Обратный осмос и ультрафильтрация

Лекции

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования через полунепроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидротированные ионы)

Размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер частиц не превышает 0,5мкм. От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Обратный осмос используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, медикаментов и т.д.), иногда для очистки городских сточных вод.

Достоинством метода являются:

1. – отсутствие фазовых переходов при отделении примесей;

2. – возможность проведения процесса при комнатной температуре, без применения или с небольшими добавками химических реагентов;

3. – простота конструкций аппаратуры.

Недостатки метода:

1. – происходит рост концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембран;

2. – проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость уплотнений аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран: они должны обладать

– высокой разделяющей способностью (селективностью);

– высокой удельной производительностью (проницаемостью);

– устойчивостью к действию среды;

– неизменностью характеристик в процессе эксплуатации;

– достаточной механической прочностью;

– низкой стоимостью;

Селективность процесса φ (%) разделения определяют по формуле

где С_о и С – концентрации растворенного вещества в исходной сточной воде и фильтрате.

Проницаемость определяется количеством фильтрата V полученного в единицу времени с единицы рабочей поверхности.

V = k₁ = (∆Р- ∆Р_о)

где ∆Р – разность давлений воды до и после мембраны;

∆Р_о – разность осмотических давлений;

k₁ – коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.

В процессе очистки некоторое количество растворенного вещества проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом разделения этот проскок

[S в кг/м²·сут] практически не зависит от давления и может быть определен по зависимости:

S = k₂ · (С_о - С).

Из формулы следует, чем выше концентрация загрязнений в исходной сточной воде, тем выше интенсивность проникновения веществ через мембрану.

Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса:

1. – мембраны сорбируют воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембраны, то под давлением через поры будет проходить чистая вода, несмотря на то что размер многих ионов меньше чем размер молекул воды. Проникновению таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов.
2. Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать растворенные вещества.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране, потому что размер их молекул больше, чем размер пор.

Для проведения процесса применяют непористые динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели и пористые мембраны в виде тонких пленок изготовленных из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцелюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена пористого стекла и т.д. Эти мембраны применяют для обратного осмоса. Верхний активный слой мембран толщиной 0,25мкм является слоем в котором происходит разделение, а нижний крупнозернистый слой (100-200мкм) обеспечивает механическую прочность мембран. Ацетатцелюлозные мембраны работают в интервале давлений 1-8мпс, температуры 0-30ºС, и значение рн – 3-8. Для ультрафильтрации используют нитратцелюлезные мембраны, по структуре они аналогичны.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации электролитов: для одновалентных солей не более 5-10%, для двухвалентных 10-15%, для многовалентных 15-20%. Для органических веществ указанные пределы несколько выше.

Для уменьшения влияния концентрационной поляризации применяют циркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости. Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше чем органические. С повышением давления производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. При высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливается максимальное рабочее давление. С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. Но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. В то же время возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Поэтому ацетатцелюлозные мембраны при 50º С разрушаются. Поэтому необходимо работать при 20-30º С.

Конструкция аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа:

1. – фильтрпресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами;

2. – с трубчатыми фильтрующими элементами;

3. – с рулонными или спиральными элементами;

4. – с мембранами в виде полых волокон;

В аппаратах типа фильтрпресс мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5-5,0мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя сланцами, стиснутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажный слой. Аппараты имеют невысокую производительность, т. к. суммарная площадь мембран изменяется в пределах 60-300м² на 1м³ объема.

Основным достоинством аппарата с трубчатыми элементами является высокая скорость подачи воды (0,9-12м/с), что сводит к минимуму концентрационную поляризацию и загрязнение поверхности мембран. Производительность аппаратов при давлении 3,0 - 4,0МПа равна 400-1000л/м² · час/. В качестве фильтрующих элементов используются пористые трубы (металлические, керамические, пластмассовые) диаметром от 6 -30мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность которых разносится мелкопористая подложка, а на нее помещается полупроницаемая мембрана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в аппаратах фильтрпресс, высокая стоимость нестандартных трубок, наличие застойных зон, неэффективность работы в ламинарном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно, расход электроэнергии.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа отличаются большой плотностью упаковки мембран (300-800м ²/м ³). Аппараты из пакета из двух мембран, гибкой пористой пластины и гафрированного сепарационного листа, навиваются в ряде спирали на трубу имеющие продольные прорези. Сточная вода движется в каналах гафрированного листа. Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется. Ширина навивающего пакета равна 300-500мм, а длина 0,6 – 2,5м. В аппаратах имеется несколько пакетов.

