Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Аналитический обзор способов очистки сточных вод прачечных и близких к ним по составу сточных вод от СПАВ 9
ГЛАВА 2. Экспериментальное обоснование выбора электро химического метода очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов 37
2.1. Исследование состава, количества и режима образования сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов 37
2.2. Экспериментальная оценка различных методов очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов 44
2.2.1. Реагентный метод очистки 45
2.2.2. Биологический метод 54
2.2.3. Электрофоретическая очистка 58
2.2.4. Электрохимическая коагуляция 66
Выводы ... 70
ГЛАВА 3. Разработка конструкции электрокоагулятора 72
3.1. Схема лабораторной установки с электрокоагуляторами и методика экспериментов . 72
3.2. Выбор материала электродов 76
3.3. Исследование и обоснование конструктивных элементов аппарата 78
3.4. Влияние высоты электрокоагулятора на. эффективность удаления СПАВ 83
3.5. Мероприятия по устранению пассивации электродов 87
Выводы 90
ГЛАВА 4. Исследование основных закономерностей процесса электрохимической очистки 92
4.1. Исследование влияния плотности тока и скорости движения воды в аппарате на эффективность процесса очистки 92
4.2. Исследование зависимости эффективности очистки воды от исходной концентрации СПАВ 98
4.3. Влияние температуры исходной воды на процесс электрохимической очистки воды 102
4.4. Оптимизация процесса электрохимической очистки 104
Выводы 117
ГЛАВА 5. Исследование процессов обработки воды после электрокоагуляции 119
5.1. Отделение скоагулированных загрязнений от воды И9
5.2. Исследования по доочистке стоков, прошедших стадию электрохимической обработки 125
5.3. Обеззараживание воды в процессе электрохимической очистки 129
Выводы 131
ГЛАВА 6. Результаты исследований на экспершлентальнои производственной установке 132
6.1. Методика исследований 132
6.2. Экспериментальное определение оптимального режима электрохимической очистки 139
6.3. Оценка эффективности работы электрокоагулятора 141
6.4. Оценка эффективности технологической схемы 142
6.5. Оценка возможности повторного использования очищенной воды 143
6.6. Технико-экономическая оценка экспериментальной производственной установки 146
Выводы 160
Общие выводы 161
Литература
- Экспериментальная оценка различных методов очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов
- Исследование и обоснование конструктивных элементов аппарата
- Исследование зависимости эффективности очистки воды от исходной концентрации СПАВ
- Исследования по доочистке стоков, прошедших стадию электрохимической обработки
Введение к работе
В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС широко осуществляются мероприятия по защите окружающей среды и, в частности, по поддержанию чистоты рек, озер и морей. Одним из эффективных мероприятии по защите водных источников является массовое строительство и совершенствование сооружений, предназначенных для очистки сточных вод.
Постановлением Совета Министров РСФСР от 2 июля 1982 г. Л 390 "О дальнейшем развитии и улучшении работы предприятий бытового и коммунального обслуживания в городах и поселках Российской Федерации" предусмотрено расширение сети прачечных и банно-прачечных комбинатов в сельской местности, в том числе и в не-канализованных районах.
Массовое строительство небольших прачечных и банно-прачечных комбинатов в сельской местности придает особую актуальность вопросу очистки сточных вод таких предприятий. Значительная загрязненность указанных сточных вод связана с использованием в технологическом процессе стирки, помимо жирового мыла, синтетических моющих средств, в состав которых входят синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и полифосфаты, способствующие загрязнению и эвтрофикации водоемов.
В малых населенных пунктах при отсутствии централизованной канализации возникает необходимость обеспечения глубокой локальной очистки сточных вод этих предприятий.
В нашей стране разработан и успешна применяется метод очистки сточных вод крупных механизированных фабрик-прачечных, основанный на фракционировании СПАВ в пену и повторном их исполь-
зовании в технологическом процессе стирки белья. Однако применение этого метода для очистки сточных вод небольших прачечных и банно-прачечных комбинатов, расположенных в неканализованных районах, нецелесообразно из-за сложности технологической схемы.
