КУРСОВАЯРАБОТА
На тему:
«Проект участка очистки сточных вод гальванического производства»
Сыктывкар 2010
Введение
Основнымвидом отходов в гальваническом производстве являются промывные воды смешанногосостава, содержащие несколько видов тяжелых металлов, объединяющиеся скислотно-щелочными.
Очисткатаких стоков затруднена, так как не удается выделить металлы из шлама сложногосостава. Для снижения количества тяжелых металлов в сточных водах до предельнодопустимых концентраций (ПДК) необходимо использовать замкнутую системуводоснабжения с электрофлотационной очисткой, то есть промывные воды,подвергшиеся очистке от примесей, возвращать в технологический процесс, аизвлеченные примеси – на захоронение или переработку.
Такимобразом, очистка сточных вод является одной из самых актуальных проблем. ВЗападной Европе оборот только промывных вод гальванических производствсоставляет 97–98% от общего числа стоков. В нашей стране уровень очисткисточных вод и, в частности, регенерации из них цветных металлов, составляет неболее 10%.
Основнымкомпонентом сточных вод гальванических производств являются промывные воды,которые в больших количествах используются в производстве. Из ионов тяжелыхметаллов, находящихся в сточных водах, наиболее распространенными являютсяхром, никель и медь.
Хромсодержащиестоки образуются в результате промывки деталей после хромирования, электрохимическогополирования и удаления некачественных покрытий.
Основныевещества, подлежащие обезвреживанию – шестивалентные соединения хрома, цианиды(CN-), ионы тяжелых и цветных металлов: Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Sn2+, Pb2+.
Соединенияхрома (III), а особенно, хрома (VI) токсичны для человека и животных.Смертельная доза K2Cr2О7 (дихромат калия) для человека составляет 0,2–0,3 гр.Поэтому очистка сточных вод гальванического производства от отходов соединенийтрех- и шестивалентного хрома является актуальной. Наиболее перспективным иэффективным методом очистки сточных вод гальванического производства являетсяэлектрофлотационный. преимущества этого метода – относительная простотаконструкции установки, высокая надежность и высокая степень очистки.
Гальваническоепроизводство является одним из крупнейших потребителей воды, а его сточные воды– одними из самых токсичных и вредных. В связи с этим, перед гальваническимпроизводством встает ряд важных проблем. Снижению количества сточных вод можетспособствовать применение новой технологии производства. Это потребуетзначительных материальных затрат, что нереально на данном уровне развитияэкономики страны. В результате остается другой путь сохранения окружающей среды– повышение эффективности очистки сточных вод.
Основнымвидом отходов в гальваническом производстве являются промывные воды смешанногосостава, содержащие несколько видов тяжелых металлов и других примесей. Очисткатаких стоков затруднена. При этом не удается выделить металлы из шлама сложногосостава, а если и удается, то возникают проблемы с дальнейшим использованием ипереработкой отходов. Для решения проблемы снижения количества тяжелых металловв сточных водах до ПДК необходимо использовать замкнутую систему водоснабженияс электрофлотационной очисткой, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке отпримесей возвращать в технологический цикл, а извлеченные примеси – назахоронение или переработку. Т.о., очистка сточных вод является одной из самыхактуальных проблем.
1. Общая часть 1.1 Общаяхарактеристика производства
Гальваника– электролитическое осаждение тонкого слоя металла на поверхности какого-либометаллического предмета для защиты его от коррозии, повышенияизносоустойчивости, предохранения от цементации, в декоративных целях и т.д.Получаемые гальванические покрытия – осадки – должны быть плотными, а поструктуре – мелкозернистыми. Чтобы достигнуть мелкозернистого строения осадков,необходимо выбрать соответствующие состав электролита, температурный режим иплотность тока.
Гальваническоепокрытие металла – это прекрасный способ избегания многих проблем и увеличитьсрок службы оборудования, агрегатов и прочих устройств. Нанесениегальванических покрытий методом хромирования или никелирования требуетспециального производственного процесса и квалифицированного персонала.
Нанесениегальванических покрытий представляет собой электрохимический процесс, прикотором происходит осаждение слоя металла на поверхности изделия. В качествеэлектролита используется раствор солей наносимого металла. Само изделиеявляется катодом, анод – металлическая пластина. При прохождении тока черезэлектролит соли металла распадаются на ионы. Положительно заряженные ионыметалла направляются к катоду, в результате чего происходит электроосаждениеметалла.
Толщина,плотность, структура гальванических покрытий могут быть разными в зависимостиот состава электролита и условий протекания процесса – температура, плотностьтока. Так, например, варьируя соотношением этих двух параметров можно получитьблестящее или матовое хромовое покрытие, для блестящего никелирования вэлектролит добавляют блескообразователи – сульфосоединения.
Декоративныепокрытия имеют небольшую толщину, мелкозернистую структуру и достаточную плотность.Для обеспечения прочности сцепления покрытия с изделием необходимо проводитьтщательную подготовку поверхности, которая включает механическую обработку(шлифовка и полировка), удаление окислов и обезжиривание поверхности. Посленанесения покрытия изделие промывают и нейтрализуют в щелочном растворе.
Хромирование
Хромовыепокрытия в отношении их функционального применения являются одними из наиболееуниверсальных. С их помощью повышают твердость и износостойкость поверхностиизделий, инструмента, восстанавливают изношенные детали. Связано это с наличиемна его поверхности весьма плотной пассивирующей пленки оксидной природы,которая при малейшем повреждении легко восстанавливается. Широко применяетсядля защиты от коррозии и с целью декоративной отделки поверхности изделий. Взависимости от режима процесса можно получить различные по свойствам покрытия.
Цинкование
Покрытиецинком защищает от коррозионного разрушения черные металлы не толькомеханически, но и электрохимически. Цинковые покрытия широко применяются длязащиты от коррозии деталей машин, крепежных деталей, применяются для защиты откоррозии водопроводных труб, питательных резервуаров, соприкасающихся с преснойводой при температуре не выше 60–70ºС, а так же для защиты изделий изчерного металла от бензина и масла и др.
Никелирование
Никелемпокрывают изделия из стали и цветных металлов (медь и ее сплавы) для защиты ихот коррозии, декоративной отделки поверхности, повышения сопротивлениямеханическому износу и для специальных целей. Никелевые покрытия имеют высокуюантикоррозионную стойкость в атмосфере, в растворах щелочей и в некоторыхорганических кислотах, что в значительной степени обусловлено сильно выраженнойспособностью никеля к пассивированию в этих средах. Никелевое покрытие хорошополируется и может быть легко доведено до зеркального блеска.
Химическоеникелирование
Химическоеникелевое покрытие, содержащее 3–12% фосфора, по сравнению с электролитическимимеет повышенные антикоррозионную стойкость, износостойкость и твердость, особеннопосле термической обработки. Обладает малой пористостью. Главным достоинствомпроцесса химического никелирования является равномерное распределение металлапо поверхности рельефного изделия любого профиля.
Оловянирование
Основныеобласти применения покрытий оловом – защита изделий от коррозии и обеспечениепаяемости различных деталей. Этот металл устойчив в промышленной атмосфере,даже содержащей сернистые соединения, в воде, нейтральных средах. По отношениюк изделиям из медных сплавов олово является анодным покрытием и защищает медьэлектрохимически. Оловянные покрытия чрезвычайно пластичны и легко выдерживаютразвальцовку, штамповку, изгибы. Покрытия имеют хорошее сцепление с основой,обеспечивают хорошую коррозионную защиту и красивый внешний вид. Свежеосажденноеолово легко паяется с применением спиртоканифольных флюсов, однако через 2–3недели его способность к пайке резко ухудшается.
Меднение
Медныепокрытия применяют для защиты стальных изделий от цементации, для повышенияэлектропроводности, а так же как промежуточную прослойку на изделиях из стали,цинка, цинковых и алюминиевых сплавов перед нанесением никелевого, хромового идругих видов покрытий, для лучшего сцепления или повышения защитнойспособности. В качестве самостоятельного гальванического покрытия ни длядекоративных целей, ни для защиты от коррозии, как правило, не применяется.
