Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 13
1.1 Основные источники загрязнений сточных вод заводов ЖБИ 13
1.2 Методы очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами 15
1.3 Оборотное водоснабжение на предприятиях производства железобетонных изделий 35
1.4 Обработка и утилизация органических осадков сточных вод 39
1.5 Выводы по главе 42
2 Аппаратура и методика исследований 44
2.1 Анализ и методика изучения сточных вод и осадков 44
2.1.1 Определение концентрации органических веществ 44
2.1. 2Определение химического состава продуктов электроокисления 45
2.2 Методика изучения кинетики электродных процессов 46
2.3 Методика определения удельной электропроводности растворов 47
2.4 Методика определения основных характеристик осадка 47
2.4.1 Определение влажности осадка 47
2.4.2 Определение зольности осадка 48
2.4.3 Определение концентрации осадка 48
2.4.4 Определение плотности осадка 49
2.5 Математические методы исследования 49
2.6 Выводы по главе 49
3 Экспериментальная часть 50
3.1 Выбор метода очистки сточных вод предприятий по производству железобетонных изделий 50
3.1.1 Химический состав загрязнений 50
3.1.2 Выбор метода очистки сточных вод 51
3.2 Электрохимическая обработка исследуемых сточных вод 53
3.2.1 Исследование кинетики процесса электроокисления эмульгированных органических загрязнений . 53
3.2.2 Выбор материала электродов 63
3.2.3 Время обработки сточных вод постоянным электрическим током 71
3.2.4 Определение рабочей плотности тока 82
3.2.5 Выбор рабочей температуры процесса 89
3.2.6 Влияние водородного показателя (рН) 92
3.2.7 Определение времени отстаивания 96
3.3 Оптимизация процесса электрохимической обработки стоков 98
3.4 Применение очищенной воды в системе оборотного водоснабжения 103
3.5 Выводы по главе 104
4 Использование обзазующегося осадка в качестве вторичного сырья 106
4.1 Изучение состава осадка 106
4.2 Предварительная обработка и использование осадка в качестве вторичного сырья 107
4.3 Выводы по главе 109
5 Технологическая схема малоотходной по технологии очистки сточных вод производства железобетонных изделий от эмульгированных органических веществ
5.1 Технологическая схема очистки сточных вод 110
5.2 Выводы по главе 114
6 Эколого-экономическое обоснование малоотходной технологии очистки сточных вод производства железобетонных изделий от эмульгированных органических веществ 115
6.1 Технико-экономический расчет 115
6.2 Выводы по главе 119
Выводы 120
Литература 122
Приложения 133
- Методы очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами
- 2Определение химического состава продуктов электроокисления
- Исследование кинетики процесса электроокисления эмульгированных органических загрязнений
- Предварительная обработка и использование осадка в качестве вторичного сырья
Введение к работе
Эффективное использование воды на промышленных предприятиях возможно при наличии единой системы водного хозяйства, включающей водоснабжение, водоотведение, очистку сточных вод, их подготовку для технического водоснабжения, исключающей сброс в водные объекты, дальнейшее использование компонентов - загрязнителей, в качестве вторичного сырья. Анализируя современное состояние методов очистки сточных вод заводов ЖБИ, следует указать на их разнообразие, однако они не позволяют создать замкнутую систему водоснабжения, реализация которой привела бы к экономии водных ресурсов и решению обозначенной проблемы. В сточных водах заводов железобетонных изделий содержатся эмульгированные органические (ЭО) соединения, избавиться от которых можно при использовании дорогостоящих неоправдывающих себя сложных технологий. Поэтому, на сегодняшний день сохраняется актуальность работ, посвященных оптимизации существующих, а также созданию экономически рациональных и ресурсосберегающих технологий очистки сточных вод заводов ЖБИ.
