КОМПЛЕКС СОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД
COMPLEX FOR SORPTION TREATMENT OF CONTAMINATED WATERS

Изобретение относится к области очистки промышленных и сточных вод от вредных примесей, в том числе от ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов и органических загрязнений методом сорбции.
3
4
Известно использование магнетита FeO в качестве сорбента для удаления нефти и нефтесодержащих органических загрязняющих веществ [US 3767571] и масел [JP 53055659] из сточных вод, как и для эффективной очистки сырой воды от бактерий [JP 62053785].
Одним из технических решений использования магнетита является применение его в качестве активного слоя проточных фильтров, например, таких как указанных в [JP 11057735, JP 7232160].
К недостаткам фильтров относится их применение на основном потоке очищаемой воды, что приводит к нестабильности очистки вследствие накопления осадков.
Другим техническим решением использования магнетита в качестве сорбента является его последующее вместе с сорбтивом удаление из потока воды средствами магнитной сепарации. Известно применения средств магнитной сепарации при очистке гальванических сточных вод от тяжелых металлов, адсорбированных магнетитом [KR 20020080521]. В известном решении очистки воды от тяжелых металлов [US 2005189294] тяжелые металлы в воде поглощаются магнетитом и удаляются из воды путем применения магнитного поля.
Для улучшения качества очистки сточных вод магнетит с адсорбированными веществами переводят в осадок с помощью флоккулянтов и магнитным способом отделяют образовавшийся осадок [JP 52056758].
Недостатком магнитной сепарации является возможность проскока как магнетита в качестве сорбента, так и сорбтива с очищенной водой, что приводит к необходимости отделения и вывода из потока очищаемой воды гидроксида тяжелых металлов, адсорбировавшегося на поверхности сорбента, в противном случае в процессе "старения" осадка тяжелые металлы могут вновь попасть в уже очищенную воду.
В ряде случаев, когда для эффективности сорбции требуется мелкая фракция магнетита, качество очистки определяется именно вышеуказанными проскоками. Известно, что для очистки воды от нефтепродуктов природный магнетит измельчают в порошок и используют сито с сеткой 200 mesh [CN 101234806]. Удалось достигнуть эффективности удаления нефти только на 78 процентов, что соответствует снижению величины химического потребления кислорода (ХПК) примерно на 76 процентов.
Для удаления органических загрязнений желательно иметь частицы размером около 0.05 мкм [GB 2446104], по этой причине магнитная сепарация характеризуется относительно низкими эксплуатационным характеристикам.
Основным экономическим недостатком вышеприведенных технологий являются существенные затраты на приготовление пылевидного магнетита.
Среди средств сепарации нашел развитие метод центрифугирования. Известна установка, содержащая гидроциклон, предназначенная для непрерывного осветления потока воды [RU 2206408] и обеспечивающая выделение из поступающей воды твердых взвешенных частиц, нефтепродуктов и маслосодержащих примесей, а также растворенных и нерастворенных в воде газов. Недостатком данной установки является то, что степень очистки недостаточно высока из-за значительного проскока твердых частиц из воды, в особенности, если твердые частицы являются мелкими фракциями с размерами до 5 мкм.
На практике синтетический магнетит получают в гальванокоагуляторах, которые, в свою очередь, нашли применение в системах промышленной очистки сточных вод от ионов тяжелых черных и цветных металлов, в том числе от железа, цинка, меди, мышьяка, хрома, фтора, органических флотореагентов, нефтепродуктов и т.д.
Известен гальванокоагулятор [RU 2006480], в котором за счет электрохимических процессов, происходящих между углеродсодержащей загрузкой и скрапом, образуются нерастворимые соединения магнетита типа клатратов и гетитов, которые позволяют эффективно и надежно сорбировать из воды ионы тяжелых металлов (степень очистки достигает 99,9%) и взвешенные частицы (степень очистки 95%).