Для малых очистных сооружений, эксплуатируемых в сельской местности, необходимо применение оборудования заводского изготовления, которое можно монтировать на месте в короткие сроки с минимальным объемом строительных работ. Установки должны быть надежными в эксплуатации при несложном обслуживании, компактными и простыми в конструктивном оформлении, иметь минимально необходимую автоматизацию.
Задачей диссертационной работы явилось изучение возможных способов очистки сточных вод небольших прачечных и банно-прачечных комбинатов, выбор- наиболее простого, эффективного и экономичного способа очистки, определение его технологических параметров и конструктивного оформления.
Основными научными результатами, представленными к защите являются:
обоснование применения для очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов малой производительности метода электрохимической коагуляции;
разработка технологии очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов, основанной на применении метода электрохимической коагуляции;
определение основных конструктивных параметров электрокоагуляторов, предназначенных для обработки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов;
определение основных закономерностей процесса электрохимической очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных ком-
бинатов (зависимости эффекта очистки от плотности тока, зависимости оптимальной плотности тока от гидравлической нагрузки на аппарат);
разработка на основе установленных зависимостей метода определения оптимальной по критерию приведенных затрат плотности тока, обеспечивающий заданный эффект очистки сточной воды от СПАВ;
разработка на основании лабораторных и производственных экспериментов технологической схемы установки для очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов, включающей усреднитель, электрокоагуляторы, отстойник-флотатор и фильтр из от-крытоячеистого пенополиуретана.
На основе полученных научных результатов исследований разработано "Техническое задание на установку с комплектом оборудования для очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов" , в соответствии с которым ПКБ АКХ разработало чертежи комплекта оборудования установки производительностью 4 м3/ч, а институт "Гипрокоммунстрой" осуществил привязку этой установки на банно-прачечном комбинате л ос. Горки Рогачевские Московской области. Комплект оборудования изготовлен на заводе "Коммунальник" Минжилкомхоза РСФСР.
В течение 1984 года завершены пуско-наладочные работы и про-ведены эксплуатационные испытания установки, показавшие ее работоспособность и высокую эффективность. В декабре 1984 года установка принята в эксплуатацию.
В ближайшие годы предполагается осуществить серийное изготовление подобных установок производительностью 1,5-2,0 м3/ч для очистки сточных вод банно-прачечных комбинатов и прачечных самообслуживания, расположенных в неканализованных районах.
Потребность в таких установках, по данным Главного Управления предприятий коммунального обслуживания Минлилкомхоза РСФСР, только для Российской Федерации составляет 200 штук в год. Годовой экономический эффект ст применения одной установки - 13,2 тыс. рублей.
Основные положения диссертационной работы доложены на УП Международном конгрессе по поверхностно-активным веществам (Москва, 1976 г.) и конференции "Социальные и естественно-научные проблемы защиты водной среды в свете требований Конституции СССР и постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР "0 дополнительных мерах по усилению охраны природы и улучшению использования природных ресурсов" (Севастополь, 1981 г.). Основное содержание диссертации изложено в 6 опубликованных работах. На разработанный способ очистки сточных вод от СПАВ получены два авторских свидетельства на изобретения.
Экспериментальная оценка различных методов очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов
Специфика образования и состава сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов, их значительно большая степень загрязненности по сравнению с городскими сточными водами, а также наличие в них стойких к биохимическому окислению синтетических поверхностно-активных веществ усложняет поиск эффективного способа очистки этих вод. Кроме того, выбор способа очистки зависит также от решения вопроса о возможности повторного использования извлеченных СПАВ и очищенной воды в технологическом процессе предприятия.
Предполагалось, что для очистки сточных вод, содержащих высокие концентрации СПАВ потребуется применение комбинации различных методов.
