СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ И ПРИРОДНЫХ ВОД ОТ ФЕНОЛА
METHOD OF REMOVING PHENOL FROM EFFLUENTS AND NATURAL WATERS

Изобретение относится к способам очистки сточных и природных вод и может быть использовано в различных отраслях промышленности, а также в технологии подготовки воды для промышленного и городского водоснабжения.
Известен ряд способов очистки сточных и природных вод от фенола, например с применением сорбции активным углем, окисления хлором, а также биологическим методом.
Применение активного порошкообразного угля весьма ограничено в связи с его высокой стоимостью, и для поддержания его сорбционной активности рекомендуется проводить предварительное хлорирование воды, что усложняет технологию очистки и, с точки зрения техники безопасности, требует выполнения особых мер обслуживания [Кульский Л.А., Строкач П.П. "Технология очистки природных вод", Киев, Головное изд-во издательского объединения "Виша школа", 1986, с.185., Клячко В.А., Апелыщн И.Э.. Подготовка воды для промышленного и городского водоснабжения". Изд-во литературы по строительству. М. - 1963. с.414].
Окисление хлором сточных вод, как самостоятельный метод, сопровождается образованием новых хлорфенольных веществ, придающих воде неприятный запах. Последний отсутствует при перехлорировании воды, что требует дополнительной обработки для удаления избыточного хлора.
3
3
3
3
Этих недостатков лишен способ биологической очистки сточной фенолсодержащей воды в аэротенке, где для разрушения фенола используются микроорганизмы в сочетании с барботажем кислорода воздуха, принятый нами за прототип [Делягин Н.Н. "Очистка фенольных сточных вод" (из опыта эксплуатации). Изд-во литературы по строительству М. - 1965]. Данный метод требует длительного времени обработки воды (до 15 часов), большого расхода воздуха (30-40 м) на 1 м фенолсодержащей воды. Работа аэротенка отличается большой инерцией, что пагубно отражается на работе очистных сооружений после остановок, и весьма чувствительна к колебаниям температуры. Понижение температуры вызывает снижение активности микроорганизмов, повышение - приводит к гибели микрофлоры активного ила. Содержание фенолов в очищенной в аэротенке воде снижается до ≤0,3-0,5 мг/дм, т.е. очищенная вода для сброса ее в водоем должна разбавляться в 300-500 раз из расчета получения ПДК фенола в водоеме ≤0,001 мг/дм.
Кроме того, данный способ требует больших капитальных и эксплуатационных затрат в связи с необходимостью: длительного барботажа воздухом; поддержания заданного температурного режима; применения микроорганизмов и обеспечения для них условий стабильной активности; значительного разбавления очищенной сточной воды перед сбросом в водоем.
Задачей настоящего изобретения, является обеспечение очистки воды от фенолов без использования микроорганизмов с увеличением степени очистки.
Технический результат - сокращение времени очистки воды от фенола, исключение поддержания заданного температурного режима во время процесса очистки, уменьшение разбавления очищенной воды перед сбросом в водоем.
Указанный технический результат достигается тем, что фенолсодержащую воду подают в виде водовоздушной смеси в сатуратор, где под давлением не ниже 2 атм при продолжительности каждого цикла 2-5 минут осуществляют барботаж, который повторяют многократно с циркуляцией через сатуратор фенолсодержащей воды в виде водовоздушной смеси, до обеспечения заданной остаточной концентрации фенола, требующей разбавления для сброса ее в водный объект, или обеспечения ПДК, позволяющего осуществлять сброс без предварительного разбавления, при этом после завершения обрабатываемую воду подвергают отстаиванию.
Предложенный способ очистки сточной и природной воды от фенолов обеспечивает в течение нескольких минут заданную остаточную концентрацию фенола для последующего разбавления очищенной воды перед сбросом ее в водный объект или нормативную ПДК.
