Очистка промышленных сточных вод является одним из важнейших этапов любого производственного процесса. Кроме того, безопасная окружающая среда — это не только наше предпочтение, но и требование времени. На данной странице Вы сможете ознакомится с результатами промышленного применения Аппарата Вихревого Слоя в таком направлении, как процесс очистки сточных вод и существующими технологическими схемами внедренных нами устройств.

---

Технологические процессы очистки сточных вод от шестивалентного хрома и других тяжелых металлов

Особенности вихревого слоя умело используются при очистке сточных вод содержащих шестивалентный хром и другие тяжелые металлы, что позволяет резко сократить расход реагентов, добиться более полной очистки и перевести эти процессы на непрерывный режим.

Ферромагнитные частицы, которые находятся в рабочей зоне аппарата вихревого слоя АВС, под воздействием электромагнитного поля совершают интенсивное перемешивание поступающих в реакционную зону реагентов. Под воздействием удара и трения происходит их измельчение до коллоидной степени дисперсности. Образовавшийся коллоидный металл является хорошим восстановителем. Одновременно с образованием коллоидного металла в процессе диспергирования ферромагнитных частиц в вихревом слое идет образование водорода за счет электролиза воды. Оба фактора существенно влияют на реакцию восстановления шестивалентного хрома и других металлов в сточной воде. Эта способность вихревого слоя позволяет значительно сократить расход сернокислого железа на восстановление шестивалентного хрома и даже добиться полного восстановления шестивалентного хрома и других металлов в сточной воде только за счет коллоидного металла и выделяющегося водорода.

Процесс восстановления в АВС длиться доли секунды, что обеспечивает возможность непрерывного ведения процесса с большей скоростью.

Интенсивное перемешивание реагентов и воздействие электромагнитных полей, а также диспергирование образовавшихся соединений приводит к тому, что образовавшиеся гидроокиси металлов более дисперсны, чем полученные в аппаратах с механическими мешалками.

Интересно, что увеличение дисперсности осадков не приводит к замедлению процесса их отстаивания. Наоборот, осаждение частиц твердой фазы после реакции в АВС происходит в полтора-два раза быстрее, чем после реакции в аппарате с мешалкой. Сказывается интенсивная магнитная обработка образовавшейся суспензии, приводящая к изменению поверхностного натяжения на границе жидкость-твердое тело.

Важнейшей особенностью вихревого слоя является тот факт, что после обработки в нем изменяются физико-химические свойства вещества, что в большой степени влияет на химическую активность обрабатываемого продукта.

Применение аппарата с механическими перемешивающими устройствами требует больших производительных площадей и значительных капитальных затрат. Длительность циклического прочеса очистки при использовании данного метода составляет от 30 до 120 минут.

В противоположность этому в комплект установки с применением АВС для очистки сточных вод от хрома методом химического восстановителя в щелочной среде при одновременном осаждении хрома и других металлов в виде гидроокисей входят лишь емкости для сернокислого железа и известкового молока с дозаторами, один АВС и фильтр или шламонакопитель-отстойник.

Рассмотрим результаты исследований аппарата вихревого слоя при обеззараживании хромсодержащих сточных вод.

Таблица 1

Результаты обеззараживания хромсодержащих сточных вод в АВС

Исходная концентрация Cr6+, мг/дм3	pH процесса	Расход сернокислого железа, % от стехиометрического расхода	Масса ферромагнитных элементов, г	Остаточное содержание Cr6+ после очистки, мг/дм3
100	2	100	150	0
		90		0
		80		0,56
100	4	90	150	0
		80		0,9
590	2	100	200	0
		90		0
		80		0,8
1000	2,5	100	200	0
		90		0,11
		80		1,1
200	7,5	100	150	0,012
200	9,0	100	150	0
		90		0,05
		80		0,98
750	7,5-8,5	90	200	0,1-0,01

 

Таблица 2

Результаты нейтрализации и очистки от ионов тяжелых металлов на промышленной установке с использованием АВС

