Интенсификация процесса очистки сточных вод в системах оборотного водоснабжения гальванических производств

Загрязнение природных водоемов недостаточно очищенными сточными водами наносит большой экологический ущерб, последствия которого нельзя недооценивать. В связи с этим особую актуальность приобретает рациональное использование водных ресурсов, создание безотходных производств и охрана окружающей среды.

Машиностроение расходует около 17% свежей воды, потребляемой всеми отраслями промышленности. На предприятих этой отрасли в наибольшей степени загрязняется вода, используемая в производстве гальванопокрытий и химической обработки металла. При относительно небольших объемах загрязненной воды в ней содержится большое количество сильно токсичных веществ, содержание которых в водоемах допустимо лишь в незначительной концентрации.

Очистке сточных вод процессов обработки металлов посвящено очень большое количество работ. Наиболее часто применяются на практике реагентные методы, которые в настоящее время уже не удовлетворяют возросшим требованиям к качеству очищенной воды как при сброее в городскую канализацию, так и в водоемы. Очистные сооружения, базирующиеся на использовании реагентных методов, имеют много существенных недостатков. Из них следует выделить в первую очередь значительные капиталовложения, громоздкость, длительный срок строительства.

Водооборот и обеспечение гальванического производства водой требуемого качества в настоящее время реально возможны только при использовании ионообменной технологии. Однако ограничения по исходному солесодержанию (не более 500 мг/л), дефицит смол и высокая себестоимость обессоленной воды существенно осложняют решение этой задачи.

Вышеизложенные трудности обеспечения очистки и водооборо-та обуславливают необходимость разработки и использования более прогрессивной технологии и высокопроизводительных аппаратов, основанных на интенсификации протекания физико-химических процессов. Внедрение этих технологий и аппаратов в практику очистки гальваностоков позволит решать эту проблему на более современном уровне. Данная работа посвящена решению отмеченных вопросов.

Автор выражает искреннюю благодарность к.т.н., доц. Акимову Л. И. за ценные консультации, полученные при написании данной работы.

Выводы по главе 4 I* На оснований проведенных исследований разработана конструкция аппарата с псевдоонашенным слоем применительно к мелкодисперсному железосодержащему отходу!

Ш Предложена методика технологического расчета аппарата с псевдоожиженным слоем применительно к существующим концентрациям гальванических стоков;

35 В производственных условиях проведены опытно-промышленные испытания аппарата с псевдоожиженным слоем-1.

41 Результаты испытаний подтвердили правильность принятых решений и методики технологического расчета*.

ПЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ЗАМКНУТОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ.

ПРОМЫВНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ, ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ И (ЩЕСШЮЩИХ СХЕМ (ЛИСТКИ ГАЛЬВАНОСГОКОВ.

Анализ развития водного хозяйства предприятий[129,130, показал, что даже при всемирном внедрении новых методов очистки в практику работы промышленных предприятий нельзя полностью предотвратить их вредное воздействие на окружающую среду вследствие содержания в очищенных стоках остаточных концентраций того или иного ингредиента. В связи с этим представляют интерес такие схемы очистки гальваностоков, в которых предусмотрена вторая ступень доочистки, которая позволяет максимально удалять из воды вредные примеси и возвращать очищенные воды в производство. Это ведет к максимальному сокращению объема загрязненных вод, сбрасываемых в окружающую среду.

5.1. Анализ существующих схем очистки промывных вод гальванических производств.

В процессах обработки металлов на машиностроительных предприятиях образуются промывные воды и отработанные растворы гальванического производства, как правило, не включенные в оборотную систему. На рис. 5.1. и 5.2. приведены существующие схемы очитски загрязненных вод гальванических производств Балтийского и Балаклавского судостроительных заводов.

На Балтийском судостроительном заводе (рис. 5.1.) промывные 3 воды гальваники разделяются на кислотно-щелочные (440 м /сут) и хромсодержащие стоки (204 м /сут). Первый вид стоков лишь усредняется, второй вид подкисляется 10%-ым раствором серной кислоты со средней дозой 0,8 г/л для’более полного протекания реакции восстановления Сч^ до Сч^* сульфатом натрия со сред $ 03 Н* ЬОъ.

1-усреднитель к/ш стоков- 2-усреднителъ хромстоков-3-реактор-восстановитель- 4-нейтрализатор- 5-бак щелочиб-верт. отстойник, 7-о садкоуплотнитель: 8-ваку утя-бшгътр, и.

1X1.

