снижение затрат энергии при эрлифтной флотации на
проведение процесса в 2-4 раза, по сравнению с напорной флотацией являются
достоинствами способа. Но конструкция установки требует значительного перепа-
да отметок по высоте между питательным резервуаром со сточной водой и флота-
ционной камерой, что значительно сужает область применения этого метода.
Сточная вода из емкости 1, находящейся на высоте 20-30 м, поступает в аэра-
тор - 3 по трубопроводу 2. Туда же подаётся сжатый воздух - линия II который
растворяется в воде под повышенным давлением. Поднимаясь по эрлифтному
трубопроводу 4, жидкость обогащается пузырьками воздуха, который выделяется
во флотаторе 5.
Образующаяся пена с частичками загрязнений удаляется самотеком или скребка-
ми - линия III. Осветленную воду направляют на дальнейшую очистку - линия IV.
43
5.2.2. Флотация с механическим диспергированием воздуха
При перемещении струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое дви-
жение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные
пузырьки. Различают импеллерную, безнапорную и пневматическую флотацию.
Импеллерная флотация (рис. 1.29). Энергичное перемешивание сточной во-
ды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мел-
ких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величи-
ны. Основным элементом такой установки является импеллер - небольшая тур-
бина насосного типа, представляющая собой диск с радиальными обращенными
вверх лопатками. Сточная вода из приемного кармана 1 поступает к импеллеру
6, в который по трубке 4 засасывается воздух. Импеллер крутится на нижнем
конце вала, заключенного в трубку через которую всасывается воздух по пат-
рубку 4, т.к. при его вращении образуется зона пониженного давления им. Над
импеллером расположен статор 3 в виде диска с отверстиями для внутренней
циркуляции воды. Перемешанные импеллером вода и воздух выбрасываются
через статор. Решетки 7, расположенные вокруг статора, способствуют более
мелкому перемешиванию воздуха в воде.
Рис. 1.29. Схема двухкамерной импеллерной флотационной установки:
I - подача сточной воды; II - отвод очищенной воды
44
Отстаивание пузырьков воздуха происходит над решеткой. Пена, содер-
жащая флотируемые частицы, удаляется лопастым пеноснимателем. Обычно
флотационная установка состоит из нескольких последовательно соединен-
ных камер. Диаметр импеллеров 600-700 мм. Из первой камеры вода поступа-
ет во вторую такой же конструкции, где происходит дополнительная очистка
сточной воды.
Степень диспергирования воздуха и эффективность очистки зависят от
скорости вращения импеллера. Чем выше скорость импеллера, тем меньше
пузырьки и тем выше эффективность процесса. Однако при высоких скоро-
стях резко возрастает турбулентность потока и может происходить разруше-
ние хлопьевидных частиц, что приведет, наоборот, к снижению эффективно-
сти процесса очистки. Диаметр импеллера должен быть не более 750 мм. Зона
обслуживания импеллера не должна превышать размеров квадрата со сторо-
ной равной шести диаметрам импеллера. Высота флотационной камеры Н$
принимается равной 1,5-3 м, продолжительность флотации 15-20 мин. Объем
флотационной камеры находят по формуле
№ф=0,025-0-^,
где - объем, м3; Q - расход сточных вод, м3/ч.
Пропускная способность флотатора
о 36.^.Нф
~ф 0,025
Удельный расход воздуха Qvde = 40-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности.
Удельный расход воздуха Qvd в = 40-50 м3/ч на 1 м2 площади поверхности флота-
ционной камеры. Количество подаваемого импеллером воздуха
Ов= 0,000 278 Qvd.e.f, (1.2)
где f- площадь водного зеркала флотационной камеры, м2.
Необходимое число флотационных камер определяется из соотношения
п = О/Оф (1.3)
Применение импеллерных установок целесообразно при очистке сточных вод
с высокой концентрацией нерастворенных загрязнений (более 2-3 г/л) и содер-
жащих нефть, нефтепродукты и жиры.
Недостатком импеллерной флотации является относительно высокая об-
водненность пены. Особенно существенным этот недостаток становится в тех
случаях, когда основной целью флотации является извлечение растворенных
ПАВ, т.к. большой объем воды в пене заставляет создавать дополнительные
установки для ее обработки, что увеличивает стоимость очистки в целом.
Импеллерные флотационные установки широко используют при обогаще-
нии полезных ископаемых, а также применяют для очистки сточных вод с вы-
соким содержанием взвешенных частиц (при концентрации более 2 г/л).
Безнапорная флотация. Диспергирование воздуха в безнапорных уста-
новках происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом
центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсут-
ствует сатуратор, что является преимуществом безнапорной флотации. Обра-
45
зующиеся в камере безнапорной установки пузырьки имеют большую круп-
ность, а следовательно, эффект флотации мелких частиц снижается. Безна-
порные флотационные установки обычно применяют для очистки сточных
вод от жира и шерсти.
Пневматическая флотация. Пневматические флотационные установки
применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, ко-
торые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим дви-
жущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска
воздуха во флотационную камеру через сопла, которые расположены на воз-
духораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры
на расстоянии 0,25-0,3 м друг от друга. Диаметр отверстий сопел составляет
1-1,2 мм, рабочее давление перед ними 0,3-0,5 МПа, глубина флотатора при-
нимается 3-4 м. Скорость струи на выходе из сопла 100-200 м/с. Объем фло-
татора можно определить по формуле
W.=----,
ф 6П-(1-каг)
где 1ф - продолжительность флотации, равная 15-20 мин; каэр = 0,2-0,3 - коэф-
фициент аэрации; Рф - расход сточной воды, м3/мин.
Требуемый расход воздуха зависит от интенсивности аэрации, которая лежит
в пределах 15-20 м3/ч на м2 площади проходного сечения флотатора.
Необходимое число сопел находят из выражения
пс=Ов
где fc - площадь отверстия одного сопла, м2; £ - скорость выхода воздушной
струи; Ов - расход воздуха.
5.2.3. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы
К достоинствам данного метода можно отнести относительно малые расходы
энергии, т.к. отсутствуют насосы и импеллеры, и простоту конструкции флотацион-
ной камеры. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые пла-
стины, трубы, насадки, уложенные на дне камеры. Эффективность флотации зави-
сит от величины отверстий материала, расхода воздуха продолжительности флота-
ции, уровня воды во флотаторе. Диаметр отверстий должен быть 4-20 мкм, расход
воздуха в пределах 40-70 м3/ч на 1 м2 проходного сечения флотатора, давление воз-
духа 0,1-0,2 МПа, продолжительность флотации 20-30 мин, расход воздуха опреде-
ляется экспериментально. Рабочий уровень обрабатываемой сточной водой до фло-
тации 1,5-2 м. Продолжительность флотации составляет 20-30 мин. Недостатком
этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность
подбора мелкопористых материалов с одинаковыми по диаметру отверстиями,
обеспечивающих выход мелких, близких по размерам пузырьков воздуха.
При пропускании воздуха через пористые керамические пластины и колпачки
получаются пузырьки, размер которых определяется по формуле
R = 6-^P-cy, (1.4)
46
где R - радиус пузырьков; г - радиус отверстий в пористом материале; о - по-
верхностное натяжение воды.
Давление для преодоления сил поверхностного натяжения, определяется по
формуле Лапласа
ЛР = 4-су г. (1.5)
Для очистки небольших объемов сточных вод применяют флотационные ка-
меры с пористыми колпачками (рис. 1.30, а). Сточную воду подают в верхнюю
часть флотационной камеры L, а воздух поступает через пористые колпачки 2. Пе-
на переливается через кольцевой желоб 3 и удаляется из него. Осветленную воду
отводят через регулятор уровня 4. Установки могут иметь одну или несколько сту-
пеней. Для больших объемов обрабатываемой сточной воды используют фильтро-
вальные пластины (рис. 1.30, б), схема флотации аналогична предыдущей.
Рис. 1.30. Схемы флотации при помощи пористых материалов:
а - с пористыми колпачками; б - с пористыми пластинами;
I - подача сточной воды; II - подвод воздуха; III - отвод очищенной воды;
1 - флотационная камера; 2 - пористые элементы; 3 - устройство ддя сбора пены;
4 - регулятор уровня
5.2.4. Электрофлотация
Сущность электрофлотационного метода очистки сточных вод заключается в
переносе загрязняющих частиц из жидкости на ее поверхность с помощью пузырь-
ков газа, образующихся при электролизе сточной воды. В процессе электролиза
сточной воды на катоде выделяется водород, на аноде - кислород. Основную роль в
процессе флотации играют пузырьки, выделяющиеся на катоде. Размер пузырьков,
отрывающихся от поверхности электрода, зависит от краевого угла смачивания,
кривизны поверхности электрода, а также его конструктивных особенностей. Заме-
на пластинчатого катода на проволочный приводит к уменьшению крупности пу-
зырьков, следовательно, к повышению эффективности работы электрофлотатора.
47
При применении растворимых электродов (обычно железных или алюминиевых)
на аноде происходит анодное растворение металла, в результате чего в воду перехо-
Рис. 1.31. Горизонтальный электрофлотатор:
1 - впускная камера; 2 - решетка-успокоитель; 3 - электродная система;
4 - механизм ддя сгребания пены; 5 - пеносборник; 6 - опорожнение электрофло-
татора и выпуск осадка; I - подача сточной воды; II - отвод обработанной сточной
воды; III - отвод пенного шлама.
дят катионы железа или алюминия, приводящие к образованию хлопьев гидроокисей.
Одновременное образование хлопьев коагулянта и пузырьков газа в стесненных ус-
ловиях межэлектродного пространства создает благоприятные условия ддя надежно-
го закрепления газовых пузырьков на хлопьях и интенсивной коагуляции загрязне-
ний, что обеспечивает эффективность флотационного процесса. Такие установки на-
зываются электрокоатуляционно-флотационными. При пропускной способности до
10-15 м3/ч установки могут быть однокамерными, а при большей пропускной способ-
ности - двухкамерными горизонтального (рис. 1.31) или вертикального типа. Расчет
установок ддя электрофлотации и электрокоагуляции сводится к определению обще-
го объема Wy установки, объемов W3 электродного отделения и камеры флотации W(j>
Wy = W3+W(p (1.6)
Объем электродного отделения (рис. 1.31) определяется из возможности раз-
мещения в нем необходимой электродной системы.
Так при расчете горизонтальной установки ширина секции В принимается в
зависимости от производительности О.
Если Q < 90 м3/ч, то В = 2 м, если Q = 90-180 м3/ч, то В = 2,5-3 м.
Число пластин электродов, размещаемых в установке
(В - 2 • а, + а7)
п = -----------
(S + a2)
48
где Qi = 100 мм - зазор между крайними пластинами и стенками камеры;
02 = 15-20 мм - зазор между пластинами; 8 = 6-10 мм - толщина пластин.
Тогда необходимая площадь пластин электродов:
fs=fa3 (Пэ I),
гдеfa3 - активная поверхность электродов, м.
Лэ = E Q i,
где Е - удельное количество электричества, А-ч, в 1 м объема камеры флотатора:
О - расчетный расход сточных вод, м3/ч; i - плотность тока на электродах, А/м2.
Величины Е и i определяются экспериментальным путем. При обработке
сточных вод нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбина-
тов, кожевенных заводов, мясокомбинатов и др. Е = 100-600 А/ч в 1 м3 объема
флотационной камеры, 150-200 А/м2, напряжение постоянного тока 5-10 В. Опре-
делив /, и назначив высоту пластин электродов h3 = I - 1,5 м находим длину пла-
стин электродов 1Э =f h3, а затем определяем длину электродной камеры
L3=l3 + 2 Oj.
Тогда объем электродной камеры, составит
W3=BH3L3,
где II, - рабочая высота электродной камеры
Нэ = hj +
Объем флотационной камеры
W3 = Qt<]},
где - продолжительность флотации определяемая экспериментально и прини-
мая обычно равной 0,3-0,75 ч.
Длину Еф и высоту Нф флотационной камеры подсчитывают исходя из ее объ-
ема Нф и ширины В.
При осуществлении процесса электрофлотации необходимо определить массу
металла электродов, переходящую в раствор, а также срок службы электродной
системы
тэ=ктЭЕ, (1.7)
где т3 - масса металла, переходящего 1 м3 раствора, г; Э - электрохимиче-
ский эквивалент, г/(А-ч) для Fe2+=l,042, Fe3+=0,695, А13+=0,396 г/(А-ч);
кт = 0,5-0,95 - коэффициент выхода по току, определяется экспериментально.
Срок службы электродной системы:
где Т - время работы электродной системы, сут; М - масса металла электродов,
которая растворяется в процессе электролиза, кг:
М = у-кэ-/э-<у-пэ,
М = Y'k3-i,
где у - плотность металла электродов, кг/м3; к3 = 0,8-9 - коэффициент использо-
вания материала электродов; Опт - суточный расход сточных вод.
Протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-
восстановительные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание
49
сточных вод. Использование алюминиевых и железных электродов обуславлива-
ет переход ионов алюминия и железа в раствор, что способствует коагулирова-
нию мельчайших частиц загрязнений, содержащихся в сточной воде.
5.2.5. Биологическая и химическая флотация
Применяется для уплотнения осадков сточных вод. В процессе флотации
сточных вод образуется пена, имеющая обычно пленочно-структурное строе-
ние. Такая пена содержит значительное количество воды, особенно в нижних
слоях, а устойчивость и подвижность ее изменяются в зависимости от харак-
тера флотируемых материалов. Процесс уплотнения всплывающего шлама
наиболее интенсивно идет в первые два часа, далее он замедляется, а после
четырех часов практически прекращается полностью. Были выведены общие
закономерности уплотнения пенного шлама для различных по составу сточ-
ных вод на основании анализа графиков уплотнения. Если за единицу при-
нять объем шлама в момент времени, когда все пузырьки воздуха поднялись в
пенный слой, что в проточных установках соответствует продолжительности
флотации 30 мин, то относительный объем шлама через 1; 2; 3 и 4 ч составля-
ет соответственно 0,6; 0,33; 0,24 и 0,21.
Процесс уплотнения и разрушения пенного слоя может быть интенсифицирован
нагреванием или с помощью специальных приспособлений брызгалок. В большин-
стве случаев утилизация пенного конденсата экономически нецелесообразна.
Очистка сточных вод химической флотацией основывается на свойствах
некоторых веществ при введении их в сточную воду выделять газы (О2, СО2, С1
и др.) в результате химической реакции. Пузырьки этих газов могут прилипать
к нерастворенным взвешенным частицам и выносить их в пенный слой. Такое
явление, например, наблюдается при обработке сточных вод хлорной известью
с введением коагулянтов.
Биологическая флотация применяется для уплотнения осадка из первичных
отстойников при очистке бытовых сточных вод. Для этой цели осадок подогре-
вают паром в специальной емкости до 35-55 °C и при этих условиях выдержи-
вают несколько суток. В результате деятельности микроорганизмов выделяются
пузырьки газов, которые уносят частицы осадка в пенный слой, где они уплот-
няются и обезвреживаются. Таким путем за 5-6 сут влажность осадка можно по-
низить до 80 % и тем самым упростить его дальнейшую обработку.
Ионная флотация - это процесс, который ведется следующим образом: в сточ-
ную воду вводят воздух, разбивая его на пузырьки каким-либо способом, и собира-
тель (ПАВ). Собиратель образует в воде ионы, которые имеют заряд, противопо-
ложный по знаку заряду извлекаемого иона. Ионы собирателя и загрязнений кон-
центрируются на поверхности газовых пузырьков и выносятся ими в пену. Пену
удаляют из флотационной камеры и разрушают, из нее извлекают сконцентриро-
ванные ионы удаляемого вещества. Этот процесс можно использовать для извлече-
ния из сточных вод металлов (молибден, вольфрам, ванадий, платина и др.).
50
5.3. Сорбция
Сорбция - это процесс поглощения одного вещества из окружающей среды
другим веществом, твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называет-
ся сорбентом, а поглощаемое - сорбатом. В зависимости от механизма сорбции
различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.
Поглощение вещества всей массой жидкого сорбента называется абсорбция, а
поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента - адсорбция. Сорбция, со-
провождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым ве-
ществом, называется хемосорбцией.
Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубо-
кой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий
целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других от-
раслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоя-
тельно и совместно с биологической, как метод предварительной и глубокой очи-
стки. Преимуществами этого метода являются возможность поглощения веществ
из многокомпонентных смесей и высокая степень очистки, особенно слабо кон-
центрированных сточных вод.
Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод
ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования
очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных
предприятий. Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы
растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под дей-
ствием силового поля поверхности. При этом наблюдаются два вида сил межмо-
лекулярного взаимодействия:
- молекул растворенного вещества с молекулами (или атомами) поверх-
ности сорбента;
- молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация).
Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с
какой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента.
Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее
противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сор-
бента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора.
Сорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содер-
жатся преимущественно ароматические соединения, не электролиты или слабые
электролиты, красители, непредельные соединения или гидрофобные (например,
содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании
в сточных водах только неорганических соединений, а также низких одноатом-
ных спиртов этот метод не применим.
В качестве сорбентов применяют различные искусственные и пористые при-
родные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, актив-
ные гели и др. Эффективными и наиболее универсальными сорбентами являются
активированные угли различных марок.
Минеральные сорбенты используют мало, т.к. энергия взаимодействия их с
молекулами воды велика - иногда превышает энергию адсорбции. Пористость
51
этих углей составляет 60-75 %, а удельная площадь поверхности 400-900 м2 на
единицу веса сорбента. Адсорбционные свойства активированных углей в значи-
тельной мере зависит от структуры пор, их величины, распределения по разме-
рам. В зависимости от преобладающего размера пор активированные угли делят-
ся на крупно- и мелкопористые, и смешанные. Поры по своему размеру подраз-
деляются на три вида:
- макропоры - 0,1-2 мкм;
- переходные - 0,004-0,1 мкм;
- микропоры - 0,004 мкм.
Активные угли должны слабо взаимодействовать с молекулами воды и хоро-
шо - с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми (с эф-
фективным радиусом адсорбционных пор в пределах 0,8-5,0 нм), чтобы их по-
верхность была доступна для больших и сложных органических молекул. При
малом времени контакта с водой они должны иметь высокую адсорбционную ем-
кость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регене-
рации. При соблюдении последнего условия затраты на реагенты для регенера-
ции угля будут небольшими. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться
водой, иметь определенный гранулометрический состав. В процессе очистки ис-
пользуют мелкозернистые адсорбенты с частицами размерами 0,25-0,5 мм и вы-
сокодисперсные угли с частицами размером менее 40 мкм.
Важно, чтобы угли обладали малой каталитической активностью по отноше-
нию к реакциям окисления, конденсации и др., т.к. некоторые органические ве-
щества, находящиеся в сточных водах, способны окисляться и осмоляться. Эти
процессы ускоряются катализаторами. Осмелившиеся вещества забивают поры
адсорбента, что затрудняет его низкотемпературную регенерацию. Наконец, они
должны иметь низкую стоимость, не уменьшать адсорбционную емкость после
регенерации и обеспечивать большое число циклов работы.
Сырьем для активных углей может быть практически любой углеродсодер-
жащий материал: уголь, древесина, полимеры, отходы пищевой, целлюлозно-
бумажной и других отраслей промышленности. В табл. 1.2 представлены харак-
теристики активированных углей.
Таблица 1.2
Марка Полная емкость, см3/г Емкость микропор, см3/г Основной размер зерен, мм Насыпная масса, кг
АГ-2 0,6 0,3 1-3,5 600
БАУ 1,5 0,22 1-3,5 260
АР-3 0,7 0,19 1-5,5 550
КАД - йодатный 1,0 0,23 1-5 380
КАД - молотый — 0,12 <0,04
СКТ 0,98 0,51 1-3,5
Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирую-
щих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется
52
микропористой структурой. Растворенные органические вещества, имеющие
размер частиц менее 0,001 мкм, заполняют объем микропор сорбента, полная ем-
кость которых соответствует поглощающей способности сорбента.
Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества
на единицу объема или массы сорбента.
Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при кото-
рых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента, т.е.
движется вместе с ней, а также в динамических условиях, когда частица жидко-
сти перемещается относительно сорбента.
Таким образом, сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещест-
во, находится в газообразной или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвиж-
ным сорбентом или перемешиваются с ним. Так происходит в аппаратах с пере-
мешивающими устройствами. Динамической сорбцию называют в тех случаях,
когда поглощаемое вещество находится в подвижной жидкой или газообразной
фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Так происходит в аппаратах с
псевдоожиженным слоем, фильтрах.
В соответствии с этим различают статическую и динамическую активность
сорбента. Статическая активность характеризуется количеством поглощенного
вещества на единицу массы сорбента к моменту достижения равновесия в опреде-
ленных условиях (постоянных температуре жидкости и начальной концентрации
вещества). Динамическая активность сорбента характеризуется временем от нача-
ла пропускания сорбата до его проскока, т.е. до появления за слоем сорбента, или
максимальным количеством вещества, поглощенного единицей объема или массы
сорбента до момента появления сорбируемого вещества через слой сорбента. Ди-
намическая активность в промышленных адсорберах составляет 45-90 %. На прак-
тике сорбционные процессы осуществляют, как правило, в динамических услови-
ях, т.к. это обеспечивает непрерывность технологического процесса и возможность
его автоматизации. Между количеством вещества, адсорбированного сорбентом и
оставшегося в растворе, в разбавленных растворах наступает равновесие, подчи-
няющееся закону распределения.
Сорбция - процесс обратимый, т.е. адсорбированное вещество (сорбат) может
переходить с сорбента обратно в раствор. При прочих равных условиях скорости
протекания прямого (сорбция) и обратного (десорбция) процессов пропорцио-
нальны концентрации вещества в растворе и поверхности сорбента. Поэтому в
начальный период процесса сорбции, т. е. при максимальной концентрации ве-
щества в растворе, скорость сорбции также максимальна. По мере повышения
концентрации растворенного вещества на поверхности сорбента увеличивается
число сорбированных молекул, переходящих обратно в раствор. С момента, когда
количество сорбируемых из раствора (в единицу времени) молекул становится
равным количеству молекул, переходящих с поверхности сорбента в раствор,
концентрация раствора становится постоянной. Эта концентрация называется
равновесной. Если после достижения адсорбционного равновесия несколько по-
высить концентрацию обрабатываемого раствора, то сорбент сможет извлечь из
него еще некоторое количество растворенного вещества. Но нарушаемое таким
образом равновесие будет восстанавливаться лишь до полного использования
53
сорбционной способности (емкости) сорбента, после чего повышение концентра-
ции вещества в растворе не изменяет количества сорбируемого вещества.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента явля-
ется изотерма сорбции (рис. 1.32), которая описывается уравнением Фрейндлиха
и Ленгмюра. Уравнение после преобразования эмпирических коэффициентов и
допущений, сделанных с учетом слабо концентрированного раствора сточных
вод, имеет вид
67 кадсСравн, (1 -8)
где а - удельная адсорбция, кг/кг; к(1()с - адсорбционная константа распределения
сорбата между сорбентом и раствором, ее величина при прочих равных зависит
от температуры; Сравн - равновесная концентрация адсорбируемого из раствора
вещества на сорбенте, кг/кг.
Рис. 1.32. Изотерма сорбции: а - в статических условиях, б - в динамических
Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое и в таком
же слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещест-
ва. Для поверхностно-активных веществ эта разность больше нуля. С увеличением
концентрации раствора разность концентраций достигает предельного значения, ко-
гда весь поверхностный слой занят молекулами поверхностно-активного вещества.
Если в сточной воде присутствует несколько компонентов, то для определе-
ния возможности их совместной адсорбции для каждого вещества находят значе-
ние стандартной дифференциальной свободной энергии AF0 и определяют раз-
ность между максимальным и минимальным значением. При условии
21Гл^-^(Н<70,5кДж/моль
совместная адсорбция всех компонентов возможна. Если это условие не соблю-
дается, то очистку проводят последовательно в несколько ступеней.
Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры
растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента. В общем
случае процесс адсорбции складывается из трех стадий: переноса вещества из
54
сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешнедиффузионная область),
собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента
(внутридиффузионная область). Принято считать, что скорость адсорбции велика
и не лимитирует общую скорость процесса. Следовательно, лимитирующей ста-
дией может быть внешняя диффузия либо внутренняя. В некоторых случаях про-
цесс лимитируется обеими этими стадиями.
Во внешнедиффузионной области скорость массопереноса в основном опреде-
ляется интенсивностью турбулентности потока, которая в первую очередь зависит
от скорости жидкости. Во внутридиффузионной области интенсивность массопере-
носа зависит от вида и размеров пор адсорбента, от форм и размера его зерен, от
размера молекул адсорбирующихся веществ, от коэффициента массопроводности.
Учитывая все эти обстоятельства, определяют условия, при которых адсорбцион-
ная очистка сточных вод идет с оптимальной скоростью. Процесс целесообразно
проводить при таких гидродинамических режимах, чтобы он лимитировался во внут-
ридиффузионной области, сопротивление которой можно снизить, изменяя структуру
адсорбента, уменьшая размеры зерна. Для ориентировочных расчетов рекомендуется
принимать следующие значения скорости и диаметра зерна адсорбента: ю = 1,8 м/ч и
ds = 2,5 мм. При значениях и и da меньше указанных процесс лимитируется по
внешнедиффузионной области, при больших значениях - во внутридиффузионной.
В зависимости от области применения метода сорбционной очистки, места рас-
положения адсорберов в общем комплексе очистных сооружений, состава сточных
вод и крупности сорбента и др. назначают схему сорбционной очистки и тип адсор-
бера. Так, например, перед сооружениями биологической очистки применяют на-
сыпные фильтры с диаметром зерен сорбента 3-5 мм или адсорберы с псевдоожи-
женным слоем сорбента с диаметром зерен 0,5-1 мм. При глубокой очистке произ-
водственных сточных вод и возврате их в систему оборотного водоснабжения при-
меняют аппараты с мешалкой и намывные фильтры с крупностью зерен до 0,1 мм.
Наиболее простым является насыпной фильтр, представляющий колонну с на-
сыпным слоем сорбента, через который фильтруется сточная вода. Скорость фильт-
рования зависит от концентрации растворенных в сточных водах веществ и состав-
ляет 1-6 м/ч, крупность зерен сорбента - 1,5-5 мм. Наиболее рациональное направ-
ление фильтрования жидкости снизу вверх, т.к. в этом случае происходит равно-
мерное заполнение всего сечения колонны и относительно легко вытесняются пу-
зырьки воздуха и газов, попадающих в слой сорбента вместе со сточной водой.
В колонне слой зерен сорбента укладывают на беспровальную решетку с отвер-
стиями диаметром 5-10 мм и шагом 10-20 мм, на которые укладывают поддержи-
вающий слой мелкого щебня и крупного гравия высотой 400-500 мм, предохраняю-
щий зерна сорбента от проваливания в подрешеченное пространство и обеспечиваю-
щий равномерное распределение потока жидкости по всему сечению. Сверху слой
сорбента ддя предотвращения выноса закрывают сначала слоем гравия, затем слоем
щебня и покрывают решеткой (т.е. повторяют укладку в обратном направлении).
Фильтры с неподвижным слоем сорбента применяют при регенеративной очист-
ке сточных вод с целью утилизации выделенных относительно чистых продуктов.
Процесс десорбции осуществляется с помощью химических растворителей или пара.
55
При расчете насыпных фильтров время защитного их действия определяют
по формуле
t = k3d-H-T, (1.9)
где кзд - коэффициент защитного действия, определяемый экспериментально;
Н— высота слоя сорбента; т - потеря времени защитного действия
Т = £ Лт,
где 8 - пористость сорбента; - время, в течение которого концентрация веществ в
фильтрате изменяется от концентрации сорбата при допустимом проскоке Сдп до Сн.
Вещества, хорошо адсорбируемые из водных растворов активированными уг-
лями имеют выпуклую изотерму сорбции, а плохо адсорбируемые - вогнутую.
Величина Лт определяется по выходной кривой динамики сорбции, устанавли-
ваемой экспериментально. По выходной кривой определяется момент появления
сорбата в фильтрате Ат - время проскока, а после этого момента фиксируется
увеличение концентрации сорбата до максимального, соответствующего Сн.
Количество вещества, задерживаемого насыпным фильтром
V = (Н h) Fad (1.10)
где h - эмпирическая константа; F - площадь фильтра, м2; ад - динамическая ак-
тивность сорбента, кг/м3.
Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном пере-
мешивании адсорбента с водой, при фильтровании воды через слой адсорбента
или в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного
действия. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в ви-
де частиц 0,1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.
Обычно сорбционная установка представляет собой несколько параллельно ра-
ботающих секций, состоящих из 3-5 последовательно расположенных фильтров.
При достижении предельного насыщения головной фильтр отключается на регене-
рацию, а обрабатываемая вода подается на следующий фильтр. После регенерации
головной фильтр включается в схему очистки уже в качестве последней ступени.
Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях,
когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффек-
тивно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании
многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсор-
бента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Сн до Ск,
затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду на-
правляют на вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент.
Процесс сорбции в статических условиях осуществляется путем интенсивно-
го перемешивания обрабатываемой воды с сорбентом в течение определенного
времени и последующего отделения сорбента от воды отстаиванием или фильт-
рованием. При последовательном введении (рис. 1.33) новых порций сорбента в
очищаемую воду можно очистить ее от загрязняющих веществ до любой концен-
трации. В основе расчета таких адсорбционных аппаратов с перемешивающими
устройствами лежит уравнение материального баланса
та + ОСравн = ОСН, (1.11)
где т - количество сорбента, кг, О - количество обрабатываемых сточных вод, м3.
56
Решая это уравнение относительно ш и учитывая зависимость (1.8), можно
записать
Q-(c„-c )
т =------------
к С
cldc равн
Если процесс сорбции осуществляется по одноступенчатой схеме, то концен-
трация сорбата в сточной воде
С =—
Q + k^-m
Для расчета сорбционных установок необходимо иметь изотерму сорбции,
знать константу адсорбции и задаваться требуемой степенью очистки, иначе го-
воря, величиной сорбата в обрабатываемой сточной воде.
Рис. 1.33. Схема сорбции с последовательным введением сорбента:
1,2- подача соответственно сточной воды и сорбента; 3 - резервуары с переме-
шивающим устройством; 4 - отстойники для отделения отработанного сорбента
от сточной воды; 5 - выпуск обработанной сточной воды; 6 - выпуск отработан-
ного сорбента
Если расчет величин ведется для технологической схемы с последовательным
введением сорбента, то при двухступенчатой очистке
где С2К - концентрация сорбата после второй ступени, кг/м3; - количество вво-
димого сорбента, кг.
При числе ступеней п концентрацию сорбента после очистки определяют по
формуле
Дозу сорбента, вводимого в каждую ступень т„, подсчитывают по уравнению:
57
Каде
Общее количество сорбента т = п т„.
При проектировании сорбционных установок с противоточным введением
сорбента концентрацию вещества в обработанной сточной воде после п ступеней
находят по выражению
< kgdc-m/Q-1 с
ПК / , ! ^\П+1 И
Здесь кадс ~ 0,7 - 0,8 - коэффициент распределения.
Расход сорбента, вводимого при использовании противоточной технологиче-
ской схемы только в последнюю ступень установки, определяют по уравнению:
атп+1 -fim -у = 0, где а =
аде
н аде .
/ =
н
Число ступеней устанавливают по зависимости и = К 1, где
к = {fe[с„ т О -1) + С„К ] - lg<„}/lg(т - О)
Противоточные сорбционные установки (рис. 1.34) применяют значительно
шире благодаря более экономичному расходованию сорбента.
Рис. 1.34. Схема сорбционной установки с противоточным введением сорбента:
1 - подача сточной воды; 2 - резервуар с перемешивающим устройством; 3 - от-
стойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 4 - подача
сорбента; 5 - выпуск отработанной сточной воды; 6 - резервуар для сбора сор-
бента; 7 - насосы для перекачки сорбента; 8 - выпуск отработанного сорбента
В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточ-
ной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентра-
ции растворенных веществ и колеблется от 2-4 до 5-6 м/ч через 1 м поперечного
сечения колонны. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение.
Адсорбент применяют в виде частиц размерами 1,5-5 мм. При более мелких зер-
58
нах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь укладывают на
слой гравия, уложенного на решетке. Во избежание забивки адсорбента сточная
вода не должна содержать твердых взвешенных примесей.
В одной колонне при неподвижном слое сорбента процесс очистки ведут пе-
риодически до проскока, а затем адсорбент выгружают и регенерируют. При не-
прерывном процессе используют несколько колонн (рис. 1.35). По такой схеме
две колонны работают последовательно, а третья отключена на регенерацию. При
проскоке в средней колонне на регенерацию отключают первую.
регенерат
Рис. 1.35. Схема сорбционной установки непрерывного действия:
I - подача сточной воды; II - отвод очищенной воды; III - подача пара;
1 - усреднитель; 2 - насос; 3 - фильтр; 4 - колонна; 5 - емкость
В момент проскока в колонне появляется слой адсорбента высотой Lc, который не
работает. Этот слой называют «мертвым». Если одновременно выводить из колонны
«мертвый» слой и вводить в нее такой же слой свежего адсорбента, то колонна будет
работать непрерывно. Для подачи адсорбента имеются специальные дозаторы.
Скорость перемещения работающего слоя
u = C„-Wcp а^,
где Wcp - скорость воды в колонне; аад - динамическая емкость адсорбента.
Длина работающего слоя
L =----------,
Р S-p-ACcp
где // - количество поглощенного вещества; S - площадь поперечного сечения
слоя; Р - коэффициент массопередачи; Сср - средняя движущая сила адсорбции.
59
При небольших концентрациях загрязнений в сточной воде средняя движу-
щая сила процесса может быть вычислена как средняя логарифмическая из дви-
жущих сил на концах адсорбера.
При относительно высоком содержании в сточной воде мелкодиспергирован-
ных взвешенных частиц, заиливающих сорбентов, а также в случае, если равно-
весие устанавливается медленно, рационально применять процесс с псевдоожи-
женным слоем сорбента. Псевдоожижение слоя возникает при повышение скоро-
сти потока сточной воды, проходящей снизу вверх, до такой величины, при кото-
рой зерна увеличившегося в объеме слоя начинают интенсивно и беспорядочно
перемещаться в объеме слоя, сохраняющего постоянную для данной скорости
высоту. Важнейшими показателями работы установки с псевдоожиженным слоем
сорбента является относительная пористость
W
£ =1----
°'т jy
п.сл
где Wcop6 - объем частиц сорбента, образующих псевдоожиженный слой;
W„.CJI - объем псевдоожиженного слоя.
В цилиндрических колоннах вместо показателя «относительная пористость»
используется показатель «относительное расширение слоя», равный отношению
высот псевдоожиженного и неподвижного слоев: Hncn./HHeiLai., оптимальная вели-
чина которого равна 1,5. При этом размеры частиц активированного угля состав-
ляют 0,25-1,Омм, что отвечает скорости потока сточной воды 7-10 м/ч.
В настоящее время применяют цилиндрические одноярусные адсорберы
(рис. 1.36). Такой аппарат представляет собой колонну высотой около 4 м. Верх-
няя часть ее соединена с царгой, имеющей диаметр, в 2-2,5 раза больше диаметра
основной колонны. В зависимости от диаметра колонны коническое днище имеет
центральный угол 30°-60°. Непосредственно под коническим днищем устанавли-
вается распределительная решетка с отверстиями 5-10 мм и шагом отверстий
около 10 мм, на которую загружается активированный уголь с размером частиц
0,25-1 мм и преимущественным содержанием фракции 0,5-0,75 мм. Высота не-
подвижного слоя составляет 2,5-2,7 м.
В нижнюю часть аппарата через центральную трубу, заканчивающуюся диффу-
зором под решеткой, либо через боковой патрубок тройника, подсоединенного к ко-
нусному днищу, поступает сточная вода со скоростью, обеспечивающей относи-
тельное расширение слоя 1,5-1,6.Уголь равномерно подается в аппарат из бункера с
автоматическим дозатором. Сорбент в виде 5-20 % суспензии поступает в верхнюю
расширенную часть той же центральной трубы, по которой в колонну адсорбера по-
дается сточная вода. В трубе эта вода смешивается с углем. Образовавшаяся суспен-
зия поступает через диффузор под решетку, продавливается через ее отверстия и за-
держивается части псевдоожиженного слоя угля, который находится в колонне. Об-
работанная сточная вода отводится в кольцевой желоб верхней части царги.
Установки с псевдоожиженным слоем (периодического или непрерывного дей-
ствия) целесообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в
сточной воде. Размер частиц адсорбента при этом должен быть равным 0,5-1 мм.
Скорости потока для частиц указанных размеров находится в пределах 8-12 м/с.
60
Рис. 1.36. Цилиндрический одноярусный адсорбер:
1 - подача воды; 2 - цилиндрическая колонна; 3 - центральная труба с диффу-
зором; 4 - царга; 5 - подача сорбента; 6 - выпуск обработанной сточной воды;
7 - сгуститель сорбента; 8 - выпуск отработанного сорбента;
9 - распределительная решетка
Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация
активного угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией на-
сыщенным или перегретым водяным паром либо нагретым инертным газом. Тем-
пература перегретого пара при этом (при избыточном давлении 0,3-0,6 МПа) рав-
на 200-300°С, а инертных газов - 120-140 °C. Расход пара при отгонке легколету-
чих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, для высококипящих - в
5-L0 раз больше. После десорбции пары конденсируют, и вещество извлекают из
конденсата. Для регенерации углей может быть использована и экстракция (жид-
кофазная десорбция) органическими низкокипящими и легко перегоняющимися с
водяным паром растворителями. При регенерации органическими растворителя-
ми (метанолом, бензолом, толуолом, дихлорэтаном и др.) процесс проводят при
нагревании или без нагревания. По окончании десорбции остатки растворителей
из угля удаляют острым паром или инертным газом. Для десорбции адсорбиро-
ванных слабых органических электролитов их переводят в диссоциированную
форму. При этом ионы переходят в раствор, заключенный в порах угля, откуда их
вымывают горячей водой, раствором кислот (для удаления органических основа-
ний) или раствором щелочей (для удаления кислот).
В некоторых случаях перед регенерацией адсорбированное вещество путем
химического превращения переводят в другое вещество, которое легче извлека-
ется из адсорбента. В том случае, когда адсорбированные вещества не представ-
ляют ценности, проводят деструктивную регенерацию химическими реагентами
61
(окислением хлором, озоном или термическим путем). Термическую регенера-
цию проводят в печах различной конструкции при температуре 700-800 °C в бес-
кислородной среде. Регенерацию ведут смесью продуктов горения газа или жид-
кого топлива и водяного пара. Она связана с потерей части адсорбента (15-20 %).
Разрабатываются биологические методы регенерации углей, при которых адсор-
бированные вещества биохимически окисляются. Этот способ регенерации зна-
чительно удлиняет срок использования сорбента.
Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные веще-
ства утилизируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожа-
ются. В зависимости от вида сорбционной очистки применяются различные ме-
тоды регенерации сорбента или его уничтожения.
Для извлечения сорбированных веществ могут быть использованы:
- экстрагирование органическим растворителем;
- изменение степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе;
- отгонка адсорбированного вещества с водяным паром;
- испарение адсорбированного вещества током инертного газообразного теп-
лоносителя.
В отдельных случаях осуществляют химическое превращение сорбированных
веществ с последующей десорбцией.
Легколетучие органические вещества (бензол, нитробензол, толуол, этиловый
спирт) десорбируют воздухом, инертными газами, перегретым паром. При этом тем-
пература воздуха должна быть 120-140 °C, перегретого пара - 200-300 °C, а дымовых
или инертных газов 300-500 °C. Расход пара на отгонку легколетучих веществ из ак-
тивированного угля составляет 3-12 кг на 1 кг сорбированного вещества. В качестве
десорбентов могут быть использованы низкокипящие легко перегоняющиеся с водя-
ным паром органические растворители: бензол, бутилацетат, дихлорэтан, толуол и
другие. Процесс десорбции осуществляется при нагревании или на холоде, затем рас-
творитель отгоняется из сорбента острым водяным паром или теплоносителями.
При деструктивной очистке обычно применяют термические или окислитель-
ные методы. При применении термического метода следует учитывать потери
сорбента (потери активированного угля составляют 5-10 %). Из затрат на сорбци-
онную очистку 30-35 % составляют расходы на активированный уголь.
5.4. Экстракция
При относительно высоком содержании в производственных сточных водах
растворимых органических веществ, представляющих техническую ценность
(например, фенолы, жирные кислоты), эффективным методом очистки является
экстракция органическими растворителями - экстрагентами (табл. 1.3). Экстрак-
ционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределе-
нии загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей со-
ответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающих-
ся концентраций в двух несмешивающихся (или слабо смешивающихся) раство-
рителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффи-
циентом распределения (или экстракции)
62
кр=Сэ Сет-const, (1.12)
где Сэ, Сет - концентрация экстрагируемого вещества в эктстрагенте и сточной
воде соответственно при установившемся равновесии.
Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводит-
ся экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и эктстра-
генте. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в
экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. Сконцентрированное в эктст-
рагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экст-
рагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки.
Таблица 1.3
Экстра- гирующее вещество Экстрагент кР Экстраги- рующее ве- щество Экстрагент кР
Анилин бутилацетат 27 Салициловая кислота ацетон 126
толуол 8-19 толуол 1,7-2,5
бензол 1,7-4,5
Бензойная кислота диэтиловый 71-91 хлороформ 2,9-4,3
бутилацетат 30 п-толуодин бензол 51-60
толуол 6-12
Муравьин- ный альдегид амиловый спирт 3 Фенол бутилацетат 51
амиловый спирт 14-16
толуол 1,7-9,4
бензол 2,3-2,5
хлороформ 3,4-12,5
Пикриновая кислота толуол 1,7-8,7 Хлоруксус- ная кислота амиловый спирт 3,6
бензол 0,7-5,3
хлороформ 1,2-2,6 Пиридин толуол 1,4-9,
Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значитель-
ной концентрации органических примесей или высокой стоимости извлекаемого
вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при
концентрации их 2 г/л и более.
Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь
следующие свойства:
- хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому
веществу, т.е. высокий коэффициент распределения;
- селективность - способность экстрагировать из воды одно вещество или оп-
ределенную их группу;
- малую растворимость в воде;
- плотность, отличающуюся от плотности воды;
- температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения
экстрагируемого вещества;
- небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позво-
ляет снизить расходы пара и охлаждающей воды;
63
- возможно меньшую огне- и взрывобезопасность;
- низкую токсичность;
- низкую стоимость.
Экстрагент не должен подвергаться заметному гидролизу и взаимодейство-
вать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-
регулирующей арматуры экстракционной установки. Методы экстрагирования
органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно
подразделить (рис. 1.37) на перекрестно-точные, ступенчато-противоточные, не-
прерывно-противоточные .
Прямоток в процессах экстракции не применяется при многоступенчатой пе-
рекрестной (рис. 1.37, а) схеме сточная вода на каждой ступени контактирует со
свежим экстрагентом, что требует значительных его расходов.
Практическое применение получили методы ступенчато-противоточной
(рис. 1.37, б) и непрерывно-противоточной экстракции. При ступенчато-
противоточной экстракции каждая ступень включает перемешивающее устройст-
во для смешения фаз и отстойник для их гравитационного разделения. Могут
применяться также центробежные сепараторы, обладающие более высокой раз-
делительной способностью по сравнению с гравитационными.
а
*7 б
Рис. 1.37. а - схема многоступенчатой перекрестноточной очистки;
б - схема ступенчато-противоточной экстракции:
1 - подача сточной воды; 2, 3, 4 - экстракционные установки;
5 - подача чистой воды; 6 - выпуск обработанной сточной воды;
7 - отвод отработанного экстрагента; 8 - отстойники
Вода и экстракт движутся навстречу друг другу, причем экстракт последую-
щей ступени смешивается в смесителе с водной фазой предыдущей ступени.
64
Смеситель должен обеспечить максимальную степень диспергирования экс-
тракта в воде, исключающую, однако, возможность образования стойких эмуль-
сий, которые препятствуют разделению фаз.
Конечная концентрация экстрагируемого из раствора вещества в воде может
быть определена по формуле
Ск=С„1(1+Ь-кр')", (1.13)
где СК, Си - конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества, кг/м3;
п - число экстракций; b - удельный расход экстрагента ддя одной экстракции, м3/м3
b=W (п О).
Здесь W- общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м ; О - количе-
ство сточных вод, подвергающихся экстракции, м3; кр - коэффициент распределения.
Анализируя уравнение (1.37) можно, сделать вывод о большой эффективно-
сти многократной экстракции.
Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной или перио-
дической (при малых расходах сточных вод). При непрерывно-противоточной
экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате,
обеспечивающим диспергирование экстрагента в воде. При этом примеси сточ-
ной воды непрерывно переходят в экстрагент.
Если плоскость обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента
(уст > уэ), то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент - сни-
зу (рис. 1.38, а). При уэ > уст экстрагент вводится в верхнюю часть колонны, а об-
рабатываемая сточная вода - в нижнюю (рис. 1.38, б).
Рис. 1.38. Схема непрерывно-противоточной экстракции:
а - сверху; б - сточной воды снизу; 1 - подача экстрагента;
2 - подача сточной воды; 3 - отвод отработанного экстрагента;
4 - отвод обработанной сточной воды
Для определения концентрации экстрагируемого вещества в обработанной
сточной воде можно воспользоваться формулой
СК = (1 -ЬкР)Сн. (1.14)
65
Требуемый удельный расход экстрагента при заданных начальной и конеч-
ной концентрациях экстрагируемого вещества в сточной воде определяется из
выражения
Ь = СН Ск (крС^. (1.15)
Применение противоточных экстракционных колонн непрерывного действия
целесообразно при многоступенчатой экстракции. Эффективность метода зависит
от того, насколько легко образуются и разрушаются эмульсии в сточной воде, от
длительности полного разделения фаз и кинетики экстрагирования.
Технологическая схема очистки производственных сточных вод экстракци-
онным способом зависит от количества и состава сточных вод, свойств экстра-
гента, способов его регенерации и обычно включает следующие четыре этапа:
1. Подготовка воды перед экстракцией - для этого используются: отстойники,
флотаторы, фильтры, нейтрализаторы, охладительные устройства.
2. Улавливание паров экстрагента (собственно экстракция) - используются экс-
тракционная колонна и резервуары (сборники экстрагента). Конструкция экстрак-
ционной колонны зависит от способа контакта сточной воды и вида экстрагента.
Существуют колонны без какой-либо насадки - распылительные, инжекторные.
Часто применяются насадочные колонны, в качестве насадки используют
блочные конструкции из керамики, металла, пластичных масс, а также засыпные
элементы, выполненные из керамики, металлов (кольца Рашига, кольца Палля,
седла Берля и др.). Для повышения интенсивности и эффективности перемеши-
вания применяют тарельчатые колонны, колонны с пульсацией потоков или с
движущимися сетчатыми тарелками. Экстракционные колонны имеют значи-
тельную высоту. Для обеспечения необходимой продолжительности контакта. В
распылительной и насадочной колоннах, а также в колонне с движущимися сет-
чатыми тарелками высота, эквивалентная одной ступени экстракции, соответст-
венно равна 10; 6; 0,8 м. Выбор типа колонны определяется необходимым числом
ступеней экстракции и допустимыми затратами энергии.
3. Регенерации экстрагента из сточной воды. Отгонка экстрагента обычно
осуществляется в насадочной колонне, в которую сверху подается обработанная
сточная вода снизу - острый пар. Регенерация в зависимости от свойств экстра-
гента и его товарной способности может осуществляться отдувкой, воздухом или
другими газами, а также экстракцией.
4. Регенерации экстрагента из экстракта - теплообменник, подогреватель, од-
но и двухступенчатая регенерационная (ректификационная) колонна, охлаждаю-
щее устройство, сепараторы, сборники регенерируемого экстракта и экстраги-
руемых веществ.
Наиболее широко применяются методы экстракции для очистки сточных вод
предприятий по термической обработке твердых топлив (каменного и бурного углей,
сланцев, торф), содержащих значительное количество фенолов. Утилизация извле-
каемых из сточных вод фенолов позволяет не только покрыть расходы на их извлече-
ние, но и при начальной концентрации фенолов 3-4 г/л обеспечивает рентабельность
их очистки. Эффективность увеличения фенолов из сточных вод достигает 80-90 %.
Таким образом, экстракция - процесс перераспределения примесей сточных
вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента).
66
5.5. Ионный обмен
Гетерогенный ионный обмен, или ионообменная сорбция - процесс обмена
между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на по-
верхности твердой фазы - ионита. При адсорбции электролитов преимуществен-
но адсорбируются ионы одного знака, которые заменяются на эквивалентное ко-
личество ионов того же знака. Раствор остается при этом электронейтральным.
Он взаимодействует с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы,
содержащиеся в ней, на другие ионы, содержащиеся в растворе.
Метод ионного обмена применяется для очистки сточных вод предприятий
металлургической, химической, коксохимической, машиностроительной и др. от-
раслей промышленности. Ионный обмен используется в кожевенной, фармацев-
тической, гидролизной промышленности, а также для удаления солей из сахар-
ных сиропов молока, вин. Иониты широко используются ддя снижения жесткости
воды и её обессоливания, для выделения и разделения разнообразных органиче-
ских и неорганических ионов. С помощью ионитов улавливают ионы ценных
элементов из природных растворов и отработанных сточных вод. Применение
этого метода для очистки производственных сточных вод позволяет извлекать и
утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром,
цинк, свинец, медь, ртуть и др. металлы), ПАВ (поверхностно-активные вещест-
ва) и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых
концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах
или системах оборотного водоснабжения. Ионный обмен делает возможным
промышленное производство многих продуктов жизнедеятельности микроорга-
низмов (антибиотиков, аминокислот).
По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катиониты и аниониты,
проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Катиониты извлекают
из растворов электролитов положительные ионы, аниониты - отрицательные. Если
иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными. В качестве
ионитов могут использоваться неорганические и органические материалы, способные
к обмену ионов и практически нерастворимые в воде. Иониты подразделяются на
природные и искусственные, или синтетические. Синтетические ионообменные ма-
териалы выпускаются в виде зернистых порошков, волокон и мембран. Мелкозерни-
стые порошки имеют размер частиц 0,04-0,07 мм, крупнозернистые - 0,3-2,0 мм. По-
следние предназначены для работы в фильтрах со слоями значительной высоты 1-3 м,
а порошкообразные мелкозернистые - со слоями высотой 3-10 мм. Размер частиц ио-
нита влияет на перепад давления в фильтрах. С уменьшением размера частиц перепад
давления в слое увеличивается. Следовательно, измельчение ионитов в процессе очи-
стки нежелательно. Это приводит не только к росту сопротивления фильтра, но и к
неравномерному распределению скоростей потока сточной воды по сечению фильт-
ра. В результате столкновения зерен ионита друг с другом и о стенки аппаратуры
происходит их истирание. Механически прочными принято считать иониты, степень
истираемости которых не превышает 0,5 %.
К неорганическим природным ионитам относят цеолиты, глинистые минера-
лы, полевые шпаты, различные слюды. Катионообменные свойства обусловлены
67
содержанием алюмосиликатов типа Na2-Al2O3-nSiO2-mH2O. Ионообменными
свойствами обладает также фторопатит [Са5(РОд)]Р и сидопатит [Са5(РО4)]ОН.
К неорганическим синтетическим ионитам относят силикагели, пермутиты, труд-
но растворимые оксиды и гидроксиды некоторых металлов (например, алюми-
ния, хрома циркония). Катионообменные свойства, например, силикагеля, обу-
словлены обменом ионов водорода гидроксидных групп на катионы металла,
проявляющиеся в щелочной среде. Катионообменные свойства присущи и перму-
титам, получаемым сплавлением соединений, содержащих алюминий и кремний.
Органические природные иониты - это гуминовые кислоты почв и углей. Они
проявляют слабокислотные свойства. Для усиления кислотных свойств и обмен-
ной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума. Сульфоугли яв-
ляются дешевыми полиэлектролитами, содержащими сильно- и слабокислотные
группы. К недостаткам таких электролитов следует отнести их малую химиче-
скую стойкость и механическую прочность зерен, а также небольшую обменную
емкость, особенно в нейтральных средах. К органическим искусственным иони-
там относят ионообменные смолы с развитой поверхностью. Синтетические ио-
нообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, угле-
водородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксирован-
ными на ней ионообменными функциональными группами.
Практическое значение имеют неорганические природные, искусственные
алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов; применяются
также иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина.
Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам - ио-
нообменным смолам. Иониты получают методом сополимеризации и сополикон-
денсации с последующим сшиванием образующих цепей. В конденсационных ио-
нитах сшивание осуществляется за счет метиленовых (-СН2-) или метиновых (=СН-)
мостиков, а также азотсодержащих группировок. В полимеризационных - чаще при
помощи п-дивини л бензо ла и его изомеров. Число таких поперечных связей опреде-
ляет размер ячеек сетки и жесткость матрицы, представляющей собой пространст-
венную углеводородную сетку - трехмерный каркас. В каркас включены несущие
заряд группы атомов, называемые фиксированными ионами или анкерными. Они
являются потенциалопределяющими. Ионы противоположного знака называются
противоионами, они и являются обменными. Противоионы связаны с потенциало-
пределяющими ионами каркаса электростатическими силами, а потому способны к
обмену на другие ионы. При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в
общем виде R, а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатио-
нит запишется как RSO3H, где R - матрица, Н - противоион, SO3 - анкерный ион. К
веществам, обладающим ионообменными свойствами, принадлежат некоторые мар-
ки стекол. Структуру стекла составляет трехмерная сетка кремнекислородных (си-
ликатных) ионов. В пустотах этой трехмерной решетки находятся катионы щелоч-
ных или щелочноземельных металлов, удерживаемые электростатическими силами
и способные к обмену на другие катионы (в частности, на катионы водорода).
Срок службы синтетических катионитов больше, чем анионитов. Это объяс-
няется низкой стабильностью групп, которые в анионитах выполняют роль фик-
сированных ионов.
68
Различают следующие виды ионитов:
1. Сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы (SO3H) и фос-
форные группы [РО(ОН)2], и сильноосновные анионы, содержащие четвертичные
аммониевые основания (R3NOH).
2. Слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные (СООН) и фе-
нольные группы (СбН5ОН), диссоциирующие при pH > 7, а также слабоосновные
аниониты, содержащие первичные (- NH2) и вторичные (=NH) аминогруппы, дис-
социирующие при pH > 7.
3. Иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых
кислот или оснований.
Катиониты в качестве противоионов могут содержать ионы металлов вместо
ионов водорода, т.е. находиться в солевой форме. Точно так же и аниониты могут
находиться в солевой форме, если в качестве противоионов содержат ионы тех
или иных кислот вместо ионов гидроксида.
Реакция ионного обмена протекает следующим образом:
- при контакте с катионитом RSO3H + NaCl ++ RSO3 + НО;
- при контакте с анионитом RSO3H + NaCl RSO3 + НО.
Ионный обмен происходит в эквивалентных соотношениях и в большинстве
случаев является обратимым. Реакция ионного обмена протекает вследствие раз-
ности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде эти реак-
ции можно записать в виде
шА+bRmB «-> mRA + В (1.16)
Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установ-
ления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов:
- гидродинамического режима жидкости;
- концентрации обменивающихся ионов;
- структуры зерен ионита;
- проницаемости ионита для ионов.
Функциональную зависимость состава противоионов ионита внешнего рас-
твора при постоянных температуре и давлении называют изотермой ионного об-
мена. Графически изотерма изображается в безразмерных координатах а-а
~7 -С z С
а=—, а=—,
I П 1 I п 1
EvC EvQ
i=l i=l
где at, cit - эквивалентные доли i-го иона соответственно в фазе ионита и в рас-
творе; С,, С, - концентрации i-ro иона в ионите и растворе в условиях равновесия
системы, моль ионов на один грамм ионита; Zj: - заряд i-ro иона.
Величины Ц , и Ц, изменяются в интервале от 0 до 1, изотерма изобража-
ется в квадрате со стороной равной 1. Отношение Кр =0^/0^, называют коэф-
фициент распределения i-ro иона при ионообменной сорбции. Этот коэффи-
циент является мерой обогащения или обеднения ионита данным веществом.
Кр < 1 - ионит обеднен, Кр >1 - ионит обогащен i-ым компонентом по сравне-
нию с равновесным раствором.
69
Если в растворе содержится не один а несколько компонентов, то селектив-
ность ионита оценивается по избирательности К равной соотношению коэффици-
ентов распределения конкурирующих ионов. Например, для двух ионов А и В
где Кац > 1 - ионит селективен к одному иону А, при Кал < 1 - избирательно сорбиру-
ется ион В, при Кал = ' ионит не проявляет селективности ни к одному из ионов.
Если обменная реакция описывается в общем виде уравнением (1.16), то рав-
новесие ионообменных процессов можно выразить следующей формулой
где Кдл _ константа равновесия; С - концентрация ионов в твердой фазе; С - кон-
центрация ионов в жидкой фазе; X - безразмерная концентрация в жидкой фазе
Ха=Са Со, Хв = Св Со,
Y - безразмерная концентрация в твердой фазе:
К.| = С J и, YB=CB и,
где и - обменная емкость ионита; Со - общая "эквивалентная" концентрация ио-
нов жидкости.
Иониты, содержащие одинаковые активные группы, называются монофунк-
циональными, а иониты, которые содержат функциональные группы различной
химической природы - полифункциональными. Полифункциональные иониты
обладают смешанными сильно- и слабоосновными свойствами.
Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, так на-
зываемая обменная емкость. Максимальное количество ионов, которое поглощается
обменным путем одним граммом ионита, есть емкость поглощения, или обменная ем-
кость. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Полная
емкость ионита - количество находящихся в сточных водах грамм-эквивалентов ио-
нов, которое может поглотить 1 м3 ионита до полного насыщения. Статическая ем-
кость - это обменная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях.
Статическая обменная емкость обычно меньше полной. Динамическая обменная ем-
кость - это емкость ионита до проскока ионов в фильтрат. Динамическая емкость
меньше статической. Рабочая емкость ионита оценивается по количеству находящих-
ся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1м ионита до начала
проскока в фильтрат поглощаемых ионов. Ионообменное равновесие определяется
природой ионита, гидратацией обменивающихся ионов, их концентрацией в фазе ио-
нита и растворе. Обмен разновалентных ионов зависит также и от величины их заряда.
Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет прохо-
дить по реакциям
Ме++Н[К] Ме[К]+Н+,
Ме+ + Na[K] Ме[К] + Na+,
где Ме+ - катион, находящийся в сточной воде; [К] - сложный комплекс катионита.
Величина pH сточной воды, при которой происходит обмен ионами, зависит от
константы диссоциации ионообменных групп. Сильнокислотные катиониты по-
70
зволяют осуществлять процесс ионного обмена при любых значениях pH, а слабо-
кислотные - в щелочных и нейтральных, при pH >7. Так катиониты с карбоксиль-
ными группами обмениваются ионами при pH > 7, а с фенольными - при pH > 8.
Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощают некоторое коли-
чество воды, являясь гелями с ограниченной набухаемостью. При соприкоснове-
нии с водой, вследствие осмотических явлений, происходит их набухание; размер
пор увеличивается от 0,5-1,0 нм до 4,0 нм. Объем ионитов обычно увеличивается
в 1, 2-3 раза. Степень набухания зависит от строения ионита, природы противо-
ионов, от состава раствора. Набухание влияет на скорость и полноту обмена ио-
нов, а также на селективность ионита. Оно прекращается после того, как разность
осмотических давлений до и после обмена уравновесится упругими силами рас-
тяжения и сжатия ионита. Сильно набухающие смолы, называемые гелеобразны-
ми, имеют удельную обменную поверхность 0,1-0,2 м2/г. Макропористые иониты
обладают развитой обменной поверхностью, равной 60-80 м2/г. Синтетические
иониты набухают больше и имеют большую обменную емкость, чем природные.
На кинетику ионного обмена влияют также температура, концентрация ионов и др.
Иониты должны обладать термической и химической стойкостью. При нагревании
ионитов в воде и на воздухе возможно разрушение их зерен, отщепление активных
групп, что приводит к снижению емкости. Для каждого ионита имеется темпера-
турный предел, выше которого его нельзя использовать. В общем случае термиче-
ская устойчивость анионитов ниже, чем катионитов. Химическая стойкость оцени-
вается по изменению полной обменной емкости и изменению массы ионита.
Характерной особенностью ионного обмена является его обратимость, т.е.
возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе
регенерации ионитов.
Регенерация отработанных катионитов осуществляется 2-8 % растворами ки-
слот (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите).
Регенерационные растворы - элюаты - содержат катионы. После взрыхления и
промывки катиониты заряжаются
2Ме[К] + H2SO4 о 2Н[К] + Me2SO4,
Ме[К] + NaCl Na[K] + MeCl
Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов,
большое значение имеет селективность их поглощения, которая зависит от степени
набухания в порах и размера пор ионита. При малом размере пор большие ионы не
могут достичь внутренних активных групп. В целях повышения селективности ио-
нитов к определенным металлам в его состав вводят вещества, способные образо-
вывать с ионами этих металлов внутрикомплексные соединения - хилаты.
Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вы-
теснения. Например, для сильнокислого сульфокатионита КУ-2: Н+ < Na+ < NH4+
< Mg2+ < Zn2+ < Co2+ < Cu2+ < Cd2+ < Ni2+ < Ca2+ < Sr2+ < Pb2+ < Ba2+, ддя слабоки-
слого катионита КБ-4: Mg2+ < Са2+ < Ni2+ < Со2+ < Cu2+.
Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот
2[A]OH + H2SO4 ++ [А]2 SO4 +2Н2О,
где [А] - сложный органический комплекс анионита.
71
Для большинства анионов справедлив следующий ряд по поглощающей
способности SO42' > NO3' > СГ.
Регенерация отработанных слабоосновных анионитов достигается фильтро-
ванием через слой анионита 2-6 % водных растворов щелочей (например NaOH
ЫагСОз или NH4OH). Аниониты при этом переходят в ОН-форму
[A]2SO4 + 2NaOH ++ 2[A]OH+N2SO4.
Элюаты содержат в сконцентрированном виде все извлеченные из сточных вод
анионы. При необходимости регенерируемый анионит можно перевести в С1 -
форму, пропуская раствор NaCl. В отработанном заряжающем растворе накаплива-
ется едкий натрий.
Элюаты представляющие собой отработанные растворы кислот и щелочей,
нейтрализуют или обрабатывают с целью рекуперации ценных продуктов. Ней-
трализацию проводят смешением кислых и щелочных элюатов, а также дополни-
тельным введением кислоты или щелочи. Степень регенерации в процентах оп-
ределяют по формуле
с> =100-ие/ип (1.17)
где ив - восстановленная обменная емкость; ип - полная обменная емкость.
На степень регенерации влияют: тип ионита, состав насыщенного слоя, при-
рода концентрация и расход регенерирующего вещества, температура, время кон-
такта и расход реагентов. Процесс регенерации ионитов состоит из трех стадий:
взрыхления ионита, регенерации, отмывки ионита от продуктов регенерации и
избытка регенерирующего вещества. Объем промывных вод обычно составляет
75-100 % объема регенерационных растворов.
Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в установках,
периодического или непрерывного действия. Установка периодического действия
состоит из фильтра (или колонны) периодического действия, насоса, емкостей и
контрольно-измерительных приборов. Фильтр периодического действия пред-
ставляет собой закрытый цилиндрический резервуар с расположенным у днища
щелевым дренажным устройством, обеспечивающим равномерное отведение во-
ды по всему сечению фильтра, высота слоя загрузки ионита 1,5-2,5 м.
Фильтр может работать по параллельно-точной схеме (при подаче сточной во-
ды и регенерирующего раствора сверху) и по противоточной схеме (сточная вода
подается снизу, а регенерирующий раствор - сверху). На продолжительность
фильтроцикла большое влияние оказывает содержание взвешенных веществ по-
этому перед подачей воды в ионообменную установку следует обеспечить макси-
мальное их удаление. При фильтровании сточной воды через неподвижный слой
ионита со скоростью до 10 м/ч расчет фильтра производится на основании матери-
ального баланса. При очистке сточных вод, загрязненных взвешенными вещества-
ми, применяют ионообменные колонны с псевдоожиженным слоем ионита.
На рис. 1.39, а - в приведены схемы установок периодического действия с
одним ионообменным аппаратом. Все приведенные схемы отличаются способом
регенерации ионита. На схеме с проточной регенерацией (см. рис. 1.39, а) регене-
рирующий раствор готовят непрерывно при подаче в эжектор воды и концентри-
рованного раствора кислоты или щелочи. Подачу кислоты прекращают после
пропускания через ионит заданного объема регенерационного раствора. А подачу
72
воды продолжают для отмывки ионита от регенерационного раствора. Элюат и
промывные воды после нейтрализации можно сбрасывать в канализацию.
По схеме с оборотом части реагента (см. рис. 1.39, б) регенерирующий рас-
твор готовится в специальной емкости 3. Этим достигается сокращение расхода
регенерирующего реагента и объема регенератора, т.к.к регенерирующий раствор
готовят путем добавления к первой порции промывочной воды концентрирован-
ного реагента. В результате часть реагента находится в обороте.
По схеме с фракционированием реагента (см. рис. 1.39, в) достигается наи-
меньший расход реагентов. Регенерат разделяют на отдельные фракции и соби-
рают в емкости. Первую фракцию, более концентрированную, направляют на пе-
реработку. Промывную воду также собирают в две емкости. При следующей ре-
генерации в качестве первой фракции используют вторую фракцию от предыду-
щей регенерации, доведенную до заданной концентрации реагентом.
Рис. 1.39. Схемы ионообменных установок периодического действия:
а - с проточной регенерацией; б - с оборотом части реагента;
в - с фракционированием регенерата; г - с «плавающим» фильтром;
I - подача сточной воды; II - подача воды на регенерацию; III - промывная вода;
IV - очищенная вода; V - кислота, щелочь; VI - регенерат
Схема с плавающим фильтром (см. рис. 1.39, г) дает возможность получить
более концентрированные регенераты. Очищаемую воду последовательно про-
73
пускают через два фильтра. В начале проскока во втором фильтре подключают
отрегенерированный третий фильтр, а первый по ходу воды выводится на регене-
рацию. Регенерация отработанного фильтра может производиться по описанным
выше схемам с одним аппаратом.
Недостатки установок периодического действия: большие объемы аппаратов;
значительный расход реагента; большая единовременная загрузка ионита; сложность
автоматизации процесса - ограничивают возможность их применения на практике.
В качестве примера приведена технологическая схема ионообменной очист-
ки сточных вод производства хлоранилина от смесей анилина с хлоранилином
(рис. 1.40). Необработанная сточная вода по линии I поступает в резервуар 1, куда
дозируется из мерников 2 соляная кислота для снижения pH < 4-4,5. Подкисленная
сточная вода насосом 16 подается на фильтр 3, где отделяется от выпавших при
подкислении взвешенных веществ. Фильтрат поступает в блок последовательно
расположенных ионообменных колонн 7 с общей высотой слоя катионита КУ-2 не
менее 3 м; скорость фильтрования около 2 м3/ч на 1 м2 площади поперечного сече-
ния ионообменной колонны.
Обычно две колонны работают в режиме ионного обмена, а одна регенери-
руется. Регенерационный аммиачно-метанольный раствор насосом 15 из мерни-
ка 8 подается в регенерируемую колонну снизу вверх. Подогретая до 35-40 °C
вода для промывки отрегенерированной колонны поступает в нее через тот же
мерник 8. Из колонны отработанный регенерационный раствор выпускается в
приемник 12, откуда центробежным насосом 11 подается в ректификационную
колонну 9 для отгонки метанола и аммиака.
Кубовый осадок из этой колонны направляется в отстойник, где происходит
разделение фаз: водный слой направляется в сборник, а слой сырых аминов на
разгонку и утилизацию. Разделение фаз происходит простым отстаиванием, и эта
операция требует много времени.
После регенерации водно-метанольным раствором аммиака катионит для пе-
ревода в водородную форму промывают 8-10 % раствором соляной кислоты, по-
ступающем из емкости 4. Кислота, вытекающая из колонны, собирается в емкость
13 и насосом 14 подается в мерники 2 для регенерирования pH сточной воды. Туда
направляются промывные воды. Обработанная сточная вода имеет слабокислую
реакцию и должна перед сбором нейтрализоваться известковым раствором.
Процесс ионного обмена может быть представлен в виде нескольких стадий:
- перенос ионов А из ядра потока жидкости к внешней поверхности пограничной
жидкой пленки, окружающей зерно ионита; диффузия ионов через пограничный слой;
- переход ионов через границу раздела фаз в зерно ионита;
- диффузия ионов А внутри зерна ионита к ионообменным функциональным
группам;
- собственно химическая реакция двойного обмена ионов А и В;
- диффузия ионов В внутри зерна ионита к границе раздела фаз;
- переход ионов В через границу раздела фаз на внутреннюю поверхность
пленки жидкости;
- диффузия ионов В через пленку;
- диффузия ионов В в ядро потока жидкости.
74
Рис. 1.40 Схема ионообменной установки по очистке сточных вод хлоранилина:
I - подача сточной воды; II - подача свежей воды; III -выпуск обработанной сточной воды;
IV - выпуск продукта
Химическая реакция ионного обмена происходит быстро и не определяет
суммарную скорость процесса. А диффузия в пленке жидкости и диффузия в зер-
не ионита протекают медленно. Они и определяют скорость ионного обмена. Для
того чтобы оценить зависимость скорости реакции от концентрации вещества,
введем понятие числа био:
Bi=Pr0 (KrD), (1.18)
где Р - коэффициент массоотдачи; г0 - радиус зерна иона; Кг - константа Генри;
D - коэффициент массопроводности.
При Bj 1 (концентрация вещества в сточных водах менее 0,003 моль/л) -
скорость обмена определяется диффузией ионов через пленку жидкости - пле-
ночная кинетика). При Д / (концентрация вещества не менее 0,1 моль/л) - ско-
рость процесса определяется диффузией ионов внутри зерна - гелевая кинетика.
Если концентрация раствора находится в пределах 0,003-0,1моль/л - скорость
ионного обмена определяют оба вида диффузии. Коэффициенты диффузии раз-
личных ионов в смоле имеют порядок Ю^-Ю-9 см2/с, а в воде 10^-10-5 см2/с. Ко-
эффициент диффузии снижается при увеличении размера гидратированных ио-
нов в растворе и росте заряда обменивающихся противоионов. Для внешне диф-
фузионной области при значениях числа Рейнольдса Re3=2-30 для расчета коэф-
фициента массоотдачи может быть использована следующая формула:
Nu3= 0,725 Re3 °’47-Ргв 3, (1.19)
где Re3 = u d3, v - число Рейнольдса; Nu3 = Д d3 D - число Нуссельта; Ргв = г D-
число Прандтля.
Для определения основных параметров установки подсчитывает суммарную
оптимальную площадь сечения ионообменных колонн, по расходу сточных вод и
скорости фильтрования через псевдоожиженный слой ионита:
S - =О и ,
где иопт- скорость фильтрования на 1 м поперечного сечения колонны, м3/ч;
Q -расход сточной воды, м3/ч.
Общее количество ионов, которое должно быть задержано в ионообменной
колонне за 1 ч, зависит от их начальной Сн и конечной Ск концентраций и состав-
ляет Q-(CH - Ск). Для поглощения этого количества ионов необходимо подать оп-
ределенное количество воздушно-сухого ионита с динамической емкостью Ед
МЧ = О(С„-С^, Ед, (1.20)
где, Мч - требуемая масса воздушно-сухого ионита, т/ч.
Если продолжительность рабочего цикла ионообменных колонн между двумя
регенерациями равно t ч, то общая их загрузка
Мобщ=Мч1 (1.21)
Объем загрузки ионообменных колонн до образования псевдоожиженного слоя
= Мо6щ du, (1-22)
где dH - насыпная плотность ионита, т/м3.
76
Поскольку суммарная площадь ионообменных колонн определяется опти-
мальной скоростью фильтрования, то высота набухшего слоя ионита до псевдо-
ожижения составит:
H! = W! So6u, (1.23)
Т.к.к оптимальное отношение высоты псевдоожиженного слоя к высоте q не-
подвижного слоя Н2 Н] = 1,5, то
H2 = l,5Wi So6tll (1.24)
Если задаться диаметром ионообменной колонны DK, то число колонн
n = ^ul,(xD2J.
Далее подсчитывают объем регенерационных растворов и емкостей для них.
Непрерывный ионообмен дает возможность снизить затраты ионита, реагентов
для регенерации, промывочной воды, а также применять более компактное обо-
рудование по сравнению с периодическими ионообменниками. Колонны непре-
рывного действия могут работать как с движущимся слоем ионита (в качестве ко-
торого и обычно используются синтетические ионообменные смолы), так и ки-
пящим. Установки непрерывного действия обычно содержат несколько ионооб-
менных аппаратов с катионитом и анионитом.
Рис. 1.41. Ионообменный аппарат
непрерывного действия: I - подача
сточной воды; II - подача воды;
III - подача регенерационного
раствора; IV - выпуск обработанной
сточной воды; V - отвод после
регенерационного раствора
В аппаратах непрерывного действия
(рис. 1.41) ионит движется по замкнутому
контуру, последовательно проходя стадии
сорбции, регенерации и промывки.
Аппарат состоит из ионообменной
емкости, выполненной в виде усеченно-
го конуса 9. Внутри этого конуса нахо-
дится второй усеченный конус 7, где
происходят процессы регенерации и от-
мывки. Сточная вода подается по линии
I в колонну через трубку с коническими
насадками. Пройдя через псевдоожи-
женный слой ионита, обработанная вода
выходит из верхней части колонны (ли-
ния IV). Обработанный ионит осаждает-
ся в нижней части колонны. Во внут-
реннем полом усеченном конусе 7 ско-
рость движения потока воды уменьшает
с помощью регулятора 5, что способст-
вует вовлечению отработанного ионита
в этот конус и последующему осажде-
нию его в нижней части ионообменной
колоны. Регенерационный раствор пода-
ется в нижнюю часть внутреннего усе-
ченного конуса по линии III, а отводится
77
в верхней части (линия V). Регенерированный ионит, продолжая опускаться на-
встречу восходящему потоку воды, промывается и переходит в рабочую зону ко-
лонны. Аппарат прост в конструктивном исполнении и эффективен в работе.
Ионообменный аппарат должен удовлетворять следующим требованиям:
- иметь необходимый рабочий объем;
- обеспечивать гидродинамический режим движения взаимодействующих фаз;
- обеспечивать требуемый уровень насыщения ионита;
- обеспечивать небольшое гидравлическое сопротивление;
- минимизировать капитальные и эксплуатационные затраты
Таким образом, систематизируя сказанное выше, аппараты ионного обмена
можно классифицировать по различным признакам.
1. По организации процесса - аппараты непрерывного действия, периодиче-
ского и полунепрерывного.
2. По гидродинамическому режиму - аппараты вытеснения, аппараты смеше-
ния и аппараты промежуточного типа.
3. По состоянию слоя ионита - с неподвижным слоем, с движущимся слоем,
пульсирующим, перемешиваемым и циркулирующим.
4. По организации контакта взаимодействующих фаз - с непрерывным кон-
тактом и со ступенчатым контактом.
5. По организации взаимного направления движения фаз - прямоточные, про-
тивоточные и со смешанным током.
6. По конструкции - на колонные и емкостные.
7. По способу подвода энергии - без подвода энергии извне (с гравитацион-
ным движением твердой фазы) и с подводом энергии извне (принудительное
движение твердой фазы).
5.6. Мембранные процессы
Частицы растворенного вещества и растворителя находятся в беспорядочном
тепловом движении и равномерно распределяются по всему объему раствора. Ес-
ли поместить в емкость концентрированный раствор какого-либо вещества, а по-
верх него осторожно налить слой более разбавленного (менее концентрированно-
го) раствора, то через некоторое время молекулы растворителя и растворенного
вещества равномерно распределятся по всему объему жидкости. Самопроизволь-
ный процесс перемещения молекул вещества, приводящий к выравниванию кон-
центраций в растворе, называется диффузией. Диффузия, при которой процесс
проникновения молекул в результате беспорядочного теплового движения осу-
ществляется в обоих направлениях: из раствора с высокой концентрацией в рас-
твор со слабой концентрацией, и наоборот, из раствора со слабой концентрацией
в раствор с высокой концентрацией - называется встречной или двусторонней.
Осмосом называется односторонняя диффузия через полупроницаемую пере-
городку - мембрану. Осмотическое давление раствора - количественная характе-
ристика осмоса - равно гидростатическому давлению, при котором достигается
(наступает) равновесие при односторонней диффузии через полупроницаемую
мембрану. Полупроницаемая мембрана - это такая мембрана, через которую рас-
78
творитель может проходить, а растворенное вещество нет. Такие перегородки
существуют в природе, а также могут быть получены искусственно.
При измерениях осмотического давления различных растворов было установ-
лено, что величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и
от его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества и ни от
природы растворителя.
Закон Вант-Гофа показывает для растворов электролитов невысоких концен-
траций зависимость осмотического давления от концентрации и температуры
раствора
Р = CRT, (1.25)
где Р - осмотическое давление раствора, кПа; С - объемная мольная концентра-
ция раствора (молярность), моль/л; R = 8,314 Дж/моль - универсальная газовая
постоянная; Т- абсолютная температура раствора, К.
Молярность раствора представляет собой отношение количества растворен-
ного вещества к объему Ив литрах
С=п V.
или С = m (М- V). (1.26)
Подставляя выражение (1.26) в (1.25), получим:
PV=mRT М. (1.27)
Это уравнение позволяет по величине осмотического давления раствора оп-
ределять мольную массу, а значит, и молекулярную массу растворенного вещест-
ва, следовательно, и объем выделяемого из раствора вещества.
Если к раствору, отделенному от растворителя полупропорниональной мембра-
ной, приложить внешнее давление (рис. 1.41), равное осмотическому давлению рас-
твора, то осмос прекратится, следовательно, установится осмотическое равновесие.
Рис. 1.42. Схемы осмоса: а - прямой осмос; б - осмотическое равновесие;
в - обратный осмос; Н - осмотическое давление; р - рабочее давление;
1 - растворитель; 2 - полупроницаемая мембрана; 3 - раствор
Если же приложенное внешнее давление превысит осмотическое, то диффузия
растворителя будет преимущественно происходить из раствора в фазу растворите-
ля, т.е. в направлении, противоположном направлению переноса растворителя при
79
осмосе. Такое явление получило название обратного осмоса. Таким образом, это
непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрова-
ния под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью
или частично молекулы, или ионы растворенного вещества.
Осмос широко применяется как один из наиболее экономичных способов оп-
реснения воды. Солевой раствор (например, морская вода) отделяют полупрони-
цаемой мембраной от пресной воды и подвергают давлению, более высокому,
чем осмотическое давление раствора. В результате часть содержащейся в раство-
ре воды "вытесняется" в пресную воду, а концентрация соли в оставшемся рас-
творе повышается. Концентрированный солевой раствор периодически заменяет-
ся свежими порциями морской воды, подлежащей опреснению. Обратный осмос
также используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и
предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, кинеско-
пов, медикаментов и др.); в последние годы начинает применяться для очистки
некоторых промышленных и городских сточных вод. В процессе ультрафильтра-
ции получают концентрат, содержащий органические вещества, а в процессе об-
ратного осмоса - концентрат неорганических веществ и чистую воду.
Обратным осмосом и ультрафильтрацией называются процессы фильтрова-
ния растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышаю-
щим осмотическое давление.
Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные
вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратирован-
ные ионы), размеры которых не превышают размеров растворителя. При ультро-
фильтровании размер отдельных частиц (!,, на порядок больше. Условные грани-
цы применения этих процессов приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Процесс d4, мкм
Обратный осмос 0,0001 0,001
Ультрафильтрация 0,001-0,02
Макрофильтрация (гиперфильтрация) 0,02-10
Таким образом, от обычной фильтрации такие процессы отличаются отделе-
нием частиц меньших размеров. Давление, необходимое для проведения процесса
обратного осмоса (6-10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультра-
фильтрации (0,1-0,5 МПа).
Достоинства метода:
1. Отсутствие фазовых переходов при отделении примесей, что позволяет
вести процесс при небольшом расходе энергии.
2. Возможность поведения процессов при комнатных температурах без при-
менения или с небольшими добавками химических реагентов.
3. Простота конструкции аппаратуры.
Недостатки:
1. Возникновение явления концентрационной поляризации, которое заключа-
ется в росте концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это
80
приводит к уменьшению производительности установки, степени разделения
компонентов и срока службы мембран.
2.Проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходи-
мость применения специальных уплотнений для аппаратуры.
Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран. Они
должны обладать следующими достоинствами:
1) высокой разделяющей способностью (селективностью);
2) большой удельной производительностью (проницаемостью);
3) устойчивостью к действию среды;
4) постоянством характеристик в процессе эксплуатации;
5) достаточной механической прочностью;
6) низкой стоимостью.
Селективность процесса разделения определяют по формуле
где Со - концентрация растворенного вещества в исходной воде; С$ - концентра-
ция растворенного вещества в фильтрате.
Проницаемость определяется количеством фильтрата, получаемого в единицу
времени с единицы рабочей поверхности
иф = К,-(Др-Др0), (1.28)
где Лр - разность давлений воды до и после мембраны; Лр0 - разность осмотиче-
ских давлений; А) - коэффициент пропорциональности, зависящий от проницае-
мости мембран.
