Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор по методам очистки сточных вод предприятий текстильной промышленности 13
1.1. Методы очистки сточных вод 14
1.1.1. Химические методы 14
1.1.2. Флотация 16
1.1.3. Удаление сульфидов 18
1.1.4. Коагуляция 19
1.1.5. Тонкослойное отстаивание 23
1.2. Методы глубокой очистки сточных вод 25
1.2.1. Адсорбционные методы 25
1.2.2. Фильтрование І 28
1.2.3. Мембранные методы 30
1.3. Выводы 33
ГЛАВА 2. Сточные воды предприятий хлопчатобумажной промышленности и теорети ческие предпосылки выбора направлений исследований 36
2.1. Характеристика сточных вод 36
2.1.1. Основные загрязнения сточных вод 43
2.1.2. Классификация сточных вод по характеру загрязнений
2.2. Обоснование разработки технологической схемы глубокой очистки сточных вод 47
2.3. Теоретические предпосьшки выбора направлений исследований 49
2.4 Выводы з
глава 3. Исследование по очистке сточных вод методом тонкослойного отстаивания в статических и динамических условиях 67
3.1. Исследования в статических условиях 68
3.1.1. Определение значений коэффициента агломерации взвешенных веществ 68
3.1.2. Зависимость эффективности очистки сточных вод от доз минеральных коагулянтов 73
3.1.3. Определение оптимальных доз минеральных коагулянтов и флокулянтов при их совместном использовании 75
3.2. Описание лабораторных тонкослойных отстойников и методики проведения исследований в динамических условиях 78
3.2.1. Влияние скорости подачи сточной воды в тонкослойный отстой ник на эффективность осаждения взвешенных веществ 84
3.2.2. Влияние материала и угла наклона тонкослойных элементов на эффективность осаждения взвешенных веществ 93
3.2.3. Показатели очистки потоков сточных вод при использовании реагентов 96
3.3. Выводы 100
ГЛАВА 4. Исследования по глубокой очистке сточных вод на каркасно-засыпном фильтре 102
4.1. Лабораторная установка и методика исследований 102
4.1.1. Определение конструктивных параметров фильтра 107
4.1.2. Определение оптимальных технологических параметров фильтрации 112
4.2. Выводы 118
ГЛАВА 5. Исследования по глубокой очистке сточных вод методом ультрафильтрации 120
5.1. Ультрафильтрационные установки и методика проведения исследований 120
5.2. Оптимальные параметры ультрафильтрации и селективные свойства мембран
5.2.1. Исследования по глубокой очистке сточных вод от ПАВ и красителей 126
5.2.2. Показатели глубокой очистки сточных вод при использовании различных мембран 130
5.3. Регенерация ультрафильтрационных мембран 131
5.4. Выводы 134
ГЛАВА 6. Технологическая схема глубокой очистки сточных вод предприятий хлопчатобумажной промышленности с целью их повторно-оборотного использования 136
6.1.1. Особенности методов очистки сточных вод трех потоков 136
6.1.2. Технология обработки осадков сточных вод 139
6.1.3. Технологическая схема глубокой очистки сточных вод и обработки их осадков 143
6.2. Характеристики глубоко очищенных сточных вод и сферы их оборотного использования 145
6.3. Основные показатели экономической целесообразности разработанной технологии 148
6.4. Выводы 152
Основные выводы. 154
Список использованной литературы
- Методы глубокой очистки сточных вод
- Классификация сточных вод по характеру загрязнений
- Определение оптимальных доз минеральных коагулянтов и флокулянтов при их совместном использовании
- Оптимальные параметры ультрафильтрации и селективные свойства мембран
Методы глубокой очистки сточных вод
Применение метода флотации при очистке сточных вод предприятий текстильной промышленности обосновывается наличием в них больших количеств ПАВ, которые обладают высокой пенообразующей способностью.
Для повышения эффективности флотации в сточных водах вводят реагенты, в том числе и применяемые авторами данной работы коагулянты и флокулянты.
В целом к вопросу очистки сточных вод предприятий текстильной промышленности методом флотации обращалось достаточно много отечественных и зарубежных специалистов. Большой вклад в разработку и внедрение новых конструктивных решений флотаторов, а также - новых технологических схем, в том числе с целью повторно-оборотного использования очищенных вод, внесли и сотрудники кафедры Водоотведения МГСУ во главе Ю.М. Ласковым [19 - 27].
