1 / 45

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ. ЛЕКЦИЯ 12. Процессы пред- и доочистки сточных вод. Будут рассмотрены следующие процессы предочистки и доочистки: коагуляция, осветление, фильтрация, адсорбция, дезинфекция, мембранные процессы и др. новейшая технология очистки воды АОР = глубокое окисление

duyen
Download Presentation

СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 12.

  2. Процессы пред- и доочистки сточных вод • Будут рассмотрены следующие процессы предочистки и доочистки: • коагуляция, осветление, фильтрация, адсорбция, дезинфекция, мембранные процессы и др. • новейшая технология очистки воды АОР = глубокое окисление • радиолитические процессы • WAO (мокрое окисление) • использование суперкритической СО2 и др.

  3. Коагуляция и флокуляция • Коагуляция – процесс выделения из воды стабильных коллоидов, мельчайших частиц, имеющих одинаковый заряд (обычно отрицательный) и подчиняющихся тепловому, броуновскому движению. • В табл. приведены скорости осаждения частиц с плотностью 2,65 г/см3 при 20ºС в зависимости от диаметра. Видно, что большие и малые коллоиды практически не оседают. Коллоидная частица

  4. Строение коллоидной частицы Коллоидная частица имеет многослойное строение. В случае отрицательно заряженной частицы на ее поверхности находится фиксированный слой обратных ионов со знаком «+», которые не способны компенсировать отрицательный заряд частицы.

  5. Двойной электрический слой • Двойной электрический слой образован из ионов со знаком заряда ,противоположным знаку заряда ядра, из так называемых противоионов. • Противоионы частично компенсируют заряд ядра. • Броуновское движение вызывает размыв внешнего диффузного слоя, в котором ионы удалены от ядра и слабо с ним связаны. • Противоионы адсорбционного слоя находятся вблизи ядра и прочно с ним связаны. • Толщина диффузного слоя достигает 1 мкм, а адсорбционного – на 2–3 порядка меньше. • На внутренней границе двойного электрического слоя возникает электрокинетический (дзета) потенциал  . Он составляет часть  потенциала, определяющего  заряд ядра.

  6. Дзета потенциал • Когда коллоидная частица движется, она захватывает с собой часть водной пленки. Заряд на поверхности сдвига (shear plane) называют дзета потенциалом:  = (4∙ π ∙ q ∙ d)/D мВ, где - потенциал, мВ q - заряд на единицу площади d - толщина слоя, через который заряд влияет D - диэлектрическая постоянная воды • Принцип выделения коллоидов из воды состоит в нейтрализации этого заряда на поверхности сдвига.

  7. Устойчивость коллоидов • Устойчивость коллоидов может оцениваться по значению электрокинетического потенциала . • Если он меньше 10…20 мВ, то коллоиды мало устойчивы и способны к произвольной коагуляции вероятность которой повышается при перемешивании, изменении температуры, ионизации. • Для сравнения: коллоиды, определяющие цветность поверхностных вод, имеют электрокинетический потенциал около 70 мВ, гидроксиды тяжелых металлов образуют коллоидные системы с потенциалом около 30…40 мВ, у бактериальных клеток (живых и мертвых) – потенциал от 0 до 40 мВ.

  8. На рис. показана схема сил, влияющих на частицу. При очень маленьких расстояниях преобладают силы Ван-дер-Ваальса, т.е. межмолекулярного притяжения, противодействующие -потенциалу. Пунктиром показана кривая суммарной силы (Net force).  Чтобы вызвать процесс коагуляции, надо «выпуклость» этой кривой подавить вниз, в область сил Ван-дер-Ваальса. Это достигается добавлением в воду солей железа и алюминия, которые, гидролизуясь в воде, образуют положительно заряженные гидроксиметаллические комплексы типа:  Меq(ОН)pz+ Например, Al6(ОН)153+; Al8(ОН)204+; Fе2(ОН)24+; Ме2(ОН)45+ и др. По существу эти комплексы тоже коллоиды. После нейтрализации отрицательного заряда коллоидов эти комплексы переходят в нейтральную форму трехвалентных гидроксидов Al(OH)3 и Fe(OH)3.