Из выражения (1.28) видно, что скорость обратного осмоса прямо пропор-
циональна эффективному давлению (разности между приложенным давлением
и осмотическим). Эффективное давление значительно превосходит осмотиче-
ское. Осмотическое давление для растворов некоторых солей с концентрацией
1000 мг/л (табл. 1.5).
Таблица 1.5
Соль NaCl Na2SO4 MgSO4 СаС12 NHCO3 MgCl2
Осмотическое давление, кПа 79 42 25 58 89 67
В процессе очистки сточных вод некоторое количество растворенного веще-
ства проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом
разделения этот проскок практически не зависит от давления и может быть опре-
делен по зависимости (К2 - константа для мембран, зависит от ее конструктивных
особенностей)
s=K!\c„-cj,\
здесь S - проскок растворенного вещества через 1 м2 мембраны, кг/сут.
Из данной формулы следует: чем выше концентрация загрязнения в исходной
сточной воде, тем выше интенсивность проникновения веществ через мембрану.
Существует несколько вариантов обратного осмоса.
81
По одному из них мембраны собирают воду, которая в поверхностном слое не
обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных мо-
лекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембран, то
под давлением через поры будет проходить только чистая вода, несмотря на то,
что размер многих ионов меньше, чем размер молекул воды. Прониканию таких
ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер
гидратных оболочек различен у разных ионов. Если толщина адсорбированного
слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мем-
брану будут проникать и растворенные вещества.
Простейшая установка обратного осмоса (рис. Е43) состоит из насоса высо-
кого давления и модуля, соединенных последовательно.
Рис. L43. Схема установки обратного осмоса: 1 - насос высокого давления;
2 - модуль обратного осмоса; 3 - мембрана; 4 - выпускной клапан
Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворен-
ные вещества задерживаются на мембране потому, что размер их молекул боль-
ше, чем размер пор мембраны (табл. L4).
В действительности в процессе обратного осмоса и ультрафильтрации имеют
место более сложные явления.
Мембранные процессы разделения растворов, осмотическое давление кото-
рых мало, называются ультрафильтрацией. Этот метод используется при отделе-
нии сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов.
Ультрафильтрация более высокопроизводительный процесс, чем обратный ос-
мос, т.к. проницаемость мембран достигается при давлении 0,2-1,0 МПа.
Очистка сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефте-
химической и других отраслей промышленности гиперфильтрационными и ультра-
фильтрационными методами имеет ряд преимуществ перед традиционными мето-
дами очистки: невысокие энергозатраты; простота; компактность установок; воз-
можность полной автоматизации; высокая эффективность очистки; возможность
повторного использования фильтрата; утилизация полученного концентрата.
Недостатком метода является необходимость проведения процесса при высо-
ком давлении в системе.
82
Производительность гиперфильтрационных и ультрафильтрационных аппа-
ратов 5-1000 м3/сут. Основным элементом такого аппарата является мембрана,
которая прочностью и низкой стоимостью. Схемы работы гиперфильтрационных
и ультрафильтрационных аппаратов в зависимости от состава сточных вод, необ-
ходимой степени очистки, а также производительности аппаратов могут быть од-
ноступенчатыми и многоступенчатыми.
Для проведения мембранных процессов применяют непористые динамические
и диффузионные мембраны, представляющие собой квазимогенные гели, и порис-
тые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов.
Наиболее распространены полимерные мембраны из ацитатцеллюлозы. Разраба-
тываются мембраны из полиэтилена, фторированного этиленпропиленового сопо-
лимера, политетрафторэтилена, пористого стекла, ацитобутирата целлюлозы и др.
Ацетатцеллюлозные мембраны, применяемые для обратного осмоса, имеют
анизотропную структуру. Активный верхний слой ее толщиной до 0,25 мкм явля-
ется слоем, в котором происходит разделение, а нижний - крупнозернистый
слой (100-200 мкм) обеспечивает механическую прочность мембран.
Ацетатцеллюлозные мембраны устойчиво работают в интервале давлений
1-8 МПа, температур 0-30 °C и pH = 3-8. Для ультрафильтрации используют
нитратцеллюлозные, а также полиэлектролитные мембраны. По структуре они
аналогичны ацетатцеллюлозным мембранам.
Процесс мембранного разделения зависит от давления, гидродинамических ус-
ловий и конструкции аппарата, природы и состава сточных вод, содержания в них
примесей, а также от температуры. Увеличение концентрации раствора приводит к
росту осмотического давления растворителя, повышению вязкости раствора и росту
концентрационной поляризации, т.е. к снижению проницаемости и селективности.
Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации
электролитов:
- < 5-10 % — для одновалентных;
- < 10-15 % -двухвалентных;
- < 15-20 % - многовалентных солей.
Для уменьшения концентрационной поляризации организуют рециркуляцию
раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя,
мешалки, вибрационные устройства и увеличивая скорость.
Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При
одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на
мембране лучше, чем органические. С повышением давления удельная произво-
дительность мембран увеличивается, т.к. растет движущая сила процесса. Однако
при высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызыва-
ет снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливают
максимальное рабочее давление.
С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что спо-
собствует росту проницаемости. При этом повышается осмотическое давление,
которое уменьшает проницаемость. Кроме того, при повышении температуры на-
чинаются усадка и стягивание пор мембраны, что тоже приводит к уменьшению
проницаемости, а также к возрастанию скорости гидролиза и сокращению срока
83
службы мембран. Ацетатцеллюлозные мембраны при температуре 50 °C разру-
шаются, поэтому необходимо при работе соблюдать рекомендуемый интервал
температур. Конструкция аппаратов для проведения мембранных процессов
должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту
сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность.
В настоящее время применяются различные типы аппаратов для мембранных
процессов, отличающиеся способом размещения и укладки мембраны:
1) с плоскокамерными фильтрующими элементами, имеющими удельную
площадь поверхности мембран 60-300 м2 на 1 м3 объема аппарата.
2) с трубчатыми фильтрующими элементами, имеющие удельную площадь
поверхности мембран 60-300 м2 на 1 м3 объема.
3) с фильтрующими элементами рулонного или спирального типа с удельной
площадью поверхности мембран до 20 000 м2 на 1 м3 объема.
4) аппараты с мембранами изготовленными из полых волокон малого диа-
метра (45-200 мкм), имеющими удельную площадь поверхности до 20 000 м2 на
1 м объема; волокна из ацетатцеллюлозы или нейлона собираются в пучки дли-
ной 2-3 м и располагаются в аппарате линейно или U-образно. Установки об-
ратного осмоса состоят из большого числа элементарных модулей, которые со-
единяются параллельно или последовательно.
При параллельном соединении (рис. 1.44, а) все модули работают в одинако-
вых условиях - при одинаковом давлении и коэффициенте выхода фильтрата.
Рис. L44. Схемы соединения модулей обратного осмоса:
а - параллельная; б - последовательная; 1 - насос; 2 - модуль осмоса;
I - подача сточной воды; II - концентрат; III - очищенная вода
Производительность таких установок низкая. Последовательное соединение
(рис. 1.44, б) модулей позволяет увеличить выход фильтрата. Раствор концен-
84
трата из первой ступени служит исходной водой для второй ступени. Промежу-
точного насоса не требуется, т.к.к давление на выходе первой ступени незначи-
тельно отличается от давления на входе во вторую ступень (потери напора со-
ставляют 0,2-0,3 МПа). Такая схема для двух- и трехступенчатых установок
обеспечивает коэффициент выхода фильтрата 70-90 %.
5.7. Электродиализ
Электродиализ - процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мем-
бранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый
для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Процесс очистки сточ-
ных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под
действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мем-
бран. Этот процесс широко используют для опреснения соленых вод. В послед-
нее время его начали применять и для очистки промышленных сточных вод.
Процесс проводят в электродиализаторах, простейшая конструкция которых со-
стоит из трех камер, отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру за-
ливают раствор, а в боковые, где расположены электроды, - чистую воду. Анионы
током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образу-
ется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На като-
де выделяется водород и образуется щёлочь. По мере прохождения тока концентра-
ция солей в средней камере уменьшается до тех пор, пока не станет близкой к нулю.
В простейшем электродиализаторе имеются две мембраны. Одна из них -
анионообменная - пропускает в анодную зону анионы. Другая мембрана - катио-
нообменная - расположена со стороны катода и пропускает катионы в катодное
пространство. Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерны-
ми: 100-200 камер с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мембра-
нами. Электроды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах дос-
тигается наибольший выход по току. Электродиализатор (рис. 1.45) разделён че-
редующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими кон-
центрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры.
Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («-»), прони-
кают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы,
двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но
задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (напри-
мер, четных) ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер.
Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямо-
угольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и
порошка ионообменных смол (табл. 1.6).
Электродиализные аппараты бывают двух типов: прокладочные и лабиринт-
ные. Электродиализаторы прокладочного типа (ЭДУ-50, ЭХО-М-5000х200,
«Родник-3») имеют горизонтальную ось электрического поля; их пропускная
способность 2-20 м3/ч. Электродиализаторы лабиринтного типа (Э-400М, ЭДУ-2,
ЭДУ-1000, АЭ-25) имеют вертикальную ось электрического поля; их пропускная
85
2
Рис. 1.45. Схема процесса электродиализа: А - анионитовые мембраны, К - катионитовые мембраны;
1 - выход газообразного водорода; 2 - подача сточной воды; 3 - выход газообразного кислорода;
4 - выпуск обессоленной воды; 5 - выпуск концентрированного рассола
способность 1 -25 м3/ч. Оптимальная область применения электродиализаторов -
для сточных вод с концентрацией солей 3-8 г/л. Во всех конструкциях электро-
диализаторов в основном применяют электроды, изготовленные из платиниро-
ванного титана. Для эффективной работы аппаратов большое значение имеет
промывка электродных камер, что предохраняет крайние мембраны от разруше-
ния продуктами электролиза.
Таблица 1.6
Марка Толщина, мм Ионооб- менная емкость, мг-экв/г Селек- тивность в 0,1 % растворе NaCl Электрическое со- противление на 1 м площади по- верхности мем- браны, Ом Прочность на разрыв, МПа
удельное поверх- ностное
Анионитовые мембраны
МА40 0,5-0,7 3-4,4 0,94 200-250 12-17 12-13
МА-100 0,3 2-2,3 0,97 150-180 3,5-6 12-14
А4 0,6 3,5 0,93 — — —
РМА 0,1 5 0,96 104 1 8
Катионитовые мембраны
МК40 0,4-0,7 2,3-2,5 0,96 180-203 9,8-16,2 12-15
МК-100 0,3 2,5-2,8 0,97 120-150 2,4-5 12-15
К-2 0,6-0,7 2 0,96 — — —
РМК-10 0,3 1,9 0,86 208 6,3 13
Технологические схемы электродиализных установок (ЭДУ) состоят из
следующих узлов: 1) аппаратов предварительной подготовки исходной воды;
2) собственно электродиализ ной установки; 3) кислотного хозяйства и систе-
мы сжатого воздуха; 4)фильтров, загруженных активированным углем БАУ
или АГ-3, и бактерицидных установок. Технологические схемы бывают сле-
дующих типов - прямоточные, циркуляционные порционные, циркуляционные
непрерывного действия.
Прямоточные ЭДУ, в которых сточная вода последовательно или параллель-
но проходит через аппараты установки и солесодержание воды снижается от ис-
ходного до заданного за один проход.
Циркуляционные (порционные) ЭДУ, в которых определенный объем час-
тично обессоленной воды из бака дилюата перекачивается через мембранный
электродиализный аппарат обратно в бак до тех пор, пока не будет достигнута
необходимая степень обессоливания.
Циркуляционные ЭДУ непрерывного действия (рис. 1.46), в которых часть
сточной воды непрерывно смешивается с частью не полностью обессоленной во-
ды (дилюата), проходит через электродиализатор и подается потребителю или в
резервуар очищенной воды. ЭДУ с аппаратами, имеющими последовательную
87
гидравлическую систему движения потоков в рабочих камерах. Каждая из ука-
занных выше технологических схем имеет определенные преимущества и недос-
татки, и их выбор производится на основании технико-экономических расчетов.
Исходными параметрам и для расчета являются: конкретные местные условия,
пропускная способность ЭДУ, солесодержание и состав обрабатываемых сточ-
ных вод. Например: при суточном расходе сточных вод более 300-500 м считает-
ся рациональным применение технологических схем прямоточного типа.
Рис. 1.46. Схема циркуляционной электродиализной установки непрерывного
действия:
1 - подача сточной воды; 2 - рабочие баки; 3 - бак для рассола; 4 - выпуск рассо-
ла; 5 - выпуск дилюата; 6 - электродиализатор; 7 - подача рециркуляционного
рассола; 8 - насосы; 9 - подача смеси рециркуляционной и сточной воды,
10 - выпуск рассола из электродиализатора;! 1 - выпуск обессоленной воды.
При использовании электрохимически активных (ионообменных) диафрагм
повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионо-
обменные мембраны проницаемы только для ионов, имеющих заряд того же зна-
ка, что и у подвижных ионов.
Обычно электролизеры для очистки воды делают многокамерными (100-200
камер) с чередующимися катионо- и анионопроницаемыми мембранами. Элек-
троды помещают в крайних камерах. В многокамерных аппаратах достигается
наибольший выход по току.
88
Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны.
Гомогенные мембраны состоят только из одной смолы и имеют малую механиче-
скую прочность. Гетерогенные мембраны представляют собой порошок ионита,
смешанный со связующим веществом - каучуком, полистиролом, метилмер-
каптаном и др. Из этой смеси вальцеванием получают пластины.
Мембраны должны обладать малым электрическим сопротивлением. На эф-
фективность работы электродиализатора большое влияние оказывает расстояние
между мембранами. Обычно оно составляет 1-2 мм. Во избежание засорения
мембран сточные воды перед подачей в электродиализатор должны быть очище-
ны от взвешенных и коллоидных частиц.
Расход энергии при очистке 1 м сточной воды, содержащей в 1 л 250 мг при-
месей, до остаточного содержания солей 5 мг составляет 7 кВт/ч. С увеличением
содержания солей в воде удельный расход энергии возрастает.
Основным недостатком электродиализа является концентрационная поляри-
зация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и снижению по-
казателей очистки.
6. Химические методы очистки сточных вод
К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисле-
ние и восстановление. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов,
поэтому дороги. К окислительным методам также относится электрохимическая
обработка. Их применяют для удаления растворимых веществ и в замкнутых сис-
темах водоснабжения. Химическая очистка может применяться как самостоятель-
ный метод перед спуском сточных вод в водоем (или подачу сточных вод в систе-
му оборотного водоснабжения). Химическую очистку проводят иногда как пред-
варительную перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки
сточных вод. Химическая обработка находит применение и как метод глубокой
очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания
или извлечения из них различных компонентов. Предпочтение химическим мето-
дам отдается при локальной очистке производственных сточных вод.
6.1. Нейтрализация
Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбро-
сом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах ней-
трализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие pH = 6,5-8,5.
Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с pH менее 6,5 и
более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водо-
емов, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса произ-
водственных сточных вод в водоем или городскую канализацию, следует, что
большую опасность представляют кислые стоки, которые встречаются к тому же
значительно чаще, чем щелочные (количество сточных вод с pH > 8,5 невелико).
В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые
необходимо выделить из этих вод.
89
Реакция нейтрализации - это химическая реакция между веществами, имею-
щими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных
свойств обоих соединении. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных
растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гид-
роксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях:
Н+ОН = Н2О. В результате концентрация каждого из этих ионов становится
равной той, которая свойственна самой воде (около 1(Г7), т.е. активная реакция
водной среды приближается к pH = 7.
Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и
щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод че-
рез нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами
или абсорбцией аммиака кислыми водами. Выбор метода нейтрализации зависит
от объема 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. Применяют следующие способы ней-
трализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (нейтрали-
зация смешением); нейтрализация путем добавления реагентов, фильтрование
через нейтрализующие материалы; нейтрализация кислыми дымовыми газами.
Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов, например, вида и
концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды; расхода и
режима поступления отработанных вод на нейтрализацию; наличия реагентов;
местных условий и др.
Нейтрализация смешением. Этот метод применяют, если на одном пред-
приятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не
загрязненные другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в
емкости с мешалкой и без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут
воздухом (рис. 1.47) при его скорости в линии подачи 20-40 м/с.
Рис. 1.47. Нейтрализатор смешения:
1 - кислые сточные воды; 2 - щелоч-
ные сточные воды; 3 - нейтрализо-
ванная сточная вода; 4 - воздух;
5 - распределитель воздуха;
При переменной концентрации сточ-
ных вод в схеме предусматривают уста-
новку усреднителя или обеспечивают ав-
томатическое регулирование подачи в
камеру смешения. Расчет соотношения
сточных вод, направляемых в камеру
смешения, проводят по стехиометриче-
ским уравнениям.
При избытке кислых или щелочных
сточных вод добавляют соответствую-
щие реагенты. Принципиальная схема
водно-реагентной нейтрализации приве-
дена на рис. 1.48. Нейтрализованную во-
ду используют в производстве, а осадок
обезвоживают на шламовых площадках
или вакуум-фильтрах.
90
Рис. 1.48. Схема станции реагентной нейтрализации воды:
1 - песколовки; 2 - усреднители; 3 - емкость для реагентов; 4 - растворный бак;
5 - дозатор; 6 - смеситель; 7 - нейтрализатор; 8 - отстойник; 9 - осадкоуплотни-
тель; 10 - вакуум-фильтр; 11 - накопитель обезвоженных осадков; 12 - шламо-
вая плошалка
Нейтрализация путем добавления реагентов. Если на промышленном
предприятии имеются только кислые или щелочные воды или невозможно обес-
печить их взаимную нейтрализацию применяется реагентный метод нейтрализа-
ции. Этот метод наиболее широко используется для нейтрализации кислых сточ-
ных вод. Выбор реагента зависит от вида кислот, их концентрации, растворимо-
сти солей, образующихся в результате химической реакции.
Для нейтрализации минеральных кислот применяется любой щелочной реа-
гент, чаще всего известь-пушонка, известковое молоко, карбонаты кальция и
магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны,
но имеют ряд недостатков: обязательно устройство усреднителей перед нейтра-
91
лизационной установкой; затруднительно регулирование дозы реагента по pH
нейтрализованной водой; сложное реагентное хозяйство.
Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии
относительно невелика и зависит от размеров частицы и растворимости образующе-
гося в результате реакции нейтрализации соединения. Поэтому окончательная ак-
тивная реакция устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени - 10-
15 мин. Сказанное выше относится к сточным водам, содержащим сильные кислоты
(H2SO4, H2SO4), кальциевые соли которых труднорастворимы в воде.
При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту (H2SO4), реак-
ция в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:
H2SO4+Ca (ОН)2 = CaSO4+2H2O,
H2SO4+CaCO3=CaSO4+CO2.
Образующийся в результате нейтрализации сульфат кальция (гипс) кристал-
лизуется из разбавленных растворов в виде CaSO4-2H2O. Растворимость этой со-
ли при температуре 0-40 °C 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 недос-
татком метода нейтрализации серной кислоты известью является образование пре-
сыщенного раствора гипса (коэффициент пресыщения может достигать 4-6), выделе-
ние которого из сточной воды может продолжаться несколько суток, что приводит к
зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих хи-
мических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает ус-
тойчивость пресыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются
на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.
Для уменьшения коэффициента пресыщения используется метод рециркуля-
ции образующегося в результате нейтрализации осадка сульфата кальция. Кон-
центрация ионов кальция в сточной воде уменьшается при увеличении дозы ре-
циркулирующего осадка: продолжительность перемешивания этой воды должна
быть не менее 20-30 мин. Для уменьшения зарастания трубопроводов, по кото-
рым транспортируются нейтрализованные известью сернокислотные стоки, при-
меняют методы промывки, увеличивают скорость транспортирования, а также
заменяют металлические трубопроводы на пластмассовые.
Поскольку в кислых и щелочных сточных водах практически всегда присут-
ствуют ионы тяжелых металлов, то дозу реагентов следует определять с учетом
выделений в осадок тяжелых металлов.
Количество реагента, необходимого для нейтрализации сточных вод опреде-
ляется по формуле
где к - коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с теоретическим к = 1,1
- для известкового молока, к = 1,5 - ддя известкового теста и сухой извести; В - ко-
личество активной части в товарном продукте, %; Q - количество сточных вод под-
лежащих нейтрализации, м3; а - расход реагента для нейтрализации (табл. 1.7), г/кг
92
Таблица 1.7
Расход реагентов для нейтрализации 100 % кислот и щелочей
Щелочь, кг Кислоты
Серная Соляная Азотная Уксусная
Известь: негашеная гашеная 0,56/1,79 0,76/1,32 0,77/1,3 1,01/0,99 0,46/2,2 0,59/1,7 0,47/2,15 0,62/1,62
Сода: кальцинированная каустическая 1,08/0,93 0,82/1,22 1,45/0,69 1,1/0,91 0,84/1,19 0,64/1,57 0,98/1,14 0,67/1,5
Аммиак 0,35/2,88 0,47/2,12 0,27/3,71 —
При нейтрализации кислых и щелочных сточных вод содержащих соли тяже-
лых металлов, количество реагента будет определяться по формуле
G = kI-^-Q-(a-A + bI-CI+b2-C2 + ... + b„C,y
где Ci, С2,...,СП- концентрации металлов в сточных водах, кг/м; bi, b2,...,bn, - кон-
центрации реагентов, требуемых для перевода металла из растворенного состоя-
ния в осадок (табл. 1.8), кг/кг.
Таблица 1.8
Расход реагентов, требуемых для удаления металлов
Металл Реагент
СаО Са(ОН)2 Na2CO3 NaOH
Цинк 0,85 1,13 1,6 1,22
Никель 0,95 1,26 1,8 1,36
Медь 0,88 1,16 1,66 1,26
Железо 1 1,32 1,9 1,43
Свинец 0,27 0,36 0,51 0,38
Например, при нейтрализации гашеной известью сточных вод, поступающих
после травления черных металлов серной кислотой происходят следующие реакции:
с серной кислотой: H2SO4+ Са(ОН)2 = CaSO4+ 2Н2О
98 74 136 36
с сульфатом железа: FeSO4+ Са(ОН)2 = CaSO4+ Fe(OH)2
152 74 136 90
На основании приведенных выше реакций или данных в табл. 1.7 и 1.8, а так-
же по содержанию серной кислоты и железа в отработанных травильных раство-
рах можно определить количество гашеной извести, необходимой для нейтрали-
зации кислых сточных вод и осаждения железа
G = k^-Q-(0,76-A + l,32-C),
где А - содержание серной кислоты, кг/м3; С - содержание железа, кг/м3.
93
Количество сухого вещества, которое образуется при нейтрализации 1м3
сточной воды, содержащей свободную серную кислоту и соли тяжелых металлов,
определяется по формуле
_ 100-В , ч
М=---------{х1 + х2) + х3+{у1-у2-2),
D
где М - масса сухого вещества, кг; В - содержание активного вещества в исполь-
зуемой извести, %; Xi, х2 - количество активного вещества, необходимое соотве-
ственно для осаждения металла и для нейтрализациии свободной серной кисло-
ты, кг; хз - количество образующихся гидроксидов металлов, кг; yi, уг - количе-
ство сульфата кальция, образующиеся соответственно при осаждении металла и
при нейтрализации свободной серной кислоты, кг.
Если значение третьего члена в приведенной формуле отрицательно, то он не
учитывается.
Объем осадка, образующегося при нейтрализации сточной воды можно найти
по уравнению
у 100М
ос~ ioo-we;
где W&n - влажность осадка, %.
Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, КОН,
Na2CO3. NH4OH (аммиачная вода), СаСОз. доломит (СаСОз. MgCO3) цемент. Од-
нако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое мо-
локо) с содержанием активной извести Са(ОН)2 5-10 %. Соду и гидроксид натрия
следует использовать, если они являются отходами производства. Иногда для
нейтрализации применяют различные отходы производства. Например, шлаки
сталеплавильного, феррохромового и доменного производств используют для
нейтрализации вод, содержащих серную кислоту.
Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной
воды. При этом учитывают, будет ли в процессе образовываться осадок или нет.
Различают три вида кислотосодержащих сточных вод: 1) воды, содержащие сла-
бые кислоты (Н2СОз, СН3СООН); 2) воды, содержащие сильные кислоты (НО,
HNO3). Для их нейтрализации может быть использован любой названный выше
реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде; 3) воды, содержащие сер-
ную и сернистую кислоты. Кальциевые соли этих кислот плохо растворимы в во-
де и выпадают в осадок.
Известь для нейтрализации вводят в сточную воду в виде гидроксида кальция
(известкового молока; «мокрое» дозирование) или в виде сухого порошка («су-
хое» дозирование). Схема установки для нейтрализации кислых вод известковым
молоком показана на рис. 1.49.
Для гашения извести используют шаровые мельницы мокрого помола, в кото-
рых одновременно происходят тонкое измельчение и гашение. Для смешения
сточных вод с известковым молоком применяют гидравлические смесители раз-
личных типов: дырчатые, перегородчатые, вихревые, с механическими мешалками
или барботажные с расходом воздуха 5-10 м3/ч на 1 м2 свободной поверхности.
94
Рис. 1.49. Схема установки нейтрализации кислых вод гидроксидом кальция:
1 - усреднитель; 2 - аппарат для гашения; 3 - растворные баки; 4 - дозаторы;
5 - нейтрализатор; 6 - отстойник
При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту, известковым
молоком в осадок выпадает гипс CaSO4-2H:2O. Растворимость гипса мало меняется с
температурой. При перемещении таких растворов происходит отложение гипса на
стенках трубопроводов и их забивка. Для устранения забивки трубопровода необхо-
димо промывать их чистой водой или добавлять в сточные воды специальные умяг-
чители, например гексаметафосфат. Увеличение скорости движения нейтрализо-
ванных вод способствует уменьшению отложений гипса на стенках трубопровода.
Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты
или кислые газы. Метод реагентной нейтрализации кислых и щелочных сточных
вод широко используется на предприятиях химической промышленности.
Нейтрализация кислых вод фильтрованием через нейтрализующие ма-
териалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование
их через слой магнезита, доломита, известняка, мела, мрамора, твердых отходов
(шлак, зола) и др. Процесс ведут в фильтрах-нейтрализаторах, которые могут
быть горизонтальными или вертикальными крупность фракций материала за-
грузки 3-8 мм. Для вертикальных фильтров используют куски известняка или
доломита размером 30-80 мм. При высоте слоя материала 0,85-1,2 м скорость
должна быть не более 5 м/с и зависит от вида загрузочного материала, а про-
должительность контакта не менее 10 мин. У горизонтальных фильтров ско-
рость течения сточных вод 1-3 м/с. Нейтрализация соляно- и азотнокислых, а
также сернокислых сточных вод при концентрации серной кислоты не более
1,5 г/л происходит на непрерывно действующих фильтрах.
Применение таких фильтров возможно при условии отсутствия в кислых
сточных водах солей металлов, поскольку при pH > 7 они будут выпадать в оса-
док в виде труднорастворимых соединений, которые полностью забивают поры
95
фильтра. Ограничивается применение нейтрализующих фильтров при подаче на
них сернокислых сточных вод с концентрацией серной кислоты более 1,5 г/л. В
этом случае количество образующегося сульфата кальция превышает его раство-
римость ( « 2 г/л) и он начинает выпадать в осадок, который покрывает поверх-
ность нейтрализующей загрузки, затрудняет доступ к ней кислоты, в результате
чего нейтрализация прекращается.
Если загрузка выполняется из карбоната магния, это ограничение снимается, по-
скольку растворимость сульфата магния достаточно высока - 355 г/л (MgSOzrVE^O).
Нейтрализация кислыми газами. Для нейтрализации щелочных сточных
вод в последнее время начинают использовать отходящие газы, содержащие СОг,
SO2, NO2 и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать
сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективное очистку са-
мих газов от вредных компонентов.
Использование для нейтрализации щелочных сточных вод диоксида углерода
имеет ряд преимуществ по сравнению с применением серной или соляной кислот
позволяет резко снизить стоимость процесса нейтрализации. Вследствие плохой
растворимости СО2 уменьшается опасность переокисления нейтрализованных
растворов. Образующиеся карбонаты находят большее применение по сравнению
с сульфатами или хлоридами, кроме того, коррозионные и токсичные воздейст-
вия СОз2” ионов в воде меньше, чем ионов SO42 и С1з2-.
Процесс нейтрализации может быть проведен в реакторах с мешалкой, в рас-
пылительных, пленочных и тарельчатых колоннах.
Дымовые газы вентилятором подают в кольцевое пространство вокруг вала
мешалки и распределяют мешалкой в виде пузырьков и струй в сточной воде, по-
ступающей внутрь реактора. Благодаря большой поверхности контакта между
водой и газами происходит быстрая нейтрализация сточной воды. Присутствие в
газах SO2 способствует нейтрализации щелочных сточных вод.
При проведении процесса в тарельчатых колоннах степень нейтрализации
увеличивается с ростом скорости газа и уменьшением плотности орошения.
Количество кислого газа, необходимого для нейтрализации, может быть оп-
ределено по уравнению массоотдачи
M = K-e„,-F-Ac
Ж С
где М - количество кислого газа, необходимого для нейтрализации; К - фактор
ускорения; в ж - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; F - поверхность кон-
такта фаз; Ас - движущая сила процесса.
Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами использована в ряде произ-
водств, в том числе и в асбестоцементном производстве. Сточные воды этих про-
изводств имеют pH = 12-13. Щелочность воды обусловлена постоянным выщела-
чиванием в нее гидроксида кальция. Нейтрализацию проводили диоксидом угле-
рода дымовых газов (5-6 % СО2) в тарельчатом абсорбере.
Особенностью нейтрализации дымовыми газами сточных вод асбестоцемент-
ного предприятия является образование карбоната кальция, который может нахо-
диться в состоянии пересыщения и отлагается на внутренней поверхности обору-
дования. Для предотвращения образования в абсорбере карбонатных отложений
процесс нейтрализации следует проводить по циркуляционной схеме (рис. 1.50).
96
Сточная вода из усреднителя должна поступать в смеситель, где предвари-
тельно нейтрализуется частью воды, выходящей из абсорбера.
В смесителе протекают следующие реакции:
но~ + нсо; н2о+со;
Са2+ + COj~ ^СаСО3.
Образующийся осадок карбоната кальция осаждается в циркуляционной емко-
сти. Предварительную нейтрализацию сточной воды проводят с целью получения
на входе в абсорбер смеси с таким водородным показателем, при котором смесь
при окончательной нейтрализации в абсорбере дымовыми газами не образует кар-
бонатных отложений. При этом в абсорбере протекают следующие реакции:
Рис. 1.50. Нейтрализатор дымовых вод щелочными газами
2НО~ + СО2 Н2О + СО~,
col~+со2 + н2о 2нсо;.
Отношение объемных расходов циркулирующей и сточной воды, при кото-
ром образуется смесь, невыделяющая карбонатных отложений, зависит от соста-
ва сточной воды и составляет от 2,5 до 4.
Для нейтрализации применяют абсорберы с крупнодырчатыми провальными
тарелками с большим свободным сечением. Например, тарелки со свободным се-
чением более 30 % и отверстиями размером 20 х 50 мм.
Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является примером ресур-
сосберегающей технологии, позволяющей исключить использование кислот, соз-
дать бессточную схему водопотребления (рис. 1.51) При этом ликвидируется
сброс сточных вод, сокращается потребление свежей воды, экономится тепловая
энергия на подогрев свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых
компонентов (СО2, SO2 и др.) и пыли.
97
Вода
Рис. 1.51. Бессточная схема водопотребления асбестоцементного завода:
1 - фильтр; 2,5- отстойники; 3 - усреднитель; 4 - смеситель; 6 - колонна;
7 - делитель потока воды
6.2. Окисление и восстановление
Окисление. Окислительный метод очистки примесей для обезвреживания про-
изводственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплекс-
ные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать
из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды). Та-
кие виды сточных вод встречаются в машиностроительной (цех гальванопокры-
тий), горнодобывающей (обогатительная фабрика свинцово-цинковых и медных
руд), нефтехимической (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы),
целлюлозно-бумажной (цех варки целлюлозы) и др. отраслях промышленности.
В узком смысле окисление - реакция соединения какого-либо вещества с ки-
слородом, а в более широком - всякая химическая реакция, сущность которой со-
стоит в отнятии электронов от атомов или ионов.
Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный
и сжиженный хлор, хлорная известь, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлори-
ты кальция и натрия, кислород воздуха, технический кислород, пероксосерные
кислоты, озон, пиролюзит. Окислители перманганат калия, бихромат калия, пе-
роксид водорода, оксиды марганца хотя и не находят широкого применения, но в
ряде случаев могу быть использованы для окисления фенолов, крезолов, цианид-
содержащих примесей и др.
В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных во-
дах, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые
удаляют из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов,
поэтому ее применяют только в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточ-
98
ные воды, нецелесообразно, или нельзя извлечь другими способами. Например,
очистка от цианидов, растворенных соединений мышьяка и др.
Активность вещества как окислителя определяется величиной окислительного
потенциала. Из всех известных в природе окислителей первое место занимает фтор,
который, однако, из-за высокой агрессивности не может быть использован на практи-
ке. Для других веществ величина окислительного потенциала равна: для озона - 2,07;
для хлора - 0,94: для пероксида, водорода - 0,68; для перманганата калия - 0,59.
Окисление «активным» хлором. Обезвреживание сточных вод хлором или
его соединениями - один из самых распространенных способов очистки от ядо-
витых цианинов, а также от таких органических и неорганических соединений,
как сероводород, гидросульфит, сульфид, метилмеркаптан и др.
Сточные воды, содержащие ядовитые цианиды, образуются на машинострои-
тельных и металлообрабатывающих заводах в гальванических цехах. Значитель-
ное количество цианидсодержащих сточных вод получается при промывке изде-
лий после закалки их в расплавах цианидов. Обычно содержание цианидов в та-
ких сточных водах колеблется от 20 до 100 мг/л, но бывает и выше.
Окисление ядовитых цианид-ионов CN” осуществляется путем перевода их в
нетоксичные цианаты CNO”, которые затем гидролизуются с преобразованием
ионов аммония и карбонатов:
CN" + 2ОН“ - 2е CNO” + НО;
CNO“ + 2Н2О—> NH4+ + СО32“.
Возможен также перевод токсичных соединений в нетоксичный комплекс или
в осадок (в виде нерастворимых цианидов) с последующим удалением его из
сточных вод отстаиванием или фильтрованием.
Хлор и вещества, содержащие «активный» хлор, являются наиболее распро-
страненными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от серово-
дорода, гидросульфида, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов и др.
При введении в воду хлор гидролизуется, образуя хлорноватистую и соляную
кислоты:
С12 + Н2О НОС1 + НС1.
В сильнокислой среде равновесие этой реакции сдвинуто влево, в воде при-
сутствует молекулярный хлор; при значениях pH > 4 молекулярный хлор в воде
практически отсутствует.
Образовавшаяся в растворе гидролиза хлора хлорноватистая кислота диссо-
циирует на ион гипохлорита ОСГ и ион водорода IГ.
Степень диссоциации хлорноватистой кислоты которой зависит от pH среды.
При pH = 4 молекулярный хлор практически отсутствует:
НОС1 о Н++ ОСГ.
Сумма С12 + НОС1 + ОСГ и называется свободным «активным» хлором.
В присутствии аммонийных соединений в воде образуется хлорноватистая
кислота, хлорамин NH2C1 и дихлорамин NHC12. Хлор в виде хлорамина называет-
ся связанным «активным» хлором.
Источниками «активного» хлора могут быть также хлорат кальция, гипохло-
риды, хлораты, диоксид хлора. Хлорат кальция (хлорную известь) получают при
взаимодействии Са(ОН) 2+С12 = СаОС^+Н^).
99
Процесс хлорирования проводят в хлораторах периодического и непрерыв-
ного действия, напорных и вакуумных. Принципиальная схема очистки вод хло-
рированием показана на рис. 1.52. Хлорирование проводится в емкости, вклю-
ченной в систему циркуляции. В инжекторе газообразный хлор захватывается
сточной водой, циркулирующей в системе до тех пор, пока не будет достигнута
заданная степень окисления, после чего вода выводится для использования.
Рис. 1.52. Схема установки для очистки воды хлорированием:
1 - усреднитель; 2,5- насосы; 3- инжектор; 4 - емкость
При обезвреживании вод от цианидов процесс проводят в щелочной среде
(pH = 9). Цианиды можно окислить до элементного азота и диоксида углерода по
уравнениям
CN~ + 2ОН~ +С12 -> CNO- + 2СГ + Н2О,
2CNCT +4ОН' +ЗС12 -> 2СО2+6СГ + N2 + 2Н2О
При снижении pH возможно протекание реакции прямого хлорирования циа-
нида с образованием токсичного хлорциана
CN' +С12 CNCl + СГ.
Более надежным и экономически целесообразным методом является окисле-
ние цианидов гипохлоритами в щелочной среде (pH = 10-L1). В качестве реаген-
та, содержащего ион гипохлорита ОСГ , служат хлорная известь, гипохлориты
кальция или натрия. При окислении цианидов «активным» хлором процесс мож-
но проводить в одну ступень до получения цианатов:
CN~ + ОСГ CNO' СГ.. (1)
Реакция протекает быстро (1-3 мин.) и полно. Окисление цианидов до циана-
тов происходит за счет атомного кислорода в момент его выделения из окислите-
ля. Образующиеся цианаты CNO” легко гидролизуются до карбонатов:
CNO + 2Н2О COf+ NH+4.
Скорость гидролиза зависит от pH среды. При pH = 5,3 за сутки гидролизует-
ся около 80 % цианатов. В двухступенчатом процессе цианиды окисляются до N2
и СО2. На первой ступени процесс протекает по уравнению реакции (1) окисле-
ния до получения цианатов. На второй ступени вводят дополнительное количест-
во окислителя, и реакция протекает по уравнению
100
2CNO +3OCI + Н2О -> 2СО2 Т + N2 Т +2ОН+ЗСГ.
В растворах содержащих цианидионы и медь, одновременно могут присутст-
вовать комплексные цианиды меди
-|2— г ~\3-
См(СА)5] и [Cw(CA)4] ,
окисление ко-
торых гипохлоритом проходит по уравнениям
|— -<2-
2[Cw(C7V)5] + 7ОСГ + 2ОН~ + Н2О 6CNO~ + 7СГ + 2Си(ОН)2 Ф,
з[Сг/(СА) J” + 13ОСГ + 4ОН~ + Н2О 12CNO~ + 13СГ + ЗСи(ОН)2
При окислении ядовитого комплекса цианида цинка происходит следующая
реакция:
~Zn(CN\]2” + 4ОСГ + 2ОН~ 4CNO~ + 4СГ + Zn(OH)2 .
Для определения расходов гипохлоритов кальция или натрия, а также хлор-
ной извести на окисление цианидсодержащих сточных вод можно воспользовать-
ся формулой
к • х2 • О
10-а
где X - требуемое количество реагента, кг/сутки; к - коэффициент запаса реаген-
та, принимаемый равным 1,2-1,3; Q - количество цианидсодержащих сточных
вод, м3/сутки; а - содержание активного хлора в реагенте, равной в товарной
хлорной извести 30-35 %, в гипохлорите кальция 30-45 %; хг - теоретическое ко-
личество активного хлора, необходимого для окисления цианидов, г/м3:
х = п -С,
где п - стехиометрический коэффициент (по активному хлору); С - концентрация
цианидов в сточных водах (в пересчете на цианидион), г/м3.
Для определения коэффициента и подсчитывается количество активного хло-
ра в гипохлорите. Активный хлор определяется по количеству грамм-атомов йо-
да, выделенных данным реагентом из йодистого калия в кислой среде. Запишем
реакцию окисления простых цианидов гипохлоритом в ионно-электронном виде
СГ + 2е СГ;
CN~ -2e^CN+.
Это значит, что при взаимодействии гипохлорита с KI (калий йодистый) на-
блюдались следующие реакции
С/+ + 2е СГ;
2Г-2е^2Г
Выделившиеся два грамм-атома йода соответствуют двум грамм-атомам ак-
тивного хлора. Таким образом, соотношение масс реагирующих цианид-иона и
«активного хлора» гипохлорита образом, гипохлорита равно 26:71, следователь-
но, на одну часть цианид-иона требуется 2,73 части активного хлора, т.е. и = 2,73.
Величина коэффициента и определяется для каждой реакции окисления циа-
нидсодержащих соединений. Так при окислении комплексных цианидов меди
101
, х -|2-
Cw(CTV)5] и
Си(СК\
величина п равна соответственно 3,18 и 2,96, а для
окисления комплексных цианидов цинка п = 2,73. При окислении цианидсодер-
жащих сточных вод ионом гипохлорита окислитель может расходоваться не
только на окисление цианидов, но и на окисление других веществ, присутствую-
щих в сточных водах. Поэтому значение п следует проверять экспериментально
для конкретных сточных вод.