Отечественные и зарубежные ученые активно занимаются разработкой технологий очистки сточных вод от органических загрязнений, однако самая эффективная технология не может быть универсальной. В каждом конкретном случае требуется тщательный анализ факторов, затем корректировка метода, что в дальнейшем приводит к удорожанию воды в десятки раз. Именно поэтому существует ряд производств, где по сей день, вопрос о создании замкнутой системы не решен, так как предлагаемые методы весьма дорогостоящие. К таким предприятиям относятся заводы ЖБИ, на которых очень низкая степень возврата воды в технологический цикл, обусловленная, прежде всего, отсутствием метода, позволяющего эффективно очищать стоки, содержащие ЭО соединения.
Представленная работа посвящена разработке малоотходной технологии очистки сточных вод заводов ЖБИ от ЭО загрязнений на основе электрохимического метода, реализация которой позволит создать замкнутую систему водоснабжения и использовать выделенный при очистке осадок в производстве, что подтверждает ее актуальность.
Данная работа выполнена в соответствии с задачами, обозначенными в Федеральной программе «Чистая вода», Федеральной национальной программе «Вода России XXI века», «Экология и природные ресурсы», Федеральной Водной стратегии до 2020 года. Промышленные испытания и внедрение результатов проводились на базе ОАО «ВЗ ЖБИ № 1» (г. Волгоград), в рамках договора № 209/08 УНИР (ВолгГАСУ)
Цель работы — разработка малоотходной технологии очистки производственных сточных вод завода железобетонных изделий от ЭО загрязнений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) Проведение лабораторных исследований:
выбор метода очистки сточных вод;
определение условий разрушения ЭО загрязнений;
выявление оптимального состава раствора;
выявление технологических параметров очистки;
математическая обработка результатов экспериментов и выявление оптимальных условий очистки сточных вод;
- определение области применения выделяемых компонентов в
производстве.
2) Изготовление пилотной установки и отработка параметров
очистки, для создания технологической схемы.
3) Разработка и внедрение технологии очистки сточных вод.
Основная идея работы — совершенствование методов очистки
сточных вод предприятий строительной отрасли.
Методы исследований включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и промышленные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и планирования эксперимента.
Достоверность полученных результатов. Качество сточных вод контролировалось по стандартным методикам с применением приборов и оборудования, обеспечивающих требуемую точность и надежность результатов измерений, и подтверждена результатами внедрения в производство.
Научная новизна работы:
1) Исследованы условия разрушения водноорганических эмульсий
постоянным электрическим током.
2) Выявлены и проанализированы основные факторы,
способствующие разрушению водноорганических эмульсий под действием
постоянного электрического тока (материал электродов, электропроводность
раствора, плотность тока, состав электролита, величина рН, температура и
время обработки);
- установлены оптимальные параметры процесса очистки;
- доказана целесообразность соотношения анодной и катодной
площадей поверхностей не менее 8 : 1 соответственно;
- исследована кинетика процесса;
представлен вероятностный механизм деструкции ЭО веществ в исследуемой среде;
впервые предложены условия электрохимической обработки ЭО соединений, позволяющие выделить органические вещества в виде осадка.
Практическое значение работы:
- изготовлена пилотная установка, на которой возможно
осуществление операций: усреднение, отстаивание сточных вод,
электрохимическая обработка, вторичное отстаивание и возврат очищенной
воды в технологический цикл;
- определена область применения выделенного органического осадка;
разработана технологическая схема очистки сточных вод от ЭО загрязнителей и выделения их в виде осадка;
определены параметры для изготовления пилотной установки по очистке сточных вод заводов ЖБИ;
- проведены полупромышленные испытания на пилотной установке;
- разработаны рекомендации по использованию образующегося
осадка в качестве вторичного сырья.
Реализация результатов работы.
Разработанная в диссертационной работе технология очистки промышленных сточных вод и утилизации образующихся осадков внедрена на ОАО «ВЗ ЖБИ № 1» (договор № 209/08).
Технико-экономический эффект составил 775454,74 руб/год в ценах 2008 года.