Исходная  концентрация  металлов, мг/дм3	pH процесса	Расход Са(ОН)2, % от стехио­метрического расхода	Масса ферро­магнитных элементов, г	Остаточное содержание металлов, мг/дм3
Fe2+; 3+ = 130,0	7,5	90,0	200	Fe2+; 3+ – 0
Cu2+ = 50,0				Cu2+ – 0,12
Zn2+ = 45,0				Zn2+ – 0,063
Cd2+ = 10,0				Cd2+ – 0,07
Cr3+ = 120,0				Cr3+ – 0
Fe2+; 3+ = 170,0	8,5	100,0	150	Fe2+; 3+ – 0
Cu2+ = 40,0				Cu2+ – 0,018
Zn2+ = 28,0				Zn2+ – 0
Cd2+ = 5,5				Cd2+ – 0,011
Cr3+ = 100,0				Cr3+ – 0
Fe2+; 3+ = 250,0	8,7	100,0	200	Fe2+; 3+ – 0
Cu2+ = 65,0				Cu2+ – следы
Zn2+ = 35,0				Zn2+ – следы
Cd2+ = 2505				Cd2+ – 0
Cr3+ = 350,0				Cr3+ – 0

Параллельно проводилась промышленная очистка с механическим перемешиванием мешалками, а также с использованием барботажа воздухом. Расход известкового молока согласно промышленной технологии составил 115 — 120% от стехиометрического. Длительность перемешивания сточных вод с реагентом — 15-20 мин.

На рис. 1-3 показаны сравнительные зависимости эффективности очистки от тяжелых металлов и осветления сточных вод в отстойниках при использовании АВС и реакторов с мешалками.

Для сравнения эффективности очистки сточных вод от хрома в промышленных условиях испытывалось также восстановление хрома обычным реагентным методом в реакторе с использованием барботажа воздухом при длительности обработки стоков с реагентом в течении 15-25 минут.

На рисунке 3 приведены сравнительные данные такого испытания.

Полученные результаты промышленного испытания аппаратов АВС на предприятиях по очистке хромсодержащих сточных вод, как самостоятельно в кислой и щелочной среде показывают, что на установках с АВС достигается высокое качество очистки (ниже норм ПДК) от хрома и тяжелых металлов (Fe, Ni , Zn, Cu, Cd), при использовании реагентов в количестве 90-100% от стехиометрического, и значительном упрощении очистных сооружений и их эксплуатации, чем подтверждаются результаты экспериментальных исследований и эффективности действия вихревого слоя феромагнитных элементов в АВС. При обычных реагентных методах очистки расход реагентов составляет: 115-120%  осадителя  (Ca(OH)₂, Na₂CO₃) и 150-175% восстановителя (FeSO₄).

На основе проведенных исследований и промышленных испытаний АВС на процессах очистки сточных вод были предложены и внедрены технологические схемы очистки стоков на очистительных сооружениях предприятий разных отраслей промышленности (рис. 4, 5).

На рис. 4 показана схема одновременного очистки хромсодержащих и кислотно-щелочных сточных вод, суть работы которой заключается в том, что сточные воды от цехов завода попеременно поступают в две емкости-смесители. При наполнении одной из них сточными водами и их усреднении в нее подается кислота для подкисления стоков до рН 2-3 и восстановитель (бисульфит натрия). После перемешивания в течение 5-10 минут сточные воды подаются в АВС, в которые перед аппаратом подается щелочь (Na₂CO₃) для доведения рН среды до 7,5-9. В АВС проводится комплексная эффективная обработка стоков с реагентами в течение нескольких секунд, где завершается восстановление Cr⁶⁺ до Cr³⁺ и образования гидроксидов Cr³⁺ и других тяжелых металлов. В качестве восстановителя может использоваться и сернокислое железо (FeSO₄).

Использование аппаратов вихревого слоя по данной схеме позволяет обеспечить качество очистки ниже норм ПДК, уменьшить расходы реагентов в 1,5-2 раза, расходы электроэнергии в 2 раза, уменьшить производственные площади под очистительные сооружения на 10-15%.

По технологической схеме (рис. 5) очистки сточных вод в АВС проходит по трем отдельным потоками:

• восстановление хрома с Cr⁶⁺ до Cr³⁺ в хромсодержащих сточных водах;
• окисление цианидов до цианатов в циансодержащих сточных водах (рН 10-11, реагенты щелочь и окислитель);
• одновременная очистка стоков после смешивания обеззараженных хром и циансодержащих с кислотно-щелочными.

Для обессоливания очищенных стоков используется гравийно-песчаный фильтр, катионитовый и анионитовый фильтры, после которых вода поступает в резервуар чистой воды и производство.