При наличии в сточной воде аммиака, аммониевых солей или органических
веществ, содержащих аминогруппы, хлор, хлорноватистая кислота и гипохлори-
ты вступают с ними в реакцию, образуя моно- и дихлорамины, а также трихло-
ристый азот
NH3 + НОС1 NH2Cl + Н2О,
NH2Cl + HOCl -> nhci2 + H2O,
NHCl2 + HOCl -> NCl3 + H2O.
При обезвреживании сточных вод обычно применяется 5 % рабочий раствор
реагента (по «активному» хлору).
Обработка цианидсодержащих сточных вод диоксидом хлора СЮ2 имеет ряд
преимуществ:
• высокая окислительная способность С1О2 по сравнению с другими окисли-
телями (кроме фтора и озона);
• водные растворы С1О2 устойчивы в течение длительного времени;
• при обработке сточных вод диоксидом хлора не образуется высокотоксич-
ных продуктов прямого хлорирования (хлорциана, хлорфенола и др.) в любом
диапазоне величие pH.
Окисление цианида диоксидом хлора протекает по уравнению
CN~ + 2СЮ2 + 2ОН~ -> CNO~ + 2СЮ~ + Н2О.
Более эффективно процесс окисления идет при pH > 10.
При начальном содержании цианидов 25 мг/л и продолжительности окисле-
ния 1 мин - эффективность составляет 95 %, а через 10 мин реакция окисления
практически заканчивается.
Хлорирование применяется для дезодорации сточных вод, образующихся при
варке сульфатной целлюлозы и при выпаривании тарного щелока на целлюлозно-
бумажных комбинатах. Эти сточные воды содержат сероводород, сульфиды, ме-
тил-меркаптан и др.
В щелочной среде хлор окисляет сульфиды до сульфатов:
Na2S + 4С12 + 8NaOH Na2SO4 + 8NaCl + 4Н2О;
В кислой и нейтральной среде возможно образование сульфитов:
H2S + ЗС12 + ЗН2О H2SO3 + 6НС1;
NaHS + 3Cl2 + ЗН2О -> NaHSO3 + 6НС1.
При избытке хлора окисление всегда идет до сульфатов. Метилмеркаптан
окисляется хлором несколько медленнее, чем сероводородом, но значительно бы-
102
стрее, чем сульфиды и дисульфиды. В зависимости от расхода хлора окисление
метилмеркаптана может протекать с образованием различных продуктов:
2CH3SH + Cl2 CH3SSCH3 + 2НС1;
CH3SH + 2Cl2 + Н2О -> CH3SOCl + ЗНС1;
CH3SH + 3Cl2 + 2Н2О CH3SO2Cl + 5на.
Поскольку метилмеркаптан окисляется хлором сравнительно быстро, про-
должительность контакта сточных вод выпарной станции (загрязненных в основ-
ном сероводородом и метилмеркаптаном) с хлором составляет 5 мин.
В зависимости от агрегатного состояния вводимых в воду хлора или хлорсо-
держащих реагентов определяется технология обработки сточных вод. Если эту
воду обрабатывают газообразным хлором или диоксидом хлора, то процесс окис-
ления осуществляется в абсорберах; если хлор или диоксид хлора находятся в рас-
творе, то их подают в смеситель и далее в контрольный резервуар, в них обеспечи-
вается эффективнее их смешивание и требуемая продолжительность контакта со
сточной водой.
Гипохлорит (оксохлорат) натрия образуется при пропускании газообразного
хлора через раствор щелочи:
а2 + 2NaOH NaClO + NaO.
Гипохлорит кальция приготовляют хлорированием гидроксида кальция при
температуре 25-30 °C:
Са(ОН\ + 2а2Са(СЮ)2 СаО, + 2Н2О.
Промышленность выпускает двухосновную соль Са(СЮ}2 2Са(ОН) • 2Н2О.
Сильным окислителем является хлорат натрия NaaCh, который разлагается с
выделением аСН Диоксид хлора ядовитый зеленовато-желтый газ, обладаю-
щий более интенсивным запахом, чем хлор. Для его получения проводят сле-
дующие реакции:
2NaClO2 + а2 2аО2 + 2Naa;
5NaaO2 + 4 HCl -у 5Naa + 4ао2 + 2Н2О.
Во время реакций pH поддерживают в пределах 8-11. Контроль полноты
окисления производят по остаточному «активному» хлору, концентрация которо-
го должна быть не менее 5-10 мг/л.
Окисление пероксидом водорода. Пероксид водорода является бесцветной
жидкостью, в любых соотношениях смешивается с водой. Она может быть ис-
пользована для окисления нитритов, альдегидов, фенолов, цианидов, серосодер-
жащих отходов, активных красителей. Промышленность выпускает 85-95 %-ный
пероксид водорода и пергидроль, содержащий 30 % Н2О2. Пероксид водорода
токсичен. ПДК в воде составляет 0,1 мг/л.
Пероксид водорода в кислой и щелочной средах разлагается по следующим
схемам:
2Н+ + Н2О2 + 2е 2Н2О;
2ОН~ + Н2О2 + 2е^2Н 2О + 2О2~.
103
В кислой среде более отчетливо выражена окислительная функция, а в ще-
лочной - восстановительная.
В кислой среде пероксид водорода переводит соли двухвалентного железа в
соли трехвалентного, азотистую кислоту - в азотную, сульфиды - в сульфаты.
Цианиды в цианаты окисляются в щелочной среде (pH = 9-12).
В разбавленных растворах процесс окисления органических веществ протека-
ет медленно, поэтому используют катализаторы - ионы металлов переменной ва-
лентности (ре2+ ,Си2+ ,Мп2+ ,Со2+ ,Cr2+ ,Ag+j. Например, процесс окисления перок-
сидом водорода с солью, железа протекает весьма эффективно при pH = 3-4,5.
Продуктами окисления являются муконовая и малеиновая кислоты.
В процессах водообработки используют не только окислительные, но и восста-
новительные свойства пероксида водорода. В нейтральной и слабощелочной средах
он легко взаимодействует с хлором и гипохлоритами, переводя их в хлориды:
Н2О2+С12^О2 + 2НС1;
NaClO + Н2О2 NaCl + О2 + Н2О.
Эти реакции используют при дехлорировании воды. Избыток пероксида во-
дорода можно удалять, обрабатывая его диоксидом марганца:
мпо2 + н2о2 + 2 на мпа2 + 2н2о+о2.
Перспективным является окисление загрязнений пероксосерными кислотами:
пероксомоносерной H2SO5 и пероксодисерной H2S2O8. Например, фенол окисляет-
ся пероксомоносерной кислотой (кислота Каро) при pH =10. Этим методом, воз-
можно, снизить содержание фенола до концентрации 5-106 %. Скорость окисления
зависит от соотношения H2SO5/ CrHsOH и повышается с ростом температуры.
Разрушение цианидов под действием пероксосерных кислот протекает также
очень быстро. При этом в случае небольших концентраций цианидов (0,01-0,05 %)
в сточной воде используют H2SO5, а при высоких концентрациях - H2SO5. Опти-
мальным условиям соответствует pH = 9. В нейтральной среде реакция окисления
резко замедляется под действием ионов железа, которые образуют ферроцианы, не
подвергающиеся окислению.
Окисление кислородом воздуха. Значительно шире, чем хлорсодержащие
реагенты, для окисления сульфидных сточных вод целлюлозных, нефтеперера-
батывающих и нефтехимических заводов применяется кислород. Кислород
воздуха используют при очистке воды от железа для окисления соединений
двухвалентного железа в трехвалентное с последующим отделением от воды
гидроксида железа. Реакция окисления в водном растворе протекает по схеме:
4Fe2+ + О2 + Н2О = 4Fe3+ + 4ОН~;
Fe3+ + ЗН2О = Fe(OH)3 + ЗН+.
Окисление проводят при аэрировании воздуха через сточную воду в баш-
нях с хордовой насадкой. Образующийся гидроксид железа отстаивают в кон-
тактном резервуаре, а затем отфильтровывают. Использование колонн с куско-
вой насадкой или кольцами Рашига нецелесообразно, т.к. происходит зараста-
ние насадки. Возможен процесс упрощенной аэрации. В этом случае над по-
верхностью фильтра разбрызгивают воду, которая в виде капель падает на по-
104
верхность фильтрующей загрузки. При контакте капель воды с воздухом про-
исходит окисление железа.
Кислородом воздуха окисляют также сульфидные стоки целлюлозных, неф-
теперерабатывающих и нефтехимических заводов. Процесс окисления гидро-
сульфидной и сульфидной серы протекает через ряд стадий при изменении ва-
лентности серы с 2 до 6: S2~ —>S—> SnO26~ S2O3~ SO2~ SO^~.
При этом при окислении гидросульфида и сульфида до тиосульфата pH рас-
твора повышается, при окислении гидросульфида до сульфида и сульфата pH
раствора понижается, а при окислении сульфида до сульфита и сульфата актив-
ная реакция среды не изменяется. В водных растворах под действием кислорода
воздуха через ряд последовательных стадий проходит процесс окисления ме-
тилмеркаптана
CH3SH CH3SSCH3 CH3SO2H CH3SO3H.
Если активная реакция водной среды pH = 7-13,75, то основным продуктом
окисления сероводорода, гидросульфида и сульфита является тиосульфат.
Окисление сточных вод выпарной станции (pH = 7-7,5) протекает по уравнениям:
2H2S + 202 -> S2O3~ + Н2О + 2Н+;
8H2S + 902 -> 2S4O2~ + 6Н2О + 4Н+;
H2S + 2O2^SO2- + 2Н+;
2HS~ + 202 S2O + Н2О;
2HS~ + 402 -> 2SO2- + 2Н+.
В процессе окисления величина pH раствора понижается, возможно образо-
вание элементарной серы.
При окислении черных щелоков (pH = 12,15-12,75) происходят реакции:
2HS~ + 2О2 -> S2O3~ + Н2О;
2S2~ + 2О2 + Н2О -> S2O3~ + 2ОН~;
2HS~ + 30 2 +2ОН~ -> 2SO2~ + 2Н7О;
2S2- + 3O2^2SO2-;
HS~ + 2О2 + ОН~ SO2- + Н2О;
S2- + 202^ SO2'.
При окислении гидросульфида и сульфида до тиосульфата величина pH рас-
твора повышается, при окислении гидросульфида до сульфита и сульфата вели-
чина pH раствора понижается, а при окислении сульфида до сульфита и сульфата
активная реакция среды не изменяется.
С повышением температуры и давления скорость реакции и глубина окисле-
ния сульфидов и гидросульфидов увеличивается. Теоретически на окисление 1г
сульфидной серы расходуется 1 г кислорода. Для полного окисления черного ще-
лока (с концентрацией сульфида 6 г/л) с температурой 80-100 °C под давлением
0,1-0,8 МПа требуется 5,4 кг кислорода и 28 м3 воздуха 1 м3 щелока, продолжи-
тельность контакта при этом составляет 1 мин.
105
Принципиальная схема установки окисления сульфидов приведена на
рис. 1.53. Сточная вода поступает в приемный резервуар и через теплообменник
подается в окислительную колонну, а воздух в нижнюю часть колонны. Влага из
отработанного воздуха конденсируется в сепараторе, откуда направляется в при-
емный резервуар. Сточные воды после окисления охлаждаются в холодильнике и
поступают на дальнейшую очистку. Необработанная сточная вода подогревается
водяным паром и теплотой конденсата.
Рис. 1.53. Принципиальная схема установки окисления сульфидов, содержа-
щихся в сточных водах кислородом воздуха:
1 - приемный резервуар; 2 - насос; 3 - теплообменник; 4 - окислительная ко-
лонна; 5 - воздухораспределитель; 6 - холодильник; 7 - сепаратор
Окисление дымовыми газами. Осуществить процесс разрушения сульфид-
ных соединений можно также диоксидом углерода, содержащимся в отходящих
дымовых газах. Сущность этого способа заключается в следующем: сточная вода,
содержащая сернистые щелочи из нефтеловушки поступает в приемный резерву-
ар, далее подогревается в теплообменнике и направляется на дезодорацию в ко-
лонну, в которую попадают водяной пар и дымовые газы. Образование карбона-
тов происходит по следующим уравнениям:
Na2 + СО2 + Н2О -> Na2CO3 + H2S;
2NaHS + СО2 + Н2О Na2CO3 + 2H2S.
Выделяющийся сероводород, выносимый дымовыми газами и паром, направ-
ляется на сжигание, а при использовании диоксида углерода он служит сырьем
для получения серной кислоты.
Окисление пиролюзитом. Процесс проводят фильтрацией сточной воды че-
рез этот материал или в аппаратах с мешалкой. Пиролюзит является природным
106
материалом, состоящим в основном из диоксида марганца. Его широко исполь-
зуют для окисления трехвалентного мышьяка в пятивалентный:
H2AsO3 +МпО2 + H2SO4 = H2AsO4 + MnSO4 + Н2О.
Повышение температуры способствует увеличению степени окисления. Опти-
мальный режим окисления следующий: расход МпО2 _ четЫреХкратный по сравне-
нию со стехиометрическим. Кислотность воды 30-40 г/л, температура воды 70-80 °C.
Озонирование. Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обес-
цвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озониро-
ванием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводоро-
да, соединении: мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных аромати-
ческих углеводородов, пестицидов и др.
Озон - газ бледно-фиолетового цвета. В природе находится в верхних сло-
ях атмосферы. При температуре - 111,9 °C озон превращается в нестойкую жид-
кость темно-синего цвета. Физико-химические свойства озона: относительная моле-
кулярная масса 48; плотность (при температуре 0 °C и давлении 0,1 МПа) 2,154 г/л;
температура плавления 192,5 °C; теплота образования 143,64 кДж/моль; коэффици-
ент растворимости в воде при 0 °C - 0,49. при 20 °C - 0,29; окислительно-
восстановительный потенциал 2,07 В. Растворимость озона в вводе зависит также от
активной реакции среды, наличия кислот, щелочей и солей. Так при наличии кислот
и солей растворимость озона увеличивается, а при наличии щелочей уменьшается.
Озон является сильным окислителем и обладает способностью разрушать в
водных растворах при нормальной температуре многие органические вещества и
примеси. Озон самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в водных растворах,
распадаясь на молекулу и атом кислорода. Скорость распада в водном растворе
возрастает с увеличением солесодержания, значений pH и температуры.
Чистый озон взрывоопасен, т.к. при его разложении высвобождается значи-
тельное количество тепла, очень токсичен. Максимальная допустимая концен-
трация в воздухе рабочей зоны равна 0,0001 мг/м3. Обеззараживающее действие
озона основано на высокой окислительной способности, обусловленной легко-
стью отдачи им активного атома кислорода (Оз = О2+О). Озон окисляет все ме-
таллы, кроме золота, превращая их в оксиды.
В водном растворе озон диссоциирует быстрее, чем в воздухе; очень быстро
диссоциирует в слабощелочных растворах. В кислотных растворах озон проявля-
ет большую стойкость. В чистом сухом воздухе он разлагается очень медленно.
При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обез-
зараживание воды; бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обра-
ботке воды хлором. Растворимость озона в воде зависит от pH и содержания в воде
растворимых веществ. Небольшое содержание кислот и нейтральных солей увеличи-
вает растворимость озона. Присутствие щелочей снижает растворимость Оз. Действие
озона в процессах окисления может происходить в трех различных направлениях: не-
посредственное окисление с участием одного атома кислорода; присоединение целой
молекулы озона к окисляемому веществу с образованием озонидов; каталитическое
усиление окисляющего воздействия кислорода, присутствующего в озонированном
воздухе. Механизм реакции разложения озона довольно сложен, поскольку на скорость
107
деструкции влияет множество факторов: условия перехода озона из газовой фазы в
жидкость, соотношение между парциальным давлением газа и его растворимостью в
водном растворе, кинетика окисления озоном находящихся в воде загрязнении.
По сравнению с другими окислителями, например хлором, озон имеет ряд
преимуществ. Его можно получать непосредственно на очистных установках,
причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух.
Перспективность применения озонирования, как окислительного метода обу-
словлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очи-
щаемых сточных вод, не загрязняет воду продуктами реакции, а сам процесс лег-
ко подается полной автоматизации.
В процессе обработки сточных вод озон, подаваемый в камеру реакции в виде
озоно-кислородной или озоно-воздушной смеси, вступают в химическую реакции
с загрязняющими сточные воды веществами. Таким образом, озонирование пред-
ставляет собой абсорбционный процесс, осложненный химическими реакциями.
Наиболее экономичным способом является получение озона непосредственно
на очистных сооружениях путем тихого (короткого) электрического разряда в
воздухе. Тихий разряд образуется в узком газовом пространстве между двумя
электродами, к которым подведен ток напряжением 5-25 тыс. В. В озонаторе ис-
пользуются электроды из стекла, внутренняя поверхность которых покрыта ме-
таллической амальгамой. Ее слой является электродом высокого напряжения.
В существующих промышленных генераторах озонаторах применяют стек-
лянные трубчатые или пластинчатые элементы. Обычно озонаторы выполняют в
виде цилиндрических сосудов, в которых располагается несколько десятков па-
раллельно работающих трубчатых озонирующих элементов, состоящих из двух
концентрически расположенных стеклянных трубчатых электродов. Воздух дви-
жется вдоль оси озонирующих элементов в кольцевом пространстве между кон-
центрически расположенными электродами. Молекулы кислорода под действием
электрических разрядов дробятся, и образовавшиеся атомы легко присоединяют-
ся к целым молекулам их молекулярного сродства, образуя молекулу озона:
О + О2 —> О3 .
Большое значение имеет также то, что атом кислорода, выделяющийся в этой
реакции, может взаимодействовать с молекулой озона с выделением теплоты:
О + О3 2О2 + 400 кДж.
Производительность озонатора и расход электроэнергии на получение озона в
значительной степени зависят от влагосодержания поступающего в озонатор воз-
духа, его температуры, концентрации кислорода, а также от конструкции озона-
тора и способа подачи озоно-воздушной смеси в реактор.
Принципиальная технологическая схема озонирования производственных
сточных вод рис. L54 состоит из двух основных узлов: получение озона и очист-
ка сточных вод. Узел получения озона включает следующие блоки: получение и
охлаждение воздуха, осушка, фильтрование воздуха, генерация озона.
Атмосферный воздух через воздухозаборную шахту 1 подается с использовани-
ем воздуходувки 4 по линии 2 на фильтр 3, где очищается от пыли, после чего воз-
дух подается через теплообменник 5 на водоотделитель капельной влаги 6, а затем
108
от водопроводной сети
Рис. 1.54. Технологическая схема озонирования производственных сточных вод
на автоматические установки для осушки воздуха 7 (адсорберы), загруженные ак-
тивным глиноземом. Подача воздуха на регенерацию адсорберов осуществляется по
линии 8. Осушенный воздух поступает в автоматические блоки фильтров 9, в кото-
рых осуществляется тонкая очистка воздуха от пыли. Из фильтров осушенный и
очищенный воздух подается в блоки озонаторов 11, где под действием электриче-
ского разряда генерируется озон, который вместе с воздухом в виде озоно-
воздушной смеси по линии 13 направляется в контактную камеру 14 и смешивается
с обрабатываемой сточной водой, подаваемой по линии 15. Озоно-воздушная смесь
распыляется трубками из пористой керамики 16. Циркуляция обрабатываемой сточ-
ной воды и озоно-воздушной смеси в контактной камере во встречном направлении
обеспечивает большую эффективность озонирования. Выпуск озонированных сточ-
ных вод осуществляется по линии 17. Вспомогательное оборудование: линия 10 -
хозяйственно-питьевой водопровод, 12 - сброс в канализацию, 18 - подача охлаж-
денного рассола, 19 - бак охлажденного рассола, 20 - трехходовой смесительный
кран, 21, 22 - насосы, соответственно нагретого и охлажденного рассола, 23 - бак
нагретого рассола, 24 - подача нагретого рассола, 25 - холодильная машина. Кон-
тактные камеры могут быть одно- и двухступенчатыми.
В связи с токсичностью озона, поражающего органы дыхания и центральную
нервную систему, особое внимание при проектировании озонаторных установок
уделяется вентиляции помещений герметичности реакторов (предельно-допустимое
содержание озона в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,0001
мг/л). Осушка воздуха является одним из основных этапов подготовки воздуха пе-
ред получением озона, т.е. даже небольшое содержание влаги понижает выход озо-
на и ведет к перерасходу электроэнергии. Для обеспечения требуемой степени
осушки воздуха (до точки росы 50 °C) в периоды года, характеризующиеся боль-
шим содержанием влаги в атмосферном воздухе, предусматривается предваритель-
ное охлаждение воздуха до температуры 8 °C. В холодильной установке воздух об-
рабатывается охлажденным рассолом, подаваемым от фреоновой холодильной ма-
шины, в состав которой входят баки охлажденного и нагретого рассола, насосно-
силовое оборудование и регулятор температуры воздуха после теплообменников.
Озон и его водные растворы чрезвычайно коррозионны: они разрушают
сталь, чугун, медь резину, эбонит. Поэтому все элементы озонаторных установок
и трубопроводы, контактирующие с озоном и его водными растворами, изготав-
ливают из нержавеющей стали и алюминия.
Расход электроэнергии на получение одного килограмма озона из хорошо
осушенного воздуха для озонаторов различных типов составляет 13-29 кВт-ч, а из
неосушенного воздуха 43-57 кВт-ч. Расход электроэнергии на осушение воздуха
и его компрессию для получения озона 6-10 кВт-ч.
В обрабатываемую сточную воду озон вводят различными способами:
- барботированием содержащего озон воздуха через слой воды (распределе-
ние воздуха происходит через фильтросы);
- противоточной абсорбцией озона водой в абсорберах с различными насад-
ками (хордовая насадка, кольца Рашига и др.);
- смешиванием воды с озоно-воздушной смесью в эжекторах или специаль-
ных роторных механических смесителях.
110
При расчете контактных реакционных камер, прежде всего, определяют
площадь распыливающих элементов, которые размещают у дна камеры для
равномерного распределения озоно-воздушной смеси в воде. В качестве рас-
пределительных устройств используют металлокерамические или керамиче-
ские трубы с порами размером соответственно 40-100 мкм и 60-100 мкм, опти-
мальный режим диспергирования которых наблюдается при интенсивности
распыления соответственно 76-91 и 20-26 м3/(м2-ч). Необходимую общую
площадь всех распыливающих элементов контактной камеры барботажного
типа определяют по формуле:
f
где Q - расход сточных вод, м/ч; d03 - требуемая доза озона, г/м ; Соз - концен-
трация озона в озоно-воздушной смеси, г/м3; со - интенсивность распыления на
единицу площади пористых распылителей, м3/(м2ч).
Число распыливающих элементов:
п=^-,
Л
где f3 - площадь одного распыливающего элемента, м2.
Металлокерамические распылительные трубки следует располагать по дну
контактных камер на расстоянии 0,4 м, керамические трубы на расстоянии 0,5 м
между осями. При таком расположении труб барботажные факелы объединяются
на высоте 2 м.
Общий объем камеры, вычисляют по формуле
W = knpQt,
где к„р - коэффициент увеличения объема воды за счет ее продувки озоно-
воздушной смесью, обычно равный 1,1; t - продолжительность пребывания сточ-
ной воды в реакционной камере, ч.
Величины dO3 и t определяются экспериментально для каждого вида произ-
водственных сточных вод. Высота слоя воды над распылителями //4,5-5 м.
В двухступенчатых реакционных камерах высота слоя воды в каждой камере со-
ставляет 2,5-2,8 м.
Необходимое количество озона в кг/ч определяется по выражению:
DO3=dO3Q 1000
Число озонаторов находят исходя из производительности серийно выпускае-
мых озонаторов:
m=k-DO3 qO3_
где к - коэффициент запаса, принимаемый равным 1,05-1,1; qO3 - производитель-
ность одного озонатора, кг/ч.
В табл. 1.9 приведены основные технические характеристики отечественных
озонаторов .Приведенные многочисленные исследования по окислению различ-
ных органических загрязнений озоном показали эффективность этого способа
при обработке водных растворов, содержащих фенолы, циклопентан, циклогек-
сан, тетра-этилсвинец, нафтеновые и сульфанафтеновые кислоты, цианиды, кре-
золы, неионогенные анионоакиативные ПАВ, нефть и др.
111
Таблица 1.9
Основные технические характеристики отечественных озонаторов
Тип озона- тора Номинальная про- изводительность по озону,кг/г Концентрация озона в озоно-воздушной смеси, % Средний расход воздуха, м /ч Напряжение на электро- дах, кВ
ОП-4 1 16-17 40 10
ОП-6 2 14-16 80 10
ОП-21 1,6 14-16 120 16
ОП-315 3,8 12-14 300 18
ОП-510 6 12-14 450 18
В качестве примера можно привести реакцию окисления сероводорода, при
этом на первой стадии наблюдается выделение серы, а на второй окисление непо-
средственно до H2SO4:
H2S+O3->S+O2+H2O,
3H2S+4O3 -^3H2SO4.
Реакции протекают одновременно, но при избытке озона преобладает вторая.
При окислении цианидов протекают следующие реакции:
CN+O3->CNO+O2,
CNO+2Н++Н2О -> CO2+NO4.
Расход озона на разрушение загрязняющих веществ сточные воды веществ
зависит от многих факторов: pH водной среды, концентрация вредных веществ,
концентрация озона, способ смешения, продолжительность контакта озоно-
воздушной смеси с обрабатываемыми сточными водами и др.
При применении катализаторов увеличиваются скорости реакций окисления
озоном. Процесс озонирования можно интенсифицировать совместным воздейст-
вием озона и ультразвука или озона ультрафиолетового излучения.
При диспергировании озона в воду идут два основных процесса - окисление и
дезинфекция. Кроме того, происходит значительное обогащение воды растворен-
ным кислородом. Окисление веществ может быть прямое и непрямое, а также
может осуществляться катализом и озонолизом.
Примером прямых реакций может служить окисление ряда органических и
минеральных веществ (Pt2+, Мн2+), которые после озонирования осаждаются в
форме нерастворимых гидроксидов или переводятся в диоксиды и перманганаты.
Кинетика прямых реакций окисления может быть выражена уравнением:
где [ct],[с0] - соответственно начальная и конечная концентрации вещества, мг/л;
к - константа скорости реакции, л/(моль-с); [Оз] - средняя концентрация озона во
время прохождения реакции, мг/л; t; - продолжительность озонирования, с.
Непрямое окисление - окисление радикалами, например, группой ОН и дру-
гими, образующимися в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и
его саморазложения. Интенсивность непрямого окисления прямо пропорцио-
нальна количеству разложившегося озона и обратно пропорциональна концен-
трации присутствующих в воде загрязнителей.
112
Озо- Z R R\ нолиз
пред- собой фикса- на на С = С +Оз—» С С \ ставляет r'/ \ r'" r'Z К процесс Оз ции 030- двойной
или —> R — С — R' + R" — С— R'" + 1/2О2 ТР0ЙН0Й
углерод- зи с ло- /2V72 • нои свя- ** Н следую-
щим ее вом и разры- образо-
ванием озонидов, которые, как и озон, являются нестойкими соединениями и бы-
стро разлагаются.
Катализ - каталитическое воздействие озонирования заключается в усилении
им окисляющей способности кислорода, который присутствует в озонированном
воздухе.
Трудно четко определить последовательность и соотношение описанных вы-
ше реакций, т.к. преобладание той или иной формы окислительного воздействия
зависит от многих параметров.
Озон получают из кислорода воздуха под действием электрического разряда в
генераторах. Перед подачей воздуха или чистого кислорода в генератор его пред-
варительно осушают, т.к. с увеличением влажности воздуха выход озона умень-
шается. Расход энергии на производство 1 кг озона из атмосферного воздуха со-
ставляет около 18 кВт-ч; из кислорода - около 9 кВт-ч.
Озон подает в сточную воду в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной
смеси. Концентрация озона в смеси - около 3 %. Для усиления процесса окисле-
ния смесь диспергируют в сточной воде на мельчайшие пузырьки газа. Озониро-
вание представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемый химической ре-
акцией в жидкой фазе. Расход озона, необходимого для окисления загрязнений,
может быть определен по уравнению массообмена:
М=В> -F-Ac ,
где М - расход озона, переходящего из газовой фазы в жидкую, кг/с; 0'ж - коэффи-
циент массоотдачи в жидкой фазе при протекании в ней химической реакции, м/с;
F - поверхность контакта фаз, м2; Лсж -движущая сила процесса, кг/м3.
Технологические схемы установок для очистки сточных вод озонированием пока-
заны на рис. 1.55. На установках предусматривается очистка отходящих газов после
реактора от остатков озона. Одноступенчатая установка представлена на рис. 1.55, а.
Важным показателем процесса озонирования является величина коэффициента
использования озона. В целях увеличения его рекомендуется осуществлять двух-
ступенчатую систему очистки (рис. 1.55, б). По этой схеме проводится предвари-
тельное озонирование отработанной озоно-воздушной смесью, содержащей 2
мг/л озона. Во втором реакторе происходит окончательное окисление примесей.
ИЗ
Рис. 1.55. Схемы установок для очистки сточных вод озоном:
а - одноступенчатая: 1 - смеситель; 2 - насос; 3 - реактор; 4 - собирательная
емкость; 5 - озонаторная установка; 6 - блок очистки отходящих газов;
б - двухступенчатая с предварительным озонированием; в - двухступенчатая
с разделением сточных вод на два потока: 1,2- реакторы
По схеме на рис. 1.55, в, процесс ведется также в двух реакторах. В первый
подается 80-90 % общего количества сточных вод, а остальное - во второй реак-
тор. Озоно-воздушная смесь проходит последовательно реакторы. Концентрация
озона в этом случае в отходящих газах не превышает 0,01 % (масс.).
Для озонирования промышленных сточных вод используют аппараты раз-
личной конструкции. Схемы некоторых из аппаратов показаны на рис. 1.56. Мо-
гут быть использованы также насадочные и тарельчатые колонны и колонны с
механическим диспергированием озона
Поскольку озон приближается к сильным отравляющим веществам (пре-
восходит, например, синильную кислоту), на установках очистки сточных вод
озонированием предусматривается стадия очистки отходящих газов от остат-
ков озона.
114
Сточная
вода
Озоно-
воздушная
смесь
Очищенная
вода
а
Воздух
Сточная
вода
Озоно-
воздушная
смесь
Очищенная
вода
Воздух
Озоно-
смесь
Сточная
вода
Очищенная
---►
вода
Рис. 1.56. Контактные аппараты для озонирования: а - с насадкой; б - барбо-
тажная колонна с тарелками; в - со змеевиковым реактором; г - барботажная
колонна с пористой пластиной; д - колонна с механическим смесителем тур-
бинного типа: 1 - насос; 2 - инжектор смеситель; 3 - змеевик; 4 - воздухоотде-
литель; 5 - контактная камера; 6 - сборная камера; 7 - диффузор; 8 - турбина
б
115
Для этой цели проводят разбавление газов до безопасных концентраций озона
перед их выбросом в атмосферу, деструкцию озона или его утилизацию. Для де-
струкции остаточного озона применяют адсорбцию, катализ или пиролиз. При
адсорбции газы пропускают через колонну с активным углем в виде зерен диа-
метром 1-6 мм.
Недостатком процесса является то, что уголь легко сорбирует органические
вещества. В результате он медленно окисляется по мере окисления органических
веществ озоном. В среднем затрачивается 450 г активного угля на 1 кг озона.
Деструкция катализом состоит в быстром разложении озона на кислород и атом-
ный кислород в присутствии катализатора (платиновой сетки) при 60-120 °C.
Способ эффективен при значительных концентрациях озона в обрабатываемом
воздухе. Продолжительность контакта с катализатором не более 1 с. Наличие
влаги в газе оказывает отрицательное влияние на эффективность деструкции озо-
на. Присутствие в газе хлора, оксидов азота и других окислителей оказывает хи-
мическое воздействие на катализатор. Катализаторы регенерируют в печах при
500 °C в течение 6-7 ч.
Пиролиз применяют для деструкции при незначительных концентрациях озона
в газе. Процесс проводят при температуре 340-350 °C, его продолжительность 3 с.
Для утилизации остаточного озона турбовентиляторами или водокольцевыми
компрессорами повышают давление газов до величины, позволяющей направить
их в контактные реакторы. Для этой цели используют также механические или
гидравлические эмульгаторы.
Процесс очистки сточных вод значительно сокращается при совместном
использовании ультразвука и озона, ультрафиолетового облучения и озона.
Ультрафиолетовое облучение ускоряет окисление в 102-104 раз. Процесс окис-
ления можно разделить на две стадии: 1) фотохимическое возбуждение моле-
кул под действием УФ-облучения; 2) окисление озоном. На первой стадии об-
разуются высокоактивные в отношении озона свободные радикалы и соедине-
ния с низкой молекулярной массой, которые, поглощая свет, окисляются быст-
рее, чем исходные.
Озон окисляет как неорганические, так и органические вещества, растворен-
ные в сточной воде. Рассмотрим несколько примеров.
Соединения металлов окисляются озоном до соединений высшей валентно-
сти. Например, реакции с соединениями железа и марганца протекают по сле-
дующей схеме:
2FeSO4 + H2SO4 +О3= Fe2(SO4)3 + ЗН2О + О2,
MnSO4 + О3 + 2Н2О = Н^пО, + О2 + H2SO4,
2Н2МпО3 + 302 = 2НМпО4 + 302 + Н2О.
Окисление сероводорода:
H2S + O3=H2O + SO2,
3H2S + 403 = 3H2SO4.
116
з
О3 -+С — ОО"+ о=с
биполярный
ион
о—о
О
озонид
Тиоцианат-ион (роданид-ионы) реагируют с озоном по схеме:
NCS~ + 203 + 2ОН~ CN~ + SO2~ + 202 + 2Н2О,
CN~ + SO2~ CNO~ + SO2- + 2О2.
Процесс окисления рекомендуется проводить в нейтральной или слабокислой
среде при температуре 5-25 °C.
Аммиак окисляется озоном в щелочной среде до азотной кислоты и воды:
NH3 + 403 -> 4NO; + 402 + Н2О + Н+.
С увеличением pH от 7 до 9 скорость реакции возрастает в 10-20 раз. Поэтому
с экономической точки зрения озон выгодно применять для окисления аммиака в
тех случаях, когда образуются щелочные воды и отпадает необходимость в спе-
циальном подщелачивании.
Карбамид в водных растворах может быть окислен озоном до азотной кисло-
ты, диоксида углерода и воды. Особенностью реакции является то, что она начи-
нает через определенный промежуток времени после подачи озона. Чем выше ис-
ходная концентрация карбамида, тем меньше времени требуется для начала реак-
ции. Так, при содержании карбамида 50 мг/л процесс окисления начинается через
220 мин, а при 550 мг/л - через 30 - 40 мин после подачи озона. Скорость реакции
сильно зависит от pH среды. При pH 2,5 она очень низкая, т.е. окисления практи-
чески не происходит. С повышением щелочности скорость реакции повышается.
Озон реагирует с цианидами в слабощелочной среде быстро и полностью, об-
разуя первоначально менее токсичные цианаты. Последние могут гидролизовать-
ся в воде или окисляться озоном. В общем, виде реакция окисления цианидов
озоном представляется следующими уравнениями:
CN- + O3^>OCN- + O2t
OCN~ + 2Н+ + 2Н2О СО2 + Н2О + NH+4,
OCN~ + 2Н2О -> нсо; + NH3,
2OCN~ + Н2О + 302 2 НСО; + 3O2 + N2^.
Первоначально окисляются свободные цианиды, а затем связанные с метал-
лами комплексы.
Установлено, что скорость окисления озоном цианида в щелочном растворе
(pH = 10,5-13,0) практически не зависит от концентрации ионов ОН. Зависимость
скорости реакции окисления от концентрации ионов цианида и озона выражается
уравнением
[Оз]
117
Если концентрация озона в газовой смеси постоянна и достаточна для окисления, то
При концентрации цианида в растворе, равной lO '-IO 2 моль/л, pH раствора
13,5 и скорости подачи озона 17,0 мг/мин, п = 0,5.
Органические вещества, имеющие связь, СС '***' Реагируют с озоном
следующим образом:
X / х / о----О
,с/ |
с + с - оо + \
/°\
Нестойкий У С быстро распадается на биполярный ион и карбо-
нильное соединение, которые, в свою очередь, быстро реагируют друг с другом,
образуя озонид.
Очистка восстановлением. Методы восстановительной очистки сточных вод
применяют в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещест-
ва. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод соединений
ртути, хрома, мышьяка.
В процессе очистки неорганические соединения ртути восстанавливают до
металлической ртути, которую отделяют от воды отстаиванием, фильтрованием
или флотацией. Органические соединения ртути сначала окисляют с разрушени-
ем соединения, затем катионы ртути восстанавливают до металлической ртути.
Для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид желе-
за, боргидрид натрия, гидросульфит натрия, гидразин, железный порошок, серо-
водород, алюминиевую пудру и др.
Мышьяк в сточных водах находится в виде кислородсодержащих молекул, а
также в виде анионов тиосолей AsS2, AsSJ. Наиболее распространенным спосо-
бом удаления мышьяка из сточных вод является осаждение его в виде трудно
растворимых соединений. При больших концентрациях мышьяка (до ПО г/л) ме-
тод очистки основан на восстановлении мышьяковой кислоты до мышьяковистой
диоксидом серы. Мышьяковистая кислота имеет небольшую растворимость в ки-
слой и нейтральной средах и осаждается в виде триоксида мышьяка.
Метод очистки сточных вод от веществ, содержащих шестивалентный хром,
основан на восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в
виде гидроксида в щелочной среде. В качестве восстановителей могут быть ис-
пользованы активный уголь, сульфат железа (закисного), бисульфат натрия, во-
дород, диоксид серы, отходы органических веществ (например, газетная бумага),
пиритный огарок и др. На практике для восстановления наиболее часто исполь-
зуют растворы гидросульфита (бисульфита) натрия:
4Н2СгО4 + 6NaHSO3 + 3H2SO4 2Cr2(SO4)2 + 3Na2SO4 + ЮН2О.
118
Реакция протекает быстро при pH = 3 - 4 и избытке серной кислоты. Для
осаждения трехвалентного хрома применяют щелочные реагенты
Са(ОН)2,NaOH и др. (оптимальное значение pH для осаждения 8-9,5):
Сг3+ + ЗОН~ = Сг(ОН )3.
Очистку проводят на установках периодического или непрерывного действия.
На установке периодического действия (рис. 1.57) сточные воды из сборника на-
сосами перекачивают в реактор. При pH сточных вод больше 3 в реактор вводят
серную кислоту до достижения pH = 2,5 - 3. После этого вводят бисульфит на-
трия и производят интенсивное перемешивание в течение 30 мин.
Затем вводят щелочь и полиакриламид и производят осаждение осадка, кото-
рый удаляют из реактора.
Рис. 1.57. Схема установки по восстановлению хрома периодического
действия: 1 - сборник; 2 - реакторы; 3 - мерники; 4 - 6 - емкости
В установках непрерывного действия (рис. 1.58) сточные воды сначала по-
ступают в усреднитель, затем в смеситель и нейтрализатор. Усреднитель рас-
считывают на пребывание воды в нем 10-20 мин. Раствор бисульфата вводят в
смеситель после снижения pH до 2,5-3. В конец смесителя или в камеру обез-
вреживания вводят гидроксид кальция (известковое молоко) или раствор NaOH
для увеличения pH до 8-9. Процесс обезвреживания длится до 30 мин. Осадок
образуется в нейтрализаторе и выпадает медленно, трудно уплотняется и обез-
вреживается. Для ускорения осаждения добавляют полиакриламид.
119
Рис. 1.58. Схема установки восстановления хрома непрерывного действия:
1 - усреднитель; 2 - смеситель; 3 - емкость для нейтрализации и отстаивания
Хорошие результаты получаются при использовании в качестве восстанови-
теля сульфата железа FeSCF. Процесс можно проводить как в кислой, так и в ще-
лочной среде:
CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 = 3Fe(SO4)3 + Cr( SO4)3 + 6H2O,
CrO3 + 6FeSO4 + 6Ca(OH )2 + 6H2O = 2Cr(OH )3 + 6Fe(OH )3 + 6CaSO4.
Расход FeSCF зависит от pH среды и концентрации хрома. Наиболее благо-
приятные условия проведения процесса: температура 20 °C, pH ~ 7 и расход
FeSCF в 1,3 раз больше стехиометрического.
Восстановление диоксидом серы происходит по схеме:
SO2 + Н2О H2SO3,
2CrO3 + ЗН2О -> Cr2(SO4)3 + ЗН2О.