Исследования по очистке сточных вод тонкосуконной фабрики методом флотации при оптимальной продолжительности процесса - от 30 до 45 мин. и интенсивности подачи воздуха 12-16 м3/м2ч дали следующие показатели эффективности очистки: по смеси ПАВ - 47%; по ХПК - 26,4%; по БПК5 - 27,4%; по интенсивности окраски - 38,4% [24].
Однако, метод флотации способен обеспечить достаточно высокую эффективность очистки сточных вод предприятий текстильной промышленности от ПАВ и красителей, но при определенных значениях рН среды сточных вод. Так, в работе [28] достигается 65-100% обесцвечивание сточных вод при исходной концентрации красителей 10-26,5 мг/л и значении рН=2,0-3,0 и одновременно при наличии в сточных водах смеси анионных ПАВ и основных ПАВ с катионными красителями.
Авторами работы [29] в опытных условиях получено почти 100%-е удаление некоторых красителей при соответствующих значениях рН среды.
Для очистки сточных вод предприятий текстильной промышленности наиболее эффективен метод реагентной напорной флотации, который позволяет снизить интенсивность окраски, взвешенные вещества и ХПК на 90-98% и ПАВ - до 65-67%. Но и этот метод не лишен недостатков - не достаточно высокий эффект использования объема флотаторов по сравнению с другими очистными сооружениями; количество воздуха обычно составляет до 5% от объема обрабатываемой сточной воды; необходимость регулирования размеров подаваемых пузырьков воздуха, к которым прилипают дисперсные частицы; необходимость тщательного удаления образующегося флотоконденсата с поверхности флотаторов; объем образующегося флотоконденсата в некоторых флотаторах доходит от 13 до 21% объе 18 ма очищенной воды [23], при этом для проведения процесса пенной флотации в сточной воде должны содержаться ПАВ, обладающие достаточной пенообразующей способностью. Объем флотоконденсата после электрофлотационной очистки сточных вод предприятий текстильной и трикотажной промышленности, составляет 2-3% объема [19] при довольно ограниченном интервале рН среды - 8-9 [21, 25].
Как известно, наличие сернистых красителей в технологических процессах крашения приводит к содержанию сульфидов в сточной воде. В предприятиях текстильной промышленности объем используемых сернистых красителей в среднем составляет от 10 до 30% объема всех используемых красителей. Поэтому, автор данной работы очистку сточных вод сернистого крашения рассматривает отдельно.
По литературным данным довольно часто встречается метод каталитического окисления. Так, окисление сульфида натрия в сточной воде проводится в щелочной среде р№=9-12 кислородом воздуха. В качестве катализаторов используются антрахинон, мышьяк, активированный уголь, пиролюзит, хлорид железа или меди [30], а также хлорид марганца [31] или соли тяжелых металлов, например - соли кадмия [32]. Распространен и способ жидкофазного окисления. В этом случае сернистые окисления -сульфиды, полусульфиды в высоких температурах (до 190С) окисляются до сульфатов [33].
Принципиальная схема по окислению сульфидов кислородом воздуха с описанием происходящих химических реакций приведена в литературе [33]. Отмечается, что выделяющийся сероводород, выносимый дымовыми газами и паром, можно направить на сжигание, а при использовании диоксида углерода сероводород уже может служить сырьем для получения серной кислоты.
Для эффективной очистки сточных вод красильных производств текстильной промышленности от сульфидов авторы работы [34] предлагают обработку сточных вод железосодержащим реагентом с последующим отделением осадка. Железосодержащий реагент добавляют в сточную воду в соотношении Fe3+:H2S от 1:1 до 1,2:1.
По рекомендациям исследователей Ласкова Ю.М. Труновой Н.А., Григорьева А.Б. и др. при высоких концентрациях сульфидов - 100-200 мг/л и объеме сточных вод до 1000 м3 наиболее выгодна очистка с использованием сульфата двухвалентного железа [2, 19]. Поскольку сточные воды сернистого крашения Московской ситценабивной фабрики соответствуют упомянутым пределам по концентрации и по объему, то в данной работе тоже предусматривается использование двухвалентного железа.
Классификация сточных вод по характеру загрязнений
Каждый из рассмотренных в табл. 2.7 показатель характеристики сточных вод отдельных потоков имеет не только самостоятельное значение, но и, определенным образом, увязан с другими показателями. Поэтому только на основании сопоставления всех основных показателей можно дать комплексную оценку загрязненности сточных вод каждого потока и дифференцированным подходом избирать методы его очистки и глубокой очистки.