В патентной и научно-технической литературе неизвестны технические решения, содержащие признаки, аналогичные заявляемым, следовательно, предложение соответствует критерию "новизна". Также впервые, на основе разработанного способа определены пути качественной очистки сточных вод от фенола до обеспечения заданной остаточной концентрации (для последущего разбавления или ПДК сброса в водный объект), без применения микроорганизмов (биологического метода очистки) с одновременным увеличением степени очистки воды, уменьшением разбавления очищенной воды перед сбросом в водоем, сокращение времени очистки воды от фенола, т.е. заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ с получением вышеуказанного технического результата осуществляется следующим образом.
На фиг.1 представлена схема очистки сточной и природной воды от фенола предлагаемым способом с применением многократной циркуляцией в виде водовоздушной смеси через сатуратор под давлением.
Многократная циркуляция потока очищаемой воды в системе: резервуар 1 - эжектор 3 - насос 4 - сатуратор 5 - приемный резервуар 1, продолжается до установления заданной величины остаточной концентрации фенола в очищаемой воде. Затем работа насоса 4 переключается на приемный резервуар 2 со следующим объемом исходной воды для осуществления вышеуказанной циркуляции до обеспечения заданной величины остаточной концентрации фенола.
Проверка предлагаемого технического решения проводилась на фенолсодержащих водах, накопленных в течение многих лет на отдельных картах полигона Губахинским коксохимическим заводом. Сточная вода каждой карты отличается физико-химическим составом и низким водородным показателем (pH=1,70-2,13). Нейтрализация каждой пробы сточной воды обеспечивала очистку от всех загрязняющих компонентов за исключением фенола.
Нейтрализованная сточная вода во всех ниже приведенных примерах подвергалась очистке от фенола по заявляемому способу.
3
Пример 1. Первая серия опытов. Очистка от фенола проводилась на нейтрализованной воде с pH=8,2 и концентрацией фенола 6,1 мг/дм (таблица 1, серия опытов 1, цикл барботажа 1).
3
3
Сточная вода подавалась в сатуратор в виде водовоздушной смеси, где поддерживалось давление 2 атм и проводился барботаж за счет стравливания отработанного воздуха в атмосферу. После пребывания водовоздушной смеси под давлением в сатураторе в течение двух минут осуществлялась разгрузка обработанной пробы, которая сразу же подвергалась химическому анализу. Результаты последнего показали, что остаточная концентрация в стоке составила 4,72 мг/дм, то есть снизилась на 1,38 мг/дм (или эффективность очистки составила 22,6%).
В сатураторе происходит быстрое разрушение определенного количества фенола за счет увеличенной концентрации растворенного кислорода воздуха в условиях избыточного давления по формуле:
<mrow><msub><mi>C</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>H</mi><mn>5</mn></msub><mi>O</mi><mi>H</mi><mo>+</mo><mn>7</mn><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mo>↑</mo><mn>6</mn><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mn>3</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При этом величина pH также снизилась до 7,8, что обусловлено растворением части углекислого газа в воде с образованием угольной кислоты по обратимой реакции:
<mrow><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi><mo>↔</mo><mo>↔</mo><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>C</mi><msub><mi>O</mi><mn>3</mn></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
3
Таким образом, при одноразовой обработке в сатураторе, за две минуты часть фенола в количестве 1,38 мг/дм разложилась по выше приведенному уравнению (1) и в виде С02 была или удалена в атмосферу при стравливании воздуха из сатуратора, или растворилась в очищаемой воде.
3
Пример 2. Первая серия опытов. Очищенная за один цикл сточная вода, указанная в примере 1, с остаточной концентрацией фенола 4,72 мг/дм вторично обработана в течение двух минут окислением кислорода при давлении 2 атм (цикл барботажа - 2).
По истечении двух минут сточная вода была выгружена из сатуратора и подвергнута химическому анализу на определение концентрации фенола.
3
В результате установлено, что концентрация фенола в очищаемой воде составила 3,04 мг/дм. При этом эффективность очистки по отношению к концентрации фенола в пробе, поступившей на вторичную очистку, составила 35,6%.
