47824

Экологические проблемы России. Источники загрязнений. Классификация загрязнений

Конспект

Экология и защита окружающей среды

Она влияет на атмосферу потребление кислорода выбросы газов влаги и твердых частиц гидросферу потребление воды создание искусственных водохранилищ сбросы загрязненных и нагретых вод жидких отходов и на литосферу потребление ископаемых топлив изменение ландшафта выбросы токсичных веществ. Загрязненные сточные воды в основном содержат минеральные вещества 90 от массы загрязняющих веществ взвешенные вещества 9 нефтепродукты 02. Основными водопользователями являются атомные электростанции АЭС их доля в водопотреблении...

Русский

2013-12-03

6.4 MB

5 чел.

Лекция №1. Экологические проблемы России. Источники загрязнений. Классификация загрязнений.

Экологические проблемы России.

Российская Федерация занимает территорию 17 млн. км.2

По индустриальным стандартам экологическая ситуация в РФ:

50% территории - классифицируется как территория, практически не подвергшаяся антропогенному воздействию. (Территория Сибири, Арктика)

15% РФ (проживает 2/з населения) - экологически неблагополучная территория (основная европейская часть, часть Урала, Новокузнецкого бассейна)

35% - территория, которая сохранила свою жизнеспособность (способность к самовосстановлению системы), необходимую для компенсации нарушений в экосистеме, вызванных антропогенным воздействием.

Рис. 1.1 Распределение отраслей промышленности по производимым ими выбросам загрязняющих веществ в атмосферный воздух

   

    

Рис.1.2 Доля отраслей в сбросе загрязненных сточных вод промышленностью.      

Энергетика — один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидросферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта, выбросы токсичных веществ).

Доля выделенных предприятий, сбрасывающих охлаждающую воду конденсаторов и маслоохладителей, в объеме сброса загрязненных сточных вод промышленностью  равна 16,1%.

Загрязненные сточные воды в основном содержат минеральные вещества (90% от массы загрязняющих веществ), взвешенные вещества (9%), нефтепродукты (0,2%).

Основными водопользователями являются атомные электростанции (АЭС), их доля в водопотреблении составляет около 80%, а экономия воды за счет оборотных систем водоснабжения достигает 86,8%.

Предприятиями отрасли осуществляется сброс сточных вод в поверхностные водоемы в объеме 7,4 млрд. м3, 96% этих вод составляют нормативно чистые, 3% – загрязненные и 1% – нормативно очищенные воды.

Рис. 1.3. Влияние ТЭС на окружающую среду:

1– котел; 2 – дымовая труба; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – подстанция; 6 – конденсатор; 7 – конденсатный насос; 8 – питательный насос; 9 – линия электропередачи; 10 – потребители электроэнергии.

Процессу производства электроэнергии на ТЭС сопутствует появление различных загрязняющих стоков, связанных с процессом водоподготовки. Большое количество воды используется ТЭС в различных теплообменных устройствах для конденсации отработавшего пара, водо-, масло-, газо- и воздухоохлаждения. Для этих целей вода забирается из какого-либо поверхностного источника и при прямоточной схеме после использования в указанных устройствах возвращается обратно в те же источники.

Рис. 1.4. Влияние АЭС на окружающую среду:

1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — подстанция; 6 — конденсатор; 7 — конденсатный насос; 8 — регенеративный водоподогреватель; 9 — питательный насос; 10,12 — циркуляционные насосы; 11 — градирня; 13 — линия электропередачи; 14 — потребители электроэнергии.

Атомные электростанции осуществляют значительно большие сбросы теплоты в водные бассейны, чем ТЭС, при одинаковых параметрах, что повышает интенсивность теплового загрязнения водоемов.

Основными радиоактивными отходами АЭС являются отработавшие твэлы, которые содержат уран и продукты деления, в основном плутоний, остающийся опасным в течение сотен лет. Они подлежат захоронению в специальных подземных камерах.

Химическая промышленность

Большинство органических полупродуктов и конечная продукция, применяемая или производимая в отраслях химической промышленности, изготавливается из ограниченного числа основных продуктов нефтехимии.

            Эта отрасль народного хозяйства, производящая различные виды химической

     продукции для всех отраслей промышленности, с/х, сферы потребления.

Основными выбросами химических предприятий являются газы, пары и пыль химических соединений.

       В зависимости от агрегатного состояния содержащихся в них примесей, выбросы химических предприятий подразделяются на классы:

  •  класс – газообразные и парообразные (SO2, СО, NOx, H2S, СS2, NH3, углеводороды и т.д.);

например:  шламы Новотроицкого завода хромовых соединений  и АО "Хромпик" Ежегодно эти предприятия вырабатывают 90 — 95 тыс. т шламов. К 1-му классу опасности также относятся отходы оксида ванадия (V).  Ртутьсодержащие отходы, которые образуются на предприятиях химической промышленности, также отнесены к 1-му классу опасности, составляют половину общего количества отходов, образующихся на предприятиях страны в целом.

  •  класс – жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей, растворы жидких металлов и их солей, органические соединения). Значительная часть отходов 2-го класса представлена, тыс. т: отработанными растворами соляной кислоты — 140, серной кислоты — 19,5 и кубовыми остатками — 17,5. До 30% отработанной серной кислоты не находит применения. Около 40% кубовых остатков хлорных производств подвергаются термическому уничтожению.
  •  класс – твердые (органические и неорганические пыли, сажа, смолистые вещества, свинец и его соединения и т.д.). Крупнотоннажными отходами 3-го класса являются дистиллированная жидкость предприятий по производству соды, нефтешламы, а также цинксодержащие отходы.
  •  класс – смешанные (различные комбинации классов). Отнесены отходы — лигнин, фосфогипс и галитовые отвалы. Лигнин образуется на предприятиях микробиологической промышленности. Фосфогипс в качестве вторичного продукта получают на заводах по производству минеральных удобрений. Галитовые отвалы образуются на предприятиях по производству калийных удобрений.

Таблица 1.1 Показатели удельных выбросов вредных веществ некоторых производств химической промышленности

Производство

Удельные выбросы, кг/ед. продукции

Слабая азотная кислота

N2O – 4,5 кг/т кислоты

NOx - 0,792 кг/т кислоты

Аммиак

NOx - 0,85 кг/т аммиака

СО – 0,47 кг/т аммиака

Этилен, пропилен

(данные по олефинам)

NOx - 0,2 кг/т этилена (пропилена)

СО – 0,6 кг/т этилена (пропилена)

СН4 – 1 кг/т этилена (пропилена)

Капролактам

NOx - 22 кг/т этилена (пропилена)

Лекция №2 (продолжение лекции №1).

Нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность

Основными загрязняющими веществами, выбрасываемы в воздух, являются углеводороды и летучие органические соединения, диоксид серы, оксид углерода и оксиды азота. Среди других проблем можно выделить образование большого кол-ва отходов производства (кислые гудроны, стоки синтетических жирных кислот, сернисто-щелочные стоки). Значительная масса загрязнений поступает в атмосферу при сжигании нефтяного газа в факелах.

Серьезный ущерб окружающей среде наносится разливами нефти и минерализованных сточных вод вследствие прорывов трубопроводов, вызванных различными причинами.

Основные водоемкие процессы на предприятии.

В производстве вода используется главным образом на охлаждение продукта и машин.

Система водоснабжения - оборотная с градирнями и с разделением по системам в зависимости от качества воды. Отработавшая загрязненная вода сначала очищается в нефтеотделителях, затем охлаждается также на градирнях.

I система водоснабжения обеспечивает водой установки, перерабатывающие тяжелые и легкие нефтепродукты, при этом вода может загрязняться случайно попадающими нефтепродуктами.

II система водоснабжения обеспечивает водой установки, в которых вода не должна загрязняться нефтепродуктами: ГФУ, цех сероочистки газа, производства водорода, катализаторную фабрику, сернокислый цех, цех синтетического этилового спирта, реагентное хозяйство, установка розлива парафина, производство инертного газа, компрессорные станции.

III система водоснабжения обеспечивает водой аппараты установок, воды которых загрязняются сероводородом и нефтепродуктами, - барометрические конденсаторы АВТ.

От различных систем оборотного водоснабжения получают воду установки АВТ, включая комбинированные с ЭЛОУ, каталитического крекинга, термического крекинга, установки  35/5, 35/6, гидроочистки дизтоплива, сернокислотного алкилирования, деасфальтизации, депарафинизации, производства парафина, карбамидной депарфинизации и производства сульфонола, гидроочистки бензина, контактного коксования, битумная и др.

IV система водоснабжения обеспечивает водой аппараты установок, воды которых загрязняются жирными кислотами и парафином,- цех СЖК.

Системы водоснабжения объединяют  в водоблоки.

Для приготовления раствора щелочи и работы некоторых установок, а также реагентному хозяйству и на пополнение систем оборотного водоснабжения подается свежая вода, используемая затем последовательно.

Требования к качеству свежей и оборотной воды.

Таблица 2.1

Показатели

Единица измерения

Свежая вода

Оборотная вода при возврате стоков первой системы канализации

Нефтепродукты

мг/л

-

25

Взвешенные вещества

мг/л

25

25

Взвешенные вещества в паводок

мг/л

100

-

Жесткость общая

мг-экв/л

5.8

20

Жесткость карбонатная

мг-экв/л

2.5

15

Сульфаты

мг/л

130

500

Хлориды

мг/л

50

300

Сухой остаток

мг/л

500

2000

рН

7-8.5

7-8.5

БПКполн

мгО2

10

25

Существующие нормы технологического режима очистки стоков.

Таблица. 2.2

Наименование

очистных

сооружений

Показатели состава сточных вод

Содержание загрязняющих веществ в сточных

водах, мг/дм³

До очистки, не более

После очистки, не более

I система

II система

I система

II система

Песколовки

Нефтепродукты

5000

8000

4000

6000

Механические  

примеси

200

400

160

320

Солесодержание

2000

6000

Нефтеловушки

Нефтепродукты

До 100

До 100

Механические  

примеси

До 130

До 160

Первичные

радиальные

отстойники

Нефтепродукты

70

70

Механические  

примеси

60

60

 Количество и состав сточных вод.

Канализация каждого завода осуществляется двумя основными системами производственных сточных вод. В первую систему сбрасываются производственные стоки, для которых требуется только механическая очистка, после чего они могут быть возвращены на пополнение I, III и IV систем. Во вторую систему канализации сбрасываются производственные стоки, которые подвергаются механической и биохимической обработке, после чего они содержат много солей и отводятся в водоем.

Общий объём стоков по 1 системе канализации – 1215433 м³, по 2 системе канализации – 323522 м³. Итого в канализацию поступает 1538955 м³. В схему канализации НПЗ следует включать сооружения:

-локальной очистки, входящие в состав в технологических установок (или отдельно стоящие).

-раздельной механическая и физико-химическая очистки для производственно- дождевых сточных вод 1 и 2 систем канализации.

-раздельной биологической очистки сточных вод 1 и 2 систем канализации.

-доочистки биологически очищенных сточных вод.

-обезвоживания уловленных нефтепродуктов с их утилизацией.

-сжигания нефти и шлама в печах различного типа.

Наиболее загрязненными являются сточные воды после первичной подготовки нефти.

Угольная промышленность

Загрязнителями среды являются: отходы, угольная пыль, шахтная вода, что ведет к угнетению и смерти живых организмов.

Отходы угольной промышленности используются в целях народного хозяйства. К материалам и изделиям из отходов углеобогащения, например, относятся: кирпич, цемент, аглоперит, газобетон, керамзит, материал для отсыпки дамб.

Машиностроительная промышленность

На машиностроительных предприятиях образуются твердые отходы (черные и цветные металлы, шлак, зола, горелая формовочная смесь, шламы и флюсы, абразивы, древесные отходы, пластмассы). Отходы гальванического производства, относящиеся к первому классу опасности, в основном, вывозятся на полигоны (Калужская область), часто для этого неприспособленные (Алтайский край, Курская область), или накапливаются на территории предприятий (Нижегородская область и Красноярский край).

Общие для всех видов машиностроения технологические процессы термообработки, гальванотехники, нанесения лакокрасочных покрытий и обработки пластмасс по-разному воздействуют на окружающую среду. Сточные воды этих производств содержат токсичные вещества, образующиеся из кислот, неорганических солей хрома, цинка, меди, никеля, других тяжелых металлов.

Таблица 2.3. Примерный качественный и количественный составы отработанных электролитов, направляемых на переработку:

Наименование отработанного  электролита

Примерный  состав

Гальванические электролиты  

    Никель

   Медь

   Цинк

   Кадмий

  Свинец

   Олово

  Сульфаты и хлориды

 Сульфаминовые комплексы на основе

сульфаминовой  кислоты( включая никель, мед)

До 100  г/л

До 100  г/л

Менее 100 г/л

Менее 100 г/л

Менее 100 г/л

Менее 100 г/л

До нескольких десятков грамм в литре

Гальванические электролиты  ,

содержащие  шестивалентный хром

Хром  ( +6)

Железо ( +3)

Медь (+2)

Хром(+3)

Серная кислота

До 100  г/л

До 15  г/л

До 5  г/л

До 5  г/л

До 2,5  г/л

Кислый электролит химического меднения

CuSO4 × 2 H2 O

 Cu

H2 SO4

Таблица 2.4. Примерные составы кислотных и щелочных аккумуляторных электролитов:

Аккумуляторный электролит

Состав

Концентрация

Щелочной

Плотность -  1250  кг/м3 

KOH 

Соединения лития

329,4 г/л

до нескольких грамм в л

Кислый

Плотность – до !270 кг/м3 

 

H2 SO4

До 30 мас.%

Транспортно-дорожный комплекс

Основные виды воздействия транспорта и обеспечивающей его функционирование инфраструктуры – это загрязнение атмосферного воздуха токсичными компонентами отработавших газов транспортных двигателей, выбросы в атмосферный воздух от стационарных источников, загрязнение водных объектов, образование производственных отходов и воздействие транспортного шума.

Отработавшие газы автомобильных двигателей содержат около 200 веществ, большинство из которых токсичны.

Основными причинами неблагоприятного воздействия автотранспорта на окружающую природную среду являются низкий технический уровень эксплуатируемого подвижного состава и отсутствие систем нейтрализации отработавших газов.

Сельское хозяйство

Значительный ущерб водным ресурсам (как поверхностным, так и подземным) наносят многочисленные склады минеральных и органических удобрений, ядохимикатов и пестицидов, а также горюче-смазочных материалов, на которых нарушаются регламенты их хранения и транспортировки. Для окружающей среды большую опасность представляют продукты сгорания топлива сельскохозяйственной техники, эксплуатационные и технологические разливы топливно-смазочных материалов и их склады котельные, устаревшее холодильное оборудование.