Ряс. 5.2. Пршшлшальмая схема очистных еосруженж! Балаклавского суд (c)-строительного завода,^{-усреднитель} к/щусреднитель хромстоков- 3-бак 4-галь-ваяокоагулятор|5~сборяик ©-брабо канализацию 1 тайное вода- 6-бякМЙ- 7-верт.отстойник} б-ооадкоушютштельЭ-вакууи-фшгьтр. ней дозой 2 г/л и нейтрализуется известковым молоком СаСОН)^ со средней дозой 2 г/л (в пересчете на известь). Затем кислотно-" щелочной и хромсодеркащий потоки направляются в нейтрализатор, где они совместно нейтрализуются до рН = 8,0.8,5, При этом образуются гидроксиды тяжелых металлов, таких как Ре3″, с/Мо2+, Сч3*,^, Си2+ и др. Необходимо отметить, что в том случае, если рН очищаемой воды при совместной нейтрализации не достигает значения 8,.8,5 (т.е. не создается условий для образования гидроксидов некоторых тяжелых металлов), в нее вводят раствор известкового молока, либо раствор едкого натра. Далее нейтрализованный сток направляется в вертикальный отстойник, где происходит осветление воды. Осветленная вода сбрасывается в городскую канализацию. Осадок из вертикального отстойника поступает в осадкоуплотнитель, после чего обрабатывается на вакуум-фильтрах. Обезвоженный отправляется для захоронения на полигон красный Вор" .

На очистных сооружениях гальваностоков Балаклавского судостроительного завода промывные воды первоначально так же разделяются на два потока (рис. 5.2.), После усреднителя хромсодер-жащего потока промывные воды направляются на барабанный гальванокоагулятор КВ-1 для восстановления шестивалентного хрома, в котором находится гальванопара железо-углерод. Кислотно-щелочной поток после усреднителя так же направляется на гальванокоагулятор с аналогичной загрузкой. Затем, после гальванокоагулятора хромсодержащий и кислотно-щелочной потоки смешиваются и общим потоком поступают на вторую ступень гальванокоагуляции, где установлен аппарат с гальванопарой алюминий-кокс. На этой ступени происходит повышение рН обрабатываемого раствора и одновременно ионы алюминия переходят в раствор, образуя гид роксид алюминия, который является хорошим адсорбентом.

За счет протекания процессов, при которых происходит повышение рН, отпадает необходимость применять раствор щелочи для корректировки значения рН обрабатываемого раствора. Тем не менее в этой схеме предусмотрена и реагентная корректировка р на тот случай, если в очищенном растворе находятся те ионы тякелых металлов, осаждение которых происходит при более высоких значениях рН (например кадмий) • Процесс осаждения ги-дроксидов осуществляется в полочном отстойнике, в результате чего очищенный сток по свомеу составу отвечает требованиям, предъявленным к сбросу в городскую канализацию. Осадок из полочных отстойников после осадкоуплотнителя поступает на узел обезвоживания, оборудованный центрифугой и далее направляется на свалку.

Приведенные схемы по своей сути являются типовыми [13э]и, как правило, наиболее часто встречаются на машиностроительных ч предприятиях не только Северо-Западного региона, но и на всей территории СНГ. Основным недостатком приведенных схем является отсутствие возврата очищенной воды в производство, что приводит к нерациональному использованию природных ресурсов.

Наиболее часто оборотные схемы водоснабжения гальванических производств реализуются за счет применения ионообменных катионитовых и анионитовых фильтров [132]. Однако эти схемы сложны и громоздки и требуют значительного увеличения обслуживающего персонала. Кроме того, широкому внедрению ионообменной технологии в оборотных схемах водоснабжения гальванических цехов мешает высокая стоимость ионообменных смол и их десрщит-ность. Поэтому эта технология не нашла широкого примэнения, несмотря на высокое качество очищенной воды.

В последнее время разработана достаточно много схем, предусматривающх возврат очищенной воды в производство с применением других технологий [31, 64, 71, 140, 141, 142, 143^ В этих работах для создания замкнутых схем рекомендуется применение мембранных технологий.

Применение этой технологии в оборотном водоснабжении связано с определенными трудностями, основными из которых являются следующие:

— недостаточно развитое промышленное производство мем-бранн, а отсюда и их дефицитность;

— высокая стоимость мембранн;

— небольшая пропускная способность мембран и малый межрегенерационный цикл.

Перечисленные недостатки ограничивают применение мембранной технологии в схемах оборотного водоснабжения гальванических производств. Кроме этого, основным препятствием к широкому внедрению мембранных технологий в оборотных схемах является существующее нерациональное водопотребление на большинстве гальванических производств. Это приводит к созданию громоздких узлов доочистки, что вщет к снижению эффективности их работы^132, 133, 134, ХЗб].