Рассмотренный метод очистки сточных вод является наиболее экономичным из известных, что открывает широкие перспективы использования его в различных отраслях промышленности.

---

Физико-химические процессы очистки сточных вод от фенола и других органических загрязнителей

---

 На большинстве предприятий для очистки таких сточных вод применяют методы окисления фенола и других органических примесей пиролюзитом, бихроматом натрия или калия при температуре 95-100º С. Процесс окисления длится от 3 до 5 часов при расходе окислителя до 5 г на 1 г фенола. Станция очистки с 12 реакторами емкостью по 25 м³ каждый обеспечивает очистку от 400 до 600 м³ воды в сутки. Используемые способы зачастую не обеспечивают высококачественной очистки, степень обесфеноливания составляет 75-90%.

Применение АВС позволяет значительно упростить технологическую схему, снизить температуру реакции окислителя до 20-25º С, сократить расход окислителя до 2-3 г на 1 г фенола и продолжительность реакции до сотых долей секунды.

Нами был разработан новый беспрерывный способ комплексной очистки сточных вод от фенола и других органических примесей при помощи Аппарата вихревого слоя.

На основе проведенных испытаний было установлено, что в АВС можно обеспечить качественную очистку сточных вод от фенола с меньшими эксплуатационными расходами, чем при использовании известных способов.

При этом было определенно, что очистка сточных вод от фенола концентрацией 0,5-10 г/дм³, кислотности среды до 5 г/дм³ может проводиться такими окислителями как пиролюзит, бихромат калия или натрия, перманганат калия при длительности окисления в АВС τ = 0,1-2 с, температуре сточных вод 20-45 ºС до остаточного содержания фенола после проведения процесса очистки: 1,2-10 мг/дм³ при окислении пиролюзитом, 0,2-5 мг/дм³ бихроматом калия, 0,1-1,0 мг/дм³ перманганатом калия.

Технологическая схема установки очистки сточных вод от фенола с использованием АВС (рис. 6) является более простой в аппаратном и технологическом исполнении по сравнению с промышленной технологической схемой.

Одновременно с окислением фенола наблюдается окисление содержащихся в сточной воде других органических примесей. Так, содержание формальдегида снижается до 50-100 мг/дм³ (исходная концентрация до 10 г/дм³), метанола – до 2,3 мг/дм³ (исходная концентрация 6,4 г/дм³), дифенилолпропана – до 150 мг/дм³ (исходная концентрация 4,6 г/дм³).

При очистке сточных вод от фенола в аппарате с вихревым слоем рекомендуются следующие условия:

• кислотность исходной воды не ниже 3-5 г/дм³;
• температура сточных вод при окислении 20-45º С (при налички смол в сточных водах необходимо повысить температуру до 45-60ºС);
• расход окислителя – 2,5-3,0 весовых части на 1 г фенола;
• производительность аппарата – тип АВС-100 – до 10 м³/час, АВС-150 до 25 м³/час.

Внедрение аппарата с вихревым слоем на процессе обесфеноливания вод позволяет снизить энергозатраты в 10-15 раз, расход реагентов на окисление – в 1,5-2 раза, уменьшить необходимые производственные площади очистительных сооружений в 1,5-2 раза.

---

Контроль процессов очистки сточных вод от циансодержащих соединений

---

Наиболее ядовитыми производственными стоками являются воды, содержащие как простые соединения – цианиды (с ионами CN^—), так и комплексные [Cu(CN₂)^—], [Cu(CN₃)^-2], [Zn(CN₄)^-2] и др. Общая концентрация простых и комплексных цианидов колеблется от 10-15 до 150-300 мг/л. Наибольшее распространение в ниши дни получил реагентный метод обезвреживания цианидов – окислением их гипохлоритом кальция Ca(OCl)₂, хлорной известью CaOCl₂ или газообразным хлором.

На предприятиях наибольшее количество циансодержащих сточных вод очищается на установках периодического действия, где обработка реагентами ведется в поочередно заполняемых емкостях. Большие количества сточных вод очищаются на установках непрерывного действия.

Реакция протекает в два этапа: окисление цианидов до цианатов при pH=10÷11,5, затем гидролиз цианатов до азота и углекислого газа при pH=7÷7,5.

Использование аппарата с вихревым слоем дает возможность провести реакцию окисления цианидов и разложение последних до карбонатов и аммиака в одну стадию в щелочной среде при pH=9÷10.