На защиту выносятся:
- результаты экспериментальных исследований влияния основных
параметров электрообработки сточных вод на процесс очистки и выделения
загрязнителей в виде осадка;
параметры оптимизации процесса очистки сточных вод;
технологическая схема очистки сточных вод от ЭО загрязнителей;
- рекомендации по применению образующихся осадков в качестве
вторичного сырья.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель работы, научная новизна, практическая значимость и сведения об апробации результатов работы.
В первой главе произведен обзор существующих и используемых в практике методов очистки сточных вод загрязненных ЭО соединениями.
Анализ литературных источников показал, что предлагаемые методы, позволяющие внедрить систему замкнутого водоснабжения, имеют ряд недостатков: дороги в. строительстве и эксплуатации и требуют высокой
9 квалификации персонала. Поэтому существует ряд производств, не решивших задачу возврата в технологический цикл очищенной воды. К таким предприятиям относятся заводы ЖБИ.
Эмульгированные органические вещества содержатся в сточных водах заводов ЖБИ, образующихся в технологическом цикле при промывке оборудования и в пропарочных камерах (конденсат). В подобных сточных водах содержатся компоненты, которые целесообразно не переводить в отход, а использовать в качестве вторичного сырья. Однако, на сегодняшний день не разработана экономичная малоотходная технология по очистке сточных вод заводов ЖБИ.
В основе очистки подобных сточных вод лежат методы механической очистки, центрифугирования, коагуляции, напорной флотации, ультрафильтрации и обратного осмоса, а также биологический и термический методы, но в результате безвозвратно теряются ценные компоненты, прежде всего, органического происхождения. Для очистки сточных вод от органических соединений часто используют окислительные процессы, но химическое окисление полностью разрушает молекулу. С целью максимального сохранения органического компонента целесообразно проводить исследования, как показал анализ литературных источников, использовать электрохимический метод. В настоящее время получили развитие методы электрообработки как эффективные и прогрессивные в технологии очистки воды.
Большой вклад в решение этого вопроса внесен отечественными учеными С. В. Яковлевым, И. Г. Краснобородько, М. Т. Никифоровым, Ю.М. Ласковым, Е.В. Алексеевым и многими другими.
Преимуществом использования электрического тока в технологии очистки сточных вод является то, что при нем происходит прямое превращение электрической энергии в энергию химической реакции, протекающей в растворе с большой скоростью, что существенно при ресурсосбережении. Установки по реализации этих методов достаточно
10 компактны, высокопроизводительны, процессы управления и эксплуатации сравнительно просто автоматизируются. Кроме того, электрообработка при правильном сочетании ее с другими способами позволяет успешно очищать сточные воды от ряда примесей различного состава и дисперсности. Весьма позитивным являются также то, что при электрообработке, как правило, не увеличивается солевой состав очищенной воды и нередко исключается образование осадков или значительно уменьшается их количество. Все это обеспечивает в ряде случаев существенные преимущества электрохимических методов перед традиционными методами обработки воды. Однако в каждом конкретном случае требуется тщательный анализ факторов, затем корректировка метода.
Анализ литературных источников показал, что электрохимический метод ранее не был применен для очистки сточных вод, содержащих эмульгированные органические вещества. Несмотря на наличие ряда исследовательских работ, и технических решений, метод электрохимического окисления для очистки сточных вод заводов ЖБИ не предлагался. Одной из причин этого является сложность выбора анодного материала, изучение кинетики процесса и других факторов, которые в совокупности позволили бы создать малоотходную технологию , очистки сточных вод, позволяющих осуществлять возврат воды в производство, а содержащиеся в воде компоненты использовать в качестве вторичного сырья при максимальной простоте аппаратурного оформления.
Во второй главе дано описание аппаратуры и методики исследований. Изучение процесса очистки проводилось в лабораторных и промышленных условиях.
Целью третьей главы являлось определение способа очистки рассматриваемых сточных вод, позволяющего максимально извлечь органические компоненты. По результатам предварительных исследований был выбран метод электрохимической обработки сточных вод.