Время, необходимое для полного восстановления Cr(VI) зависит от содержа-
ния его в воде. Например, при pH = 3 для уменьшения концентрации Cr(VI) в
растворе от 30 до 5 мг/л требуется 1 мин, а от 5 до 0,1 мг/л - 35 мин.
В присутствии соды в сточных водах хром полностью удаляется из них:
6Na2CrO4 + SO2 + Na2CO3 + пН2О = Cr2O3 пН2О + 3Na2SO4 + СО2.
Процесс восстановления проводят, при 90 °C. После отделения осадка фильт-
рованием в сточных водах остается только сульфат натрия. Осадок прокаливают
при высокой температуре с целью получения стандартного оксида хрома.
В качестве восстановителя можно использовать и гидросульфит цинка или
смесь его с известью в различных соотношениях, а также соединения, содержа-
щие фосфор Р(1), природный газ, аммиак, древесный уголь, водород и др.
Возможно также осаждение Cr(VI) в виде нерастворимых соединений без
предварительного восстановления его до Сг3+, например, ацетатом бария. В этом
случае Cr(VI) осаждается в виде хромата бария. Достоинством этого метода явля-
ется возможность одновременной очистки сточных вод и от ионов SO4~.
120
6.3. Удаление ионов тяжелых металлов
Во многих отраслях промышленности перерабатывают или применяют раз-
личные соединения ртути, хрома, кадмия, цинка, свинца, меди, никеля, мышьяка
и другие вещества, что ведет к загрязнению ими сточных вод. Для удаления этих
веществ из сточных вод в настоящее время наиболее распространены реагентные
методы очистки, сущность которых заключается в переводе растворимых в воде
веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим
отделением их от воды в виде осадков. Недостатком реагентных методов очистки
является безвозвратная потеря ценных веществ с осадками.
В качестве реагентов для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов
используют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды натрия,
различные отходы, например феррохромовый шлак, который содержит (в %):
Са- 51,3; MgO - 9,2; SiO2 - 27,4; Cr2O3 - 4,13; А12О3 - 7,2, FeO2 - 0,73.
Наиболее широко используется гидроксид кальция. Осаждение металлов
происходит в виде гидроксидов. Процесс проводится при различных значениях
pH.
Значения pH, соответствующие началу осаждения гидроксидов различных
металлов и полному осаждению (табл. 1.10), зависят от природы металлов, кон-
центрации их в растворе, температуры, содержания примесей. Например, при со-
вместном осаждении двух или нескольких ионов металлов при pH = const; дости-
гаются лучшие результаты, чем при осаждении каждого из металлов в отдельно-
сти. При этом образуются смешанные кристаллы и происходит адсорбция на по-
верхности твердой фазы ионов металлов, благодаря чему достигается более пол-
ная очистка от некоторых металлов.
Таблица L10
Значения pH в процессе осаждения гидроксидов металлов
Вид катиона Значения pH
начало осаждения* полное осаждение* *
Железо Fe+2 7,5 9,7
Железо Fe+2 2,3 4,1
Цинк Zn2+ 6,4 8,0
Хром Сг3+ 4,9 6,8
Никель Ni2+ 7,7 9,5
Алюминии А13+ 40 5,2
Кадмий Cd2+ 8,2 9,7
* При исходной концентрации осаждаемого иона 0,01 моль/л.
** Значения pH соответствуют остаточной концентрации металла 10 моль/л.
Очистка от соединений ртути. Сточные воды, загрязненные ртутью и ее со-
единениями, образуются при производстве хлора и едкого натра, в других про-
цессах электролиза с использованием ртутных электродов, на ртутных заводах, в
некоторых гальванических производствах, при изготовлении красителей, углево-
дородов, на предприятиях, использующих ртуть как катализатор.
121
В производственных сточных водах может присутствовать металлическая ртуть,
неорганические и органические ее соединения. Неорганические соединения ртути:
оксид - HgO, хлорид (сулема) - HgCl2, сульфат - HgSO4, сульфид (киноварь) - HgS,
нитрат - Hg(NO3)2, цианид - Hg(NCS)2, тиоцианат - Hg(OCN)2, цианат - Hg(OCN)2.
В неорганических соединениях токсичны главным образом ионы Hg2+, поэтому
наиболее опасны хорошо растворимые и легко диссоциирующие соли.
Органические соединения ртути применяют при консервировании древесины,
при синтезе металлорганических соединений, как ядохимикаты, для защиты пла-
стических материалов, бумажной массы и текстиля, казеиновых клеев от плесне-
вых грибков. Органические соединения ртути весьма токсичны и отличаются от
неорганических солей тем, что не дают реакции на ионы Hg. В водоемах ртуть
под влиянием органических соединений, содержащихся в природных водах, пре-
вращается в сильнотоксичные соединения. Предельно допустимая концентрация
ртути в водоемах равна 0,005 мг/л.
Металлическая ртуть может быть удалена из сточных вод в процессах отстаи-
вания или фильтрования. Частицы, прошедшие с фильтратом или не успевшие
осесть, окисляют хлором или NaOCl floHgCl2. Затем воду обрабатывают восста-
новителем (NaHSO4 или Na2SO3) для их удаления и связывания остатков свобод-
ного хлора. Ртуть осаждают сульфидом натрия с последующим коагулированием
образующегося сульфида ртути хлоридом железа. Очистка может быть осущест-
влена смешанной солью - сульфидом железа и сульфатом бария.
Для выделения из сточных вод ртути используют методы восстановления:
сульфидом железа, гидросульфидом натрия, гидразином, железным порошком,
газообразным сероводородом и др. Широко изучаются сорбционные методы очи-
стки от ртути. Весьма эффективным является ионный обмен с винилпиридино-
выми сорбентами, емкость которых доходит до 40 %. Наиболее распространен-
ным способом удаления растворимых в воде соединений ртути является перевод
их в трудно растворимый сульфид ртути и осаждение его.
Произведение растворимости HgS в воде равно 1,6-10-20, что отвечает оста-
точной концентрации в растворе, равной 2,5-КГ21 мг/л. Для осаждения Hg в сточ-
ные воды сначала добавляют сульфид натрия, гидросульфид натрия или серово-
дород. Затем обрабатывают воду хлоридами натрия, калия, магния, кальция или
сульфитом магния в количестве 0,1 г/л. В этих условиях сульфид ртути осаждает-
ся в виде гранул. Для удаления тонкодисперсных коллоидных частичек сульфида
ртути целесообразно добавлять коагулянты A1(SO4)3-18H2O, FeSO4-7H2O и др.
Осадок сульфида ртути отделяют от сточных вод на вакуум-фильтрах или
фильтр-прессах. Отделение HgS до остаточной концентрации 0,001 мг/л можно
обеспечить и на угольных фильтрах. Отработанный уголь, содержащий сульфид
ртути, сжигают в печи или подвергают обработке для рекуперации ртути. Для
удаления из растворов соединений ртути можно использовать и свежеосажден-
ный сульфид железа, который получают при взаимодействии ионов S2- или
FeSO4-7H2O, FeCl3-6H2O. Для очистки может быть применена и смесь сульфида
железа с сульфатом бария при избытке сульфида железа. Растворенные неорга-
нические соединения ртути можно восстанавливать до металлической ртути с по-
следующим выделением из воды.
122
Кроме методов осаждения для очистки сточных вод от неорганических со-
единений ртути могут быть использованы и сорбционные методы.
Изучен процесс образования амальгамы ртути в электрическом поле. Способ
пригоден для очистки сточных вод, содержащих от 0,01 до 100 мг/л соединений
ртути. В этом процессе сточная вода фильтруется через слои стеклянных шаров,
покрытых медью или цинком. Шары являются катодом, а наружный корпус ап-
парата - анодом. При регенерации фильтрующей загрузки производят переполю-
совку электродов.
Органические соединения ртути сначала разрушают окислением, например
газообразным хлором. После удаления избытка хлора катионы ртути восстанав-
ливают до металлической или переводят в труднорастворимые сульфиды с по-
следующим удалением осадка.
Очистка от соединений цинка, меди, никеля, свинца, кадмия, кобальта. Соли
этих металлов содержатся в сточных водах горно-обогатительных фабрик, метал-
лургических, машиностроительных, металлообрабатывающих, химических, хи-
мико-фармацевтических, лакокрасочных, текстильных и др. заводов.
При обработке кислых вод оксидом кальция и гидроксидом натрия ионы ука-
занных тяжелых металлов, содержащиеся в стоках, связываются в трудно раство-
римые соединения. Состав солей зависит от pH среды. Так, при pH = 7 осаждает-
ся гидроксидсульфат цинка состава ZnSO4-3Zn(OH)2, а при повышении pH до 8,8
составу осадка соответствует формула ZnSO4-5Zn(OH)2. В сильнощелочной среде
твердая фаза представляет собой в основном гидроксид.
При обработке стоков, содержащих соли цинка, гидроксидом натрия дозиро-
вание реагента необходимо проводить при строгом контроле за pH обрабатывае-
мого стока с тем, чтобы не создать условии для растворения амфотерных гидро-
ксидов. Выделение катионов Zn2+ щелочами основано на переводе их в трудно
растворимых гидроксид цинка:
Zh2+ + 2ОН~ Zn(OH)2 .
Произведение растворимости гидроксида цинка составляет 7,1-1018, началу
выпадения в осадок соответствует pH = 5,4. При pH = 10,5 начинается растворе-
ние амфотерных гидроксидов цинка, а при достижении pH =12 происходит обра-
зование комплекса:
Zn(OH)2 + 2ОН~ [Zn(OH)2\~.
Исходя из этого, очистку следует проводить при pH = 8-9. В этих условиях
происходит максимальное осаждение гидроксида цинка.
При действии соды на сточные воды, содержащие соли цинка, образуются
гидроксокарбонаты:
2ZnCl2 + 2Na2CO3 + Н2О 4NaCl + СО2 + (ZnOH)2СО3
При значениях pH от 7 до 9,5 образуется основной карбонат состава
2ZnCO3 3Zn(ОН)2, начиная с pH = 10 доля гидроксида возрастает.
Хотя осаждение основных карбонатов начинается при более низких значени-
ях pH, чем соответствующих гидроксидов, расход соды на осаждение выше, чем
при использовании едкого натра или извести. Это объясняется тем, что при осаж-
123
дении тяжелых металлов содой процесс идет через стадию образования гидро-
карбонатов и для завершения реакции требуется избыток реагента.
Выделение диоксида углерода в результате осаждения содой ведет к тому,
что пузырьки газа обволакивают частицы осадка и поднимают их, способствуя
всплытию части осадка в отстойниках. Газ необходимо удалять продувкой возду-
хом по достижении pH = 4,5.
К недостаткам едкого натра и соды как реагентов следует отнести также их
относительно высокую стоимость и дефицитность.
Очистка сточных вод от меди связана с осаждением ее в виде гидроксида или
гидроксидкарбоната:
Си2+ + SOH~ Си(ОН)2,
2Си2+ + 2ОН~ + СО2~ (СиОН)2СО3 Ф.
Осаждение гидроксида меди происходит при pH = 5,3.
Растворимость гидроксикорбаната меди ничтожно мала, поэтому наиболее
выгодно осаждать медь в виде основного карбоната. Для этого в растворе нейтра-
лизующего агента необходимо иметь одновременно как гидроксидные, так и кар-
бонатные ионы. Следовательно, применение для осаждения меди только щелочей
или извести высшего сорта, дающих гидроксид-ионы, нецелесообразно. Лучшим
реагентом для очистки сточных вод от катионов меди является известь III сорта,
содержащая «недожит» (СаСО3).
Возможен процесс извлечения меди из сточных вод осаждением ферроциани-
дом калия. Этот реагент может быть использован и для осаждения других ионов
тяжелых металлов.
Для удаления из сточных вод меди и кадмия разработан процесс контактиро-
вания их с диоксидом серы или сульфитами и порошкообразным металлом, на-
пример, цинком или железом. При этом металл восстанавливает сульфиты до
сульфидов, которые с тяжелыми металлами образуют труднорастворимые суль-
фиды. При pH = 2 и температуре сточных вод 50 °C, при которых проводится
процесс, достигается высокая степень очистки.
Очистка сточных вод от никеля основана на выделении его из раствора в виде
труднорастворимых соединений:
М2+ + 2ОН~ Ni(OH)2 Ф,
М2+ + СО2~ + 2ОН~ -> (NIOH)2СО3 Ф,
Ni2+ + СО2- -+NiCO3l.
Осаждение гидроксида никеля начинается при рН=6,7. Произведение раство-
римости Ni(OH)2 равно 2,0-10-18 . Так же как и для меди, концентрация катионов
никеля чрезвычайно зависит от pH: при pH = 8,0 она составляет 23,5 мг/л, а при
pH = 9,5 только 0,5 мг/л. Произведение растворимости карбоната никеля выше,
чем гидроксида и равно 6, 6-10-9. Растворимость гидроксидкарбонат никеля прак-
тически равна нулю, поэтому для наиболее полного удаления никеля следует (так
же как и для меди) применять известь III сорта, содержащую СаСОз.
Находящиеся в растворе катионы свинца переводят в осадок в виде одного из
трех труднорастворимых соединений:
124
Pb2+ + OH~ -> Pb(OH)2 Ф,
2Pb2+ + 2OH~ + CO^> (PbOH)2CO3
Pb2+ + CO2~ ^>PbCO3\,.
Началу выпадения в осадок гидроксида свинца соответствует pH = 6,0. Про-
изведение его растворимости равно 1,1 10” 20 , карбоната свинца - 1,0 - 10”13.
Основной карбонат свинца в воде нерастворим. Приведенные данные показыва-
ют, что для очистки от свинца применимы все три метода. Наиболее дешевым из
них является получение карбоната свинца с использованием в качестве реагента
осадителя известняка, мела, мрамора. Ввиду того, что они являются твердыми
минеральными породами, их можно применять в качестве загрузки фильтров, че-
рез которые профильтровывают очищаемые стоки.
Несмотря на то, что в сточных водах обычно содержатся катионы нескольких
металлов, применение для удаления каждого из них специфического осадителя
метода невозможно. Поэтому сточную воду обрабатывают обычно гидроксидом
кальция (известковым молоком), приготовляемым из извести III сорта; при этом
происходит одновременное осаждение катионов тяжелых металлов в виде гидро-
ксолей, гидроксидов и карбонатов. Установлено, что при совместном осаждении
нескольких металлов достигаются лучшие результаты, чем при осаждении каж-
дого из металлов в отдельности. Это связано с образованием смешанных кри-
сталлов и адсорбцией ионов металлов на поверхности твердой фазы.
Для повышения степени очистки сточных вод, содержащих тяжелые метал-
лы, предложено после осаждения их гидроксидов известью при pH - 8,5 и отде-
ления осадка вводить в осветленную сточную воду раствор Na2SiO3 в количест-
ве, в 5-30 раз превышающем стехиометрическую норму. После отделения осад-
ка сточная вода с небольшим содержанием ионов тяжелых металлов может быть
возвращена в систему оборотного водоснабжения.
Обработка сточных вод щелочными реагентами позволяет снизить содержа-
ние тяжелых металлов в растворе до величин, сопоставимых с ПДК для водоемов
санитарно-бытового пользования. Однако когда требуется более глубокая очист-
ка, например, при непосредственном сбросе в рыбохозяйственные водоемы, очи-
стка щелочными реагентами не дает необходимого эффекта.
Более глубокая очистка от тяжелых металлов достигается при обработке
сточных вод сульфидом натрия. Это связано с тем, что растворимость сульфидов
тяжелых металлов значительно меньше растворимости любых других труднорас-
творимых соединений - гидроксидов и карбонатов.
Для удаления небольших количеств ионов тяжелых металлов, возможно, ис-
пользовать пирит. Процесс можно проводить фильтрованием сточной воды через
гранулированный пирит или непосредственным введением порошка в сточную
воду. Кроме пирита для этой цели можно использовать сульфид любого другого
нетоксичного металла, произведение растворимости которого больше произведе-
ния растворимости сульфида извлекаемого из сточной воды металла.
Поскольку гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчи-
вые коллоидные системы для интенсификации процесса их осаждения в сточ-
ные воды необходимо вводить коагулянты и флокулянты. Коллоидные части-
125
цы сульфидов имеют отрицательный заряд, поэтому для коагуляции сульфидов
используют электролиты с многозарядными катионами - обычно сульфаты
алюминия или трехвалентного железа. При коагуляции гидроксидов требуется
электролит с многозарядными анионами, т.к. коллоидные частицы заряжены
положительно. Хорошими коагулянтами гидроксидов являются сульфат-ионы.
Помимо электролитной коагуляции на практике часто используют взаимную
коагуляцию коллоидных растворов с противоположным зарядом частиц. Для
ускорения процесса коагуляции используют флокулянты, в основном полиак-
риламид. Добавка его в количестве 0,01 % от массы сухого вещества увеличи-
вает скорость выпадения осадков гидроксидов металлов в 2-3 раза.
Схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с отделе-
нием осадков показана на рис. 1.59.
Рис. 1.59. Схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов
Недостатком такой очистки является образование большого количества труд-
но обезвоживаемого шлама. Кроме того, очищенная вода содержит большое ко-
126
личество солей кальция, поэтому ее трудно использовать в оборотном водоснаб-
жении. Исходя из этого, предложено обрабатывать слив после отстаивания по-
следовательно хлоридом кальция и содой. При этом происходит соосаждение
карбонатов металлов с карбонатом кальция. Образующиеся кристаллические
осадки карбонатов металлов имеют незначительный объем и легко обезвожива-
ются. Одновременно происходит умягчение воды, что создает возможность ис-
пользования ее в системе оборотного водоснабжения.
Очистка от соединений мышьяка. Предельно допустимая концентрация
мышьяка в водоемах равна 0,05 мг/л. Для очистки сточных вод от мышьяка при-
меняют реагентные, сорбционные, электрохимические, экстракционные и другие
методы. Выбор метода зависит от формы растворенного мышьяка, состава, ки-
слотности и других показателей воды.
Для очистки больших объемов воды с высоким содержанием мышьяка прак-
тическое применение нашел метод химического его осаждения в виде труднорас-
творимых соединений (арсенаты и арсениты щелочноземельных и тяжелых ме-
таллов, сульфиды и триоксид мышьяка).
Для очистки от кислородсодержащих соединений мышьяка широко приме-
няют известковое молоко. При этом в зависимости от состава сточных вод и ус-
ловий очистки (pH, температура, расход реагента) выпадают в осадок арсенаты и
арсениты различного состава. Присутствие в сточных водах ионов тяжелых ме-
таллов повышает степень очистки от мышьяка, т.к. происходит осаждение арсе-
натов и арсенитов этих металлов.
Из сильнокислых растворов мышьяк осаждают сульфидом натрия, сероводо-
родом. Очистку сульфидно-щелочных сточных вод от мышьяка, входящего в со-
став анионов тиосолей, проводят сульфатом железа (железным купоросом).
Соединения пятивалентного мышьяка удаляются из сточных вод лучше, чем
трехвалентного. Кроме того, хранение осадков, содержащих пятивалентный
мышьяк, дешевле, т.к. он менее токсичен и менее растворим. Исходя из этого, со-
единения трехвалентного мышьяка перед осаждением окисляют до пятивалентно-
го. В качестве окислителей используют хлорную известь, хлор, гипохлоритную
пульпу, пероксид водорода, азотную кислоту, озон, пиролюзит и др.
Пиролюзит - природный материал, состоящий в основном из диоксида мар-
ганца, широко используют для окисления трехвалентного мышьяка. В кислой
среде процесс протекает следующим образом:
H3AsO3 + MnO2 + H2SO4 = H3AsO4 + MnO4 + Н2О.
Оптимальный режим окисления: расход МпО2 - четырехкратный по сравне-
нию со стехиометрическим, кислотность раствора 30-40 г/л серной кислоты, тем-
пература 70-80 °C, время окисления 3 ч.
После окисления мышьяка проводят его осаждение в виде арсенита марган-
ца при нейтрализации гидроксидом кальция (известковым молоком) до pH = 6-9.
Затем осадок отфильтровывают и захороняют в водонепроницаемых траншеях.
Стоки с небольшой концентрацией мышьяка окисляют путем фильтрования
воды через слой пиролюзита. Осаждение проводят известковым молоком в при-
сутствии фосфат-ионов.
127
Кроме окислительной способности пиролюзит обладает сорбционными свой-
ствами. Величина сорбционной емкости его по трех- и пятивалентному мышьяку
соответственно равна 12,6 и 29,9 мг/л. При увеличении pH раствора количество
сорбируемого мышьяка на пиролюзите и окислительная способность его умень-
шаются. В кислых средах (pH < 1) сорбционная способность падает, а окисли-
тельная возрастает.
Присутствующие в сточной воде другие катионы и анионы, сорбируясь на
пиролюзите, ухудшают его окислительную способность.
Окислительная способность диоксида марганца постепенно снижается в ре-
зультате процессов сорбции и заиливания поверхности зерен пиролюзита. Для
активации пиролюзит обрабатывают концентрированной серной кислотой или
едким натром. Кислота меньше десорбирует мышьяк, но полнее растворяет
шлам, образующийся на поверхности пиролюзита.
Очистка от солей железа. В природных водах содержание железа колеблется
от 0,01 до 26 мг/л. Кроме того, железо содержится в сточных водах химических,
металлургических, машиностроительных, металлообрабатывающих, нефтехими-
ческих, текстильных, химико-фармацевтических и других производств. При со-
держании железа более 1 мг/л вода приобретает бурый цвет. При движении такой
воды по трубопроводам на их стенках откладываются соединения железа и желе-
зобактерии, уменьшая сечение трубопровода.
В водоемах ПДК солей железа в пересчете на Fe2+ равняется 0,5 мг/л. В то же
время, в некоторых производствах технологическая вода и вода, находящаяся в
обороте, не должна содержать соединений железа более 0,05 мг/л, например в
производствах капрона, найлона, целлофана, натурального и вискозного шелка,
кинопленки, электроники, полупроводников и др. Для указанных производств
требуется глубокая очистка природных и сточных вод от соединений железа.
Для обезжелезивания вод применяют аэрацию, реагентные методы, электро-
диализ, адсорбцию, обратный осмос.
В процессе аэрирования происходит окисление двухвалентного железа в
трехвалентное. Реакция окисления в водном растворе протекает по схеме:
4Fe2+ + О2 + 2Н2О = 4Fe3+ + 4ОН~,
Fe3+ + ЗН2О = Fe(OH )3 + 3FF.
Или суммарно:
4Fe2+ + О2 + ЮНр = 4Fe(OH )3 + 8Н+.
В присутствии гидрокарбонатных ионов в воде окисление двухвалентного
железа и гидролиз трехвалентного железа протекают по реакции:
4Fe2+ + 8НСО~3 + 2Н2О = 4Fe(OH)3 Ф +8СО2 Т.
На окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,143 мг кислорода. Для
обеспечения высокой скорости химической реакции содержание кислорода в воде
должно быть 0,5-0,9 мг на 1 мг железа.
Процесс аэрирования проводят в вентиляционной градирне. В том случае, ко-
гда необходимо обогащать воду кислородом и удалять часть свободного оксида
углерода, используют градирни с хордовой насадкой, представляющей собой щи-
ты из досок. Для приблизительной оценки размеров градирни можно исходить из
128
следующего: расход воды на 1 м2 площади градирни 40 мг, расход воздуха 7 мг
воды. Использование другой насадки нецелесообразно, т.к. может произойти ее
забивка соединениями железа.
После аэрирования необходимо отделить осадок гидроксида железа. Для этой цели
используют процессы отстаивания и фильтрования. Осадок гидроксида железа можно
использовать для приготовления красок или для очистки газов от сероводорода.
В процессе осаждения гидроксида железа происходит уплотнение осадка ам-
фотерного Fe(OH)3 в гематита Fe2O3: 2Fe(OH)3= Fe2O3+3H2O.
При высоком содержании железа в воде аэрационным методом его полностью
удалить нельзя, поэтому применяют реагентные методы. Для этой цели исполь-
зуют хлор, хлорат кальция (хлорную известь), перманганат калия, озон, оксид
кальция (известь), карбонат натрия (соду) и др. Реагенты дозируются в воду пе-
ред осветлителями или отстойниками.
При взаимодействии с хлором протекает следующая реакция:
Fe(HCO3 )2 + Cl2 + Са(НСО3)2 2Fe(OH) +СаС12 + 6СО2 Т.
Скорость этой реакции увеличивается с повышением pH. На окисление 1 мг двухва-
лентного железа расходуется 0,64 мг С1;. В случае использования хлората кальция его
используют в виде 1-2 %-го раствора, который дозируют непосредственно в сточную
воду. Окисление двухвалентного железа перманганатом калия проходит по уравнению:
3Fe(HCO3)2 + КМпО4 + 2Н2О 3Fe(OH)3 + МпО2 + 5СО2 + КНСО3.
Если железо содержится в воде в виде органических соединений или колло-
идных частиц, применяют озонирование. При этом на 1 массовую часть железа
требуется 1 массовая часть озона.
Очистка от соединений марганца. Соединения марганца содержатся в сточной
воде металлургических, машиностроительных и химических производств. При кон-
центрации марганца более 0,05 мг/л вода окрашивается в темный цвет. Некоторые
производства предъявляют жесткие требования к содержанию марганца в воде (бу-
мажная, текстильная, кинокопировальная, синтетических волокон, пластмасс).
Удаление из воды марганца может быть достигнуто следующими методами:
1) обработкой воды перманганатом калия;
2) аэрацией, совмещенной с известкованием;
3) фильтрованием воды через марганцевый песок или марганцевый катионит;
4) окислением озоном, хлором или диоксидом хлора.
При обработке воды перманганатом калия достигается одновременная очист-
ка от марганца и от железа. Перманганат калия окисляют с образованием мало-
растворимого диоксида марганца:
ЗМп2+ + 2МпО4~ + 2Н2О 5МпО2 +4Н+.
В этом процессе 1 мг КМнО4 окисляет 0,53 мг Мп +.Наибольший эффект дос-
тигается при обработке воды дозой 2 мг КМпОд на 1 мг. Осадок диоксида мар-
ганца удаляют фильтрованием.
Удаление марганца аэрацией с подщелачиванием воды применяют при одно-
временном присутствии в ней марганца и железа. При аэрации воды удаляется часть
диоксида углерода и происходит ее насыщение кислородом воздуха. При удалении
129
СО2 возрастает pH сточной воды, что способствует ускорению процессов окисления
и гидролиза железа и частично марганца с образованием гидроксидов.
Двухвалентный марганец медленно окисляется в трех- и четырехвалентный
растворенным в воде кислородом. Окисление марганца происходит при pH = 9-9,5.
Образующийся гидроксид марганца выпадает в осадок в виде Мн(ОН)3 и Мн(ОН)4.
Растворимость этих соединений 0,01 мг/л, образующийся Мн(ОН)4 снова участву-
ет в процессе, являясь катализатором окисления марганца.
При pH = 9,5 марганец удаляется почти полностью, при pH < 7,5 кислородом
воздуха он почти не окисляется. Для ускорения процесса окисления марганца во-
ду после аэрации до подачи на фильтры подщелачивают известью или содой для
повышения pH, затем осветляют в осветлителях или отстойниках. Процесс окис-
ления Мн2+ резко ускоряется, если аэрированную воду фильтруют через контакт-
ный фильтр, загруженный дробленым пиролюзитом (МнО2’Н2О) либо кварцевым
песком, предварительно обработанным оксидами марганца.
Двухвалентный марганец может быть удален из воды в процессе окисления
его хлором, озоном или диоксидом хлора. Скорость окисления Мн хлором зави-
сит от pH среды. При pH = 7 за 60-90 мин окисляется всего 50 % Мп2+. При под-
щелачивании известью до pH = 8 Мн окисляется практически полностью. Расход
С12 на окисление 1 мг Мн составляет 1,3 мг. При наличии в воде аммонийных со-
лей расход хлора увеличивается.
Диоксид хлора и озон при рН=6,5-7 окисляют Мн2+ за 10-15 мин. На окисле-
ние 1 мг Мн2 расходуется 1,35 мг СЮ2 или 1,45 мг О3. Однако применение этих
окислителей требует строительства сложных установок, поэтому их практически
не используют.
Марганец может быть удален из воды биохимическим окислением. Процесс про-
водят следующим образом. На песке фильтра высеивают особый вид марганец потреб-
ляющих бактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности поглощают из воды
марганец. Отмирающие бактерии образуют на зернах песка пористую массу с высоким
содержанием оксида марганца, который служит катализатором процесса окисления.
Марганец из воды может быть удален при помощи марганцевого катионита, ко-
торый приготовляют, пропуская через любой катионит в натриевой форме растворы
хлорида марганца и перманганата калия. При этом происходят следующие реакции:
Na [Nam] + МпС12 Мп [Nam] + Na+ + СГ,
Мп [ Nam ] + Me + МпСЦ ME [ Nam ] + Мп О2,
где Me - катион Na+ или К+.
В этих процессах перманганат калия окисляет марганец с образованием окси-
дов марганца, которые в виде пленки оседают на поверхности зерен катионита.
При регенерации пленку восстанавливают раствором перманганата калия.
Из рассмотренных методов наиболее эффективным является метод обра-
ботки перманганатом калия. Он не требует сложного оборудования и просто
контролируется.
130
7. Биологическая очистка сточных вод
Метод основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использо-
вать в качестве источников питания разнообразные органические соединения,
подвергая последние биохимическим превращениям. Использование свойств
адаптации бактерий активного ила позволяет успешно решать вопросы биологи-
ческой очистки стоков воды химических производств, содержащих сложные ор-
ганические соединения неприродного происхождения.
Разрушение органических соединений при помощи микроорганизмов называ-
ют биохимическим окислением. Окисление органических веществ происходит
избирательно, поэтому некоторые соединения разрушаются легко, другие - мед-
ленно или совсем не окисляются.
Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных
вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп микроорганиз-
мов, для жизнедеятельности которых требуются постоянный приток кислорода и
температура 20-40 °C. При изменении кислородного и температурного режимов
меняются состав и число микроорганизмов, а, следовательно, и эффективность
очистки стоков. В случае анаэробной очистки микроорганизмы культивируются в
активном иле или биопленке, биохимические процессы протекают без доступа ки-
слорода. Этот метод используют главным образом для обезвреживания осадков.
Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных ус-
ловиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происхо-
дит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственны-
ми сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Тип со-
оружений выбирают с учетом местоположения предприятия, климатических усло-
вий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, со-
става и концентрации загрязнений. В искусственных сооружениях процессы очист-
ки протекают с большей скоростью, чем в естественных условиях.
Поля орошения - это специально подготовленные земельные участки, ис-
пользуемые одновременно для очищения сточных вод и агрокультурных целей.
Очистка сточных вод в этих условиях идет под действием почвенной микрофло-
ры, солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.
В процессе биологической очистки сточные воды проходят через фильтрую-
щий слой почвы, в котором задерживаются взвешенные и коллоидные частицы,
образуя в порах грунта микробиальную пленку. Затем образовавшаяся пленка ад-
сорбирует коллоидные частицы и растворенные в сточных водах вещества. Про-
никающий из воздуха в поры кислород окисляет органические вещества, превра-
щая их в минеральные соединения. В глубокие слои почвы проникание кислоро-
да затруднено, поэтому наиболее интенсивное окисление происходит в верхних
слоях почвы (0,2-0,4 м). При недостатке кислорода в прудах начинают преобла-
дать анаэробные процессы.
Биологические пруды представляют собой каскад прудов, состоящий из 3-5
ступеней, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или био-
логически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической
очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными соору-
131
жениями. Различают пруды с естественной или искусственной аэрацией. Пруды с
естественной аэрацией имеют небольшую глубину (0,5 - 1 м), хорошо прогрева-
ются солнцем и заселены водными организмами.
Для нормальной работы необходимо соблюдать оптимальные значения pH и
температуры сточных вод. Температура должна быть не менее 6 °C. В зимнее
время пруды не работают.
При расчете прудов определяют их размеры, обеспечивающие необходимую
продолжительность пребывания в них сточных вод. В основе расчета определе-
ние скорости окисления, которую оценивают по ВПК и принимают для вещества,
разлагающегося наиболее медленно.
Перед использованием воды, доочищенной в биологическом пруде, в системе
технического водоснабжения ее обрабатывают хлором.
В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.
Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс
очистки в аэротенке идет по мере протекания через него аэрированной смеси
сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кисло-
родом и поддержания ила во взвешенном состоянии.
Аэротенк представляет собой открытый бассейн, оборудованный устройст-
вами для принудительной аэрации. Они бывают двух-, трех- и четырехкоридор-
ные. Глубина аэротенков 2 - 5 м.
Аэротенки подразделяются по следующим основным признакам:
1) по гидродинамическому режиму - на аэротенки-вытеснители, аэротенки-
смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредоточенным вводом сточ-
ных вод);
2) по способу регенерации активного ила - на аэротенки с отдельной регене-
рацией и аэротенки без отдельной регенерации;
3) по нагрузке на активный ил - на высоконагружаемые (для неполной очист-
ки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);
4) по количеству ступеней - на одно-, двух- и многоступенчатые;
5) по режиму ввода сточных вод - на проточные, полупроточные, с перемен-
ным рабочим уровнем и контактные;
6) по конструктивным признакам.
В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало сооружения, а смесь
отводят в конце его. Повышенная концентрация загрязнений в начале сооружения
обеспечивает увеличение скорости их окисления. Изменение состава воды по ддине
аэротенка затрудняет адаптацию ила и снижает его активность. Такие аэротенки
применяют ддя окисления малоконцентрированных вод (до 300 мг/л по БПКполн).
В аэротенках-смесителях воду и ил вводят равномерно вдоль длинных сто-
рон коридора аэротенка. Полное смешение в них сточной воды с иловой смесью
обеспечивает выравнивание концентраций ила и скоростей процесса биохимиче-
ского окисления. Такие аэротенки предназначены для очистки концентрирован-
ных производственных сточных вод (БПКполн до 1000 мг/л) при разных колеба-
ниях их распада, состава и количества загрязнений.
В аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды ее подают в не-
скольких точках по длине аэротенка, а отводят из торцевой части.
132
Возвратный ил полностью подают в начало аэротенка. Эти аппараты занима-
ют промежуточное положение между вытеснительными и смесительными.
В аэротенке-осветителе сточная вода поступает в зону аэрации, где смеши-
вается с активным илом и аэрируется. Затем смесь через окна попадает в зону ос-
ветления и зону дегазации. В зоне осветления возникает взвешенный слой актив-
ного ила, через который фильтруется иловая смесь. Очищенная вода через лотки
удаляется из аэротенка.
Двухкамерные аэротенки-отстойники (рис. L60) являются разновидностью
аэротенков-осветителей. В них зона аэрации разделена вертикальной перфориро-
ванной перегородкой на две камеры. В первой камере происходит насыщение
иловой смеси кислородом и сорбция загрязнений активным илом, во второй -
окисление сорбированных загрязнений и стабилизация активного ила. Избыточ-
ный ил удаляется из зоны осветления.
Рис. 1.60. Двухкамерный аэротенк-отстойник:
1 - импеллерный аэратор; 2 - зона предварительного обогащения;
3 - перегородка; 4 - роторный аэратор; 5 - зона ферментации: 6 - зона ос-
ветления
Аэрация. Растворимость кислорода в воде мала (зависит от температуры и
давления), поэтому для насыщения ее кислородом подают большое количество
воздуха.
Растворимость кислорода в чистой воде при давлении 0,1 МПа представлена
ниже:
Температура, °C 5 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Растворимость, мг/л 12,8 11,3 10,8 10,3 9,8 9,4 9,0 8,7 8,3 8,0 7,7
При аэрации должна быть обеспечена большая поверхность контакта между
воздухом, сточной водой и илом, что является необходимым условием эффектив-
ной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмо-
механический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэра-
ции зависит от типа аэротенка и от необходимой интенсивности аэрации.
Аэраторы могут быть с вертикальной и горизонтальной осью вращения.
Аэраторы с вертикальной осью вращения делятся на поверхностные и заглублен-
ные в жидкость; по виду механизма аэрации они делятся на турбинные, импел-
лерные и струйные. Аэраторы с горизонтальной осью вращения могут быть по-
верхностные (роторные) и мешал очные.
Механизм аэрирования у аэраторов различной конструкции разный: 1) подсос
воздуха через поверхность жидкости в результате понижения давления в ней за
133
вращающимися лопатками; 2) насыщение кислородом струй и капель жидкости,
соприкасающихся с воздухом; 3) смешение воды и воздуха в межлопастном про-
странстве аэраторов в условиях резкого перепада давлений перед и за вращаю-
щимися лопатками; 4) подсос воздуха струями жидкости, падающими в основ-
ную массу жидкости; 5) растворение кислорода через обменивающиеся слои по-
верхности жидкости при ее турбулентном перемешивании.
Биофильтры это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая на-
садка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройства для сточной во-
ды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, по-
крытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют ор-
ганические вещества, используя их как источники питания и энергии. Таким об-
разом, из сточной воды удаляются органические вещества, а масса активной био-
пленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается проте-
кающей сточной водой и выносится из биофильтра.
В качестве загрузки используют различные материалы: щебень, гравий, шлак,
керамзит, керамические и пластмассовые кольца, кубы, шары, цилиндры, шести-
гранные блоки; металлические и пластмассовые сетки, скрученные в рулоны.
На эффективность очистки сточных вод в биофильтрах влияют биохимиче-
ские, массообменные, гидравлические и конструктивные параметры: БПК очи-
щаемой сточной воды, природа органических загрязнений, скорость окисления,
интенсивность дыхания микроорганизмов, масса веществ, абсорбируемых плен-
кой, толщина биопленки, состав обитающих в ней микроорганизмов, интенсив-
ность аэрации, площадь и высоту биофильтра, характеристика загрузки, физиче-
ские свойства сточной воды, температура процесса и гидравлическая нагрузка,
интенсивность рециркуляции, равномерность распределения сточной воды по се-
чению загрузки, степень смачиваемости биопленки.
8. Другие методы
Наряду с рассмотренными и распространенными методами очистки произ-
водственных сточных вод, реже находят применение также и другие физико-
химические методы.
Эвапорация. Эвапорашюнные методы очистки производственных сточных
вод подразделяются на пароциркуляционный и азеотропную ректификацию.
Пароциркуляционный метод применяется для удаления из сточных вод ле-
тучих веществ (фенолов, крезолов, ксиленолов, нафтолов и др.). Он основан на от-
гонке загрязнений с циркулирующим водяным паром и на последующей его от-
мывке от загрязнений раствором щёлочи. При нейтрализации щелочного раствора
загрязнения выделяются из него и могут быть отделены от водного слоя отстаива-
нием. Отгонка осуществляется в периодически действующих аппаратах или в не-
прерывно действующих дистцилляционных колоннах. При движении через колон-
ну с насадкой навстречу острому пару сточная вода нагревается до 100 °C. Нахо-
дящиеся в ней летучие примеси частично переходят в паровую фазу.
Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соеди-
нений образовывать азеотропные нераздельнокипящие смеси с водой. Сточная во-
134
да из емкости направляется в колонну, обогреваемую паром, где отгоняется часть
воды в виде азеотропной смеси с загрязняющим компонентом. Из нижней части
колонны выходит очищенная вода. Пары, выходящие через верх колонны, посту-
пают в конденсатор. Конденсат после дополнительного охлаждения направляется
в сепаратор, где разделяется на два слоя - водный и органический. Водный слой из
сепаратора сбрасывается в емкость исходной сточной воды, а загрязняющий ком-
понент поступает на дальнейшую переработку или на повторное использование.
Эвапорационные методы применяются для очистки сточных вод коксохими-
ческих и химических заводов, заводов синтетического каучука и др.
Выпаривание. Выпаривание сточных вод применяется для увеличения кон-
центрации солей, содержащихся в сточных водах, и ускорения их после дующей
кристаллизации, а также для обезвреживания небольших количеств высококон-
центрированных сточных вод (например, радиоактивных).
Испарение. В отличие от выпаривания, испарение осуществляется с откры-
той поверхности жидкости и происходит практически при любой температуре.
Площадь испарительных площадок рассчитывается в зависимости от климатиче-
ских и грунтовых условий.
Кристаллизация. Этот метод основывается на различной растворимости со-
держащихся в сточной воде веществ, зависящей не только от их вида, но и от
температуры растворителя. При изменении температуры сточных вод получают-
ся пересыщенные растворы находящихся в них веществ, а затем их кристаллы.
На этом принципе основан метод выделения из сточной воды кристаллов загряз-
няющего ее вещества, т.е. на естественном или ускоренном испарении жидкости.
Кристаллизация применяется при обработке небольших количеств концентриро-
ванных сточных вод.
Магнитная обработка. Находит применение при очистке сточных вод ме-
таллургической промышленности от ферромагнитных механических примесей, а
также в системах оборотного водоснабжения для предупреждения накипеобразо-
вания в теплообменных аппаратах.