Серебрение
Сереброобладает высокой электропроводностью, отражательной способностью и химическойустойчивостью, особенно в условиях действия щелочных растворов и большинстваорганических кислот. Поэтому, покрытия серебром получило применение, главнымобразом для улучшения электропроводящих свойств поверхности токонесущихдеталей, придания поверхности высоких оптических свойств, для защиты химическойаппаратуры и приборов от коррозии под действием щелочей и органических кислот,а так же с декоративной целью.
Цинковыепокрытия широко применяются для защиты изделий из черных металлов от коррозии вразличных климатических зонах и в атмосфере, загрязненной промышленными газами,для защиты от непосредственного влияния пресной воды и от коррозионноговоздействия керосина, бензина и других нефтяных продуктов и масел. В среде,насыщенной морскими испарениями, покрытия цинком не стойки.
Медныепокрытия чаще всего применяют для экономии никеля как подслой при никелированиии хромировании. Вследствие промежуточного покрытия стали и чугуна медьюдостигается лучшее сцепление между основным металлом и металлом покрытия иуменьшается вредное влияние водорода. Медные покрытия широко применяются такжедля местной защиты при цементации и в гальванопластике. Медные покрытия хорошополируются, что имеет значение при декоративно-защитных покрытиях. Хорошооснащенные гальванические цехи имеются почти на всех машиностроительных иметаллообрабатывающих заводах.
Каждыйтехнологический процесс гальванического нанесения металлических покрытийсостоит из ряда отдельных операций, которые можно разделить на 3 группы:
1.Подготовительные работы. Их цель – подготовка мет (его поверхности) для нанесенияпокрытия гальваническим путем. На этой стадии технологического процессапроводится шлифование, обезжиривание и травление.
2.Основной процесс, цель которого заключается в образовании соответствующегометаллического покрытия с помощью гальванического метода.
3.Отделочные операции. Они применяются для облагораживания и защитыгальванических покрытий. Наиболее часто для этих целей применяютпассивирование, окраску, лакирование и полирование.1.2 Характеристика сточных вод
Производственные сточныеводы загрязнены в основном отходами и выбросами производства. Количественный икачественный состав их разнообразен и зависит от отрасли промышленности, еетехнологических процессов; их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в том числе и токсические, и содержащие яды.
К первой группе относятсясточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабриксвинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых содержатся кислоты,щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы в основномизменяют физические свойства воды. Сточные воды второйгруппы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы, предприятияорганического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся разныенефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества.
Средизагрязнения различных видов окружающей среды, химическое загрязнение природныхвод имеет особое значение. Всякий водоем или водный источник связан сокружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формированияповерхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления,индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственнаяи бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесениев водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающихкачество воды.
Загрязнения,поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости отподходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, физическое ибиологические загрязнения.
Химическоезагрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств водыза счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической(минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органическойприроды (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно-активныевещества, пестициды).
Основныминеорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являютсяразнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Этосоединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора, а такжецианидные соединения. Большинство из них попадает в воду в результатечеловеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затемпередаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.
Ежегоднов сточных водах гальванических цехов теряется более 0,46 тысяч тонн меди, 3,3тысяч тонн цинка, десятки тысяч тонн кислот и щелочей. Помимо указанных потерьсоединения меди и цинка, выносимые сточными водами из очистных сооруженийгальванического производства, оказывают весьма вредное влияние на экосистему.
Отходы,содержащие ртуть, свинец, медь локализованы в отдельных районах у берегов,однако некоторая их часть выносится далеко за пределы территориальных вод.
Установлено,что соединения меди и цинка даже при малых концентрациях (0,001 г/л) тормозятразвитие, а при больших (более 0,004 г/л) вызывают токсическое воздействие наводную фауну.
Длянужд технологии очистки сточных вод гальвано технологические операции чащевсего классифицируют, исходя из реакций и химического состава электролитов, служащих источникомобразования сточных вод. Гальванические операции делятся на 4 группы всоответствии с 4 видами сточных вод:
1.Операции, при которых образуются растворы или промывные воды, содержащиецианистые соединения: к ним относятся основные процессы электрохимическоговыделения металла из их цианистых, а также операции промывки после этихрастворов.
2.Операции, при которых растворы или промывные воды содержат хромистыесоединения: к ним относятся процессы хромирования, хромистой пассивации иоперации промывки после этих растворов.
3.Операции, при которых растворы и промывные воды не содержат упомянутыхсоединений: к ним относятся некоторые вспомогательные работы (обезжиривание,травление), основные процессы и отделочные работы.
4.Операции, при которых образуются растворы или промывные воды, содержащие ионытяжелых металлов (в частности, ионы никеля и меди): к ним относятся основныепроцессы электрохимического выделения металла, а также операции промывки послеэтих растворов.
Исходя изприведенной классификации наши сточные воды, анализируя их состав, можноотнести к сточным водам, содержащим ИТМ. Чтобы определить источники загрязнениясточных вод разделим все сточные воды на концентрированные и разбавленные. Подконцентрированными сточными водами будем понимать отработанные технологическиерастворы ванн или промывные воды отдельной технологической операции с высокойконцентрацией загрязнителей. Эти воды образуются периодически, при сменеотработанных технологических растворов на свежие. Под разбавленными сточнымиводами будем понимать воды, которые образуются при межоперационной промывке,проводимой с целью сохранения химического состава и чистоты электролитическихрастворов, применяемых в отдельных операциях.1.3 Методыочистки сточных вод производства
Очисткасточных вод гальванического производства исокращение поступления гальванических отходов в окружающую среду является важнойзадачей промышленных предприятий, на которых в технологическом процессепроизводится обработка поверхности металлов и пластиков и нанесениегальванических покрытий.
Использованиев гальваническом производстве и производстве печатных плат электролитовразличного состава для нанесения гальванических покрытий, с целью приданияизделиям требуемых технических характеристик, создает многообразие загрязнений промывныхи сточных вод, поступающих на очистные сооружения. Исходя из фазового состояниявещества в сточной воде, все загрязнения можно подразделить на четыре типа:
· взвеси в виде тонкодисперсных эмульсий и суспензий;
· высокомолекулярные соединения и коллоиды;
· растворенные в воде органические вещества;
· растворенные в воде соли (кислоты, щелочи).
Для каждоготипа загрязнений существуют свои методы очистки сточных вод. Так, для очисткиводы от взвешенных веществ наиболее эффективными являются методы, основанные наиспользовании сил гравитации, флотации, адгезии. Для очистки воды от коллоидови ВМС эффективен метод коагуляции. Органические вещества наиболее эффективноизвлекаются из воды в процессе очистки на сорбционных фильтрах и установкахнанофильтрации. Растворимые неорганические загрязнения, представляющие собойэлектролиты, удаляют из сточных вод гальванического производства переводомионов тяжелых металлов в малорастворимые соединения, используя для этогореагентный метод или мембранные методы обессоливания (обратный осмос,электродиализ).
Потехнологическим процессам и, соответственно, применяемому оборудованию, методамочистки сточных вод гальванического производства можно дать следующуюклассификацию:
· механические / физические (отстаивание, фильтрация, выпаривание);
· химические (реагентная обработка);
· коагуляционно-флотационные (флотация, флокуляция, коагуляция);
· электрохимические (электрофлотация, электродиализ, электролиз);
· сорбционные (сорбционные фильтры, ионообменные фильтры);
· мембранные (ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос,электродиализ);
· биологические.
Тем не менее,представленные выше методы очистки сточных вод гальванического производства,(за исключением вакуумного выпаривания, которое при прямом применение являетсянерентабельным как по капитальным так и по эксплуатационным затратам)самостоятельно не позволяют достичь выполнение современных требований: очисткадо норм ПДК сточных вод, особенно по тяжелым металлам, таким как медь; возвратводы на оборотное водоснабжение гальванического производства; низкая стоимостьочистки, утилизация ценных компонентов. Невозможность достижения требований ПДКусугубляется сложным финансовым положением промышленных предприятий РФ.Основным путем решения данной проблемы является внедрение новых технологийочистки воды и оптимизация водопотребления гальванического производства.
Призначительных объемах промышленных сточных вод на очистных сооруженияхцелесообразно применять электрохимические и мембранные методы очистки воды(электрофлотация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос), а общуюсистему очистки сточных вод создавать комбинируя технологии: предварительнуюреагентную обработку, электрофлотацию, фильтрацию, сорбцию, мембранноеконцентрирование, вакуумное выпаривание.