К опасному загрязнению окружающей среды приводят навозные и пометные стоки животноводческих комплексов и птицефабрик.

Оборонная промышленность и Вооруженные Силы

В оборонной промышленности основными источниками загрязнения окружающей среды являются промышленные котельные, испытательные станции авиационных и ракетных двигателей, литейные и гальванические производства, производство печатных плат, участки переработки пластмасс и окраски изделий, производства спецхимии.

В выбросах предприятий оборонного комплекса присутствуют оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, пыль, диоксид серы и специфические вещества.

Специалистами ОПЦ с использованием мобильной установки осуществляется обезвреживание циансодержащих отходов и отходов аммиака в местах их образования, что позволяет исключить транспортирование высокотоксичных отходов     по улицам г. Москвы. Обезвреживание отходов заключается в проведении химических реакций, при которых разрушаются высокотоксичные соединения и образуются инертные вещества. В реакционных  устройствах  происходит смешение реагента - гипохлорита натрия NaCl , расчетного количества воды и циансодержащих отходов. При смешении

указанных    веществ происходит окисление циан-ионов . Обезвреженный раствор из реактора поступает в емкость-сборник ,откуда передается на очистные сооружения гальванических производств заказчика или специализированных  организаций.

ЛЕКЦИЯ №3. Классификация природных и сточных вод.

    Классификация природных вод:

  •  Поверхностные (открытые водоемы, реки, озера). Солесодержание ≤ 2 г/л.
  •  Морская вода (многокомпонентный раствор полиэлектролитов). Солесодержание > 10 г/л.
  •  Атмосферные воды (осадки в виде дождя). Солесодержание ~ 100 мг/л.
  •  Подземные воды (артезианская вода). Солесодержание до 10 г/л.

В питьевой воде солесодержание до 1 г/л.

Рис. 3.1      Круговорот воды.

 

I – поток воды в виде осадков

II – поток воды за счет  транспирации

III – поток поверхностной воды

IV – поток подземной воды
V – поток испаряемой воды
VI – солевые залежи (NaCl, CaS и т.д.)
VII – разломы (трещины) в земной коре

Если за 100% взять поток I, впадающий в виде осадков, то остальные составляющие будут следующие:

V – прямое испарение ~ 30%

II – транспирация ~ 40% (влага, выделяющаяся с поверхности зеленых насаждений)
III – поверхностные воды ~ 20%
IV – подземные воды ~10%

Причины возникновения соленой воды в водоеме.

В глубине разлома при высоких температурах кристаллизационная (связанная) вода => в свободном состоянии и двигаясь снизу вверх насыщается солями.

Гидрологический срез.

Связанная вода – это ювинильная вода.

По РФ ежегодно потребляется 96 к пресной воды (солесодержание до

10 г/л).

 

Допускаемая величина при расчете лимитов расхода воды на предприятии не более 30%.

Основные проблемы питьевой воды.

  1.  Защита источников водоснабжения от загрязнения (соблюдение и сохранение СЗ вокруг водоемов – водохранилищ).

~ зона отчуждения больше нескольких 100 метров.

  1.  Повышение барьерной роли водоочистных сооружений при получении питьевой воды.

Потребность Москвы сократилась с 6,5 млн /сут до 3,5 млн /сут (40%).

ГОСТ питьевой воды – 2874-82

Основные стадии очистки.

  1.  Экономичное и рациональное природопользование.

Раздельная переработка сточных вод

В зависимости от происхождения и состава сточные воды подразделяют на хозяйственно-бытовые, промышленные и поверхностные. Хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды перерабатывают раздельно (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Упрощенная схема раздельной переработки сточных вод (А – точка отвода хозяйственно-бытовых сточных вод от канализационного коллектора к станциям восстановления).

Заслуживает внимания опыт работы Московского государственного унитарного предприятия «Промотходы» по раздельной переработке хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. На своих групповых очистных сооружениях они осуществляют совместную переработку поверхностных и промышленных (близких по составу к дождевой) сточных вод. Общая проектная мощность очистных сооружений составляет 97500 м3/сут.

Хозяйственно-бытовые сточные воды. Использование городских очищенных сточных вод в химической промышленности целесообразно при относительно невысоком уровне их загрязнений и значительных объёмах водопотребления (так, хозяйственно-бытовые сточные воды содержат лишь от 1 до 4 г/дм3 загрязнений, а водопотребление, например, предприятий азотной промышленности достигает 1200 м3/ч и более). Ниже приведены некоторые показатели хозяйственно-бытовых сточных вод:

Взвешенные вещества, г/дм3

Жёсткость, ммоль/дм3

Щёлочность, ммоль/дм3

Общее солесодержание, г/дм3

Содержание ионов, г/дм3  10 –3 :

NH41+

Cl 1–

NО31–

SO42–

PO43–

ПАВ

0,3 – 0,5

12,5 – 25,0

3,0 – 4,0

1,5 – 6,0

2 – 20

25 – 100

1 – 20

10 – 40

15 – 30

1,5 – 3

Хозяйственно-бытовые сточные воды характеризуются повышенным содержанием минеральных примесей (в основном солей натрия) и биогенных компонентов (нитритов, нитратов, фосфатов и аммонийного азота). Из-за сложного и разнообразного состава, содержания отдельных примесей в микроколичествах определение и идентификация их аналитическими методами сопряжены со значительными трудностями.

Ниже приведены основные органические вещества, содержащиеся в хозяйственно-бытовых сточных водах.

Органические вещества

Содержание органических

веществ, мас. %

Жиры по кислоте:

олеиновой

8,7

пальмитиновой

5,5

стеариновой

1,1

Мыла

стеарат натрия

18,7

жирные кислоты

4,8

Карбамид

37,9

Креатин

1,4

Кислоты

гиппуровая

1,4

аминокислоты

0,2

лимонная

0,6

связанные жирные

9,4

Фенол

0,2

Крахмал

9,2

Промышленные сточные воды. Они образуются в результате использования воды в технологических процессах и при промывке оборудования (химическая очистка теплообменного оборудования от накипи, регенерация ионообменных фильтров и т.д.). Промышленные сточные воды более минерализованы, чем хозяйственно-бытовые. Способность к самоочищению природных водоемов практически себя исчерпала, поэтому для разбавления таких сточных вод требуется значительное количество свежей воды.

Количество оставшихся загрязнений в очищенных сточных водах превышают нормативные показатели, установленные из условий водоотведения для водоемов рыбохозяйственного или хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (табл. 4.1).

Сточные воды химических предприятий представляют собой многокомпонентные, концентрированные растворы сильных электролитов с высоким содержанием твердой фазы и обладающие значительной коррозионной и накипеобразующей активностью. В табл. 3.1 приведён состав сточных вод Россошанского химического завода после их усреднения в шламонакопителях.

Таблица 3.1

Показатели

Вода

сточная

оборотная

охлаждающая

поливная

питательная

для котлов

(р = 1,5 мПа)

Питьевая

(ГОСТ 2874-82)

Взвешенные вещества, г/дм3

12

1,0

-

-

-

ХПК, мг О2/дм3

8

-

-

1,0

1,0

Общее солесодержание, г/дм3

11-15

1,5

-

1010 -3

-

Содержание ионов, г/дм3 103:

Са +2

480

100

180

-

180

Mg +2

7,2

-

100

-

50

Сl –1

6000

400

800

-

350

SO4-2

8000

2000

650

-

500

Азот, г/дм3 103

аммонийный

4

-

150

-

0,05

нитратный

14

-

-

-

-

рН

12

7-10

6,3-8,5

-

6,5-8,5

Сухой остаток, г/дм3 103

-

-

-

-

1000

Общая жесткость, ммоль/дм3

20

-

-

0,17

5

В шламонакопители (общим объёмом 380000 м3) поступают сточные воды после химической водоочистки. Основная доля в общем сбросе СВ приходится на стадию химической водоочистки (рис. 3.3).

Данные о распределении и объёмном расходе водных потоков (IXIV) на стадии химической водоочистки приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Параметры

Потоки

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

XIII

XIV

Объемный

расход, м3

1184

1190

5

3,4

7,6

16

18,7

22,3

41,0

9

-

-

6,6

1,0

Ca 2+, г/дм3

0,09

0,012

0,864

0,856

0,504

0,692

-

-

-

-

-

-

-

3,0

Mg2-, г/дм3

0,019

0,005

0,346

0,572

0,336

0,460

-

-

-

-

-

-

-

-

CO32-, г/дм3

-

0,018

-

-

-

-

-

0,072

0,002

-

-

-

-

-

OH1-, г/дм3

-

0,010

-

-

-

-

0,077

0,031

0,051

-

-

-

-

-

SiO2, г/дм3

0,005

0,002

-

-

-

-

-

0,027

0,00

-

-

-

-

-

Cl1-, г/дм3

0,036

0,054

-

-

3,02

1,44

0,684

0,734

0,713

-

-

-

-

102,0

SO42-, г/дм3

0,074

0,117

3,46

3,43

-

1,8

4,49

5,76

5,18

-

-

-

-

123,0

Na1+, г/дм3

0,035

0,095

-

-

9,67

0,46

2,69

3,35

3,05

-

-

-

-

86,0

HCO31-, г/дм3

0,153

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Общее солесодержание, г/дм3

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

0,05

-

Шлам, г/дм3

-

-

-

-

-

-

-

-

-

60

-

-

-

250

H2SO4, (мас.%)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

11,5

-

-

-

NaOH, (мас.%)

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

4,0

-

-

Объёмный расход подпитывающей минерализованной речной воды составляет 1200 м3/ч. Воду умягчают в осветлителе 1 (см. рис. 3.4), очищают от механических примесей в фильтре 2 и подают на химическое обессоливание в ионообменные установки 3, 5 и 6, где подготавливают воду для котлов-утилизаторов, производств азотной кислоты, аммиачной селитры, аммиака. На стадии химического обессоливания используют Н-катиониты типа КУ-2 (основа – сульфоуголь) и ОН-аниониты (основа – смолы АН–2Ф). Для регенерации Н-катионитов используют 8 – 10 (мас. %) раствор хлорида натрия, 1–1,5 (мас. %) раствор серной кислоты, а для регенерации ОН-анионитов – 4,0 (мас. %) раствор гидроксида натрия. Общий объёмный расход жестких стоков в шламонакопитель после регенерации составляет 16 м3/ч.

Рис. 3.4. Схема химической водоочистки: 1-осветлитель; 2-механический фильтр; 3, 5, 6-ионообменные установки; 4, 7-сборники жестких и мягких стоков; 8-шламонакопитель; 9-установка термического обезвреживания сточных вод. Обессоленная вода: а-на подпитку котлов-утилизаторов; б-на производство азотной кислоты и сложных удобрений; в-на производство аммиака. (Потоки – см. табл. 3.2)

Сточные воды из шламонакопителя направляют на установки термического обезвреживания. Полученный вторичный водный конденсат с общим  солесодержанием 0,05 г/дм3 и более используют на технологические нужды завода, а упаренный раствор возвращают в шламонакопитель. При этом  потери натриевых солей (сульфата натрия, хлорида натрия) и кальциевых (сульфата и карбоната кальция) достигают 8 тыс.т в год.

Поверхностные сточные воды. Эти воды (дождевая, тяжелая и поливочно-моечная) характеризуются высоким содержанием взвешенных веществ органического и неорганического происхождения, нефтепродуктов и бактериальных загрязнений. Ниже приведена характеристика городских поверхностных сточных вод:

Сточные

воды

Взвешенные вещества, г/дм3

Сухой остаток, г/дм3

БПК5,

мг О2/дм3

Нефтепродукты,  мг/дм3

Коли-титр

Дождевые

1,2-2,5

0,36-0,75

-

0,02-0,06

0,1-0,0001

Поливочно-моечные

0,7-3,0

0,21-0,9

60-160

0,01-10,0

-

Лекция №4  Источники образования сточных вод.

Пример производства экстракционной фосфорной кислоты (см. источники загрязнения).

Рис. 4.1 Функциональная схема (описывает основные стадии производства)

Характеристика сырья:

апатитовый концентрат получают из минерального сырья - апатита

серная кислота - концентрация 92-95%, получена контактным методом

Химическая схема

-совокупность химических реакций, лежащих в основе получения продуктов.

В экстракторе протекает гетерогенный процесс:

Ca5F (Р04)3 + H2S04 + 10Н2О - ЗНЗР04 + 5CaS04*2H20 + HF (4.1)

CaS04*2H20 -(темп.)— CaS04*l/2H20 + 1,5Н20 (4.2)

CaS04*2H20 -(темп.)— CaS04 + 2Н20 (4.3)

Реакции 2.2, 2.3 лежат в основе переработки твердых отходов

Рис. 4.2 Технологическая схема

-совокупность аппаратов, предназначенных для переработки сырья и получения продукта, причем аппараты (элементы схемы) соединены между собой определенным образом.

1 — экстрактор

2 - бункер с парообразным сырьем

3-ленточный дозатор

4-емкость с серной кислотой

- насос

6- фильтр

ГЦ - гидроциклон

Экстрактор (Pl) - газовые загрязнения, содержащие F - токсичное вещество, газообразное - 2 класс опасности, воздействие на верхние дыхательные пути, разрушение слизистой оболочки.