Термоокислительные методы. В термоокислительных методах обезврежи-
вания органические примеси в сточных водах окисляются кислородом воздуха
при повышенной температуре до безвредных продуктов (Н2О, СО2). Выбор мето-
да обезвреживания зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной
способности, экономичности процесса и требований к очищенным стокам.
Наиболее распространенные из этих методов:
- парофазное окисление («огневой метод»);
- жидкофазное обезвреживание («мокрое сжигание»);
- каталитическое окисление.
Сущность «огневого» метода заключается в том, что сточная вода вводимая в
распыленном состоянии в высокотемпературные (900-1000 °C) продукты горения
топлива, испаряется, органические примеси в сточной воде сгорают, образуя про-
дукты полного сгорания. Минеральные примеси образ уют при этом твердые или
расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или уносят-
ся с дымовыми газами.
135
Огневой метод обезвреживания сточных вод является универсальным и ха-
рактеризуется высокой степенью очистки сточных вод (98 - 99,9 %). В этом ме-
тоде сточная вода вводится в распыленном состоянии в высокотемпературные
продукты сгорания топлива (900 - 1000 °C). Вода испаряется, а органические
примеси сгорают, образуя продукты полного сгорания (СОг, Н2О). Минеральные
примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые уда-
ляются из камеры печи.
Недостатком метода является высокий расход топлива на испарение воды и
перегрев пара до 900-1000 °C. В связи с этим огневой метод рекомендуется ис-
пользовать: во-первых, при большом количестве сточных вод, содержащих вы-
сокотоксичные органические примеси, обезвреживание которых другими ме-
тодами невозможно или экономически невыгодно; во-вторых, при наличии го-
рючих вторичных энергоресурсов, которые могут быть использованы вместо
топлива.
Сущность термоокислительного жидкофазного обезвреживания (рис. 1.61)
состоит в окислении кислородом воздуха органических примесей сточной во-
ды, находящихся в жидкой фазе при повышенных температуре (до 350 °C) и
давлении. Недостатком циклонных печей является большой унос солевой
массы потоком газ.
Рис. 1.61. Схема установки огневого обезвреживания сточных вод:
1 - нагнетательный насос; 2 - циклонный реактор; 3 - парогенератор (котел-
утилизатор); 4 - струйный аппарат; 5 - циркуляционный насос; 6 - емкость;
7 - каплеотделитель; 8 - дымовая труба
Продукты сгорания из реактора поступают в камеру охлаждения парогенера-
тора. Наличие эжектора позволяет исключить дымосос. Циркуляционный насос 5
используется для подачи раствора минеральных веществ из емкости 6 в реактор 2
136
и в струйный аппарат 4. Пройдя каплеотделитель 7, очищенные газы поступают в
дымовую трубу 8 и из нее в атмосферу. На некоторых установках используют для
утилизации тепла водогрейные котлы, водоаммиачные абсорбционные холодиль-
ные машины и циклоны для сухой очистки газа от каплеуноса.
В процессе обезвреживания сточных вод, содержащих органические соедине-
ния серы, хлора, нитросоединения, образуются SO2, SO3, Р2О5, НО, CI2, (NO)X.
Вещества эти могут взаимодействовать с образованием новых, более токсичных
соединений, что необходимо иметь в виду при удалении отходящих газов в ок-
ружающую среду.
Метод жидкофазного окисления основан на окислении органических веществ,
растворенных в сточной воде, кислородом воздуха при температуре 100 - 350 °C и
давлении 2-28 МПа. Повышение давления ускоряет процесс и глубину окисления
вследствие увеличения растворимости в воде кислорода. Жидкофазное окисление
осуществляется как на катализаторах, так и без них. В качестве катализаторов ис-
пользуются металлы (Pt, Pd, Си, Zn, Мп), нанесенные на оксид алюминия или ак-
тивированный уголь.
Принципиальная схема установки жидкофазного окисления органических со-
единений, содержащихся в сточной воде, показана на рис. 1.62.
Рис. 2.37. Схема установки жидкофазного окисления: 1 - сборник; 2 - насос;
3 - теплообменник; 4 - печь; 5 - реактор;6 - сепаратор
Загрязненная вода из сборника 7 насосом 2 подается в систему обезврежива-
ния горючих соединений. Вода нагревается в теплообменнике 3 и в печи 4, в ко-
торой сжигается природный газ. После отделения воды в сепараторе 6 газы вы-
брасываются, а очищенная вода охлаждается в теплообменнике 3, нагревая за-
грязненный поток.
137
В методе парофазного каталитического окисления используется гетерогенное
каталитическое окисление кислородом воздуха летучих органических соедине-
ний, находящихся в сточных водах. Процесс окисления интенсивно протекает в
присутствии медно-хромовых, медно-цинковых, медно-марганцевых катализато-
ров. При высокой температуре (350 - 400 °C) большинство органических веществ
подвергается полному окислению (98,5 - 99,9 %).
Применение парофазного окисления наиболее целесообразно в случае вывода
технологического потока в виде пара, направляемого в конденсаторы (из выпар-
ных аппаратов, ректификационных колонн, сушильных камер и т.д.). В данном
процессе могут быть использованы конструкции реакторов, характерные для ге-
терогенно-каталитических процессов.
Каталитическое окисление применяется при очистке сточных вод, загрязнен-
ных летучими веществами органического происхождения. По этому методу сточ-
ная вода подается в выпарной аппарат, где пары воды и органических веществ, а
также газы и воздух подогреваются до 300 °C, а затем смесь подается в контакт-
ный аппарат, загруженный катализатором. Обезвреженная парогазовая смесь ох-
лаждается и образующийся конденсат используется в производстве.
Термоокислительные методы очистки применяются при небольших расходах
сточных вод с высокой концентрацией загрязнений.
138
Глава 2. ПЕРЕРАБОТКА И ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ
Все образующиеся в результате жизнедеятельности человека отходы можно
разделить на отходы производства и потребления (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Классификация основных видов твердых отходов
Промышленные отходы или отходы производства - это остатки сырья, ма-
териалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или вы-
полнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские
свойства, а также образующиеся в процессе производства попутные вещества, не
находящие применения в данном производстве: вскрышные породы, образующиеся
при добыче полезных ископаемых, отходы сельского хозяйства, твердые вещества,
улавливаемые при очистке отходящих технологических газов и сточных вод, и т. д.
К отходам потребления относятся остатки веществ, материалов, предметов,
изделий, товаров (продукции или изделий), частично или полностью утративших
свои первоначальные потребительские свойства для использования по прямому или
косвенному назначению в результате физического или морального износа в процес-
сах общественного или личного потребления, использования или эксплуатации.
Особую санитарно-биологическую опасность представляют твердые быто-
вые отходы (ТБО), образующиеся в результате жизнедеятельности людей.
Загрязнение окружающей среды отходами производства и потребления яв-
ляется одной из острейших проблем человечества. Накопление огромных объе-
мов отходов в отвалах, хвостохранилищах, шламохранилищах и на других объек-
тах размещения отходов нарушает природные ландшафты, загрязняет воздушный
и водный бассейны, приводит к изъятию из хозяйственного оборота земель, на-
носит большой ущерб флоре и фауне, оказывает существенное негативное влия-
ние на качество жизни человека.
В России по различным оценкам, ежегодно образуется от 2,7 до 3,4 млрд т
отходов производства и потребления, в том числе: промышленные отходы -
2,6 млрд т, жидкие отходы сельскохозяйственного производства - 700 млн т,
твердые бытовые отходы - 35 - 40 млн т.
Общий объем неутилизированных отходов оценивается в 80 млрд т. При
этом количество вторично используемых отходов составляет около 26 % (в том
числе промышленные отходы перерабатываются на 35 %, твердые бытовые отхо-
ды - на 3 - 4 %) остальные отходы практически не перерабатываются.
139
Особую проблему представляют отходы промышленного производства.
В 2002 г. в России их образовалось 2 млрд т, наибольший объем составляют от-
ходы топливной промышленности (51,92 %), черной (19,58 %) и цветной метал-
лургии (12,33 %) - ежегодно в России образуется более 35 млн т металлолома.
Жизнедеятельность человека и общества в целом связана с образованием
твердых бытовых отходов. В увеличивающемся объеме твердых бытовых отхо-
дов большую долю составляют отходы упаковки и упаковочных материалов - в
среднем по России на человека приходится 50 кг упаковки в год. Остро стоит
проблема медицинских отходов, которых в России образуется 0,6 - 1 млн т в год,
что составляет около 2 % от общего объема твердых бытовых отходов.
Сложная ситуация с утилизацией ТБО в первую очередь объясняется еже-
годного возрастающими объемами образования ТБО, что приводят к острой не-
хватке мест, отводимых под свалки, которые, в свою очередь, являются экологи-
чески опасными объектами. Однако бытовой мусор является ценным материалом.
В среднем из 1 т отходов можно получить около 170 кг биогаза, 410 кг компоста,
50 кг первого отсева грубых элементов и металлолома, 250 кг второго отсева.
Около 70 % всех отсевов можно использовать для выработки тепла путем сжига-
ния, пиролиза, газификации, получения специального топлива. Поэтому необхо-
димо применять интенсивные методы утилизации ТБО: переработку с извлечени-
ем ценных компонентов (пластмассы, черных и цветных металлов, стекла, бумаги
и т. д.) и получения топливных гранул; сжигание с использованием различных
типов решеток; пиролиз; компостирование.
На территории России работают семь мусоросжигательных заводов и два
мусороперерабатывающих предприятия. В технологических циклах этих заводов
не предусмотрена предварительная сортировка мусора. Мусоросжигание без
предварительной сортировки приводит к выбросам в атмосферный воздух вред-
ных веществ, таких как диоксин, хлористый и фтористый водород, диоксид серы,
оксид азота и углерода, токсичные углеводороды и тяжелые металлы.
В ряде городов страны построены заводы по биотермической обработке ТБО
с использованием отечественного оборудования. Компостирование мусора про-
водится в биотермических барабанах производительностью 20...30 тыс. т в год.
При сортировке мусора выделяют цветные и черные металлы, стекло, текстиль,
макулатуру и другие инертные примеси. Получаемый компост используют сель-
ские и городские хозяйства в качестве биотоплива и органического удобрения.
140
2.1. Источники образования отходов производства
Основные источники образования промышленных отходов и их виды приве-
дены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Основное производство Основные процессы образования отходов Виды промышленных отходов
1 2 3
Водоснабжение, водоотведение и теплоснабжение Изготовление и установка эле- ментов систем водоснабжения, водоотведения и отопления в домах, учреждениях и на пред- приятиях Обрезки труб, резина, бу- мага, изоляционные и кон- струкционные материалы, строительный мусор
Предприятия по производству про- дуктов питания Переработка, упаковка и пере- возка Отходы мяса, жира, масла, кости, овощей, фруктов и др.
Лесопильные и де- ревообрабаты- вающие заводы, мебельные комби- наты и фабрики Изготовление и обработка пило- материалов, деревянных конст- рукций и изделий, домашней, кон- торской и мягкой мебели и обору- дования, перегородок, конторского и торгового оборудования Деревянные отходы, стружка, опилки, металлы, пластмассы, ткани, клеи, шпаклевка, краска, рас- творители, ткани, наби- вочный материал
Швейное производство Раскрой, пошив, сортировка по размерам, глажение Ткани, нитки, металлы, пла- стмассы, резина, кожа, мех
Овчинно-шубное и кожевенное производство Дубление и выделка кожи и ме- ха, раскрой и пошив изделий Обрезки кожи и меха, пряжа, красители, реакти- вы для обработки и дубле- ния кожи и меха
Резинотехническая промышленность Изготовление синтетического каучука и полимеров Остатки каучука и пласт- масс, ламповая сажа, от- вердители и красители, металлы
Химическое и фармацевтическое производство Обработка и изготовление неор- ганических химикатов, включая лаки, краски, взрывчатые веще- ства, лекарства, и др. материалы Органические и неоргани- ческие химикаты, метал- лы, пластмассы, резина, стекло, масла, лаки, рас- творители, пигменты
Картонно- целлюлозные ком- бинаты, типограф- ское и издатель- ское дело Изготовление бумаги и картона, переработка бумаги и картона, изготовление упаковочного ма- териала, издание газет и литера- туры, литографическая печать, гравирование и переплетные ра- боты Обрывки бумаги и тканей, химикалии, вещества, служащие наполнителями бумаги, картон, типограф- ская краска, клей, металлы
141
Окончание табл. 2.1
1 2 3
Металлургическая промышленность Плавление, отливка, ковка, воло- чение, прокат, формование, штамповка Лом черных и цветных ме- таллов, окалина, формо- вочные смеси, связующие материалы, шлаки
Металлообрабаты- вающая промыш- ленность и маши- ностроение Изготовление металлической та- ры, инструмента, скобяных изде- лий, водопроводной арматуры, строительных конструкций, обо- рудования и машин, судов для строительной, горной, транспорт- ной промышленности и флота Металлолом, формовоч- ные смеси, дерево, пласт- массы, смолы, резина, ткани, кожа, краски, рас- творители, нефтепродук- ты, гальваношлаки, стекло
Электротехниче- ская промышлен- ность Изготовление электротехническо- го оборудования, приборов и средств связи с использованием станочного оборудования, воло- чения, формования, сварки, штам- повки, гальваники, сушки и пайки Металлолом, графит, стекло, редкие и цветные металлы, резина, пласт- массы, смолы, стеклово- локно, обрезки ткани, краски, растворители
Приборостроение Изготовление аудио- и видеоап- паратуры, лабораторных и ис- следовательских приборов Металлы, стекло, пласт- массы, смолы, кожа, рези- на, кость, пластмассы, ткани, клеи, краски, рас- творители
Производство строительных ма- териалов и стекла Производство цемента, гипса, обработка камня и изготовление изделий из камня, абразивов, ас- бестоцементных изделий, полу- чение и обработка стекла Стекло, цемент, глина, ке- рамика, гипс, асбест, ка- мень, бумага, абразивы
2.2. Способы утилизации промышленных отходов
Основные способы утилизации промышленных отходов - складирование на
полигонах (захоронение) и сжигание.
Хранение или складирование отходов включает содержание их в специ-
ально оборудованных накопителях с временной нейтрализацией, направленной
на снижение негативного воздействия отходов на окружающую среду, до их из-
влечения с целью захоронения или специальной переработки. При хранении от-
ходов устанавливают срок нахождения каждого отхода в местах складирования.
Захоронение отходов - изоляция отходов, направленная на предотвращение
попадания загрязняющих веществ в окружающую среду, исключая возможность
дальнейшего использования этих отходов.
Отходы складируют на специально обустроенных и предназначенных для
этих целей площадках, в наземных и подземных сооружениях, находящихся как
142
на территории предприятий, так и за их пределами. К ним относятся накопители
промышленных отходов: хвосто- и шламохранилища, пруды и отстойники, мо-
гильники и другие накопители жидких производственных отходов, а также отва-
лы, терриконы, золо- и шлакоотвалы, предназначенные для складирования твер-
дых отходов различных производств.
Отходы размещают также на полигонах, на которых хранят и захоранивают
отдельные виды промышленных отходов или их совокупность, и на полигонах,
предназначенных для обезвреживания и захоронения опасных промышленных
отходов. Кроме того, в качестве мест и объектов размещения отходов используют
полигоны для совместного захоронения ТБО и отдельных видов промышленных
отходов, а также санкционированные накопители или свалки ТБО и нетоксичных
промышленных отходов.
Размещать отходы могут промышленные предприятия, объединения, орга-
низации, учреждения независимо от форм собственности и ведомственной под-
чиненности, физические лица, а также иностранные юридические и физические
лица, называемые природопользователями и осуществляющие любой вид дея-
тельности на территории РФ, в результате которой образуются отходы производ-
ства и потребления, за исключением радиоактивных отходов, их используют,
обезвреживают, складируют и захоранивают.
Для централизованного сбора, обезвреживания и захоронения токсичных от-
ходов промышленных предприятий, содержащих ртуть, мышьяк, свинец, цинк,
олово, кадмий, никель, сурьму, отходы гальванического производства, органиче-
ские растворители, пластмассы, нефтепродукты, использованные ртутные лампы
и т. д., создаются специальные полигоны.
Специализированные предприятия, осуществляющие производственную дея-
тельность с целью размещения отходов, также являются природопользователями.
В соответствии с экологическими требованиями, предъявляемыми к обра-
щению с отходами, природопользователь обязан принимать меры, направленные
на обеспечение охраны окружающей среды, и соблюдать действующие экологи-
ческие, санитарно-эпидемиологические и технологические нормы и правила.
Сбор отходов раздельно по видам, классам опасности и другим показателям
способствует более качественной их переработке и рациональному размещению.
Образование, сбор, накопление, хранение и первичная обработка отходов -
составные части технологического процесса, в ходе которого также образуются
отходы, и эти отходы должны быть отражены в технологической и другой норма-
тивно-технической документации. Поэтому деятельность природопользователя
должна быть направлена на сокращение объемов образования отходов, внедрение
малоотходных технологий, преобразование отходов во вторичное сырье или по-
лучение из них какой-либо продукции. При этом стремятся к образованию мини-
мума отходов, не подлежащих дальнейшей переработке и захоронению.
Все образующиеся отходы нормируют с целью обеспечения экологических тре-
бований законодательства Российской Федерации, где ддя природопользователей ус-
тановлены предельные нормы на образование и размещение отходов, чтобы не до-
пустить негативного воздействия их на окружающую среду, жизнь и здоровье людей.
143
2.3. Отходы потребления
К оходам потребления относятся промышленные отходы потребления и бы-
товые отходы (мусор, стеклобой, лом, макулатуру, пищевые отходы, тряпье ).
В крупных городах доля твердых бытовых отходов от количества образую-
щихся отходов производства и потребления составляет около 17 %.
Примерный состав ТБО в России приведен на рис. 2.2.
30,0%
□ другие материалы листе, дерево □ резина, кожа
□ текстиль пластик □ металл
Н стекло □ пищевые отходы бумага, картон
Рис. 2.2. Примерный состав ТБО в России
Источники образования ТБО:
- жилые дома;
- хозяйственные учреждения, магазины, предприятия общественного пита-
ния, гостиницы, культурные заведения;
- образовательные учреждения, больницы, тюрьмы;
- коммунальные службы;
- промышленность, сельское хозяйство.
Наиболее распространены в нашей стране и за рубежом такие методы пере-
работки ТБО, как складирование на полигонах, компостирование и сжигание.
2.4. Методы утилизации отходов производства и потребления
Выбор метода переработки отходов производства и потребления определя-
ется для конкретного региона в зависимости от необходимости решения проблем
охраны окружающей среды, здоровья населения, а также от экономической эф-
фективности и рационального использования земельных ресурсов. Учет клима-
144
тических, географических, градостроительных условий, а также численности об-
служиваемого населения определяет решение проблемы обезвреживания и ути-
лизации отходов в конкретных условиях. Известно более двадцати методов обез-
вреживания и утилизации ТБО.
По технологическому принципу методы переработки и обезвреживания ТБО
можно разделить на биологические, термические, химические, механические и
смешанные. По конечной цели методы переработки и обезвреживания ТБО де-
лятся на ликвидационные и утилизационные (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Классификация методов обезвреживания и утилизации ТБО
2.5. Переработка твердых бытовых отходов компостированием
Различают компостирование полевое и на специальных заводах. Протекаю-
щие при компостировании аэробные биохимические реакции, приводят к окисле-
нию целлюлозы до долучения углекислого газа и воды, при этом выделяется теп-
лота 2796 кДж на 1 моль глюкозы - составной части целлюлозы.
Суммарная химическая реакция имеет следующий вид:
(С6Н12О6 )и + 6п (О2) микроорганизмы 6п (СО2) + 6п (Н2О) + п(2796 КДж)
целлюлоза утлекисый газ вода выделение тепла
Переработанные таким образом отходы вступают в естественный круговорот
веществ в природе за счет их обезвреживания и превращения в компост - ценное
органоминеральное удобрение.
145
Наиболее совершенным считают непрерывный процесс компостирования с
аэробным принудительным окислением органических отходов во вращающемся
биотермическом барабане.
2.5.1. Метод механизированного биотермического компостирования
Мусороперерабатывающие заводы предназначены для ускоренного механизиро-
ванного обезвреживания и переработки ТБО с целью получения полезных продуктов:
компост, лом черных и цветных металлов, топливные гранулы, полимеры и т. д.
Работа мусороперерабатывающих заводов основана на методе аэробного
биотермического компостирования ТБО. Используя комплекс технологических
мероприятий, можно нормализовать содержание в компосте микроэлементов, в
том числе солей тяжелых металлов. Из ТБО извлекается лом черных и цветных
металлов. Однако около 25...30 % отходов не подлежит компостированию. Эти
материалы сжигают на компостных заводах или подвергают пиролизу для полу-
чения тепловой энергии или пирокарбона, используемого в металлургии, или вы-
возят на полигоны ТБО для захоронения.
Технологический процесс переработки ТБО полностью механизирован и
управляют им с центрального пульта управления. Принципиальная технологиче-
ская схема производства компоста показана на рис. 2.4.
Бытовые отходы доставляют на завод кузовные мусоровозы, которые разгру-
жаются в приемные бункера с днищами, выполненными в виде пластинчатых пита-
телей. К пластинам питателей приваривают металлические штыри для лучшего за-
хвата подаваемого материала. Крупногабаритные отходы изымают из бункеров и
складывают в автоприцепы с помощью захвата, подвешенного к кранбалке.
Отходы из бункеров разгружают на ленточные конвейеры, по которым они
направляются в сортировочный корпус, оснащенный грохотами, электромагнит-
ными и аэродинамическими сепараторами, производящими первичную сортиров-
ку поступающих отходов.
С помощью конвейеров, подающих отходы из приемного корпуса, загружа-
ют цилиндрические грохоты. Диаметр сита грохота 2,5 м, длина 7,3 м. Размер
ячеек сит 150...250 мм, частота вращения грохота 15 мин -1, паспортная произво-
дительность до 20 т/ч. Крупные некомпостируемые фракции (картонные ячейки,
бумага, текстиль и т. п.) или так называемые некомпостируемые отходы (НБО)
направляют в бункер балласта. Черный и цветной металл выбирают электромаг-
нитными сепараторами.
Просеянный материал по конвейерам подается в главный корпус, проходя
последовательно сепараторы черного, цветного металла и аэросепараторы, выде-
ляющие легкие фракции - пленку и бумагу (если есть потребитель, то эти фрак-
ции отгружают ему, если нет - отправляют на пиролиз).
Отобранный в цехе черный металл конвейерами подается на гидравлический
пакетировочный пресс (производительность пресса 2,4 т/ч.). Полученные пакеты
металла складируются на площадке, оборудованной кранбалкой грузоподъемно-
стью 1 т с электромагнитной шайбой, а затем отгружаются потребителям. Цвет-
ной металл по конвейерам поступает в бункеры-накопители.
146
Рис. 2.4. Принципиальная технологическая схема производства компоста
Отсортированные отходы, предназначенные для компостирования, подают в
загрузочные устройства биотермических барабанов, выполненных в виде вра-
щающихся цилиндров.
Биотермический процесс обезвреживания отходов происходит благодаря ак-
тивному росту термофильных микроорганизмов в аэробных условиях.
147
Масса отходов сама разогревается до температуры 60 °C, при которой бо-
лезнетворные микроорганизмы, яйца гельминтов, личинки и куколки мух поги-
бают, и масса отходов обезвреживается. Под действием развивающейся микро-
флоры органические вещества разлагаются, образуя компост.
Ежедневно биобарабан загружается на 1/2 полезного объема свежими отхода-
ми и одновременно разгружается. Таким образом, свежие отходы попадают в среду
с активным биотермическим процессом, что сокращает цикл их компостирования
до двух суток. Пропускная способность одного биобарабана до 34 тыс. т/год.
Для обеспечения принудительной аэрации на корпусе биобарабана установ-
лены вентиляторы-наездники, которые подают свежий воздух в толщу отходов.
Количество подаваемого воздуха регулируется по зонам в зависимости от темпе-
ратуры и влажности материала. Оптимальная влажность для ускоренного процес-
са компостирования 40...45 %.
Биобарабан выполняет две функции: обеспечение в компостируемой массе
требуемого биотермического процесса и механическое истирание отходов.
Разгружаются биобарабаны на ленточные конвейеры, которые доставляют
компост обратно в сортировочный корпус, где производится окончательная очи-
стка компоста от балласта. Стекло и мелкий балласт ссыпаются в тележки-
прицепы, а компост по системе конвейеров подается на складские площадки, где
с помощью бульдозеров формируют штабеля, которые периодически перелопа-
чивают и при необходимости увлажняют.
Большую часть территории, отводимой под размещение мусоро-
перерабатывающего завода, занимают складские площадки для дозревания и
хранения компоста. Примерное время дозревания компоста на складе обычно не
менее 2 мес. при высоте штабеля до 2 м. Мощность мусороперерабатывающего
завода 90 тыс. т/год.
Иногда в комплекс завода включают линии по производству экологически
чистых древесно-полимерных плит из отходов деревообработки и полиэтилено-
вой пленки, выделяемой аэросепараторами из ТБО.
2.5.2. Полевое компостирование ТБО
Наиболее простым и дешевым методом утилизации ТБО является полевое
компостирование. Его целесообразно использовать в городах с населением свыше
50 тыс. жителей. Правильно организованное полевое компостирование обеспечи-
вает защиту почвы, атмосферы, грунтовых и поверхностных вод от загрязнения
ТБО. Технология полевого компостирования позволяет производить совместное
обезвреживаение и переработку ТБО с обезвоженным осадком сточных вод (в со-
отношении 3:7), получаемый при этом компост содержит больше азота и фосфора.
Существует две принципиальные схемы полевого компостирования:
- с предварительным дроблением ТБО;
- без предварительного дробления.
При использовании схемы с предварительным дроблением ТБО для измель-
чения отходов используют специальные дробилки.
148
Во втором случае (без предварительного дробления) измельчение происхо-
дит за счет многократного перелопачивания компостируемого материала. Неиз-
мельченные фракции отделяют на контрольном грохоте.
Установки полевого компостирования, оснащенные дробилками для предвари-
тельного измельчения ТБО, обеспечивают больший выход компоста и дают меньше
отходов производства. ТБО измельчают молотковыми дробилками или небольшими
биотермическими барабанами (частота вращения барабана 3,5 мин-1). Барабан обес-
печивает достаточное измельчение ТБО за 800-1200 оборотов (4-6 ч). После такой
обработки 60-70 % материала проходит через сито обечайки барабана с отверстия-
ми диаметром 38 мм.
Сооружения и оборудование полевого компостирования должны обеспечить
прием и предварительную подготовку ТБО, биотермическое обезвреживание и
окончательную обработку компоста. ТБО разгружают в приемный буфер или на
выровненную площадку. Бульдозером, грейферным краном или специальным
оборудованием формируют штабеля, в которых происходят процессы аэробного
биотермического компостирования.
Высота штабелей зависит от метода аэрации материала и при использовании
принудительной аэрации может превышать 2,5 м. Ширина штабеля поверху не
менее 2 м, длина - 10-50 м, угол заложения откосов равен 45°. Между штабелями
оставляют проезды шириной 3-6 м .
Для предотвращения развеивания бумаги, выплода мух, устранения запаха
поверхность штабеля покрывают изолирующим слоем торфа, зрелого компоста
или земли толщиной 20 см. Выделяющееся под влиянием жизнедеятельности
термофильных микроорганизмов тепло приводит к «саморазогреванию» компо-
стируемого материала. При этом наружные слои материала в штабеле служат те-
плоизоляторами и сами разогреваются меньше, в связи с чем для надежного обез-
вреживания всей массы материала штабеля необходимо перелопачивать. Кроме
того, перелопачивание способствует лучшей аэрации всей массы компостируемо-
го материала. Продолжительность обезвреживания ТБО на площадках компости-
рования составляет 1-6 мес. в зависимости от используемого оборудования,
принятой технологии и сезона закладки штабелей.
При весенне-летней закладке недробленых ТБО температура в шатбеле ком-
постируемого материала через 5 дней поднимается до 60-70 °C и удерживается
на таком уровне две-три недели, затем снижается до 40-50 °C. В течение сле-
дующих 3-4 мес. температура в шатбеле уменьшается до 30-35 °C.
Перелопачивание способствует активизации процесса компостирования, че-
рез 4-6 дней после перелопачивания температура на несколько дней снова повы-
шается до 60-65 °C.
При осенне-зимней закладке температура в течение первого месяца подни-
мается только в отдельных очагах, а затем, по мере саморазогрева (1,5-2 мес.)
температура штабеля достигает 50 - 60 °C и остается на таком уровне в течение
двух недель. Затем в течение 2-3 месяцев температура в штабеле удерживается
на уровне 20 - 30 °C, а с наступлением лета повышается до 30 - 40 °C.
149
В процессе компостирования активно снижается влажность материала, по-
этому для ускорения биотермического процесса помимо перелопачивания и при-
нудительной аэрации необходимо производить увлажнение материала.
Принципиальные схемы сооружений полевого компостировния ТБО приве-
дены на рис. 2.5.
На рис. 2.5, о, б, в, г представлены схемы с предварительным измельчением
ТБО, а на рис. 2.5, д обработка перенесена в конец технологической линии. На
рис. 2.5, а, б, в ТБО разгружают в приемные бункера, оснащенные пластинчатым
питателем, на рис. 2.5, г - в траншеи с последующим извлечением их грейферным
краном. На рис. 2.5, а, б, г - измельчение ТБО осуществляют в дробилке с верти-
кальным валом, на рис. 2.5, в - в горизонтальном вращающемся биобарабане.
На рис. 2.5, а измельченные ТБО смешиваются с обезвоженным осадком сточ-
ных вод и затем направляются в штабеля, где они находятся в течение нескольких
месяцев. За время компостирование материал несколько раз перелопачивается.
Технологическая схема компостирования в две стадии представлена на
рис. 2.5,6. В течение первых десяти дней биотермический процесс происходит в
закрытом помещении, разделенном подпорными продольными стенками на отсе-
ки. Компостируемый материал каждые два дня перегружают специальной под-
вижной установкой из одного отсека в другой. Для активизации биотермического
процесса через отверстия, расположенные в основании отсеков, производят при-
нудительную аэрацию компостируемого материала.
Из закрытых отсеков компостируемый материал после грохочения перегру-
жают на открытую площадку, где он дозревает в штабелях в течение 2-3 мес.
Схема, изображенная на рис. 2.5, в, отличается от остальных тем, что в каче-
стве дробилки в ней используют биобарабан.
В схеме, показанной на рис. 2.5, г, используют двойное грохочение материа-
ла. Измельченный в дробилке материал при первичном грохочении разделяют на
две фракции: крупную, направляемую на сжигание, и мелкую, направляемую на
компостирование. Компостирование осуществляют в лотке, расположенном на
открытой площадке. Лоток разделен продольными стенками на секции и оснащен
установкой для перегрузки компостируемого материала в соседние секции. Зре-
лый компост подвергают повторному (контрольному) грохочению, после чего
отправляют потребителю.
При отсутствии дробилки для ТБО может быть применена схема, изобра-
женная на рис. 2.5, д, в которой грохочение, дробление и магнитная сепарация
происходят в конце технологического цикла.
Простейшими и наиболее распространенными сооружениями по обезврежива-
нию ТБО являются полигоны. Современные полигоны ТБО - это комплексные при-
родоохранные сооружения, предназначенные для обезвреживания и захоронения
отходов. Полигоны должны обеспечивать защиту от загрязнения отходами атмо-
сферного воздуха, почвы, поверхностных и грунтовых вод, препятствовать распро-
странению грызунов, насекомых и болезнетворных микроорганизмов.
150
Рис. 2.5. Принципиальные схемы сооружений полевого компостирования
ТБО: а - совместная переработка ТБО и осадка сточных вод; б - двухстадийное
компостирование ТБО; в - схема с предварительной обработкой ТБО в биоба-
рабане; г - схема с компостированием в открытых отсеках и предварительным
грохочением ТБО; д - компостирование недробленых ТБО
1 - приемный бункер с пластинчатым питателем; 2 - дробилка для ТБО; 3 - под-
весной электромагнитный сепаратор; 4 - подача осадков сточных вод; 5 - смеси-
тель; 6 - штабеля; 7 - грейферный кран; 8 - закрытое помещение для первой ста-
дии компостирования; 9 - подвижная установка для перелопачивания и перегрузки
компоста; 10 - продольные подпорные стенки; 11 - аэраторы; 12 - контрольный
грохот для компостера; 13 - биобарабан; 14 - первичный грохот для дробленных
ТБО; 15 - цилиндрический контрольный грохот; 16 - дробилка для компоста.
151
Полигоны строят по проектам в соответствии со СНиП. Схема конструктив-
ных элементов полигона представлена на рис. 2.6.
Дно полигона оборудуется противофильтрационным экраном - подложкой.
Он состоит из глины и других водонепроницаемых слоев (битумогрунт, латекс) и
предотвращает попадание фильтрата в грунтовые воды. Фильтрат - жидкость,
содержащаяся в отходах, она стекает вниз, на дно полигона, и может просачи-
ваться через его борта. Фильтрат - минерализованная жидкость, содержащая
вредные вещества. Собирается фильтрат с помощью дренажных труб и отводится
в резервуар для обезвреживания. Ежедневно в конце рабочего дня отходы покры-
ваются специальным материалом и слоями грунта, а затем уплотняются катками.
После заполнения секции полигона отходы покрываются верхним перекрытием.
Дренажи
Подложка
воды
Рис. 2.6. Принципиальная схема устройства полигона ТБО
Продуктом анаэробного разложения органических отходов является био-
газ, представляющий собой в основном смесь метана и углекислого газа. Сис-
тема сбора биогаза состоит из нескольких рядов вертикальных колодцев или
горизонтальных траншей. Последние заполнены песком или щебнем и перфо-
рированными трубами.
Все работы на полигонах по складированию, уплотнению, изоляции ТБО и
последующей рекультивации участка должны быть полностью механизированы.
Полигоны ТБО должны обеспечивать охрану окружающей среды по шести
показателям вредности:
1. Органолептический показатель вредности характеризует изменение за-
паха, привкуса и пищевой ценности фитотест-растений на прилегающих участках
действующего полигона и территорий закрытого полигона, а также запаха атмо-
сферного воздуха, вкуса, цвета и запаха грунтовых и поверхностных вод.
2. Общесанитарный показатель отражает процессы изменения биологиче-
ской активности и показателей самоочищения почвы прилегающих участков.
152
3. Фитоаккумуляционный (транслокационный) показатель характеризу-
ет процесс миграции химических веществ из почвы близлежащих участков и тер-
ритории рекультивированных полигонов в культурные растения, используемые в
качестве продуктов питания и фуража (в товарную массу).
4. Миграционно-водный показатель вредности выявляет процессы мигра-
ции химических веществ фильтрата ТБО в поверхностные и подземные воды.
5. Миграционно-воздушный показатель отражает процессы поступления
выбросов в атмосферный воздух с пылью, испарениями и газами.
6. Санитарно-токсикологический показатель суммарно характеризует
эффект влияния факторов, действующих в комплексе.
Недостатком такого способа утилизации отходов является то, что наряду с
образующимся в толще полигона фильтратом, являющимся основным загрязни-
телем природной среды, в атмосферу попадают токсичные газы, которые не толь-
ко загрязняют воздушное пространство вблизи полигона, но и отрицательно
влияет на озоновый слой земли. Кроме того, при захоронении на полигонах те-
ряются все ценные вещества и компоненты ТБО.
2.6. Термические методы переработки отходов
Термические методы переработки и утилизации ТБО:
1. Слоевое сжигание неподготовленных отходов в мусоросжигательных ус-
тановках;
2. Слоевое и камерное сжигание специально подготовленных отходов в виде
гранулированного топлива (освобожденного от балластных составляющих и
имеющего постоянный фракционный состав) в топках энергетических котлов или
цементных печах;
3. Пиролиз отходов, прошедших предварительную подготовку или без нее.
2.6.1. Сжигание предварительно неподготовленных отходов
Наиболее распространенным методом термической переработки ТБО явля-
ется метод слоевого сжигания неподготовленных отходов в мусоросжигательных
установках. При этом помимо обезвреживания отходов можно получить тепло-
вую или электрическую энергию, сократить расстояние между местом сбора от-
ходов и мусоросжигательным заводом, значительно сократить земельные площа-
ди, отводимые под захоронение ТБО.
Однако при сжигании отходов выделяются твердые и газообразные вредные
вещества, поэтому все современные мусоросжигательные заводы (МСЗ) должны
быть оборудованы высокоэффективными газоочистными устройствами.
В России построено семь мусоросжигательных заводов. Технологическая
схема одного из них показана на рис. 2.7.
153
Рис. 2.7. Технологическая схема переработки отходов на мусоросжигатель-
ных заводах: 1 - мостовой грейферный кран; 2 и 3 - мусорный и шлаковый отсе-
ки бункера-накопителя; 4 - вентилятор первичного дутьевого воздуха; 5 - стан-
ция гидропривода; 6 - паровые калориферы-воздухоподогреватели; 7 - шлако-
извлекатель; 8 - ленточные транспортеры для удаления шлака и золы; 9 - дымо-
сос; 10 - дымовая труба; 11 - электростатический фильтр; 12 - котел-утилизатор;
13 - вентилятор вторичного воздуха; 14 - загрузочный бункер; 15 - растопочная
горелка; 16 - колосниковая решетка
Мусор, доставляемый на МСЗ сжигают без какой-либо предварительной
подготовки или обработки. При поступлении на завод мусоровозы взвешивают на
платформенных автоматических весах. Затем мусоровозы поступают в приемное
помещение, где осуществляется выгрузка ТБО в бункер-накопитель. Мусор из
бункера-накопителя частями забирает мостовой кран, оборудованный грейфер-
ным ковшом. В приемном отделении поддерживается некоторое разряжение воз-
духа за счет забора из него дутьевого воздуха для поддержания процесса горения
ТБО в котлоагрегатах, что предотвращает выброс неприятных запахов и пыли за
пределы отделения. Мусор из приемного бункера подают в загрузочный желоб
питателя печи котлоагрегата до определенной высоты. Емкость желоба образует
буферный резерв питания печи. Образуемая таким образом колонна мусора обес-
печивает герметичность между камерой горения и загрузочным бункером. Ниж-
няя часть желоба защищена водяной рубашкой от перегрева в случае подъема
пламени. Питатель распределяет мусор по колосниковой решетке, на которой
сжигают мусор. Она является основным элементом печи.
154
Имеется несколько видов колосниковых решеток. Наибольшее применение
получило топочное устройство, оборудованное обратно переталкивающей колос-
никовой решеткой системы «МАРТИН» (Германия), шириной 3 м и наклоненной
под углом 26° к горизонтальной плоскости. Решетка имеет одну или несколько
секций, каждая из которых состоит из 13 рядов чередующихся подвижных и не-
подвижных колосников.
Каждый второй колосник приводится в возвратно-поступательное движение
общим устройством управления. Амплитуда возвратно-поступательного движе-
ния в направлении решетки снизу вверх составляет около 400 мм, а число циклов
может изменяться от 0 до 60 в час.
Перемещение колосников решетки влияет на процесс сжигания мусора, кото-
рый при каждом цикле медленно перемешивается и раскладывается по поверхно-
сти. Таким образом, в начале решетки образуется интенсивное пламя, при котором
все стадии сжигания - сушка, возгорание и сжигание - происходят одновременно.
Благодаря наличию сильного пламени в начале решетки газы, выделяющиеся на
стадии сушки, смешиваются с очень горячими газами горения и сжигания.
Мусор, сжигаемый на решетке, постепенно перемещается вниз, постоянно
перемешиваясь. Сжигание мусора завершается приблизительно на 2/3 длины ре-
шетки, а на оставшейся части мусор, превратившийся в шлак, постепенно охлаж-
дается под действием подаваемого в топку воздуха.
Конструкция колосниковой решетки позволяет сжигать отходы с различной
теплотой сгорания и большим (до 50 %) содержанием золы при высокой удель-
ной производительности (более 400 кг/(м2 • ч)). Площадь колосниковой решетки
каждого агрегата 20 м2, номинальная производительность 8,33 т/ч при теплоте
сгорания ТБО 6,3 МДж/кг. Температура в топочном пространстве регулируется
автоматически и составляет 800... 1000 °C, что обеспечивает выгорание твердых и
газообразных горючих составляющих отходов.
Для обеспечения требуемого качества сжигания, т. е. для получения хорошо
перегоревшего шлака, его необходимо сразу удалять. Шлак составляет около 25 %
по массе от общего количества сжигаемых отходов.
Для удаления шлака используют барабаном с регулируемой скоростью вра-
щения, позволяющий и сглаживать толщину слоя мусора и шлака на решетке, а
также удалять шлак в бункер шлакового экстрактора. Горячий шлак падает в
бункер, а затем в бак с водой, в котором охлаждается до 80...90 °C. Из бака шлак
удаляется толкателем, который проталкивает его в желоб, установленный с об-
ратным уклоном. Конструкция желоба позволяет, с одной стороны, уплотнять
удаляемый материал без риска закупорки рабочего сечения желоба, а с другой -
стекать избыточной влаге. Таким образом, потери воды за счет ее испарения и
поглощения шлаком сводятся к минимуму.