При маломобъеме производства предпочтение рекомендуется отдать локальным системамочистки на базе сорбционных, ионообменных и мембранных технологий.
Электрохимическиеметоды очистки сточных вод гальванического производства обладают рядомпреимуществ: простая технологическая схема при эксплуатации оборудования,удобство автоматизации его работы, сокращение производственных площадей подразмещение очистных сооружений, возможность очистки сточных вод безпредварительного разбавления, снижение солесодержания и уменьшение объемаосадка, образующегося в процессе очистки.
Электрофлотация это процесс очистки сточных вод, в при котором электролитическиполученные газовые пузырьки, всплывая в объеме жидкости, взаимодействуют счастицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слипание,обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырькагаза на границе раздела фаз «жидкость-газ». Плотность образующегося вэлектрофлотаторе пенного продукта (флотошлама) ниже плотности воды, чтообеспечивает его всплытие и накопление на поверхности очищаемой воды. Флотошлампериодически удаляется из электрофлотатора автоматическим устройством сборашлама.
Электрокоагуляция(гальванокоагуляция) – устаревшие технологически методы, которые донастоящего времени используются на машиностроительных и металлообрабатывающихпредприятиях для очистки сточных вод гальванического производства (в основномдля очистки хромсодержащих сточных вод от ионов хрома Cr6+). Вданных методах по электрохимическому механизму растворяют железо, иобразовавшиеся ионы Fe2+ восстанавливаютшестивалентный хром Cr6+ дотрёхвалентного Cr3+ споследующим образованием гидроксида хрома. Различие электрокоагуляции игальванокоагуляции заключается в способе растворения железа. Вэлектрокоагуляционном методе железо растворяется электрохимически при наложениина стальные аноды потенциала от внешнего источника питания. Вгальванокоагуляционном методе железо растворяется гальванохимически за счетразности потенциалов, возникающей при контакте железа с медью или коксом.Следовательно, оба метода различаются движущей силой процесса растворенияметаллического железа, что и определяет их технологические различия.
Электрокоагуляцияи гальванокоагуляция имеют огромное количество недостатков, основными средикоторых являются следующие:
· трудность в обслуживании электрокоагуляторов за счет засорениямежэлектродного пространства, которое необходимо постоянно прочищать скребками;
· трудность в обслуживании гальванокоагуляторов определяетсянеобходимостью поддержания соотношения стальной стружки и кокса или стальной имедной стружки, неудобством засыпки загрузки, необходимостью тщательнойфильтрации от мелкодисперсной фазы, состоящей из частиц кокса и оксидов железа.
· Оба метода требуют огромного количества химических реагентов (Навосстановление одного хромат иона расходуется три иона двухвалентного железа ичетыре молекулы серной или восемь молекул соляной кислоты. Чтобы восстановлениешестивалентного хрома шло с достаточной эффективностью, расходующиеся реагентыдолжны присутствовать в обрабатываемых сточных водах в большом избытке. Этоприводит к тому, что норму расхода и кислоты и железа приходится увеличиватьеще в 1,5–2 раза)
· Оба метода создают огромное количество практически неутилизируемых твердых отходов – смесей гидроксидов железа и хрома: в пересчетена сухой вес около 10 кг на 1 кг хрома Cr3+, содержащегося висходном стоке.
/>
Рисунок 1. Электрокоагуляторы на очистныхсооружениях металлообрабатывающего предприятия – общий вид
Ежегодно,посещая в ходе работы предприятия, которые внедрили очистные сооружения на базеэлектрокоагуляторов (и / или гальванокоагуляторов) и общаясь синженерами и аппаратчиками ОС, нашими специалистами было сделано заключение,что соблюдение всех технологических режимов процесса для качественной иэффективной очистки гальванических сточных вод – задача достаточно сложная длядействующих (как правило устаревших) электрохимических производств. Такжебольшие сомнения вызывает использование очищенной воды для создания системоборотного водоснабжения предприятий, требующих воду категорий 2 и 3 по ГОСТ9.314–90 для получения качественных гальванических покрытий.
/>
Рисунок 2. Электродные блоки электрокоагулятора
Перечисленныепроблемы были успешно решены специалистами благодаря внедрению на очистныхсооружениях промышленных предприятий электрофлотационных модулей.
Электрофлотация– метод очистки сточных и промывных вод, технологических растворовгальванического производства и производства печатных плат от загрязнений в видевзвешенных веществ, фосфатов и гидроксидов металлов, суспензий, смолистыхвеществ, эмульгированных веществ, нефтепродуктов, индустриальных масел, жиров иповерхностно-активных веществ. Для интенсификации процесса электрофлотации иповышения эффективности очистки, обычно, существует предшествующая стадиянейтрализации кислых или щелочных компонентов, перевод ионов металлов втруднорастворимые соединения, т.е. образование твёрдой фазы, флокуляция и (или)коагуляция.
/>
Рисунок 3. Электрофлотаторна очистных сооружениях металлообрабатывающего предприятия – общий вид
Электрофлотатороборудование для очистных сооружений сточных вод гальванических производств.Очищенная вода после электрофлотатора подается на мембранную установкугиперфильтрации для создания оборотного водоснабжения или сбрасывается всистему канализации. Электрофлотатор работает на основе процесса выделениямикропузырьков электролитических газов и флотационного эффекта. ЭлектрофлотаторМУОВ-М4 с блоком нерастворимых электродов входит в состав электрофлотационного модуля,который укомплектован системой сбора шлама, источником постоянного тока,вспомогательными емкостями из полипропилена для загрязненной и очищенной воды,насосами Grundfos и дозирующим оборудованием Etatron. Очистка сточных вод оттяжелых металлов: меди, хрома, цинка, никеля, железа, алюминия, кадмия, свинца,нефтепродуктов, спав и взвешенных веществ производится в непрерывном режиме.№ п./п Параметр Электрокоагуляция Электрофлотация 1
Энергозатраты, кВт ч/м3 1 – 1,5 0,1 – 0,5 2 Степень очистки, % 80 – 95 95 – 99,9 3 Вторичное загрязнения воды
Fe 1 мг/л
Al 0,5–1 мг/л Отсутствует 4 Вторичное загрязнение твердых отходов (ионы тяжелых металлов) 30% (Cu, Ni, Zn, Cr) Отсутствует 5 Режим эксплуатации Периодический Непрерывный 6 Расход материалов и реагентов Fe и / или Al – анод (5–10 дней) Ti – анод (5–10 лет) 7
Производительность, м3/ч до 5 от 1 до 50 8 Осадок гальванического шлама Пульпа 99% влажности Пенный продукт 94–96% влажности
Преимуществаиспользования электрофлотационных модулей очевидны:
· высокая эффективность извлечения дисперсных веществ (гидроксидов ифосфатов тяжелых металлов и кальция, нефтепродуктов, поверхностно-активных ивзвешенных веществ);
· высокая производительность (1 м2 оборудования – 4 м3/чочищаемой воды);
· отсутствие вторичного загрязнения воды благодаря примениюнерастворимых электродов ОРТА;
/>
Рисунок 4.Нерастворимые электроды электрофлотатора
· низкие затраты электроэнергии от 0,5 до 1 кВт·ч/м3;
· отсутствие заменяемых материалов (электродов, фильтров, сорбентови пр.);
· простота эксплуатации, автоматический режим работы не требуютежегодного ремонта и остановок;
· шлам менее влажный (94–96%), в 3–5 раз легче обезвоживается и может бытьиспользован при изготовлении строительных материалов и / или пигментов для красителей.
Мембранныеметоды очистки:
1) Обратныйосмос
Обратныйосмос – мембранный процесс очистки воды, для осуществления которого применяютсямембраны с минимальным размером пор, соизмеримым с размером одиночных ионов,благодаря чему из воды удаляются все растворенные ионы и молекулы. Рабочеедавление процесса в зависимости от солесодержания раствора составляет от 10 до70 бар. Наиболее эффективно использование обратного осмоса для очистки воды.