ИБС - общий принцип действия - абсорбция, поглощение газа жидкостью (абсорбент) Требования к абсорбенту - высокая поглощающая способность (объемы поглощаемого газа к объемам абсорбента » 1,0)

NНЗ - Н20 = 100:1 (хладогент)

-способность к регенерации

                                                                     Н20

NНЗ - Н20 = NH40H -темп.-

              NH3

-низкая стоимость

ФГ (Р2) - собирает после фильтра (смесь  твердого + жидкость)

-осадок

λ (относительная влажность) = 40%

 λ = mвлаги /mосадка * 100%

состав осадка = 40% НЗР04 60% ФГ (CaS04 * 2Н20)

НБС (утилизация осадка  стадия кондиционирования), химическая реакция 4.2, 4.3 с получением нового индивидуального товарного продукта, высоковяжущего материала

В процессе производства экстракционной фосфорной кислоты и фосфорных удобрений образуются условно чистые сточные воды и сточные воды (загрязненный сток) от промывки выпарных установок и фильтров, а также систем аварийных сбросов и смыва с производственной территории (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Сточные воды производства экстракционной фосфорной кислоты мощностью

110 тыс.т Р2О5 в год*/

Сток, отделение, аппарат

Место сброса

Количество стоков, м3/сут

Характеристика сброса

массовые концентрации фтора

допустимое количество сбрасываемых вредных веществ, кг/сут

Условно чистые сточные воды от поверхностного и барометрических конденсаторов, вакуум-насосов отделения фильтрации

В канализацию условно чистых стоков

18720

Не более 10 мг/л, Р2О5 не более 5 мг/л

Фтор не более 0,187 кг, Р2О5 не более 0,034 кг

Сточные воды (загрязненный сток) от промывки систем выпаривания, фильтрации, аварийных сбросов и смыва с производственной территории

На станцию нейтрализации

960

Не более 15 г/л, P2O5 не более 1 г/л

Фтор не более 14,4 кг, Р2О5 не более 0,36 кг

*/ Данные производства экстракционной фосфорной кислоты на АО «Воскресенские Минудобрения»

Кислые фторсодержащие сточные воды образуются в производстве экстракционной фосфорной кислоты:

  •  при санитарной абсорбции фторсодержащих газов. Охлаждение пульпы в вакуум-испарителе и выделении соединений фтора из водяных паров и газов в промывной башне, орошаемой циркулирующим горячим раствором H2SiF6, с последующей конденсацией паров воды в барометрическом конденсаторе, орошаемом водой. Условно чистые сточные воды после барометрических конденсаторов в количестве 45-55 м3/т*/ с содержанием фтора не более 10 мг/л и рН 6,5 сбрасывают и частично используют для промывки полотен вакуум-фильтра и греющих камер выпарных аппаратов (табл. 4.1);
  •  в пароэжекторных установках. Концентрирование фосфорной кислоты до содержания 50 – 55% P2O2 осуществляют методом выпаривания под вакуумом. Разрежение в выпарных аппаратах создают с помощью пароэжекционных установок, отработанный пар из которых направляют в конденсатор, орошаемый водой. Конденсаты соковых паров вакуум – выпарных установок имеют величину pH 1,3, содержат порядка 600-1000 мг/л фтора, 10-15 г/л фосфора и до 10 г/л оксидов кремния и их используют для промывки полотен вакуум – фильтра;
  •  после промывки греющих камер выпарных аппаратов. В процессе выпаривания кислоты на греющих поверхностях осаждаются примеси – сульфат кальция и другие малорастворимые соединения. После 90-100 ч безостановочной работы выпарные аппараты промывают под разрежением в течение 8-12 ч горячей подкисленной водой при повышенной скорости циркуляции. Сточные воды после промывки направляют на переработку на станцию нейтрализации кислых стоков.

Фосфатсодержащие сточные воды образуются:

  •  после промывки полотен вакуум – фильтра условно чистыми сточными водами. Воду после промывки полотен используют для промывки фосфогипса. Образовавшиеся сточные воды направляют на переработку на станцию нейтрализации;
  •  в барометрическом конденсаторе отделения фильтрации.

Ниже приведены показатели сточных вод, направляемых на переработку на станцию нейтрализации:

Взвешенные вещества, г/л                               5-6

Сухой остаток, г/л                                            12-16

Прокаленный остаток, г/л                                 7-10

Содержание ионов, г/л                                     

SO4                                                                                          3-4

F                                                                         0,7-1,0

Фосфаты                      5-7

Кремний                                                              2-4

pH                                                                      1,4-1,5

РЗ - сточные воды классификация (JTl, стр. 20-25)

-промышленные

-хозяйствено-бытовые

-поверхностно-ливневые

Промышленные сточные воды (CB)

Источник:

-промышленно технологическое оборудование

Состав:

-взвешенные вещества (нерастворимые примеси)           5-г./л -сухой остаток 12-16г./л

-содержание ионов (F= 0,7 - 1.0 г./л, фосфаты Р205 - 5-7 г./л)

Допустимые уровни воздействия (стр. 22)

ИБС анализ существующих методов снижения антропогенного воздействия, обоснование и выбор ИБС.

ЛЕКЦИЯ №5. Нормативы качества окружающей среды. Оценка экономического ущерба от загрязнения водного бассейна и эффективность  природоохранных предприятий.

  После того, как проанализированы основные источники загрязнения окружающей среды (ОС), проводится оценка уровня их воздействия на ОС. Эта оценка согласовывается с нормативами качества ОС.

Нормирование качества ОС.

  Под нормированием качества ОС понимают установление пределов, в интервале изменения которых допускается вариация естественных свойств ОС. При этом возникает необходимость создания системы управления качеством ОС, которое предполагает следующее:

1. Установление нормативов содержания загрязняющих веществ (либо другой поражающий фактор, т.е. температура, шум и т.д.) в ОС.

2.  Регламентация поступления загрязняющих веществ (других поражающих факторов) в ОС.

3.  Прогнозирование переноса и рассеивания загрязняющих веществ (или других поражающих факторов) в ОС.

4.   Соблюдение технологического регламента работы оборудования.

5.  Контроль за содержанием загрязняющих веществ (поражающих факторов – ПФ) в ОС, сырье, топливе, продуктах питания (экологический мониторинг).

Определение нормативов воздействия:

  Основой системы экологического нормирования является экологический норматив – это степень максимально допустимого вмешательства человека в экосистему, которая все еще может обеспечить сохранение жизнеспособности и ассимиляционного потенциала экосистемы (это понимают как способность экосистемы к самовосстановлению).

                                                                   kat 

                                                   Н2О+CO2→Б+О2              (5.1)

 ħV

   Реакция фотосинтеза как пример, иллюстрирующий способность экосистемы к самовосстановлению.  Под нормированием качества ОС понимают установление пределов уровня загрязняющих веществ (ЗВ) в пределах изменения которого экосистема остается еще способной к самовосстановлению.

Основные подходы к определению нормативов качества ОС:

1.Экоцентрический - предполагает приоритетность природных экосистем над человеком. При соблюдении таких экономических норм, человек заведомо будет находиться в зоне безопасных уровней воздействия.

2.Антропоцентрический - основывается на требованиях человека к качеству среды обитания.

Пример (5.1): Определить, используя табличные данные, требования к условиям водоотведения сточных вод, загрязнённых нефтепродуктами НП.

Водоотведение до очищенный сток (СВ) из позиции 4(дополнительные очистные сооружения).Если содержание нефтепродуктов (НП:С=0,1мг/л).

Таблица 5.1. Водопользование.

Показатель

ПДК водоёмов,мг/л.

Хоз.-пит. и культ.-быт пользования

ПДК водоёмов,мг/л.

Рыбо.-хоз. назначения

Относительная опасность сброса вещества в водоёмы (Aj),усл.т/т

нефтепродукты

0,3

0,05

20

Под условиями водоотведения понимают дальнейшее использование очищенной (сточной воды) или место сброса водного очищенного потока. Под дальнейшим использованием понимают (например) возврат до очищенной воды в производство.

Что понимается под «сбросом» очищенной сточной воды?

Водоёмы можно подразделить (используя два подхода к определению нормативов качества) на:

     А)Хозяйственно – питьевого и культурно – бытового пользования. При назначении  нормативов для (случая 1) используют антропоцентрический подход. Здесь норматив – ПДК. Спдк=0,3 мг/л.

    Б)Рыбо-хозяйственного назначения. При назначении нормативов для (случая 2) используют экоцентрический  подход. Спдк=0,05 мг/л.

Таблица 5.2 Нормативные показатели, установленные из условий водоотведения для водоемов рыбо-хозяйственного или хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения:

         

         Показатели

ПДК для водоемов, мг/л

Относительная опасность сброса вещества в водоемы Aj,

усл. т/т

Хозяйственно-питьевого и культурно-бытового пользования

Рыбо-хозяйственного назначения

Взвешенные вещества

0,25/0,75*

0,25/0,95**

4/1,33**

Минеральный состав (сухой остаток)

1000

────

0,001

Растворенный кислород

4

6/4**

0,17/0,25**

Биохим. потребность кислорода

3/6*

3

0,33

Аммиак (по азоту)

2

0,05

20

Барий

0,1

0,001

10

Железо

0,5

0,5/0,05***

2/20***

Калий

────

50

0,02

Калий двухромовокислый

────

────

20

Кальций

────

────

0,0055/1,64***

Кремний

10

0,05

20

Магний

────

40/0,94***

0,025/1,06***

Медный купорос

0,001

0,004

250

Медь

1

0,001/0,005***

1000/200***

Карбамид

0,5

────

2

Мышьяк

0,05

0,05/0,01***

20/100***

Натрий

────

120

0,008

Никель

0,1

0,01

100

Нефтепродукты

0,3

0,05

20/20***

Нитраты (по азоту)

10

9,1

0,11

Нитриты

1

────

1

Полиакриламид

2

────

0,5

Ртуть

0,0005

0,002/0,001***

500/1000***

Свинец

0,03

0,1/1,001***

10/100***

Сероуглерод

1

1

1

Синтетические ПАВ

────

0,5

2

Сульфаты

500

100

0,01

Сурьма

0,05

────

20

Тиомочевина

0,03

1

1

Фенол

0,001

0,001

1000

Фосфор

────

0,1

10

Фтор

1,5

0,05

20

Хлор активный

отсутствие

отсутствие

50000

Хлориды

350

300

0,003

Хром шестивалентный

0,1

0,001/0,001***

1000/100***

Цианиды

0,1

0,05

20

Цинк

1

0,01/0,05***

100/20***

Четыреххлористый углерод

0,3

────

3,33

*В числителе – для водоемов, используемых для хозяйственно – питьевого водоснабжения, в знаменателе – для купания, спорта, отдыха.

**В числителе – для водоемов, используемых для воспроизводства рыб ценных пород, в знаменателе – для других рыбо-хозяйственных целей.

***В знаменателе – для морских водоемов.

Примечание. В числителе Aj рассчитаны по временной типовой методике, а в знаменателе – по временной отраслевой методике определения экономической эффективности природоохранных мероприятий и оценки экономического ущерба в результате загрязнения окружающей среды.

Оценка экономического ущерба от загрязнения водного бассейна и эффективность  природоохранных предприятий.

Под экономической оценкой ущерба от загрязнения окружающей среды понимают денежную оценку отрицательных воздействий загрязнения и других нарушений окружающей среды.

В общем случае экономический ущерб:

                                    (5.2)

Где:

к и i – число и номер компонентов природной среды

– денежное выражение единицы натурального ущерба

– общий натуральный ущерб

– затраты (строительные) на компенсацию отрицательных последствий антропологического воздействия

Пример.

Оценка экономического ущерба загрязнения водного бассейна.

В уравнении (5.2) можно выделить две составляющие:

I – связана (в денежном выражении) с ущербом, наносимым окружающей среде.

II – связана (в денежном выражении) с затратами на компенсацию последствий.

В общем виде (пример):

I – сокращение ценных пород рыб и к

II – сколько потребуется средств, чтобы восстановить рыбную популяцию.

Предотвращение экономического ущерба.

- это разработка специальных ИБС

С экономической точки зрения должно выполняться:

  1.  Окупаемость:

- затраты на ИБС (капитальные + текущие)

Пример.

= γ * * м       (руб/год)                                              (5.3)

γ – величина удельного ущерба от годовых сбросов (см. постановление РФ №632 от 28.02)

– безразмерная const, которая определяет сравнительную опасность загрязнения водных ресурсов по различным водохозяйственным участкам.

– сравнительная опасность

=1,6

Вопрос: сравнить относительную величину  для водохозяйственных участков в зоне F1 с зоной  F3

«

М – приведенная масса годового сброса загрязняющих веществ данным источником.

М=    (усл.т/год)                      (5.4)

Где:

– общая масса годового сброса j-вещества (т/год)

q – общее число загрязняющих веществ в потоке (СВ)

При различной концентрации загрязняющих веществ в СВ из i-источника масса годового сброса:

                                                         (5.5)

– концентрация загрязнения j-вещества в СВ

=

vобъем расход СВ

– показатель относительной опасности загрязняющего вещества

                                                         (5.6)

ЛЕКЦИЯ №6. Схемы водопользования на промышленных предприятиях.

Принципиальная схема водного хозяйства включает в себя основные циклы: термического для охлаждения; экстрагенного для промывки, растворения, выщелачивания и т.д.; транспортного для гидравлического транспортирования веществ, материалов и удаления отходов.

Свежую природную воду предусмотрено применять только для подпитки замкнутых систем (при недостатке очищенных сточных вод для восполнения потерь воды), питьевых и хозяйственно-бытовых нужд, технологических процессов, в которых (например, в качестве химических реагентов) нельзя использовать очищенные сточные воды.

Физико-химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений исключают возможность создания замкнутых систем водопользования универсальной структуры. Создание этих систем на предприятиях зависит от особенностей технологии, технической оснащенности, требований к качеству получаемой продукции, используемой воды и т.д.

Свойства воды, принимаемые во внимание на производстве:

1. Вода – теплоноситель.  К преимуществам воды как теплоносителя следует отнести ее высокую плотность (0,9982 г/см³), удельную теплоемкость (4,2 кДж/(кг*К)), сравнительно низкую вязкость (динамическая вязкость 0,00101 Па•с (при 20 °C) и кинематическая вязкость 0,01012 см²/с (при 20 °C)), высокие значения коэффициента теплоотдачи, не токсичность, дешевизну и доступность, возможность регулирования температуры в широких пределах. Подогрев воды осуществляется в специальных водогрейных котлах, в нагревательных установках, ТЭЦ и котельных. Горячую воду, как правило, транспортируют по трубопроводам на расстояния до 20 км. При этом снижение температуры воды в хорошо теплоизолированном трубопроводе не превышает 1°С на 1 км.

2. Вода – растворитель. Является хорошим сильнополярным растворителем (относительная диэлектрическая проницаемость 81). Поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Также вода является хорошим растворителем полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоцииируют в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (-OH). Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества (гидратная оболочка).

3. Вода – химический реагент. Вода участвует во множестве химических реакций в качестве растворителя. Вода является продуктом многих неорганических и органических химический реакций. Например, она образуется при нейтрализации кислот и оснований. В органической химии многие реакции конденсации сопровождаются отщеплением (элиминированием) молекул воды. Существует четыре типа важнейших химических реакций, в которых вода участвует в качестве реагента: -- окисление и восстановление. Вода обладает способностью выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя. Она окисляет металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений выше олова. Вода действует как окислитель в процессах коррозии. Например абсорбция диоксида азота: 2NO2+H2OHNO3+HNO2;                                                    - кислотно-основные реакции. Вода обладает амфотерными свойствами. Это означает, что она может выступать как в роли кислоты, так и в роли основания. Ее амфотерные свойства обусловлены способностью воды к самоионизации:                                2Н2О(ж.) = Н3О+(водн.) + ОН-(водн.). Это позволяет воде быть, с одной стороны, акцептором протона: НСl + Н2О = Н3О+ + Сl , а с другой стороны -донором протона:

NH3 + Н2О = NH4 + ОН-;                                                                                               

- гидратация. Молекулы воды способны сольватировать как катионы, так и анионы. Этот процесс называется гидратацией. Гидратная вода в кристаллах солей называется кристаллизационной водой. Молекулы воды обычно связаны с сольватируемым ими катионом координационными связями;   алюминий  вода, образование на его поверхности гидратной оболочки,      

CaS04*l/2H20 + 1,5Н20— CaS04*2H20 -(темп.)

