Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы обработки осадков природных и сточных вод
1.1. Образование осадков 7
1.2. Уплотнение осадков 9
1.3 Обезвоживание осадков 11
1.4. Карбонатсодержащие осадки и методы их обработки 19
1.5. Задачи исследования 31
2. Уплотнение и обезвоживание осадков, образующихся при доочистке биохимически очищенных городских сточных вод известкованием
2.1 Исследование процесса уплотнения осадков 32
2.1.1. Определение возможности интенсификации процесса уплотнения осадка 32
2.1.2 Уплотнение осадков, образующихся на разных стадиях доочистки городских сточных вод 43
2.2. Исследование процесса обезвоживания осадков. 49
2.2.1. Обезвоживание осадков, образующихся на разных стадиях доочистки городских сточных вод 49
2.2.2. Определение факторов, влияющих на улучшение процесса обезвоживания осадков 60
2.2.3. Обезвоживание осадков на полупроиз - водственной установке 65
3. Исследование регенерации извести из осадков, образующихся при доочистке биохимически очищенных городских сточных вод
3.1. Методика расчета количественных и качественных характеристик осадков 72
3.2. Расчетный состав осадков и регенерированной извести 80
3.3. Определение режима обжига осадка 90
3.4. Влияние дозы извести и места отбора осадка на качество осадка и регенерированной из него извести 101
3.5. Исследование качества осадка и регенериро -ванной извести при ее многократном использовании 109
3.6. Динамика изменения расчетного состава из -вести при ее многократной регенерации и использовании 115
4. Полупроизводственные испытания регенерации извести из осадка
4.1. Методика проведения испытаний 125
4.2. Обжиг осадка во вращающейся печи 128
5. Технико-экономическая эффективность регенерации извести из осадка
5.1. Технологическая схема 138
5.2. Техническая эффективность 139
5.3. Экономическая эффективность 141
5.4. Внедрение результатов 145
Общие выводы 147
Литература 149
Приложения 161
- Карбонатсодержащие осадки и методы их обработки
- Обезвоживание осадков, образующихся на разных стадиях доочистки городских сточных вод
- Влияние дозы извести и места отбора осадка на качество осадка и регенерированной из него извести
- Динамика изменения расчетного состава из -вести при ее многократной регенерации и использовании
Введение к работе
Охрана окружающей среды от загрязнения является актуальной проблемой современности, которой в нашей стране уделяется исключительно большое внимание.
Основные направления решения этой глобальной проблемы определены рядом постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР и, в частности, постановлением "Об усилении охраны природы и улучшении использования природных ресурсов" (1972 г.). Эта проблема нашла отражение в "Основных направлениях народнохозяйственного развития страны на 1981-85 г.г. и далее до 1990 г." и в решениях ХХУІ сьезда КПСС как одна из основных задач развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 г.г.
В последнее время с ростом дефицита свежей воды большой практический интерес представляет возможность использования биохимически очищенных городских сточных вод (БХО ГСВ) для технического водоснабжения, в частности, для систем охлаждения водоемких предприятий черной металлургии, где использование БХО ГСВ позволит сократить количество воды, забираемой из природных водоемов для технологических нужд. Однако применение этих вод для технического водоснабжения невозможно без полного обеззараживания и дополнительной очистки, т.к. они содержат вредные примеси (органические соединения, фосфор и др.), а также имеют повышенное содержание солей жесткости, что приводит к зарастанию коммуникаций. При этом важнейшими условиями, определяющими выбор метода доочистки БХО ГСВ, являются, безусловно, эвономические факторы, а также природоохранный эффект, получаемый от применения данного метода.
Одним из наиболее перспективных путей решения этого вопроса
следует считать использование метода известкования БХО ГСВ. Однако, наряду с положительным решением целого ряда вопросов, связанных с процессом доочистки (компактность схемы, дешевое легкодоступное сырье, удаление фосфора и других растворенных и коагулированных примесей, устранение солей временной жесткости, полное обеззараживание, что обеспечивает дальнейшее техническое использование обработанной воды и т.п.), возникает новая проблема - утилизация осадка, образующегося при доочистке БХО ГСВ указанным методом.
