способ очистки промышленных сточных вод, установка и гальванокоагулятор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки промышленных сточных вод, включающий подачу газов в сточные воды, обработку их в поле гальванической пары с последующим отделением твердой фазы, отличающийся тем, что в сточные воды под давлением вводят углекислый газ и воздух, а после обработки в поле гальванической пары сточные воды пропускают через ультразвуковое поле и далее через магнитное поле, отделение твердой фазы проводят вначале в тонкослойном отстойнике, а затем на песчаном фильтре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход углекислого газа и воздуха составляет 0,03-0,05 л/л сточной воды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гальваническую пару подвергают вибрации с частотой в 25-30 Гц, время контактирования сточной воды с гальванопарой 20-25 мин.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частота ультразвукового поля 22-44 кГц, а напряженность магнитного поля 150-300 Э.

5. Установка для очистки промышленных сточных вод, содержащая приемную емкость, эжектор, водяной насос, гальванокоагулятор и блок сепарации твердой фазы, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ультразвуковой генератор и электромагнит, при этом ультразвуковой генератор установлен между гальванокоагулятором и электромагнитом, а эжектор установлен между приемной емкостью и водяным насосом и соединен с линией сжатого воздуха и баллоном с углекислым газом, блок сепарации твердой фазы выполнен в виде тонкослойного отстойника и песчаного фильтра, установленных последовательно.

6. Гальванокоагулятор для очистки промышленных сточных вод, включающий вертикально расположенный цилиндрический корпус с размещенным в нем наполнителем в виде смеси дробленого графита или кокса с железной стружкой, опорную решетку и патрубки ввода и вывода обрабатываемой жидкости и воздуха, отличающийся тем, что корпус гальванокоагулятора жестко закреплен на платформе, установленной на опорах с возможностью совершения колебательных движений.

7. Гальванокоагулятор по п.6, отличающийся тем, что платформа снабжена электродвигателем с возможностью перемещения его относительно корпуса гальванокоагулятора, на валу электродвигателя перпендикулярно его оси жестко закреплена штанга с размещенным на ней грузом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки промышленных сточных вод, в частности сточных вод гальванических производств и предприятий цветной металлургии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ очистки сточных вод [1] (SU 1611886 A1, 1990), включающий введение предварительно в очищаемую воду пылевидного кокса и кислорода и подачу ее в герметичный сосуд, заполненный железной стружкой, внутри которого создается избыточное давление. Перемешиваемые потоком воды пылинки кокса создают с частицами железа гальванопару, в результате чего происходит анодная поляризация железа, переход его в раствор в виде двухвалентного иона, восстановление двухвалентным железом шестивалентного хрома до трехвалентного с переходом железа в трехвалентное, коагуляция диспергированных и растворенных примесей. Для обеспечения полноты выделения из воды гидроксидов металлов воду на выходе из гальванокоагулятора подщелачивают.

Недостатками данного способа являются существенные затраты на приготовление пылевидного кокса, его повышенный расход, связанный с тем, что часть пылевидного кокса проскакивает через слой железной стружки, не успевая вступить с ней в контакт и образовать гальванопару, повышение солесодержания после подщелачивания воды, а также нестабильность очистки вследствие накопления в гальванокоагуляторе осадков гидроксидов металлов и кокса, необходимость проведения процесса под давлением.

Заявляемая установка относится к очистке промышленных сточных вод и может быть использована для обработки стоков гальванических производств машиностроительных предприятий и предприятий цветной металлургии. Заявляемая установка предназначена для осуществления данного способа.

Известен аппарат для очистки сточных вод, содержащий камеру электрокоагуляции с размещенным в ней блоком электродов, отстойник с фильтрующим слоем, ультразвуковые излучатели, водоструйный эжектор [2] (SU 1293113 A1, 1987).

Указанный аппарат обладает существенными недостатками: большим расходом электроэнергии, которая необходима для растворения стальных электродов; высокой взрывоопасностью из-за отсутствия непрерывного удаления образующегося при электролизе водорода; нестабильностью работы аппарата из-за зарастания отражательной стали осадком гидроксидов железа; выходом из строя фильтрующего слоя при заполнении бака осадком гидроксида железа и последующим перемешиванием осадка в отстойной зоне бака аппарата; неконтролируемым опорожнением аппарата через выходной патрубок и далее через насос при длительных остановках аппарата.