CaS04 + 2Н20— CaS04*2H20 -(темп.)

- гидролиз представляет собой реакцию какого-либо иона или молекулы с водой. Примером реакций этого типа может быть реакция между хлоридом фтора (V) и водой с образованием соляной кислоты PCl5 + H2O → POCl3 + 2HCl↑ .

Благодаря тому, что в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы, она проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту. Для химических реакций используется вода очень высокого качества (химически чистая).

4.Вода – транспортирующий агент. Можно перемещать только те материалы, которые с ней не взаимодействуют (см. свойства вязкости). Преимущество использования воды как носителя - высокая скорость транспортирования больших масс материалов. Основные недостатки - относительно большой расход воды, необходимость сложных устройств для отделения сыпучего материала от воды. Применяют главным образом для перемещения больших количеств тяжелых материалов (напр., песка) в строительстве.

При разработке химико-технологических процессов для комплексной переработки многокомпонентных жидких систем необходимо использовать следующие принципы:

  •  при создании замкнутых систем водопользования безотходное производство ориентируют на максимальное извлечение из сырья основных продуктов;
  •  для утилизации отходы из технологических процессов выводят преимущественно в безводной твердой форме или в виде высококонцентрированных растворов.

Объединение водоподготовки с локальной очисткой, а также использование очищенных промышленно-ливневых сточных вод в системе оборотного водоснабжения позволяет создать замкнутые системы водопользования.

Схема водопользования на химическом предприятии:

1-химическая водоочистка; 2-технологические установки;

3-основные очистные сооружения;

4-дополнительные очистные сооружения;

5-локальные очистные сооружения;

6-узел оборотного водоохлаждения.

При переводе промышленных предприятий на использование доочищенных сточных вод возникает потребность в разработке ресурсо- и энергосберегающих технологий схем очистки. При этом наиболее актуальной является задача переработки сточных вод непосредственно на промышленных предприятиях.

Совершенствовать схему водопользования можно путем повышения эффективности как основного технологического процесса, так и инфраструктуры, т.е. систем химической водоочистки, оборотного водоохлаждения и очистки сточных вод. Проведенные технико-экономические исследования и анализ затрат на реконструкцию и модернизацию оборудования показали, что при совершенствовании технологического процесса затраты значительно меньше, чем затраты, связанные с совершенствованием инфраструктуры.

Локальная очистка сточных вод для их повторного использования дешевле их полной очистки. Создание замкнутых систем, предусматривающих полное выделение всех компонентов из сточных вод – важнейшая составная часть безотходного производства. Однако идеальную модель его нельзя реализовать на существующем технологическом оборудовании. Сравнительно низкая эффективность способов переработки обусловлена их малой функционально- организационной гибкостью, т.е. невозможна быстрая перестройка технологического оборудования и переналадка режимов работы при изменении состава сырья и ассортимента выпускаемой продукции. Применяемое оборудование для очистки воды предназначено, как правило, для использования природной и близких к ней по составу сточных вод.

ЛЕКЦИЯ№7 (продолжение лекции №6).

При разработке замкнутых систем водопользования с гибкой перенастраиваемой структурой большое внимание уделяется выбору:

  •  технологического оборудования и оснастки, которые можно использовать при оперативной модернизации технологий переработки многокомпонентных жидких и газовых смесей и их транспортировки, а также высокоэффективного тепло- и массообменного оборудования, работающего в системах очистки сточных вод и водоподготовки в условиях образования твердой фазы (накипеобразование, солеотложение, биообрастание, коксование, полимеризация и т.д.);
  •  оригинальных процессов переработки промышленных сточных вод и шлама с получением индивидуальных товарных продуктов;
  •  оборудования, используемого в системе оборотного водоохлаждения, позволяющего снизить унос капельной влаги и обеспечить токсикологические и эпидемиологические нормы загрязнения воздушного бассейна и почвы;
  •  очистных сооружений для промышленных ливневых стоков с высоким содержанием взвешенных веществ, нефтепродуктов, органических веществ с примесями биогенных элементов для возврата в технологический цикл;
  •  высокоэффективных технологий глубокого обессоливания с комплексной переработкой регенерационных стоков на стадии химической водоподготовки.

При разработке замкнутых гибких систем водопользования большая роль принадлежит универсальным водоперерабатывающим модулям. При эксплуатации модулей образуются отложения твердой фазы на поверхностях теплообменных и массообменных устройств. Для удаления из воды таких гетерофазных примесей, как взвешенные вещества (от высокодисперсных взвесей с размером 10–5 м до крупных твердых частиц с размером 10–3 м) можно использовать следующие процессы:

  •  разделение в поле гравитационных или центробежных сил, а также фильтрование через пористый материал или мелкие сетки;
  •  адгезию на высокодисперсных и зернистых материалах, а также гидроксидах алюминия или железа, глинистых минералах;
  •  агрегацию флокулянтами.

Очистные сооружения для осуществления перечисленных процессов состоят из следующих типовых элементов: усреднителя, узла механической очистки (решетки, песколовки и т.д.), смесителя с химическими реагентами, отстойника, фильтра.

Снижение эффективности работы перечисленного оборудования обусловлено следующими причинами:

  •  несовершенством системы гидравлического удаления осадка из песколовок, что приводит к взмучиванию осадка и загрязнению очищенной воды;
  •  значительным перерасходом химических реагентов на стадии смешения с очищаемым потоком из-за несовершенства узла смешения;
  •  невозможностью гибкой перестройки крупномасштабных стационарных отстойников с жесткой структурой;
  •  значительными расходами промывной воды и энергии на стадии регенерации фильтров с неподвижным слоем фильтрующего материала.

Для комплексной переработки многокомпонентных систем наиболее актуальна проблема обезвоживания и обезвреживания осадков.

Для выделения микрогетерофазных примесей, содержащих гидрофильные и гидрофобные коллоидные системы, а также высокомолекулярные вещества и детергенты с частицами размером 10–5 – 10–8 м, изменяющие агрегативные свойства, эффективны следующие процессы:

  •  окисление органических коллоидных веществ и высокомолекулярных соединений;
  •  адгезия и адсорбция на гидроксидах алюминия и железа;
  •  агрегация флокулянтами.

Для удаления молекулярно растворенных веществ с частицами размером 10–8 – 10–9 м рационально использовать такие процессы, как деcopбция летучих соединений, окисление органических веществ, адсорбция на активном угле и других сорбентах, экстракция органическими растворителями, утилизация загрязняющих веществ с микроорганизмами.

Перечисленные выше способы удаления примесей достаточно специфичны. Например, при расчете абсорбционно-десорбционного узла необходимо знать растворимость примеси, которую не всегда удается определить экспериментальным путем. В результате биологической очистки образуется большое количество избыточного активного ила. Совершенствование процесса утилизации активного ила связано с особенностями его обезвоживания и обезвреживания.

Для выделения диссоциирующих в воде электролитов с частицами менее 10–9 м используют:

  •  нейтрализацию, комплексообразование для перевода загрязняющих веществ в малодиссоциированные или малорастворимые соединения;
  •  фиксацию на твердой фазе ионитов (H-Na-катионирование, ОН-анионирование) с целью глубоко обессоливания;
  •  сепарацию при изменении фазового состояния воды с переходом ее в газообразное состояние (дистилляция) или в твердую фазу (вымораживание, гидратообразование);
  •  перераспределение ионов в жидкой фазе (экстракция, обратный осмос) и т.д.

Лекция №8.  Основные показатели качества воды.

Табл.8.1 Основные показатели качества воды.

Наименование показателя

Величина

Фактическое значение

Нормативное значение

Вода на очистку

Вода после очистки

Культурно-бытовое назначение

Рыбо-хозяйственное назначение

EИ

  1.  Взвешенные вещества (мг/л)

1

2

3

4

5

175

10

0,75

0,25

35

  1.  Цветность СВ (мг/л)

В обычный период 10-15

В период дождей 60-70

  1.  Растворенные соли  (мг/л)

3000

3000

1000

  1.  Жесткость (моль/л)

7,0

Различают физические и химические показатели качества воды.

Физические:

  •  Взвешенные вещества – частицы минерального и органического происхождения, имеющие бОльшие размеры, чем коллоидные частицы, и находящиеся в воде во взвешенном состоянии.
  •  Мутность -  показатель, характеризующий уменьшение прозрачности воды в связи с наличием тонкодисперсных взвешенных частиц. Мутность воды измеряется содержанием взвешенных веществ в единице объема смеси воды и этих веществ, выраженным в весовых единицах или в единицах объема. Обычно мутность воды возрастает в водоемах по мере приближения к берегу, а в водотоках - от поверхности ко дну.
  •  Цветность - показатель, характеризующий интенсивность окраски воды. Цветность воды выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытываемой воды с эталоном.
  •  Температура - величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы.

Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры.

  •  Электропроводность - способность вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток.

Химические:

  •  Растворенные примеси  - примесь, частицы которой находятся в состоянии молекулярной или ионной дисперсности и которая составляет с водой гомогенную систему.
  •  Жесткость - содержание в воде растворенных солей щелочноземельных металлов. Жесткость воды проявляется в образовании накипи, плохом растворении мыла, непригодности воды для технологических целей и т.п. В РФ жесткость воды измеряется суммой миллиграмм-эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды.
  •  ХПК - показатель, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода, называется химическим потреблением кислорода .

Органолептические показатели:

  •  Вкус - ощущение, возникающее при действии некоторого вещества на рецепторы, расположенные главным образом на поверхности языка, а также в слизистой оболочке ротовой полости.
  •  Запах - ощущение, обусловленное действием летучих пахучих веществ на рецепторы слизистой оболочки носовой полости. Обычно запахи классифицируют по пахучим веществам, вызывающим качественно разные субъективные впечатления.

Биологический показатель:

  •  БПК - показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ, называется биохимическим потреблением кислорода.

Лекция №9. Переработка сточных вод в замкнутых системах водопользования.

Полная схема очистки сточных вод включает в себя основные стадии: механическую, биологическую очистку и доочистку сточных вод с использованием специальных физико-химических методов. Если вода с очистных сооружений поступает непосредственно в системы водоснабжения промышленных предприятий, доочистка должна обеспечивать состав воды, исключающий процессы солеотложения, биообрастания и коррозии, а так же не оказывать отрицательного влияния на качество получаемого продукта. В качестве примера на рис. 9.1 показана схема повторного использования дочищенных сточных вод и получения побочных товарных продуктов на предприятиях азотной промышленности.

Рис. 9.1 схема переработки и повторного использования дочищенных сточных вод:

1 – смеситель;

2 – отстойник;

3 – механический фильтр;

4 – аэротенк;

5 – отстойник;

6- установка мгновенного испарения;

7 – ионообменные фильтры;

8-шламонакопитель

9 – смеситель;

10 – кристаллизатор – отстойник;

11 – установка термической переработки сточных вод.

Стадия механической очистки.

В результате механической очистки из сточных вод удается извлечь 90% и более взвешенных веществ, до 15% органических загрязнений.

Эффективность механической очистки зависит от типа очистных устройств (табл. 9.1).

В горизонтальных отстойниках (рис. 9.2) управлять процессом осаждения проще, чем в других отстойниках (например, в радиальных).

При переработке сточных вод, содержащих большое количество мелких взвешенных частиц, для агрегирования мелких частиц и их роста в камере хлопьеобразования, а также для увеличения скорости осаждения в исходную воду добавляют коагулянт. При прочих равных условиях гравиметрическая крупность осадка, накапливаемого в зоне уплотнения, зависит от дозы коагулянта и интенсивности его перемешивания с исходной водой. При этом в процессе гидроудаления мелких взвешенных частиц происходит взмучивание осадка, и качество очистки ухудшается.

Табл. 9.1.

Рис.9.2        Схема очистки СВ

 

СВ

1 – решетки

2 – песколовки

3 – отстойник

4 – фильтры

5 – гидроциклоны

6 – химический реактор

Рис.9.3         Решетка

СВ проходит через щелевидные каналы, образованные Вертикальными пластинами, между которых перемещаются ( совершают возвратно-поступательные движения) подземные ножи. Расстояние между пластинами определяет предельный размер объемных ВВ, которые задерживаются решетками.

Частицы с размерами >16 мм – листья, бумага, ветки …

Решетки установлены в бетонированных каналах, по которым движется СВ.

По мере прохождения СВ накапливаются ВВ между пластинами . Затем с помощью ножей осадок поднимается снизу вверх и перегружается на транспортер, а затем в бункер. Из бункера вывозится на полигон и используется в качестве засыпки позиции 3.

  1.  Мелкие частицы.
  2.  Крупные частицы:
  •  Песок
  •  Глина
  •  Цемент
  •  Бетон
  •  И т. д.

Размер: 2мм<<16мм

Расчет решеток по СНиП 2.04.03-85.

6.16. В составе очистных сооружений следует предусматривать решетки с прозорами не более 16 мм, со стержнями прямоугольной формы или решетки-дробилки.

Примечание. Решетки допускается не предусматривать в случае подачи сточных вод на очистные сооружения насосами при установке перед насосами решеток с прозорами не более 16 мм или решеток-дробилок, при этом:

длина напорного трубопровода не должна превышать 500 м;

в насосных станциях предусматривается вывоз задержанных на решетках отбросов.

6.17. Число решеток и решеток-дробилок, скорости протекания жидкости в прозорах, нормы съема отбросов, расстояние между устанавливаемым оборудованием и т. д. следует определять согласно пп. 5.12-5.16.

6.18. Механизированная очистка решеток от отбросов и транспортирование их к дробилкам должны быть предусмотрены при количестве отбросов 0,1 м3/сут и более. При меньшем количестве отбросов допускается установка решеток с ручной очисткой.

6.19. При обосновании отбросы с решеток допускается собирать в контейнеры с герметически закрывающимися крышками и вывозить в места обработки твердых бытовых и промышленных отходов.

6.20. Дробленые отбросы рекомендуется направлять для совместной переработки с осадками очистных сооружений.

6.21. Решетки-дробилки допускается устанавливать в каналах без зданий.

6.22. В здании решеток необходимо предусматривать мероприятия, предотвращающие поступление холодного воздуха в помещение через подводящие и отводящие каналы.

6.23. Поп здания решеток надлежит располагать выше расчетного уровня сточной воды в канале не менее чем на 0,5 м.

6.24. Потери напора в решетках следует принимать в 3 раза большими, чем для чистых решеток.

