Процессы и аппараты глубокой очистки вод

Лекция №6

 

Процессы и аппараты глубокой очистки вод

 

УДАЛЕНИЕ РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ СОРБЦИИ

Эвтрофикация - процесс роста биологической растительности водоемов, который происходит вследствие превышения баланса питательных веществ. При этом повышается температура воды, появляются привкусы и запахи, ухудшается цвет воды, чрезмерно развиваются водоросли, преобладают нежелательные виды планктона и нарушается жизнедеятельность рыб. К ускорению эвтрофикации приводят загрязнения биогенными элементами, которые попадают в водоемы со сточными и дождевыми водами, стоками с сельскохозяйственных полей, из донных отложений и т.д. Установлено, что массовое развитие водорослей в первую очередь происходит при наличии С, N и Р. Поскольку СО₂ поглощается водой из воздуха (причем этот процесс усиливается при высоких значениях рН, характерных для воды в цветущих водоемах), ограничить концентрацию углерода в воде сравнительно трудно. Наиболее целесообразно бороться с эвтрофикацией путем сведения к минимуму концентрации азота и фосфора в сточных водах, сбрасываемых в водоемы.

При наличии свободного диоксида углерода (концентрация которого зависит от бикарбонатной щелочности и рН воды), определенных ВПК и концентрации взвешенных веществ 1 мг азота продуцирует 21 - 25 мг водорослей, а1 мг фосфора - 40 - 250 мг.

Глубокая очистка сточных вод может исключить попадание N и Р в водоемы, поскольку при механической очистке содержание этих элементов снижается на 8-10%, при биологической-на 35-50 % и при глубокой очистке-на 98-99 %. Кроме того, разработан ряд мероприятий, позволяющих бороться с процессом эвтрофикации непосредственно в водоемах, например искусственное увеличение содержания кислорода с помощью аэрационных установок. Такие установки работают в настоящее время в РФ, Польше, Швеции и других странах. Для снижения роста водорослей в водоемах используют различные гербициды. Однако установлено, что для условий Великобритании стоимость глубокой очистки сточных вод от биогенных веществ будет ниже, чем стоимость гербицидов, затраченных на снижение роста водорослей в водоемах. Существенным для последних является снижение концентрации нитратов, представляющих опасность для здоровья человека. Всемирной организацией здравоохранения предельно допустимая концентрация нитратов в питьевой воде принята равной 45мг/л или в пересчете на азот 10 мг/л, такая же величина принята по санитарным нормам для воды водоемов. Количество и характер соединений азота и фосфора влияют на общую продуктивность водоемов, вследствие чего они включены в число главных показателей при оценке степени загрязнения водоисточников.

Для удаления азота, находящегося в сточных водах в виде свободного аммиака, солей аммония и нитратов, используются следующие методы: отдувка аммиака; удаление нитратов способом ионного обмена, гиперфильтрации, электролиза; восстановление нитратов до молекулярного азота химическим или биологическим способом (денитрификация).

Метод отдувки аммиака основан на подавлении диссоциации гидроксида аммония в сильнощелочной среде с образованием газообразного аммиака, который можно отдуть воздухом при многократном разбрызгивании сточной воды. Эффективность отдувки аммиака составляет около 90 %. Аммиак удаляют в дегазаторах с деревянной насадкой или в градирнях.

При применении ионообменных фильтров, заполненных селективными смолами, в частности цеолитом, удаление аммонийного азота при скорости фильтрования, равной 14,7 м/ч, составило 90 % при исходном его содержании16 мг/л.

Активированного антрацита

Потоки: I - сточная вода на очистку; II - регенерированный антрацит; III - активированный антрацит; IV- сточная вода на ионообменные фильтры; V - свежий антрацит на активацию; VI - водяной пар; VII - природный газ; VIII-дымовые газы; 1 - адсорбер; 2,3- печь соответственно регенерации и активации антрацита

Сточная вода поступает в нижнюю часть адсорбера, активированный антрацит-в верхнюю его часть. В процессе контакта воды и антрацита на нем адсорбируются органические загрязнения. Очищенная вода из верхней части адсорбера отводится на ионообменные фильтры для глубокой очистки от растворенных загрязнений, находящихся в воде в ионной форме, а затем поступает в систему производственного водоснабжения комбината.

Отработанный антрацит отводится из нижней части адсорбера на регенерацию, которая происходит под воздействием раскаленных (600- 700°С) газов, отходящих из печей активации (утилизация их теплоты повышает экономичность процесса). Органические загрязнения при этом выгорают, антрацит вновь обретает адсорбционную способность и возвращается в адсорбер. Активация антрацита происходит при температуре 800-900 °С в специальной печи под воздействием дымовых газов и водяного пара.