Бо^ее совершенными с точки зрения создания замкнутых систем являются безреагентные методы очистки гальваностоков, например электрохимический метод |144, 145, 14б], Однако основным недостатком этого метода является относительно большой удельный расход электрической энергии на процессы электролиза — 3+5 квт. ч/мЗ ^147^, Другой разновидностью безреагентного метода является метод гальванокоагуляции, однако существующие барабанные аппарата, как уже отмечалось ранее, имеют ряд недостатков (см. гл.1). Роль гальванокоагуляторов, всходя из результатов полупромышленных испытаний" могут выполнять аппараты с псевдоожиженным слоем, разработанные автором. Преимущества этих аппаратов по сравнению с барабанными гальванокоагуляторами очевидны. К ним относятся: уменьшение занимаемо! площади более чем в три раза (при той же производительности аппарата) — уменьшение капитальных затрат на изготовление оборудованияотсутствие вращающихся частей, что снижает уровень вибрации и шума в помещенииприменение в качестве загрузки отхода производства, который в настоящее время не утилизируется, а вывозится на свалку. Кроме вышеуказанных преимуществ аппарат имеет и конструктивные преимущества, о которых говорилось в главе 3.

5.2. Разработка замкнутой схемы очистки.

Замкнутая схема очистки разработана с учетом литературных данных, а также с учетом результатов исследований и промышленных испытаний, проведенных: автором.

Результаты исследований по обработки водных растворов, содержащих ферромагнитные частицы, с использованием аппарата магнитной обработки (AMO) проведены в [х4б]. Результаты исследований по сравнению эффективности отстаивания гидрооксидов тяжелых металлов приведены в [l49, 15о]. Результаты исследований по доочистке гальваностоков на ПГС-фильтрах приведены.

Предлагаемая схема очистки промывных вод гальванических производств с возвратом очищенной воды приведена на рис. 53.

Цромнвные води традиционно разделяются на два потока и поступают соответственно в усреднитель кислотно-щелочных стоков I и в сборник хромсодержапих стоков 2. Затем эти стоки промывных вод гальванических производств I.

•А.

N5 О.

Принципиальная схема очистки гальваностоков Iсборник хромсодержавдх стоков- 2- сборник. к/щ стоков^.

3- аппарат с псевдоожиженн вм сдоем-^{сборник} обработанного стока|.

5- аппарат магнитной обработкивертикальный отстойник^ 7- сборник очищенной воды;

8- ПГС фильтр" 9— сборник осадкаЮ- центрифуга? В — во-здух! насосаш подаются на первую ступень аппаратов с псевдоожижен-ным слоем 3. В одном из них (на хромсодержащей линии) процесс растворения железа протекает одновременно о процессом восстановления шестивалентного хрома. В другом аппарате протекает только реакция растворения железа. Далее эти стоки объединяются и подаются на вторую ступень обработки в аппарате с псевдо-ожиженным слоем. На этой стадии обработки в результате растворения железа происходит дальнейшее повышение значения рН за I счет восстановления еонов водорода до атомарного состояния (см.ур-е 1.24). При этом происходит образование гидрооксидов тяжелых металлов. Таким образом, вторая ступень выполняет роль нейтрализатора, что позволяет избежать введения щелочных реагентов. В том же случае, когда необходимо повысить значение рН до величины 8,5. 9,0 (например, для образования гидрооксидов кадмия), щелочь с помощью насоса-дозатора подается в линию после второй ступени очистки.

Затем, после второй ступени обработанная вода направляется в аппарат магнитной обработки. Магнитная обработка воды на очистных сооружениях гальваностоков еще не получила широкого развития, несмотря на простоту реализации устройств для магнитной обработки водно-дисперсионных систем в производственных условиях [е5з]. Анализ литературных историков ?153, 154, 15б] показывает, что имеются самые разнообразны©сведения о действии магнитных полей на структуру и свойства водно-дисперсионных систем. Несмотря на то, что теория данных явлений еще не разработана и нет даже единой общепризнанной гипотезы, которая в той или иной степени позволила бы объяснить наблвдаемые структурные изменения при магнитной обработке водно-дисперсионных систем, исследователи отмечают, что плотность осада при этом увеличивается Г [561.