В результате проведенных исследований было изучено влияние основных параметров процесса электрохимической очистки стоков (материал электродов, плотность тока, время обработки, температура, рН, электропроводность раствора). Исследования проводились на модельных и реальных растворах.
После математической обработки результатов экспериментов были определены оптимальные параметры проведения процесса электрохимической очистки сточных вод завода ЖБИ от эмульгированных органических загрязнений.
В четвертой главе был исследован состав обезвоженного осадка и были сделаны выводы о возможности применения его, после предварительного обезвоживания, в качестве эмульгатора битумных и дегтевых эмульсий, а также в качестве добавки к бетонной смеси для снижения внутреннего напряжения ЖБИ.
В пятой главе представлена разработанная технологическая схема очистки сточных вод от ЭО веществ заводов ЖБИ.
В шестой главе произведен расчет эколого-экономического эффекта за счет снижения платы за загрязнение окружающей среды, а также снижения количества потребляемой свежей воды.
В конце диссертационной работы приведены основные выводы, где проанализированы наиболее значимые экспериментальные результаты.
Приложение содержит акты выполненных работ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на VIII Всероссийской выставке научно—технического творчества молодежи (Москва, ВВЦ, 2008 г.), на региональных межвузовских научно-практических конференциях «XII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград 2007 г.), «XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области» (Волгоград 2008), на «Научно-практической студенческой конференции» (Волгоград 2008 г.), на «Научно-практической студенческой конференции»
12 (Волжский 2008 г.), на II научно—практической студенческой конференции «Городу Камышину — творческая молодежь» (Камышин 2008 г.), на Международной научно-практической конференции «Инновационные организационно-технологические ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области» (г. Волгоград 2008), отмечена Грантом Волгоградской области «Исследование и разработка новых перспективных материалов и технологий наноуровня. Лот № 5. Использование нанотехнологических процессов в проблеме повышения качества питьевой воды и очистки сточных вод.» (г. Волгоград 2009).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ, 1 монография.
Методы очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами
Ввиду большой устойчивости сточных вод, загрязненных эмульгированными органическими соединениями, сброс на общие очистные сооружения ухудшает качество очистки городских стоков, поскольку эмульгированные частицы органического происхождения не задерживаются в отстойниках и нарушают работу фильтров доочистки. В связи с этим стоки подвергают предварительной обработке путем фильтрования, продувки воздухом и другими методами очистки. Альтернативным путем обработки эмульсий является их разрушение.
Имея данные по расходам сточных вод, их подробную характеристику, в том числе и по содержанию примесей, а также требования к очищенной воде, можно отобрать для проверки несколько методов. Затем, на основании экспериментальных исследований с учетом технико экономических показателей выбрать оптимальный метод очистки сточных вод [5].
Анализ научно-технической литературы по очистке, обезвреживанию, регенерации и утилизации промстоков, содержащих загрязнители органического происхождения, свидетельствуют о том, что этой проблемой интенсивно занимались и занимаются ученые. Этому вопросу посвящены труды таких ученых как С. В. Яковлев, И. Г. Краснобородько, М. Т. Никифоров, Ю.М. Ласков, Е.В. Алексеев и др.
В настоящее время для очистки сточных вод, загрязненных эмульгированными органическими веществами, то есть представляющих собой эмульсии, в той или иной степени, применяют следующие методы: механическая очистка, центрифугирование [6], коагуляция, напорная флотация [7], электрохимические методы [8], ультрафильтрация и обратный осмос [9], а также биологический [10] и термический методы [11]. Применяют, также комбинации этих методов.
Выбор метода очистки сточных вод промышленных предприятий зависит от многих факторов: качественного состава сточных вод, их количества, возможности и экономической целесообразности извлечения примесей из сточных вод, требований к качеству очищенной воды при ее использовании для повторного и оборотного водоснабжения или при сбросе в водоем [12].