Известна установка для очистки сточных вод, содержащая усреднитель, насос, водоструйный эжектор, гальванокоагулятор, отстойник [1].

Установка обладает существенными недостатками: разбавлением сточных вод за счет ввода водо-воздушной смеси и водяной суспензии измельченного кокса и связанным с этим увеличением нагрузки на гальванокоагулятор; зарастанием насадки гальванокоагулятора отложениями сточных вод и гидроксидов железа и связанным с этим снижением эффективности насадки и повышением ее гидравлического сопротивления; абразивным износом водяного насоса измельченным коксом.

Установка [1] является наиболее близким к заявляемой по совокупности существенных признаков и принимается в качестве прототипа заявляемой установки.

Заявляемый гальванокоагулятор относится к очистке промышленных сточных вод и может быть использован для обработки стоков гальванических производств машиностроительных предприятий и предприятий цветной металлургии. Заявляемый гальванокоагулятор предназначен для осуществления данного способа.

Известен гальванокоагулятор [3] (Феофанов В.А. и др. Эффективные методы очистки и кондиционирования сточных вод предприятий цветной металлургии. Алма-Ата, 1987, с. 70 - 75), представляющий собой цилиндрическую обечайку, установленную на раме с возможностью вращения относительно горизонтальной оси. На внутренней поверхности обечайки размещены скребки, предназначенные для перемешивания наполнителя в процессе работы. Гальванокоагулятор снабжен устройствами для ввода и вывода обрабатываемых сточных вод, электродвигателем с приводом. Наполнитель представлен смесью дробленого графита и железной стружки.

Указанное устройство обладает существенными недостатками: имеется возможность проскока сточных вод без контакта с наполнителем вследствие наличия "зеркала" обрабатываемых вод в цилиндрическом корпусе гальванокоагулятора; неудовлетворительные условия аэрации в рабочей зоне гальванокоагулятора; значительные затраты электроэнергии на обеспечение вращения аппарата с наполнителем.

Известен гальванокоагулятор [4] (Химическая промышленность, 1993, N 3 - 4, с. 63 - 65), работающий в пульсационном режиме и состоящий из цилиндрического корпуса, расположенного вертикально, пульсационной камеры, слоя наполнителя, размещенного между нижней и верхней ограничительной решетками и снабженного вертикальными вставками в виде гофрированных полос. Устройство [4] работает как в режиме орошения, так и в режиме затопления.

Для предотвращения пассивации поверхности элементов наполнителя, образующих гальванопару, в данном устройстве предусмотрено периодическое взрыхление наполнителя за счет создания в пульсационной камере избыточного давления воздуха, в результате чего наполнитель перемещается от нижней ограничительной решетки к верхней. Перемещаясь, частицы наполнителя сталкиваются с гофрированными участками вставок, что вызывает разрушение агломератов частиц наполнителя. При снятии избыточного давления частицы движутся в обратном направлении.

В результате таких колебаний и столкновений частиц наполнителя с гофрированными вставками происходит непрерывное обновление диффузионного пограничного слоя на поверхности частиц наполнителя.

Недостатками известного устройства являются: периодичность прохождения потока очищаемых сточных вод через наполнитель вследствие необходимости создания избыточного давления воздуха в пульсационной камере, в результате чего запирается линия подачи очищаемой жидкости и искусственно увеличивается ее расход; недостаточная эффективность очистки вследствие постепенной пассивации поверхности частиц наполнителя между моментами встряхивания последнего и образования отдельных струй потока очищаемых сточных вод в слое наполнителя за счет создания избыточного давления воздуха в пульсационной камере и разрыхления наполнителя.

Гальванокоагулятор [4] является наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков и принимается в качестве прототипа заявляемого устройства.

Техническим результатом изобретения является снижение затрат и повышение эффективности очистки сточных вод от катионов тяжелых металлов и анионов.

Технический результат достигается тем, что по способу в сточные воды под давлением вводят углекислый газ и воздух, а после обработки в поле гальванической пары сточные воды пропускают через ультразвуковое поле и далее через магнитное поле; отделение твердой фазы производят вначале в тонкослойном отстойнике, а затем на песчаном фильтре; расход углекислого газа и воздуха составляет 0,03 - 0,05 л/л сточной воды; гальваническую пару подвергают вибрации с частотой в 25 - 30 Гц, время контактирования сточной воды с гальванопарой - 20 - 25 мин; частота ультразвукового поля 22 - 44 кГц, а напряженность магнитного поля 150 - 300 Э.

