Аппараты для окисления примесей сточных вод.

Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды).

В качестве окислителей используют хлор, гипохлорит кальция и натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха, пиролюзит, пероксид водорода, оксиды марганца, перманганат и бихромат калия.

Установки хлорирования. Обезвреживание сточных вод хлором или его соединениями — один из самых распространенных способов их очистки от ядовитых цианидов, а также от таких органических и неорганических соединений, как сероводород, гидросульфид, сульфид, метилмеркаптан и др.

В зависимости от агрегатного состояния вводимых в воду хлора или хлорсодержащих реагентов определяется технология обработки сточных вод. Если эту воду обрабатывают газообразным хлором или диоксидом хлора, то процесс окисления осуществляется в абсорберах; если хлор или диоксид хлора находится в растворе, то их подают в смеситель и далее в контактный резервуар, в которых обеспечиваются эффективное их смешивание и требуемая продолжительность контакта со сточной водой.

Установки для хлорирования сточных вод с использованием жидкого хлора состоят из узлов испарения жидкого хлора, дозирования газообразного хлора и обезвреживания хлорной воды. Хлор растворяется в воде только в газообразном состоянии, поэтому жидкий хлор испаряют в емкостных или змеевиковых испарителях.

Для обеззараживания сточных вод из хлорсодержащих реагентов приготовляют водный раствор, смешивают его со сточкой водой и смесь направляют в контактные резервуары.

Расход хлорной извести, кг/ч, определяют по зависимости

G_из = 100 d^.Q/z,

объем хлорного раствора, м³, определяют по формуле

V = Q d/k_из ,

где d — доза активного хлора в реагенте, кг/м³; Q — объем воды, м³;

z — содержание активного хлора в хлорной извести, %; k_из — концентрация раствора хлорной извести, кг/м³.

Хлорный раствор приготовляют в растворных баках. Емкость растворных баков

V_б = Q d/(k_из n),

где n — число затворений хлорной извести в сутки, n = 2…6 раз.

Пример 4.2.Рассчитать хлораторную установку и сооружения для смешения и контакта воды с хлором для очистной станции на полную биологическую очистку производительностью Q_ср.сут = 20 тыс. м³/сут.

Решение. Средний секундный расход воды на очистную станцию составит:

q_ср = Q_ср.сут /(24^.3600) = 20000/(24^.3600) = 0,23 м³/с.

Общий коэффициент неравномерности K_общ = 1,39.

Максимальный часовой расход сточной воды

Q_max.ч = Q_ср.сут K_общ/24 = 20000^.1,39/24 = 1158 м³/ч.

Принимаем дозу хлора для дезинфекции вод D_хл = 3 г/м³. Расход хлора за 1 ч при максимальном расходе

q_хл = D_хл Q_max.ч/1000 = 3^.1158/1000 = 3,74 кг/ч.

Расход хлора в сутки

q_хл′ = D_хл Q_ср.сут/1000 = 3^.20000/1000 = 60 кг/сут.

В хлораторной предусматривается установка двух хлораторов. Один хлоратор —рабочий, а другой — резервный.

Для обеспечения полученной производительности в 1 ч необходимо иметь следующее количество баллонов-испарителей:

n_бал = q_хл/S_бал = 3,47/0,5 = 7 шт.

где S_бал = 0,5…0,7 кг/ч — съем хлора с одного баллона.

Принимаем баллоны объемом 20 л содержащими 25 кг жидкого хлора.

Для обеспечения контакта хлора со сточной водой запроектируем контактные резервуары по типу горизонтальных отстойников.

Их объем

V_к.р = Q_max.ч T/60 = 1158^.30/60 = 579 м3.

где T = 30 мин — продолжительность контакта хлора со сточной водой.

При скорости движения сточных вод в контактных резервуарах v = 10 мм/с длина резервуара

L = v T = 10^.30^.60/1000 = 18 м.

Площадь поперечного сечения резервуара

F = V_к.р/L = 579/18 = 32,2 м².

При глубине Н = 2,8 м и ширине каждой секции b = 6 м количество секций

n = F/(b H) = 32,2/(6^.2,8) = 2 шт.

Фактическая продолжительность контакта воды с хлором, час, максимального притока воды

T = V/ Q_max.ч = n b H L/ Q_max.ч = 2^.6^.2,8^.18/1158 = 0,52 ч = 31 мин.

Окисление кислородом воздуха.Для окисления сульфидных сточных вод целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов также применяется кислород. Реакция окисления идет в жидкой фазе при повышенных температуре и давлении. С повышением температуры и давления скорость реакции и глубина окисления сульфидов и гидросульфидов увеличиваются. Теоретически на 1 г сульфидной серы расходуется 1 г кислорода. Для полного окисления черного щелока (с концентрацией сульфида 6 г/л) при температуре 80…100 °С под давлением 0,1…0,8 МПа требуется 5,4 кг кислорода или 28 м³ воздуха на 1 м³ щелока; продолжительность контакта при этом составляет 1 мин.