При промышленном осуществлении метода циансодержащие сточные воды от источников их образования поступают в усреднитель, откуда насосом подаются в аппарат вихревого слоя. Одновременно в рабочую зону аппарата подается щелочной агент и окислитель. Контроль за pH среды в аппарате и остаточным содержанием цианидов после окисления осуществляется pH-метром и сигнализатором циана. Из аппарата сточные воды поступают в коллектор, где смешиваются с нейтрализованными сточными водами от других участков гальванопокрытий.

В качестве щелочного реагента применяются известь или сода в виде 5- 10%-ного раствора, в качестве окислителя – гипохлорит кальция или натрия, хлор или хлорная известь. Расход окислителя составляет 110% от стехиометрического расчета.

В таблице 3 представлены результаты анализов, полученных при испытании аппарата АВС-100 на очистке цианосодержащих сточных вод при производительности 12-15 м³/ч.

Таблица 3

Результаты очистки циансодержащих сточных вод при использованииаппарата вихревого слоя АВС-100

 

Исходное содержание циан-ионов,мг/л	Содержание циан-иона после очистки в АВС, мг/л
8000	0,12
2300	0,09
4320	0,02
50	0,02
62,4	0,0011
34,3	0,0014

Как видно из приведенных данных, качество очистки практически не зависит от концентрации циан-иона в исходной сточной воде.

---

Автоматизация процессов очистки сточных вод от мышьяка

---

Актуальной проблемой горноперерабатывающей и других отраслей промышленности является очистка сточных вод от мышьяка, которое проводится осаждением его гидроксидом ферума или восстановлением Na₂S, K₂S, FeS₂.

Процес осаждения заключается в том, что соль ферума, например FeCl₃, в щелочной среде образовывает рыхлый аморфный осадок Fe(OH)₃, который имеет большую активную поверхность. При выпадении в осадок гидроксид ферума адсорбирует и выносит с собой из раствора ионы арсенитов и арсенатов. Процесс заключается в восстановлении AS⁵⁺до AS³⁺.

 Нами были проведены исследования по определению использования электромагнитных полей в процессах очистки сточных вод от соединений мышьяка.

Исследования проводили по двум направлениям:

• осаждение мышьякосодержащих соединений в виде комплексов;
• восстановление мышьякосодержащих соединений.

 Исследовались воды производства магния, ксантогенатного производстваи обработки пирита.

В качестве реагентов использовалось хлорное железо, нитритный концентрат, серчаный калий и натрий, которые входят в состав отходов ксантогенатного производства.

Как известно, качество очистки сточных вод зависит от pH среды, количества реагентов и других факторов. Поэтому в процессе исследований определяли зависимость осаждения или восстановления мышьяка от:

•  количества реагентов;
• pH среды;
• продолжительности обработки в вихревом слое;
• длительность насыщения кислородом исследуемого объема воды с целью улучшения условий протекания процесса.

 При очистке сточных вод от мышьяка производства магния в качестве реагента использовались хлорное железо в разных весовых соотношениях к содержанию мышьяка в воде. По существующей заводской технологи используется 10-ти кратный расход FeCl₃, при которой получают предельно допустимые концентрации мышьяка.

Для обработки данных сточных вод использовали аппарат вихревого слоя АВС-100 (m = 150 г, τ = 3-5 с) с расходом реагента согласно заводской технологии достигается полное отсутствие мышьяка. Использование 5-ти кратного расхода реагента дает те же результаты, а при 3-х кратном рас ходе реагента достигается значительное понижение концентрации от 2115 мг/дм₃ исходной к 116 мг/дм₃ остаточной.

При исследовании очистки сточных вод от мышьяка производства обработки пирита условия процесса меняли следующим образом:

• загрузка реагента (пиритного концентрата) в воду без предварительного измельчения в АВС;
• загрузка пиритного концентрата предварительно измельченного в АВС (τ = 5-60 с, pH = 5-8), и подача воздуха в воду без обработки в аппарате. Количество реагента менялось в зависимости от концентрации мышьяка.

Для очистки сточных вод от мышьяка медеплавильного завода с использованием АВС в качестве реагентов использовались Na₂S, K₂S, которые входят в состав отходов ксантогенатного производства.

Параметры процесса очистки: τ = 1-3 с, pH = 3-4, m = 175 г, концентрация AS⁵⁺ в исходной воде 1,6 г/дм³, кислотность 5-6 г/дм³.