/>
Принципобратного осмоса
2) Нанофильтрация
Нанофильтрация(НФ) совмещает в себе черты как ультрафильтрации, так и обратного осмоса. Впроцессе НФ используются заряженные мембраны по размерам пор близкие культрафильтрационным, что вызывает разделение как по сферическому (ситовому)механизму, так и по Доннановскому и электростатическому механизмам. Взависимости от типа задерживаемых загрязнений преобладают те или иные эффекты.В частности, для катионов тяжелых металлов, имеющих сильный положительныйзаряд, отрицательно заряженные мембраны и слой положительно заряженныхпротивоионов вносят решающий вклад в селективность. С помощью НФ удаетсядостигнуть селективности 90–98%, что ниже характерных для обратного осмоса 97–99,5%,однако в ряде случаев такие высокие селективности не являются необходимостью ипоэтому выгоднее использовать менее энергоемкий процесс нанофильтрации (рабочеедавление в 1,5–2 раза ниже). Нанофильтрация может быть использована дляконцентрирования растворов, содержащих поливалентные соли благодаря различнымплотностям заряда и размерам гидратных оболочек ионов. Влияние заряда важно длявыделения соли с помощью нанофильтрации, для которой процессрастворения-диффузии – главные механизмы. Доннановские силы имеют особенноважное значение для разбавленных растворов солей.
3) Ультрафильтрация
Ультрафильтрацияэто процесс мембранного разделения растворов высокомолекулярных инизкомолекулярных соединений, а также концентрирования и фракционированиявысокомолекулярных соединений. Процесс протекает за счет разности давлений до ипосле мембраны. Установки ультрафильтрации применяются для очистки сточных води оборотного водоснабжения предприятий. В отличие от обратного осмоса,ультрафильтрацию применяют для разделения систем, в которых молекулярная массарастворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя.Например, для водных растворов содержащих органические соединения смолекулярной массой 500 и более. Поскольку осмотические давлениявысокомолекулярных веществ малы (обычно не более десятых долей МПа), в процессерасчетов движущей силы процесса ультрафильтрации ими, как правило, можнопренебречь. Поэтому ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысокихдавлениях (0,2 – 1,0 МПа). В установках ультрафильтрации используютсяполоволоконные мембраны из полиэфирсульфона, а также мембраны на основе другихполимерных материалов. Установки ультрафильтрации нашли широкое применение всистемах водоподготовки и обезжелезивания, очистки сточных вод гальваническогопроизводства, текстильного производства, производства ситетических моющихсредств. Использование мембранных технологий позволяет осуществлять очистку высокомолекулярныхсоединений от низкомолекулярных, в частности удаление электролитов, карбамида,лактозы и других веществ из растворов. При помощи установки ультрафильтрациивозможно одновременно вести технологические процессы концентрирования и очисткигидроксидов и фосфатов тяжелых металлов, нефтепродуктов, коллоидных частиц. Прииспользовании ультрафильтрации не только повышается его качество очисткисточных вод, но и значительно снижается количество стадий технологическогопроцесса. Применение ультрафильтрации для разделения эмульсий дает большиепреимущества: отпадает необходимость в химикатах; достигается высокая степеньразделения, позволяющая повторно использовать разделенные фазы; процесс независит от стабильности разделяемой эмульсии, а также от рода и концентрациисодержащихся в ней эмульгаторов, стабилизаторов и электролитов; нет надобностив подводе тепла, т.е. расход энергии невелик; простота технологической схемы иаппаратуры; компактность установки. При выборе материалов мембраны следуетиметь в виду, что наибольший эффект разделения достигается, когда мембраналиофильна по отношению к внешней фазе и лиофобна – к дисперсной. Широкоеприменение находит ультрафильтрация и при регенерации моющих составов приподготовке поверхностей металлов под окраску и нанесении гальваническихпокрытий. Для обработки поверхности используют водные растворы, содержащиекальцинированную соду, фосфаты и эмульгаторы. При этом масла с поверхностиметалла переходят в ванну, образуя эмульсии типа «масло в воде». Разделение такихэмульсий методом ультрафильтрации позволяет получать фильтрат с содержаниеммасла не более 2 г/м3, который используют в обороте, и концентрат ссодержанием масла не менее 70%, который может быть направлен на утилизацию илисжигание.
Промышленныефильтровальные установки для очистки сточных вод от тяжелых металлов созданы наоснове ионообменных смол с макропористой полистиролыюй матрицей ииминодиуксусными хелатообразующими группами. Ионообменные фильтры предназначеныдля удаления ионов тяжелых металлов из промышленных стоков. Эти ионы могут бытьвыделены из растворов, содержащих высокие концентрации одновалентных ионов (какправило, натрия), а также двухвалентные катионы (такие как кальций). Смолымогут работать как в слабокислых, так и в слабоосновных растворах. Фильтры сзагрузкой данных смол находят применение в процессах извлечения металлов изруд, стоков гальванических производств и производств печатных плат, различныхпромышленных рассолов и стоков даже в присутствии щелочноземельных металлов (кальцияи магния). Другая важная область применения заключается в рафинировании соляныхрастворов переходных и благородных металлов, а также в очистке различныхорганических и неорганических химических продуктов удалением следов тяжелыхметаллов (обычно из водных растворов).
Химическиймеханизм процесса
Иминодиуксусныефункциональные группы в натриевой или водородной формах путем реакции ионногообмена образуют с поливалентными катионами комплексы халатного типа.
/>
Ионообменнаяреакция
Ионообменныефильтры применяются для извлечения тяжелых металлов из сточных вод иконцентрированных растворов. Склонность к комплексообразованию смол сразличными катионами соответствует следующему ряду: Сu > Ni > Zn > Со> Cd > Fe(II) > Mn > Са.
Макропористаяструктура обеспечивает превосходные диффузионные свойства смол, повышая, такимобразом, эффективность работы на стадиях истощения и регенерации. Извлечениетяжелых металлов из сточных вод производства печатных плат достигаетсяконцентрированием.
Практикуетсяпоследующее обессоливание и повторное использование промывных вод втехнологическом цикле.
Ионообменныефильтры могут быть использованы для снижения содержания тяжелых металлов доуровня ниже максимально допустимой концентрации, который часто значительно нижеполучаемого методом осаждения. Данное оборудование может быть использовано дляудаления тяжелых металлов из обессоленных промывных вод гальваническогопроизводства в замкнутых циклах оборотного водоснабжения предприятий(безотходная технология).
/>
Промышленныйфильтр для гальванического производства
Фильтровальныеустановки с селективными ионообменными смолами применяются также для разделенияи концентрирования тяжелых металлов в процессах гидрометаллургии. Они особенноподходят для случаев с низкой концентрацией металлов. Процесс разделенияразличных металлов может проводится в соответствии с приведенным выше рядомселективности. Однако следует иметь в виду, что приведенная последовательностьможет меняться в зависимости от рН среды и присутствия определенных анионов(включая повышенные концентрации хлоридов и сульфатов). Последовательностьселективности ионов, приведенная в данном описании применима для нейтральных ислабокислых растворов.
Приэкологической оценке ионообменной очистки промывных вод необходимо учитывать,что возврат их в производство сопровождается по меньшей мере утроенным сбросомсолей по сравнению с приростом в актах технологического использования воды итрадиционных методах очистки. В связи с этим ионообменная очистка отработанныхэлектролитов перед сбросом в канализацию представляется бессмысленной как сэкономической, так и экологической точек зрения. Ионообменная очисткаэлектролита целесообразна только в случае его возвращения в производство. Вовсех остальных – отработанный электролит перед сбросом надо обезвреживать,дозируя в небольших количествах в сточные воды, поступающие на электрофлотатордля очистки.
Мембранныеметоды очистки:
Рулонныймембранный элемент для установки обратного осмоса состоит из трубки с прорезямидля прохода пермеата и герметично присоединенного к ней пакета мембран,расположенного между ними дренажного листа и сетки-сепаратора, образующеймежмембранные каналы. В процессе скручивания пакета для герметичного разделениянапорной полости и полости сбора пермеата кромки дренажного листа пропитываютспециальным клеем.