Образующийся осадок по своему составу не может быть отнесен ни к одному из видов наиболее распространенных осадков природных и сточных вод (городских хозяйственно-фекальных, производственных, станций подготовки воды централизованных водопроводов, станций водоумягчения и др.). Поэтому рассматривать его следует отдельно.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию условий регенерации извести из осадка, полученного при доочистке БХО ГСВ известкованием. В её основу положены результаты исследований, проведенных автором на протяжении ряда лет на Правобережных очистных сооружениях г. Магнитогорска, очистных сооружениях г. Выкеы, а также на Диканевских и Безлюдовских очистных сооружениях г. Харькова.
Целью диссертации является обобщение полученных закономерностей регенерации извести из осадков, образующихся при доочис?-ке БХО ГСВ известкованием, разработка условий и технологии подготовки осадков к обжигу и условий проведения самого обжига с получением регенерированной извести. Поставленная в диссертационной работе цель достигается путем проведения комплекса теорети-
ческих, экспериментальных и проектно-конструкторских работ, разработки и освоения на практике различных оптимальных технологических решений регенерации извести из этих осадков.
Результаты проведенных исследований по регенерации извести из осадков, образующихся при доочистке БХО ГСВ известкованием были использованы при составлении "Временных рекомендаций по схеме и режиму работы сооружений доочистки биологически очищенных хозяйственно-бытовых сточных вод для использования в системах водоснабжения предприятий черной металлургии".
Работа выполнялась по важнейшей тематике согласно комплексной целевой программе Минвуза СССР "Человек и окружающая рреда".
Карбонатсодержащие осадки и методы их обработки
Карбонат кальция (СаСО ) является важным сырьем во многих отраслях народного хозяйства. С увеличением производства извести природные запасы высококачественного сырья истощаются. Одним из дополнительных источников сырья для производства извести могут быть карбонатсодержащие осадки, образующиеся при использовании извести в различных отраслях народного хозяйства.
Тепловые электрические станции (ТЭС) являются одними из самых крупных потребителей обессоленной воды. В процессе реагент-ной обработки природных вод образуются сточные воды, загрязненные твердыми примесями карбоната кальция, гидрооксидами магния, железа, алюминия и растворенными солями, большую долю из которых составляют хлориды и сульфат натрия, кальция и магния, органическими соединениями [27, 28 J . Запрещается сброс этих веществ в водоемы в количествах, превышающих предельно-допустимые концентрации (ЦДК) [29] .
Создание бессточных ТЭС с использованием в народном хозяйстве сбросных вод является в настоящее время актуальным вопросом. Разработка и осуществление мероприятий, направленных на утилизацию и повторное использование шламов, даст возможность максимально сократить размеры обрабатываемой воды, сохранить ценные участки зеленой площади. Однако в настоящее время продувочные шламовые воды от осветлителей химводоочистки направляются на золоотвал при работе ТЭС на твердом топливе или на шламонакопитель, если ТЭС газомазутная [ 30І . Сбрасываемый известковый шлам содержит до 90 % СаС03 и Mj(QH)g и представляет интерес с точки зрения регенерации из него извести. Это позволит снабжать электростанции высококачественной известью [ 311 .
На промышленных предприятиях в процессе умягчения и обессо-ливания воды, используемой для паросиловых нужд и для питания установок испарительного охлаждения, образуются сточные воды, аналогичные шламовым водам ТЭС.
Количество и состав этих вод зависит от состава исходной воды, а также принятой схемы умягчения и обессоливания. Чем выше жесткость и общее солесодержание исходной воды, тем чаще надо регене рировать ионитовые фильтры и, следовательно, тем больше образуется сточных вод. Так, при умягчении по схеме известкование-коагулирование-фильтрация-двухступенчатое натрий-катионирование 100 м3 воды из реки Днепр образуется 17,4 м3/ч ; из реки Урал -22,7 ур/ч сточных вод.
В шламовых водах осветлителей содержится известковый шлам и другие взвеси. Шлам этот не используется и целиком направляется в шламонакопитель. При отсутствии накопителей шлам рекомендуется обезвоживать механически на фильтр-прессах I 32] .
По своему химическому составу этот известковый шлам по-видимому может использоваться в качестве сырья для получения извести, однако в настоящее время отсутствуют литературные данные по его практическому использованию.