Механическую очистку сточных вод применяют преимущественно как предварительную. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60 - 65%, а из некоторых производственных сточных вод на 90 - 95%. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к специальным этапам, где используются физико-химические и биологические методы [13].
Отстаивание - наиболее простой и часто применяемый способ выделения из сточных вод грубодисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дне отстойника или всплывают на его поверхности [14].
Центрифугирование. В процессе центрифугирования под действием центробежных сил при большой частоте вращения (фактор разделения не менее 7250) происходит разрушение коллоидного раствора, и частицы, имеющие меньшую плотность (органические соединения), отделяются от основной водной среды. Для облегчения этого процесса следует удалить гидратную оболочку с поверхности мицелл, что делают путем добавки к сточной воде кислоты. При наличии центрифуг в кислотостойком исполнении процесс ведут в одну ступень: сточную воду подкисляют до рН = 1-2, после чего под действием центробежных сил коллоидная система разрушается и полностью разделяется [6].
Методы механической очистки позволяют выделять из воды частицы размерами, как правило, от 10 мкм и более. Оставшиеся в воде чрезвычайно малые по размерам дисперсные примеси образуют весьма устойчивую коллоидную систему - эмульсию. Агрегативная устойчивость такой дисперсной системы определяется степенью дисперсности, поверхностными и электрокинетическими свойствами частиц, а также наличием других примесей (электролитов, поверхностно-активных и иных веществ). Одним из распространенных методов нарушения агрегативнои устойчивости таких систем является коагуляция, под которой понимается процесс образования в системе из мелких частиц более крупных агрегатов, легко удаляемых из воды механическими методами [16].
В широком плане коагуляция дисперсных систем может быть осуществлена различными способами, выбор которых обусловлен действующими на устойчивость систем факторами и экономическими соображениями [17]. Для очистки воды наибольшее распространение получила гетерокоагуляция, в основе которой лежит взаимодействие мелкодисперсных и коллоидных частиц, с агрегатами, образующимися при введении в воду коагулянтов — солей, способных образовывать мелкокристаллические или аморфные структуры, малорастворимые в воде.
Коагуляция коллоидов (эмульсий) может быть также осуществлена с помощью электролитов, под воздействием физических или химических факторов (перемешивания, нагревания, электрических и магнитных полей, ультразвуковых колебаний и др.) [18].
Механизм коагуляции, и, прежде всего гетерокоагуляции, во многом определяется электрокинетическими свойствами дисперсной системы. Коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, которые значительно понижают свободную поверхностную энергию частиц. Ионы, непосредственно прилегающие к поверхности частицы, образуют так называемый адсорбционный слой. В этом слое может находиться также небольшое число противоположно заряженных ионов, суммарный заряд которых все же не компенсирует заряда поверхностных ионов. Вследствие этого на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд и вокруг частицы с адсорбционным слоем (гранулы) образуется диффузный слой, в котором находятся противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Коллоидные частицы под действием диффузионных сил стремятся равномерно распределиться во всем объеме жидкой фазы. При этом наличие у частиц одноименных электрических зарядов вызывает их взаимное отталкивание. В некоторых случаях имеют место и силы отталкивания неэлектростатической природы. При гетерокоагуляции сточных вод в настоящее время широко используют неорганические коагулянты в виде солей алюминия и железа [19,20].
2Определение химического состава продуктов электроокисления
Для анализа состава сточных вод используют методы элементарного и функционального анализа [90], позволяющие определить атомы каких элементов входят в состав молекул органического вещества.
Органические продукты, извлеченные из сточных вод ЧХУ, анализировали на хромато-масс-спектрометре Agilent 5975 С и спектрометре.
Для анализа экстракта на хромато-масс-спектрометре использовался прямой ввод продукта в камеру ионизации с температурой 523 К, энергия электронного пучка 70 эВ.
Одновременно проводилась работа по определению состава органической фракции методом тонкослойной хроматографии.
Качественное определение веществ на хроматограммах проводится тремя способами: визуальное сравнение интенсивности окраски зон, измерение площади пятна и денситометрии [91].