Затем охлажденный шлак по системе ленточных транспортеров проходит
через виброполотно, где с использованием с магнитного сепаратора, оборудован-
ного электромагнитом, из шлака удаляют металлические частицы. Металлолом
удаляют в специальные емкости, а шлак поступает по ленте в шлаковый отсек
бункера-накопителя. Зола из-под воздушного короба и из бункеров котла удаля-
ется вместе со шлаком.
155
Для обеспечения процесса горения отходов подают воздух, нагнетаемый венти-
лятором первичного дутья через короб, установленный под решеткой и состоящий из
нескольких отсеков или зон. Каждая зона подачи воздуха под решетку обеспечивает
впуск определенного количества воздуха под решетку и в слой мусора ддя обеспече-
ния горения; сбор и удаление мелких частиц, просеивающихся под решетку.
В нижней части в подрешеточной зоне установлены воронки асимметричной
формы, которые предназначены для сбора и удаления просева.
Дополнительно воздух подается вентилятором вторичного дутья под высо-
ким давлением через сопла, расположенные на передней и задней стенках камеры
горения, для полного сжигания газов в нижней части камеры сжигания.
Полученные при сжегании ТБО тепловая энергия и пар могут быть исполь-
зованы на нужды централизованного теплоснабжения. Для снижения капиталь-
ных затрат рационально совмещать на одной площадке мусоросжигательную и
промышленно-отопительную котельные. Поэтому целесообразно проектировать
комбинированные котельные, имеющие как котлоагрегаты, сжигающие энерге-
тическое топливо, так и котлоагрегаты, в топках которых сжигают ТБО. Таким
образом, ТБО можно рассматривать как нетрадиционные виды топлива.
2.6.2. Воздействие мусоросжигательных заводов на окружающую среду
Установки по сжиганию ТБО могут служить источником загрязнения воз-
душной среды взвешенными частицами золы и недожога, а также вредными газо-
образными примесями. Поэтому при проектировании их особое внимание уделя-
ют совершенствованию средств по снижению выбросов вредных примесей. Фи-
зико-химические свойства отходящих газов при сжигании ТБО зависят от мор-
фологического и фракционного составов, теплоты сгорания отходов и т. д.
Эти показатели существенно меняются в зависимости от климатических ус-
ловий района и сезона года. Влажность ТБО колеблется в пределах 52...58 % в
зависимости от сезона года, а содержание влаги в дымовых газах меняется в пре-
делах 95... 119 г/м3.
Существует три вида выбросов из мусоросжигательных установок: газы, вы-
ходящие из дымовой трубы; сточные воды; летучая зола и шлак.
Наиболее вредными выбросами мусоросжигательных установок считают от-
ходящие газы и летучую золу. Поскольку основной вредной составляющей ды-
мовых газов являются содержащиеся в них взвешенные частицы и отравляющие
вещества, то их концентрацию и принимают в качестве главного показателя са-
нитарно-гигиенического аспекта работы таких сооружений.
Зола, образующаяся при сжигании ТБО, состоит в основном из минералов и
несгоревших частиц органических соединений.
Содержание недожога обычно не превышает 2 %, а при неблагоприятных
условиях может достигнуть 15 % и определяется конструктивными особенностя-
ми топочного устройства, а также технологическими условиями процесса горе-
ния. Концентрация золы в дымовых газах мусоросжигательных установок со-
ставляет примерно 2...5 г/м3 сухого газа.
156
Загрязняющие вещества воздуха образуются в результате неполного сгора-
ния части отходов и из новых продуктов в процессе их горения. Продукты не-
полного сгорания включают оксиды углерода, амины, органические кислоты, по-
лициклические ароматические соединения и т. д. Частные выбросы могут содер-
жать тяжелые металлы, которые при сжигании не разрушаются.
Конечными продуктами сгорания обычно являются диоксид углерода и во-
дяные пары. Другие продукты образуются в меньших количествах. Хлористый
водород и небольшое количество хлора образуются в мусоросжигательных уста-
новках в процессе хлорирования углеводородов, фтористый водород - из органи-
ческих фторидов, бромистый водород - из органических бромидов, оксиды серы,
главным образом диоксид серы, - из имеющейся в отходах и дополнительном то-
пливе серы, пятиокись фосфора - из фосфорорганических соединений, оксид азо-
та - при горении на воздухе из соединений азота, входящих в состав ТБО.
В связи с постоянным увеличением в составе отходов доли синтетических
материалов в будущем вероятно резкое превышение ПДК вредных газообразных
веществ в дымовых газах мусоросжигательных установок (хлористого и фтори-
стого водорода, полициклических ароматических углеводородов).
Выбор газоочистных устройств зависит от объема очищаемых газов, их запы-
ленности, желаемой степени очистки (КПД улавливания), физических параметров
газового потока (скорости, температуры, влажности, агрессивности), физико-
химических свойств взвешенных частиц (дисперсности, слипаемости, абразивности
и т. д.). При выборе газоочистных устройств следует учитывать, что труднее всего
улавливаются частицы размером менее 5 мкм, масса которых может достигать
22.. .25 % общей массы твердых примесей, содержащихся в очищаемых газах.
Выбирают и оценивают работу газоочистительного оборудования в первую
очередь по степени очистки уходящих газов и только во вторую - по ее стоимо-
сти. Существует различное газоочистительное оборудование. На современных
крупных установках по сжиганию ТБО для улавливания твердых частиц, содер-
жащихся в дымовых газах, применяют электростатические фильтраты, позво-
ляющие улавливать до 99,8 % частиц практически любых размеров.
2.6.3. Сжигание специально подготовленных отходов
По прогнозам специалистов слоевое или камерное сжигание специально
подготовленных отходов в топках котлов или цементных печах в ближайшее
время получит широкое применение. В США и Великобритании с 70-х гг. прово-
дятся работы по переработке отходов в гранулированное топливо «Refuse Dering
Full» (RDF), которое длительное время можно хранить и транспортировать на от-
носительно большие расстояния и при сжигании которого негативное воздейст-
вие на окружающую среду значительно меньше. Однако теплотехнические свой-
ства топлива, получаемого этими странами различны. Так, в США за счет высо-
ких капиталовложений стремятся получить высококачественное топливо, а в Ве-
ликобритании создают простые дешевые способы получения RDF среднего каче-
ства. В США экономичны установки производительностью 1000 т/сут и выше пе-
рерабатываемых отходов, а в Великобритании - до 200...300 т/сут.
157
Технологический процесс получения RDF состоит из двух операций: дроб-
ления отходов и сепарации черных металлов. Если ограничиваться только этими
двумя операциями, то получаемый в этом случае RDF будет содержать много
балластных фракций и иметь низкое качество. Поэтому при изготовлении грану-
лированного топлива используют дополнительные машины, механизмы и агрега-
ты, позволяющие обогащать, гранулировать и брикетировать топливо из отходов,
при этом возрастают капиталовложения и эксплуатационные расходы, но полу-
ченное топливо имеет значительно лучшее качество. Принципиальная схема про-
изводства гранулированного топлива приведена на рис. 2.8.
Рис. 2.8. Принципиальная схема производства гранулированного топлива
Способ получения гранулированного топлива выбирают в зависимости от
вида отходов, их состава, а также последующего способа использования - в каче-
стве основного или дополнительного (вместе с основным - углем, торфом или
т.д.) топлива. Теплота сгорания гранулированного топлива колеблется от 5300 до
17700 кДж/кг.
Многие котельные установки нуждаются лишь в небольшой модернизации
для работы на гранулированном топливе, т. к. они оборудованы устройствами для
удаления шлака и летучей золы.
158
2.6.4. Пиролиз отходов
Наиболее перспективным способом обезвреживания отходов потребления
является переработка, состоящая из двух стадий:
1) аэробного биотермического компостирования органической части ТБО
(биотермический метод) с получением компоста или биотоплива;
2) пиролиза некомпостируемой части бытовых отходов (НБО), включающих
резину, кожу, пластмассы, дерево и т. д.
Под пиролизом понимают процесс термического разложения отходов без
доступа кислорода, в результате которого образуются пиролизный газ и твердый
углеродистый остаток.
Количество и состав продуктов пиролиза зависит от состава отходов и тем-
пературы разложения. Пиролиз НБО способствует созданию безотходных и ма-
лоотходных технологий и рациональному использованию природных ресурсов.
Пиролизные установки в зависимости от температурного режима процесса
разделяют:
— на низкотемпературные (450...500 °C), характеризующиеся минималь-
ным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков;
— среднетемпературные (до 800 °C), характеризующиеся увеличенным вы-
ходом газа с уменьшенным количеством смол и масел;
— высокотемпературные (свыше 800 °C), характеризующиеся максималь-
ным выходом газов и минимальным количеством смолообразных продуктов.
Процесс пиролиза ИБО состоит из:
- пиролиза НБО в печи с внешним обогревом;
- дожига пиролизных газов;
- утилизации тепла отходящих газов в котле-утилизаторе с получением пара;
- очистки дымовых газов от пыли и химических примесей в пенном абсорбере;
- сушки абсорбционных растворов в распылительной сушилке;
- охлаждения пирокарбона в барабане-холодильнике;
- сепарации черного и цветного металла из пирокарбона;
- сепарации камней из пирокарбона;
- измельчения пирокарбона в конусной инерционной дробилке;
- фасовки пирокарбона в мешки и складирования.
Основной узел пиролизной установки - реактор, представляющий собой
шахтную печь со встроенной швелыпахтой и системой эвакуации газов, предот-
вращающей смешивание пиролизных и дымовых газов (рис. 2.9).
Из сортировочного отделения НБО по системе конвейерных транспортеров
попадают в приемный бункер пиролизной установки. Из бункера отходы забира-
ют грейферным ковшом, смонтированным на подъемном кране. Кран подает от-
ходы в промежуточный бункер, днищем которого служит пластинчатый пита-
тель, предназначенный для загрузки отходов в верхнюю часть реактора, оборудо-
ванную тремя затворами шиберного типа.
В печи пиролизной установки при температуре 500...550 °C без доступа воз-
духа происходит термическая деструкция (пиролиз) НБО.
159
Рис. 2.9. Схема установки высокотемпературного пиролиза:
1 - приемная воронка, 2 - затворы, 3 - конденсатор жидких продуктов,
4 - дроссельные заслонки, 5 - вентилятор, 6 - газоанализатор, 7 - дымосос,
8 - система газоочистки, 9 - сопло подачи подогретого воздуха,
10 - воздухоподогреватель, 11 - водяная ванна, 12 - швельшахта
В результате образуется парогазовая смесь, содержащая в своем составе лету-
чие вещества, пары смолы и твердый углеродсодержащий продукт - пирокарбон.
Присутствующие в ИБО кожа, пластмасса, резина и другие продукты разлагают-
ся, образуя летучие вещества, которые помимо СОг и Н2О, Cl, Р, SO2 содержат
углеводороды (олефины, парафины и т. д.). Пиролизные газы подвергаются даль-
нейшему окислению в специальной камере дожига, превращаясь в менее опасные
вещества. Камера дожига имеет горелку, через которую подают природный газ
или мазут и воздух на горение, а для снижения температуры образующихся ды-
мовых газов - воздух.
Камера дожига оборудована рубашкой, в которую поступает воздух, охлаж-
дающий стенки камеры, в результате чего температура газов на выходе из камеры
дожига снижается до 800 °C. Воздух на горение и разбавление подают дутьевыми
вентиляторами.
Дымовые газы из камеры дожига направляются в рубашку печи пиролиза, где
тепло дымовых газов используется для обогрева печи. Из рубашки печи пиролиза
160
дымовые газы температурой 600...700 °C направляются для утилизации тепла в ко-
тел-утилизатор, в котором в результате снижения температуры дымовых газов до
300...350 °C получают пар.
Пар используют для нужд теплоснабжения производства. Затем дымовые газы
температурой 300...350 °C поступают на распылитель для сушки абсорбционных
растворов, использованных в абсорберах, а затем с температурой 120 °C - на аб-
сорбцию и после очистки выбрасываются в атмосферу.
Тепло дымовых газов используется для проведения процесса пиролиза ИБО,
что позволяет экономить топливо.
Полученный в печи пирокарбон с температурой 450...500 °C поступает в хо-
лодильный барабан, где охлаждается до 40...50 °C, затем по ленточному конвейе-
ру подается на размол. Пирокарбон пройдя электромагнитный сепаратор для из-
влечения остатков черного металла, поступает на полигональное сито, где осво-
бождается от крупных камней, которые вывозят на свалку. Затем пирокарбон по-
дается на мельницу, где измельчается до 0,5 мм и менее. После измельчения пи-
рокарбон вновь подают на сепарацию для извлечения цветных металлов, которые
накапливают в контейнерах, а пирокарбон расфасовывают и затем направляют на
склад готового продукта.
Физико-химические свойства пирокарбона: плотность - 2...2,5 г/см3; удельная
поверхность - 2200 см/г; насыпная плотность - 0,6...0,7 т/м3; гранулометрический
состав (d > 0,5 мм - 10 %, d < 0,5 мм - 90 %). Теплофизические свойства пирокарбо-
на: теплота сгорания - 12000...13000 кДж/кг; теплопроводность - 0,106 Вт (м-°С);
температуропроводность - 11,1 °C-10 м2/с.
Поступающие на установку отходы НБО более чем на 90 % состоят из органи-
ческих веществ, в основной массе которых соотношение углерод : водород : кисло-
род приблизительно соответствует их соотношению в целлюлозе (СбН10О5)п. Цел-
люлоза - высокомолекулярный полисахарид. Клетчатка - главная составная часть
органической части отходов, например бумага почти на 100 % состоит из целлюло-
зы; хлопчатобумажные и текстильные изделия - более чем на 90 %; древесина -
примерно на 50 %. При термической обработке целлюлозы (без доступа кислорода)
она разлагается, образуя большое количество различных продуктов.
При быстром подъеме температуры образуется большое количество парога-
зовой смеси и температура внутри аппарата повышается.
Медленное нагревание сопровождается равномерным выделением продуктов
реакции, при этом образующееся тепло удаляется с парогазовой смесью, не ока-
зывая существенного влияния на температурный режим внутри аппарата.
Соотношение и состав получаемых газообразных, жидких и твердых про-
дуктов зависят от условий пиролиза и состава исходного продукта.
К вредным составляющим НБО относят: серу, основным источником кото-
рой является резина; хлор, выделяющийся при сжигании полимерных материа-
лов; оксиды азота; соединения фтора и т. д.
Для защиты окружающего атмосферного воздуха от загрязнений дымовые
газы необходимо тщательно очищать как от золы, так и от химических веществ.
161
В качестве реагента для очистки дымовых газов применяют известковое мо-
локо, выбор которого зависит от имеющихся в дымовых газах химических при-
месей и необходимости вывода химических загрязнителей (слабо- или трудно-
растворимые соли) дымовых газов. Используя известковое молоко, достигают
достаточно высокой степени очистки дымовых газов и обеспечивают доступ-
ность нейтрализующего реагента и простоту обращения с ним.
Система, включающая распылительную сушилку и абсорбер, рассчитана на
очистку отходящих газов от двух одновременно работающих печей пиролиза. При
этом качество выбрасываемых газов характеризуется следующими показателями:
пыль - 30 мг/м3; SO2 - 50 мг/м3; NOX - 100 мг/м3; СГ - 10 мг/м3; F”- 2 мг/м3.
Абсорбция пыли и химических примесей из отходящих топочных газов про-
исходит в пенном абсорбере. В качестве орошающего раствора используют из-
вестковое молоко. В результате нейтрализации кислых окислов образуются каль-
циевые соли соответствующих кислот, раствор которых направляют в распыли-
тельную сушилку, где образуется сухой шлам - смесь солей и золы.
Шлам собирают в контейнеры и направляют в отвал для хранения или от-
правляют потребителю.
Количество загрязняющих веществ, выделяющихся при пиролизе, составляет
примерно 50 % от выделяющихся при сжигании таких же объемов ТБО на МСЗ.
2.7. Использование вторичных ресурсов
Не все отходы, образующиеся в процессе производства, можно отнести к
вторичному сырью. Вторичное сырье - это материалы и изделия, которые после
первоначального полного их использования (износа) можно применять повторно
в качестве исходного сырья (металлолом, отработанные смазочные масла, маку-
латура, строительные отходы, изношенные шины, полимерные отходы, отходы
кожи, стеклобой и др.).
Отсутствие централизованной системы сбора и переработки отходов и сни-
жение промышленного производства в РФ привело к резкому снижению объемов
их использования. В настоящий момент отсутствуют условия стимулирования
использование вторичных ресурсов в производственной деятельности. Предпри-
ятия, занимавшиеся переработкой вторичных материалов, акционировались и
частично перешли на другие виды деятельности.
В отличие от промышленных отходов объем образования твердых бытовых
отходов в последнее время (8... 10 лет) остается практически неизменным. Основ-
ную массу ТБО составляют бумага и картон, а также пищевые отходы. Однако в
последнее время доля пищевых отходов в ТБО значительно уменьшается, доля
макулатуры и полимеров увеличивается, что обусловлено значительным увели-
чением объема потребления импортных продовольственных и промышленных
товаров в современной упаковке.
Наряду с традиционными видами отходов в последнее время появляются и
новые их виды, в частности, актуальной стала проблема утилизации брошенного
автотранспорта.
162
Основные критерии выбора видов отходов, подлежащих использованию в
качестве вторичного сырья:
— объемы образования отходов и перспективы их увеличения,
— влияние на экологию и загрязнение города,
— возможность эффективного вторичного использования.
Исходя из рекомендаций федеральной комплексной программы «Экологиче-
ская безопасность России», в основу создания систем сбора и переработки не-
опасных отходов необходимо закладывать системы селективной формы сбора от-
ходов потребления, что позволит снизить затраты на подготовку вторичных ре-
сурсов и их переработку.
Система сбора и переработки отходов должна включать стационарные произ-
водственно-заготовительные предприятия (ПЗП); стационарные и передвижные
приемные пункты; контейнерный парк; транспортные технические средства; по-
грузочно-разгрузочное оборудование; технологическое оборудование. Число при-
емных пунктов должно определяться в зависимости от численности населения.
Отходы, образующиеся на промышленных предприятиях и в других круп-
ных источниках их образования, обычно, собирают на основе прямых договоров
между поставщиком отходов и перерабатывающими предприятиями.
Промышленная переработка отходов в качестве вторичного сырья сократит
объемы их вывоза на полигоны, мусоросжигательные и мусороперерабатываю-
щие заводы, существенно уменьшит негативное воздействие отходов на окру-
жающую среду.
2.8. Переработка и вторичное использование макулатуры
Макулатуру в основном используют при изготовлении различных видов бу-
маги и картона в целлюлозно-бумажной промышленности (упаковочные виды
бумаги и картона; газетная, писчая, печатная и санитарно-гигиеническая бумага)
и в промышленности строительных материалов при производстве кровельных,
гидроизоляционных и теплоизоляционных материалов, а также различных строи-
тельных плит.
За рубежом широко распространены композиции для производства тепло-
изоляционных плит на основе перлита, в состав которых в качестве армирующего
компонента входит макулатура. Также из макулатуры получают гранулирован-
ное, брикетированное и порошкообразное твердое, а также жидкое и газообраз-
ное топливо. В Германии из макулатуры, отходов древесины и соломы получают
топливный спирт - этанол.
Кроме того предлагаются различные способы использования макулатуры как
в качестве удобрения, так и для улучшения водных свойств и структуры почвы,
внесении макулатуры в почву повышается ее влагоемкость, улучшаются структу-
ра и условия обработки. Однако в процессе перегнивания макулатуры отмечается
некоторое обеднение почвы азотом, что требует дополнительного внесения азот-
содержащих веществ.
Макулатуру также используют в смеси с другими удобрениями для сниже-
ния вымывания удобрений из почвы и, следовательно, повышения урожайности.
163
В этом случае макулатуру, опилки и другие целлюлозосодержащие материалы
обрабатывают полимерами, придавая им свойства пониженной смачиваемости.
В числе новых направлений использования макулатуры выделяют изготов-
ление из нее теплоизоляционных и конструкционных материалов, заменяющих
пенополистирол.
Теплоизоляционный материал выпускают в виде плит различных размеров и
толщины (30...100 мм), плотностью 200, 250, 300 кг/м3.
Физико-механические характеристики плит из различных теплоизоляцион-
ных материалов приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Физико-механические показатели плит
Показатель Плиты
Перлито- фосфо- гелевые Перлито- пласт- бетонные Мине- ральные На основе бумажной макулатуры
Плотность, кг/м3 200... 300 100...175 250...350 200... 300
Предел прочности, МПа: — при 10 %-м сжатии — при изгибе 0,35... 0,6 0,2... 0,7 0,12...0,4 0,18...0,48 0,1 0,25... 0,5 0,5... 1,0
Водопоглощение за 24 ч, % 5 4...11 — 5
Т еплопроводность, Вт/(мК) 0,064... 0,082 0,034... 0,04 0,089 0,046... 0,075
Конкурентоспособность теплоизоляционных материалов, изготовленных из
макулатуры с использованием вяжущих материалов из вторичных полимеров, опре-
деляется их относительно невысокой стоимостью за счет дешевизны используемого
сырья (отходов), хорошими физико-механическими свойствами, не уступающими
традиционным материалам и превосходящими их по экологической безопасности.
Выпускаемые теплоизоляционные материалы предназначены для теплоизо-
ляции при строительстве жилых, промышленных и культурно-бытовых зданий.
Плиты, отделка поверхности которых выполнена под ценные породы древе-
сины методом трафаретной и глубокой печати, нанесения покрытий эмалью,
красками, текстурной бумагой, фанерой, пластиками, лаком, тиснением в горячем
прессе, могут быть использованы в качестве отделочного материала.
2.9. Переработка и утилизация отходов резиновых изделий
Отходы резиновых изделий делят на отходы производства и отходы обществен-
ного потребления. Отходы производства резиновых изделий накапливаются на пред-
приятиях, производящих резинотехнические изделия, автомобильные шины, резино-
вую обувь. Отходы потребления образуются в результате жизнедеятельности людей.
Отходы производства резинотехнических изделий делят на:
- отходы резиновых смесей, образующиеся на предприятиях в процессе
производства резиновых смесей, это бракованные резиновые смеси - отходы, ис-
пользуемые в собственном производстве или продаваемые на сторону;
164
- невулканизованные резиновые отходы - технологические отходы, об-
разующиеся в процессе вулканизации резины на крупных предприятиях по про-
изводству шин, резинотехнических и резиновых изделий (выпрессовки, облой,
обрезь конвейерных лент, брак);
- вулканизовамые резиновые отходы - технологические отходы, обра-
зующиеся при изготовлении резиновых изделий из вулканизованной резины (брак
шин, вырубки при производстве подошвы резиновой обуви и других изделий).
Большая часть отходов производства резинотехнических изделий обычно
утилизируется на самих предприятиях, на свалки их не вывозят или вывозят в ог-
раниченных количествах.
Наиболее массовым видом отходов общественного потребления являются
амортизированные шины. Ежегодно в мире на производство автомобильных шин
расходуется более 15 млн т производимых синтетических и натуральных каучу-
ков, а через определенное время все производимые шины попадают в отходы.
Время эксплуатации автомобильных шин меньше, чем время эксплуатации
большинства резиновых изделий.
Ежегодно в различных странах мира образуются огромные объемы аморти-
зированных шин, так с США образуется 16000... 18000 тыс. т, в Японии -
600...750 тыс. т, во Франции - более 400 тыс. т, в Германии - 460...510 тыс. т, в
Англии - 250.. .400 тыс. т.
Объемы переработки и использования изношенных шин за рубежом составля-
ют в Японии - до 87 %, в США и большинстве стран Западной Европы - 20...30 %
(в Германии - 50 %).
В мире применяют различные технологии по переработке и утилизации ре-
зиновых отходов и изношенных автомобильных шин. В этих технологиях преду-
смотрено использование изношенных шин и резиновых отходов для получения
энергии путем сжигания, измельчение шин и резиновых отходов для получения
резиновой крошки, порошка и регенерата.
2.9.1. Утилизация целых шин
Целые изношенные шины используют при устройстве искусственных рифов,
служащих местом обитания рыб и устриц. У берегов Австралии фирмой «Гудияр»
(1970) был создан искусственный риф из 15 тыс. шин, у берегов Флориды - из
215 тыс. шин. Искусственные рифы из шин имеютя также в Новой Зеландии, Гре-
ции, Японии, на Ямайке и в других странах. Морская вода при этом не загрязняется.
Иногда изношенные шины применяют как защитные элемент, например при
укреплении склонов от эрозионных процессов, этом случае склоны покрывают
покрышками, засыпают их почвенным грунтом и сеют травы.
2.9.2. Сжигание шин с целью получения энергии
Использование изношенных шин для получения энергии с точки зрения эко-
логии неоднозначно, т. к. это связано с выделением в атмосферу больших коли-
честв цинка и серы. Отмечено содержание в дыме горящих шин канцерогенных
веществ и небольшого количества диоксина. При организации полного и безо-
пасного сгорания шин в печах, оборудованных соответствующими фильтрами
165
очистки выбросов, эти проблемы исчезают. Однако создание печей и очистных
сооружений для улавливания вредных газов и соединений тяжелых металлов тре-
бует больших затрат. Так, при использовании покрышек в качестве топлива за-
траты составляют 20...25, а иногда 30...35 дол. на 1 т.
Основная причина применения методов сжигания шин для получения энер-
гии во многих развитых странах - отсутствие эффективных технологий ком-
плексной переработки шин с получением продукции высокого качества.
2.9.3. Пиролиз отходов резины
В наиболее развитых странах (Германии, Японии, США, и др.) уже длитель-
ное время эксплуатируют опытно-промышленные установки по пиролизу изно-
шенных шин.
Пиролиз кусков шин, резиновой крошки осуществляется в среде с недостат-
ком кислорода. Но так как большая часть этих установок работала в цикличном
режиме, а получаемые продукты пиролиза требовали дополнительной очистки
перед последующим использованием, а главное - затраты не восполняли стои-
мость получаемых материалов, пиролиз старых шин практически не применяют.
2.9.4. Дробление (измельчение) изношенных шин
Измельчение (дробление) старых шин считают наиболее перспективным ме-
тодом их переработки, поскольку в этом случае в продуктах переработки сохра-
няются физические свойства резины. Методы измельчения принято разделять на
измельчение при положительных температурах и криогенное дробление.
Первая установка по получению резиновой крошки криогенным методом
начала функционировать в штате Огайо (США) в 1979 г. В Германии в 1987 г.
фирма «Хэльдт» ежесуточно перерабатывала в резиновую крошку около 20 т шин
с применением криогенной технологии (замораживание - молотковая дробилка -
ножевая дробилка).
Как показала практика, эксплуатационные расходы измельчения при положи-
тельных температурах невелики, но стоимость оборудования больше, чем при ис-
пользовании низкотемпературного (криогенного) дробления. Поэтому позднее
разработан комбинированный способ: грубое дробление при положительных тем-
пературах с последующим измельчением в порошок при низких температурах.
В нашей стране было разработано и внедрено несколько технологий и тех-
нологических линий измельчения изношенных шин с текстильным кордом. Для
переработки покрышек использовали технологию измельчения при нормальных
температурах с применением валкового оборудования. Предлагаемые линии по
переработке шин подразделяют на линии криогенного дробления и линии из-
мельчения при нормальных температурах.
На российском рынке технологические линии криогенного измельчения ре-
зины предлагают фирмы «Интек» (Германия), «Виртег» (Швейцария) и «Крамб
раббер технологи» (США).
Технологические линии состоят из следующих основных технологических
узлов: установка предварительного дробления цельных шин на куски размером
150 х 150 мм, камеры охлаждения резины, молотковые дробилки, системы сепа-
166
рирования (разделения) измельченной резины на фракции, системы отделения
металлического и текстильного кордов.
Для охлаждения резины фирмы «Интек» (Германия) и «Виртег» (Швейца-
рия) используют жидкий азот, фирма «Крамб раббер технологи» (США) - турбо-
холодильные установки.
На российском рынке технологические линии измельчения резиновых отхо-
дов, в том числе и шин с металлокордом, при нормальных температурах предла-
гают следующие зарубежные и отечественные фирмы: CIMP (Франция), АО
«Тушинский машиностроительный завод» (ТМЗ), РИЦ «Росполимер» (Россия).
Стоимость отечественных линий примерно на 30...40 % меньше, а получае-
мый на этих линиях порошок имеет более высокую дисперсность и более разви-
тую поверхность частиц, чем порошок, получаемый на линиях криогенного из-
мельчения, и обладает хорошей совместимостью с полимерными связующими.
Основной причиной низкого уровня утилизации шин в России, помимо сбо-
ра и транспортировки, является отсутствие рынка сбыта продуктов переработки.
Основной продукт при переработке вторичных резин и изношенных шин -
резиновая крошка и резиновый порошок различной дисперсности, которые мож-
но применять во многих областях промышленности.
2.9.5. Дорожные покрытия
В США, Бельгии, Австрии и Японии получены хорошие результаты при ис-
пользовании резиновой крошки в дорожном строительстве: значительно повыша-
ется износостойкость и снижается шумообразование, повышается морозостой-
кость, в три раза увеличивается срок службы, сокращается тормозной путь.
Существует два способа изготовления резиноасфальта: первый - химическое
взаимодействие крошки с компонентами асфальта, второй - крошку вводят в ас-
фальт в качестве наполнителя подобно щебню и песку.
2.9.6. Производство регенерата
Снижение потребления регенерата, получаемого из резиновой крошки, про-
исходит вследствие вытеснения его синтетическими каучуками и переходом
шинной промышленности на производство шин радиальной конструкции, тре-
бующее резиновых смесей высокого качества. Потребление регенерата составля-
ет лишь 1 % общего объема производства шин.
2.9.7. Применение резиновой крошки в полимерных смесях
Немодифицированную резиновую крошку используют в резиновых смесях
различного назначения, в том числе при изготовлении подошвы обуви, массив-
ных шин для малых транспортных средств и протекторов.
Для улучшения совместимости полимеров при использовании отходов про-
изводства, изношенных резинотехнических изделий, шин и полимерных мате-
риалов, а также для повышения физико-механических свойств изделий из поли-
уретана тонкодисперсную крошку модифицируют, обрабатывая газовой смесью,
содержащей фтор и еще, по крайней мере, один реакционный газ (Ог, СЬ, Вг2,
SO2, СО), разбавленный инертным газом. При смешивании такой крошки с жид-
167
ким полиуретаном (ПУ) и последующем структурировании получается компози-
ционный материал. При этом способе можно утилизировать вторичные полимер-
ные и резиновые материалы, трудно разделяемые при сортировке и не подвер-
гающиеся биологическому разрушению.
Покрытия площадок, крыш зданий и сооружений изготавливают из смеси
резиновой крошки с добавлением 1...1,5 % серы, которую пропускают между
двумя вращающимися сжимающими цилиндрами, а затем прессуют при темпера-
туре 121... 232 °C и давлении 7... L2 МПа в течение 1... 10 мин с образованием не-
прерывного полотна. Для настила пола, покрытий крыш, плиток, ящиков для
упаковки и т. д. получают эбонитоподобный материал из смеси 10...30 (25) % ре-
зиновой крошки помола 3...4 мм и 70...90 (75) % отходов пластмасс (пришедшие
в негодность полиэтиленовые и полипропиленовые трубки). Смесь формуется
под давлением при температуре плавления пластмассы. Материал обладает высо-
кой твердостью и жесткостью, стоек к действию воды и его можно применять в
различных климатических зонах.
2.9.8. Строительство спортивных сооружений
При строительстве спортивных беговых дорожек требуется от 3 до 5 кг ре-
зиновой крошки на 1 м2 дорожки в качестве наполнителя полиуретана. Расход ре-
зиновой крошки при строительстве детских игровых площадок составляет около
9 кг/м2. Противоударные дорожки на хоккейном поле, выполняемые толщиной
40 мм, содержат около 40 кг резиновой крошки и 5 кг порошка на 1 м2 покрытия.
2.9.9. Перспективные направления использования порошков
из изношенных шин
Предлагается использовать резиновую крошку в качестве пластового дрена-
жа при строительстве дорог и зданий. Дренажный слой, укладываемый под до-
рожным покрытием, состоит из кусков резины, находящихся между двумя тек-
стильными прокладками. Считают, что такой дренаж дешевле и экологически
безопасен по сравнению с дренажем, выполняемым из гравия.
Высокодисперсные порошки смогут найти применение в качестве сорбентов
для очистки водных поверхностей и суши от разливов нефтепродуктов и в водо-
подготовке городского водопроводного хозяйства.
В Японии крошку помола 1... 5 мм применяют при производстве бетонных
дамб для предотвращения усадочных трещин.
В России разработаны и доведены до промышленного внедрения технологии
получения кровельных и гидроизоляционных материалов на основе резиновых по-
рошков и вторичных полимеров. Разработаны методы получения широкой гаммы
литьевых материалов на основе термопластов и смешанных наполнителей (рези-
новые порошки и дисперсные минеральные наполнители), метод модификации ре-
зиновых порошков, с помощью которого можно изготавливать изделия из них без
применения эластомерного или термопластичного связующего, а также технология
получения литьевых материалов на основе термопластов и резиновых порошков.
168
2.9.10. Пример технологии переработки отходов производства
автомобильных шин
В процессе производства шин образуются следующие производственные отходы:
- подвулканизованные резиновые смеси (горелая резина);
- срезка обрезиненных тканей (обрезиненный текстильный корд);
- вулканизованные выпресовки;
- окончательный брак: авто-, вело-, мотокамер;
- окончательный брак: авто-, вело-, мотопокрышек;
- варочные камеры;
- отходы латекса, каучука.
Все перечисленные производственные отходы после предварительной пере-
работки могут использоваться при изготовлении товаров хозяйственного и куль-
турно-бытового назначения (резиновые дорожки для стадионов; резинокордные
сельскохозяйственные плиты; подрельсовые прокладки и т. д.).
Невулканизованные отходы обрезиненных текстильных материалов отно-
сятся к категории наиболее трудноперерабатываемых, т. к. состоят из двух со-
вершенно разнородных материалов: резиновой смеси и синтетических волокон в
виде корда или тканей. В настоящее время на ряде шинных заводов из них произ-
водят кровельные материалы путем многократной обработки невулканизованных
обрезиненных кордов на валковых машинах с последующей вулканизацией в
прессах. По такой же технологии готовят подрельсовые прокладки.
Технологический процесс производства резиновых плит и дорожек пред-
ставлены на рис .2.10.
Рис. 2.10. Технологический процесс производства плит для
животноводческих помещений и резиновых дорожек
169
В технологии изготовления резиновых плит, дорожек и подрельсовых про-
кладок используют следующие производственные отходы:
- подвулканизованные резиновые смеси (горелая резина);
- отходы латекса и каучука;
- отходы срезки обрезиненных тканей (обрезиненный текстильный корд).
Отходы подвулканизованной резиновой смеси, латекса и каучука предвари-
тельно обрабатывают на вальцах с гладкой поверхностью валков.
На валки добавляется резиновая крошка размером 2 мм, чтобы не происхо-
дило прилипание подвулканизованной резиновой смеси вальцам. С вальцов рези-
новая смесь (с добавленной резиновой крошкой) прокатывается листами, после
чего прокатанные листы воздушно охлаждают и укладывают на платформу.
Чтобы прокатанные листы не слипались друг с другом, их укладывают, перести-
лая пленкой полиэтилена, после чего листы отправляют на участок прессования. Эти
листы используются как нижний и верхний слой резиновой плитки или дорожки.
Отходы срезки обрезиненных тканей (обрезиненный текстильный корд) об-
рабатываются на вальцах с рифленой поверхностью (при необходимости добав-
ляется резиновая крошка). Окончание обработки определяется визуально — по
степени измельчения нитей корда. Затем лист снимается с поверхности валков и
используется в качестве внут-
реннего слоя сельскохозяйст-
венных плит.
До переработки на валь-
цах отходы в зависимости от
габаритных размеров дополни-
тельно измельчаются. Затем
дальнейшая переработка до
получения необходимых раз-
меров крошки (0,5 мм; 0,9 мм
и 2 мм) происходит на агрегате
измельчения крошки рис. 2.11.
Агрегат состоит из
транспортера (1); дробилки
ножевой (2) и дисковой мель-
ницы (3).
Рис. 2.11. Агрегат для измельчения крошки
Транспортер предназначен для транспортирования подлежащих измельче-
нию производственных отходов в дробилку ножевую.
Дробилка ножевая предназначена для предварительного измельчения отхо-
дов до размеров от 3... 10 мм.
Мельница дисковая предназначена для размола резиновой крошки посту-
пающей из дробилки ножевой, до размеров от 0,3 - 1,5 мм.
Крошка размером 0,5 мм — используется для изготовления резиновых смесей
(в качестве наполнителей), 0,9 мм — для приготовления регенерата, который так-
же применяется для резиновой смеси. Крошка размером 2 мм — после предвари-
тельной активации применяется для изготовления ободных лент.
Крошка после мельницы просеивается через вибросито.
170
Технологический процесс производства изготовления резиновой крошки по-
казан на рис. 2.12.
Рис. 2.12. Технологический процесс производства изготовления
резиновой крошки
2.10. Переработка строительных отходов
Строительные отходы образуются при новом строительстве, сносе и рекон-
струкции зданий и сооружений, при производстве строительных материалов, де-
талей и конструкций, ремонте и модернизации.
В соответствии с временным классификатором отходов при сносе, реконст-
рукции и новом строительстве зданий и сооружений образуются следующие ви-
ды отходов: бетон и железобетон; сколы асфальта; керамзитобетон; древесина;
лом черных металлов; рубероид; битум (мастика); линолеум (обрезь); использо-
ванная минеральная вата; асбошифер (бой); макулатура (в том числе оргалит);
стеклобой; использованный санитарно-технический фаянс; кирпич (бой); отрабо-
танный раствор цементно-известковой; лакокрасочные (разные); отработанные
шлак, зола, асбест; керамическая плитка (бой); использованная тара бумажная,
загрязненная; тара металлическая.
171
Преобладающий вид строительных отходов в городах - замусоренный грунт,
асфальт, каменные материалы, кирпич, бетон и железобетон, древесина, керами-
ческая плитка, картон, бумага и т. д.
Схема очистки городов от строительных отходов предусматривает перера-
ботку части отходов во вторичное сырье и вывоз на полигоны ТБО для захороне-
ния той части строительных отходов, которая не может быть использована как
вторичный строительный материал. На полигоны принимают строительные отхо-
ды, относящиеся к IV классу опасности. В основном это строительный мусор, за
исключением крупногабаритных и крупнообломочных.
2.10.1. Переработка и вторичное использование бетона и железобетона
В настоящее время большая часть строительных отходов вывозится на поли-
гоны и свалки, в том числе несанкционированные, что отрицательно влияет на
экологическую ситуацию.
В то же время, отходы строительного производства представляют собой вто-
ричное сырье, использование которого после переработки на щебень и песчано-
гравийную смесь может снизить затраты на строительство новых объектов и од-
новременно позволяет уменьшить нагрузку на городские полигоны, исключить
образование несанкционированных свалок.
Переработка строительных отходов осуществляется в основном на дробиль-
но-сортировочных установках. Щебень от дробления строительных отходов
представляет собой рыхлосыпчую смесь кусочков зернистого материала различ-
ной формы и различных фракций, которые затем на грохоте разделяются на две
основные фракции: 0-40 мм и 40-150 мм.
В зависимости от исходного материала, поступившего на дробление, полу-
чают разные по своим прочностным характеристикам типы щебня.
На основе вторичного щебня допускается изготовление:
— бетонных смесей по ГОСТ 7473-94 «Смеси бетонные. Технические усло-
вия» для производства блоков стен подвалов по ГОСТ 13579-78 «блоки бетонные
для стен подвалов. Технические условия»;
— камней бетонных стеновых и других бетонных изделий;
— в дорожном строительстве для устройства оснований дорожных покры-
тий, подстилающих слоев тротуаров и др.
Получаемый щебень имеет низкую цену и обладает всеми необходимыми
свойствами для применения в вышеупомянутых целях.
2.10.2. Оборудование для переработки некондиционного бетона и
железобетона
В мировой практике организация производства и использования вторичного
заполнителя из бетонного лома осуществляется по трем вариантам:
1. Бетонный лом с места демонтажных работ транспортируется на завод по
производству заполнителей, и полученный заполнитель направляется на бетон-
ный завод (две транспортные операции).
172
2. Оборудование для получения заполнителя из бетонного лома устанавливают
непосредственно на месте демонтажных работ, и полученный заполнитель отправ-
ляется на бетонный завод или строительный объект (одна транспортная операция).
3. Получение заполнителя из бетонного лома и производство на его основе
организовано на месте демонтажных работ (внутризаводское транспортирование).