  9. Пример • Добавление коагулянта Al2(SO4)3∙18H2O Al2(SO4)3 + 6НСО3- ↔ 2 Al(OH)3 + 3 SO42- + 6СО2↑ • Необходимая доза по торговому продукту Al2(SO4)3∙18H2O составляет для природной воды 10-150 г/м3, для сточных вод 50-300 г/м3. • Если щелочность воды недостаточна, надо добавлять Са(ОН)2 или Na2CO3. • Оптимальный рН для алюминиевого коагулянта в пределах 4,5÷8,0. • Надо отметить, что добавление как сульфата алюминия так и сульфата железа (III) снижает щелочность и вызывает коррозионное воздействие воды. • Чтобы такое влияние ослабить, добавляют алюминиевые полимеры под названием PAC, WAC, Aqualenc, Alpoclar и др. Общая их формула Aln(OH)p(Cl)q(SO4)r. Отношение OH/Al = 0,4÷0,6. Они менее кислые, чем обычные сульфаты алюминия и железа. В воде образуется полимерное звено типа Al6(ОН)126+.

  10. На практике коагуляция-флокуляция состоит из двух стадий: •  быстрое смешение воды с коагулянтом • медленное смешение для формирования флокул (flocs) • Время контакта воды с химикатом в узле быстрого смешения от 20 сек до 2 мин. • При флокуляции могут быть добавлены синтетические полимеры, флокулянты (анионные или катионные) для увеличения размеров флоков. Время пребывания воды здесь 10-30 минут. Узел быстрого смешения (коагулятор) Узел медленного смешения (флокулятор)

  11. Осветление воды • Осветление – это процесс выделения из воды взвешенных веществ, в том числе и флокулированных после коагуляции. • Осаждение (осветление) - процесс выделения взвешенного вещества за счет силы тяжести. • Осветление может быть трех типов: • осаждение отдельных, дискретных частиц • осаждение флокулированных частиц • уплотнение шлама.

  12. Осаждение отдельных частиц • Подчиняется закону Ньютона и в отдельном случае (маленькие круглые частицы в ламинарном режиме осаждения) закону Стокса. • На осаждающуюся частицу влияют три силы: • сила тяжести Fg • сила Архимеда (выталкивания) Fb • сила трения FD (появляется, когда частицы начинают осаждаться). • Сразу после начала движения частица станет падать ускоренно, но из-за силы трения скоро приобретает постоянную скорость осаждения. Достигается равновесие: Fg = Fb + FD ρs∙ g ∙ V = CD ∙ A ∙ ρ∙ wo2/2 + ρ ∙ g ∙ V где ρs– плотность частицы, кг/м3 g - ускорение силы тяжести, м/с2 V - объем частицы, м3, CD - коэффициент трения wo - скорость осаждения, м/с A - площадь проекции частицы, м2 ρ - плотность воды, кг/м3.

  13. Осветление воды • Осветление – это процесс выделения из воды взвешенных веществ, в том числе и флокулированных после коагуляции. • Осаждение (осветление) - процесс выделения взвешенного вещества за счет силы тяжести. • Осветление может быть трех типов: • осаждение отдельных, дискретных частиц • осаждение флокулированных частиц • уплотнение шлама.

  14. Уравнение Стокса • В предположении, что частицы круглые, получим уравнение Ньютона для скорости:  wo = √ [4∙d∙g∙(ρs – ρ) /3 CD∙ ρ], м/с •  Если режим осаждения ламинарный (без завихрений), то CD = 24/Re; Re < 0,3  Re = wo∙d∙ ρ/μ, гдеμ – вязкость воды, н∙сек/м2 wo = d2 ∙g ∙ (ρs – ρ)/18μ, м/с. • Это уравнение Стокса.

