Химическая очистка сточных вод. Решение экологических вопросов в техническом аспекте, где решаются общетехнические задачи или частные задачи отдельной или близких отраслей промышленности
 Скачать 51.06 Kb.
|
 СодержаниеВведение……………………………………………………………… 3 1.Принцип химической очистки воды………………………………. 4 2.Методы химической очистки воды: химические реакции………. 6 2.1. Процесс окисления………………………………………….. 6 2.2. Методы осаждения………………………………………….. 8 Заключение………………………………………………………….. 17 Список литературы………………………………………………… 18 Введение Одним из невосполнимых природных ресурсов является нефть, которая в процессе добычи, транспорта, переработки и потребления постоянно соприкасается с окружающей средой и загрязняет ее, особенно воду. В настоящее время защита окружающей среды от нефтесодержащих сточных вод - одна из главных задач. Мероприятия, направленные на очистку воды от нефти, помогут сберечь определенные количества нефти и сохранить чистым воздушный и водный бассейны. На земном шаре много воды, но чистой пресной воды очень мало. Круговорот воды в природе создает необходимые условия для существования человечества на земле. Для правильного подхода к решению актуальных задач в области окружающей среды необходимы определенные знания в этой области. Учебные программы, разработанные во многих университетах и институтах можно разбить на две крупные группы:
1. Принцип химической очистки воды Химические способы очистки сточных вод заключаются в том, что происходит добавление разнообразных химических реагентов в загрязненные сточные воды. Эти химические реагенты вступают в реакцию с загрязнителями, в процессе которой происходит их выпадение в осадок в виде нерастворимых частиц. После этого они удаляются из сточных вод посредством фильтров водоочистки. Химическая очистка сточных вод как процесс, подразделяется на две группы: очистка неорганических веществ и очистка химических веществ реактивами. Сульфатно- и азотно- содержащие сточные воды рудных предприятий, которые содержат щёлочи, кислоты, ионы тяжёлых металлов, значительно изменяют физические свойства воды. Не менее вредоносное действие способны оказать сточные воды нефтеперерабатывающих предприятий и нефтехимических заводов, содержащие нефть, смолы и аммиак. Химические загрязнения создают на воде плавающую нефтяную плёнку и, оседая на дно, приобретают токсические свойства многолетнего действия. Химическая очистка сточных вод может довести содержание нерастворимых опасных примесей до 95% и растворимых до 25%. На предприятиях химическая очистка сточных вод используется в целлюлозно-бумажной, кожевенной и пищевой промышленности, согласно постановлению СанПиН. Из химических методов очистки применимы коагуляция, окисление, сорбция. Опыт показывает, что процесс перемешивания воды с реагентами надо проводить на большой скорости. Химическая очистка сточных вод при быстром перемешивании достигается в специальных смесителях с псевдоожиженной насадкой и предварительной электрообработкой. Оптимизация интенсивного смешения коагулянта с водой даёт более эффективные результаты в процессе химической очистки сточных вод, но при этом надо учитывать как физико-химические свойства воды, так и свойства самих реагентов для активного разрушения осадков. Химическая очистка сточных вод, однако, имеет ряд недостатков - необходимость точного соблюдения строгой дозировки дорогостоящих реагентов, что делает этот процесс весьма трудоёмким и дорогостоящим. Из бытовых, ставших уже привычными, методов химической очистки сточных вод применяется метод хлорирования жидким хлором или хлорной известью. Однако при сравнительно дешёвом реагенте всё же наносится огромный экологический вред окружающей среде. Реалии сегодняшнего времени таковы, что уже ни для кого не является неожиданной новостью ухудшение экологической ситуации не только в нашей стране, но практически и во всем мире. Трудно даже представить себе, что когда-то человек употреблял воду для питья непосредственно из открытых водоемов. Сегодня на такой рискованный шаг вряд ли кто-нибудь решиться. Во многом это связано с тем, что в водоемы попадают загрязненные сточные воды, которые не проходили очистку. Да что там говорить об открытых водоемах, если даже в большинстве случаев водопроводную воду употреблять бывает опасно для здоровья. Даже для технического использования водопроводную воду предварительно необходимо очищать. Для этой цели разработано множество способов химической очистки сточных вод. 2.