Также известно, что при гальванокоагуляции используют гальванопару, образованную железным анодом и углеродным катодом в присутствии инертного материала с диэлектрическими свойствами [RU 2074125].
В известном способе очистки промышленных сточных вод [RU 2161137] очистку проводят в усреднительной емкости, куда направляют также и осадок после гальванокоагуляции. Образовавшуюся смесь подвергают магнитоакустическому резонансному воздействию в звуковом диапазоне частот от 3,5 до 16 кГц мощностью излучения 15÷20 мВт от одного до трех раз в сутки в течение 50÷60 мин. После разделения жидкой и твердой фаз жидкую фазу направляют на последовательную гальванокоагуляцию в двух гальванокоагуляторах, причем гальванопара в первом гальванокоагуляторе образована из частиц кокса и железа, а во втором - из смеси кокса и алюминия. После гальванокоагуляции осадок направляют в процесс предварительной очистки, а жидкая фаза является очищенной сточной водой, используемой в системах оборотного водоснабжения.
Недостатком приведенного решения является недостаточно полное удаления ионов тяжелых металлов, сложность и длительность процесса.
Известно устройство [RU 2318737] для очистки сточных вод, характеризуемое наличием последовательно соединенных реактора предварительной очистки, первичного отстойника, гальванокоагулятора, реактора-ферритизатора, вторичного отстойника и механического фильтра, при этом к выходу по осадку первичного отстойника подключены последовательно соединенные накопитель осадка и фильтр-пресс, выход по осадку гальванокоагулятора через реактор-ферритизатор подключен к реактору предварительной очистки, а к реактору предварительной очистки и реактору-ферритизатору подведены магистрали подачи воздуха.
Интенсификацию процессов образования магнито-восприимчивых ферритов тяжелых и цветных металлов производят в дополнительном реакторе-ферритизаторе.
Недостатком является то, что устройство не обеспечивает достаточной ферритизации осадка, который является мелкодисперсным, и не позволяет отделить его от обработанного раствора, что делает его недостаточно эффективным в работе.
Наиболее близкой к заявляемой по своей технической сущности является установка для очистки промышленных сточных вод [RU 2130433] (прототип), содержащая приемную емкость сточных вод, эжектор, водяной насос, гальванокоагулятор и блок сепарации твердой фазы, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ультразвуковой генератор и электромагнит, при этом ультразвуковой генератор установлен между гальванокоагулятором и электромагнитом, а эжектор установлен между приемной емкостью и водяным насосом и соединен с линией сжатого воздуха и баллоном с углекислым газом, блок сепарации твердой фазы выполнен в виде тонкослойного отстойника и песчаного фильтра, установленных последовательно.
Другими словами, указанная установка состоит из последовательно соединенных между собой трубопроводом от забора загрязненной воды до резервуара чистой воды по потоку очищаемой воды: водяного насоса; гальванокоагулятора; ультразвукового генератора; электромагнита; тонкослойного отстойника и песчаного фильтра. Предусмотрена подпитка загрязненной воды углекислым газом для повышения ее кислотности.
Обработка сточных вод после прохождения гальванокоагулятора проводится в ультразвуковом генераторе с частотой 22÷44 кГц для подщелачивания водной среды и последующего количественного осаждения гидроксидов железа и тяжелых металлов.
Последующая обработка сточных вод магнитным полем с напряженностью 150÷300 Э обеспечивает увеличение скорости образования кристаллических зародышей гидроксидов железа, что дает возможность повысить степень очистки сточных вод от анионов, а увеличение скорости роста собственно кристаллов позволяет на последующих стадиях процесса очистки сточных вод, в тонкослойном отстойнике и на песчаном фильтре, более эффективно отделять твердую фазу.
Основным недостатком установки является то, что обработка сточных вод в поле гальванической пары приводит к зарастанию ее элементов отложениями загрязненных вод, т.е. к пассивации поверхности элементов наполнителя, образующих гальванопару.