3
В целом суммарная эффективность очистки при двух циклах обработке стока (пример 1 и пример 2) с концентрацией фенола 6,1 мг/дм с применением избыточного давления 2 атм достигла 50,2% за четыре минуты обработки в сатураторе. Однако для сброса такого стока в водный объект требуется предварительное разбавление с использованием больших объемов нормативного состава воды.
3
3
Пример 3. Первая серия опытов. Сточная вода после двух циклов обработки, описанных в примерах 1, 2 с остаточной концентрацией фенола 3,04 мг/дм, подвергалась барботажу в сатураторе в третий раз при режиме, указанном в примерах 1 и 2. В результате концентрация фенола в сточной воде снизилась до 1,93 мг/дм,что соответствует суммарной эффективности очистки после трех циклах обработки 68,4%. Однако величина остаточной концентрации фенола также остается достаточно высокой и требует значительных объемов воды для разбавления сточной воды до нормативных требований сброса в водные объекты.
3
Пример 4. Первая серия опытов. Сточная вода после трехкратного цикла барботажа, описанных в примерах 1, 2, 3, подвергалась в четвертый раз аналогичной обработке, что позволило снизить концентрацию фенола до 0,91 мг/дм.
3
В итоге четырехкратного цикла барботажа суммарная концентрация фенола снизилась на 5,19 мг/дм, что соответствует эффективности очистки 85,1%.
В соответствии с данными первой серии опытов (примеры 1-4) дальнейшее увеличение обработки воды до 10-15 циклов барботажа позволит снизить остаточную концентрацию фенола до величины близкой или равной нормативным требованиям для сброса стоков в водный объект (фиг.2, кривая I серия опытов).
3
Пример 5. Вторая серия опытов. Сточная вода с концентрацией фенола 0,636 мг/дм подавалась через эжектор в виде водовоздушной смеси в сатуратор, где обрабатывалась первый раз в течение двух минут при давлении 2 атм и далее выгруженная проба разделялась на две части, одна из которых подвергалась химическому анализу немедленно, другая - после 20 часов отстаивания в покое.
3
В результате установлено, что одноразовая обработка позволила снизить концентрацию фенола в первой пробе (без дополнительного отстаивания) на 0,145 мг/дм, то есть обеспечить эффективность очистки на 22,8%. В другой пробе, которая дополнительно отстаивалась в покое в течение 20 часов, эффективность очистки составила 29,7%. Таким образом, отстаивание в течение 20 часов позволяет повысить эффективность очистки на 7%.
3
3
Пример 6. Вторая серия опытов. Сточная вода после одноразовой обработки (пример 5) с содержанием фенола 0,491 мг/дм подвергалась вторичной обработке в сатураторе по технологии, описанной в примере 5. Полученный анализ обработанной пробы показал, что в процессе барботажа под давлением концентрация фенола снизилась на 0,125 мг/дм и эффективность очистки составила 25,4%.
Суммарная эффективность очистки за два цикла обработки в течение четырех минут достигла 42,4%.
3
Дальнейшая обработка воды с применением циркуляции до шести циклов обеспечивает снижение остаточной концентрации фенола до ^ 0,05 мг/дм (фиг.2, кривая II серия опытов), что значительно сократит затраты на разбавление воды перед сбросом ее в водные объекты.
3
Пример 7. Третья серия опытов. Сточная вода с содержанием фенола 0,636 мг/дмподавалась через эжектор в виде водовоздушной смеси на первый цикл барботажа в сатуратор, где поддерживалось давление 4 атм и после 2-х минут проба выгружалась и разделялась на две части, из которых одна подвергалась химическому анализу сразу, другая - после отстаивания в течение 20 часов. Полученные результаты химического анализа показывают:
- увеличение давления в сатураторе в 2 раза, по сравнению с данными II серии опытов (пример 5) позволяет повысить эффективность очистки на 5%.
- применение процесса осветления до 20 часов после обработки обеспечивает дополнительное повышение эффективности очистки на 6%.
