Технологические расчеты по курсу: «Очистка газов и сточных вод металлургических производств» (стр. 5 )

А

Рис. 3.1. Схема горизонтальной песколовки

а - длина; b - ширина; Н – высота; hос – высота осадка; h – наполнение.

При расчете песколовки необходимо учитывать возможность интенсификации работы очистных сооружений в будущем, в связи с чем принимается коэффициент 1,4 к максимальному наполнению.

Площадь живого сечения песколовки определяется исходя из количества отделений песколовки, скорости движения сточных вод и максимального объема очищаемых вод по формуле:

м2

где qmax – максимальный объем очищаемых вод, м3/с;

V – скорость движения сточных вод (0,15-0,3 м/с);

n – количество отделений песколовки.

Длина песколовки определяется по формуле:

м

где К – коэф. принимаемый в зависимости от типа песколовки и

гидравлической крупности механических примесей в очищаемой воде по

табл. 28 СНиП ;

Н – расчетная глубина песколовки (Н = 0,25-1,0 м) и принимается

несколько большей чем глубина потока в подводящем канале;

U0 – гидравлическая крупность частиц подлежащих задержанию

(U0 = 18-24 мм/с).

Ширина отделения песколовки определяется:

м

Скорость протока сточных вод в песколовке при минимальном расходе, когда наполнение в ней:

и должно быть не менее 0,15 м/с:

где hmax – наполнение песколовки при максимальном расходе;

hmin – наполнение песколовки при минимальном расходе.

Тогда минимальная скорость протока сточных вод в песколовке определится по формуле:

м/с

Расчетная продолжительность протока сточных вод в песколовке определяется:

с

и при максимальном протоке недолжна превышать 30 секунд.

Для поддержания в песколовке постоянной скорости движения очищаемых вод на выходе из нее предусматривается водослив с широким порогом. Расчет водослива сводится к определению перепада между дном песколовки, порогом и ширины водослива. Перепад определяется по формуле:

где Кq – отношение максимального и минимального расходов.

Глубина воды в песколовке соответственно при qmax, qmin и расчетной скорости V, определяются:

м

м

Ширина водослива определяется:

где m –коэф. расхода, принимается в пределах 0,35-0,38.

Следует помнить, что стенки камер песколовки должны иметь угол наклона не менее 600. Удаление продуктов отстоя из песколовки рекомендуется осуществлять скребковыми механизмами, гидроэлеваторами или вручную.

После гравитационной очистки, сточные воды, перед сбросом в сети канализации или поверхностную гидросеть, необходимо подвергать физико-химической или химической доочистке. Последние, наряду с обеспечением необходимого качества воды, позволяет также извлечь ценные продукты и снизить потери производства. Анализ литературных источников и опыт работы свинцово-цинковых предприятий, частности АО «Электроцинк» показывает, что ее сточные воды содержат:

железо общее, Fe - 1,2 мг/л

медь, Cu2+ - 1,7 мг/л

свинец, Pb2+ - 13,2 мг/л

цинк, Zn+ - 8,1 мг/л

никель, Ni2+ - 1,6 мг/л

кобальт, Co2+ - 1,2 мг/л

кадмий, Cd - 30,7 мг/л

марганец, Mn - 3,4 мг/л

мышьяк, As - 0,05 мг/л

сурьма, Sb - 0,16 мг/л

pH - 6,5–7,8

Столь широкий спектр веществ в сточных водах в определенной степени затрудняет осуществить полную очистку стоков предприятий. Однако, изыскания, проведенные на кафедре металлургии цветных металлов СКГМИ, позволяют выделить из этих стоков некоторые металлы. В частности установлено, что сточные воды содержащие катионы цинка можно очищать переводом их в трудно растворимую гидроокись:

Zn2+ + 2OH Zn(OH)2

Началу выпадения гидроокиси цинка в осадок соответствует рН = 5,4 – 6,4. Однако, следует помнить, что при рН = 12 – 13 гидроокись цинка начинает растворяться с образованием цинкатов:

Zn(OH)2 + OH Zn(OH)3

Поэтому для достижения максимального эффекта очистки сточных вод от цинка и перевода его в гидроокись, необходимо строго придерживаться довольно узких пределов рН, равных 8-9. Более глубокую очистку стоков от катионов цинка можно осуществит осадив их в виде наиболее трудно растворимого сульфида цинка:

Zn2+ + S2- ZnS

Оптимальное значение рН при осаждении сульфида цинка сернистым натрием составляет 2,5-3,5.