Другим недостатком является то, что производительность очистки определяется динамикой процессов образования в гальванокоагуляторе магнитовосприимчивых форм железа, что, в свою очередь, происходит в потоке собственно очищаемой воды.
Из этого следует, что установка по прототипу является недостаточно эффективной и по экономическим соображениям.
Техническая задача состоит в улучшении качества очистки промышленных и сточных вод от вредных примесей методом сорбции.
Заявляемый в качестве изобретения комплекс направлен на улучшение сорбционных свойств магнетита, нарабатываемого гальванокоагулятором, на оптимизацию процессов сепарации сорбтива и, как следствие, на достижение экономически обоснованной технологии очистки загрязненных вод от ионов тяжелых металлов, нефтепродуктов и других загрязнений.
Технический результат достигается тем, что предложен комплекс сорбционной очистки загрязненных вод, содержащий последовательно соединенные между собой трубопроводом от забора загрязненной воды до резервуара чистой воды по потоку очищаемой воды, емкость химической обработки, насос и осветлительный фильтр, при этом емкость химической обработки соединена с гальванокоагулятором также трубопроводом, на котором последовательно от гальванокоагулятора до указанной емкости размещены буферный бак с функцией скрапоуловителя, второй насос и средство ультразвукового активирования, причем емкость химической обработки снабжена дополнительным трубопроводом, образующим циркуляционный контур, на котором размещен гидроциклон, при этом циркуляционный контур имеет соединение с участком трубопровода между насосом и осветлительным фильтром, патрубок вывода твердой фазы гидроциклона соединен с емкостью химической обработки, а патрубок слива жидкой фракции гидроциклона соединен трубопроводом с осветлительный фильтром.
Целесообразно, что буферный бак с функцией скрапоуловителя и емкость химической обработки имеют соединения с линией подачи сжатого воздуха.
Указанный результат достигается также тем, что средство ультразвукового активирования выполнено в виде полой камеры, снабженной входным и выходным патрубками для обрабатываемой среды, во внутрь которой помещен волновод, имеющий внешнее соединение с электроакустическим преобразователем колебаний, поступающих с ультразвукового генератора, при этом волновод изготовлен в виде стержня с переменным по его длине сечением.
Желательно, что буферный бак с функцией скрапоуловителя и емкость химической обработки имеют дополнительные возвратные линии, расположенные после соответствующих насосов и снабженные регулировочными клапанами.
Возможно, что гальванокоагулятор соединен трубопроводом с резервуаром чистой воды.
Выполнение заявленного комплекса сорбционной очистки загрязненных вод позволяет оптимизировать процесс удаления излишних количеств тяжелых металлов, нефтепродуктов и других загрязнений. Кроме того, система предусматривает оперативное изменение режима очистки за счет регулируемого использования циркуляционного контура с гидроциклоном на дополнительном трубопроводе. Так, сепарация очищенной воды от сорбтива происходит в основном в гидроциклоне, твердая фаза из которого возвращается в емкость химической обработки для максимального использования ее сорбционной способности. На осветлительный фильтр поступает практически чистая вода из гидроциклона и только часть водной суспензии сорбтива поступает из емкости химической обработки. Таким образом, снижается нагрузка на осветлительный фильтр и повышается ресурс его работы.
Электрохимически полученный в гальванокоагуляторе с электродами железо и кокс (либо медь) гидроксид железа находится в далеком от термодинамического равновесия состоянии и в связи с этим имеет высокую внутреннюю и поверхностную энергию, а следовательно, и сорбционную и ионообменную способность.
Средство ультразвукового активирования, расположенное на трубопроводе подачи пульпы в емкость химической обработки, позволяет дополнительно развить сорбционную поверхность магнетита и, таким образом, существенно повысить производительность предлагаемого комплекса.
Комплекс унифицирован для очистки загрязненных вод, подверженных непредсказуемому изменению показателей качества.
Изобретение проиллюстрировано чертежами.