На рис. 4.3 приведена принципиальная схема установки по окислению сульфидов, содержащихся в сточных водах, кислородом воздуха.

Сточная вода поступает в приемный резервуар и через теплообменник подается в окислительную колонну, а воздух — в нижнюю часть колонны. Влага из отработанного воздуха конденсируется в сепараторе, откуда направляется в приемный резервуар.

Сточные воды после окисления охлаждаются в холодильнике и поступают на дальнейшую очистку. Необработанная сточная вода подогревается водяным паром и теплотой конденсата.

Рис. 4.3. Принципиальная схема установки по окислению сульфидов кислородом воздуха:

1 — подача сточной воды; 2 — приемный резервуар; 3, 4, 6 — выпуск соответственно конденсата, отработанного воздуха и увлажненного отработанного воздуха; 5—сепаратор; 7 — окислительная колонна;

8 — холодильник; 9 — выпуск обработанных сточных вод;

10 — воздухораспределительное устройство; 11 — подача воздуха;

12 —теплообменник; 13 — насос.

Установки для озонирования. Озон является сильным окислителем и обладает способностью разрушать в водных растворах при нормальной температуре многие органические вещества и примеси. При давлении 0,1 МПа и температуре 0 °С растворимость озона в воде составляет 0,4 г/л. Растворимость озона в воде зависит также от активной реакции среды, наличия кислот, щелочей и солей. Озон самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в водных растворах, распадаясь на молекулу и атом кислорода. Скорость распада в водном растворе возрастает с увеличением солесодержания, значений рН и температуры воды.

По сравнению с другими окислителями, например хлором, озон, имеет ряд преимуществ. Его можно получать непосредственно на очистных установках, причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух. Перспективность применения озонирования, как окислительного метода обусловлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод, не загрязняет воду продуктами реакции.

Озонирование применяется для очистки сточных вод от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др. Для окисления этих веществ озоновоздушную смесь вводят в воду, в которой озон диссоциирует. Растворимость озона в воде зависит от рН воды. В слабощелочной среде озон диссоциирует очень быстро, а в кислотной — проявляет большую стойкость.

В процессе обработки сточных вод озон, подаваемый в камеру реакции в виде озонокислородной или озоновоздушной смеси, вступает в химические реакции с загрязняющими сточные воды веществами.

Озон получают в генераторах из кислорода воздуха под действием электрического разряда. Генераторы озона подразделяются на цилиндрические с трубчатыми горизонтальными или вертикальными электродами, плоские с пластинчатыми электродами и центральным коллектором или продольной циркуляцией.

Принципиальная схема озонатора с горизонтальными трубчатыми электродами приведена на рис. 4.4, а пластинчатого с центральным коллектором на рис. 4.5.

Разряд образуется в узком газовом пространстве между двумя электродами, к которым подведен ток напряжением 5…25 тыс. вольт. Воздух движется вдоль оси озонирующих элементов в кольцевом пространстве между концентрически расположенными электродами. Молекулы кислорода под действием электрических разрядов дробятся, и образовавшиеся атомы легко присоединяются к целым молекулам вследствие их молекулярного сродства, образуя молекулу озона:

О + О₂ ↔ О₃^•

Производительность озонатора и расход электроэнергии на получение озона в значительной степени зависят от влагосодержания поступающего в озонатор воздуха, его температуры, концентрации кислорода, а также от конструкции озонатора и способа подачи озоно-воздушной смеси в реактор.

Отношение потребляемой мощности N (в Вт) к производительности по озону q_оз(в г/ч)

Э = N/q_оз

называют к. п. д. озонаторной установки.

Озонаторные установки для очистки сточных вод состоят: из аппаратов для очистки и осушки воздуха, озонаторов, камер контакта озона с обрабатываемой водой, оборудования для утилизации остаточного озона. Атмосферный воздух подают на фильтр, где он очищается от пыли, после чего направляется в водоотделитель капельной влаги, а затем осушается на адсорбционных установках. Осушенный воздух подвергается тонкой очистке от пыли, а затем направляется в озонатор.

Расход электроэнергии на получение 1 кг озона из хорошо осушенного воздуха для озонаторов различных типов составляет 13…29 кВт.ч, а из неосушенного воздуха — 43…57 кВт.ч. Расход электроэнергии на осушение воздуха и его компрессию для получения 1 кг озона 6…10 кВт.ч.

В обрабатываемую воду озон вводят различными способами: барботированием воздуха, содержащего озон, через слой воды (распределение воздуха происходит через фильтросные пластины или пористые трубки); смешением воды с озоновоздушпой смесью в эжекторах или специальных роторных механических смесителях, в абсорберах различной конструкции.