Обработка сточных вод углекислым газом позволяет снизить pH сточных вод (повысить их кислотность) до pH = 2 - 4 и тем самым создать благоприятные условия для проведения процесса, например, восстановления шестивалентного хрома в трехвалентный, у которого ярко выражена зависимость от реакции среды, а также создать условия для последующего образования в сточной воде зародышей карбонатов, например, железа и кальция. Подача воздуха необходима для ускорения процесса коррозии расходуемого элемента гальванопары - железа, а замена кислорода воздухом позволяет снизить затраты на очистку. Расход углекислого газа и воздуха не может превышать 0,05 л/л сточной воды, так как иначе не будет работать насосное оборудование.

В качестве гальванопары в предлагаемом способе используют смеси крупнозернистых материалов: железо - медь, железо - кокс. Компоненты гальванопары подбирают исходя из состава сточных вод. Вибрационная обработка гальванопары с частотой 25 - 30 Гц при пропускании через нее потока сточных вод позволяет исключить зарастание ее элементов отложениями сточных вод, непрерывно обновлять поверхность гальванопары и тем самым максимально интенсифицировать процесс генерации ионов железа (II).

Обработка сточных вод в ультразвуковом генераторе с частотой 22 - 44 кГц необходима для подщелачивания сточных вод и последующего количественного осаждения гидроксидов железа и тяжелых металлов.

Обработка сточных вод магнитным полем с напряженностью 150 - 300 Э обеспечивает увеличение скорости образования кристаллических зародышей гидроксидов железа (сокращения латентного периода кристаллизации) и их роста, что связано с наличием в сточных водах ферромагнитных окислов железа, образовавшихся в процессе гальванокоагуляции, карбоната кальция и других солей. Образование кристаллических зародышей различных солей дает возможность повысить степень очистки сточных вод от анионов, а увеличение скорости роста кристаллов позволяет на последующих стадиях процесса очистки сточных вод более эффективно отделять твердую фазу.

Разделение процесса отделения образовавшихся кристаллов на два этапа: вначале в тонкослойном отстойнике, а затем на песчаном фильтре связано не только со снижением нагрузки на песчаный фильтр и повышением ресурса его работы, но и с необходимостью отделения и вывода из потока очищаемой сточной воды гидроксида тяжелых металлов и свежего гидроксида железа, адсорбировавшего при образовании на своей высокоразвитой поверхности загрязняющих веществ, которые в процессе "старения" осадка могут вновь попасть в уже очищенные сточные воды. Тонкослойный отстойник выполняет также роль промежуточной емкости, в которой происходит дозревание осадка.

Технический результат в установке для очистки промышленных сточных вод достигается тем, что она дополнительно содержит ультразвуковой генератор и электромагнит, при этом ультразвуковой генератор установлен между гальванокоагулятором и электромагнитом, а эжектор установлен между приемной емкостью и водяным насосом и соединен с линией сжатого воздуха и баллоном с углекислым газом; блок сепарации твердой фазы выполнен в виде тонкослойного отстойника и песчаного фильтра, установленных последовательно.

Технический результат в гальванокоагуляторе для очистки промышленных сточных вод достигается тем, что, корпус гальванокоагулятора жестко закреплен на платформе, установленной на опорах с возможностью совершения колебательных движений, платформа снабжена электродвигателем с возможностью перемещения его относительно корпуса гальванокоагулятора, на валу электродвигателя перпендикулярно его оси жестко закреплена штанга с размещенным на ней грузом.

Отличительные от прототипа признаки заявляемого способа:

1. Сточные воды для коррекции pH обрабатывают CO₂.

2. Гальваническую пару подвергают вибрации.

3. Сточные воды пропускают через ультразвуковое поле.

4. Сточные воды пропускают через магнитное поле.

5. Отделение твердой фазы производят в два приема, вначале на динамическом тонкослойном отстойнике, а затем на песчаном фильтре.

Отличительные от прототипа признаки заявляемой установки:

1. Установка дополнительно содержит ультразвуковой генератор и электромагнит.