На первом этапе исследований была произведена экспериментальная оценка различных методов очистки, которые выбраны на основании анализа литературных источников. При этом учитывали, что, исходя из специфики работы прачечных и банно-прачечных комбинатов, необходимой ступенью, которая должна входить в схему очистки, является усреднение сточных вод по расходу. Были исследованы следущие методы очистки: реагентный, биохимический, электрофоретический и электрохимический.
Исследования с целью определения эффекта очистки и выбора оптимальных доз реагентов проводили в лабораторных условиях методом пробного коагулирования [70] . Эффект очистки оценивали по уменьшению концентрации СПАВ, фосфатов, снижению ХПК, ЕПК .. Определение всех показателей производили по стандартным методикам [59] .
Б опытах по очистке сточных вод прачечных и банно-прачеч-ных комбинатов были использованы следующие реагенты: известь, сернокислый алюминий, сернокислое железо, сернокислый алюминий в сочетании с известью.
Ранее А.И.цветковой была исследована возможность использования реагентного метода для очистки сточных вод прачечных [87]
.В настоящей работе исследования по реагентной обработке проводились на банно-прачечных водах.
В качестве реагента для очистки сточных вод прачечных, работающих на жировом мыле и соде, СНиП П-32-74 рекомендует использовать известь дозой 400 мг/л (по СаО ). Применение этой дозы извести для очистки сточной воды прачечной снижает концентрацию СПАВ лишь на 11-25 %, ХПК - на 13 %. Даже при очень высоких дозах извести (2000-3000 мг/л) извлечение ПАВ достигало всего 48-53 %. Использование флокулянта полиакридамида (ПАА) дозой 0,3 мг/л позволило повысить эффект очистки до 78%,
Объем осадка при этом составил 7-8 % объема обрабатываемой воды.
Для очистки банно-прачечных стоков потребовалась меньшая доза извести (рис. 2.2). При дозе равной 600-800 мг/л (по СаО ) снижение концентрации загрязнений по ХПК составило 85 %, по БПК5- 84 %, по СПАВ - 55 %. При введении извести в исследуемую воду наблюдалось появление мелких, плохо оседающих хлопьев. Результатом этого явилось увеличение содержания взвешенных веществ в отстоенной воде. Введение I мг/л полиакриламида, как и при обработке прачечных стоков, увеличило эффект очистки на 10 %. Объем осадка, образующегося при отстаивании, составил около 8 % объема обрабатываемой воды. Использование извести привело к значительному повышению рН очищенной воды (до 12), что является нежелательным.
Сернокислый алюминий широко применяется в практике очистки природных и сточных вод. Результаты исследований по очистке сточных вод прачечных с помощью сернокислого алюминия также представлены в работе Цветковой А.И. [87] , в которой максимальное извлечение СПАВ отмечалось при дозе 400-500 мг/л по МгОз и составляло 72 %. При этом в очищенной воде оставалось около 35 мг/л СПАВ. Концентрация загрязнений по ХПК снижалась на 53 %. Применение флокулянта ПАЛ увеличило эффект очистки по этим показателям лишь на 5 %, но сильно повысило (с 30 до 70 %) эффект очистки по взвешенным веществам.
Как показали проведенные опыты, обработка банно-прачечного стока сернокислым алюминием не привела к эффективной очистке. На рис. 2.3 приведены кривые зависимости степени удаления загрязнений, оцениваемых по СПАВ и ХПК, от дозы сернокислого алюминия.
Исследование и обоснование конструктивных элементов аппарата
В ходе предварительных исследований были выявлены конструктивные недостатки модели электрокоагулятора I:
- неравномерное распределение поступающей воды в межэлектродном пространстве. При этом различались скорости протекания воды между разными парами электродов, что приводило к снижению эффекта очистки в зоне повышенных скоростей;
- неудачно выбрано соотношение между высотой и длиной электродов. Гидроксид металла, образующийся в верхней части электродов, сразу же с потоком воды выводился из аппарата. Б результате ухудшался процесс хлопьеобразования и сорбции загрязнений на хлопьях.