Известно, что отношение БПКПОЛН../ХПК 0,67 - позволяет судить о целесообразности применения биологических методов очистки. Так, для производственных сточных вод, сбрасываемых в городскую систему водо-отведения, это отношение должно быть не менее 0,67 [33].
Несмотря на довольно высокие средние значения показателей загрязнений сточных вод указанных потоков по БПКполн. и ХПК, их соотно 48 шение получается не более 0,5. Кроме того, окисление основных загрязнений сточных вод предприятий хлопчатобумажной промышленности - ПАВ и красителей, в процессе биохимической очистки осуществляется крайне медленно и не полностью. Поэтому, очистку сточных вод предприятий хлопчатобумажной промышленности целесообразно осуществлять физико-химическими методами.
Согласно данным упомянутой таблицы, довольно высоки и значения по взвешенным веществам в сточных водах всех трех потоков. Так как процесс гравитационного отстаивания является достаточно эффективным и малоэнергоемким процессом задержания взвешенных веществ, а разделение общей зоны отстаивания тонкими слоями на ряд элементарных зон значительно ускоряет процесс отстаивания, то для первой стадии очистки сточных вод каждого из трех потоков возможно провести в тонкослойных отстойниках.
Скорость осаждения взвешенных веществ в тонкослойных отстойниках можно увеличить путем укрупнения оседающей взвеси, вводя в сточную воду химические реагенты - коагулянты и флокулянты.
Применение реагентов может обеспечить довольно высокую степень очистки по интенсивности окраски, взвешенным веществам и по другим показателям загрязнений сточных вод.
В данной работе исследованиями выявлены типы конкретных реагентов и их оптимальные дозы для каждого потока отдельно при тонкослойном отстаивании. Оптимальные дозы реагентов определяли согласно результатам исследований по снижению интенсивности окраски, взвешенным веществам и ХПК, а для сточных вод сернистого крашения (2-й поток) - также и по сульфидам.
В соответствии характерам загрязнений каждого из трех потоков сточных вод предлагается технология их очистки. Для глубокой очистки сточных вод 1-го потока (сточные воды красильного и печатного цехов) с целью максимального их обесцвечивания рекомендуется следующая технология: - отстаивание в тонкослойном отстойнике с применением реагентов; - фильтрование на каркасно-засыпном фильтре; - ультрафильтрация на трубчатом модуле. Интенсификацию очистки сточных вод 2-го потока (сточные воды сернистого крашения) рекомендуется проводить в тонкослойном отстойнике при применении минерального коагулянта сульфата железа для удаления сульфидов.
Сточные воды 2-го потока после очистки от сульфидов смешивались для глубокой очистки с сточными водами 3-го потока (сточные воды от-бельно-мерсеризационного и отделочного цехов).
Для глубокой очистки смешанного стока (сточных вод 2-го и 3-го потоков) рекомендована следующая технология: - отстаивание в тонкослойном отстойнике с применением реагентов; - отстаивание в тонкослойном отстойнике без применения реагентов; - фильтрование на каркасно-засыпном фильтре.
В разрабатываемой технологической схеме очистки и глубокой очистки сточных вод используется сочетание различных высокоэффективных физико-химических методов очистки и доочистки сточных вод. В итоге прогнозируется возможность повторно-оборотного использования очищенных вод в технологических процессах.
Процесс гравитационного отстаивания, который применяется для выделения из сточных вод нерастворимых оседающих и всплывающих веществ различного гранулометрического состава и удельного веса, доста 50 точно эффективен, не требует больших энергозатрат, и поэтому широко распространен в технологии очистки природных и сточных вод.
Известно, что любое тело, находящееся в жидкости, подвергается Архимедовой силе. По сути, отстаивание - это процесс разделения суспензий под действием Архимедовой силы из-за разницы плотностей частиц загрязнений (р) и плотности жидкости (ро). При р-ро 0 частицы осаждаются, при р-ро 0 - всплывают. Архимедова сила, действующая на шарообразную частицу в жидкости, выражается следующей формулой: C = 0,524 ?(p-p0)g, (2.1) где d - диаметр частицы, см; ри ро- соответственно плотность частицы и жидкости, г/см ; g - ускорение силы тяжести, см/с2. Эффективность работы отстойников определяется концентрацией оседающих веществ, а скорость их оседания (гидравлическая крупность) является основным параметром при технологическом расчете отстойных сооружений любого типа и назначения.