6.25. Для монтажа и ремонта решеток, дробилок и другого оборудования необходимо предусматривать установку подъемно-транспортного оборудования согласно СНиП 2.04.02-84.

Для перемещения контейнеров подъемно-транспортное оборудование должно быть с электроприводом.

Рис.9.4                         Песколовка

Песколовка представляет собой бетонированное сооружение коридорного типа. Данная поверхность осаждения наклонена к горизонту под углом  α.

Принцип действия аналогичен принципу действия отстойника: под действием ил тяжести крупные твердые частицы оседают на дно, а СВ перемещается от входа на выход песколовки.

 

частица

 

Условия осаждения:

=*g                                              (9.1)

=m*

>>

– линейная (горизонтальная) скорость воды в песколовке (м/с).

Согласно (9.1) скорость осаждения  (м/с):

=                                                                     (9.2)

μ – динамическая вязкость.

Расчет песколовки по СНиП 2.04.03-85.

6.26. Песколовки необходимо предусматривать при производительности очистных сооружений свыше 100 м3/сут. Число песколовок или отделений песколовок надлежит принимать не менее двух, причем все песколовки или отделения должны быть рабочими.

Тип песколовки (горизонтальная, тангенциальная, аэрируемая) необходимо выбирать с учетом производительности очистных сооружении, схемы очистки сточных вод и обработки их осадков, характеристики взвешенных веществ, компоновочных решений и т. п.

6.27. При расчете горизонтальных и аэрируемых песколовок следуют определять их длину Ls , м, по формуле

                                                        (17)

где Ks -коэффициент, принимаемый по табл. 27;

Hs -расчетная глубина песколовки, м, принимаемая для аэрируемых песколовок равной половине общей глубины;

vs -скорость движения сточных вод, м/с, принимаемая по табл. 28;

-гидравлическая крупность песка, мм/с, принимаемая в зависимости от требуемого диаметра задерживаемых частиц песка.

Таблица 27

Диаметр задерживаемых частиц песка, мм

Гидравлическая крупность песка 0, мм/с

Значение Ks в зависимости от типа песколовок и отношения ширины В к глубине Н аэрируемых песколовок

горизонтальные

аэрируемые

В:Н = 1

В:Н = 1,25

В:Н = 1,5

0,15

13,2

-

2,62

2,50

2,39

0,20

18,7

1,7

2,43

2,25

2,08

0,25

24,2

1,3

-

-

-

Таблица 28

Песколовка

Гидравлическая крупность песка 0, мм/с

Скорость движения сточных вод vs , м/с, при притоке

Глубина Н,м

Количество задерживаемого песка, л/чел.-сут

Влажность песка, %

 

минимальном

максимальном

Горизонтальная

18,7-24,2

0,15

0,3

0,5-2

0,02

60

55-60

Аэрируемая

13,2-18,7

-

0,08-0,12

0,7-3,5

0,03

-

90-95

Тангенциальная

18,7-24,2

-

-

0,5

0,02

60

70-75

6.28. При проектировании песколовок следует принимать общие расчетные параметры для песколовок различных типов по табл. 28:

а) для горизонтальных песколовок-продолжительность протекания сточных вод при максимальном притоке не менее 30 с;

б) для аэрируемых песколовок:

установку аэраторов из дырчатых труб-на глубину 0,7 Hs вдоль одной из продольных стен над лотком для сбора песка;

интенсивность аэрациии-3-5 м3/(м2 × ч);

поперечный уклон дна к песковому лотку-0,2-0,4;

впуск воды-совпадающий с направлением вращения воды в песколовке, выпуск-затопленный;

отношение ширины к глубине отделения-В:Н = 1:1,5;

в) для тангенциальных песколовок:

нагрузку-110 м3/(м2 × ч) при максимальном притоке;

впуск воды-по касательной на всей расчетной глубине;

глубину-равную половине диаметра;

диаметр-не более 6 м.

6.29. Удаление задержанного песка из песколовок всех типов следует предусматривать:

вручную-при объеме его до 0,1 м3/сут;

механическим или гидромеханическим способом с транспортированием песка к приямку и последующим отводом за пределы песколовок гидроэлеваторами, песковыми насосами и другими способами-при объеме его свыше 0,1 м3/сут.

6.30. Расход производственной воды qh , л/с, при гидромеханическом удалении песка (гидросмывом с помощью трубопровода со спрысками, укладываемого в песковый лоток) необходимо определять по формуле

                                                               (18)

где vh -восходящая скорость смывной воды в лотке, принимаемая равной 0,0065 м/с;

lsc -длина пескового лотка, равная длине песколовки за вычетом длины пескового приямка, м;

bsc -ширина пескового лотка, равная 0,5 м.

6.31. Количество песка, задерживаемого в песколовках, для бытовых сточных вод надлежит принимать 0,02 л/(чел×сут), влажность песка 60 %, объемный вес 1,5 т/м3.

6.32. Объем пескового приемка следует принимать не более двухсуточного объема выпадающего песка, угол наклона стенок приямка к горизонту-не менее 60°.

6.33. Для подсушивания песка, поступающего из песколовок, необходимо предусматривать площадки с ограждающими валиками высотой 1-2 м. Нагрузку на площадку надлежит предусматривать не более 3 м32 в год при условии периодического вывоза подсушенного песка в течение года. Допускается применять накопители со слоем напуска песка до 3 м в год. Удаляемую с песковых площадок воду необходимо направлять в начало очистных сооружений.

Для съезда автотранспорта на песковые площадки надлежит устраивать пандус уклоном 0,12-0,2.

6.34. Для отмывки и обезвоживания песка допускается предусматривать устройство бункеров, приспособленных для последующей погрузки песка в мобильный транспорт. Вместимость бункеров должна рассчитываться на 1,5-5-суточное хранение песка. Для повышения эффективности отмывки песка следует применять бункера в сочетании с напорными гидроциклонами диаметром 300 мм и напором пульпы перед гидроциклоном 0,2 МПа (2 кгс/см2). Дренажная вода из песковых бункеров должна возвращаться в канал перед песколовками.

В зависимости от климатических условий бункер следует размещать в отапливаемом здании или предусматривать его обогрев.

6.35. Для поддержания в горизонтальных песколовках постоянной скорости движения сточных вод на выходе из песколовки надлежит предусматривать водослив с широким порогом.

Лекция №10.  (продолжение лекции №9)

Рис. 10.1                         Отстойник

  1.  Камера хлопьеобразования; 2- скребковое устройство.

Отстойники применяются для накапливания различных веществ, прежде всего сточной воды.

Пример расчета:

  1.  Находим площадь осаждения: , где: q – расчетный расход воды,

U0 – скорость выпадения взвеси,   – коэффициент объемного исп-я отстойников.

  1.  Длину отстойников определяют по формуле: L = (Hср*Vср)/Uо, где

Hср – средняя высота зоны осаждения, м;

Vср – расчетная скорость горизонтального движения воды в начале отстойника.

  1.  При гидравлическом удалении осадка объем зоны накопления и уплотнения осадка определяется из формулы:  Tр=Wос.ч.*Nр*δ/q(Cв-Mосв), где:

Wос.ч – объем зоны накопления осадка,

δ – средняя по всей высоте осадочной части концентрация твердой фазы в осадке,

Mосв – мутность воды, выходящей из отстойника,

Cв – концентрация взвешенных веществ в воде, поступающих в отстойник.

Пример.

Определить наибольший средний диаметр  частиц , осаждающихся при температуре из СВ равной 293К.

=2560 кг/

=1000 кг/

= 1*1 Н*с/ в системе СИ 1*1 кг*м/

=7*1м/с

=;

=2,8*1м      280 микрон.

Сущность фильтрования заключается в прохождение обрабатываемой воды через слой фильтрующего материала, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых примесей.

Фильтрующий материал выполняется из лавсана, металлокерамики или в виде металлической сетки.

Расчетная схема (рис.10.2):

z - размер ячейки

Р1>P2

На наружной поверхности материала образуется слой осадка δ

δ – толщина твердого осадка

Движущая сила (ДС) – разность давлений

ДС=Р1-Р2

Основное уравнение фильтрования:

dV/dt – скорость фильтрования (м³/с)

V- объем образующегося фильтра.

dV/= ΔP/(mсо * rос * (V+const)

mco – масса сухого осадка, отнесенная к 1 м³ фильтрата кг/ м³.

rос -  удельное сопротивление осадка (м/кг).

Пути увеличения скорости фильтрования

ДС=Р1-Р2

 ДС=↑Р1-Р2

 ДС=Р1-↓Р2

Nнасоса≈Р1

Зэн=N*тариф

Зэн - затраты на энергию

↑Р1 следовательно ↑ Зэн

Рис.10.3

К распределению давлений

↓Р2 – значит создать вакуум

Рис. 10.4   Вакуумные фильтры

da≈4м

L=6-8м

Р2 > Pатм

Такая конструкция позволяет непрерывно удалять осадок и поддерживать скорость фильтрования на заданном уровне за счет уменьшения mос.

Недостаток: значительные энергозатраты, в качестве альтернативного оборудования могут быть использованы гидроциклоны,  которые позволяют снизить удельный расход энергии на 1 м³ обрабатываемой воды.

Расчет скорого фильтра 

Исходные данные: расчетный расход воды станции очистки Q = 4300 м3/сут; Тст – продолжительность работы станции в течение суток, 24 ч. Вода на фильтр поступает от осветлителя со взвешенным осадком.

Рис. 10.5. Высотная схема фильтра с центральным каналом.

1 – подача осветленной воды;  2 – отвод очищенной воды;  3 – подача воды на промывку;  4 – отвод промывной воды;  5 – дренажно-распределительная система;  6 – желоба;  7 – трубопровод полного опорожнения;  8 – центральный канал;  9 – поддерживающие гравийные слои;  10 – фильтрующая загрузка.

Основные решения приняты в соответствии  с нормами [СНиП, п. 6.95–6.117]. Выбран однослойный скорый безнапорный фильтр. В качестве загрузки принят песок гранодиоритовый с диаметром зерен от 0,7 до 1,6 мм и высотой слоя = 1,5 м. Расчетная скорость фильтрования при нормальном режиме принята по  [СНиП, табл. 21] H = 8 м/ч; скорость фильтрования при форсированном режиме ф = 9,5 м/ч; W – интенсивность промывки принята по [СНиП, табл. 23] и равняется 15 (л/с·м2), продолжительность промывки t = 6 мин или  0,1 ч; число промывок каждого фильтра в течение суток nпр = 2; время простоя фильтра в связи с водяной промывкой 
tпр принимается равным 0,33 ч.

Общая площадь фильтров, м2, определяется по формуле

                  .                           (9.1)                                         

После подстановки значений получено = 24,5 м2.

Число фильтров ориентировочно принимается по формуле

 

.                                             (9.2)

В результате   расчета  3 шт.

При суточном расходе очищаемой воды более 1600 м3/сут количество рабочих фильтров должно быть не менее четырех  [1, п. 6.99]. Поэтому принимается 4 рабочих фильтра, в этом случае скорость фильтрования в нормальном режиме будет составлять  = 8·3/4 = 6 м/ч.

Проверяется скорость фильтрования при форсированном режиме , м/ч, (когда один фильтр выключен на ремонт)

                             ,                                              (9.3)

где N1 – количество фильтров, выключаемых на ремонт. При количестве фильтров до 20 принимается N = 1.

В результате    = 8 м/ч.

Скорость в форсированном режиме не выше допустимой – 9,5 м/ч.

Определяется площадь одного фильтра, м2, и его размеры в плане 
А
ÍВ, м,

= 24,5/4 = 6,12 м2.                                  (9.4)

Для фильтра, квадратного в плане, А = В =  = 2,5 м.

Высота фильтра складывается из высот:

1) фильтрующего слоя. Принимается по табл. 9.1 или [1] = 1,5 м;

2) поддерживающего слоя. Принимается по табл. 9.1 или [1] Нп.с = 0,5 м;

3) слоя воды над поверхностью загрузки, принимается 2 м;

4) строительной высоты (расстояние от максимального уровня воды до верха стенки фильтра) 0,3 м.

Общая высота фильтра находится:

 

Н =1,5+0,5+2,0+0,3 = 4,3 м.

Определяется расход воды,  л/с, для промывки фильтра по формуле

 

qпр = FW,                                            (9.5)

qпр= 6,12 × 15 = 91,8 л/с.

Диаметр коллектора принимается по рекомендуемой скорости движения воды 0,8–1,2 м/с,  ответвлений – по скорости , равной в пределах  1,6–2,0 м/с. 

Принято: dколлектора = 300 мм; коллектора = 1,20 м/с; гидравлический уклон = 0,007.

Исходя из рекомендуемого нормами расстояния между осями ответвлений, равного 250–300 мм, и присоединения ответвлений к двум сторонам коллектора число ответвлений равно

nотв = 2 Вфильтра / 0,25 = 20 шт.

Расход промывной воды по одному ответвлению qотв, л/с, определяется как

qотв = qпр / nотв = 91,8/20 = 4,6 л/с.                             (9.6)

Принимается для труб ответвлений: = 75 мм;  = 0,85 м/с; i = 0,024.

В ответвлениях устраиваются отверстия d0  диаметром 12 мм, располагаемые в два ряда в шахматном порядке под углом 45 0 книзу 
от вертикали. Общая площадь отверстий рекомендуется в пределах 0,25–0,5 % от площади фильтра, их число в фильтре  
no определяется как

,                                        (9.7)

шт.

В каждом ответвлении принимается 7 отверстий, в крайних дренажных трубах – 6. Отверстия размещаются в два ряда через 250 мм.

  Определяются размеры желобов для сбора и отвода промывной воды. Количество желобов принимается равным 2 (исходя из условия, что расстояние между их осями не должно быть более 2,2 м).

    Ширина желобов, м, определяется по формуле

,                                      (9.8)

где qж – расход воды по одному желобу, равный 91,8/2 = 45,9 л/с = 
= 0,0459 м
3/с; К = 2 – для желоба с круглым лотком; a – отношение высоты прямоугольной части желоба к половине его ширины, принимается равным  1,0;     

= 0,3 м.

 

Высота желоба определена по рис. 9.7.

Кромки желобов над фильтрующей загрузкой должны находиться на расстоянии, м,

                  ,                    (9.9)

где Н – высота фильтрующей загрузки, равная 1,5 м из предыдущих определений; е – относительное расширение фильтрующей загрузки при промывке принимается по 
табл. 9.1 и равняется 30 %:

         = 0,75 м.

Дно сборного кармана должно быть ниже дна желоба на величину, м,

,                                (9.10)

 

где qкан – расход воды по каналу, равный в примере 0,0918 м3/с; А – ширина канала, принимается 0,7 м по [1, п. 6.112];

 = 0,4 м.