Недостаток этих аппаратов – сложность монтажа и смена мембран, сложность обеспечения герметичности;

Аппараты с мембранами в виде полых волокон. Волокна применяются из ацетатцелюлозы, нейлона или других материалов, собираются в пучки длиной 2-3м, которые прикрепляются к стенкам аппарата. Диаметр волокон равен 45-200мкм. Удельная поверхность волокон достигает 20000 м ²/м ³. расположение волокон может быть линейным (концы закрепляются в двух трубных решетках). Аппараты компактны и высокопроизводительны. Удельная проницаемость составляет 5 – 10л/(м ² · сут).

Недостатком этих аппаратов является большое сопротивление и сложность замены поврежденных волокон.

Аппарат типа: фильтрпресс.

1 – пористые пластины

2 – мембраны.

Экстракция.

Жидкостная экстракция применяется для очистки сточных вод содержащих фенолы, органические кислоты, ионы металлов и т.д. Экстракция может быть выгодным процессом если стоимость известняковых веществ компенсирует затраты на его проведение. Для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3 – 4 г/л их рационально извлекать экстракцией чем адсорбцией. При концентрации менее 1 г/л экстракция применяется в особых случаях очистки. Механизм очистки экстракции состоит из трех стадий:

1. интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). Между жидкостями образуется две жидкие фазы. одна фаза – экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент; другая фаза – рафинад – сточную воду и экстрагент;

2. выделение экстрагента и рафинада;

3. регенерация экстрагента из экстрагента и рафинада;

При выборе растворителя следует учитывать его селективность физико – химические свойства; стоимость и способы регенерации.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

• растворять извлекаемое вещество лучше, чем вода; т.е. обладать высоким коэффициентом распределения;
• обладать высокой селективностью растворения – чем меньше он будет растворять компоненты, которые должны остаться в воде. Тем более полно будут извлекаться необходимые вещества;
• иметь по возможности наибольшую растворяющую способность по отношению к известному компоненту. Чем она выше тем меньше потребуется экстрагента, т.е. тем ниже будут затраты на очистку;
• иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать устойчивых эмульсий, так как из – за этого снижается производительность установок, затрудняется разделение экстракта и рафинада, увеличивается продолжительность процесса, возникают потери растворителя;
• значительно отличаться по плотности от сточной воды. Обычно она меньше: разность плотностей обеспечивает быстрое и полное разделение фаз;
• обладать большим коэффициентом диффузии. Чем он больше, тем больше скорость массообмена, т.е. скорость процесса экстракции;
• регенерироваться простым и дешевым способом;
• не взаимодействовать с извлекаемым компонентом, так это затрудняет регенерацию экстрагента и увеличивает его потери;
• по возможности не быть вредным, взрыво – и огнеопасным, не вызывать коррозию металла аппаратов;
• иметь не высокую стоимость.

Экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточной воды. Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте в виде: К_р = С_э/С_β

Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируемого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре. Коэффициент распределения устанавливается опытным путем и зависит от природы компонентов системы. Наличия примесей в воде и экстрагенте и температуры.

Иногда экстрагент частично растворяется в сточной воде, поэтому коэффициент распределения будет зависеть не только от температуры, но и от концентрации извлекаемого вещества в рафинаде, т.е. величиной переменной.

При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов – наиболее ценный или токсичный, а затем другой из компонентов.