/>
Рис. 2Мембрана обратного осмоса
Рулонныемембранные элементы для установок обратного осмоса работают по принципутангенциальной фильтрации. В процессе обессоливания, воды, она разделяется надва потока: фильтрат (обессоленная вода) и концентрат (раствор с высокимсолесодержанием). Разделяемый поток воды движется в осевом направлении помежмембранным каналам рулонного элемента, а фильтрат спиралеобразно подренажному листу в направлении отвода фильтра. Концентрат выходит с другой сторонымембранного модуля обратного осмоса. Сегодня обратноосмотические мембранныеэлементы рулонного типа являются наиболее распространенными и наименеедорогостоящими.
Преимуществаустановок обратного осмоса с мембранными элементами рулонного типа:
· Удобство монтажа и демонтажа мембранного элемента в корпусемембранной установки обратного осмоса;
· Низкая стоимость и простота конструкции напорного корпусамембранной установки;
· Относительно низкие потери давления в установке;
· Использование для изготовления разделительных элементов плоскоймембраны, качество которой может быть предварительно проконтролированонесложными способами.
Вода,прошедшая процесс предварительной очистки, подается на мембранную установкуобратного осмоса. Обратноосмотические мембранные элементы задерживают всезагрязнения диаметром более 0,1 нм. Мембрана пропускает молекулы растворителя(воды) и задерживает ионы растворимых солей: Са2+, Mg2+, Na+, К+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+ S042-, Cl- и полный спектрорганических веществ и коллоидов с размером, значительно превышающим диаметрпор мембран, в том числе вирусы и бактерии. Установки обратного осмосаэффективно извлекают из воды гуминовые кислоты и их соединения, которыепрактически невозможно полностью удалить другими технологиями.
/>
Установкиобратного осмоса
/>
Промышленнаяустановка нанофильтрации воды
Нанофильтрация(НФ) совмещает в себе черты как ультрафильтрации, так и обратного осмоса. Впроцессе НФ используются заряженные мембраны по размерам пор близкие культрафильтрационным, что вызывает разделение как по стерическому (ситовому)механизму, так и по Доннановскому и электростатическому механизмам. Взависимости от типа задерживаемых загрязнений преобладают те или иные эффекты.В частности, для катионов тяжелых металлов, имеющих сильный положительныйзаряд, отрицательно заряженные мембраны и слой положительно заряженныхпротивоионов вносят решающий вклад в селективность. С помощью НФ удаетсядостигнуть селективности 90–98%, что ниже характерных для обратного осмоса 97–99,5%,однако в ряде случаев такие высокие селективности не являются необходимостью ипоэтому выгоднее использовать менее энергоемкий процесс нанофильтрации (рабочеедавление в 1,5–2 раза ниже). Нанофильтрация может быть использована дляконцентрирования растворов, содержащих поливалентные соли благодаря различнымплотностям заряда и размерам гидратных оболочек ионов. Влияние заряда важно длявыделения соли с помощью нанофильтрации, для которой процессрастворения-диффузии – главные механизмы. Доннановские силы имеют особенноважное значение для разбавленных растворов солей.
/>
Повторноеиспользование воды в гальваническом производстве
Применениеультрафильтрации в процессах электрофоретического нанесения покрытий позволилоснизить потери краски на 15 – 30%, повысить качество изделий, снизить расходсвежей воды и исключить сброс сточных вод, образующихся при промывке изделий. Вэтом процессе осуществлен замкнутый цикл водооборота, при котором извлекаемыйиз промывной воды продукт возвращают в производство, а очищенную воду повторноиспользуют для промывки. За счет этого достигается высокая рентабельностьпроцесса.
Трубчатыекерамические мембраны для очистки сточных вод изготавливаются спеканиемметаллокерамических материалов, таких как оксид алюминия, диоксид титана илициркония, при сверхвысоких температурах. Керамические мембраны имеютасимметричную структуру поддерживающую активный мембранный слой. Активныймембранный слой обеспечивает эффективное разделение, в то время какмакропористые материалы обеспечивают высокую механическую устойчивость.Керамические мембраны для микрофильтрации (МФ) и ультрафильтрации (УФ) работаютв режиме тангенциальной фильтрации при оптимальных гидродинамических режимах.Загрязненная жидкость проходит через мембранный слой внутри одно- илимногоканальной мембраны на большой скорости. Под действием трансмембранногодавления (ТМД) вода проходит вертикально через мембранный слой, образуя потокфильтрата (пермеата). Взвешенные вещества, гидроксиды тяжелых металлов иорганические молекулы массой более 50 КДа задерживаются внутри мембраны,образуя поток концентрата. Таким образом, происходит очистка сточных вод идругих загрязненных жидкостей.
Фильтр-прессрамный – технологическое оборудование, предназначенное для обезвоживания шлама,образующегося в процессе очистки сточных вод гальванического производства,производства печатных плат, текстильного производства, отделочного производстви др.
Суспензияподается диафрагменным насосом под давлением в межплитное пространство камерфильтр-пресса РЗР. Фильтрация осуществляется в камерах фильтр-пресса, при этомна фильтровальных салфетках из полипропиленовой ткани оседают взвешенныевещества, присутствующие в обезвоживаемом шламе, поступающем изэлектрофлотатора, или осадке перекачиваемом из отстойника. Осветленная вода постокам фильтровальных плит поступает в накопительную емкость для дальнейшейочистки.
Основнымэлементом рамного пресс фильтра является набор фильтровальных плит изполипропилена (химически стойкого и износостойкого пластика), установленных наопорах из нержавеющей стали между прижимной и впускной системами. На первойфильтровальной плите закреплен отъезжающий гидроцилиндр со стопорной гайкой наего поршневом штоке. На несущей раме фильтр пресса смонтирован гидравлическийлибо автоматический (пневматический привод) гидравлический упор длягидравлического цилиндра, зажимающий фильтровальные плиты. Отвод фильтратазакрытый.
Фильтр-прессырамные имеют следующие преимущества в сравнении с прочим оборудованием дляобезвоживания шлама:
· Низкая влажность обезвоженного осадка до 70%, а при последующемвысыхание в сборнике шлама в течение недели до 60–65%;
· Оптимальное соотношение цена / качество – в 2–3 раза дешевле зарубежныханалогов;
· Большая площадь фильтрования относительно занимаемой рамным фильтрпрессом площади и возможность повышения производительности оборудованияблагодаря модульности его исполнения;
· Высокая степень разделения фаз и возможность разделения суспензийс низкой концентрацией взвешенных веществ (твердых частиц);
· Возможность полной автоматизации процесса фильтрации;
· Высокая коррозионная и износостойкость конструкционных материаловфильтровального оборудования;
· Отсутствие энергозатрат при использовании сжатого воздуха иззаводской магистрали;
· Простота эксплуатации и отсутствие необходимости остановкиочистных сооружения при ремонте и профилактическом обслуживании фильтр-прессов;
· Фильтр-прессы имеют срок службы до 50 лет при замене фильтровальнойткани один раз в 1–2 года.
Технологическаясхема очистки сточных вод: Е1, Е2, Е3 – накопительнаяёмкость; Н1, Н2 – насос; Д1, Д2, – ёмкость приготовления раствора реагента;НД1, НД2, НД3 – дозирующий насос; Р1 – реактор смешения; ЭФ – Электрофлотационныймодуль; ИПТ – источник питания электрофлотационного модуля; ФП – фильтр пресс;КФ – кварцевый фильтр; ИФ – ионообменный фильтр.
Системаработает следующим образом: промывные и сточные воды гальваническогопроизводства подаются в накопительную емкость Е1. Из емкости Е1 стоки насосомН1 подается в реактор Р1. В реактор Р1 для предварительной обработки сточныхвод дозаторами НД2 и НД3 дозируются реагенты: раствор щелочи и флокулянта. Изреактора Р1 стоки поступают на электрофлотатор ЭФ, в котором по представленномуниже механизму осуществляется извлечение гидроксидов тяжелых металлов,нефтепродуктов и СПАВ. Из накопительной емкости Е2 в емкость Е1 дозатором НД1дозируются отработанные технологические растворы. Из электрофлотатора очищеннаявода поступает в сборную емкость Е3. Осветленная вода из сборной емкости Е3подается насосом Н2 на механический фильтр КФ, и далее на ионообменные фильтрыИФ, в которых методом ионного обмена происходит извлечение следовыхконцентраций ионов тяжелых металлов до региональных требований ПДК по сбросам.После очистки вода сбрасывается в канализацию, либо может быть частичновозвращена в технологический цикл на повторное использование для техническихнужд предприятия (в соответствии с ГОСТ 9.314–90 вода 2-й категории).