В настоящем исследовании органические вещества, содержащиеся в растворе, определяли в тонких слоях сорбента (окиси алюминия) визуальным сравнением интенсивности окраски зон [92], с последующим разделением их на адсорбционной колонке. На стеклянную пластину наносят слой алюминия толщиной от 0,25 до 2 мм, затем исследуемое вещество. Пластину помещают в ванночку под небольшим углом к горизонту и герметично закрывают, при чем стартовая линия не должна соприкасаться с элюэнтом (диэтиловым эфиром). Угол, под которым располагают пластинку, должен быть таким, чтобы сорбент (окись алюминия) не сползал с пластинки. После того, как фронт элюэнта поднимается на высоту всей пластины, последнюю обрабатывают с целью выявления пятен раствором йода в крахмале. Положение пятна характеризуется фактором замедления Rf.
Основной метод изучения механизма электродных процессов -установление характера зависимости электрохимической реакции от потенциала электрода. Потенциостатические исследования проводились с использованием потенциостата ПИ-5 0-1.1 в комплекте с программатором ПР-8 и двухкоординатным регистрирующим прибором (самописцем) ПДА1. В опытах применялась ячейка электрохимическая импульсная ЯЭ-И [93].
Поляризационные кривые снимались на анодах из платины, графита и нержавеющей стали. Поляризационные кривые регистрировались со скоростью развертки потенциала 2 мВ/с. Изучение влияния природы металла катода проводилось в потенциостатическом режиме. Потенциал анода измерялся относительно хлорсеребряного электрода и приведен к водородной шкале.
Поляризационные кривые, снятые в указанных режимах, не могут характеризовать скорость какого-либо процесса, так как они являются суммарными и отражают совокупность всех протекающих на электроде реакций. Цель исследования состоит в выявлении зависимости удельной электропроводности растворов от температуры [93]. Для проведения работы использовали кондуктометр типа КЭЛ-1М в комплекте с первичным преобразователем. Баланс массы влажного осадка может быть представлен в следующем виде:
В лабораторных условиях определение влажности осадка производится следующим образом. В предварительно прокаленную и взвешенную с точностью до 0,01 г фарфоровую чашку наливают хорошо перемешанный осадок. На технических весах отвешивают 100 г осадка и высушивают его на водяной бане досуха, после чего ставят в сушильный шкаф и сушат при 105С до постоянной массы. Затем охлаждают в эксикаторе и взвешивают. Тогда начальная влажность исходного осадка WH %, определяется из выражения (4): где mi - масса чашки с влажным осадком, г; пъ- масса чашки с высушенным осадком, г; т0 - масса пустой фарфоровой чашки, г [95].
Величина зольности характеризует содержание в осадке минеральных примесей. Для определения зольности осадка в лабораторных условиях высушенный осадок (обычно используется навеска, которая остается после определения влажности) помещают в фарфоровый тигель, предварительно прокаленный и взвешенный. Затем тигель с осадком помещают в муфельную печь и в течение 20 мин прокаливают при температуре 800С. После этого тигель охлаждают в эксикаторе и взвешивают на аналитических весах.
Зольность осадка определяется по формуле: где т3 - масса тигля с прокаленным осадком, г; 1П0 - масса пустого тигля, г; ПІ2- масса тигля с навеской высушенного осадка, г [95].
Суспензии, к которым относится и осадок сточных вод, характеризуются также концентрацией находящихся в них веществ. Количество находящихся в 1мл осадка твердых частиц сухого или растворенного вещества, г/мл, называется его концентрацией и выражается следующей зависимостью:
Плотность р, г/мл, осадка характеризует массу единицы его объема и выражается отношением массы всех составных компонентов осадка к его объему, т. е.