В химической промышленности, при производстве соды, образуется значительное количество шламов рассолоочистки и дистилляции. Эти шламы являются обременительными отходами содового производства, запасы твердого остатка так называемых "белых морей" составляют миллионы тонн и ежегодно увеличиваются І 33 J .
В настоящее время утилизация этих отходов является одной из серьезных проблем содового производства. Ликвидация отвалов позволит сберечь отчуждаемые под них земляные угодья и, следовательно, будет способствовать повышению эффективности капитальных вложений в народное хозяйство.
Обезвоживание осадков, образующихся на разных стадиях доочистки городских сточных вод
При изучении процесса обезвоживания исследовались осадки, образующиеся при обработке БХО IUB свежей и регенерированной известью, осадок П ступени доочистки, а также смесь осадков I и П ступеней доочистки с использованием свежей и регенерированной извести на I ступени доочистки. При этом определялись их удельное сопротивление, производительность фильтр-прессования и влажность обезвоженного осадка (кека). Согласно современной теории фильтрования суспензий, изложен ной В.А.Жужиковым Г57 и Т.А.Малиновской Г 58І , удельное сопротив ление осадка при постоянном давлении, характеризующее сопротивле ние фильтрации и фильтруемость (водоотдачу) осадков, определяет ся по формуле: 2 Определение удельного сопротивления осадка {59] осуществлю лось на стенде для моделирования процесса фильтрования осадка под давлением. В качестве фильтровальной перегородки использовалась фильтрующая ткань бельтинг. При фильтровании суспензии объемом 500 мл с давлением 0,4 Па определялась скорость водоотдачи осадка, путем замера объемов фильтрата ( Y, , уг , ]/3 w.. ]/п-)9 выделившегося за определенные . промежутки времени фильтрования {% , tz , Tj ... Тп ). По данным опыта строится графическая зависимость в коорди ГҐ натах ]/- у- , которая при постоянном давлении является линейной. Из графика определяется параметр - тангенс угла наклона к оси абсцисс. Влажность осадка определялась весовым методом: где trioc - масса всего влажного осадка, кг; гг?сУг.ос масса сухого осадка, кг. Производительность фильтр-прессования определялась по следующей формуле: где Р - вес сухого осадка, кг; F - площадь фильтрования, м ; tu, - время цикла фильтрования, с ; Тр - время фильтрования, с; t„p - время просушки, с; Ъас- время вспомогательных операций, с. Для исключения возможных ошибок при переходе от лабораторных исследований к промышленным процессам производительность фильтр-прессования определялась с корректирующим коэффициентом 0,7 [60] . Исследования по обезвоживанию осадков, образующихся при обработке БХО ГСВ свежей и регенерированной известью представлены на рис.2.2-2.4.
Проведенные исследования показали, что .для осадков,образующихся при обработке БХО ГСВ свежей известью(рис.2.2-2.4 кривая сгущение суспензии перед фильтрованием с повышением концентрации твердой фази от 65 г/л до 133 г/л дает большое увеличение производительности фильтр-прессования с 12,13 кг/м ч до 21,62 кг/м .ч. При этом удельное сопротивление осадка уменьшается с 11,21.1010 см/г до 5.23.10 см/г. И хотя влажность осадка при этом немного возрастает с 63,04 % до 67,86 %, однако в любом случае необходима его сушка перед обжигом, так как во вращающиеся обжиговые печи можно подавать осадок с влажностью не выше 45 %. Таким образом, для осадков, образующихся при обработке ЕХО ГСВ свежей известью, сгущение их перед подачей на обезвоживание дает повышение производительности фильтрующего оборудования и снижает удельное сопротивление осадка. Исследования по обезвоживанию осадков, образующихся при обработке ЕХО ГСВ регенерированной известью (рис.2.2-2.4 кривая 2) показали 6ІІ , что сгущение суспензии перед фильтрованием с повышением концентрации твердой фазы от 61 г/л до 182 г/л дает значительное увеличение производительности фильтр-прессования с 27,44 кгДг.ч до 81,51 кгДг.ч. При этом удельное сопротивление осадка уменьшается с 2,46.10 см/г до 0,67.1010 см/г. Сравнение этих характеристик осадка с аналогичными для осадка, образующегося при обработке ЕХО ГСВ свежей известью(С=80 г/л), показывает увеличение производительности фильтр-прессования в 2 раза и уменьшение удельного сопротивления осадка более,чем в 5 раз. При этом следует отметить снижение влажности получаемого ке-ка с 64,75 % до 44,62 %, что исключает его сушку перед обжигом и дает возможность загружать этот осадок во вращающиеся обжиговые печи непосредственно после обезвоживания.