Шламподается для обезвоживания на фильтр-пресс ФП. Обезвоженный шлам влажностью неболее 70% утилизируется.
Основнымтехническим узлом системы очистки является электрофлотатор, включающий в себяблок нерастворимых электродов, систему сбора шлама, источник постоянного тока ивытяжной зонт. Электрофлотатор представлен на Рис. 2. Работа аппаратаоснована на электрохимических процессах выделения водорода и кислорода за счетэлектролиза воды и флотационного эффекта. Установка работает, как внепрерывном, так и в периодическом режимах и обеспечивает извлечение взвешенныхвеществ, нефтепродуктов, ПАВ, ионов тяжелых металлов Cu2+, Ni2+,Zn2+, Cd2+, Cr3+, Al3+, Pb2+,Fe2+, Fe3+ Ca2+, Mg2+ идр. в виде гидроксидов и фосфатов.
Методэлектрокоагуляция.
1. Назначениеустановки: очистка хромсодержащих икислото-щелочных промывных сточных вод до требований ПДК по тяжелым металлам наслив в канализацию.
2. Сущностьпредлагаемой технологии: Для очисткикислотно-щелочных промывных сточных вод от металлов и солей предлагаются методэлектрокоагуляции с последующим отстаиванием образующегося осадка.
3. Составустановки:
· узел корректировки значений pH;
· электрокоагулятор для перевода тяжелых металлов в нерастворимуюформу;
· узел разделения суспензии, представляющий собой отстойник стонкослойными модулями для осаждения образовавшихся гидроксидов;
· узел тонкой фильтрации и осветления сточной воды;
· узел обезвоживания осадка.
Сущностьэлектрохимической обработки воды заключается в том, что при подаче напряженияпостоянного тока на электроды начинается процесс растворения железных анодов. Врезультате электрохимической обработки в аппарате поз. ЭК осуществляется рядпроцессов:
· изменение дисперсного состояния примесей за счет их коагуляции поддействием электрического поля продуктов электродных реакций и закреплениепузырьков электролитического газа на поверхности коагулирующих частиц, чтообеспечивает их последующую флотацию;
· сорбция тяжелых металлов на поверхности электролитическиполучаемых оксидов металлов;
· химическое восстановление ионов Cr6+ до ионов Cr3+.
Образующиесясоединения нерастворимого гидроксида железа сорбируют на своей поверхности ионытяжелых металлов и выпадают в осадок.
Исходныекислотно-щелочные воды поступают в сборник-накопитель Е0. Из накопителя Е0насосом Н1 усредненный сток подается на электрокоагулятор ЭК, в котором поописанному выше механизму происходит восстановление ионов шестивалентного хромаи очистка от примесей тяжелых металлов. Предварительно из емкости Е2 (Е3)дозирующим насосом НД1 (НД2) подается раствор едкого натрия или кислоты длякорректировки рН. Из электрокоагулятора водная суспензия направляется вотстойник поз. ТО для разделения суспензии на осветленную жидкость и осадок.Для ускорения процесса осаждения отстойник комплектуется тонкослойным модулем.Осветленная вода, сливается в емкость поз. Е1 и насосом Н2 подается на фильтрмеханической очистки Ф и затем на узел доочистки ИО, где с помощью ионногообмена вода очищается от следовых количеств тяжелых металлов, а затемнаправляется на слив в канализацию.
Осадок изэлектрокоагуляторов и отстойника поступает на фильтр-пресс поз. ФП, гдеобезвоживается, и с влажностью до 80% утилизируется.
Методэлектрокоагуляция и обратный осмос (замкнутый водооборот).
1. Назначениеустановки: очистка хромсодержащихи кислото-щелочных промывных сточных вод с целью создания замкнутоговодооборота (ГОСТ 9.314–90 кат.II. «Вода для гальванического производства»).
2. Сущностьпредлагаемой технологии: Для очисткикислото-щелочных и хромсодержащих промывных сточных вод от тяжелых металловпредлагается метод электрокоагуляции с последующим отстаиванием образующегосяосадка и обратноосмотическим обессоливанием очищенной воды.
3. Составустановки:
· узел электрокоагуляции;
· узел мембранной очистки.
4. Описаниетехнологии:
Процесспротекает также, только после фильтра механической очистки Ф очищенная водасобирается в емкости Е4, откуда подается на вторую ступень очистки – мембраннуюустановку.
Осадок изэлектрокоагуляторов и отстойника поступает на фильтр-пресс поз. ФП, гдеобезвоживается, и с влажностью до 80% утилизируется, а осветленная воданаправляется в емкость Е4.
Длядоочистки воды после электрокоагуляции с целью создания замкнутого водооборота(требование ГОСТ 9.314–90 категория) предлагается мембранная установка.
Технологическаясхема включает основные узлы:
· узел тонкой фильтрации от взвешенных частиц;
· узел глубокой очистки и обессоливания на высокоселективныхобратноосмотических мембранах;
· узел выпарки с получением осадка в виде влажных солей.
Осветленнаявода с из емкости Е4 через фильтр тонкой очистки Ф1 насосом Н3 подается напервую ступень обратноосмотической мембранной установки ООМ1, укомплектованнойрулонными мембранными элементами. В процессе разделения исходный поток делитсяна два: фильтрат – очищенная и обессоленная до требуемых показателей вода иконцентрат, содержащий сконцентрированные извлекаемые примеси. Очищенная водасобирается в емкости Е5 (поставка Заказчика) и насосом Н6 подается на повторноеиспользование на операции промывки. Концентрат первой ступени подвергаетсядополнительному доконцентрированию на второй ступени мембранной установки ООМ2.Для чего концентрат высоконапорным насосом Н4 подается на мембранные аппаратывторой ступени, где происходит разделение потока на две части: фильтратотводится в емкость Е4, где смешивается с исходным потоком, и концентрат,который направляется в емкость Е6, откуда далее насосом Н5 подается на выпарнойаппарат ВА. Соли с влажностью до 50% подвергаются утилизации.
Очистка(доочистка) сточных вод от следов металлов
1. Сущностьпредлагаемой технологии: После вертикальныхотстойников существующей схемы, осветленная вода перед сбросом ее в канализациюпроходит дополнительно глубокую очистку на фильтрах с зернистой загрузкой сцелью удаления следов тяжелых металлов. Очищенная вода направляется в резервуарчистой воды и далее на повторное использование (до 50% очищенной воды можетбыть использовано для промывки деталей, остальное – на другие техническиенужды). Фильтр с зернистой загрузкой периодически (не чаще одного раза в двенедели) подвергается обратноточной промывке, промывная вода возвращается вголову процесса. По мере исчерпания обменной емкости через 3–5 фильтроцикловадсорбент подвергается активации (р-ром Na2CO3 илиMgSO4, активирующий раствор можно использовать до 20 раз). Узелрегенерации включает в себя емкость для приготовления рабочих растворов идозировочные насосы. Отработанные регенерирующие растворы направляются внакопитель (существующей схемы) и подвергаются очистке с основным потоком. Срокслужбы адсорбента не ограничен. При доочистке не образуются дополнительныеотходы и отработанные растворы, объем осадка не увеличивается.
2. Составустановки: Фильтры напорные стальные, емкости,насосное оборудование, трубопроводы и запорная арматура.
Комбинированиеэлектрофлотации и ионного обмена.
Гальваническиепроизводства и производства печатных плат являются одними из наиболееводоемких; одновременно предприятия этих отраслей являются интенсивнейшимигенераторами загрязнения сточных вод, что обусловливает необходимость резкогосокращения промышленных сточных вод, поступающих в водные объекты. Припроектировании систем водообеспечения гальванических производств возникаютпроблемы оптимального подбора оборудования, технологии очистки воды, ее структуры,методов очистки.