Определение оптимальных доз минеральных коагулянтов и флокулянтов при их совместном использовании
Известно, что в тонкослойных отстойниках глубина слоя отстаивания обычно составляет 50-200 мм. В указанном диапазоне изменения глубины для инженерных расчетов можно использовать данные кинетики, полученные в лабораторных цилиндрах при глубине слоя жидкости 100 мм [54].
Отличительная черта от других исследователей, изучавших очистку сточных вод предприятий хлопчатобумажной промышленности при использовании минеральных коагулянтов сульфата алюминия и сульфата двухвалентного железа в статических условиях, состоит в том, что в нашем случае была четко фиксирована высота слоя отстаивания (Нц=100 мм).
Поскольку остаточные ионы железа могут давать цветность очищенной сточной воде, что не желательно при ее повторно-оборотном использовании, поэтому, в основном, применяли минеральный коагулянт сульфата алюминия в сочетании с флокулянтами. Только при очистке сточных вод сернистого крашения (который составляет лишь незначительную часть от общесуточных производственных сточных вод) был применен сульфат двухвалентного железа.
Согласно литературным сведениям [2, 102] при использовании минерального коагулянта сульфата алюминия наибольшой эффект очистки сточных вод данной отрасли достигается при рН среды от 6,5 до 9,0. По 74 этому, как на данном этапе, так и в дальнейших исследованиях при очистке данным коагулянтом рН среды сточной воды была нейтральной.
Сточные воды сернистого крашения (2-й поток) при довольно маленьком расходе, отличаются высокими исходными показателями по интенсивности окраски, ХПК, БПК и сульфидам. Поэтому, на первой стадии целесообразна отдельная очистка данного потока в тонкослойном отстойнике при использовании сульфата двухвалентного железа дозами от 1,7 до 2,9 г/л.
Исследование проводили при характерной для данного потока щелочной среде (рН= 10,0-10,2) согласно методике [117]. По данным результатов исследований при крайних значениях исходных концентраций по сульфидам (Со), ХПКо и интенсивности окраски (К0) оптимальная доза FeS04 колеблется от 2,0 до 2,9 г/л. (рис.3.3.).
Определение оптимальных доз минеральных коагулянтов и флокулянтов при их совместном использовании.
Основной целью исследований по очистке сточных вод тонкослойным отстаиванием является определение оптимальной дозы минерального коагулянта сульфата алюминия и извести в сочетании с флокулянтами ПАА, ВГЖ-101 и ВПК-402 (краткие технические характеристики приведены в разделе 2.3.).
Сочетание оптимальной дозы минерального коагулянта и флокулянтов при их совместном применении определяли по снижению показателей интенсивности окраски, взвешенным веществам и ХІЖ. Исследования проводили в лабораторных цилиндрах по упомянутым методикам [116, 117] при высоте слоя отстаивания Нц = 100 мм для крайних значений этих показателей сточных вод красильного и печатного цехов (1-й поток) и от-бельно-мерсеризационного и отделочного цехов (3-й поток). Объемы осадка рассчитывали после двухчасового отстаивания взвеси, образующегося в цилиндрах.
Из таблицы 3.5. видно, что применение флокулянта ВПК-402 в сочетании с сульфатом алюминия менее эффективен по обесцвечиванию. Поэтому, в дальнейших исследованиях по снижению ХПК применяли сульфат алюминия в сочетании с флокулянтом ПАА или ВПК-101.
Учитывая, что большие дозы флокулянтов не выгодны экономически, а большие дозы коагулянтов - это дополнительные трудности при обработке осадков сточных вод, исследования по снижению ХПК проводили при дозе коагулянта A SO 100 мг/л в сочетании с
Эффективность очистки потоков сточных вод при различных сочетаниях доз реагентов Название потока и характеристика сточных вод (интенсивность окраски, взвешенные вещества) Дозы реагентов Средние показатели после очистки/ и эффективность очистки по Объем осадка в%-х отобъема сточнойводы сульфата алюминия,мг/л извести,мг/л название/ доза флокулянта, мг/л интенсивности окраски Взвешенным веществам Сточные воды 1-го потока "а": интенсивность окраски -1:230, взвешенные вещества - 126 мг/л 200 25 ПАА 1:55/76 40/68 4,2
Согласно результатам исследований [2] для очистки сточных вод хлопчатобумажной промышленности по интенсивности окраски и ХПК при использовании только минерального коагулянта сульфата алюминия оптимальной можно считать дозу 300 мг/л. В нашем же случае получается, что для очистки сточных вод по ХПК (рис.3.5) как и впрочем - по интенсивности окраски и взвешенным веществам (рис.3.4) при применении коагулянта A12(S04)3 дозой 100 мг/л оптимальной можно считать сочетание флокулянта ВПК-101 дозой 2,2 мг/л и флокулянта ПАА дозой 2,5 мг/л.