Влияние дозы извести и места отбора осадка на качество осадка и регенерированной из него извести
При этом не учитывается вклад органических примесей в образующийся осадок. Для определения этой составляющей осадка необходимо, как уже отмечалось, сопоставить теоретически рассчитанное количество осадка с практически наблюдаемым при дозе извести 400 мг/л. Как уже отмечалось, при этой дозе извести наблюдается стабилизация массы образующегося осадка на величине 900 мг/л. Таким образом, разность между экспериментально полученной массой осадка и теоретически рассчитанной величиной составляет 36,5 мг/л, что и определяет количество кальциевых солей органических кислот в осадке.
Расчетная доза извести слагается из количеств её, необходимых для протекания: Кроме того, для создания щелочной среды с рН 11,0-11,5 и для прохождения реакций на П ступени доочистки необходим избыток извести в 4 мг-экв/л, на что потребуется:
При смешении щелочной воды после I ступени доочистки с водой Магнитогорского водохранилища, имеющей гидрокарбонатную щелочность, в среднем, 2,6 мг-экв/л, в соотношении I : I избыток извести должен составлять также 2,6 мг-экв/л для нейтрализации гидрокарбонат-ионов в воде. Так как вода из Магнитогорского водохранилища характеризуется высокой коццентрацией ионов кальция, превышающей щелочность воды, то при взаимодействииос известью на П ступени доочистки в осадок выпадает только карбонат кальция:
Однако, поскольку по технологии доочистки избыток извести, необходимый для достижения требуемых показателей качества доо чищенной воды, должен составлять 4 мг-экв/л, то все экспериментальные исследования проводились с дозой извести 400 мг/л, соответствующей этому избытку.
Исходя из компонентного состава осадка, образующегося на I ступени доочистки, можно расчитать процентное содержание таких основных составляющих осадка, как оксид кальция, оксид магния и оксид фосфора.
Таким образом, при обжиге осадка улетучивается 345,6 мг его, что составляет 38,4 % от общей массы. Количество же осадка после обжига сокращается до 554,4 мг, что составляет 61,6 % от первоначальной массы.
Следовательно, количество регенерированной извести после I ступени доочистки в сутки составит:
Содержание основных компонентов в обожженном осадке будет следующим: I) оксид кальция: что составляет 66 % массы обожженного осадка; б) оксид магния: составляет 16,2 % массы обожженного осадка. в) оксид фосфора: что составляет 0,7 % от массы обожженного осадка. Как видно из табл. 3.2 , практически полученные величины для регенерированной извести хорошо согласуются с расчетными величинами, что свидетельствует о правомерности положенных в основу расчета рассуждений. На П ступени доочистки при смешении обработанных известью БХО ГСВ с речной водой Магнитогорского водохранилища в соотношении I : I происходит выделение карбоната кальция, масса которого определяется: Экспериментальные исследования показали, что из I л БХО ГСВ (2 л смеси) выделяется 240 мг осадка, состоящего практически полностью из карбоната кальция. При обжиге этого осадка получается известь в количестве: Следовательно, количество регенерированной извести после П ступени доочистки с содержанием 90 % СаО акт. в сутки составит: Состав осадка, образующегося на П ступени, предопределяет целесообразность повторного использования регенерированной из него извести. При совместном обжиге осадков I и П ступеней доочистки количество регенерированной извести должно составить: 83,07 т + 20,16 т = 103,23 т с содержанием СаО акт. в процентах: С целью выявления поведения солей, содержащихся в осадке при обжиге, а также установление влияния температуры на выход СаО акт., то есть для определения оптимальных условий обжига, изучался осадок, образующийся при доочистке ЕХ0 ГСВ известью на Диканевских очистных сооружениях г. Харькова. Содержание непрореагировавшей извести в виде СаО акт. в изучаемом осадке составляло 1,76 %, что имеет место при рекомендованной для доочистки этих сточных вод дозе извести. Для выяснения влияния СаО акт. в обрабатываемом осадке изучался осадок, содержащий 14,20 % СаО акт., что возможно при дозе извести, превышающей рекомендованную на 20 %. Содержание основных компонентов исходных осадков приведено в табл. 3.3. Нагрев до 300С проводился в сушильном шкафу, а для обжига до П00С применялась лабораторная муфельная печь. Во всех пробах после обжига определялось остаточное содержание СО , характеризующее степень диссоциации карбоната кальция. Кроме того, определялось содержание СаО общ, СаО акт, М О, P Og, &0«э П.