Потери напора в фильтре при промывке

1. Потери напора, м, в дренажной системе большого сопротивления

,                                      (9.11)

где k – фактическая скорость в начале распределительного коллектора, равная 1,20 м/с; Б.О – фактическая скорость в ответвлениях дренажа, принимается 0,85 м/с; z – коэффициент сопротивления, который определяется по формуле

                                   ,                                            (9.12)

где w – отношение суммы площадей отверстий в ответвлениях к площади поперечного сечения коллектора, равное 0,11,

 

 = 2,2 / [(136 ∙ 0,0122) / (0,32)]2 + 1 = 56.

В результате       м.

2. Потери напора в поддерживающих слоях гравия находятся по формуле

        м.                  (9.13)

3. Потери напора в фильтрующем слое определяются как

                                    ,                                   (9.14)

где a и b – параметры, равные соответственно 0,76 и 0,017; 

(0,76 + 0,017×15) × 1,5 = 1,5 м.

Тогда общие потери напора в фильтре при промывке составят

h = 4,03 + 0,165 + 1,5 = 5,7 м.

Оборудование для промывки фильтров принимается в зависимости от выбранной системы промывки фильтра

Рис. 10.6        Схема гидроциклона.

Корпус - цилиндроконический , dк зависит от производительности.

Вход - цилиндрическая трубка, которая установлена по касательной на входе в корпус. Внутренняя трубка установлена по центру корпуса.

Необходима высокая коррозионная стойкость (полимеры, металокомпазиты).

Сущность действия гидроциклона:

m – загрязняющее вещество

r – радиус потока воды в гидроциклоне.

Расчет гидроциклона по СНиП 2.04.03-85.

6.85. Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ допускается применять открытые и напорные гидроциклоны.

6.86. Открытые гидроциклоны необходимо применять для выделения всплывающих и оседающих грубодисперсных примесей гидравлической крупностью свыше 0,2 мм/с и скоагулированной взвеси.

Напорные гидроциклоны следует применять для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей главным образом минерального происхождения.

Гидроциклоны могут быть использованы в процессах осветления сточных вод, сгущения осадков, обогащения известкового молока, отмывки песка от органических веществ, в том числе нефтепродуктов.

При осветлении сточных вод аппараты малых размеров обеспечивают больший эффект очистки. При сгущении осадков минерального происхождения следует применять гидроциклоны больших диаметров (свыше 150 мм).

6.87. Удельную гидравлическую нагрузку qhc , м3/(м2 ×ч), для открытых гидроциклонов следует определять по формуле

                                                            (38)

где -  гидравлическая крупность частиц, которые необходимо выделить для обеспечения требуемого эффекта, мм/с;

Khc -коэффициент пропорциональности, зависящий от типа гидроциклона и равный для гидроциклонов:

без внутренних устройств-0,61;

с конической диафрагмой и внутренним цилиндром-1,98;

многоярусного с центральными выпусками

                                                      (39)

здесь nti -число ярусов;

Dhc -диаметр гидроциклона, м;

den -  диаметр окружности, на которой располагаются раструбы выпусков, м; многоярусного с периферийным отбором осветленной воды

                                                         (40)

здесь nti - число пар ярусов;

dd -диаметр отверстия средней диафрагмы пары ярусов, м.

6.88. Производительность одного аппарата Qhc , м3/ч, следует определять по формуле

                                                       (41)

6.89. Удаление выделенного осадка из открытых гидроциклонов следует предусматривать непрерывное под гидростатическим давлением, гидроэлеваторами или механизированными средствами.

Всплывающие примеси, масла и нефтепродукты необходимо задерживать полупогруженной перегородкой.

6.90. Расчет напорных гидроциклонов надлежит производить исходя из крупности задерживаемых частиц d и их плотности.

Диаметр гидроциклона Dhc следует определять по табл. 35.

6.91. Основные размеры напорного гидроциклона следует подбирать по данным заводов-изготовителей.

Давление на входе в напорный гидроциклон надлежит принимать:

0,15-0,4 МПа (1,5-4 кгс/см2)-при одноступенчатых схемах осветления и сгущения осадков и многоступенчатых установках, работающих с разрывом струи;

0,35-0,6 МПа (3,5-6 кгс/см2)-при многоступенчатых схемах, работающих без разрыва струи.

Число резервных аппаратов следует принимать:

при очистке сточных вод и уплотнении осадков, твердая фаза которых не обладает абразивными свойствами,-один при числе рабочих аппаратов до 10, два-при числе до 15 и по одному на каждые десять при числе рабочих аппаратов свыше 15;

при очистке сточных вод и осадков с абразивной твердой фазой-25 % числа рабочих аппаратов.

6.92. Производительность напорного гидроциклона Qhc , м3/ч, назначенных размеров следует рассчитывать по формуле

                                                (42)

где -ускорение силы тяжести, м/с2;

D-потери давления в гидроциклоне, МПа;

den dex -диаметры питающего и сливного патрубков, мм.

6.93. В зависимости от требуемой эффективности очистки сточных вод и степени сгущения осадков обработка в напорных гидроциклонах может осуществляться в одну. Две или три ступени путем последовательного соединения аппаратов с разрывом и без разрыва струи.

Для сокращения потерь воды с удаляемым осадком шламовый патрубок гидроциклона первой ступени следует герметично присоединять к шламовому резервуару.

Таблица 35

Dhc , мм

25

40

60

80

100

125

160

200

250

320

400

500

d, мм

8-25

10-30

15-35

18-40

20-50

25-60

30-70

35-85

40-110

45-150

50-170

55-200

На первой ступени следует использовать гидроциклоны больших размеров для задержания основной массы взвешенных веществ и крупных частиц взвеси, которые могут засорить гидроциклоны малых размеров, используемые на последующих ступенях установки.

Лекция №11.  Выделение растворенных примесей реагентным методом. Известково – содовый способ очистки водных растворов.

Стадия доочистки сточных вод.

  В сточных водах после биологической очистки содержаться различные минеральные вещества (соли кальция, натрия и т.д.). Из-за высокого солесодержания, достигающего 1,5-6,0 г/дм3, их нельзя использовать в технологическом процессе.

  При поступлении воды с очистных сооружений непосредственно в системы водоснабжения промышленных предприятий для предотвращения процессов солеотложения, биообрастания и коррозии требуется их доочистка. Для этого применяют преимущественно выпаривание (бесконтактное и контактное). Выпаривание позволяет регулировать солевой состав очищаемых вод в широком диапазоне. Преимуществом выпарных установок по сравнению с другим технологическим оборудованием, предназначенным для разделения растворов, является их высокая производительность (до 100 т/ч и более по выпариваемой влаге). При этом исходный раствор удается концентрировать в 25-30 раз.

  По мере удаления растворителя концентрация растворенных веществ в упариваемом растворе увеличивается и по одному из компонентов возможно образование раствора, находящегося в равновесии с избытком растворяемого вещества.

Реагентная очистка.

Физико-химические особенности реагентного метода очистки.

  Реагентные методы используют для очистки водных систем от солей жесткости (известково-содовый способ), ионов тяжелых металлов (нейтрализация, комплексообразование). При этом растворенные примеси из растворенного состояния переходят в нерастворимые соединения, которые в дальнейшем выделяют при осаждении.

  В основе известково-содового способа очистки от солей жесткости лежат следующие обменные реакции:

CaSO4+Na2CO3→Na2SO4+CaCO3,

MgSO4+2NaOH→Mg(OH)2+Na2SO4,

CaSO4+2NaOH→Ca(OH)2+Na2SO4,

Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3+2NaOH,

CaCO3,e↔Cae2++CO3,e2-.

Рис. 1. Схема установки для нейтрализации сточных вод суспензией мела: 1-сборник-усреднитель; 2-грейферный кран; 3-бункеры; 4-реакторы; 5-вентилятор.

Растворенное соединение выпадает в осадок при условии

где  - соответсвенно концентрации ионов в момент равновесия и коэфиициенты их активности. Индекс e указывает на состояние равновесия.

  Для насыщенного раствора малорастворимой соли в воде

Пределы растворимости (ПР) некоторых соединений приедены ниже.

Соединения

CaCO3

ZnS

PbCO3

CdS

CaF2

FeS

ПР

3,1*10-9

1,6*10-24

1,5*10-13

1*10-29

4*10-11

4*10-19

  Фторсодержащие сточные воды нейтрализуют суспензией мела (рис. 1). При этом могут протекать следующие реакции:

Na2SiF6+CaCO3CaSiF6+Na2CO3,

CaSiF6+2CaCO3↔3CaF2+SiO2+2CO2,

2HF+CaCO3↔CaF2+CO2+H2O.

  Ионы хрома осаждают из сточных вод известковым молотком при рН 8,0-9,5. Выше и ниже этих пределов рН растворимость гидроксида хрома возрастает (рис. 2).

  Катионы свинца можно осадить не только в виде гидроксида свинца, но и в виде гидроксокарбоната свинца (в воде нерастворим) и карбоната свинца (ПР=1,5*10-13). Для

Рис. 2. Растворимость в воде гидроксидов хрома и цинка (в пересчете на Cr3+ и Zn2+) в зависимости от рН:

1-Cr(OH)3, подщелачивание известковым молоком;

2-Zn(OH)2, подщелачивание известковым молоком;

3- Zn(OH)2, подщелачивание карбонатом натрия.

осаждения катионов свинца можно применять известняк (CaCO3), необожженный доломит  (CaCO3* MgCO3) и др.

  Практически полное выпадение гидроксида меди происходит при рН 8-10, с увеличением рН возможно образование растворимых купритов (NaHCuO2 или NaCuCO2). Катионы меди (II) целесообразно осаждать в виде гидроксокарбоната, нерастворимого в воде:

2Cu2++CO32-+2OHCu2(OH)2CO3↓.

  Для повышение эффективности очистки целесообразно в сточную воду вводить более растворимые соединения кальция, например гидроксид кальция.

  Нейтрализация кислоты протекает по реакции

H2SiF6+3Ca(OH)2↔3CaF2+SiO2+4H2O.

  При этом возможны и другие обменные реакции:

Na2SiF6+Ca(OH)2↔CaSiF6+2NaOH,

Na2SiF6+3Ca(OH)2↔3CaF2+SiO2+2H2O+2NaOH,

CaSiF6+2Ca(OH)2↔3CaF2+SiO2+2H2O,

2HF+Ca(OH)2↔CaF2+2H2O.

  В результате этих реакций соединения фтора переходят в труднорастворимый фторид кальция, растворимость которого в воде при 20оС составляет около 16 мг/л.

  Приведенные обменные реакции протекают практически мгновенно. При этом образуются растворы электролитов, пересыщенные соединениями кальция. Начинается кристаллизация – образование и рост кристаллов солей кальция.

  При выделении тяжелых металлов необходимо соблюдать оптимальные условия их осаждения. Например, для осаждения цинка карбонатом натрия требуется значительное количество реагента. Поэтому рекомендуется двухступенчатая очистка воды от цинка, предусматривающая предварительную нейтрализацию серной кислоты карбонатом натрия с последующим осаждением цинка гидроксидом натрия.

  При глубокой очистке катионы цинка осаждаются в виде труднорастворимого сульфида ZnS. При осаждении цинка сульфитом натрия оптимальный рН составляет 2,5-3,5. ПРZnS=1,6*10-24.

  Очистка от ионов кадмия производится подщелачиванием сточных вод до рН 10,5. Образующиеся мелкодисперсные частицы Cd(OH)2 можно выделить в осадок коагуляцией сульфатами алюминия или железа. Катионы кадмия можно осаждать в виде CdS, добавляя сульфид натрия. ПРCdS=1*10-29; pHопт≈4.

  Для осаждения ртути и кадмия предложены такие реагенты, как ксантогенты, образующие нерастворимые комплексы с ионами ртути и кадмия.

  Фосфор в сточных водах присутствует в виде растворимых соединений – орто- и метафосфатов, а также в виде комплексных неорганических фосфатов, например полифосфатов.

  Для осаждения фосфатов сточные воды обрабатывают известковым молоком (рН 10-11) или сульфатом алюминия в щелочной среде.

  Реагентный метод очистки должен обеспечить достаточно полное выделение растворимых примесей в виде нерастворимых осадков, быстрый отстой образовавшегося осадка и максимальное уплотнение шлама.

 Очистка сточных вод с использованием химических реагентов имеет ряд особенностей. При прочих равных условиях эффективность процесса зависит от турбулентности в ядре потока, с увеличением которой возрастает вероятность дробления образующихся агрегатов.

  Процесс очистки зависит как от режимных параметров (температура, порядок подачи и концентрация реагентов, концентрация малорастворимых солей в очищаемой воде), так и от присутствия затравочных кристаллов.

  На примере карбоната кальция рассмотрены основные стадии роста кристаллов – внешняя диффузия и поверхностная реакция (рис. 3).

  Массовая скорость кристаллизации:

- стадия внешней диффузии

                                      Wr=β(                                                      (1)

- стадия поверхностной реакции

                                      Wr=kг(nρK,                                                (2)

                                            Kг=2,9*10-7exp                                                    (3)

где β – коэффициент массоотдачи, м/с; kг – аррениусовская константа скорости роста    кристалла, м/с; n – порядок реакции; ρК-плотность кристаллизующегося вещества, кг/м3.

  В процессе кристаллизации карбоната кальция стадия внешне диффузии практически не оказывает сопротивления процессу (отсутствует диффузионное торможение) при высоких пересыщениях раствора (S=2-2,5). В этом случае скорость гетероген      

Wr=kг(

                                                                                                                       (4)

а линейная скорость роста кристалла

                                                             =kгSn,                                                                (5)

где S=(C0-Ce)/Ce – относительное пересыщение раствора.

  По экспериментальным данным  значение n приближается к 1,0.

  М.А.Булатовым проведены исследования по интенсификации очистки раствора при производстве поваренной соли на Мозырском солеварочном комбинате. Исходные растворы получали методом подземного выщелачивания.

  Показатели процесса очистки раствора приведены в табл. 1. Схема очистки показана на рис. 4.

  Одним из основных режимных параметров процесса является температура. В производственных условиях процесс проводят при температуре не ниже 285 К и не выше 303 К. Аррениусовская константа скорости kг с ростом температуры возрастает, а равновесная концентрация  убывает, что приводит к увеличению скорости роста кристаллов CaCO3. Но при этом условия их осаждения ухудшаются из-за возникновения дополнительных конвективных восходящих потоков раствора, обусловленных градиентом температур по высоте кристаллизатора-отстойника 1. Для быстрого снятия пересыщения растворы очищают при избытке осадительных реагентов в реакторе 7. При избытке осадительных реагентов уменьшается растворимость карбоната кальция и увеличивается пересыщение раствора. Возрастает не только скорость роста кристаллов, но и скорость их образования. Это приводит к тому, что средний размер твердых частиц на выходе из реактора 7 уменьшается (рис . 5) и скорость их осаждения падает.