Оптимальные параметры ультрафильтрации и селективные свойства мембран
Исследования по ультрафильтрационной очистке проводили в базовой лаборатории (г. Кучино) на двух трубчатых ультрафильтрационных установках (рис.5.1, 5.2). На снимке (рис.5.1) представлена ультрафильтрационная установка со всеми приспособлениями, осуществляющими пуск и плавную работу установки. С правой верхней стороны на стенде смонтированы блок питания, кнопки пуска и остановки системы, манометр и датчики, обеспечивающие автоматическое отключение электроэнергии при возможном превышении доступного предела давления. Сточная вода пневматическим насосом (внизу) пропускается через 0,4-метровые образцы трубчатых ультрафильтрационных мембран (сверху, прямо перед стендом) под давлением 0,1-0,5 МПа. Подача сточной воды в трубчатый элемент (модуль) происходит через шланг диаметром 15 мм (внизу слева и в вертикальном положении с дальней стороны). Между подаваемым шлан 121 гом и трубчатым элементом есть патрубок, в начале которого расположен вентиль. С помощью этого вентиля ключом регулируется скорость потока, благодаря чему сточная вода под давлением прокачивается с определенной скоростью (от 0,5 до 2,0 м/сек.) через напорные каналы фильтрующего элемента под рабочим слоем мембраны. Загрязнения, содержащие в исходной сточной воде, имеющие обычно больший размер, чем у пор мембраны, задерживаются ею (со временем обыкновенную мембрану превращая в динамическую) и образуют концентрат. Он непрерывно выводится через шланг (внутренним диаметром 18 мм) до получения требуемой или допустимой степени концентрации. Фильтрат собирается в призменном приемнике, (расположенным строго под трубчатым элементом), и через шланг (диаметром 6 мм) переливается в керамический сосуд (рядом с двигателем насоса) на пробные анализы для определения селективности мембран. Расположенные в начале и в конце трубчатого элемента патрубки мантированы таким образом, что позволяют в любой момент поменять испытываемую мембрану.
Загрязнения исходного раствора задерживаются мембраной и одновременно снимаются с ее поверхности тангенциальным потоком жидкости, благодаря чему становится возможным сравнительно долговременное проведение высокоэффективного процесса фильтрования без регенерации мембран или их замены. Разумеется, что представленный на рис.5.2 трубчатый элемент (длиной 1,0 метр) можно привести в действие аналогичным способом.
Из емкости 1 поток исходной сточной воды перекачивается насосом 2 на ультрафильтрационный модуль 9, скорость которого согласно показаниям ротаметра 8 регулируется вентилем 7. Далее сточная вода под давлением проходит через полупроницаемые мембраны 10. При непредвиденном превышении шкалы манометра 4 предельного давления система автоматически отключается через датчики 6. В этом случае предусмотренная для циркуляции избыточного потока байпасная линия 3 циркулирует уже весь поток сточной воды до устранения неполадка. После ультрафильтрационной очистки в специальных емкостях 11 и 13 собираются соответственно фильтрат 12 для дальнейшего использования в технологических процессах производства и концентрат 14 - для его обработки с целью извлечения ПАВ, красителей и других ценных компонентов загрязнений.
Селективность характеризует изменение соотношения компонентов в исходной и прошедшей через мембраны сточной воды, выраженная в долях или процентах. Выбор же типа мембраны сводиться к определению оптимальных технологических параметров ультрафильтрационного процесса (давление, скорость), обеспечивающих максимальную эффективность при задержании данного компонента сточной воды.
В данной работе были использованы полиамидный, полисульфона-мидный и ацетатцеллюлозные мембраны, основные характеристики которых приведены в табл.5.1. Марка мембраны Материал мембраны Изготовитель Общая пористость,% Средний радиус пор, нмпо уравнениюПуазейля Средняя производительность (по диет, воде, Р=0,15 Мпа л/м2сут) Рабочий интервал
Если для расчета удельной производительности (проницаемости) мембран выведены ряд аналитических выражений, дающие удовлетворительные результаты для практики, то по отношению селективности теория дает лишь качественную оценку. Поэтому, основное внимание было уделено исследованиям по выявлению селективных свойств различных мембран по основным показателям загрязнений сточных вод предприятий хлопчатобумажной промышленности от давления в системе и скорости потока над мембраной.