Методы химической очистки воды: химические реакции Очистка воды химическим способом относится к третичной стадии процедуры водоочистки, при которой из нее удаляют излишествующие фосфаты (способ препятствует нежелательному росту водорослей). Химические реакции очистки воды от тяжелых металлов предусматривают удаление загрязняющих неорганических промышленных веществ, таких как ионы тяжелых металлов. Специализированных процессов, которые используют для удаления из стоков металлов, существует довольно много. Самыми востребованными являются цементация, флокуляция, химическое осаждение, жидкостная экстракция, выпаривание, биологические и электрохимические операции, мембранные процессы. Кроме этого, есть методы, предусматривающие одновременное использование сразу нескольких способов. 2.1. Процессы окисления Природная вода содержит различные органические вещества и биологические загрязнения. Они придают ей цветность, запах, привкус, служат источником заражения болезнетворными микроорганизмами. В воде также содержатся в виде раствора катионы тяжелых металлов низшей валентности, например, железо и марганец, анионы в высшей валентности и растворенные газы, например, гидросульфаты и сероводород. Одним из путей улучшения качества воды является обработка ее окислителями. Первоначально окислители применялись с целью обеззараживания (дезинфекции) воды и лишь позднее для улучшения цветности, вкуса, привкуса и запаха (для обесцвечивания, дезодорации, обезжелезивания и деманганации воды). Основными окислителями, используемыми в водоподготовке, являются: · кислород воздуха; · хлор-газ Сl2; · другие галогены: Br, I; · диоксид хлора СlO2; · гипохлорит натрия NаClO; · гипохлорит кальция Са(СlО)2; · хлорная известь (хлорид-хлорат кальция); · хлорамины; · озон О3; · перманганат калия KMnO4; · оксид водорода H2O2. Кислород является достаточно слабым окислителем. Он практически не действует на растворенные органические вещества, а для биологических объектов является необходимым элементом их существования и размножения. В то же время кислород окисляет растворенные в воде катионы тяжелых металлов (железо и марганец) до их высших валентностей, при которых они легче гидролизуются и затем удаляются фильтрованием. Другие, более сильные окислители не только окисляют неорганические ионы, но и дезинфицируют и дезодорируют воду. В мировом масштабе первое место среди дезинфицирующих воду веществ занимает хлор и его соединения. Эффективность действия любых окислителей определяется произведением их концентрации и времени воздействия. Существенное значение имеют: температура воды, наличие различных неорганических веществ, а также соотношение концентраций трудно- и легкоокисляемых соединений в воде. Хлор действует на органические вещества, окисляя их, и на бактерии, которые погибают в результате окисления веществ. Хлорирование воды требует наличия систем транспортировки и хранения хлора. Для увеличения продолжительности бактерицидного действия хлора и предотвращения образования хлорфенольных запахов в воду наряду с хлором вводят аммиак. При его взаимодействии с хлорноватистой кислотой, которая образуется при хлорировании воды, получается монохлорамин который, гидролизуясь, образует сильный окислитель – гипохлоритный ион . Недостатком этого способа является образование вредных продуктов – хлоритов и хлоратов – и бoльшая стоимость по сравнению с хлором (и озоном). 2.2. Методы осаждения Характеризуются образованием малорастворимой твердой фазы, на поверхности или внутри которой задерживаются коллоидные и (или) растворенные загрязнения. Эта фаза создается за счет введения специальных реагентов.Осадительные методы широко распространены в подготовке питьевой воды, а также воды для технических целей. Эти методы дают хорошие результаты по выведению коллоидных и взвешенных частиц. Достоинствами этих методов промышленной водоочистки являются: низкая стоимость, использование широко распространенного и отработанного оборудования и доступных реагентов. Недостатками являются: низкая эффективность, малая производительность и большое количество отходов. Для увеличения производительности и уменьшения объема отходов вводят специальные вещества – флокулянты, представляющие собой растворимые высокомолекулярные вещества, молекулы которых в растворенном виде обладают зарядом. Различают три основных осадительных метода: коагуляция, флокуляция и химическое осаждение. Химическое осаждение – образование и осаждение в жидкой фазе малорастворимых кристаллических осадков с соосажденными ионами загрязнений. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев. При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться как в неионизированном, так и в ионизированном состоянии. Ионизированные флокулянты 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 катионные группы: -NH2,=NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.); - амфотерные - полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др. Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются обычно 0,1-10 г/м , а в среднем 0,5-1,0 г/м . Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; рециркуляции (образование, сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа. При добавлении активированного силиката увеличивается в 2-3 раза скорость осаждения и повышается эффект осветления. Процесс очистки сточных вод методами коагуляции или флокуляциивключает приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование в обрабатываемую сточную воду, смешение со всем объемом воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из воды. Растворение коагулянтов в воде осуществляется в растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом интенсивностью 4-5 дм/с на 1 м² площади колосниковой решетки. Применяются также баки с лопастными мешалками для растворения зернистых материалов и с пропеллерными мешалками для растворения кусковых материалов (размером не более 20 мм). Из растворных баков растворы коагулянтов перекачивают в расходные баки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую сточную воду обычно в виде 1-10 %-ных растворов, а флокулянты - в виде 0.1-1 %-ных растворов. Коагулянты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях, продолжительность пребывания воды в которых составляет 1-2 мин. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические смесители с пропеллерными или лопастными мешалками. После смешения обрабатываемых сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием. Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твёрдых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). В основе метода жидкостной экстракции лежит массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Для повышения скорости процесса исходный раствор (сточную воду) и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт – раствор извлекаемого компонента в экстрагенте, и рафинат – остаточно исходный раствор (очищенная сточная вода), из которого с той или иной степени полноты удалён экстрагируемый компонент. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяют друг от друга отстаивание, центрифугированием или другим механическим способом. После этого производят извлечение экстрагируемого вещества из экстракта с целью возврата экстрагента в процесс экстракции путём реэкстракции другим растворителем, а также выпаривание, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением. В процессе очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов методом жидкостной экстракции металлы переходят в органическую фазу, а за тем в результате реэкстракции – из органической фазы (экстракт) в водный раствор[27]. Таким образом достигается очистка сточных вод и концентрирование металла, то есть создаются условия для его регенерации (например, электролизом). Органическая фаза содержит экстрагент и органическую жидкость – растворитель экстрагента (керосин, бензол, хлороформ, толуол и т.д.). В качестве экстрагентов используют органические кислоты, эфиры, спирты и др., а реэкстрагентов – водные растворы неорганических кислот и оснований. Извлечение металлов из водной в органическую фазу проводят тремя способами [1]: катионообменной экстракцией – то есть обменом извлекаемого катиона металла на катион экстрагента; анионообменной экстракцией – то есть обменом металлосодержащего аниона на анион экстрагента; координационной экстракцией, при которой образуется кардиационная связь молекулы или иона экстрагента непосредственно с атомом (ионом) реэкстрагируемого металалла. Катионообменая экстракция в общем виде описывается уравнением: Mez+вод. + zHRорг. = MeRz орг + zH+ , где Me – металл валентностью z; R – кислотный остаток органической кислоты. Наиболее широко применяются следующие катионообменные экстрагенты: алифатические кислоты типа RCOOH с числом углеродов атомов в радикале от 7 до 9 и нафтеновые кислоты, которые получают из сырой нефти. Катиобменнае экстракция может протекать по двум механизмам: - с образованием простых органических солей металлов, - с образованием внутрикомплексных соединений экстрагента с ионами металлов. В процессах анионообменной экстракции используют первичные, вторичные и третичные амины. При обработке кислотой соли аминов могут обменивать анион кислоты на металлосодержащие анионы. К нейтральным экстрагентамотносятся спирты, кетоны, простые и сложные эфиры и др. При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов – наиболее ценной или токсичной, а затем, если это необходимо, другой и т.