Для устранения первого недостатка под пакетом электродов в модели П был предусмотрен свободный объем, заполнение которого через перфорированный патрубок позволяло создать условия для равномерного распределения воды в межэлектродном пространстве.
Для устранения второго недостатка, сохранив общую площадь электродов, в модели П изменили отношение высоты к длине электродов, которое при этом составляло 1:2. Над электродами был предусмотрен свободный объем, который за счет увеличения продолжительности контакта воды с хлопьями позволяет полнее использовать сорбционную емкость гидроксида железа, полученного электролитическим путем.
По аналогии с камерами хлопьеобразования в практике реа-гентной обработки сточных вод время пребывания воды над элект родами было принято равным 10 минутам. Перемешивание интенсифицировалось за счет движения поднимающихся пузырьков газов, образующихся в результате электролиза воды.
Анализ проб, отобранных сразу после электродов (штуцер I на рис. 3.2) и после 10-минутного пребывания воды в зоне аппарата над электродами (штуцер 2), показал, что эффективность очистки за счет пребывания в этом объеме возросла в среднем с 52 % до 78 %, что дает дополнительное,снижение концентрации СПАВ на 42 % по отношению к содержанию СПАВ в воде, поступающей в зону после электродов (табл. 3.2).
Для оценки совокупности всех изменений, внесенных в конструкцию электрокоагулятора, было проведено сравнение работы обеих моделей. Сточную воду прачечной, содержащую 90 мг/л СПАВ и имеющую ШК 780 мг/л подавали на обе модели. Процесс вели при выбранной ранее плотности тока 69 А/ м при разном времени пребывания воды в межэлектродном пространстве. На рис. 3.3 представлены кривые очистки от СПАВ на моделях I и П. Очевидно, что переход к модели П позволил сократить время обработки от 2,4 мин до 1,7 мин при одинаковом эффекте очистки 90 %, что свидетельствует о более полном использовании сорбционной емкости хлопьев. Увеличение времени пребывания воды в над-электродном пространстве до 8-Ю минут позволило снизить расход электроэнергии на 33 % и расход металла на 28 %.
С целью изучения возможности интенсификации процессов хлопье-образования и сорбции загрязнений на хлопьях были проведены эксперименты с дополнительным механическим перемешиванием воды, прошедшей через электрокоагулятор.
Воду, содержащую хлопья гидроксида железа помещали в стаканы и перемешивали с помощью механических мешалок при различных режимах, характерных для коагуляционной обработки воды. Содержание СПАВ определяли до перемешивания и после него (табл. 3.3).
Из табл. 3.3. следует, что введение дополнительного перемешивания привело к снижению эффекта очистки. По-видимому, в результате механического воздействия происходит десорбция СПАВ с хлопьев гидроксида металла.
В ходе экспериментов по обработке воды в электрокоагуляторе наблюдалось образование хлопьев зеленовато-бурого цвета, что свидетельствует о преобладании в их составе гидроксида двухвалентного железа. Для оценки характера выходящей из аппарата смеси воды, хлопьев и газа было определено значение окислительно-восстановительного потенциала (ОКВ). Это значение составляло (-470) - (-500) мВ, что свидетельствовало о восстановительном характере среды.
Исследование зависимости эффективности очистки воды от исходной концентрации СПАВ
Загрязненность прачечных и банно-прачечных сточных вод, как отмечено в главе 2, колеблется в очень широких пределах. С целью выявления влияния исходной концентрации СПАВ на процесс электрохимической очистки на лабораторной модели электрокоагулятора были проведены эксперименты по обработке сточных вод прачечных, содержащих различные количества СПАВ от 60 до 210 мг/л. Замечено, что процесс очистки воды с низким содержанием СПАВ идет при незначительном снижении силы тока в аппарате. При высоких концентрациях СПАВ (более 130 мг/л) происходит интенсивное обрастание электродов за счет образования пленки из адсорбционных структур поверхностно-активных веществ.