3
3
Пример 8. Третья серия опытов. Сточная вода после первого цикла обработки (пример 7) с содержанием фенола 0,462 мг/дм подавалась в сатуратор, где барботировалась при режиме указанном в примере 7. Применение второго цикла барботажа позволило снизить концентрацию фенола на 0,144 мг/дм, что соответствует эффективности очистки второго цикла 31,2%.
За счет повышения давления до 4 атм суммарное увеличение эффективности при двух циклах обработки достигло 50%, т.е. повысилась на 7,6% по сравнению с данными обработки при 2 атм (примеры 5 и 6).
Сравнение результатов двух разовой циркуляции обработки (II и III серии опытов) показывает, что с повышением давления от двух до четырех атм, т.е. на каждые 2 атм эффективность увеличилась на 7,6%. Такая прямолинейная скорость изменения эффективности очистки обусловлена прямолинейной скоростью растворения воздуха в зависимости от увеличения избыточного давления
3
3
Пример 9. Четвертая серия опытов. В сточной воде с содержанием фенола 0,064 мг/дм, обработанной в первом цикле по технологии, описанной в примере 7, остаточная концентрация фенола составила 0,032 мг/дм, что соответствует эффективности очистки 50% (фиг.3).
3
С применением последующих циклов (второго, третьего, четвертого и пятого) обработки остаточная концентрация фенола в очищаемой воде соответственно снижалась и с завершением пятого цикла достигла 0,001 мг/дм, что соответствует нормативу сброса очищенных стоков в водные объекты. Эффективность очистки такого стока составляет 98,4%.
3
3
Пример 10. Пятая серия опытов. Сточная вода с содержанием фенола 0,012 мг/дмподавалась в сатуратор, где поддерживалось давление 4 атм, и барботировалась в течение 5 минут. В результате концентрация фенола снизилась на 0,0067 мг/дм, что соответствует эффективности очистки 55,8%.
3
Сравнение полученных показателей очистки при пяти минутах барботажа с данными IY серии опытов, где барботаж аналогичного состава воды (0,012 мг/дм фенола) проводился в течение двух минут, показывает, что увеличение времени барботажа в 2,5 раза повышает эффективность очистки всего на 5,8%.
2
Такое явление следует объяснить тем, что с повышением продолжительности барботажа происходит накопление CO в сатураторе, так как тормозится удаление его, что ликвидируется только при сбросе воды в приемный резервуар.
В связи с этим продолжительность барботажа проводить более пяти минут с технологической точки зрения нецелесообразно.
Таким образом, одноразовая обработка воды по предлагаемой технологии очистки от фенола позволяет без дополнительных реагентов и микроорганизмов за две минуты обеспечить эффективность очистки на 23-50% при избыточном давлении выше двух атм. Многократная циркуляция обрабатываемой воды через сатуратор позволит достичь остаточную концентрацию фенола до заданной величины, в том числе и нормативную концентрацию для сброса воды в водные объекты.
3
Полученная скорость снижения концентрации фенола по мере уменьшения остаточной концентрации за один раз обработки в течение двух минут позволяет гарантировать обеспечение очистки сточной воды с содержанием фенола около 1 мг/дм до ПДК сброса в водный объект в течение 30 минут циркуляции на установке.
Повышение продолжительности барботажа воды в сатураторе до пяти минут соответственно снизит необходимое время циркуляции обрабатываемой воды.
Предложенная технология позволяет сократить время обработки воды в 15-30 раз по сравнению с прототипом, исключить использование микроорганизмов и дополнительных реагентов, значительно упростить условия эксплуатации очистных сооружений, исключить поддержания заданного температурного режима во время процесса очистки, уменьшить разбавления очищенной воды перед сбросом в водоем, снизить капитальные и эксплуатационные расходы на эти установки и обеспечить нормативные требования для сброса очищенных стоков в водные объекты.
Промышленная применимость заявленного способа не вызывает сомнения, т.к. для очистки фенолсодержащей воды используются аппараты, выпускаемые промышленностью.