  15. Осадительные камеры

  16. Осаждение флокулированных частиц • Если к исходной воде добавлен коагулянт, картина полностью меняется, вместо дискретных частиц в воде осаждаются флокулы, которые соединяются в большие агрегаты. • Маленькие частицы с малой скоростью осаждения присоединяются в большим частицам с большой скоростью осаждения. • Принципиальное отличие от осаждения дискретных частиц состоит в том, что удаление взвешенных частиц (степень осветления, %) зависит не только от скорости осаждения и от производительности по осветленной воде Q, а также от глубины.

  17. Для проектирования осадительной камеры требуются пилотные опыты в трубе (Н ≥ 2 м; d ≥ 0,15 м), где через каждые 0,4÷0,6 м находятся краны для отбора проб. • В определенные моменты времени оттуда берут пробы, определяют содержание SS (взвешенных веществ) и рассчитывают степень осветления в %. Получают кривые осаждения, как на рис., которые называют изоосветлительными кривыми (isoremovallines).

  18. Осветлители взвешенного слоя • В некоторых странах (США) развита практика использовать отдельные бассейны флокуляции (где хлопья образуются) и отдельные бассейны для их выделения (т.е. осветлители). • В других странах (Англия, Россия, Эстония) в практике подготовки питьевой воды используют комбинированные бассейны флокуляции и осветления, которые называют осветлителями взвешенного слоя. Вода с хлопьями проходит снизу вверх через взвешенный слой хлопьев. Осветление происходит только в случае, когда скорость осаждения хлопьев > скорости восходящего потока воды. Толщину слоя поддерживают постоянной путем постоянного вывода шлама в центральный канал (С).

  19. Тонкослойные осветлители • Благоприятные условия для осветления (ламинарный режим, короткий путь осаждения, т.е. тонкий слой воды) создаются в тонкослойных осветлителях (lamella separators). • Их изготовляют в виде блоков, и их можно установить в уже имеющиеся осветлители прямоугольного или круглого сечения. • Проблемы: забивание и образование дурнопахнущей биопленки.

  20. Флотация • В некоторых случаях (легкие, объемные частицы, капли масла) целесообразно применять для сепарации не силу осаждения, а силу подъема (силу Архимеда).На использовании этой силы основан метод флотации. • Флотацию можно проводить 4-мя разными способами: • флотация растворенным воздухом (dissolved air flotation, DAF) • флотация воздухом при атмосферном давлении • вакуумная флотация • электрофлотация. • Наиболее распространена флотация растворённым воздухом.

  21. Флотация растворённым воздухом • Два варианта флотации • Первый – вся вода/сток насыщается под давлением 5-6 атм воздухом. После прохождения через дроссельный вентиль давление резко падает и растворенный воздух выделяется в виде мельчайших микропузырей диаметром 200-300 мкм. Поднимаясь вверх, эти пузыри прицепляются к взвешенным частицам (масляным каплям) и поднимают их на поверхность флотатора, откуда шлам удаляется специальным шламонакопителем (skimmer). • При втором варианте с рециклом только ~ 10 % осветленной воды насыщается воздухом, которая затем перемешивается с основным потоком. Получается экономия в энергии насоса для перекачивания воды.

  22. Фильтрация воды • В природе подземная и родниковая вода фильтруются через грунтовые слои. Этот же принцип используется в практике водоподготовки: суспендированные в воде частицы улавливаются в слое песка или антрацита в результате типичной фильтрации (А - straining), осаждения (В - sedimentation), трения (С - interception) и диффузии (D - diffusion). • На рис. показана эффективность фильтрации в зависимости от диаметра частиц в мкм. Видно, что самая маленькая эффективность фильтрации при диаметре частиц ~ 1 мкм (тонкие частицы глины, вирусы, бактерии).

  23. Классификация процессов фильтрации • Гравитационная фильтрация • Фильтрация под давлением • Медленная фильтрация через песок • Скоростная фильтрация через песок и антрацит • Поверхностная фильтрация с образованием осадка на поверхности (cake filtration).