П.П. по методикам 163, 64, 65, 661 . Опыты проводились при заданных температурах с выдержкой 60 мин с осадком предварительно высушенным при 100-П0С. График зависимости остаточного содержания COg в осадке после термообработки при выдержке 60 мин приведен на рис. 3.2. Как видно из рисунка, с ростом температуры от 0 до 600С независимо от содержания СаО акт в осадке растет содержание СО , что можно обьяс нить улетучиванием влаги физически и химически связанной. С дальнейшим ростом температуры (более 600С) начинается разложение СаСОд, о чем свидетельствует снижение остаточного содержания СОо. При этом заметно влияние содержания СаО акт в осадке. Так, разложение СаСОд в осадке, содержащем 14,20 % СаО акт, начинается при температуре 600С и при 800С практически заканчивается. Тогда как в осадке с незначительным количеством СаО акт (1,76 %) разложение СаС03 начинается при температурах выше 650С, и заканчивается лишь при 950С. Данные по качеству продукта термообработки приведены в табл. 3.4. Как видно из таблицы, продукты термообработки, образующиеся из обоих осадков при температурах 800С и выше, отличаются высоким содержанием СаО акт. Как положительное качество следует отметить, что продукты термообработки оставались рыхлыми и свободно высыпались из тиглей и бюксов. Не наблюдалось сплавления или спекания навесок.
Динамика изменения расчетного состава из -вести при ее многократной регенерации и использовании
Количество извести, регенерированной после первой обработки сточной воды, определяется суммой масс обожженных осадков, образующихся на I и П ступенях доочистки. Поскольку количество извести, регенерированной из осадка П ступени постоянно и равно 134,4 мг, то в расчете на 1л воды масса регенерированной извести составляет:
Содержание оксида кальция в смеси также слагается из его масс, полученных на двух ступенях доочистки: составляет 72,6 % от общей массы обожженного осадка. Полагая, что 1,6 % СаО приходится на долю мертвообожженного оксида кальция, что вытекает из разности между общим содержанием оксида кальция в извести и активной СаО, получаем содержание СаО акт в обожженном осадке 71 %.
Содержание оксидов магния и фосфора в смеси определяется теми количествами их, которые образуются на I ступени доочистки, то есть
При обработке ЕХО ГСВ известью полученного состава образуется осадок, количественный и качественный состав которого рассчитывается по формулам, приведенным в разделе 3.1. По приведенным там же формулам расчитано содержание летучих компонентов в осадке, масса вновь обожженного осадка и его количественный состав, то есть состав извести, регенерированной из осадка при повторном использовании её для обработки воды.
По этой схеме проведены расчеты для шести циклов доочистки регенерированной известью. Результаты расчетов приведены в табл З.14
Как видно из таблицы, по мере возрастания кратности использования извести для обработки воды происходит возрастание массы используемой извести в связи с накоплением в ней балласта и прежде всего оксида магния. В соответствии с этими изменениями происходит и некоторое снижение содержания активного оксида кальция. Следует отметить однако, что все указанные величины существенно меняются лишь на первых трех циклах использования регенерированной извести (с учетом исходной извести - четырехкратная обработка).
Уже при последующих регенерациях изменение этих величин замедляется. Так, из осадков, образующихся на I и П ступенях доочистки при семикратном использовании извести, образуется обожженная смесь с содержанием СаО акт - 54,0 %, что всего лишь на 0,7 % отличается от предыдущего значения.