Приведенный выше качественный состав сточных вод показывает, что кроме катионов цинка, в стоках присутствуют и катионы свинца Pb2+. Перевести их в осадок можно в виде одного из ниже приведенных трудно растворимых соединений:

Pb2+ + OH Pb(OH)2

2Pb 2++ 2OH + CO Pb2(OH)2CO3

Pb2+ + CO PbCO3

Началу выпадения в осадок гидроокиси свинца соответствует значение

рН = 6,0 – 8,4. Наиболее дешевым материалом очистки является метод получения трудно растворимого карбоната свинца. В промышленных условиях для этого можно использовать известняк, доломит, мел, мрамор и подобные им природные материалы. Исследования показывают, что если в сточных водах объемом 4000 м3/сут. содержится 30 мг/л свинца, то в получаемом при очистке известковым молоком осадке будет содержаться 120 кг металла и при выплавке получено 43 т. в год дополнительного чистого свинца.

Сравнительный анализ сточных вод предприятий свинцово-цинковой направленности показывает, что содержание кадмия в стоках колеблется в пределах 30-190 мг/л. Поскольку произведение растворимости гидроокиси кадмия составляет , что указывает на ее незначительную растворимость, а рН соответствующий началу выпадения в осадок равен 7,2-8,2, то становится очевидным возможность обработки тем же известковым молоком. Таким образом, обработка стоков указанным раствором при рН = 8,5 9,0 позволит максимально очистить сточные воды от растворенных солей кадмия. Следует отметить, что известковое молоко позволяет высадить из сточных вод и катионы цинка.

Гидроокись меди обладает амфотерными свойствами и поэтому может растворяться в кислоте и щелочи. Практически полное выделение меди происходить при рН = 8 – 10, но с увеличением рН возможно образование растворимых купритов NaHCuO2 или NaCuCO3. Поэтому целесообразно осаждать катионы меди из сточных вод в виде гидроксокарбоната, нерастворимого в воде:

2Cu2+ + CO + 2OH Cu(OH)2CO3

Мышьяк концентрируется, чаще всего, в сточных водах газоочистных устройств, отработанных электролитах и т. д. способы выделения мышьяка из растворов в форме арсенита кальция:

2H3AsO3 + 3Ca(OH)2 = 3Ca(AsO3) + 6H2O

и арсената кальция:

2H3AsO4+ 3Ca(OH)2 = 3Ca(AsO4) + 6H2O

сопряжены с образованием опасных токсичных соединений в виде отходов, требующих специальных захоронения. Использование в качестве осадителя гидроогиси кальция позволяет снизить остаточную концентрацию мышьяка в растворе лишь до величины, превышающий ПДК в 70-100 раз, т. к. произведение растворимости Ca3(AsO4)2 составляет . Представляет интерес осаждение мышьяка из раствора в виде сульфидов. Их растворимость в воде минимальна и выход мышьяксодержащих отходов сокращается в 10 раз. Следует отметить, что осадки сульфидов могут быть переработаны на белый мышьяк. Реагентами – осадителями служат сульфогидрат натрия NaHS, сернистый натрий NaS и другие сульфосодержащие реагенты. Осаждение мышьяка протекает в соответствии с реакцией:

6NaHS + 3H2SO4 + 4H3AsO3 = 2As2S3 + 3Na2SO4 + 12H2O.

Наиболее распространенными, в настоящее время, являются методы физико-химической очистки сточных вод. Из указанных методов большое внимание уделяется методу коагуляции, ионному обмену, флотации меньшее выпариванию и кристаллизации. Однако, надо помнить, что целесообразно применять эти методы в сочетании с химическими и другими методами.

Под коагуляцией следует понимать слипание частиц коллоидной суспензии при столкновениях в процессе теплового движения, перемешивании или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В этих случаях образуются агрегаты в которых первичные частицы соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно через прослойку окружающей их среды. Известно, что сточные воды содержат коллоидные частицы размерами от 0,001 до 10 мкм и более. Однако, лишь последние, достаточно полно удаляются механическими способами. Под влиянием добавляемых веществ – коагулянтов в результате гидролиза образуются малорастворимые в воде гидрооксиды, которые сорбируют на своей хлопьевидной поверхности коллоидные и мелкодисперсные вещества и, оседают при благоприятных гидродинамических условиях. Так:

Al2(SO4)3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3H2SO4

FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3HCl

FeSO4 + 2H2O = Fe(OH)2 + H2SO4

4Fe(OH)2 + O2 +2H2O = 4Fe(OH)3

Следует помнить, что минимальный расход коагулянтов достигается в диапазоне оптимальных величин рН. В частности для Al(OH)3 – РН = 4,5 – 7,0; для Fe(OH)2 – рН = 8,5 – 10,5; для Fe(OH)3 – рН = 4 – 6, а образующиеся в процессе гидролиза кислоты нейтрализуются щелочами или известью. Установлено, что скорость и эффективность процесса коагуляции зависит от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения реагентов. Так, например, введение полиакриамида в сточные воды металлургического производства, сокращает необходимую площадь радиальных отстойников почти в 2 раза.