В отечественной практике получила распространение технология переработки
и использования бетонного лома по второму варианту территориальной схемы -
цикл А (рис. 2.13), когда полученный вторичный заполнитель используется в ос-
новном для устройства щебеночной подготовки дорожных покрытий и оснований.
Рис. 2.13. Схема утилизации некондиционного бетона и железобетона
Более эффективной является технология переработки и вторичного приме-
нения бетона по третьему варианту территориальной схемы - цикл Б (рис. 2.13).
Полученный вторичный щебень может быть использован в качестве крупного за-
полнителя при заводском приготовлении бетонов прочностью от 5 до 30 МПа.
В Японии наибольшее распространение получил третий вариант схемы пере-
работки и вторичного использования бетона (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Схема переработки и вторичного использования бетона в Японии
173
Для повышения экономичности использования бетонного лома в качестве вто-
ричного заполнителя для бетона целесообразно приготавливать такой заполнитель
на месте производства работ с помощью небольшой дробилки и грохота. Здесь же
производится последующее приготовление и укладка бетонной смеси при возведе-
нии нового сооружения.
Технология производства вторичного заполнителя по «замкнутой системе»
(рис. 2.15), получила широкое распространение в Нидерландах.
Рис. 2.15. Замкнутая система переработки строительных отходов (Нидерланды)
Одновременно используется технология переработки по «незамкнутой сис-
теме», обеспечивающая более высокую производительность на том же оборудо-
вании, но имеющая существенный недостаток в менее четком определении мак-
симальной крупности частиц, что может привести к недопустимым колебаниям в
размерах фракций получаемого продукта.
Технологическое оборудование используемое для переработки некондици-
онного бетона: установки первичного дробления (разрушения), вторичного дроб-
ления и фракционирования.
2.10.3. Установки первичного дробления
Общие принципы создания технологического оборудования по переработке
некондиционного бетона и железобетона базируются на возможности примене-
ния существующего дробильно-сортировочного оборудования, используемого
при переработке битого камня из карьеров. Однако при определении конструк-
тивных параметров дробильной установки, предназначенной для железобетона,
необходимо учитывать наличие арматуры и невозможность точного контроля
формы и размеров подаваемого материала.
174
В связи с этим определенные узлы дробильных установок для железобетона
значительно более металлоемки и размер их по сравнению с аналогичными узла-
ми обычных дробильных установок такой же производительности больше. Вы-
звано это, прежде всего необходимостью пропускания арматуры через установку.
В результате коэффициент полезного действия установок значительно ниже,
чем обычных камнедробильных. При этом увеличение габаритов подаваемого на
дробление некондиционного железобетона еще больше снижает КПД установки.
В то же время, чем крупнее установка первичного дробления, тем меньше
подготовки требует подаваемый материал.
Основными узлами установок первичного дробления некондиционных желе-
зобетонных изделий являются: гидравлический рычажной пресс, колосниковый
стол, направляющая рама и гидростанция, развивающая давление 20 МПа. Рабо-
чее положение гидравлического пресса может быть различным: пресс перемеща-
ется вдоль неподвижного колосникового стола с лежащим на нем изделием, или
занимает стационарное положение, а изделие при этом подается в зону разруше-
ния подвижным столом.
Исходными данными для выбора необходимого типа установки являются га-
бариты подлежащих переработке некондиционных железобетонных изделий. При
этом следует руководствоваться техническими характеристиками параметриче-
ского ряда установок.
Разрушение некондиционного бетона и железобетона осуществляется сле-
дующим образом.
На колосниковый стол краном укладывается некондиционное железобетонное
изделие или посредством переносного бункера выгружаются бетонные отходы.
На разрушаемое изделие или отходы опускается рычажный пресс (нож), работа
которого заключается в чередовании цикла опускания и поднятия. По мере разру-
шения изделия дробленый материал проваливается через колосниковую решетку
стола на ленточный конвейер и переносится на установку вторичного дробления.
Куски арматурной стали из массы дробленого бетона, прошедшие через ко-
лосники стола, извлекаются в зоне выхода ленты конвейера магнитным отдели-
телем. Арматурный каркас, очищенный от бетона, с колосникового стола снима-
ется подъемным механизмом.
После извлечения арматуры из бетона разрушаемых железобетонных изде-
лий ее измельчают на мерные куски путем огневой резки на гидравлических или
ручных аллигаторных ножницах СМЖ-549.
Используемые зарубежными фирмами перерабатывающие установки, обыч-
но, оснащены первичными дробилками, позволяющими принимать некондици-
онный железобетон размерами, ограниченными по длине до 2- 3 и по ширине до
1 м. Это вызывает необходимость организации предварительного разрушения
крупногабаритного железобетона до допустимых размеров с соответствующим
выделением больших складских и производственных площадей.
Английская фирма "Паркер Плант", на основе анализа испытаний различных
типов установок первичного дробления некондиционного железобетона, исполь-
зуемых европейскими фирмами, отметила, что ударные роторные дробилки спо-
175
собны дробить железобетон ограниченного размера ввиду конструктивной осо-
бенности системы подачи (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Схема роторно-молотковой дробилки
Арматура излишней длины, отделенная от бетона, не может проходить вокруг
ротора ударной дробилки. Первичные ударные дробилки подвержены также значи-
тельно более быстрому износу по сравнению с первичными щековыми дробилками.
Конструктивно щековые дробилки (рис. 2.17) значительно отличаются от
ударных. В дробильной камере щековых установок нет препятствий, затрудняю-
щих прохождение материала. При правильном поступлении в нее железобетона и
достаточном зазоре между зоной выхода дробленого материала и отводящего
конвейера разрушение железобетона производится достаточно эффективно.
Рис. 2.17. Схема щековой дробилки
176
Для удаления арматурных изделий, извлеченных из бетона, наиболее широкое
распространение за рубежом получили магнитные надконвейерные сепараторы,
стационарные магниты и магнитные барабаны на натяжной станции конвейера.
Наилучшие результаты при удалении арматуры достигаются при использо-
вании магнитного надконвейерного сепаратора (рис. 2.18).
Рис. 2.18. Удаление арматуры надконвейерным магнитным сепаратором
Во-первых, сепаратор более производителен, чем стационарный магнит, т. к.
самостоятельно освобождается от притянутой арматуры.
Во-вторых, при оптимальном расположении его над конвейером магнитный
сепаратор обеспечивает не только извлечение металла из дробленого бетона, но и
попадание его непосредственно в приемный бункер для арматурных отходов.
Для более тщательного удаления металла эта операция может быть разделе-
на на 2 стадии: после установок первичного дробления используется магнитный
надконвейерный сепаратор и на конечной стадии конвейера - магнитный бара-
бан. Надконвейерный магнитный сепаратор обеспечивает извлечение крупных
кусков арматуры с верхнего слоя дробленого материала, а магнитный барабан со-
бирает более мелкие обломки арматуры, лежащие в нижнем слое материала.
2.10.4. Установки вторичного дробления и фракционирования
Извлечение арматурных изделий из бетона до установок вторичного дробле-
ния обеспечивает возможность измельчения и фракционирования заполнителей
из дробленого бетона по технологии, аналогичной технологии для получения ес-
тественных заполнителей, и использования обычных дробильных установок,
применяемых при переработке природного камня в карьерах.
177
Для обеспечения мобильности и гибкости в технологии переработки некон-
диционного бетона и железобетона и получения фракционированного заполните-
ля из дробленого бетона целесообразно использовать агрегат мелкого дробления
и сортировки СМД-27Б.
СМД-27Б предназначен для дробления материала с пределом прочности до
300 МПа и сортировки до трех фракций готового продукта.
Агрегат СМД-27Б представляет собой двухосный прицеп, состоящий из ра-
мы на передней и задней тележках, приемного лотка, возвратного и бокового
конвейера, конусной дробилки, виброгрохота и бункера готовой продукции.
Материал, подлежащий фракционированию, поступает с установки вторич-
ного дробления в приемный лоток, оттуда по боковому конвейеру попадает на
виброгрохот. На виброгрохоте материал разделяется на три фракции с размером
0...5, 5...20, 20...40 мм и поступает в расположенный под грохотом бункер с
тремя отсеками.
Под отсеки необходимо подвести отвальные конвейеры. Материал крупно-
стью более 40 мм, не прошедший сквозь сита грохота, поступает в конусную
дробилку. Из-под дробилки возвратным конвейером материал подается в прием-
ный лоток и боковым конвейером - на виброгрохот.
Таким образом, создается замкнутый цикл фракционирования и додраблива-
ния. Готовый щебень отвальным конвейером может направляться в автотранс-
порт или на склад готовой продукции.
2.10.5. Технологические линии по переработке некондиционного
бетона и железобетона
Важным моментом в процессе утилизации отходов из бетона и железобетона
является освоение на предприятиях стройиндустрии специализированных техно-
логических линий по разрушению и переработке отдельных некондиционных из-
делий из сборного железобетона или их частей с целью получения товарного
щебня из дробленого бетона и высвобождения арматурной стали.
Широкое распространение получила технология переработки некондицион-
ного бетона и железобетона на линиях, оснащенных установками первичного
дробления; вторичного дробления; устройством для извлечения арматурных из-
делий - магнитным отделителем; системой ленточных конвейеров и бункеров -
накопителей готовой продукции.
Переработка бетонных отходов и некондиционных железобетонных изделий
на специализированных технологических линиях предприятий сборного железо-
бетона производится в следующей последовательности:
1. На колосниковом столе установки первичного дробления с помощью цик-
лично опускающейся и поднимающейся ножевой балки копра пресса дробится
бетонный лом или железобетонные изделия.
2. Раздробленный бетон, направляемый отбойными боковыми листами через
колосники, попадает на ленточный конвейер.
178
3. Оставшаяся на столе арматура снимается краном такелажным способом.
Прошедшие через колосниковый стол куски арматурной стали, извлекаются из
массы дробленого бетона.
4. Отделенные от арматуры куски бетона с максимальной крупностью 250 мм
по системе ленточных конвейеров поступают на установку вторичного дробления.
5. Затем дробленый материал с фракцией 0...50 мм по ленточному конвейе-
ру подается в бункеры-накопители, оснащенные шиберными затворами с элек-
трическим приводом.
2.10.6. Использование продуктов переработки бетона и железобетона
Во всем мире заметно повысился интерес к повторному использованию бе-
тона в строительном производстве. Ранее повторно использовалась лишь незна-
чительная часть разрушаемого бетона, в основном в качестве подстилающего
слоя (щебеночной подготовке) при возведении автомагистралей, прокладке же-
лезных дорог и устройстве временных площадок. В последнее время вторичный
заполнитель из бетонолома получил более широкое применение: при устройстве
щебеночных оснований под полы и фундаменты зданий, под асфальтобетонные
покрытия дорог всех классов; в качестве крупного заполнителя в бетонах прочно-
стью 5-20 МПа при производстве бетонных и железобетонных изделий; в качест-
ве крупного заполнителя в бетонах прочностью до 30 МПа при смешивании с
природным щебнем.
Обобщение отечественного и зарубежного опыта повторного использования
бетона дало возможность допустить применение в качестве заполнителя при при-
готовлении бетонной смеси дробленого бетона (ГОСТ 26633-85 «Бетоны тяжелые
и мелкозернистые. Технические условия»). Разработка этих документов будет
способствовать увеличению объемов эффективной переработки бетонного лома и
его применения в практике строительства.
Согласно стандарту Японии, вторичный бетон подразделяется на три катего-
рии (табл. 2.3):
1 категория - обычный мелкий заполнитель+вторичный крупный заполнитель;
2 категория - обычный и вторичный мелкие заполнители+вторичный круп-
ный заполнитель;
3 категория - вторичный крупный и мелкий заполнители.
Японские специалисты указывают на целесообразность широкого использо-
вания щебня из дробленого бетона. При этом обеспечивается экономия топливно-
энергетических и природных ресурсов при приготовлении бетонов на бетонных
заводах.
Осуществляется производство вторичного щебня пяти фракций с макси-
мальной крупностью зёрен до 75 мм. Основной объём выпускаемого щебня ис-
пользуется для устройства оснований административных зданий. В этом случае
бетон на основе крупного вторичного заполнителя имеет себестоимость на 25 %
ниже, чем бетон на природном щебне.
179
Таблица 2.3
Использование вторичных бетонов
Категория вторичного бетона Область применения Максимальная прочность на сжатие, МПа
проектная реальная
1 Общее малоэтажное строительство, малоэтажное многоквартирное жи- лищное строительство, то же, индиви- дуальное, фундаменты складских и производственных помещений L8 30
2 Бетонные блоки фундаментов, гаражи и легкие подсобные помещения, ста- нины машин и механизмов и т. д. 15 27
3 Фундаменты деревянных конструкций ворот, заборы, легкие фундаменты под машины и механизмы и т. п. 12 24
Первые исследования по применению в строительстве отходов из бетонного
лома были проведены в Нидерландах, Бельгии и ФРГ. Специалистами этих стран
уделялось серьезное внимание, как изучению свойств бетонных отходов, так и
различным видам дробильного оборудования: щековым, конусным, ударным или
роторно-молотковым дробилкам, а также средствам виброгрохочения.
Основная физико-механическая характеристика щебня, получаемого из
дробленого бетона:
Плотность, кг/м3 2150-2450
Фактор дробимости 0,7 - 0,79
Содержание влажности, % 3-6
Водопоглощение, % 4-5
Потери при прокаливании, % 5
Результаты исследований в основном подтверждают вышеописанные зако-
номерности влияния вторичных заполнителей на свойства бетона. На основании
этого рекомендовано использование только крупного вторичного заполнителя
для приготовления бетона, близкого по своим прочностным характеристикам к
аналогичному составу бетона на гравии.
Таким образом, использование щебня из дробленого бетона возможно в произ-
водстве бетона, где рекомендуется использование в качестве заполнителя гравия.
На основании анализа отечественного и зарубежного опыта можно сделать
вывод, что полученный после переработки бетона вторичный щебень можно так-
же использовать при устройстве подстилающего слоя подъездных и малонапря-
женных дорог, фундаментов под складские, производственные помещения и не-
большие механизмы; устройстве основания или покрытия пешеходных дорожек,
автостоянок, прогулочных аллей, откосов вдоль рек и каналов; приготовлении
бетона, используемого для устройства покрытия пешеходных дорожек, внутрен-
них площадок гаражей и сельских дорог; заводском производстве бетонных и
железобетонных изделий прочностью до 30 МПа.
180
2.11. Переработка полимерных отходов
Вторичные полимерные материалы составляют ту часть полимерных отхо-
дов, которая может быть выделена из их общей массы и переведена в материаль-
ный ресурс, пригодный для дальнейшего использования.
В зависимости от места образования полимерные отходы подразделяются на
три группы.
Технологические отходы производства образуются при синтезе и перера-
ботке термопластов и других видов пластмасс. Технологические отходы бывают
устранимые и неустранимые.
Устранимые отходы образуются вследствие несовершенства технологии
синтеза и переработки пластмасс и несоблюдения технологических режимов
(брак производства), а также в процессе переработки полимеров в изделия (кром-
ки, высечки, облои, литники, обрезь и т. д.). Устранимые отходы представляют
собой высококачественное сырье, по своим свойствам не отличающееся от ис-
ходного материала. Применение устранимых отходов как вторичного сырья не
требует дополнительной переработки, специального оборудования.
Неустранимые отходы - сложные многокомпонентные отходы, содержащие
помимо полимеров другие материалы, использование которых в качестве вторич-
ного полимерного сырья требует специального оборудования и технологий.
Отходы производственного потребления образуются в результате выхода
из строя или прекращения срока использования полимерных изделий (отходы
упаковки, многооборотная полимерная тара, сельскохозяйственная пленка и т.д.).
Эти виды отходов обычно имеют стабильный состав, мало загрязнены и могут
быть дополнительным источником вторичного сырья, пригодного для повторного
использования.
Отходы потребления - полимеры, которые накапливаются в процессе жиз-
недеятельности населения. В конечном итоге они переходят в смешанные поли-
мерные отходы, которые являются одним из компонентов ТБО. Смешанные по-
лимерные отходы утилизируют вместе с ТБО на свалки или мусоросжигательные
заводы.
Полимерные отходы составляют до 7,0 % всего городского мусора, и их доля
увеличивается с ростом уровня жизни людей. Использование смешанных поли-
мерных отходов из ТБО в качестве вторичного сырья представляет наибольшие
трудности. Это связано с технологической несовместимостью полимеров, входя-
щих в состав смешанных полимерных отходов, и их большой загрязненностью.
Однако существует ряд компонентов смешанных полимерных отходов, которые
можно выделить из городского мусора и использовать в качестве вторичного сырья.
Практически полностью перерабатываются в собственном производстве от-
ходы литьевых изделий, производства труб и листов из полиолефинов, полисти-
рола и конструкционных пластиков.
Высок уровень переработки отходов производства пленки из полиэтилена и
полипропилена (до 80 %) .
Значительно меньше объемы переработки отходов производства вакуум-
формования из полистирола.
181
Практически не перерабатывают отходы производства литья из пластикатов
поливинилхлорида, вакуумформования из жесткого поливинилхлорида.
Большое число предприятий используют полимерные материалы, полуфаб-
рикаты и комплектующие для выпуска основной продукции. В первую очередь
это предприятия по выпуску пищевой продукции (упаковка), предприятия по вы-
пуску строительных материалов и конструкций, мебели, предприятия по выпуску
автомобилей, машиностроительные предприятия.
Основные типы полимерных отходов, образующиеся на этих предприяти-
ях: упаковочная пленка (полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой
плотности), литьевые изделия, полистирол, поливинилхлорид.
Неперерабатываемые отходы этих предприятий: упаковочная пленка (поли-
этилен низкой плотности), пищевой полистирол (вырубка от вакуумформования),
жесткая пленка поливинилхлорида, отходы искусственных кож, мягкая поливи-
нилхлоридная пленка, полиуретан.
Основные полимерные отходы промышленного потребления: тара и
упаковка, образующиеся на предприятиях торговли при обработке грузов. В ос-
новном это достаточно чистые отходы пленки полиэтилена низкой плотности,
полимерной многооборотной тары (полиэтилен высокой плотности), упаковоч-
ные пенопласты на основе пенополистирола, которые можно легко переработать
во вторичное полимерное сырье.
Основная масса полимерных отходов, содержащихся в ТБО, составляет
4,0....5,5 % общей массы. Состав полимерных отходов в ТБО приведен в табл. 2.4
Таблица 2.4
Полимерный материал Полимерный отход Доля полимерных отходов в общей массе, %
Полиэтилен - низкой плотности (ПЭНП) - высокой плотности (ПЭВП) Упаковочные материалы, сельскохозяйственная пленка 40-50 10-15
Полипропилен (ПП) Упаковочные материалы 3-5
Поливинилхлорид (ПВХ) 10-15
Полистирол (ПС) Упаковка, полимерные бу- тылки, одноразовая посуда 5-7
Полиэтил енрефталат (ПЭТФ) 12-15
Прочие 7-20
Объемы накопления вторичного сырья из отходов промышленного произ-
водства зависят от многих факторов.
Полимерные отходы общественного потребления практически не собирают
и не перерабатывают. Учитывая возрастающее использование их в общественном
потреблении (упаковочные пленочные материалы, полимерные емкости, однора-
зовая посуда, пищевая индустрия), можно ожидать увеличения полимерных от-
ходов общественного потребления на 0,1 ...0,5 % в год.
Переработка полимерных отходов во вторичное полимерное сырье заключа-
ется в подготовке полимерных отходов к вторичному использованию с примене-
нием методов измельчения и гранулирования экструзией в расплаве.
182
Особенность механических метода - переработка без существенных изменений
химической структуры полимера. Конечный продукт - гранулы (или измельченные
до определенного размера частицы) вторичного полимера. Важная особенность
большей части полимерных отходов - то, что после гранулирования экструзией в
расплаве их можно перерабатывать в изделия на стандартном оборудовании.
Механической переработке предшествуют стадии сбора полимерных отхо-
дов, приема и хранения, сортировки и складирования.
Основные элементы технологии механической переработки полимерных от-
ходов: резка, дробление, измельчение, отмывка, разделение (для смешанных от-
ходов), сушка, агломерация, гранулирование, усреднение по составу (смешение).
В зависимости от типов отходов конечным продуктом механической пере-
работки могут быть: дробленые отходы, агломерат, гранулят, полимерные компо-
зиции (модифицированные, наполненные, окрашенные полимеры и их смеси).
Технологическая линия переработки полимерных отходов включает: загру-
зочное устройство, участок предварительной резки, участок измельчения, уча-
сток отмывки отходов от загрязнений, участок сушки, агломерат, сепаратор, уча-
сток получения гранулята или полимерных композиций, имеющий смесительные
силосы, систему взвешивания добавок и дозирования, экструдер для смешивания
и пластификации материала, снабженный фильтром расплава, гранулятор, систе-
му сушки и охлаждения гранулята, систему упаковки готовой продукции.
Свойства вторичных полимерных материалов, полученных при переработке
полимерных отходов, возможность и области их применения определяются хи-
мической структурой полимеров, видом полимерных отходов, сроком и условия-
ми эксплуатации полимерных изделий, условиями переработки, а также развити-
ем рынка вторичных полимерных материалов и опытом работы производителей с
вторичными полимерами.
Особенность применения вторичных полимерных материалов - возможность
их пользования после переработки, совмещенной с модификацией и наполнением
в типовых процессах получения изделий из полимеров на типовом стандартном
оборудовании. Области применения вторичных полимерных материалов приведе-
ны в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Полимерный материал Области применеия
ПЭНП Производство пленки, листов, труб, выдувных изделий, литье- вых изделий
ПЭВП Производство литьевых изделий, выдувных изделий, труб, профильных изделий
ПП Производство литьевых изделий
ПС, УПС Производство листов, пленки, литьевых изделий
ПА Производство литьевых изделий
ПВХ Производство пленки, листов, профильных изделий, труб
АВС Производство литьевых изделий, листов
ПК, ПБТ Производство литьевых изделий
ПЭТФ Производство волокон, нитей, жилки, литьевых изделий
183
2.12. Переработка и утилизация стеклобоя
В России наблюдается ежегодное увеличение объема образования стеклобоя,
что связано с ростом продаж алкогольных напитков и пива, бутылки из-под которых
не принимаются у населения предприятиями торговли. В результате они попадают в
бытовые отходы, что приводит к увеличению расходов на их захоронение.
Во всем мире стеклобой в основном используют для производства тары (ба-
нок, бутылок). Так, в Великобритании используют 15 % стеклобоя, в США -
20...30 %, в Венгрии - 20 %, в Чехии, Германии - 30 %, в Нидерландах - 40 %.
Экономия топлива при этом составляет 0,25 % на 1 % используемого стеклобоя.
Имеется опыт применения стеклобоя в качестве заполнителя при производ-
стве лакокрасочных материалов, обойной бумаги, пластмасс, битума, абразивных
материалов.
В строительстве широко используют теплоизоляционные материалы, выпускае-
мые на основе вспененной стекломассы. Такие материалы имеют высокие эксплуата-
ционные характеристики: негорючи, нетоксичны, биостойки, обладают низкой теп-
лопроводностью, водостойки, пароводонепроницаемы, безусадочны и долговечны.
Теплоизоляционные материалы на основе стекла используются для изоляции
стен, перекрытий, кровли, для утепления трубопроводов, тепловых и холодиль-
ных агрегатов, как легкий заполнитель бетона.
Организацию производства теплоизоляционных материалов осуществляют,
обычно, в два этапа: первый - переработка стеклобоя в теплоизоляционные гра-
нулы, второй - в теплоизоляционный плитный материал.
2.13. Переработка древесных отходов
Основными источниками образования древесных отходов являются лесо-
промышленные комплексы и деревоперерабатывающие комбинаты. Кроме того,
древесные отходы образуются при санитарной рубке, в процессе ухода за зеле-
ными насаждениями на улицах, в парках, скверах, бульварах и лесопарках.
В составе бытовых отходов, образующихся в городах, также содержится
большое количество древесных отходов.
Древесные отходы используют на различные цели.
Для производства древесно-волокнистых плит (ДВП) применяют в основном
отходы переработки древесины хвойных пород.
Для производства древесно-стружечных плит (ДСП) используют технологи-
ческую и дровяную древесину, кусковые отходы лесопильно-деревообрабаты-
вающего и фанерного производства, стружку и др.
Технология изготовления ДСП включает следующие этапы: сортировку сырья,
измельчение его в стружку или щепу, сушку измельченной древесины, смешение со
связующим, формирование стружечного ковра, разделывание его на пакеты, прес-
сование, обрезку плит, охлаждение, сортировку и последующее складирование.
Важнейшим направлением рационального использования древесины в
строительной индустрии является производство различных древесных бетонов,
таких, как арболит, фибролит, стружкобетон, опилкобетон, королит, костролит.
184
Получение экологически чистых дешевых строительных материалов, сво-
бодных от десорбирующих химических веществ типа фенолформальдегидных
смол - одна из важных проблем строительного материаловедения.
Установлено, что используемые в мебельном производстве и жилищном
строительстве материалы, такие, как ДСП, ДВП, получаемые с использованием
фенолформальдегидных смол, выделяют свободные фенол и формальдегид в до-
зах, в десятки раз превышающих предельно допустимые концентрации, являются
канцерогенно-опасными веществами. Поэтому необходимо разрабатывать аль-
тернативные экологически чистые и дешевые отделочные материалы.
Одно из перспективных направлений использования древесных отходов -
получение плит без использования полимерного связующего - пластитов. Пла-
ститы можно использовать в строительстве, для устройства пола, встроенной ме-
бели и других целей.
Технологический процесс производства пластитов состоит из подготовки,
сушки и дозирования древесных частиц, формования ковра (пакета), холодной
подпрессовки ковра (пакета), горячего прессования и охлаждения без снятия дав-
ления, обрезки кромок и кондиционирования (сушки) готовых плит.
Пьезотермопластики - это плитный материал, получаемый в результате об-
работки измельченной древесины при высоких давлениях и температуре без свя-
зующих веществ. Существует два способа изготовления: без предварительной
обработки древесных отходов и с гидрообработкой их горячей водой или паром
перед прессованием.
В России разработаны новые высокоэффективные методы получения эколо-
гически чистых древеснонаполненных пластмасс (ЭДНП), исходным материалом
для получения которых служат древесные опилки, стружка и другие отходы рас-
тительного происхождения, а в качестве полимерного связующего - термопласты
(полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и др.) и их отходы. Изделия из
ЭДНП обладают абсолютной экологической чистотой, высокими прочностными
и эксплуатационными характеристиками, имеют низкое водопоглощение, биоло-
гически стойки (не разрушаются бактериями, грибком, термитами), хорошо под-
даются механической обработке. Физико-механические и эксплуатационные по-
казатели изделий из ЭДНП выше, чем из ДВП, ДСП, асбестовых плит, древеси-
ны. Разработанная технология получения ЭДНП позволяет использовать в компо-
зиции до 80...85 % древесных отходов. Технология переработки ЭДНП позволяет
применять экструзию, прессование и литье, поэтому можно создавать изделия
любой формы и конфигурации.
Из рассмотренных материалов могут быть получены ограждающие строитель-
ные конструкции и отделочные материалы, в том числе отделочная и мебельная
доска, плинтусы, наличники, подоконные плиты, внутренние перегородки зданий,
витражи, двери внутренние и наружные, элементы устройства пола и потолка и др.
Отходы от переработки древесины можно применять при производстве тех-
нического углерода, используемого как сорбент при водоподготовке, а также в
нефтегазодобывающей промышленности.
В начале 60-х гг. был разработан и широко внедрен способ производства из
древесной зелени витаминной муки для обогащения комбикормов каротином.
185
Хвойная хлорофиллокаротиновая паста - это лечебный препарат, включаю-
щий жирорастворимые витамины и антимикробные вещества хвои. Способ полу-
чения пасты заключается в экстракции смолистых веществ из хвои путем обра-
ботки их водным раствором щелочи.
Значительную долю переработки хвойной древесной зелени как в России,
так и за рубежом, составляет производство эфирных масел.
Из сосновых пней можно производить канифоль, скипидар, древесную смо-
лу, сосновые масла.
Древесная мука представляет собой продукт сухого измельчения древесины.
Ее используют как наполнитель, фильтрующий материал и поглотитель в различ-
ных отраслях промышленности. Древесную муку можно изготовлять из древеси-
ны хвойных, лиственных пород и их смеси.
Зеленую массу применяют при производстве репелентов садовых вредите-
лей, против грызунов и зайцев в садах и питомниках.
Один из простых и доступных методов переработки древесно-растительных
отходов - метод компостирования их в штабелях на площадке (полевой метод).
Полевое компостирование в штабелях проводят в естественных условиях на спе-
циально отведенных площадках, размеры и технологическое оборудование кото-
рых оделяются составом и объемом отходов, подлежащих переработке. Схема
технологического процесса переработки древесно-растительных отходов компо-
стированием в штабелях на открытой площадке показана на рис. 2.19.
Рис. 2.19. Технологический процесс переработки древесно-растительных отходов
186
2.15. Переработка текстильных отходов
Текстильные отходы также разделяют на отходы производства и потребления.
Текстильные отходы производства - это отходы технологических процессов
производства волокон, нитей, тканей и швейных изделий.
Текстильные отходы потребления - это вышедшая из употребления одежда, ко-
торая в конечном итоге оказывается в городском мусоре (ТБО) и составляет 4.. .6 %.
Текстильные отходы производства по видам сырья подразделяют на три ос-
новные группы:
- текстильные отходы из натурального сырья (хлопковое волокно, льняное
волокно, шерсть, натуральный шелк);
- текстильные отходы из химического сырья (химические нити, искусствен-
ные и синтетические волокна);
- текстильные отходы из смешанного сырья (смеси на основе натуральных и
химических волокон).
В зависимости от дальнейшего использования отходы текстильной промыш-
ленности подразделяют на:
- прядомые, употребляемые в смеси с основным сырьем на выработку пряжи;
- ватные, перерабатываемые в смеси с основным сырьем в вату;
- валяльно-войлочные, перерабатываемые в нетканые текстильные материалы;
- непрядомые, используемые в виде весовых лоскутов тканей.
Текстильные отходы образуются на предприятиях текстильного производст-
ва на различных технологических стадиях.
На предприятиях хлопчатобумажной промышленности в процессе перера-
ботки хлопка, а также в прядильном, ткацком, отделочном и ватном производст-
вах образуются хлопчатобумажные отходы, большую часть которых используют
в собственном технологическом цикле.
Отходы промышленности по производству шерсти представляют собой
отходы, образующиеся при первичной обработке шерсти, изготовлении шерстя-
ной пряжи, шерстяных тканей, часть которых используют в собственном техно-
логическом цикле, а другую - как вторичное сырье.
В трикотажной промышленности образуются отходы при переработке
пряжи, изготовлении трикотажного полотна и изделий из него, большая часть ко-
торых используется как вторичное сырье.
В швейной промышленности отходы образуются в процессе подготовки
материалов и раскраивания деталей швейных изделий, представляющий собой
весовой лоскут тканей и используемый в качестве вторичного сырья для произ-
водства вторичных текстильных материалов.
Любая технология переработки текстильных отходов включает подготовку
вторичного текстильного сырья, состав операций которой зависит от источника
поступления сырья и его дальнейшего использования. Сырье поступающее от на-
селения проходит дезинфекцию, обеспыливание, сортировку, стирку или химчи-
стку, резку и разволокнение, а при подготовке вторичного текстильного сырья,
поступающего от производства такие операции как дезинфекция, обеспыливание,
стирка или химчистка, отпадают.
187
Большую часть текстильных отходов производства и потребления исполь-
зуют в качестве вторичного сырья при производстве нетканых материалов.
Технологический процесс производства нетканых материалов состоит из
четырех этапов:
- подготовка волокна (разволокнение, очистка, смешивание),
- формирование волокнистого холста,
- закрепление волокон в холсте,
- обработка полученного материала и его отделка.
Существует достаточно видов продукции, получаемой их текстильных отхо-
дов производства и потребления, - это утеплители различного назначения, кана-
ты, шнуры, шпагаты, мешочные ткани и другие изделия.
Продукция, изготавливаемая из отходов льняной промышленности, может
быть представлена холстопрошивными неткаными и иглопробивными неткаными
материалами.
Отходы шелковой промышленности используют для производства нетканых
материалов. Из отходов трикотажного производства изготавливают свыше 200
наименований изделий.
Получаемые нетканые материалы из отходов используют в швейной про-
мышленности в качестве утепляющего материала - ватина; в обувной промыш-
ленности - прокладок при производстве обуви и верха для домашней обуви; в
мебельной промышленности - настилочного материала при производстве мягкой
мебели; в строительстве - напольной выкладки, прокладочных и изоляционных
материалов и при выполнении других строительных работ.
2.15. Отходы кожи и их переработка
Кожевенные отходы разделяют на отходы кожевенно-обувного производства
и отходы потребления.
Отходы кожевенно-обувного производства - это остатки шкур, кожи, по-
луфабрикатов, материалов, образующихся в процессе переработки исходного ма-
териала. Отходы данного вида подразделяют на возвратные, используемые и не-
используемые непосредственно в данном производстве, безвозвратные.
Возвратные, используемые непосредственно в производстве - это отхо-
ды, которые может использовать само предприятие для изготовления продукции
основного или вспомогательного производства: недубленые отходы (мездра,
краевые участки шкуры и др.) и дубленые отходы (обрезь, лоскут и др.).
Возвратные, неиспользуемые в производстве, это отходы, которые мо-
гут быть потреблены самим предприятием лишь в качестве топлива или реализо-
ваны на сторону: хромовая стружка, спилковая голевая обрезь, обрезь от кож для
низа обуви и другие отходы.
Безвозвратные это отходы, которые не могут быть использованы при
данном состоянии техники и технологии, - технологические потери, связанные с
усушкой, улетучиванием, вымыванием водой белков в отходных стоках, раство-
рителей, других химических материалов, жиров, ушедших со сточными водами, и
др. материалов.
188
Кроме того, отходы кожевенно-обувного производства классифицируют
- по видам производства на отходы производства кожи и отходы производ-
ства обуви;
- по видам кожевенного сырья различают: отходы шкур крупного рогатого
скота, конских, верблюжьих, козьих и овечьих, свиных шкур и прочих видов ко-
жевенного сырья;
- по стадии образования различают: отходы недубленые и дубленые. Не-
дубленые отходы - отходы кожевенного сырья и полуфабриката, образующиеся
до операции дубления, например мездра, голевой спилок и др. Дубленые отходы
- отходы дубленого полуфабриката и готовых кож;
- по химическому составу отходы бывают: жиросодержащие и кол-
лагенсодержащие. Жиросодержащие отходы - это отходы, получаемые при стро-
гании или мездрении свиных шкур, мездра овечья и козья первого мездрения,
мелкий лоскут свиных шкур и овчин. Коллагенсодержащие отходы - это все ос-
тальные виды отходов шкур, полуфабриката и кожи;
- по видам готовых кож различают отходы кож хромового дубления, юф-
тевых кож, отходы от кож для низа обуви, для рантов и др.
С целью снижения негативного воздействия отходов кожевенного производ-
ства на окружающую среду большую их часть вторично используют при произ-
водстве таких видов продукции, как клей, удобрение, белковый гидролизат, кор-
мовые добавки.
Отходы дубленых кож могут быть использованы также для производства ак-
тивированного угля, который применяют в медицине, при очистке и обесцвечи-
вании растворов в фильтровальных установках и т. д.
Основные направления комплексного управления отходами
Основными направлениями комплексного управления отходами должны стать:
- снижение объема (массы) отходов;
- внедрение малоотходных технологий,
- развитие рециклинга - вторичного использования отходов;
- внедрение ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий
переработки отходов;
- организация раздельного сбора и переработки отходов производства и по-
требления;
- организация контроля возникновения несанкционированных свалок и их
ликвидация;
- восстановление земель, загрязненных отходами;
- разработка организационно-технических мероприятий, направленных на
предотвращение и устранение последствий аварийного загрязнения опасными
отходами;
- организация муниципального экологического контроля в сфере обращения
с отходами.
189
Библиографический список
1. Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / С.В. Белов, Ф.А. Барби-
нов, А.Ф. Козьянов и др.: Под. ред. С.В. Белова. М.: Высш, школа, 1991. 192 с.
2. Родионов А.И. и др., Техника защиты окружающей среды / А.И. Родио-
нов, В.Н. Клушин, Н.С. Торошечников. М.: Химия, 1989. - 512 с.
3. Очистка производственных сточных вод: Учеб, пособие для вузов /
С.В. Яковлев, Я.И. Карелин, Ю.М. Ласков, Ю.В. Воронов; Под. ред. С.В. Яковле-
ва. М.: Стройиздат, 1985. - 336 с.
4. Глинка Н.Л. Общая химия: Учеб, пособие для вузов / Под ред. А.И. Ер-
макова М.: Интеграл-Пресс, 2000. - 728 с.
5. Роев Г.А. Очистные сооружения газоперекачивающих станций и нефте-
баз: Учебник для вузов / М. Недра, 1981. - 240 с.
6. Справочник по очистке природных и сточных вод / Л.Л. Паль, Я.Я. Кару,
Х.А. Мельдер, Б.Н. Репин. М.: Высш, шк., 1994. - 336 с.
7. Куклев Ю.И. Физическая экология: Учеб, пособие. М.: Высш, школа,
2001.-358 с.
8. Лившиц А.Б. Современная практика управления твердыми бытовыми от-
ходами // Чистый город. 1999. № 1(5). С. 2-12.
9. Калыгин В.Г., Попов Ю.П. Порошковые технологии: экологическая
безопасность и ресурсосбережение. М.: Изд-во МГАХМ, 1996. - 212 с.
10. Экология, охрана природы и экологическая безопасность / Под ред.
В.И. Данилова-Данильяна. М.: Изд-во МНЭПУ, 1997. - 744 с.
11. Мазур И.И. и др. Инженерная экология. Общий курс. Справ, пособие. Т.2
/ И.И. Мазур, О.И. Молдованов; Под. ред. И. И. Мазура. М.: Высш, школа, 1996. -
638 с.
12. Сметанин В.И. Защита окружающей среды от отходов производства и
потребления. М.: Колос, 2000. - 232 с.
13. Экология и экономика: Справочник; Под ред. К.М. Сытника. Киев, 1986.
306 с.
14. Булатов М.А. и др. Химические производства с замкнутым водооборот-
ным циклом / М.А. Булатов, Т.П. Бондарев, А.М. Кутепов. М.: Изд-во МИХМ,
1991.-80 с.
15. Доусон Г., Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов. М.: Стройиз-
дат, 1996. 288 с.
16. Каталог НИИОГАЗ. Наша продукция - чистый воздух. М.: НИИОГАЗ,
1989.
17. Бертшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязне-
ний: технология и контроль: Пер. с англ. ; Под ред. А.Ф. Туболкина. Л.: Химия,
1989.-288 с.
18. Родионов А.И. и др. Оборудование, сооружения, основы проектирования
химико-технологических процессов защиты биосферы от промышленных выбро-
сов / А.И. Родионов, Ю.П. Кузнецов, В.В. Зенков, Г.С. Соловьев. М.: Химия,
1985.-352 с.
190
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................3
Глава 1. ОСНОВЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД.............................5
1. Показатели качества природных вод............................5
2. Классификация сточных вод....................................6
3. Методы очистки сточных вод...................................8
4. Механическая очистка сточных вод.............................8
4.L Процеживание.............................................12
4.2. Отстаивание..............................................13
4.3. Фильтрование.............................................20
5. Физико-химические процессы очистки сточных вод...............24
5.1. Коагуляция...............................................24
5.2. Флотация.................................................36
5.3. Сорбция..................................................51
5.4. Экстракция...............................................62
5.5. Ионный обмен.............................................67
5.6. Мембранные процессы......................................78
5.7. Электродиализ............................................85
6. Химические методы очистки сточных вод........................89
6.1. Нейтрализация............................................89
6.2. Окисление и восстановление...............................98
6.3. Удаление ионов тяжелых металлов..........................121
7. Биологическая очистка сточных вод............................131
8. Другие методы................................................134
Глава 2. ПЕРЕРАБОТКА И ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ..............................139
2.1. Источники образования отходов производства...............141
2.2. Способы утилизации промышленных отходов..................142
2.3. Отходы потребления.......................................144
2.4. Методы утилизации отходов производства и потребления.....144
2.5. Переработка твердых бытовых отходов компостированием.....145
2.6. Термические методы переработки отходов...................153
2.7. Использование вторичных ресурсов.........................162
2.8. Переработка и вторичное использование макулатуры.........163
2.9. Переработка и утилизация отходов резиновых изделий.......164
2.10. Переработка строительных отходов........................171
2.11. Переработка полимерных отходов..........................181
2.12. Переработка и утилизация стеклобоя......................184
2.13. Переработка древесных отходов...........................184
2.14. Переработка текстильных отходов.........................186
2.15. Отходы кожи и их переработка............................188
Библиографический список
191