Таблица 1.

Примечание. Концентрация хлорида натрия в исходном растворе ≈ 270-285 г/л.

При последующем отстаивании в кристаллизаторе – отстойнике 1 (см. рис. 4) наблюдается значительный унос мелких нерастворенных примесей размером до ≈5 мкм с очищенным раствором и эффективность очистки уменьшается.

  Для интенсификации реагентного метода очистки увеличивают скорость снятия пересыщения, либо осаждения, либо уплотнения. Анализ физико-химических методов интенсификации очистки растворов показал, что каким-либо одним способом нельзя получить раствор с высокой степенью осветления и хорошо фильтрующимся осадком

Рис. 5. Зависимость среднего размера твердых частиц от избытка соды.

минимального объёма. Например, применение электромагнитных и акустических полей приводит к возрастанию скорости снятия пересыщения за счет увеличения скорости зародышеобразования. При этом возникают мелкие кристаллы, образующие хорошо уплотняемый осадок, а скорость их осаждения невелика. Применение ПАВ приводит к увеличению скорость осаждения, но при этом период стадии индукции для ряда солей может увеличиваться.

Лекция №12.  (продолжение лекции №11)

Совершенствование известково-содового способа очистки водных растворов.

Скорость зародышеобразования можно уменьшить и тем самым увеличить степень очистки, вводя в реакционную зону затравочные кристаллы (готовую поверхность кристаллизации).

Как показали исследования, скорость осаждения при использовании ретурного шлама, содержащего затравочные кристаллы, увеличивается в 1,7-2 раза и зависит от соотношения ионов Ca:Mg, содержащихся в исходном растворе, а также от концентрации затравочных кристаллов. Из практики водоподготовки известно использование готовой твердой поверхности затравочных кристаллов (взвешенного осадка) для интенсификации кристаллизации карбоната кальция и гидроксида магния. Однако в этом случае требуется специальное крупногабаритное дорогостоящее оборудование, например осветлители, разработанные в Теплотехническом институте (Рис.6). Значительный рабочий объем таких осветлителей обусловлен необходимостью создания слоя взвешенного осадка высокой порозности.

В зоне уплотнения III (см. рис. 4) осадки имеют полидисперсный состав. На рис. 7 представлена дифференциальная функция P(d) распределения твердых частиц по размеру. Размер d твердых частиц, содержащихся в осадке, изменяется в широких пределах. Известно, что затравочная активность кристалла зависит от его размера. Чем меньше размер кристаллов и уже их фракционный состав, тем выше их затравочная активность. Вместе с тем, чем меньше размер кристаллов, возвращаемых с ретурным шламом, тем выше вероятность их уноса с очищенным раствором из кристаллизатора – отстойника 1(см. рис. 4). Граничный размер частиц, рассчитанный из условия их витания в зоне осаждения II, составляет 13-15 мкм. Учитывая продолжительность пребывания частиц в зоне осаждения II, скорости их роста и витания во взвешенном слое и считая, что пересыщение снимается на частицах, возвращаемых с ретурным шламом, минимальный размер затравочных кристаллов должен быть не менее 10-12 мкм. Осадок минимального объема можно получить сгущением шлама в поле центробежных сил. При этом потери очищенного раствора со шламом уменьшаются.

Рис.6 Схема коррекционной обработки воды:

1 – осветлитель; 2 – баки с раствором химического реагента; 3 – насосы; 4 – окно; 5 – блок форсунок; 6 – фильтр; 7 – регулирующий клапан; 8 – воронки для дегазации воды; 9 – устройство для удаления осадка; I – исходная вода; II – очищенная вода на механический и Na-катионитовый фильтры; III – взвешенный слой; IV – шлам на переработку;  V – раствор химического реагента.

Рис. 7 Состав твердых частиц в осадке.

Управление образованием твердой фазы в объеме раствора в присутствии затравочных кристаллов. В разработанном нами статическом реакторе (рис.8) реагенты перемешиваются во встречных закрученных потоках, что обеспечивает необходимую степень гомогенизации реакционной системы и снижение энергетических и материальных затрат.

Особенность реактора – отсутствие движущихся перемешивающих устройств. Производительность его до 200 /ч, рабочее давление 0,2 МПа, рабочая температура 15-30 С.

Рис. 8 Схема статического реактора:

1 – корпус реактора; 2 – отверстия для подачи раствора реагента; 3 – рассекатель; I – неочищенный раствор;  II – очищенный раствор;  III – осадительные реагенты.

При смешении химических реагентов с перерабатываемым неочищенным водным раствором (известково-содовый способ очистки, нейтрализация и комплексообразование) образуются пересыщенные по примесям водные растворы и начинается процесс кристаллизации.

Нами разработано также математическое описание кристаллизации в реакторе – смесителе. Затравочные кристаллы в зоне смешения могут значительно повысить эффективность кристаллизации. Однако в настоящее время нет достоверных количественных оценок, позволяющих рассчитать снимаемое пересыщение в зависимости от гидродинамических и массообменных характеристик системы. Выбор и дозировку затравочных кристаллов осуществляют, как правило эмпирическим путем.

Количественной оценкой затравочных кристаллов является их удельная поверхность f:

f = Fк/V,                                         (6)

где Fк – суммарная поверхность затравочных кристаллов,

V – объем реакционной зоны.

При введении затравочных кристаллов необходимо соблюдать требования, предъявляемые к их размеру: для минимального – наименьший унос кристаллов восходящим потоком раствора (зона II кристаллизатора-отстойника 1, см. рис. 4), для максимального – потеря их затравочной активности.

Сформулируем задачу определения удельной поверхности кристаллов f, необходимой для снятия пересыщения по растворенным в растворе примесям.

Допустим, что вводимые в очищаемый раствор затравочные кристаллы одинакового размера равномерно распределены в поперечном сечении реактора, т.е. градиент концентрации дисперсной фазы в поперечном сечении отсутствует. Изменением температуры и размера кристаллов по длине реакционной зоны пренебрегаем.

Поставленная задача одномерна, и средняя в сечении реактора концентрация растворенных примесей зависит только от координаты вдоль оси z,C = C(z).

При математическом описании используют двухуровневую модель: уровень одиночной шарообразной твердой частицы, находящейся в ядре потока; уровень рабочей зоны реактора.

Одиночная шарообразная твердая частица. Рассмотрим основное уравнение материального баланса, составленное в дифференциальной форме для элементарного объема:

      (7)

Где W – массовая скорость кристаллизации вещества на поверхности одиночной твердой частицы.

Вблизи поверхности твердой частицы в пределах гидродинамического пограничного слоя δ продольная скорость потока убывает до нуля на ее поверхности, поперечный конвективный перенос отсутствует. Уравнение диффузии для центрально-симметричного профиля концентрации кристаллизующегося компонента в сферических координатах

              (8)

Граничные условия:

                                      (9)

                                    (10)

Решение дифференциального уравнения (8) позволяет получить распределение локальной концентрации C(r) вблизи одиночной твердой частицы. Соотношение (9) представляет собой условие формирования поля концентраций на удалении от частицы, находящейся в сечении z, а соотношение (10) – диффузионно-кинетическое условие на поверхности твердой частицы.

Решение уравнений (8) – (10) позволяет получить распределение концентраций кристаллизующегося компонента вблизи твердой частицы:

                                (11)

Массовая скорость кристаллизации вещества на одиночной частице

                                       (12)

Где Д – критерий Дамкеллера, характеризующий относительную интенсивность кинетических и внешнедиффузионных процессов.

Рабочая зона реактора. Распределение средней C(z) концентрации растворенного кристаллизующегося компонента по длине реактора можно определить путем решения задачи конвективной диффузии с учетом кристаллизации вещества на затравочных кристаллах с удельной поверхностью кристаллизации f:

                                       (13)

Где Uz – линейная скорость раствора; Dэ – коэффициент продольного перемешивания кристаллизующегося вещества в аппарате; J(z) = W(z)f распределенная функция стока кристаллизующегося вещества в единице реакционного объема аппарата.

Как при теоретическом, так и при экспериментальном изучении внешнего массообмена поверхности твердого тела с потоком вязкой жидкости удобно применять уравнение (13) с комплексными безразмерными переменными и параметрами. В качестве масштаба концентрации выбираем концентрацию малорастворимого компонента Cо на входе в реакционную зону. Тогда безразмерная концентрация и координата.

                                                                    (14)

                                                                    (15)

Где L – длина реакционной зоны.

Автором предложен безразмерный параметр :

                                                        (16)

который характеризует относительную интенсивность кристаллизационных и диффузионных процессов.

При преобразовании уравнения (13) были использованы следующие критерии и безразмерные параметры:

                                                   (17)

(18)

(19)

(20)

(21)

Уравнение (13) в безразмерном виде

                                                

                                                  (22)

Решение уравнения (22) с учетом граничных условий

И уравнений (16) – (21) имеет вид

(23)

При высоких пересыщениях раствора (S>1,5) степенью пересыщения раствора на выходе из реакционной зоны можно пренебречь:

В этом случае при z = 0,5 уравнение (23) можно выразить следующим образом:

                           (24)

Уравнение (24) устанавливает связь между конструктивными размерами реактора, технологическими параметрами и кинетическими показателями процесса кристаллизации.

Согласно уравнению (24) для увеличения степени очистки необходимо уменьшать равновесную концентрацию кристаллизующегося компонента, повышать скорости роста кристаллов при заданной удельной поверхности затравочных кристаллов и интенсивности продольного перемешивания.

При Ре = 0,12, Д = 1,0, Т = 298К концентрация кристаллизующегося малорастворимого компонента по длине реакционной зоны изменяется в зависимости от поверхности затравочных кристаллов f (рис. 9).

Промышленные испытания по очистке водных растворов от солей кальция подтвердили результаты расчета и позволили сделать вывод, что влияние затравочных кристаллов на снимаемое пересыщение проявляется на сравнительно коротком участке реакционной зоны. При f >0?12*  затравочные кристаллы практически не влияют на кристаллизацию малорастворимых компонентов.

При заданной степени очистки η и начальной концентрации Со кристаллизующегося компонента рассчитывают концентрацию Cf  на выходе из реакционной зоны. Затем определяют безразмерный параметр М и из соотношения (16) рассчитывают длину реакционной зоны. При

                                    (25)

Обеспечивается гидродинамический режим, предотвращающий дробление образующихся твердых частиц примеси, где Reц – критерий Рейнольдса (центробежный), Rпу – радиус перемешивающего устройства.

Используя линейную скорость движения раствора вдоль оси канала, определяют геометрические размеры перемешивающего устройства. Затем при заданной объемной производительности смесителя рассчитывают площадь его поперечного сечения.

В соответствии с усовершенствованной нами схемой известково–содового способа (см. рис. 4)  неочищенный раствор смешивают с ретурным шламом. Он содержит твердые частицы размером до 10 мкм, которые служат затравочными кристаллами и способствуют снятию пересыщения в растворе, повышению скорости роста и осаждения твердых частиц. Полученный раствор смешивают в реакторе 7 с раствором химических реагентов. Из реактора реакционную смесь подают в кристаллизатор – отстойник 1. В зоне I происходит дальнейший рост кристаллов CaCO3, в зоне II – разделение суспензии и отделение очищенной воды, в зоне III – уплотнение осадка. Содержание ионов Ca в очищенном растворе не превышает 11 мг/дм3, а твердых примесей – не более 23 мг/дм3.

В отличии от существующей схемы шлам из кристаллизатора – отстойника 1 подают не в шламонакопитель, а на сгущение в блок гидроциклонов 5,6; осветленный поток, содержащий затравочные кристаллы, возвращают на смешение с неочищенным раствором.

Введение с ретурным шламом затравочных кристаллов позволяет повысить степень очистки раствора до η (Са) = 0,99. Сгущенный шлам из гидроциклона 5 направляют на дальнейшую переработку с получением гипсового вяжущего вещества, а очищенный раствор – на термическую переработку.

Лекция №13.  Описание технологического процесса станции рассолоочистки.

Физико-химические основы процесса очистки рассола от примесей.

Раствор хлорида натрия (далее искусственный рассол), применяемый в производстве, кроме основного вещества хлорида натрия (NaCl), содержит примеси кальциевых и магниевых солей, которые при поглощении аммиака и диоксида углерода дают трудно растворимые соединения, что приводит к забиванию аппаратуры, трубопроводов и загрязнению готового продукта - соды. Поэтому перед поступлением в производство рассол подвергается очистке от этих солей известково-содовым способом по одностадийной схеме: рассол одновременно от солей кальция и магния.

Для очистки рассола от кальциевых и магниевых солей готовят предварительно каустифицированный реактив путем смешения содового раствора и известкового молока.

При этом протекают следующая реакция:

                                          Nа2СОЗ + Са(ОН)2 = 2NaOH + СаСОз (1)

                                                                

образующийся едкий натр вступает в реакцию с солями магния:

                                      MgC12 + 2NaOH = Mg(OH)1 + 2NaCl           (2)                   

                                      MgS04 + 2NaOH = Mg(OH)21 + Na2S04         (3)               

Сода, содержащаяся в смешанном реактиве, осаждает кальциевые соли по реакциям:

 

                        CaC12 + 2СОЗ = СаСОзl + 2NaCl  (4)

               CaS04 + Nа2СОЗ = СаСОзl + Na2S04  (5)

Присутствие в сыром рассоле сульфат иона S04 осложняет в дальнейшем

регенерацию аммиака, в процессе которой на стенках дистиллера отлагается гипс. Для снижения содержания ионов S04 в сыром рассоле до уровня, исключающего образование гипсовых инкрустаций в дистиллере на БРУ -1 в воду, идущую на растворение твердых отходов, вводится гексаметофосфат натрия, который избирательно адсорбируется на поверхности частиц CaS04, включенных в твердые отходы и тем самым препятствует их растворению.