Преимуществом активированного антрацита, по сравнению с традиционными активированными углями, является в 1,5 раза большая пористость, поэтому потребность в нем в 2-8 раз меньшая; а продолжительность адсорбции снижается в 1,5-2 раза.

Кроме того, активированный антрацит можно добавлять в адсорберы в сухом виде: в течение 1 мин он, пропитавшись водой, оседает на дно.

Для использования гранулированного активированного угля в подобных аппаратах требуется дозировать его в виде суспензии. При транспортировании последней по трубопроводам возрастают потери угля за счет истирания.

За рубежом имеется значительный опыт глубокой сорбционной очистки сточных вод. Например, в штате Калифорния (США) работает установка производительностью более 35 тыс. м/сут. Продолжительность контакта воды с активированным углем на этой установке 15- 45 мин; ХПК сточных вод снижается с 10-18 до 1-6 мг/л, содержание ПАВ-с 1,1-2,9 до 0,002-0,05 мг/л; в очищенной воде БПКполн составляет менее 1 мг/л; Р0^3-₄-Р не превышает 0,1-1, a N0^1-₃0-N менее 2 мг/л. Уголь регенерируют в многоподовых печах.

 

 

Есть две взаимосвязанные характеристики, определяющие состояние воды. Во-первых, речь идет о количестве солей в граммах, приходящихся на 1 л. Этим критерием удобно пользоваться, когда вода сильно минерализована - от 40 г/л (грязнее уже не рассматриваем) до приблизительно 1 г/л. Затем берется во внимание другой - обобщенный электрический - параметр, показывающий удельное сопротивление воды (измеряется кОм или МОм х см), причем чем оно выше, тем меньше примесей. Между этими характеристиками существует взаимосвязь - сопротивление 200-250 кОм х см приблизительно соответствует наличию 1 млг/л солей. В дальнейшем мы будем рассматривать воду от очень грязной (40 г/л солей) до почти идеальной или, как говорят химики, глубокой очистки, имеющей удельное сопротивление 18 МОм х см.

Итак, пока просматриваются четыре метода очистки, оценивать которые нужно, исходя из критериев чистоты получаемого продукта.

Один из хорошо опробованных способов - обратный осмос *. Принцип его заключается в том, что, условно говоря, через трубу, стенки которой пропускают жидкость только определенного, наперед заданного качества, прокачивают воду вплоть до сильно минерализованной (состав солей до 40 г/л) под повышенным давлением. В результате через стенки трубы проникает двойной дистиллят (сопротивлением 200-250 кОм х см), в дальнейшем используемый в производстве (пищевая и химическая промышленность, медицина, электроника и др.), а грязную субстанцию сливают в отходы.

При таком методе достигается глубокая очистка от механических частиц, органических веществ и токсинов. Чего еще желать лучшего? Однако срок службы соответствующих фильтров всего 15 месяцев, да и почти половина первоначальной воды вместе с грязью уходит в стоки, т. е. коэффициент полезного действия таких установок всего 50-60%.

Другой используемый в промышленности метод очистки - дистилляция. При технологической простоте и эффективности (чистота получаемой жидкости характеризуется сопротивлением 100 кОм х см) он очень энергоемок (более 0,7 кВт/л). К тому же само устройство быстро покрывается "накипью", а последующая очистка его сложна и дорога.

В третьем случае применяют ион-нообменные смолы (синтетические органические иониты **). При этом вода изменяется от среднеминерализованной (менее 4 г/л) до глубочайшей очистки (18 МОм х см). Несмотря на хороший результат (к тому же и потери исходной воды здесь со-

* Осмос - односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации (прим. ред.).

** Иониты (ионообменники) - твердые нерастворимые вещества, способные обменивать свои ионы с ионами внешней среды (прим. ред.). ставляют всего 3-5%), применение этого способа ограничено. Дело в том, что он не экологичен, ибо используемые смолы приходится периодически регенерировать, а для этого нужны вредные химические реагенты; к тому же устройства, его реализующие, сложны в обслуживании.

И наконец, электродиализный метод. Он наиболее развит в нашей стране и находит все большее признание в мире. В этом случае очистка воды основана на применении трехкамерного электродиализного аппарата, в котором пространство между катодом и анодом разделено двумя (соответственно - катионитовой и анионитовой) мембранами на три части. При подключении к электроду источника питания постоянного тока катионы (калия, натрия, кальция, магния) подлежащей очистке воды стремятся из средней камеры к катоду (обратного хода нет - тут установлена соответствующая мембрана), а анионы других вредных веществ (хлора, сульфатов бикарбонатов) - к аноду. При этом вода в средней камере очищается, а в остальных накапливаются либо гидроксиды металлов, либо растворы кислот.