Соответственно изменениям в составе используемой регенерированной извести происходят изменения и в составе образующегося осадка. Наблюдается увеличение массы осадка, образующегося на I ступени доочистки, некоторое уменьшение доли летучих компонентов в нем, что, по-видимому, связано с накоплением оксида магния при неизменном содержании гидроксида магния и кальциевых солей органических кислот. В обожженном осадке I ступени доочистки значительно ниже содержание оксида кальция и больше процент балластных примесей по сравнению с известью, регенерированной из смеси осадков двух ступеней доочистки. Поэтому представляется вполне оправданным и целесообразным совместный обжиг осадков с целью последующего использования регенерированной извести для доочистки БХО ГСВ.
Естественно предположить, что при 100 % использовании осадка П ступени доочистки и лишь частичном применении осадка I ступени состав регенерированной извести должен измениться в сторону повышения содержания в нем СаО акт, что безусловно соответствует цели данного исследования. Так как из обожженного осадка П ступени доочистки образуется 134,4 мг/л активного оксида кальция, то для создания дозы извести 400 мг/л СаО акт необходимо еде 265,6 мг/л СаО акт за счет осадка, образующегося на I ступени доочистки. Учитывая, что содержание СаО акт в этом осадке составляет 65,9 %, общее количество осадка I ступени доочистки должно составить: Тогда суммарное количество обожженного осадка из І я сточной воды составит:
Общее количество оксида кальция в полученной смеси отличается на величину, соответствующую мертвообожженному оксиду кальция, то есть: от общего количества извести.
Поскольку содержание оксида магния в смеси обусловлено лишь наличием его в осадке I ступени доочистки, то при известном процентном содержании М$0 масса его составляет:
Состав осадка, образующегося при обработке воды известью, регенерированной из указанной смеси, рассчитывается по формулам, приведенным в разделе 3.1. Результаты расчетов для семикратного использования извести приведены в табл. 3.15.
Как видно из таблицы, содержание СаО акт в извести, регенерированной из осадка П ступени доочистки с частичным использованием осадка I ступени доочистки, значительно выше, чем в предыдущем случае, когда осадок I ступени доочистки использовался полностью. Причем стабилизация содержания СаО акт в регенерированной извести наступает раньше и уже между 6 (СаО акт =59,6 %) и 7 (СаО акт = 59,5 %) циклами обработки регенерированной известию разница в значениях этой величины составляет всего лишь 0,1 %.
Накопление же балластных примесей в извести в этом случае идет гораздо медленнее и содержание их достигает значительно меньшей величины. Это особенно ярко выражено в накоплении оксида магния - одного из наиболее существенных компонентов балласта.
Полное использование обожженного осадка П ступени доочистки в смеси с частью осадка I ступени доочисяки позволило, как это видно из таблицы, существенно снизить количество регенерированной извести, необходимое для создания дозы активного оксида кальция 400 мг. Так, если при совместном обжиге осадков I и П ступеней доочистки для создания необходимой дозы СаО акт требуется 932,3 мг регенерированной извести на I л воды в 7 цикле доочистки (см. табл. 3.14), то при частичном использовании осадка I ступени доочистки масса регенерированной извести, необходимая для создания дозы 400 мг, составляет всего лишь 672,1 мг на I л сточной воды в 7 цикле доочистки.
Аналогичные изменения наблюдаются и в количестве образующегося при доочистке регенерированной известью осадка, и в его составе. В связи с меньшим количеством балластных примесей извести, используемой для обработки воды, снижается и количество образующегося осадка на I ступени доочистки, а также масса обожженного осадка I ступени доочистки. При этом на долю летучих компонентов осадка приходится несколько большая часть осадка. Однако, как и в предыдущем случае, по мере увеличения кратности использования извести доля летучих компонентов в осадке стабилизируется. Наряду с указанными изменениями по мере увеличения кратности использования извести для доочистки наблюдается некоторое снижение содержания активного оксида кальция, которое быстро замедляется, и уже при шестикратной регенерации извести количество СаО акт стабилизируется на 49,4 %. Меньшими значениями отличается и содержание оксида магния в обожженном осадке I ступени доочистки, что в свою очередь благотворно сказывается на компонентом составе извести, регенерируемой с частичным использованием этого осадка и добавлением всей извести, регенерируеиой из осадка П ступени доочистки.
Из всего сказанного следует, что более предпочтительным является использование для доочистки биохимически очищенных городских сточных вод извести, регенерированной из осадка П ступени доочистки с частичньм использованием осадка I ступени доочистки.