При этом для каждого из компонента может быть разный экстрагент. При необходимости одновременной экстракции нескольких веществ из сточной воды экстрагент не должен обладать селективностью извлечения, а иметь близкие и достаточно высокие коэффициенты распределения для всех извлекаемых веществ. Проведение такого процесса очистки затрудняет выбор экстрагента и его регенерацию.

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процесс экстракции. Регенерация может быть проведена вторичной экстракцией с другим растворителем. А так же выпариванием, дестиляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию возможно, в случае если нет необходимости возвращать его в цикл. Например: после извлечения, какого – либо вещества экстрагент можно использовать для технических целей или в качестве топлива. В этом случае экстрагируемые вещества при сжигании разрушаются. Это можно делать, когда они не предоставляют большой ценности.

При частичном растворении экстрагента в сточной воде становится новым загрязнителем ее, поэтому необходимо удалять экстрагент из рафината. Потери растворителя с рафинатом допустимы при условии его растворяемости в воде не выше ПДК, и только при его низкой стоимости. Наиболее распространенным методом извлечения растворителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом). При этом используется отработанный пар или отходящие дымовые газы.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной ступенчатой многократной экстракции. Схема многоступенчатой установки представляет собой батарею смесителей и отстойников. Каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. Свежий экстрагент и сточная вода поступают с противоположной стороны. В первой степени сточная вода с небольшим содержанием примесей перемешивается со свежим экстрагентом а в последующей ступени исходная сточная вода смешивается с экстрагентом который уже содержит значительное количество извлекаемого вещества. Такое движение потоков способствует эффективной очистке сточных вод.

Экстракция проводится в аппаратах различной конструкции: распределительных, посадочных, тарельчатых колонках, а тек же центробежных экстрагеторах.

Схема многократной противоточной экстракции.

1,2,3 – смесители; 1’,2’,3’ – отстойники

Электрохимические методы очистки сточных вод.

Для очистки сточных вод от различных растворимых и дисперсированных примесей применяют процессы анодного окисления, катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлотации и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки без использования химических реагентов.

Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов: плотность тока, напряжение, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.

Плотность тока – отношение силы тока к поверхности электрода, которое выражает А/м², (А/см² А/дм²). Напряжение электролизера складывается из разности электродных потенциалов и падения напряжения в растворе. Падение напряжения в электролите (сточной воде) определяется по закону Ома.

Выход по току – это отношение теоретически необходимого количества электричества (находится по закону Фародея). К практически затраченному, которое выражается в долях единицы и в процентах.

Анодное окисление и катодное восстановление:

В электролизере на положительном электроде – аноде ионы отдают электроны т.е. протекает реакция электрохимического окисления; на отрицательном электроде – катоде происходит присоединение электронов, т. е. протекает реакция восстановления. Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных примесей (цианидов, радонидов, аминов, спиртов, меркаптонов). В процессах электрохимического окисления вещества находящиеся в сточных водах растворяются с образованием СО_2, NH₃ и воды или образуются более простые и нетоксичные вещества, которые удаляются другими методами.

В качестве анодов используют различные электролитические нерастворимые материалы: графит, магнетит, двуокиси свинца; катоды изготавливаются из молибденового сплава вольфрама с железом или никелем из графита и т.д. Процесс проводят в электролизерах с диафрагмой и без нее. Кроме основных процессов электроокисления и восстановления одновременно могут протекать электрофлотация, электрофорез и электрокоагуляция.

Например: анодное окисление цианидов.

CNֿ+ 2OHֿ – 2е СNoֿ + H₂O

CNֿ+ 2 H₂O NH₄ֿ + СO₃²ֿ

электрокоагуляция: при прохождении воды через межэлектродное пространство электролизера происходитэлектролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно – восстановительные процессы и т.д..

при использовании нерастворимых электродов коагуляции может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образование в растворе веществ (хлор, кислород) разрушающих сольватные слои на поверхности частиц. Такой процесс используется для очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой устойчивости загрязнений.

Для очистки сточных вод содержащих высокоустойчивые загрязнение проводят электролиз с использованием растворимых сточных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными образуют гидраты солей металлов в виде хлопьев.