д. Для очистки сточных вод наиболее часто применяют ступенчато-противоточный и непрерывно-противоточный методы экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции применяются установки, каждая ступень которых состоит из смесителя и сепаратора для отстойного разделения водной и органической жидкостей. Свежий экстрагент и сточная вода поступают из противоположных сторон и по ступеням перемещяются на встречу друг другу, так что на последней ступени почти чистая вода встречается со свежим экстрагентом, а неочищенная сточная вода контактирует с концентрированным раствором экстрагируемого вещества в экстрагенте. Разделение проводят в трёхкамерных отстойниках: смесь поступает в среднюю камеру, где она расслаивается. Лёгкая жидкость перетекает в боковую камеру по переточному патрубку в верхней части перегородки, тяжёлая – в другую боковую камеру через нижний переточный патрубок. При непрерывных противоточных экстракции применяют колонны различных конструкций, в которых вода и экстрагент перемещаются на встречу друг другу и разделяются на выходе из колонны. Процесс экстракции осуществляется в одном аппарате, при этом экстрагент выполняет роль не накопителя целевого продукта, а переносчика ионов из одной секции аппарата в другую, что требует меньшей разовой загрузки экстрагента и меньшей его концентрации. Экстракция производится в аппаратах различной конструкции: распылительных, насадочных, тарельчатых колонках, а также в центробежных экстракторах. Наиболее эффективны центробежные экстракторы, отличающиеся высокой производительностью и уникальными возможностями для разделения фаз. Продолжительность прерывания воды в камере 15-20 мин. Вода на очистку поступает из первого каскада ванны противоточной промывки и под небольшим вакуумом закачивается в термосифон испарителя. С внешней стороны он нагревается острым паром, конденсат от которого удаляется снизу испарителя. Вместо острого пара для нагрева испарителя. Вместо острого пара для нагрева испарителя могут использоваться электронагреватели. Нагреваясь от пара, обрабатываемая вода разделяется на две фазы: жидкую и газообразную – и в таком виде подаётся в сепаратор. Здесь жидкий концентрат собирается в нижней части сепаратора, откуда перекачивается в испаритель повторно до тех пор, пока не будет достигнута требуемая концентрация тяжёлого металла. Пар вакуумируется в холодильник, где он конденсируется, а конденсат направляется вновь в каскадную ванну промывки в последний каскад. При этом количество каскадов противоточной промывки выбирают, исходя из сравнения производительности вакуум-выпарной установки и расхода воды на промывку. При достижении в концентрате нужной концентрации ионов металла установка отключается и концентрат выгружается в сборник, а затем возвращается в рабочую ванну. Принципиальная схема очистки промывной воды методом выпаривания (рис. 1) фактически является схемой безотходной операции нанесения покрытия, так как в ванну нанесения покрытия полностью возвращаются компоненты электролита, вынесенные с деталями, а в промывную ванну – чистая вода. Это справедливо для операций нанесения большинства покрытий: хромирования, никелирования, цинкования, кадмирования, меднения, нанесения многих сплавов. Рисунок 1. Принципиальная схема очистки промывной воды методом выпаривания В случае термического разложения органических добавок промывную воду перед дистилляцией пропускают через адсорбционный фильтр, а раствор электролита корректируют новой порцией добавки. Применение вакуум-выпарной установки позволяет исключить предварительную адсорбционную очистку промывных вод от органических компонентов, так как за счёт повышенного вакуума в испарителе в качестве греющего агента вместо острого пара применена горячая вода с температурой 70-90 0С, что резко снижает опасность разложения органических добавок. Заключение В результате анализа научно-технической и патентной литературы становится очевидно, что не существует универсального, т.е. эффективного и дешевого метода очистки промышленных сточных вод. Наиболее широко применяемый реагентный метод, достаточно прост и дешев, однако не решает проблему утилизации ценных компонентов, которые безвозвратно теряются с осадками. В результате чего почвы загрязняются токсичными шламами. Кроме того, метод не обеспечивает необходимого качества очистки сточных вод, предполагая направлять стоки на доочистку в городской коллектор, причиняя немалый ущерб окружающей среде и подрывая бюджет предприятия. Список литературы 1. «Нормирование содержания вредных веществ в водных объектах и поступающих в них сточных водах», методическое пособие, РГУ, кафедра пром. безопасности, Л.В. Столярова 1999 2. «Очистка хозяйственно-бытовых сточных вод и обработка осадков» Афанасьева А.Ф. , Сирота М.Н., Савельева Л.С. , Эпов А.Н. 1997 изд. «Изограф» 3. «Сточные воды НПЗ и нефтепромыслов» под ред. Ю.Д. Лебедева, Т.Е. Нагибиной, И.Л. Монгайт, выпуск V, 1960 гос. изд. мед. лит. 4. «Экология нг комплекса» учебное пособие в 2 томах, Бухгалтер Э.Б., Мкртычан В.Р., Том 1 ; изд. «нефть и газ» 2003 5. «Технологии очистки сточных вод» РГУ, пособие, 1997, Е.А. Мазлова 6. «Канализация», V издание, С.В. Яковлев, Я. А Карелин, А. И. Жуков, С. К. Колобанов, Стройиздат; 1975, раздел: химическая очистка производственных сточных вод. 7. Орлов В.А. «Озонирование воды» Стройиздат, 1984 |