Очистка сточных вод, содержащих мелкодисперсные и коллоидные частицы, можно осуществлять и при пропускании их через электролизные ванны с анодом из алюминия или железа. При этом материал анода постепенно расходуется, образуя гидрооксиды и коагулирует. Исследования показывают, что растворение в водах 1 гр. алюминия эквивалентно введению 6,3 гр. Al2(SO4)3, а 1 гр. железа – введению 3,6 гр. Fe2(SO)4 или 2,9 гр. FeCl3. при использовании данного метода очистки сточных вод, следует помнить, что расход электроэнергии для растворения 1 гр. алюминия – 12 Вт/ч, 1 гр. железа – 2,9 Вт/ч, плотность тока не более 10А/м2, расстояние между электродами – не более 20мм, а скорость потока сточных вод между электродами – не менее 0,5 м/с. компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания являются достоинством метода. Однако значительные расходы электроэнергии и металла, являющиеся следствием образования оксидной пленки на поверхности электродов, их загрязнения примесями сточных вод, а также нагреванием обрабатываемых сточных вод, ограничивают область применения метода. Электрокоагуляционная установка при продолжительности контакта сточных вод в электрическом поле 15 – 30 сек. и пропускной способности 1,5 – 3 м3/час на 1 кв. м площади поверхности электродов одного полюса и исходной концентрации 0,5 – 0,8 г/л, осаждает взвеси на 99%.

Под гетерогенным ионным обменом понимается процесс обмена между ионами находящимися в растворе и ионами присутствующими на поверхности твердой фазы ионита. Очистка сточных вод указанным способом позволяет извлекать ценные примеси в виде хрома, цинка, меди и др. металлов до их ПДК. Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность, определяемая обменной емкостью, т. е. количеством граммэквивалентов ионов которое может поглотить 1 м3 ионита до начала проскока поглощаемых ионов в фильтрат, а также возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе регенерации. Если катиониты находятся в Н или Na форме, обмен катионов будет проходить по реакции:

где - катион находящийся в сточной воде,

- сложный комплекс катионита.

Регенирация осуществляется промывкой кислотой при Н – катионите или раствором хлористого натрия при Na – катионите:

Поскольку сточные воды характеризуются сложным составом, то большое значение имеет селективность поглощения ионов. Так, для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения. Например, для катионита КУ – 2: . При этом слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот:

где - сложный органический комплекс анионита.

Для большинства анионитов справедлив следующий ряд поглощающей способности: . Регенерация слабоосновных анионитов осуществляется фильтрованием через них 2 – 4% водных растворов NaOH, Na2CO3 или NH4OH:

Выпаривание сточных вод применяют для увеличения концентрации содержащихся солей и ускорения последующей кристаллизации. Выпаривание может быть простым, а также одно или многоступенчатом под вакуумом. Простое выпаривание производится в открытых емкостях паром низкого давления, что вызывает его большой расход. При выпаривании под вакуумом уменьшается температура кипения раствора расход тепла, причем в качестве источника последнего применяют отработанный пар. Наряду с указанными достоинствами, следует отметить, что вакуумные установки сложны в конструктивном исполнении и эксплуатации.

Кристаллизация применяется при обезвреживании органического количества концентрированных сточных вод. Кристаллизаторы бывают периодического действия с естественным охлаждением за счет испаряющейся воды, периодического действия с перемешиванием и искусственным охлаждением, а также непрерывного действия.

Термоокислительный метод очистки сточных вод заключается в парофазном окислении. Иногда его называют огненным методом. При указанном методе сточную воду вводят в распыленном состоянии в специальную камеру, где обрабатывают продуктами горения топлива при температурах С. при этом вода испаряется, органические примеси сгорают, а минеральные образуют твердые или расплавленные частицы, и выводятся из рабочей камеры печи дымовыми газами.

Литература

1.Справочник по пыле и золоулавливанию. Под ред. – М.: Энергия, 1975.

2. и Пейсахов и очистка газов в цветной металлургии.- М.: Металлургия,1977

3. , и др. Экологические проблемы в металлургии. Сточные воды. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2005, 441 с.

4. , И, и др. Очистка сточных вод (примеры расчетов). – Мн.: Высшая школа, 2007, 255 с.

5. , /Б., Антонов и контроль сточных вод предприятий цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1983, 192 с.