Наступает интенсивная коагуляция.

На процесс коагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее температура, состав, напряжение и плотность тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л. Эффективность электрокоагуляции снижается. Электрокоагуляцию рекомендуется проводить в нейтральной или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м²,расстояние между электродами не более 20 мм, скорость движения воды не менее 0,5 м/с.

Достоинство метода: компактность установок и простота управления, отсутствие реагентов, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (t,pH – среда, присутствие токсичных веществ). Получение шламов с хорошими структурно – механическими свойствами.

Недостатки метода – повышенный расход металла и электроэнергии.

Электрофлотация. В это процессе очистки сточных вод от взвешенных частиц проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде – водорода. Поднимаясь в сточной воде эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образующиеся на катоде. Размер пузырька водорода значительно меньше, чем при других методов флотации. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырьки обладают большей растворимостью. Чем крупные. Из пересыщенных растворов мельчайшие пузырьки выделяются на поверхности частичек загрязнений, тем самым способствует эффекту флотации. Эти частицы прилипают к пузырькам в воде. Для получения пузырьков требуемого размера необходим правильный подбор материала, диаметра проволоки катода и плотности тока. Оптимальное значение плотности тока 200 – 260 А/м² величина газосодержания около 1%. При небольших объемах сточных вод v = 15 м³/. Электрофлотационные установки используются однокамерные, при больших объемах применяются двухкамерные. Которые бывают горизонтальными и вертикальными. Они состоят из электродного отделения и отстойника. Сточная вода поступает в успокоитель, который отделен от электродного отделения решеткой. Пройдя через межэлектродное пространство, вода насыщается пузырьками газа. Всплывание пузырьков с частицами происходит в отстойной части. Всплывший шлам перемещается скребком в шламоприемник откуда и удаляется.

Электродиализ. Процесс очистки Сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы соэдаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс используется так же для опреснения вод, и проводится в электродиализаторах состоящих из трех камер отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру заливают раствор, а в боковые, где расположены электроды чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щелочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере изменяется до тех пор, пока не станет близкой к нулю.

За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы Нˉ и ОНֿ образуя воду. При использовании электрохимически активных диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионно-обменные мембраны проницаемые только для ионов имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Обычно электролизеры делают многокамерными (100 – 200 камер) с чередующимися катодно и анодно проницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах.в многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току. Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные состоят из одной смолы и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные представляют собой порошок ионита смешанный со связующим веществом – каучуком, полистиролом, метиммеркантоном. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны должны обладать электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1 – 2 мм. Во избежания засорения мембран сточных воды перед подачей очищаются от взвешенных и коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке воды содержащей 250 мг/л примесей, до остаточного содержания 5 мг/л составляет 7кВт · г/м³. С увеличением содержание солей в воде удельный расход энергии возрастает.

Основной недостаток электродиализа концентрационная поляризация, приводящая к снижению показателей очистки.

Схема электродиализа с пористыми диафрагмами.

Анаэробные методы биохимической очистки.

Анаэробные методы биохимической очистки используются для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистки промышленных сточных вод, а так же как первая ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПК_n> 4 – 5 г/л). Содержащих органические вещества которые разрушаются анаэробными бактериями в процессе брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают различные виды брожения: спиртовое, пропилновокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО₂, Н₂, СН₄).

Для очистки сточных вод используют метановые брожения. Этот процесс сложный и многостадийный. Считается, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из!!!!!! органических веществ образуется низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты и водород. Предполагается, что скорость превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.

Основная реакция метанообразования записывается уравнением:

СО₂ + 4Н₂А СН₄ + 4А + 2Н₂О

Где Н₂А – органическое вещество, содержащее водород; возможны и другие реакции в присутствии водорода: СО + 3Н₂ СН₄ + Н₂О

В отсутствие водорода: 4СО + 2Н₂О 3СО₂ + СН₄

Процесс брожения проводят в метантанках – герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для свода несброженного и отвода сброженного осадка.