Результаты исследований по очистке сточных вод от мышьяка разных категорий приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результаты исследований по очистке сточных вод от мышьяка в АВС

Параметры ферромагнитных элементов			Концентрация AS5+ в исходной воде,  мг/дм3	Расход реагента, г	Время обработки в вихревом слое, с	Содержание мышьяка в очищенной воде, мг/дм3
масса,  г	длинна, мм	диаметр, мм
сточные воды производства магния
150	16-18	1,6	2115 (pH = 7-8)	10-кратное количество FeCl3	5	0
150	16-18	1,6	2115 (pH = 7-8)	5-кратное количество FeCl3	1-5	0
150	16-18	1,6	2115 (pH = 7-8)	3-кратное количество FeCl3	1-5	0,9-0
150	16-18	1,6	2115 (pH = 7-8)	3-кратное количество FeCl3	5	1,0
175	16-18	1,6	35 (pH = 7-8)	пиритный концентрат  ,65 г	60	28 (без барботажа воздуха) 0(барботаж воздуха)
175	16-18	1,6	35 (pH = 7-8)	пиритный концентрат 3,5 г	60	24 (без барботажа воздуха) 0(барботаж воздуха)
175	16-18	1,6	35 (pH = 7-8)	пиритный концентрат 10,0 г	60	0,05 (без барботажа воздуха) 0(барботаж воздуха)
175	16-18	1,6	35 (pH = 5-6)	пиритный концентрат 0,65 г	5	2,0 (без барботажа воздуха) 0,04 (барботаж воздуха)
Сточные воды ксантогенатного призводства
175	16-18	1,6	2000 (pH3)	7,0 Na2S		0
175	16-18	1,6	2000 (pH3)	6,0 Na2S		0,9
175	16-18	1,6	2000 (pH3)	5,5 Na2S		1,5
175	16-18	1,6	2000 (pH3)	5,0 Na2S		12,0

Как показывают результаты исследований, использование аппарата вихревого слоя при очистке сточных вод от мышьяка позволяет полностью осадить мышьяк при длительности обработки в вихревом слое в течении 1-5 секунд при уменьшении расхода реагентов в 3-5 раз по сравнению с заводской технологией, упростить технологическую схему очистки и перевести процесс на беспрерывный.

---

Очистка сточных вод от фтора, нитросоединений

---

Проведенные исследования по изучению обеззараживания и обесфторивания сточных вод в АВС показали (таблица 5), что данные аппараты являются более эффективным оборудованием по сравнению с используемым оборудованием.

Обесфторивание и преобразование фосфатов в водонерастворимые соединения осуществляется в одну стадию. Содержание фтора в очищенных сточных водах при оптимальных условиях (pH = 10-11) до 1,5 мг/дм³, фосфаты отсутствуют. Длительность обработки сточных вод в аппаратах 1-3 с. В качестве реагентов рационально использовать известь с расходом 5-10 % избытка CaO от теоретически необходимого. Использование АВС на процессах обесфторивания сточных вод разрешит снизить расход реагентов, электроэнергии, уменьшить производственные площади, повысить качество очистки сточных вод.

Удельная производительность АВС составляет около 30000 м3/ч на 1 м³рабочего объема, что соответствует производительности АВС-100 до 15 м³/ч, а АВС-150 – до 40 м³/ч.

Таблица 5

Влияние обработки в АВС на эффективность очистки сточных вод

Исходные показатели				Показатели сточных вод после обработки в АВС
Сточная вода			Известковое молоко
pH	F, мг/дм3	P2O5, мг/дм3	CaO, %	pH	F, мг/дм3	P2O5, мг/дм3
3,65	350	2100	105	7,6	10	32
3,65	700	2250	105	8,2	7,5	8
5,9	1100	3200	105	9,2	5	0
3,0	1500	6500	105	11,5	1,2	0
3,0	1500	5100	110	11,6	1,15	0
3,95	750	5000	110	9,3	4,5	0
3,95	750	5050	110	8,6	7,1	0
3,95	750	5050	110	10,0	1,4	0

Представляет интерес использование АВС для очистки сточных вод от ароматических нитросоединений путем восстановления их до соответствующих аминов. Для этого процесса могут быть рекомендованы ферромагнитные частицы из мягкой углеродистой стали диаметром 1-1,4 мм с соотношением l/d от 12 до 16.