Очистка сточных вод производства целлюлозы из соломы рапса

Э. Ш. Гаязова, Н. Н. Капралова, С. Н. Савельев,

С. В. Фридланд, И. Г. Шайхиев, Г.А. Алмазова

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ СОЛОМЫ РАПСА

Ключевые слова: сточная вода, фильтрация, нейтрализация, коагуляция, мембранное разделение.

Исследована очистка сточной воды производства целлюлозы из сельскохозяйственного сырья с применением фильтрации на тканевом фильтре, нейтрализации растворами серной и азотной кислот, коагуляции растворами сульфата алюминия и сульфата железа (II) с дальнейшей доочисткой с использованием ультра- и нанофильтрации. Показано, что реализация указанных стадий приводит к очистке по значению ХПК на 99% и осветлению сточной воды.

Keywords: waste water, filtration, neutralization, coagulation, membrane separation.

Investigated the purification of waste water from pulp production of agricultural raw materials with the use offabric filter filtration, neutralization of solutions of sulfuric and nitric acids, coagulation solution of aluminum sulfate and iron sulfate (II) with further purification using ultra-and nanofiltration. It is shown that the implementation of these stages leads to the purification of COD value by 99% and clarification of waste water.

Производство целлюлозы из древесины связано со значительным потреблением воды из природных источников - на производство 1 т целлюлозно-бумажной продукции расходуется 900 м3 воды, из них 250 м3 свежей, что приводит к образованию большого количества сточных вод [1].

Производство целлюлозы из соломы травянистых растений приобретает особую значимость в виду сокращения и высокой стоимости основного сырьевого компонента - древесины, более низкого водопотребления, а также исключения из производства токсичных хлорпроизводных реагентов [2].

Щелочные сточные воды, образующиеся в процессе сульфат-целлюлозного производства, состоят на 33 % из неорганических веществ (сульфат натрия, карбонат натрия, гидроксид натрия, хлорида натрия) и 67 % органических соединений (оксикислоты, фенолы, смоляные и жирные кислоты, уксусная и муравьиная кислоты и лигнин) [3].

Сточные воды могут быть далее направлены на смешение с природными поверхностными водами или в систему замкнутого водооборотного цикла с целью их повторного использования. В первом случае для предотвращения негативного воздействия на окружающую среду необходима очистка сточных вод до значений ПДК, во втором случае к качеству стоков предъявляются менее жесткие требования, что способствует уменьшению ресурсных и экономических затрат.

В практике очистки сточных вод для создания замкнутого цикла водоснабжения большое распространение получили методы мембранного разделения, сочетающие в себе следующие преимущества: высокую степень очистки,

отсутствие реагентного хозяйства, компактность оборудования, простора автоматизации, сопоставимость себестоимости очистки с традиционными очистными сооружениями [4].

К сточным водам, поступающим на мембранную очистку, предъявляются следующие требования: предварительная очистка от

крупнодисперсных взвешенных веществ; значение

pH должно находиться в пределах от 3 до 12; температура не должна превышать значений, при которых будет происходить разложение мембраны.

В связи с вышеизложенным для завершения технологии представленной в работе [2] проводились исследования предварительной очистки сточных вод производства целлюлозы из сельскохозяйственного сырья механическими и физико-химическими методами с дальнейшей доочисткой с применением мембранной технологии и повторного использования воды в данном производстве.

В качестве объекта исследования взята сточная вода, образованная в процессе получения целлюлозы по технологии, представленной в работе [2], после горячей промывки соломы рапса. Данная сточная вода имела следующий состав: соли

жирных кислот - 0,7 %; гемицеллюлоза - 0,66 %; гидроксид натрия - 0,56 %; минеральные вещества -

0,5 %; лигнин - 0,5 %; углеводы - 0,3 %; ПАВ - 0,16 %; азотсодержащие вещества - 0,1 %. Химическое потребление кислорода (ХПК), определенное арбитражным методом составило 33320 мг О2/л, свободная щелочность 13,6 мг-экв/л, значение рН > 12.

В качестве предварительной очистки исследуемой сточной воды использовалась фильтрация с последующей нейтрализацией и коагуляцией.

Сточная вода отфильтровывалась под вакуумом на тканевом фильтре из хлопчатобумажного материала. По количеству осадка, задержанному на поверхности фильтра, определено, что концентрация взвешенных веществ в сточной воде составляла 3 г/л.

В связи с высокими значениями рН была проведена нейтрализация сточной воды. С этой целью в последнюю добавлялась

концентрированная серная и 60 %-ная азотная кислоты до достижения значений рН = 6,7 и рН = 9,0. Нейтрализация до значений рН = 6,7 и рН = 9,0 была обусловлена дальнейшим использованием процесса коагуляции с применением наиболее часто встречающихся в практике очистки сточных вод

коагулянтов: сульфата алюминия (А!2(804)3 18Н20) и сульфата железа (II) (Ре804-7Н20) соответственно, в связи с тем, что в целях уменьшения расхода реагентов процесс коагуляции следует осуществлять в оптимальном диапазоне значений рН: при использовании А!2(804)3 18Н20 -рН=4,5-7; при использовании Ре804-7Н20 - рН=8-10 [5].

Результаты нейтрализации сточной воды представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Изменение значений ХПК и рН сточной воды после нейтрализации

Нейтрализующий агент рН ХПК, мг О2/л

Азотная кислота (НЫ03) 6,7 15585

9,0 13565

Серная кислота (Н2804) 6,7 15905

9,0 14885

Анализ значений ХПК таблицы 1

показывает, что нейтрализация сточных вод, вероятно, сопровождается окислительными процессами, приводящими к снижению значений ХПК. Так, по отношению к исходной сточной воде ХПК после стадии нейтрализации снизилось на 53,2-59,3 % и 52,3-55,3 % при использовании в качестве нейтрализующего агента НЫ03 и Н2804 соответственно.