Зависимость степени очистки от исходного содержания СПАВ представлена кривыми на рис. 4.4. С ростом исходной концентрации СПАВ от 60 до 210 мг/л величина максимального достигаемого эффекта очистки снижается с 95 до 75 % (рис. 4.4 а). При исходной концентрации СПАВ 210 мг/л остаточная концентрация СПАВ составляет около 45 мг/л.
Следует отметить, что величина плотности тока, при которой достигается максимальный эффект очистки, практически не изменяется в диапазоне исходных концентраций СПАВ 60-140 мг/л (рис. 4.4 б). При дальнейшем увеличении исходной концентрации СПАВ величина оптимальной плотности тока повышается.
Выявленные зависимости эффекта очистки от исходной концентрации в сточной воде СПАВ указывают на необходимость усреднения стока. Как уже отмечалось, усредненные сточные воды прачечной содержат не более 130 мг/л СПАВ. Эта концентрация позволяет достичь достаточно высокого эффекта очистки (85 %),
Влияние исходной концентрации СПАВ на процесс электрохимической очистки воды: а - зависимость эффекта очистки от плотности тока; б - зависимость плотности тока, обеспечивающей максимальный эффект очистки от исходной концентрации СПАВ; исходная концентрация СПАВ: 1-60 мг/л; 2 80 мг/л; 3 - НО мг/л; 4 - 130 мг/л; 5 - 160 мг/л; 6 - 210 мг/л. а принятая для этой концентрации оптимальная плотность тока обеспечит проведение процесса очистки с максимальным эффектом и при более низких исходных концентрациях СПАВ.
Характер установленных закономерностей процесса очистки воды был проверен применительно к "серым" стокам. "Серым" стоком называют хозяйственно-бытовые сточные воды (от приготовления пищи, мытья, стирки и т.п.) за исключением фекальных стоков. Проблема очистки "серых" стоков очень важна для неканали-зованных сельских населенных пунктов.
По химическому составу "серые" сточные воды близки к банно-прачечным сточным водам. Они также представляют собой многокомпонентную систему, содержащую синтетические поверхностно-активные вещества, фосфаты, органические и минеральные загрязнения.
Зависимости, полученные при изучении процесса электрохимической очистки банно-прачечных сточных вод, нашли подтверждение в опытах с "серыми" сточными водами.
Установлена целесообразность применения железных электродов (рис. 4.5). Эффект очистки при использовании этих электродов (по СПАВ - 75-80 %, ХЕК - 75 % и ЕПК5 - 70-75 %) выше, чем при использовании алюминиевых (соответственно 60-65 %, 70-75 % и 45-50 %).
Очистка "серых"стоков, содержащих менее I мг/л ПАВ происходит аналогично, но при более низких значениях плотности тока -35 А/м при скорости протока воды - 3 м/ч.
Средний расход электроэнергии составляет 1,3 кВт ./ на І м обрабатываемой воды, расход металла в зависимости от силы о тока равен 80-180 г/м .
Исследования по доочистке стоков, прошедших стадию электрохимической обработки
Результаты исследований, представленные в предыдущих разделах, свидетельствуют о том, что при обработке электрохимическим методом сточных вод, содержащих СПАВ около 130 мг/л, достигается их очистка до концентрации СПАВ 5-25 мг/л. Сток с таким содержанием СПАВ может быть сброшен при условии его разбавления в водоеме до 0,5 мг/л [84] . Это возможно в том случае, когда расход воды в водоеме превышает расход сбрасываемых сточных вод в 10-50 раз в зависимости от степени очистки.
С целью исследования возможности более глубокого удаления СПАВ из воды был опробован метод фракционирования СПАВ в пену.
Как отмечено в обзоре литературы, работой А.И.Цветковой [50] показано, что эффективность процесса фракционирования СПАВ в пену существенно снижается при уменьшении в обрабатываемой воде концентрации СПАВ и повышается при уменьшении содержания в ней взвешенных веществ.