Даннаясистема очистки сточных вод является классической для очистных сооруженийгальванических производств и производств печатных плат. Она включает в себянесколько стадий обработки промывных вод и отработанных концентрированных растворовэлектролитов. При наличии нескольких потоков сточных вод: кислотно-щелочные,хромсодержащие, циансодержащие, фторсодержащие – для обработки и обезвреживаниякаждого потока предусматривает отдельная первая стадия с усреднением сточнойводы и концентрата в накопительной емкости, соответствующей обработки вреакторе и последующем смешивании потоков в реакторе флокуляторе для дальнейшейглубокой очистки. Рассмотрим стадии очистки сточной воды более подробно:
· Усреднение промывных вод в накопительных емкостях ипропорциональное дозирование отработанных концентрированных растворов дляотсутствия залпового сброса и обработка флокулянтом (Суперфлок А-100) вреакторе для более эффективной очистки сточных вод;
· Высокоэффективная очистка сточной воды от тяжелых металлов,предварительно переведенных в фазу гидроксидов в электрофлотаторе с получениемпенного продукта относительно низкой влажности» 96%;
· Обезвоживание пенного продукта флотации (шлама) на рамном фильтрпрессе до» 70%. Обезвоженный шлам может использовать в качестве вторсырья встроительном производстве;
· Тонкая фильтрация воды на механическом фильтре 5–20 мкм дляочистки от остаточных взвешенных веществ и глубокая очистка воды от тяжелыхметаллов в растворенном (ионном) состоянии на сорбционных и / илиионообменных фильтрах до норм ПДК.
Эта системаочистки сточных вод является более высокотехнологичной благодаря применениютехнологии ультрафильтрации на керамических либо половолоконных мембранах. Ееглавными отличиями от классической схемы являются:
· Направленность на создание при следующем этапе модернизацииочистных сооружений замкнутого цикла оборотного водоснабжения;
· Более высокая степень надежности и автоматизации процессаводоочистки;
· Более высокие капитальные затраты на приобретение оборудования, носущественно более низкие эксплуатационные затраты благодаря отсутствиюнеобходимости ежегодной замены ионообменных смол, закупки реагентов для ихрегенерации, длительный (до 10 лет для керамических мембран и до 3 лет дляполых волокон) срок службы мембранных элементов в установке ультрафильтрации,что впоследствии приведет к значительной экономии финансовых средствпредприятия;
· Отсутствие возможности проскока остаточных концентраций тяжелыхметаллов при несвоевременной регенерации ионообменного оборудования, а такжепотребности в самих реагентах для регенерации и кондиционирования ионообменныхсмол, и, следовательно значительное снижение анионного состава очищенныхсточных вод.
Применениена очистных сооружениях установок ультрафильтрации является на сегодняшний деньоптимальным решением при реконструкции и строительстве новых систем очисткисточных вод Вашего промышленного предприятия.
Созданиезамкнутых систем очистки сточных вод предопределяет необходимость разработкинаучно обоснованных требований к качеству воды, используемой в технологическихпроцессах и операциях. Локальная очистка сточных вод во многих случаях дешевлеих полной очистки в соответствии с существующими требованиями, а созданиесистем оборотного водоснабжения промышленных предприятий, предусматривающихполное выделение всех компонентов из сточных вод, является важнейшей частьюбезотходного производства.
2. Специальнаячасть (технологическая)
2.1 Выбороборудования и технологической схемы очистки сточных вод
Электрофлотаторможет работать, как самостоятельно, так и в комбинации с другим оборудованием,например в качестве промежуточного звена (отстойник – фильтр) между грубой(реагентной) и тонкой очисткой (ультрафильтрация – обратный осмос).
/>
Схемаэлектрофлотатора: 1 – Камера флокуляции (грубой очистки), 2 – Патрубки дляподачи сточной воды, 3 – Патрубки для дренажа (технологического слива), 4 – Патрубокдля отвода шлама, 5 – Камера для сбора шлама, 6 – Пеносборное устройство, 7 – Уровеньводы в аппарате, 8 – Перегородки, 9 – Электродвигатель, 10 – Патрубок дляотвода очищенной воды, 11 – Гидрозатвор, 12 – Камера флотации (тонкой очистки),13 – Электродные блоки, 14 – Токоподводы. Потоки: I – Сточная вода, II – Очищеннаявода, III – Флотошлам
Электрофлотаторизготовляется в форме прямоугольной емкости из полипропилена, состоящей изнескольких камер с расположенными в них электродными блоками. Корпус аппаратаоборудован входными и выходными патрубками с фланцами для присоединения ктрубопроводам. В верхней части аппарата на раме монтируется автоматизированноепеносборное устройство расположенное выше уровня воды и состоящее изэлектродвигателя и транспортера с лопатками для сбора образующейся пены(шлама). Пеносборное устройство приводится в движение электродвигателем.
Процессэлектрофлотации проходит следующим образом: Сточная вода поступает черезпатрубки 2 в нижнюю часть камеры флокуляции (грубой очистки) 1, переливаетсячерез перегородку 8 в камеру флотации (тонкой очистки) 12 и через отверстие внижней части поступает в сборник очищенной воды 11, обеспечивающий контрольуровня в установке. После наполнения аппарата жидкостью включают источникпитания, и на электроды 13 подается ток. В результате протекания процессаэлектролиза воды на поверхности электродов идёт выделение газовых пузырьков,которые, поднимаясь вверх, взаимодействуют с дисперсными частицами загрязненийс образованием флотокомплексов «частица-пузырьки газа». Плотность образующихсяфлотокомплексов меньше плотности воды, что обеспечивает их подъём наповерхность сточной жидкости и образование пенного слоя (флотошлама),состоящего из газовых пузырьков, водных прослоек и дисперсных частицзагрязнений.
Очищеннаявода через патрубки 10 вытекает из аппарата. Пенный слой периодически удаляетсяс поверхности сточной воды пеносборным устройством в направлении против еетечения в камеру 5 с конусным днищем, располагаемую в торце аппарата со сторонывхода в него сточной воды. Удаление шлама происходит через патрубок 4.Выделяющиеся газы удаляются вытяжным зонтом, расположенным надэлектрофлотатором.
Модульконструктивно разделен на 2 части продольной перегородкой, разделяющей потокиводы и шлама в электрофлотаторе. Такая конструкция позволяет использоватьэлектрофлотатор для обработки, как двух различных стоков (при независимомподключении камер), так и одного общего стока (при параллельном подключениикамер). Слив жидкости из электрофлотатора осуществляется через дренажные штуцера3.
Интенсификацияпроцесса флотации осуществляется путем дополнительного применения реагентов – коагулянтови флокулянтов.
/>
Технологическаясхема очистки сточных вод2.2Описание технологической схемы
На Рис. 1.представлена технологическая схема очистки сточных вод гальванического цехамашиностроительного предприятия с последующим сбросом очищенной воды в системугородской канализации, либо возвратом для использования на технические нуждыпредприятия. Данная система очистки сточных вод рекомендуется для использованияпри проектировании новых очистных сооружений, либо реконструкции и модернизациидействующих станций водоочистки в целях повышения их экономическойэффективности и экологической безопасности.
Технологическаясхема очистки сточных вод: Е1, Е2, Е3 – накопительнаяёмкость; Н1, Н2 – насос; Д1, Д2, – ёмкость приготовления раствора реагента;НД1, НД2, НД3 – дозирующий насос; Р1 – реактор смешения; ЭФ –Электрофлотационный модуль; ИПТ – источник питания электрофлотационного модуля;ФП – фильтр пресс; КФ – кварцевый фильтр; ИФ – ионообменный фильтр.
Системаработает следующим образом: промывные и сточные воды гальваническогопроизводства подаются в накопительную емкость Е1. Из емкости Е1 стоки насосомН1 подается в реактор Р1. В реактор Р1 для предварительной обработки сточныхвод дозаторами НД2 и НД3 дозируются реагенты: раствор щелочи и флокулянта. Изреактора Р1 стоки поступают на электрофлотатор ЭФ, в котором по представленномуниже механизму осуществляется извлечение гидроксидов тяжелых металлов,нефтепродуктов и СПАВ. Из накопительной емкости Е2 в емкость Е1 дозатором НД1дозируются отработанные технологические растворы. Из электрофлотатора очищеннаявода поступает в сборную емкость Е3. Осветленная вода из сборной емкости Е3подается насосом Н2 на механический фильтр КФ, и далее на ионообменные фильтрыИФ, в которых методом ионного обмена происходит извлечение следовыхконцентраций ионов тяжелых металлов до региональных требований ПДК по сбросам.После очистки вода сбрасывается в канализацию, либо может быть частичновозвращена в технологический цикл на повторное использование для техническихнужд предприятия (в соответствии с ГОСТ 9.314–90 вода 2-й категории).