При расчете контактных реакционных камер прежде всего определяют площадь распыливающих элементов, которые размещают у дна камеры для равномерного распределения озоно-воздушной смеси в воде. В качестве распределительных устройств используют металлокерамические или керамические трубы с порами размером соответственно 40…100 или 60…100 мкм, оптимальный режим диспергирования которых наблюдается при интенсивности-распыления соответственно 76…91 и 20…26 м³/(м²·ч).

Коэффициент поглощения озона определяют по формуле

где Н₁ — высота слоя воды в колонне, м; t — температура воды, °С;

f — отношениеповерхности пузырька к его объему, мм^-1; Q — расход воды, м³/с; F_к — площадь сечения колонны, м².

Общая площадь всех распыливающих элементов, м², контактной камеры барботажного типа f_общ находится из соотношения

f_общ = Q^.d_оз/(C^.ω ),

где d_оз — требуемая доза озона, г/м³; определяется экспериментально; С — концентрация озона в смеси, г/м³; ω — интенсивность распыления на единицу площади пористых распылителей, м³/(м^2.ч).

Число распыливающих элементов при площади одного элемента f_э:

n = f_общ/f_э.

Металлокерамические распылительные трубы по дну контактных камер расположены на расстоянии 0,4 м, а керамические — на расстоянии

0,5 м.

Общий объем контактной камеры V равен V = k_пр Q τ,

где k_пр — коэффициент увеличения объема воды вследствие продувки озоновоздушной смеси, k_пр = 1,1; τ — время пребывания воды в камере, ч.

Необходимое количество озона, кг/ч, находят из соотношения

D_оз = d_оз Q/1000.

Число озонаторов равно

n = k D_оз/q_оз ,

где k — коэффициент запаса, принимаемый равным 1,05…1,1;

q_оз — производительность одного озонатора, кг/ч.

Обработка сточной воды состоит из двух процессов: растворения озона в воде и химического взаимодействия с окисляемыми веществами. Таким образом, озонирование представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемой необратимой химической реакцией в жидкой фазе.

Пример 4.3.Рассчитать основные размеры трубчатого озонатора для очистки Q_в= 48500 м³/сут сточных вод при максимальной расходной дозе озона q_оз.max = 5 г/м³ и среднегодовой q_ср = 2,6 г/м³ при продолжительности контакта озона с водой 6 мин.

Решение:

1. Максимальный часовой расход озона

2. Расход озона через один озонатор.

В схеме необходимо с точки зрения надежности, иметь не менее двух озонаторов.

Тогда максимальный часовой расход озона через один озонатор составит:

M_оз.1 = M_оз/2 = 10,1/2 = 5,05 кг/ч.

При выборе серийных озонаторов по табл. 4.3 в нашем примере расчетным условиям отвечает озонатор типа ОПТ-510 с производительностью по озону 6 кг/ч. В установке должно быть три озонатора: два работающих и один резервный.

Таблица 4.3

Характеристика озонаторов трубчатого типа

Тип озонатора	Производи- тельность по озону, кг/ч	Концентра- ция озоно- воздушной смеси, %	Расход воздуха, м3/ч	Расход охлаждающей воды, м3/ч	Напряжение на электро- дах, кВт
ОП-4		16—17
ОП-6		14—16
ОП-121	1,6	14—16
ОП-315	3,8	12—14
ОПТ-510		12—14
Шуази	8,3	18—20

3. Активная мощность разряда озонатора, Вт, рассчитывается по формуле

где и_р — напряжение в разрядном промежутке, В; ω — круговая частота тока, Гц; С_э и С_n — электрическая емкость соответственно электродов и разрядного промежутка, Ф; u_а — рабочее напряжение, подводимое к озонатору, В. Для данных условий принимаем u_a = 20000 В;

ω = 50 Гц; С_э = 26,1 мкФ и С_n =0,4 мкФ.

Основной деталью озонатора являются стеклянные диэлектрические трубки, заплавленные с одного конца и имеющие на внутренней поверхности графитовые покрытия.

В стальные трубки внутренним диаметром d₁ = 103 мм вставлены стеклянные трубки наружным диаметром d₂ = 98 мм. Концентрический зазор между трубками шириной 2,5 мм служит разрядным промежутком.

Величина потенциала разряда через разрядный промежуток составляет 2000 В на каждый его линейный миллиметр. Так как в озонаторе принятого трубчатого типа ширина разрядного промежутка составляет 2,5 мм, то, потенциал разряда будет и_р =2,5^.2000 = 5000 В.

Тогда активная мощность разряда озонатора будет равна

5. Площадь поперечного сечения кольцевого разрядного промежутка определяется на основе данных о трубчатом элементе:

6. Расход сухого воздуха через одну трубку озонатора.