 

Основные элементы устройства - гетерогенные разделительные мембраны - получают формованием в листы смеси порошков ионита и полиэтилена. Механическую прочность им обеспечивает армирование поверхности капроновой или лавсановой сеткой.

Этим способом можно очищать грязную воду (12 г/л) до практически идеальной (18 МОм х см), правда, она должна проходить предварительную подготовку. Скажем, наличие малоподвижных ионов некоторых металлов (железо, алюминий, марганец) или коллоидных частиц (глина, песок, гидрокиси тяжелых металлов, микроорганизмы, гниющие органические остатки) значительно повышает электрическое сопротивление мембран и снижает эффективность всего процесса. Именно поэтому для стабильной работы электродиализного аппарата концентрация железа в воде не должна превышать 50 мкг/кг, марганца - 50, а взвешенных веществ - 2 мкг/кг. Образованная в 1994 г. фирма "Акварос" как раз и специализируется на разработке и производстве различных аппаратов последнего типа. В частности, у двух созданных здесь аналогов в мире нет - это электродиализный (ЭДА) и электроионитовый (ЭИА). Первый очищает умягченную воду (в ней нет солей жесткости) до удельного сопротивления 20-250 кОм х см, второй доводит этот показатель до 2-16 МОм х см. Оба аппарата представляют собой однополюсные устройства постоянного действия, не выделяющие из приэлектродных пространств водород, кислород и хлор. В аналогах, используемых до них, по технологическим требованиям на электродах периодически меняли знак плюс на минус и наоборот, иными словами, происходила переполюсовка. В данном же случае этого делать не надо, что значительно упрощает процесс. Кроме того, эти аппараты очень экономично расходуют энергию (всего 0,5 Вт/л против 3-10 у традиционных), отличаются минимальными потерями воды (5% от исходного объема против обычных 30-40). Они рассчитаны на работу более 10 лет; защищены патентами.

Однако на этом преимущества названных агрегатов не заканчиваются. Их можно использовать не только самостоятельно, но и строить на их основе целые очистительные линии для получения воды с любыми, наперед заданными свойствами, в частности, глубокой очистки. Последний вариант рассмотрим подробнее.

Сначала исходная водопроводная вода проходит через фильтр механических загрязнений, диаметр пор которого 10-20 мкм. Затем ее обеззараживают ультрафиолетовым облучателем УФО-1 (это также наша разработка) и она поступает на фильтр органических загрязнений. Последний допускает многократную регенерацию отжигом при температуре 300 о С с коэффициентом очистки 98%. Далее воду умягчают, т. е. происходит замещение ионов солей жесткости на натрий и хлор, и в работу последовательно вступают аппараты ЭДА и ЭИА, доводящие ее чистоту до 99, 9%. На заключительном этапе вода проходит через фильтр тонкой очистки (диаметр пор 1-2 мкм) и осуществляется ее контроль. Последняя операция проводится кондуктометром (прибором со встроенным процессором, также разработанным нашей фирмой).

Установка работает в автоматическом режиме, проста в управлении и обслуживании. Габариты базовых аппаратов (модулей) ЭДА и ЭИА производительностью 250 л/ч почти одинаковы - 630 (620) х 430 х 330 мм.

Для повышения производительности и снижения энергоемкости эти установки собирают из модулей, причем камеры обессоливания и концентрирования включают параллельно или последовательно в направлении водного потока. Таким образом можно изготовить конструкцию практически любой производительности, кратной 250 л/ч.

Комбинация различных аппаратов обеспечивает очистку как технических, так и бытовых стоков. Причем ее степень можно регулировать практически в любых пределах - от норм рыбохозяйства (до 1 г/л) до глубокой очистки (18 МОм х см), требуемой в медицине и микроэлектронике. В частности, по проекту и на основе оборудования ЗАО "Акварос" в АО "Ангстрем" построен комплекс очистки химических стоков производства микросхем производительностью 16 м 3 /ч, возвращающий предприятию для повторного использования до 90% воды.

У электродиализного метода, кроме экономичности и увеличенного срока службы, много и других достоинств. Не нужны химические реагенты, гидравлическая схема очень проста, причем она не требует высокого давления и тонкой предварительной очистки. И к тому же, практически вся вода идет в оборот.

Лекция №6

 

Процессы и аппараты глубокой очистки вод