  24. Медленные песчаные фильтры • Медленные песчаные фильтры исторически были первыми фильтрами; их стали применять в Англии в 19-ом веке. • Скорость фильтрации 0,1 - 0,2 м/ч (в скоростных фильтрах от 5 до 20 м/ч). • Медленные песчаные фильтры снова популярны, т.к. выяснилось, что они способны удалить на 99,9 % простейшие одноклеточные организмы Giardia lamblia и Cryptosporidium.

  25. Скоростные песчаные фильтры • Типичные скоростные фильтры состоят из одного-двух слоев: •  только песок ( Ø 0,35÷1,0 мм, h = 0,6-0,75 м), скорость фильтрации ~ 7 м/ч (до 10 м/ч) • двухслойные: песок + антрацит • Более легкий и грубый материал (антрацит) кладут первым слоем, под ним находится более тонкий и тяжелый материал (песок) (рис. на следующем слайде).

  26. Скоростные песчаные фильтры • Таким образом образуется верхний слой с большими порами, которые внизу сужаются. Это удлиняет длительность фильтрационного цикла. После промывки водой (или смесью вода + сжатый воздух) снизу вверх слои двух материалов частично перемешиваются. • Длительность цикла фильтрации у скоростных фильтров от 20 до 60 часов. Промывка идет снизу вверх со скоростью 18-20 м/ч. В этом случае объем песка увеличивается на 2-3 %, в случае применения гранулированного активированного угля (GAC) на 20 %.  • Скорость фильтрации = ΔP/сопротивление

  27. Фильтры под давлением • Для увеличения скорости в практике подготовки промышленной воды и питьевой воды из подземной используют фильтры под давлением

  28. Адсорбция в водоподготовке и очистке вод • Адсорбция в обработке растворов и воды очень старый процесс. • Уже в 1550 году до н.э. Гиппократ и Плиний-старший в Риме описывали свойства пористых углей для медицины. • В начале 19-го века для обесцвечивания сахарных растворов в Англии начали применять костяной уголь (bone char), который содержал в основном фосфат кальция с некоторой примесью углерода. • В начале 20-го века стали производить активированные порошкообразные угли промышленными методами. • После II мировой войны начали выпускать также гранулированные угли (GAC). • В настоящее время самой большой компанией по производству активированных углей является Galgon Carbon Corporation (USA).

  29. Применение адсорбентов • Адсорбенты применяют для: • удаления цветности, запаха и вкуса питьевой воды; • обесцвечивания животных и растительных масел; • обесцвечивания сахарных растворов; • удаления органических загрязнителей из воды и др. • Наиболее широко в качестве адсорбента используют активированные угли. • Активированные угли разделяются на: • угли для адсорбции газов; • угли для адсорбции компонентов жидкости.

  30. Активированные угли • Угли для адсорбции газов имеют большинство объема пор в области радиуса пор < 20 Å (микропоры) и в области макропор (радиус > 500 Å). Объем пор в области перехода (20-500 Å) очень мал. • Угли для адсорбции жидкостей имеют большинство пор именно в области перехода для адсорбции коллоидов и больших молекул. Распределение объёма пор типичного GAC Микро- и макропоры адсорбента

  31. Получение активированных углей • Сущность процесса активации угля состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. • Активированные угли производят двумя методами: • высокотемпературная обработка перегретым паром при 600ºС ранее обугленного материала (древесина, торф, кости, масло, активный ил и др.) • термохимическая обработка сырьевого обугленного материала (предварительно материал пропитывают раствором хлорида цинка, карбоната калия или некоторыми другими соединениями и нагревают без доступа воздуха). •  Активированные угли имеют поверхность контакта 600-1100 м2/г.