Цилиндр емкостью 200 мл взвешивают на технических весах и помещают в него осадок, встряхивая цилиндр на ладони после каждого добавления осадка. Цилиндр, заполненный осадком до метки 50 мл, вновь взвешивают. Разность масс цилиндра с осадком и пустого цилиндра, увеличенная в 2 раза, - масса осадка в 40 мл, т. е. плотность осадка [95].
Полученные экспериментальные данные обработаны известными методами статистики и планирования эксперимента [104 - 108], которые реализованы программно в операционных мультипликативных средах Excel 2003 и MathCAD 6.0+ [110,111]. Достоверная вероятность получаемых зависимостей не менее 0.9.
Представлены основное оборудование и методики, которые использовались при проведении лабораторных исследований.
Исследование кинетики процесса электроокисления эмульгированных органических загрязнений
Сущность метода электрохимической очистки сточных вод заключается в обработке сточной жидкости постоянным электрическим током в аппарате с нерастворимыми, в условиях анодной поляризации, электродами. Для успешного осуществления электрообработки необходим соответствующий подбор материала анода и определенных режимных параметров обработки: плотности тока, времени обработки стоков, а также, температуры и рН среды [8].
Для дальнейших исследований были изучены кинетика реакций, протекающих в приэлектродных пространствах, и проанализированы продукты обозначенных реакций. Полученные результаты показали, что в прианодном пространстве протекает деструкция ЭО загрязнений до прогнозируемых структур и лишь незначительная их часть полимеризуется на катоде. Полученные данные позволили сформулировать вероятностный механизм анодной реакции на примере нафтенов (рис. 1).
В прикатодном пространстве, в основном, происходят реакции электровосстановления органических веществ в водных средах, связанные с механизмом выделения водорода на электроде и поэтому говорят о различных по своей природе восстанавливающих агентах: электронах, ионах или атомах водорода. Часто в электрохимической реакции на катоде участвуют непосредственно молекулы органического вещества, превращаясь в органические анионы:
При этом последующей стадией процесса является нейтрализация аниона с образованием продукта гидрирования: Возможно также одновременное участие в разряде иона водорода и молекулы органического вещества:
При высоком потенциале катода могут образовываться в качестве промежуточных продуктов реакции свободные радикалы, способствующие высокой реакционной активности органических соединений [8].
На ход процесса восстановления влияет характер заместителя (электроотрицательные и электроположительные группы) и его положение в восстанавливаемой молекуле, материал катода, условия электролиза и, особенно, состав раствора [117].
Органические соединения, электролитически восстанавливаются на металлах с высоким перенапряжением (Hg, Pb, Cd и др.) [118], что требует значительного расхода электроэнергии и практически неосуществимо в условиях очистки больших объемов сточных вод. Однако, катодные процессы восстановления, протекающие в электролизерах, сопряжены с анодными процессами окисления, но они вносят несущественный вклад в общий процесс выделения органических соединений.
Поскольку электрохимическое обезвреживание сточных вод целесообразнее осуществлять окислением органических соединений на аноде особое внимание, как уже отмечено, следует уделять выбору анодного материала. Основная трудность возникает вследствие того, что большинство металлов термодинамически неустойчивы в условиях анодной поляризации (происходит их растворение или пассивация) [117,118].
Основным фактором, обусловливающим пригодность того или иного материала в качестве анодов, является достаточная механическая прочность, технологичность изготовления и химическая устойчивость к агрессивным средам [120]. Одним из основных показателей, характеризующих электрохимическую активность электродного материала является перенапряжение (г), т. е. отклонение фактического потенциала электрода от равновесного потенциала протекающей на нем реакции [121]. Чем меньше перенапряжение реакции на данном электроде, тем при более низком потенциале электрода и, следовательно, при меньших затратах электроэнергии осуществима эта реакция. Выделение, например, водорода, кислорода, хлора на различных электродах происходит при разных потенциалах, и при выборе материала электродов для проведения определенной электрохимической реакции необходимо учитывать значение перенапряжения [123].