В связи с этим в настоящей работе была проверена целесообразность применения фракционирования для доочистки воды, прошедшей стадию электрохимической очистки, т.е. фракционирования после удаления из воды основной массы загрязнений при относительно низкой концентрации СПАВ.
В качестве лабораторной модели фракционного аппарата использовали цилиндр диаметром II см и высотой 45 см. В дно цилиндра вмонтирована фильтросная пластина, через которую диспергировали сжатый воздух. Выпенивание производили в течение 5-20 минут при измерении расхода воздуха с помощью ротаметра. Пену, образующуюся на поверхности воды снимали и измеряли ее объем. В пробах исходной воды, воды после фракционирования и в концентрате пены определяли концентрацию СПАВ.
Характер полученных зависимостей эффективности извлечения СПАВ от состава воды и расхода воздуха (рис. 5.3) аналогичен зависимостям, приведенным в работе [87] . Однако степень удаления СПАВ из очищенной воды составила лишь 55-60 %% что соответствует остаточному содержанию около 10 мг/л при исходной концентрации 25 мг/л. При фракционировании воды, содержащей 10 мг/л СПАВ, остаточная концентрация составила 7 мг/л. Таким образом, в рассматриваемом случае влияние исходной концентрации СПАВ на эффективность очистки проявляется значительно сильнее.
В ходе экспериментов установлено, что в результате флотации образуется концентрат пены, имеющий ХПК около 1800 мг/л, содержание СПАВ в нем около 150 мг/л, объем пены составляет менее I % объема обрабатываемой воды.
Таким образом, относительно низкая эффективность изъятия ОПАВ и малый объем концентрата пены, делает нецелесообразным его повторное использование на прачечных небольшой производительности.
Другим возможным способом доочистки является самоочищение сточной воды в биологических прудах. Особенность биопрудов состоит в массовом развитии планктонных водорослей - основных агентов быстрого самоочищения сточной жидкости. В процессе фотосинтеза эти водоросли обогащают воду кислородом, быстро ассимилируют биогенные компоненты жидкости, а при массовом размножении обусловливают и ее быстрое бактериальное самоочищение
[73] . Очищение в водоеме происходит за счет жизнедеятельности фитопланктона и бактериопланктона. Продукты, освобождаемые при минерализации бактериями органических загрязнений ( СОг , МН3 и др.), ассимилируют фитопланктон. Кислород, необходимый для окисления бактериями органических веществ, восполняется за счет фотосинтеза фитопланктона. Традиционно биопруды применяются для доочистки биохимически очищенных сточных вод. Однако исследованиями [іб] была показана их высокая эффективность и для доочистки городских сточных вод после реагентной обработки (физико-химической очистки).
С целью определения возможности доочистки- очищенных электрохимической коагуляцией сточных вод прачечных была предпринята попытка провести окисление оставшихся загрязнений в упрощенных моделях биопрудов в лабораторных условиях.
Для этого использовали две стеклянные емкости объемом 10 литров, в одну из которых подавали воздух в количестве 0,03-0,04 л/мин на I литр воды. Во вторую емкость воздух не подавали -иммитировали работу контактного биопруда без принудительной аэрации. В ходе опыта периодически определяли ШС, ЕПК5 и концентрацию СПАВ. Исследования проводили с очищенными сточными водами, различающимися исходными концентрациями загрязнений (опыты I и П на рис. 5.4).
В течение 6 суток в аэрируемой модели пруда происходило снижение ХПК в среднем на 53 %, ЕПК на 86 % и концентрации СПАВ на 75 %. В случае более концентрированной исходной воды в не-аэрируемом пруде количество загрязнений снижается до следующих значений: ХПК - 33 мг/л, ЕПК5 - 5 мг/л, СПАВ - 5 мг/л.
Результаты исследований свидетельствуют о возможности до-очистки сточных вод прачечных и банно-прачечных комбинатов в биопрудах. Необходимость такой доочистки может возникнуть при малых расходах воды в водоемах, в которые предполагается сброс очищенных электрохимическим методом сточных вод.