  32. Другие адсорбенты • Оксиды железа (Fe2О3) и алюминия (Аl2О3). Они имеют поверхность контакта 250-300 м2/г и средний диаметр пор 40-100 Å. • Силикагель SiО2. Силикагель может иметь: • маленькие поры (~ 2,5 nм) • большие поры (~ 14 nм или 140 Å). Поверхность контакта составляет 350-850 м2/г • Цеолиты и алюмосиликаты. Цеолиты называются молекулярными ситами, так как они адсорбируют только молекулы одного размера. Их изготовляют путем удаления кристаллической воды, которая оставляет в решетке дырки точно одного размера (рис.). • Абсорбционные полимеры. Это в основном кополимеры стирола и дивинилбензола (например, Amberlite). • Ионообменные материалы (иониты).

  33. Регенерирование адсорбентов • Существуют разные методы регенерации адсорбентов: • нагревание воздухом до 450-850ºС • нагревание паром до 450-850ºС • экстракция сольвентом • обработка кислотами/щелочами (например, содой Na2CO3 для удаления фенолов) • химическое окисление озоном (активированных углей). •  Самым простым приемом регенерации является изменение температуры (повышение) и давления (понижение).

  34. Для применения в водоподготовке, в частности при очистке питьевой воды, разработаны разные марки активированного угля (АУ) типа «Filtrasorb». Они позволяют: • удалять растворенную органику, запах, вкус • удалять излишние окислители (хлор, озон, перманганат) • защищать мембраны от забивания. • На рис. показано применение гранулированного активированного угля (GAC) в Финляндии, на станции Oulu Hinta. Фильтр АУ находится за контактным резервуаром промежуточного озонирования, чтобы улавливать продукты озонирования, а также остаточный озон.

  35. На рис. показаны два последовательно соединенных адсорбера с АУ в стационарном слое (fixed-bed). Для регенерирования адсорбента надо иметь еще вторую такую же параллельную линию. • Относительно новым является использование порошкообразного активированного угля (PAC = powered activated carbon). Он добавляется прямо в аэротенк для адсорбции тяжелых металлов, биологически трудноразлагаемой органики и цветности. Дозы в пределах 50-500 мг/л.

  36. GAC/PAC довольно дорогие, цена в пределах 1200-4500 евро/м³ • GAC/PAC адсорбируют большинство органических веществ при ориентировочной емкости ~0,1 г вещества/ г АУ. • Из неорганических веществ адсорбируются только тяжелые металлы • Na+, K+, Ca2+, Cl-, NO3-, SO42-, PO43- и др. не адсорбируются! • PAC надо применять только в виде 5-10 % водной суспензии, т.к. пылевидный PAC взрывоопасен!.

  37. Ионный обмен в водоподготовке. Умягчение и обессоливание воды. • Питьевую воду обычно не умягчают. В то же время имеются отрасли промышленности, где требуется умягченная или даже практически обессоленная вода (производство пара и электроэнергии, технологическая вода в фармацевтической промышленности, в промышленности полупроводников и др.). • В табл. приведены показатели питательной воды для котлов в зависимости от давления:

  38. Умягчение воды • Умягчение воды означает удаление катионов Ca2+ и Mg2+, которые при повышенных температурах могут образовать осадки CaCO3 и Mg(ОН)2 и тем самым забить трубопроводы и теплообменную аппаратуру. • Современными методами умягчения и обессоливания являются ионообмен и мембранные процессы (обратный осмос). • Ионообмен – это разновидность процесса адсорбции. Типичные ионообменные смолы представляют собой кополимеры полистирола и дивинилбензола. Катиониты содержат группу SO3H сульфоновой кислоты (подвижный катион Н+). Аниониты содержат разные обменные группы (OH-, Cl-, HCO3-). • Теоретическая обменная емкость ионитов находится в пределах 1300-4600 г-экв/м3 .  • Реальная обменная емкость в динамических условиях может составлять только 50-90% от теоретической.