2. Ультразвуковой генератор установлен между гальванокоагулятором и электромагнитом.

3. Эжектор установлен между приемной емкостью и водяным насосом и соединен с линией сжатого воздуха и баллоном с углекислым газом.

4. Блок сепарации твердой фазы выполнен в виде тонкослойного отстойника и песчаного фильтра, установленных последовательно.

Отличительные от прототипа признаки заявляемого гальванокоагулятора:

1. Корпус гальванокоагулятора жестко закреплен на платформе, установленной на опорах с возможностью совершения колебательных движений.

2. Платформа снабжена электродвигателем с возможностью перемещения его относительно корпуса гальванокоагулятора, на валу электродвигателя перпендикулярно его оси жестко закреплена способная поворачиваться штанга с размещенным на ней грузом.

На фиг. 1 изображена схема установки очистки сточных вод; на фиг. 2 изображена схема гальванокоагулятора для очистки сточных вод; в таблицах 1 и 2, отражены изменения концентрации примесей в сточной воде в результате очистки для примеров 1 и 2 соответственно; в таблице 3 даны режимы очистки сточных вод для примера 3; в таблице 4 даны изменения концентрации примесей в сточной воде в результате очистки для примера 3.

Установка для очистки промышленных сточных вод (фиг. 1) состоит из приемной емкости 1, водяного насоса 2 гальванокоагулятора 3, ультразвукового генератора 4, электромагнита 5, тонкослойного отстойника 6, песчаного фильтра 7, эжектора 8, трубопроводов с линией сжатого воздуха 9 и баллоном с углекислым газом 10.

Заявляемая установка работает следующим образом.

Сточную воду из приемной емкости 1, водяным насосом 2 подают в гальванокоагулятор 3. На входе водяного насоса установлен эжектор 8, в который из линии сжатого воздуха 9 и от баллона с углекислым газом 10 подают данные газы. После гальванокоагулятора сточная вода попадает в ультразвуковой генератор 4 далее в электромагнит 5 и затем на тонкослойный отстойник 6 и песчаный фильтр 7. Очищенную сточную воду выводят из установки.

Гальванокоагулятор (фиг. 2) состоит из опорной платформы 1, установленной с возможностью совершения колебаний благодаря пружинам 2, размещенной на платформе колонны, состоящей из корпуса 3, патрубков ввода 4 и вывода 5 очищаемой жидкости, наполнителя 6, содержащего кокс (графит, уголь) и железный скрап и размещенного на опорной решетке 7, патрубка вывода газов 8. На платформе установлен также электродвигатель 9 с возможностью перемещения по платформе, вал электродвигателя закреплен на опоре 10 и снабжен штангой 11 с закрепленным на ней грузом 12 с возможностью перемещения по штанге.

Заявляемое устройство (фиг. 2) работает следующим образом.

Сточную воду, подлежащую очистке, из приемной емкости водяным насосом (на фиг. 2 не показаны) через патрубок 4 подают в колонну гальванокоагулятора, где она взаимодействует с наполнителем 6.

При вращении вала электродвигателя 9 с закрепленной на нем штангой 11 с грузом 12 платформе 1 сообщается колебательное движение.

В результате работы гальванопары железо-кокс железо анодно поляризуется и переходит в растворе в виде гидроксида двухвалентного железа в присутствии кислорода.

Колебания платформы 1 передаются элементам наполнителя 6, благодаря чему происходит непрерывное обновление диффузионного пограничного слоя на поверхности элементов наполнителя 6 и увеличивается эффективность массообменных процессов между твердой и жидкой фазами, что ведет к повышению общей эффективности очистки сточных вод.

Перемещением груза на штанге относительно вала электродвигателя и электродвигателя относительно корпуса гальванокоагулятора подбирают оптимальные условия для образования виброполя (псевдоожижения наполнителя).

Очищенную от загрязняющих веществ жидкость выводят из колонны гальванокоагулятора через верхний патрубок 5.

Для иллюстрации заявляемого изобретения приводим примеры осуществления заявляемого способа с использованием заявляемых устройств.

Пример 1. На очистку поступают сточные воды гальванического производства. Главная задача - очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов и снижение содержания анионов.