Основными параметрами аэробного сбраживания является температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания, процессы брожения ведут в мезофильных (30 – 35ºС) и термофильных (50 – 55ºС) условиях. Полного сбражения органических веществ в метантанках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания зависящий от их химической природы. В среднем степень расхода органического вещества около 40%. Существуют предельно допустимые концетрации токсичных веществ при которых возможнометановое брожение;

Например:

вещество	томзол	ацетон	бензол	Хром(Сr^3+,Cr)
				25/3

Процесс брожения ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый. В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание. При сброжении выделяются газы которые в среднем содержат 63 – 65%метана, 32 – 34% СО₂. Газ сжигается в топках паровых котлов. Пар используется для нагрева осадков. Сбраживния осадка промышленных сточных вод из – за высокого содержания влаги, солей металлов и детергентов необходимо производить при снижении нагрузки на 25 – 50%. Процесс очистки протекает более устойчиво и полно, когда ведется совместная очистка производственных и бытовых сточных вод. Бытовые сточные воды содержат биогенные металлы K, Mg, Ce, Me, Le, Fe, Mn. Ni основными являются N, P и К которые должны присутствовать в необходимых количествах в организме.

Обработка осадков сточных вод.

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуется осадок, который следует утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Обработка и утилизация этих осадков затруднена из – за большого их количества, разного состава и малой влажности. Как правило осадки представляют собой трудно фильтруемые суспензии. Во вторичных отстойниках в осадке находится избыточный активный ил, объем которого в 1,5 – 2 раза больше чем объем осадка из первичного отстойника. Одной из определяющих величин выбора метода обработки осадка является его удельное сопротивление(r). Для осадков сточных вод (r) изменяется в пределах, для сырого ила r = (72 - 7860) * 10¹⁰ см/г. Вода в осадках может быть в свободном и связанном состоянии. Связанная вода (30 – 35%) подразделяется на: коллоидно – связанную и гигроскопическую. Коллоидно – связанную влага обволакивает твердые частицы гидратной оболочки и препятствует их соединению в крупные агрегаты. Некоторое количества влаги удаляется из осадка после коагуляции в процессе фильтрования. Полное удаление влаги достигается в процессе высокотемпературной сушки.

Метод уплотнения активного ила.

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении в среднем удаляется 60% влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Очень сложно уплотняется активный ил. Влажность активного ила оставляет 99,2 – 99,5%.Взвешанные частицы ила имеют небольшой размер и плотную гидратную оболочку, которая препятствует уплотнению.

Для уплотнения используют гравитационный флотационный метод. Гравитационный метод является наиболее распространенным. В качестве илоуплотнителей используют вертикальные или горизонтальные отстойники.

Флотационный метод уплотнения осадков с прилипанием частиц активного ила к пузырькам воздуха и всплывании вместе с ними на поверхность. Для образования пузырьков используется метод напорной флотации, вакуум – флотации, электрофлотации и т.д. Наибольшее распространение получила напорная флотация. При этом осадок активного ила разбавляют водой предварительно насыщенной воздухом под давлением 0,4 МПа.

Стабилизация осадков: проводят для разрушения биологической разлагаемой части органического вещества на двуокись углерода, метан и воду. Ее ведут при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях проводят сбраживание в септиках, двух ярусных отстойниках, осветлителях – перегневателях и метантенках. Септики и отстойники используются на установках небольшой производительности. Широкое распространение получили метантенки высокая влажность и большое содержание белка в активном иле приводят к низкому выходу газа при анаэробном сбраживании. Аэробная стабилизация заключается в продолжительном аэрировании ила в аэрационных сооружениях с пневматической, механической или пневмомеханической аэрации. Результате происходит распад (окисление) основной части биоразлагаемых органических веществ (до СО₂, Н₂О, Н₂). Оставшееся органические вещества теряют склонность к загниванию т.е. стабилизируются. Расход кислорода на процесс стабилизации равен 0,7 кг на 1 кг органического вещества.