На Фиг.1 представлена схема оборудования комплекса сорбционной очистки загрязненных вод, на которой: 1 - гальванокоагулятор; 2 - буферный бак с функцией скрапоуловителя; 3 - насосы; 4 - средство ультразвукового активирования; 5 - емкость химической обработки; 6 - гидроциклон; 7 - осветлительный фильтр; 8 - регулировочные клапаны возвратных линий; 9 - резервуар чистой воды.
На Фиг.2 представлен принципиальный чертеж средства ультразвукового активирования, на котором: 10 - ультразвуковой генератор; 11 - электроакустический преобразователь; 12 - волновод; 13 - полая камера; 14 и 15 - соответственно входной и выходной патрубки для обрабатываемой среды.
Использование выделенной емкости химической обработки позволяет оперативно регулировать процессы сорбции загрязнений на магнетите. Для проведения реакции по всему объему емкости в ее придонную часть подается сжатый воздух.
На фильтре осветлительном происходит осаждение сорбтива, поступающего из емкости химической обработки, а также улавливаются проскоковые твердые частицы из воды, поступающей из гидроциклона, вода очищается от загрязнений.
Использование резервуара чистой воды позволяет накопить для потребителя очищенную воду.
В гальванокоагуляторе, представляющем собой цилиндрический корпус с загрузкой из кокса (либо меди) и железного скрапа, и имеющем подвод чистой воды, например из резервуара чистой воды, происходит при перемешивании образование гидроксидных форм железа, преимущественно в виде магнетита.
Использование буферного бака с функцией скрапоуловителя, во-первых, позволяет проводить процесс очистки воды вне зависимости от работоспособности гальванокоагулятора и, во-вторых, не допустить вместе с суспензией магнетита проскока непрореагировавшего в гальванокоагуляторе железного скрапа. В связи с тем, что соединения магнетита типа клатратов и гетитов также нерастворимы, но обладают большей плавучестью, в придонную часть буферного бака подается сжатый воздух.
Использование средства ультразвукового активирований позволяет раздробить наработанный гальванокоагулятором сорбент, т.е. дополнительно развить сорбционную поверхность магнетита. Переменное сечение стержня волновода позволяет организовать перемешивание каждой единицы объема жидкой среды по мере прохождения зоны воздействия ультразвуком.
Циркуляционный контур с размещенным на нем гидроциклоном позволяет проводить сепарацию твердой фазы и очищенной воды до стадии фильтрации и эффективно расходовать сорбент, возвращая магнетит в емкость химической обработки, для максимального использования ее сорбционной способности.
Дополнительные возвратные линии на буферном баке с функцией скрапоуловителя и емкости химической обработки, снабженные регулировочными клапанами, позволяют оптимизировать технологические процессы очистки загрязненных вод.
Комплекс работает следующим образом (Фиг.1). Из забора загрязненная вода поступает в емкость химической обработки 5, туда же по трубопроводу поступает водная суспензия магнетита, полученная в гальванокоагуляторе 1, из которого суспензия самотеком поступает сначала в буферный бак с функцией скрапоуловителя 2 и далее насосом 3а подается в емкость химической обработки 5, проходя через средство ультразвукового активирования 4. Сорбированные магнетитом загрязнения в виде суспензии сорбтива из емкости химической обработки 5 насосом 3 направляются на осветлительный фильтр 7. Значительная часть суспензии сорбтива с участка трубопровода между насосом 3 и осветлительным фильтром 7 направляется в циркуляционный контур, на котором размещен гидроциклон 6, из патрубка вывода твердой фазы гидроциклона сорбтив и непрореагировавший магнетит возвращаются в емкость химической обработки 5, а из патрубка слива жидкой фракции гидроциклона вода с проскоковыми твердыми частицами по трубопроводу направляется на осветлительный фильтр 7. В циркуляционном контуре с размещенным на нем гидроциклоном проходит основная сепарация твердой фазы и очищенной от загрязнений воды. Прошедшая осветлительный фильтр 7 смесь суспензии сорбтива из емкости химической обработки 5 и жидкой фракции из гидроциклона 6, считается очищенной водой и направляется в резервуар чистой воды 9, где накапливается для потребителя.