Шламподается для обезвоживания на фильтр-пресс ФП. Обезвоженный шлам влажностью неболее 70% утилизируется.
Основнымтехническим узлом системы очистки является электрофлотатор, включающий в себяблок нерастворимых электродов, систему сбора шлама, источник постоянного тока ивытяжной зонт. Работа аппарата основана на электрохимических процессахвыделения водорода и кислорода за счет электролиза воды и флотационногоэффекта. Установка работает, как в непрерывном, так и в периодическом режимах иобеспечивает извлечение взвешенных веществ, нефтепродуктов, ПАВ, ионов тяжелыхметаллов Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Cr3+,Al3+, Pb2+, Fe2+, Fe3+ Ca2+,Mg2+ и др. в виде гидроксидов и фосфатов.
2.3 Расчетматериального баланса
Исходные данные для проектирования:
Рассчитать локальную установку для очистки сточных водгальванического производства. Рассчитать электрофлотатор как основную ступень очистки.Расход сточных вод
1920 м3/сут Концентрация взвешенных веществ на входе 250 мг/л Концентрация взвешенных веществ на выходе 1,3 мг/л Концентрация тяжелых металлов на входе 98 мг/л Концентрация тяжелых металлов на выходе 0,6 мг/л
Расходсточных вод=1920 м3/сут= 80 м3/ч (1920/24 ч=80)
1) Масса взвешенныхвеществ в загрязнённой сточной воде:
Свзвешенных веществ =250 мг/л=0,25 г./л=250 г./м3
Gвзвешенных веществ =250*80=20000 г./ч
2) Массатяжелых металлов в загрязнённой сточной воде:
С тяжелыхметаллов =98 мг/л=0,098г/л=98г/м3
G тяжелыхметаллов =98*80=7840г/ч
3) Массавзвешенных веществ в очищенной сточной воде:
Свзвешенных веществ =1,3 мг/л=0,0013г/л=1,3 г/м3
Gвзвешенных веществ =1,3*80=104 г./ч
4) Массатяжелых металлов в очищенной сточной воде:
С тяжелыхметаллов =0,6 мг/л=0,0006г/л=0,6 г/м3
G тяжелыхметаллов =0,6*80=48 г./ч
5) Массаизвлечённых взвешенных веществ:
Gизвлечённых в. в.= 20000–104=19896 г./ч
6) Массаизвлечённых тяжёлых металлов:
Gизвлеч.тяж. Ме= 7840–48 =7792 г./ч
2.4 Расчетосновного оборудования
Расчетэлектрофлотатора.
Материальныепотоки в электрофлотаторе.
Исходныеданные:
I = 50 А – токоваянагрузка на аппарат;
tоэл=25ºС– температура электролита;
Вт=98%;
Расстояниемежду электродами 5 – 10 мм
Экспериментальныеданные по составу воды, поступающей в аппарат:
Na2SO4=2000мг/л, Скипидар=0,01 мг/л, Масло веретенное=5 мг/л, ПАВ «Брулин»=30 мг/л,K2Cr2O7 =0,02 мг/л
рН=8,5
Катодныереакции
H2O→H2+ ОН- – 2ē
Анодныереакции
2H2O→O2+4H++4ē
Определениерасхода воды при электрофлотации, GH2O
/>
где GH2Oкг/ч – количество воды, вступившее в электрохимическую реакцию на электроде;
Вт – выходпо току, доли единицы;
М = 18 – молекулярнаямасса воды;
26.8 – количествоэлектричества, равная 1 Р, А-ч;
n = 4, 2соответственно – количество электронов, участвующих в электрохимическойреакции.
G1H2O =0,0082 кг/ч – количество воды, вступившее в реакцию на аноде.
G2H2O =0,0165 кг/ч – количество воды, вступившее в реакцию на катоде.
GH2O =G1H2O + G2H2O
GH2O =0,0247 кг/ч
Определениеколичества образовавшихся газов
/>
где кг/ч –количество образовавшегося водорода,
МН2 = 2 – молекулярнаямасса водорода;
n = 2 – количествоэлектронов, участвующих в электрохимической реакции.
/> = 0,0019 кг/ч
/>
где />кг/ч– количество образовавшегося кислорода,
МO2 = 32 – молекулярнаямасса кислорода.
/>= 0,2195 кг/ч
Определениеколичества растворителя (воды), уносимого с газообразными продуктами
а)Определение количества растворителя, уносимого с водородом
/>
где t0эл =25 – температура электролита, °С;
22,4 л– объем одного г-моль газа при нормальных условиях;
р = 23,76 мм.рт. ст. = 23,76133 = 3167,2 Па = 31,672 – упругость водяного пара притемпературе электролита, гПа;
ρр =0,02304 – плотность паров растворителя при t0эл, г/л.
/> = 5,5246 10–4 кг/ч
б)Определение количества растворителя, уносимого с кислородом
/>
где /> – количествообразовавшегося кислорода, кг/ч.
/> = 2,7623 10–4 кг/ч
Такимобразом суммарный расход воды на электролиз:
/>
/> =0,0503 кг/ч
Заключение
Итак,гальваническое производство является одним из крупнейших потребителей воды, аего сточные воды – одними из самых токсичных и вредных.
Основнымвидом отходов в гальваническом производстве являются промывные воды смешанногосостава, содержащие несколько видов тяжелых металлов и других примесей. Очисткатаких стоков затруднена. При этом не удается выделить металлы из шлама сложногосостава, а если и удается, то возникают проблемы с дальнейшим использованием ипереработкой отходов. Для решения проблемы снижения количества тяжелых металловв сточных водах до ПДК необходимо использовать замкнутую систему водоснабженияс электрофлотационной очисткой, то есть промывные воды, подвергшиеся очистке отпримесей возвращать в технологический цикл, а извлеченные примеси – назахоронение или переработку.
Идействительно, в сравнении с другими методами очистки промышленных сточных вод преимущества использования электрофлотационных модулей очевидны:
· высокая эффективность извлечения дисперсных веществ (гидроксидов ифосфатов тяжелых металлов и кальция, нефтепродуктов, поверхностно-активных ивзвешенных веществ);
· высокая производительность (1м2 оборудования – 4 м3/чочищаемой воды);
· отсутствие вторичного загрязнения воды благодаря примениюнерастворимых электродов ОРТА;
· низкие затраты электроэнергии от 0,5 до 1 кВт·ч/м3;
· отсутствие заменяемых материалов (электродов, фильтров, сорбентови пр.);
· простота эксплуатации, автоматический режим работы не требуютежегодного ремонта и остановок;
· шлам менее влажный (94–96%), в 3–5 раз легче обезвоживается иможет быть использован при изготовлении строительных материалов и / илипигментов для красителей.
В проектерассмотрен электрофлотатор как основная ступень очистки, приведена еготехнологическая схема, её описание, рассчитан материальный баланс сточных вод.
Списоклитературы
1. Волоцков Ф.П. Очистка и использование сточных водгальванических производств. М.: Химия, 1983.
2. Бучило Э. Очистка сточных вод травильных и гальваническихотделений. М.: Энергия, 1977.
3. Костюк В.Н. Очистка сточных вод машиностроительныхпредприятий. Л.: Химия, 1990.
4. Алферова Л.А. Замкнутые системы водного хозяйствапромышленных предприятий, комплексов и районов. М.: Стройиздат, 1984.
5. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод. М.:Стройиздат, 1979.
6. Когановский А.М. Очистка и использование сточных вод впромышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983.
7. Классен В.И., Мокроусов В.А. Введение в теориюфлотации. М.: Металлургиздат, 1959. 580 с.
8. Глембоцкий В.А., Классен В.И. Флотация. М.: Недра,1973. 384 с.
9. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техниказащиты окружающей среды. М.: Химия, 1989. 512 с.
10. Яковлев С.В.,Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Водоотводящиесистемы промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1990. 511 с.
11. Пушкарев В.В.,Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих вод. М.:Металлургия, 1980. 200 с.
12. Проскуряков В.А.,Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л.:Химия, 1977. 464 с.
13. Справочникпо обогащению руд. Основные процессы. М.: Недра, 1983.