Далее исследуемый сток для удаления мелкодисперсных минеральных и органических компонентов подвергался очистке с применением коагулянтов - А!2(804)3 18Н20 и сульфата железа (II) Ре804-7Н20 в виде 10 %-ых водных растворов.

В пробы сточной воды, прошедшую стадию нейтрализации, добавлялись растворы

Л12(804)3-18Н20 и Бе804-7Н20 до образования концентрации 50, 100, 200, 300, 400, 500 мг/л в пересчете на А!3+ и Ре3+ соответственно. Пробы перемешивались с помощью магнитной мешалки в течение 2 минут и отстаивались в течение 2 часов. В течение этого времени наблюдали образование хлопьев и их осаждение только у проб №1 и №3 (таблица 2), концентрация которых в пересчете на Л13+ и Бе3+ соответственно составляла 500 мг/л.

Как видно из данных, представленных в таблице 2, вид нейтрализующего агента оказывает влияние на дальнейшую очистку с применением коагулянтов. Процесс коагуляции происходил эффективнее всего при добавлении в сточную воду А!2(804)3'18Н20, нейтрализованную до значения рН 6,7 НЫ03. Процесс в данных условиях сопровождался осветлением сточной воды. Степень очистки при этом относительно предыдущей стадии по ХПК составила 38,8 %, что соответствовало общей степени очистки 71,4 %. Полученная таким образом предварительно очищенная вода удовлетворяла требованиям, предъявляемым к сточным водам, поступающим на мембранное разделение.

Таблица 2 - Изменение значений ХПК и рН сточной воды после добавления коагулянтов до достижения концентрации 500 мг/л в пересчете на Д!3+ и Fe3+

№ про- бы Нейтрали- зующий агент Исходное рН Коагулянт ХПК, мгО2/л

1 HNO3 6,7 Al2(SO4) 3 9540

2 H2SÜ4 6,7 13500

3 HNO3 9,0 FeSO4- 12400

4 H2SO4 9,0 14560

Завершающая стадия мембранной

доочистки проводилась с использованием микрофильтрации с последующей

нанофильтрацией. Применение микрофильтрации обусловлено наличием мелкодисперсной примеси оставшейся в пробах после коагуляции. Целью использования нанофильтрации являлось удаление растворенных компонентов.

Процесс микрофильтрации проводился с использованием плоских мембран с массой пропускаемых частиц 100 и 300 кДа, выполненных из полиэфирсульфона. Производительность по пермеату (фильтрату) составила 17 л/м2-ч. Эксперимент проводился на лабораторной установке с тангенциальным движением разделяемой среды «cross-flow». Давление в рабочей камере составило 2,5 атмосферы.

В процессе нанофильтрации использовалась мембрана рулонного типа. Опыт проводился на лабораторной установке, рабочее давление составило 4,5 атмосферы, производительность 6 л/м2-ч.

Об эффективности очистки судили по

изменению значений ХПК и коэффициента светопропускания, определяемого на

фотоэлектрокалориметре в кювете с толщиной слоя 1 см при длине волны 490 нм. Коэффициент светопропускания сточной воды поступающей на мембранную очистку составлял 1 %.

В результате после процесса

микрофильтрации были достигнуты следующие параметры: ХПК 5540 мг О2/л, коэффициент светопропускания 96,5 %, что соответствует степени очистки 83,4%.

В результате после процесса

нанофильтрации были достигнуты следующие параметры: ХПК 330 мг О2/л, коэффициент

светопропускания 100 %, что соответствует степени очистки 99,0 %.

Анализ коэффициентов светопропускания вод представленных свидетельствует о том, что применение ультрафильтрации позволяет практически полностью очистить сточную воду от взвешенных минеральных и органических веществ.

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что сточная вода, образованная в процессе получения целлюлозы, прошедшая последовательно предварительную фильтрацию, нейтрализацию и коагуляцию по своему качеству удовлетворяет требованиям

мембранной очистки, а после прохождения последней может быть рекомендована для

дальнейшего использования в замкнутой водооборотной технологии получения целлюлозы из растительного сырья.

Литература

1. Яковлев, С. В. Очистка производственных сточных вод / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков, Ю. В. Воронов. - М.: Стройиздат, 1979. - 320 с.

2. Григорьева Н. П. Технология получения целлюлозы из травянистых растений и ее свойства / Н. П. Григорьева, О. К. Нугманов, Д. С. Нусинович, В. Ф. Сопин, Н. А.

Лебедев // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 3. - С. 165-169.

3. Тимонин, А. С. Инженерно-экологический справочник: в 3 т. Т. 2/ А. С. Тимонин. - Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2003. - 884 с.

4. Колесников В. А. Анализ, проектирование технологий и оборудования для очистки сточных вод / В. А. Колесников, Н. В. Меньшутина. - М.: ДеЛи принт, 2005. - 266 с.

5. Яковлев, С. В. Водоотводящие системы

промышленных предприятий / С. В. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М. Ласков, Ю. В. Воронов. - М.: Стройиздат, 1990. - 511 с.

© Э. Ш. Гаязова - асп. каф. инженерной экологии КНИТУ, e1mira910@ramb1er.ru; Н. Н. Капралова - магистр КНИТУ, noksvred@mai1.ru; С. Н. Савельев - канд. техн. наук, асс. каф. инженерной экологии КНИТУ, save1yevsn@ramb1er.ru; С. В. Фридланд - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, frid1and@kstu.ru; И. Г. Шайхиев - д-р техн. наук, проф., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ, i1dars@inbox.ru; Г.А. Алмазова - канд. техн. наук, зав. лаб. каф. инженерной экологии КНИТУ.