Аэробную стабилизацию можно проводить и для смеси осадков из первичного отстойника и избыточного активного ила. Эффективность процесса зависит от продолжительности, интенсивности аэрации, температуры, состава и свойств окислителя осадка.

Кондиционирование осадков. Этот процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием или утилизацией проводят путем снижения удельного сопротивления и улучшением водоотдающих свойств осадков, вследствие изменения их структуры и форм связи воды. Концентрирование проводят реагентным и без реагентным способами.

При реагентной обработке осадка происходит коагуляция – т.е. процесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц. Образование при этом крупных хлопьев с разрывом сольвентных оболочек и изменением форм связи воды способствует изменению структуры осадка и улучшению его водоотдающих свойств. В качестве коагулянтов используют соли железа, алюминия, а так же известь. С целью уменьшения расхода коагулянтов осадки предварительно промывают водой. Промывка ведется в аэрируемой камере. В место коагулянтов можно использовать и флокулянты. Для осадков (зольность 25 – 50%) используется катионовые флокулянты; для осадков с зольностью 55 – 65% комбинируются катионные и ионные флокулянты, для осадков с зольностью 65 – 70% используется анионные флокулянты. Расход флокулянтов меньше, а стоимость обработки сокращается примерно на ½.

К без реагентным методам обработки относится тепловая обработка, замораживание с последующим оттаиванием, электрокоагуляция и радиационное облучение. Тепловую обработку ведут нагреванием осадка в автоклавах до температуры 170 – 200ºС в течении 1 часа. За это время коллоидная структура осадка разрушается, часть его переходит в раствор, а остальное уплотняется и фильтруется на вакуум – фильтре, где снижается с 92 – 94 до 70 – 75% влажности. В дальнейшем осадок может использоваться в качестве азотно-фосфорного удобрения.

Обезвоживание осадков: осадки обезвоживаются на иловых площадках и механическим способом. Иловые площадки – это участки земли (корты) со всех сторон окруженные земляными валами. Если почва хорошо фильтрует воду и грунтовые воды находятся на большой глубине. Иловые площадки устраивают на естественных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубине 1,5 м для отвода фильтрата устраивают искусственное основание.

Рабочую глубину площадок выбирают в пределах 0,7. площадь иловых площадок зависит от количества и структуры осадка, характера грунта и климатических условий. Иловая вода после уплотнения направляется на очистные сооружения. Так же используется площадки для осаждения ила и поверхностным удалением воды. Такие площадки используются в местах с теплым климатом с производительностью более 10000 м³/сут. Их располагают в виде каскада из 4 – 8 площадок.

Иловые площадки – уплотнители сооружают глубиной до 2 метров с водонепроницаемыми стенками и дном.

Принцип действия их основан на расслоении осадка при отстаивании. Жидкость удаляется периодически с разных глубин под слоем осадка. Осадок периодически уваляется специальными машинами.

Механическое обезвоживание проводится на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах и т.д.

Термические методы обработки осадков:

Для сушки осадков применяют конверторные сушилки. В качестве сушильного агента используют топочные газы, перегретый пар, горячий воздух. Часто используются дымовые газы при t = 500 – 800ºС. Применяют сушилки различной конструкции: барабанные, ленточные, с кипящим слоем, вакуум-установки.

Термоокислительные методы обезвреживания жидких отходов.

По теплотворной способности химические стоки: на сточные воды, способные гореть самостоятельно и на воды для термоокислительного обезвреживания к которым необходимо добавлять топливо.

При использовании термоокислительных методов все органические органические вещества загрязняющие сточные воды полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах до нетоксичных соединений. К этим методам относятся: метод жидкофазного окисления, метод парафазного каталитического окисления, метод пламенный (или огневой).

Выбор метода зависит от объема сточных вод их состава и теплотворной способности. Экономичность процесса и требований предъявляемых к сточным водам.

Метод жидкофазного окисления.

Этот метод очистки основан на окислении органических веществ растворенных в воде кислородом при t = 100 – 350ºС и давлении 2 – 28 МПа (20 – 280 кг/см²). При высоких делениях растворимость кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ.

Дата добавления: 2015-07-13