По предлагаемому способу сточную воду гальванического производства, имеющую в своем составе катионы меди, никеля, олова, свинца, анион хлора, сульфат- и нитрат-ионы и pH = 6,5 обрабатывают в водяном насосе, подмешивая к потоку сточной воды углекислый газ и воздух с расходом 0,03 л/л сточной воды; обработанную таким образом воду подают в гальванокоагулятор, заполненный смесью железных стружек и кокса в соотношении 4 : 1 по массе. Частота вибрации гальванокоагулятора составляла 25 Гц, время контактирования очищаемой воды с гальванопарой - 20 мин; после обработки в поле гальванической пары сточные воды пропускают через ультразвуковой генератор с частотой 22 кГц, а затем через электромагнит, который создает магнитное поле напряженностью 150 Э. После этого сточные воды отправляют в тонкослойный отстойник, а затем на песчаный фильтр.

Установка для очистки промышленных сточных вод работает стабильно. Анализ сточной воды производят до обработки и после нее. Результаты анализов представлены в таблице 1, из которой следует, что по предлагаемому способу имеет место эффективная очистка сточной воды не только от ионов тяжелых металлов, но и, в отличие от прототипа, от анионов.

Пример 2. На очистку поступают сточные воды машиностроительного завода, содержащие взвешенные вещества, СПАВ и нефтепродукты. Главная задача, как и в примере 1, - очистка от ионов тяжелых металлов.

По предлагаемому способу сточную воду машиностроительного завода, имеющую pH = 3,5, обрабатывают в водяном насосе, подмешивая к потоку сточной воды углекислый газ и воздух с расходом 0,05 л/л сточной воды; обработанную таким образом воду подают в гальванокоагулятор, заполненный смесью железных стружек и кокса в соотношении 4 : 1 по массе. Частота вибрации гальванокоагулятора составляла 30 Гц, время контактирования очищаемой воды с гальванопарой - 25 мин; после обработки в поле гальванической пары сточные воды пропускают через ультразвуковой генератор с частотой 22 кГц, а затем через электромагнит, который создает магнитное поле напряженностью 300 Э. После этого сточные воды отправляют в тонкослойный отстойник, а затем на песчаный фильтр.

Установка для очистки промышленных сточных вод работает стабильно. Результаты анализов исходной и обработанной воды представлены в таблице 2, из которой следует, что по предлагаемому способу имеет место эффективная очистка сточной воды не только от ионов тяжелых металлов, но и от анионов, взвешенных веществ, СПАВ и нефтерподуктов.

Пример 3. На очистку поступают концентрированные сточные воды гальванического производства машиностроительного завода. Главная задача, как и в примере 1, очистка от ионов тяжелых металлов.

По предлагаемому способу сточную воду гальванического производства, имеющую в своем составе шестивалентный хром, анионы фтора и хлора, сульфат-ионы, щевелевую кислоту и pH = 4,1, обрабатывают в трех режимах, представленных в таблице 3.

Сточную воду обрабатывают вначале в водяном насосе, подмешивая к потоку воды углекислый газ, и затем пробы обработанной таким образом воды подают в гальванокоагулятор, заполненный смесью железных стружек и кокса в соотношении 4 : 1 по массе. После обработки в поле гальванической пары пробы сточные воды пропускают через ультразвуковой генератор, затем через электромагнит. После этого сточные воды отправляют в тонкослойный отстойник, а затем на песчаный фильтр.

Анализ сточной воды производят до обработки и после нее, результаты анализов представлены в таблице 4, из которых хорошо видно, что при параметрах процесса ниже заявляемых, происходит резкое снижение степени очистки сточных вод, а при параметрах выше заявляемых заметного увеличения степени очистки не происходит.

Таким образом, заявляемый способ и устройство для его осуществления позволяют надежно и эффективно очищать различные по составу гальванические сточные воды от катионов тяжелых металлов и анионов при расходе углекислого газа и воздуха 0,03 - 0,05 л/л сточной воды, вибрации гальванической пары с частотой в пределах 25 - 30 Гц, времени контактирования очищаемой воды с гальванопарой - 20 - 25 мин, частоте ультразвукового поля 22 - 44 кГц и напряженности магнитного поля 150 - 300 Э.

Предлагаемое техническое решение соответствует критериям промышленной применимости, новизны и изобретательского уровня.