  39. Существует ряд селективности (активности) для катионов и анионов по энергии их «выскакивания» из ионитов:  для сильных катионов Li < H < Na < NH4 < K < Rb < Cs < Mg < Zn < Co < Cu < Cd < Ni < Be < Mn < Ca < Sr < Cr < Pb < La < Ba <Ti для сильных анионов  OH < H3BO3 < CN <HSiO3 < HCO3< ацетат < F< фенолят < цитрат < формиат < Cl < NO2 < оксалат < PO4 < CrO4 < NO3 • Ионообмен – это процесс, в котором некоторый ион в ионите замещается ионом, который располагается справа от этого иона в ряду селективности. Например, Na в ионите замещается ионами Mg или Ca. •  Процесс, при котором некоторый ион в ионите замещается ионом с его левой стороны, называется регенерированием ионита. Например, Cl-ион в ионите замещается ионом OH-.

  40. Основные уравнения умягчения жесткой воды: 2 Na[Kат] + CaH(CO3)2 → Ca[Kат]2 + 2NaHCO3 • Ионы в воде можно также поставить в ряд по их активности к адсорбции и обмену:  Са2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ •  Это означает, что наиболее трудно освободиться от ионов Na+ в воде. •  Na-катионит регенирируется промывкой раствором NaСl. Если же регенерировать его промывкой НСl, он переходит в форму Н-катионита. Ca[Kат]2 +2 NaCl → 2 Na[Kат] + CaCl2

  41. Процесс ионообмена не является типичным процессом очистки окружающей среды (воды), в этом его парадокс. • Например, если в воде содержится 1 моль CaSO4, то при умягчении получим в воде вместо него 1 моль Na2SO4 + отходы регенерирования (1 моль CaCl2 + n моль NaCl избытка). То есть, в результате получается определенное количество умягченной воды, но также большое количество химических отходов. •  При проведении ионообмена(умягчения) в одну стадию остаточная жесткость воды составляет 0,03-0,05 мг-экв/л. Скорость фильтрации обычно 15-20 м/ч. • При использовании двух стадий умягчения остаточная жесткость составляет <0,01 мг-экв/л. На второй стадии скорость фильтрации больше, 30-50 м/ч.

  42. Обессоливание воды • Обессоливание - удаление всех солей, содержащихся в воде • При частичном обессоливании электропроводность > 1,0 мкS /см, при глубоком обессоливании только 0,1-0,2 мкS /см. •  Обессоливание = (Н+)обмен + (ОН-)обмен  2H[Kат] + Ca2+ + 2HCO3- → Ca[Kат]2 + 2 CO2 + 2H2O 2H[Kат] + Ca2+ + SO42- → Ca[Kат]2 + 2H+ + SO42- 2HCO3- + H+ → CO2 + H2O •  После Н+ катионитового фильтра воду пропускают через ОН- анионитовый фильтр. Протекают реакции:  [An]OH + H+ + Cl- → [An]Cl + H2O 2[An]OH + 2H+ + SO42- → [An]2SO4 + 2H2O

  43. Схема AMBERPACK для обессоливания воды • Вода сначала проходит через слабокислый катионит (WAC), а затем через сильнокислый катионит (SAC) • WAC = (-COOH; -OH) • SAC = (-SO3H) • Затем вода проходит через сильнощелочной анионит (SBA) и слабощелочной анионит (WBA): • WBA – содержит вторичные и третичные аминогруппы • SBA – содержит кватернарные аминогруппы • WBA способны адсорбировать только анионы сильных кислот (Cl-, SO42-, NО3-), но не анионы слабых кислот (HSiO3-; HCO3-). • SBA способны адсорбировать анионы как слабых так и сильных кислот. Так как SBA значительно дороже, то они используются в основном только для адсорбции HSiO3- и HCO3- • Чтобы не нагрузить анионитовый фильтр ионами HCO3- от катионообмена, между этими фильтрами установлен дегазатор для выделения СО2. Перед катионовыми/анионовыми фильтрами надо всегда установить коагуляторы-осветлители и зернистые фильтры для удаления органики из воды.

  44. Регенерация анионитов • В современных системах AMBERPACK фильтрация и регенерирование кислотой проводится противотоком (схема в), чтобы создать условия глубокой регенерации ионита именно в нижних слоях, которые определяют качество фильтрата.

  45. Обеззараживание воды

More Related