В частности, в процессах электрохимической очистки высокое перенапряжение выделения водорода на катоде и кислорода на аноде сказывается на увеличении непроизвольно расходуемой энергии [124]. Из этого следует, что в качестве материала электродов наиболее пригодны металлы с низким перенапряжением, например платина, однако в силу экономических факторов для исследования применялись электроды из графита и нержавеющей стали.
Предварительная обработка и использование осадка в качестве вторичного сырья
Образующиеся при очистке сточных вод осадки условно классифицируют на следующие основные категории: минеральные, органические осадки и избыточный активный ил [84]. Полученный в результате очистки сточных вод завода ЖБИ от эмульгированных органических загрязнений, осадок относится к органическим осадкам. Наиболее легко обезвоживаются минеральные осадки и гораздо труднее органические [14]. Технологические схемы обработки и последующего обезвоживания органического осадка включают, как правило, следующие стадии предварительное уплотнение, обезвоживание, термическую сушку (сжигание).
На стадии предварительного уплотнения органического осадка наибольшее распространение получили отстаивание и флотация. Так как количество осадка составляет 2 - 2,3 кг/м , то применение флотации не целесообразно [83].
В настоящее время перспективными являются технологические способы обезвоживания осадков, включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и удобного для транспортировки, хранения [82]. Таким образом, после предварительной обработки, образующийся осадок может использоваться в качестве вторичного сырья в различных направлениях, представленных на рис. 58.
Таким образом, изучив химический состав осадка, образующегося при очистке сточных вод по предлагаемой в работе технологии, можно сделать вывод о возможности использования его в качестве эмульгатора при производстве битумных и дегтевых эмульсий. Эмульсии данного типа применяют для грунтовки основания под гидроизоляцию, приклеивания рулонных и штучных битумных и дегтевых материалов, для устройства гидро- и пароизоляционного покрытий и в качестве вяжущего вещества при изготовлении асфальтовых (дегтевых) растворов и бетонов, то есть рпи производстве строительных материалов.
Предлагаемая технологическая схема очистки сточных вод от эмульгированных органических загрязнений может быть как периодического, так и непрерывного действия. Принципиальная схема установки показана на рисунке 59
Сточная вода поступает в приемный резервуар, в котором происходит предварительное отстаивание сточной жидкости для отделения взвешенных веществ, в течение 30-50 минут.
Подготовленная сточная вода из нижней части приемной камеры, при помощи насоса через расходомер подается в электролизер. В электролизере жидкость подвергается воздействию электрического тока в течение 3—7 минут. После обработки в электролизере, вода отстаивается в течение 30 минут в электролизере для отделения хлопьевидного органического осадка. Далее после осветления вода подается для доочистки от тонкой органической взвеси на фильтр с зернистой загрузкой, материалом загрузки в котором служит дробленый керамзит. Высота загрузки насыпного фильтра составляет 800 - 1000мм. После чего вода может использоваться для обеспечения технологических нужд производства. Осадок после предварительного обезвоживания на фильтр-перссах может быть использован в производстве в качестве вторичного сырья как эффективный эмульгатор при производстве битумных и дегтевых эмульсий.
При разработке электролизера необходимо учитывать его объем, материал конструкции и электродов. В результате проведенной работы предлагается следующая конструкция электролизера.
Электролизер представляет собой прямоугольный пластмассовый резервуар. Внутри находится анод и катод, выполненные из нержавеющего стального листа. Также имеется штуцер для отвода осветленной воды и штуцер для отвода осадка. Электроды имеют ряд отверстий в боковой части для подсоединения шины, питающей электролизер, током. Для определения оптимального соотношения площадей катода и анода проведены исследования зависимости соотношения площади анода к площади катода от степени очистки сточных вод от эмульгированных органических соединений при плотности тока 0,63 А/дм2, времени обработки 7 мин., температуре 20С, рН = 7, материал электродов - нержавеющая сталь, результаты представлены в таблице 15. По экспериментальным данным видно, что оптимальное соотношение площади поверхности анода к площади поверхности катода составляет 8:1.