Наиболее медленная стадия процесса очистки рассола- отстой твердой фазы или осветление рассола от выпавших осадков примесей. Характер оседания твердых частиц суспензии может быть разный. Различают два вида оседания взвешенных частиц - свободное и совместное. При свободном оседании каждая частица падает со скоростью, зависящей от ее размера, чем меньше частица, тем медленнее она оседает. Поэтому при свободном отстое не наблюдается четкой границы между осветленной жидкостью и суспензией. Так как в составе суспензии обычно находятся очень мелкие частицы, осветляемая жидкость очень долго остается мутной. При очистке рассола образующиеся

кристаллы карбоната кальция (СаСОз) имеют размеры 5-10 мкм, в то время как частицы гидроксида магния Mg(OH)2 составляют всего лишь несколько сотых долей микрона. Быстрое оседание таких мелких частиц возможно лишь при совместном (консолидированном) отстое, когда отдельные частицы- мелкие и крупные объединяются в агрегаты- хлопья и оседают совместно с достаточно большой скоростью. При совместном отстое, когда скорость оседания частиц различного размера одинакова, наблюдается четкая граница осветленной части суспензии. Повышение температуры уменьшает вязкость рассола и тем самым увеличивает скорость отстоя. Однако чрезмерное повышение или колебание температуры рассола может нарушить совместный отстой. Кроме того, для последующей стадии производства - абсорбции аммиака - повышение температуры нежелательно. Поэтому при очистке, температуру рассола поддерживают     

в пределах15-25С.

Перемешивание осадительных реагентов с рассолом должно обеспечить быстрое и равномерное распределение их по всему объему очищаемого рассола. К началу образования хлопьев перемешивание должно быть закончено, иначе нарушается процесс образования хлопьев и совместное отстаивание. Для ускорения процесса кристаллизации, укрупнения кристаллов и формирования агрегатов-хлопьев рекомендуется к суспензии добавлять так называемую «затравку», то есть свежие полученные кристаллы СаСОз и Mg(OH)2, играющие роль центров кристаллизации, на поверхности которых откладывается кристаллизирующиеся соли. На практике роль «затравки» может выполнять оседающий в отстойнике шлам. Для этого поступающую в отстойник суспензию вводят  несколько ниже границы между прозрачным рассолом и оседающим шламом. Количество вводимой суспензии должно  быть таким, чтобы скорость вертикального потока жидкости в отстойнике была равна скорости оседания вновь формирующихся хлопьев в верхней зоне оседания шлама. При этом граница осветленного рассола будет поддерживаться на одной вертикальной высоте. В целом, шлам будет оседать на дно отстойника, а осветленный рассол вытекать из отстойника сверху. У дна отстойника плотность осадка увеличивается, скорость осаждения резко замедляется, и отстаивание переходит в стадию уплотнения, характерного для консолидированного отстоя. Уплотнение шлама связано с разрушением хлопьев под действием силы тяжести и медленно  движущейся мешалки. Получается более плотная упаковка осевших хлопьев. С увеличением содержания солей магния в рассоле образующиеся хлопья становятся более прочными и труднее разрушаются, поэтому объем уплотненного шлама увеличивается. Поэтому, для получения достаточно высокой степени очистки рассола, необходимо выдерживать требуемую температуру рассола, время перемешивания сырого рассола с осадительным реактивом и точную его дозировку.

Технологическая схема отделения очистки рассола (схема №1):

Рассол хлорида натрия (искусственный сырой рассол) с молярной концентрацией эквивалента хлор-иона не менее 107 Н.д. с Березниковского производственного калийного рудоуправления №1 (БПКРУ-1) по одному или двум (из двух имеющихся), в зависимости от нагрузки, трубопроводам через расходомеры поз.3, 4 поступает в два резервуара-хранилища рассола. В случае подачи с БПКРУ -1 некондиционного сырого рассола производится перевод рассола через расходомер поз.1 в наружный сборник шламовых вод (НСШВ) 196 с последующей перекачкой его в шламонакопитель «белое море». Известковое молоко с молярной концентрацией эквивалента гидр оксида кальция Са(ОН)2 180-220 н.д. из цеха извести подается в сборник известкового молока 5, снабженный мешалкой" рамного типа. Для предотвращения забивания трубопровода известкового молока в цехе извести предусмотрена подача очищенного рассола в данный трубопровод, который в дальнейшем сливаемся в реактор 3 рассолоочистки.

         В сборнике реактива 7, оборудованные мешалками, из отделения кальцинации поступает содовый раствор с прямым титром 45-50 н.д. и молярной концентрацией эквивалента хлор-иона не менее 75 Н.д., а из сборника известкового молока 5 центробежным насосом 6 подается суспензия гидроксида кальция. Путем смешивания содового раствора и известкового молока, в требуемых соотношениях, в сборниках реактива 7 получается каустифицированный раствор с молярной концентрацией

эквивалента иона СО3 34-36 н.д. и иона ОН- 8,5-9,0 Н.д. Для контроля за наличием каустифицированного реактива в сборниках, последние снабжены уровнемерами поз. 5, 6, 7. Из резервуаров-хранилищ сырого рассола центробежным насосом 2 рассол, расход которого измеряется расходомером поз. 8, подается в реактор 3 с одновременной подачей

центробежным насосом 8 дозированного объема каустифицированного реактива, производящейся дистанционным управлением поз.10. Реактив для смешения с рассолом вводится в трубопровод сырого рассола перед входом в реактор. Это способствует быстрому перемешиванию реагентов и обеспечивает больший контакт реагирующих

веществ.

           Необходимая степень очистки рассола достигается стабилизацией концентрации рассола, точной дозировкой осадительных реактивов, в зависимости от нагрузки и содержания солей кальция и магния в сыром рассоле и поддерживанием постоянного температурного режима.

        Содержание избытков осадительных реактивов в суспензии реактора должно быть следующим: молярная концентрация эквивалента иона со3^(2-)  0,18-0,32 н.д. молярная концентрация эквивалента ОН- - 0,04-0,08 н.д. 

         В реакторе происходит выпадение в осадок солей кальция и магния по указанным ранее реакциям (2, 3, 4, 5). Суспензия из реактора самотеком поступает в центральную чашу отстойника 4, снабженного мешалкой. В случае переполнения реактора предусмотрен перелив суспензии в отстойник.

В отстойнике 4 происходит отстой рассола от выпавших осадков солей кальция и магния (в виде трудно растворимых соединения гидроксида магния Mg(OH)2 и карбоната кальция СаСОз), а также нерастворимых примесей, поступающих с сырым рассолом, которые совместно оседают в нижней части отстойника. По мере насыщения осадка, называемого шламом, он уплотняется и периодически выводится из отстойника путем откачки центробежным насосом 9 в наружный сборник шламовых вод.

          Во избежание забивания шламопровода и замораживания его, имеется возможность спуска шлама с низких участков трассы, кроме того, в зимнее время по шламопроводу постоянно подается сырой рассол от центробежных насосов с последующим сбросом его в наружный сборник шламовых вод.

Очищенный рассол с молярной концентрацией эквивалента хлор-иона не менее 105,5 н.д. из верхней части отстойника самотеком сливается по коллектору в резервуары очищенного рассола 10, расположенные на улице в количестве 4-х штук. Очищенный рассол поступает в резервуар-хранилище №10,заполнение остальных емкостей происходит по принципу сообщающихся сосудов через коллектор забора рассола из баков на насосы очищенного рассола. Для полного заполнения резервуаров очищенного рассола №1, 10, 11, 12, имеется возможность подкачки их насосами очищенного рассола.

Из резервуаров хранилищ 10 очищенный рассол центробежными насосами 11 подается на станции абсорбции отделений АБДСКБ №№1 и 2 и на 000 «Сода-Хлорат». Расход рассола, подаваемого на ООО «Сода-Хлорат», измеряется расходомером поз.11. Для бесперебойного снабжения очищенным рассолом всех потребителей сделана перемычка между центробежными насосами, подающими рассол в цех №1 кальцинированной соды и  ООО «Сода-Хлорат».

Устройство основного оборудования станции очистки рассола. Отстойник.

Отстойник представляет собой стальной цилиндрический резервуар с коническим днищем. Он расположен на двутавровых балках, находящихся на кольцевом бетонном фундаменте. Центральная часть фундамента переходит в железобетонную колонну, заключенную в стальной кожух, и которая достигает верха отстойника. На колонне установлена стальная ферма квадратного сечения. Внизу к ферме подсоединены две диаметрально расположенные фермы с гребенками. С частотой вращения 5-7 об/ч гребки перемещают сгущенный шлам к центральной части отстойника и через трубопроводы он выводится и откачивается центробежными насосами в сборник шламовых вод. Центральная ферма, покрытая сверху стальными листами, образует квадратный короб, погруженный в жидкость на глубину около 4 м. В верхней части короба смонтирована цилиндрическая стальная чаша, в которую поступает суспензия из реактора. Из чаши суспензия через сетку с отверстиями диаметром 20 мм попадает в короб и затем поступает в отстойник ниже уровня осветленной части жидкости. Осветленный рассол переливается в кольцевой желоб через сливной порог, который должен быть строго горизонтальным,

чтобы обеспечить равномерное оседание шлама по всему сечению отстойника. Днище кольцевого желоба сделано с уклоном в сторону штуцера выхода осветленного рассола.

Реактор.

В отделении установлен реактор без перемешивающего устройства, представляющий собой цилиндрическую емкость с коническим днищем. Перемешивание рассола с реактивом происходит за счет энергии струи.

Сборники реактива, известкового молока.

Это цилиндрические аппараты с плоскими днищами, оборудованные рамными мешалками с частотой вращения 16 оборотов в минуту.

Баки-хранилища сырого и очищенного рассола.

Баки-хранилища представляют собой цилиндрические резервуары. Всего в отделении рассолоочистки установлено 2 бака для приема и хранения сырого рассола, вместимостью до 3200 м3 каждый и 4 бака для очищенного рассола, из которых

бак №1-9300 м3, бак №2- 6300 м3, баки №№11 и 12 по 8500 м3. В нижней части баков имеются штуцера и люки для вывода шлама, промывки и очистки емкостей. Рассол поступает в верхнюю часть баков-хранилищ.

Предусмотрена возможность, путем перекрытия запорной арматуры на входе и выходе рассола, отключать при необходимости баки на чистку, промывку и ремонт.


туча

Зеленые насаждения

I

конденсация

II

Водоем (океан)

III

V

IV

Залежи солей

литосфера

Ювенильная вода

Разлом

T 600°C

VII

0,00

Пески 60-80 м

60

СаСО3

2 км СаSO3

NaCl

5

6

Очищенная вода

1

2

3

4

Подъемные ножи

канал

Циклоны

2000 мм

СВ

16мм

Пластины

бункер

Верхнее положение

транспортер

Нижнее положение

00             А

00

СВ вход

СВ выход

V 2

Иос

Крупные ВВ

3-3,5 м

h~10м  А - А

Донная поверхность осаждения

2 м

вход

выход

Р1

Обрабатываемая  вода

Р2

фильтрат

Металлическая сетка

z

δ осадок

Вакуум

Рраз

Ратм

Рад

Р=0

d

Обрабатываемая вода

«корыто»

ФМ (лавсан)

L

Плоский нож для среза осадка

фильтрат

А

Очищенная вода

Обрабатываемая  вода

Цилиндрическая трубка

А-А

Обрабатываемая вода

Суспензия концентрированная

ω

Fтв

m

r

Fцент


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84088. Форма правления понятие и виды 23.65 KB
  Монархия форма правления при которой в системе высших органов власти имеется монарх. Абсолютные монархии характеризуются полнотой власти монарха в этом случае в руках монарха сосредоточена вся полпота власти. Конституционные ограниченные монархии характеризуются тем что власть монарха ограничена Конституцией на основании которой в государстве действуют два института высшей власти: монарх и парламент которые делят между собой полномочия.
84089. Монархическая форма правления её признаки и виды 22.49 KB
  Форма правления представляет собой структуру высших органов государственной власти порядок их образование и распределение компетенции между ними. Форма государственного правления дает возможность уяснить: как создаются высшие органы государства и какого их строение; как строятся взаимоотношения между высшими и другими государственными органами; как строятся взаимоотношения между верховной государственной властью и населением страны; в какой мере организация высших органов rocва позволяет обеспечивать права и свободы гражданина. По...
84090. Республиканская форма правления признаки и виды 22.12 KB
  Установлена республиканская форма правления. Эта республиканская форма правления отличается от монархии которой присуще наследование статуса главы государства. Если рассматривать форму правления с чисто формальных позиций то можно сказать что она не оказывает определяющего влияния на характер государственного строя.
84091. Смешанные формы правления в современном мире 24.83 KB
  Так было во время и после буржуазных революций в Европе и Америке: молодая прогрессивная буржуазия возглавлявшая широкие слои населения добилась ограничения власти монарха ликвидации абсолютизма установления дуалистической или парламентарной монархии а иногда и республики например в США. В ходе этого исторического развития были и своеобразные зигзаги: республика при фашизме во главе с фюрером дуче каудильо мало чем по существу отличалась от монархии хотя юридически форма была иной а республики в социалистических странах странах...
84092. Форма правления: понятие и виды 16.75 KB
  Форма правления представляет собой структуру высших органов государственной власти порядок их образование и распределение компетенции между ними. Форма государственного правления дает возможность уяснить: как создаются высшие органы государства и какого их строение; как строятся взаимоотношения между высшими и другими государственными органами; как строятся взаимоотношения между верховной государственной властью и населением страны; в какой мере организация высших органов государства позволяет обеспечивать права и свободы...
84093. Унитарное государство признаки и виды 20.55 KB
  Унитарное государство характеризуется следующими признаками: унитарное устройство предполагает единые общие для всей страны высшие исполнительные представительные и судебные органы которые осуществляют верховное руководство соответствующими органами; на территории унитарного государства действует одна конституция единая система законодательства одно гражданство; составные части унитарного государства области департаменты округа провинции графства государственным суверенитетом не обладают; унитарное государство на территории...
84094. Федерация: понятие и признаки, виды 23.76 KB
  Существуют следующие формы государственного устройства: 1 Унитарное государство 2 Федеративное государство 3 Конфедеративное на данный момент не существует в природе 4 Региональное государство Федеративное государство представляет собой добровольное объединение ранее самостоятельных государственных образований в одно союзное государство государство состоящее из государств членов или государственных образований субъектов федерации. На данный момент в мире насчитывается 24ре федерации. Федерации бывают: а Договорные и...
84095. Форма государственного устройства: понятие и виды 21.73 KB
  Территория федерации состоит из территорий ее отдельных субъектов: штатов кантов земель республик и т. Субъекты федерации имеют право принятия собственной конституции имеют свои высшие исполнительные законодательные и судебные органы 4. В большинстве федерации существует союзное гражданство и гражданство федеральных единиц. При федеральном государственном устройстве в парламенте имеется палата представляющая интересы членов федерации.
84096. Демократический режим и его признакии 22.3 KB
  В демократическом государстве существует взаимная ответственность государства и личности.Предоставление широкой свободы личности предприятиям и организациям в сфере экономической деятельности которая при демократическом политическом режиме составляет основу материального благосостояния граждан.Реальная гарантированность прав и свобод личности и реальная возможность реализовать данные права и свободы.Наличие эффективной и квалифицированной судебной защиты прав и свобод личности от произвола и беззакония со стороны кого бы то ни было.