Наиболышй эффект магнитная обработка воды достигает в том случае, когда в водном растворе находятся ферромагнитные частицы. Отмечалось |~I57*J, что омагаичивание суспензий, не содержащих ферромагнитных частиц, не приводит к увеличению скорости осаждения взвешенных частиц. В работах [l58, 15э} изучено влияние магнитного поля на скорость коагуляции частиц магнетита в водном растворе и установлено, что частицы ориентируются вдоль силовых линий поля. Это приводит к взаимодействию частиц на дальних расстояниях и возникновению коллоидных частиц. Это ведет к повышению эффективности работы отстойников в 1,5+2 раза [Х60]. Таким образом, опираясь на вышеуказанные литературные источники и учитывая тот факт, что в нашем случае образуется осадок, обладающий хорошими ферромагнитными свойствами, можно предложить, что магнитная обработка воды позволит интенсифицировать процесс отстаивания. Это в конечном счете приведет к увеличению качества очищенной воды.

После обработки очищаемой вода в AMO стоки поступают на узел осветления, оборудованный полочным отстойником 6. Использование тонкослойного отстаивания на очистных сооружениях гальванических производств позволяет сократить объемы их основного оборудования не менее, чем в 3 раза {l64, I65j. Применение тонкослойных отстойников на обогатительных фабриках цветной металлургии в Казахстане позволило обеспечить повышение производительности одного квадратного метра площади’в 10 раз и сократило капитальные вложения в 5+6 раз по сравнению с типовыми вертикальными отстойниками [l6e]. Анализ литературных источников позволяет рекомендовать применение технологии тонкослойного отстаивания в схеме очистных сооружений гальванических производств с целью снижения капитальных затрат на строительство очистных сооружений, а в случае юс реконструкции — уменьшение площадей, занимаемых оборудованием" После полочного отстойника вода поступает в бак очищенной воды, а образовавшийся осадок на узел обезвоживания осадка. В нашем случае эту роль выполняет центрифуга.

В типовых схемах вода из бака очищенной воды сбрасывается либо в канализацию, либо направляется на узел доочистки, Узел доочистки оборудуется, как правило, кварцевыми или намывными фильтрами [ Зо], либо мембранными фильтрами [ 38, 31]. Как показывает опыт эксплуатации очистных сооружений гальванических производств, кварцевые фильтры наиболее просты в эксплуатации и не прихотливы. Однако они довольно громоздки и не всегда обеспечивают получение воды требуемого качества. Намывные фильтры несмотря на свою привлекательность, требуют высококвалифицированного обслуживания. Кроме того, для ввода намывного фильтра в эксплуатацию требуется длительная подготовительная работа, что лишает очистные сооружения высокой маневренности. Мембранные фильтры, а так же фильтры, использующие технологию обратного осмоса обеспечивают необходимую степень очистки воды, участвующей в оборотном цикле. Однако большая дефицитность мембран и их высокая стоимость являются основными препятствиями на пути их всемерного внедрения.

В последние годы в институте Казмеханобр разработаны новые фильтрующие системы, получившие название ПГС-фильтров. По принципу действия и размерам пор эти фильтры можно отнести к системам ультрафильтрации. Они предназначены для разделения твердой и жидкой фазы агрессивных и нейтральных технологических растворов в процессе осветлительного фильтрования [151]. По сравнению с кварцевыми и мембранными фильтрами этот фильтр имеет следующие преимущества:

— до сравнению с кварцевыми фильтрами — при одинаковой производительности НГС-фильтр имеет меньше габаритные размерыувеличивается степень очистки обрабатываемой водыдая регенерация фильтра не требуется промывная вода, т.к. процесс регенерации осуществляется воздухомдля регенерации ПГС-фильтра требуется значительно меньше времени, чем для кварцевоготребуется меньше капитальных затрат на изготовление конструкции фильтра;

— по сравнению с мембранными фильтрами — ПГС-фильтр изготавливается из отходов горно-металлургического производства и, соответственно, имеет относительно небольшую стоимостьфильтрующий патрон имеет более высокие прочностные характеристики по сравнению с полупроницаемыми мембранами.

Кроме преимуществ этот фильтр имеет и недостатки. К ним относятся следующие:

— при фильтровании вода, содержащей незначительные количества ионов тяжелых металов требуется регенерация патронов Ю#-ым раствором серной кислоты (I раз в 2*3 мес.);

— при рабочем давлении очищаемой воды свыше 0,3 мПа наступает структурное изменение фильтрующих пор, что приводит патрон к выходу из строя.

Технические характеристики ПГС-фильтра приведены в табл.

Ха^стеристики ПГС-фильтров, приведенные в табл.5.1 свидетельствуют о том, что эти фильтры могут быть использованы для доотстки обезвреженных гальваностоков с целью возврата в производство. На этом основании в качестве узла доочистки выбраны ПГС-фильтры, на которые поступает вода из бака очищенной воды. После ПГС-фшътроз очищенная вода направляется в производство. По своему качеству эта вода может быть использована как дош приготовления растворов электролитов, так и.