Скорость прохода сухого воздуха через кольцевой разрядный промежуток в целях наибольшей экономии расхода электроэнергии рекомендуется в пределах v_в = 0,15…0,2м/с.

Тогда расход сухого воздуха через одну трубку озонатора

q_в = f_р v_в 3600 = 0,0007^.0,2^.3600 = 0,5 м³/ч.

7. Расход сухого воздуха через озонатор, обеспечивающий расчетную производительность по озону при коэффициенте весовой концентрации озона K_оз = 20 г/м³

M_воз = M_оз1/K_оз = 5,05/0,02 = 253 кг/ч.

8. Минимальное количество трубчатых элементов в озонаторе

n_тр = M_воз/q_в = 253/0,5 = 506 шт.

Примем четное число трубчатых элементов 510 шт.

Необходимая площадь поперечного сечения контактной камеры для смешения озоновоздушной смеси с водой в плане

,

где Q_час — расход озонируемой воды, м³/ч; Т — продолжительность контакта озона с водой; принимается в пределах 5…10 мин; п — количество контактных камер; Н —глубина слоя воды в контактной камере, м; принимается обычно равной 4,5…5 м.

При Q_час = 2020 м³/ч, T = 0,1 ч, n = 2 и H = 5м:

Электрохимическое окисление. Электрохимические методы очистки основаны на электролизе сточных вод. Основу электролиза составляют два процесса: анодное окисление и катодное восстановление. На аноде в зависимости от солевого состава обрабатываемых сточных вод и условий электролиза выделяются кислород и галогены, а также окисляются некоторые присутствующие в сточных водах органические вещества.

В качестве анода используются электролитически нерастворимые материалы (уголь, графит, магнетит, диоксиды свинца, магния, рутения), нанесенные на титановую основу. В качестве катода обычно используются свинец, цинк и легированная сталь. Чтобы предотвратить смешение продуктов электролиза, особенно газов (водорода и кислорода), которые могут образовать взрывоопасные смеси, применяют керамические, полиэтиленовые, асбестовые и стеклянные диафрагмы, разделяющие анодное и, катодное пространство.

Электрохимическую обработку окислением целесообразно применять при очистке концентрированных органических и неорганических загрязнений и небольших расходах сточных вод. Применение электрохимических методов очистки не требует предварительного разбавления сточных вод, не вызывает увеличения их солевого состава, позволяет утилизировать ценные примеси из сточных вод, упрощает технологическую схему очистки и эксплуатацию сооружений и сокращает площади, занимаемые под очистные сооружения, по сравнению с методами реагентной обработки. Основными недостатками электрохимического метода очистки сточных вод являются значительные энергетические затраты и расход металла, необходимость очистки поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей.

В процессе анодного окисления происходит деструкция органических веществ с получением промежуточных или конечных продуктов окисления (органических кислот, CO₂, Н₂O). Процесс осуществляется в электролитических ваннах, разделенных на несколько отсеков, в которых обрабатываемые воды перемешиваются сжатым воздухом.

При электролизе отработанных травильных растворов, содержащих FeSО₄ и свободную H₂SO₄, регенерируется 80…90 % серной кислоты и получается порошкообразное металлическое железо (25…50 кг из 1 м³ раствора).

Большое значение при электрохимическом окислении имеет плотность тока. В целях повышения электропроводимости сточных вод, снижения расхода электроэнергии и интенсификации процесса окисления в сточные воды добавляют минеральные соли (5…10 г/л хлорида натрия).

Электролиз сточных вод проводят при электродной плотности тока 30…100 А/м² и объемной плотности 1…3 А/л. Удельный расход электроэнергии для обеспечения 100%-ной очистки от цианидов (при начальном содержании 200 г/м³) составляет 0,2 кВт ч на 1 г цианид-иона. При этом на катоде в виде осадков утилизируется до 80 % общего количества цветных металлов, содержащихся в сточных водах.

Радиационное окисление. При действии излучений высоких энергий на водные среды, содержащие различные органические вещества, возникает большое число окислительных частиц, обусловливающих процессы окисления. Радиационно-химические превращения протекают не за счет радиолиза загрязняющих воду веществ, а за счет реакции этих веществ с продуктами радиолиза воды: ОН^-, НО₂^- (в присутствии кислорода), H₂О₂, H⁺ и е_гидр (гидратированный электрон), первые три из которых являются окислителями. В качестве источников излучения могут быть использованы: радиоактивные кобальт и цезий, тепловыделяющие элементы, радиационные контуры, ускорители электронов.

Имеется опыт радиационной очистки сточных вод, содержащих ПАВ, фенолы, цианиды, красители, инсектициды, лигнин.