С помощью дополнительных возвратных линий буферного бака с функцией скрапоуловителя 2 и емкости химической обработки 5, снабженных регулировочными клапанами 8, проводится оптимизация технологических параметров комплекса. Так, использование возвратной линии буферного бака 2 позволяет дозировать подачу суспензии магнетита в емкость химической обработки 5, а использование возвратной линии емкости химической обработки 5 позволяет увеличить время контакта загрязненной воды с сорбентом.
Вода, необходимая для работы гальванокоагулятора 1, подается по дополнительному трубопроводу насосом 3б из резервуара чистой воды 9.
Средство ультразвукового активирования (Фиг.2) работает следующим образом. Водная суспензия магнетита через входной патрубок 14 поступает в полую камеру 13, во внутрь которой помещен волновод 12, имеющий внешнее соединение с электроакустическим преобразователем колебаний 11, поступающих с ультразвукового генератора 10. По мере прохождения водной суспензии магнетита к выходному патрубку 15 на нее оказывается ультразвуковое воздействие частотой 24.5±0.1 кГц, что приводит к измельчению магнетита. Процесс измельчения интенсифицирован тем, что волновод изготовлен в виде стержня с переменным по его длине сечением, обеспечивающим перемешивание жидкой среды в зоне ультразвукового воздействия.
3
Ниже приведены примеры использования комплекса сорбционной очистки загрязненных вод, производительностью 2 м/час. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение предложенного комплекса
Пример 1. В качестве примера ниже приведены данные протокола лабораторных исследований стоков гальванического цеха 121 авиаремонтного завода г.Кубинка, Московской области. Результаты очистки сточных вод заявленным комплексом сорбционной очистки приведены в Таблице 1.
Таблица 1
№ п/п
Загрязнения
Концентрация загрязнений, мг/л
Загрязненная вода
ПДК по ГОСТ 9.314-90*
Очищенная вода
1
Свинец
200
0.4
0.02
2
Цинк
100
1.5
0.01
3
Медь
200
0.3
0,01
4
Хром
50
0.5
0.001
5
Кадмий
20
5.0
1.5
* ГОСТ: «Вода для гальванического производства и схемы промывок».
Пример 2. В качестве примера ниже приведены данные протокола лабораторных исследований стоков участка мойки подвижного состава депо «Невское» Санкт-Петербургского метрополитена. Результаты очистки сточных вод заявленным комплексом сорбционной очистки приведены в Таблице 2.
Таблица 2
№ п/п
Загрязнения
Концентрация загрязнений, мг/л
Степень очистки, %
Загрязненная вода
ПДК для сброса в горкол-лектор
Очищенная вода
1
Взвешенные
500÷2000
18
-
100
2
Нефтепродукты
50÷200
0.7
0.16÷0.37
99.7÷99.8
3
Марганец
0.550
0.1
0.013÷0.017
99.7÷99.8
4
Железо
4.0÷4.6
1.1
0.08÷0.10
98.0÷97.8
5
Цинк
0.6÷0.7
0.07
0.017÷0.020
99.7÷99.8
6
Медь
4.00
0.02
0.0014÷0.0016
88.3÷99.2
7
Алюминий
0.50
0.2
-
100
8
ПАВ
4.0
1.0
-
100
9
рН
7.0÷9.0
7.0÷9.0
7.0
-
Заявленный комплекс сорбционной очистки загрязненных вод позволяет эффективно удалять излишние количества тяжелых металлов, нефтепродуктов и других загрязнений. Улучшение сорбционных свойств магнетита и оптимизация процессов сепарации суспензии сорбтива делает технологию очистки экономически обоснованной.