Характеристика технології обладнання для покращення питної води

3.3 Характеристика технології обладнання для покращення питної води

Система постачання населення питною водою була сформована відповідно Держстандарту 2874-82 “Вода питна” за умови відповідності джерел водопостачання I-му класу (чиста вода). Але поверхневі джерела, що були віднесені до 1-го класу, зараз за декількома стандартними показниками наблизились до III класу (розбавлені стоки). Технологія ж очищення води залишилася практично без змін. Традиційні технології водоочищення, які були розроблені в 50-60 роках, не відповідають сьогоденню, все менш спроможні перешкоджати надходженню до питної води забруднень неорганічного та органічного походження. Ситуація ще більш загострилась після Чорнобильської катастрофи 1986 року, коли відбулося серйозне забруднення води (з подальшим забрудненням мулу) довго живучими радіонуклідами.

Незадовільна якість води в місцях водозабору передбачає заходи хлорування, в ряді випадків гіперхлорування. Молекули хлорорганічних сполук, потрапляючи з водою до людського організму, призводять до токсичних ефектів (біля 2000 мутагенних, канцерогенних тощо). Немає більше сумнівів, що хлорорганічні сполуки провокують ряд неспецифічних захворювань, а саме ослаблення імунної системи та репродуктивної функції у жінок та чоловіків, вроджені дефекти розвитку, онкологічні захворювання та підвищення рівня захворювань ендокринної і нервової систем.

Одним з найбільш сильних аргументів на користь застосування хлору є необхідність дезинфекції питної води для попередження виникнення епідемічних захворювань (через бактеріальне забруднення води в останні роки в деяких регіонах України мали місце спалахи гострих кишкових захворювань). Дезінфектант хлор є одним з найбільш дешевих та ефективних, однак застосування його, враховуючи негативний вплив на людину та навколишнє середовище, не бажане. Хлорована вода - ось основна небезпека для генофонду населення України. У ній - причина багатьох хвороб, а відтак, і вимирання населення. У всьому світі хлоровану воду використовують тільки для технічних потреб. А працівникам деяких посольств, розташованих в Україні, заборонено навіть митися нею, настільки вона шкідлива для здоров’я. Натомість повинні прийти більш прогресивні, без хлорні технології, наприклад, озонові, які використовуються за кордоном.

Серед галузей району, де половина і більше стоків були забрудненими, виділялись вугільна промисловість, житлово-комунальне і побутове господарство. Порівняно з 1995 роком зменшились обсяги скидів забруднених стічних вод на 28 % у Коростишівському районі. Це пояснюється зменшенням виробництва району у промисловому секторі.

Водні об’єкти забруднювались переважно сухими рештками, хлоридами, сульфатами, завислими речовинами, нітратами, кальцієм, натрієм, амонійним нітрогеном, магнієм, фосфатами, нітритами, нафтопродуктами.

Основним напрямком роботи по охороні водних ресурсів є впровадження нових технологічних процесів виробництва, перехід на замкнуті цикли водопостачання, де очищені стічні води не скидаються, а багаторазово використовуються в технологічному процесі.

Захист водних ресурсів від виснаження і забруднення і їх раціонального використання для потреб народного господарства - одна з найбільш важливих проблем, що вимагають невідкладного рішення. У нашій країні широко здійснюються заходи щодо охорони навколишнього середовища, зокрема по очищенню виробничих стічних вод.

Одним з основних напрямі роботи по охороні водних ресурсів є впровадження нових технологічних процесів виробництва, перехід на замкнуті (безстічні) цикли водопостачання, де очищені|обчищені| стічні води не скидаються, а багато разів використовуються в технологічних процесах. Замкнуті цикли промислового водопостачання дадуть можливість повністю ліквідовувати ті, що скидаються стічних вод в поверхневі водоймища, а свіжу воду використовувати для поповнення безповоротних втрат.

Значно зменшити забрудненість води, що скидається підприємством, можна шляхом виділення із стічних вод цінних домішок, складність рішення цих задач на підприємствах хімічної промисловості полягає в різноманітті технологічних процесів і одержуваних продуктів. Слід зазначити також, що основна кількість води в галузі витрачається на охолоджування. Перехід від водяного охолоджування до повітря дозволить скоротити на 70-90 % витрати води в різних галузях промисловості. В зв'язку з цим вкрайважливими є розробка і впровадження новітнього устаткування, що використовує мінімальну кількість води для охолоджування.

Істотний вплив на підвищення водообігу може надати впровадження високоефективних методів очищення стічних вод, зокрема фізико-хімічних, яких одним з найбільш ефективних є застосування реагентів. Використання реагентного методу очищення виробничих стічних вод не залежить від токсичності присутніх домішок, що в порівнянні із способом біохімічного очищення має істотне значення. Ширше впровадження цього методу як в поєднанні з біохімічним очищенням, так і окремо, може певною мірою вирішити ряд завдань, пов'язаних з очищенням виробничих стічних вод.

У найближчій перспективі намічається впровадження іонообмінного та мембранних методів для очищення стічних вод.

На реалізацію комплексу заходів по охороні водних ресурсів від забруднення і виснаження у всіх розвинених країнах виділяються асигнування, що досягають 2-4 % національного доходу орієнтовно. Велика частина витрат - витрати на охорону водоймищ. Витрати, пов'язані з отриманням коагулянтів і флокулянтів|, частково можуть бути пониженіза рахунок ширшого використання для цих цілей відходів виробництва різних галузей промисловості, а також опадів, що утворюються при очищенні стічних вод, особливо надмірного активного мула, який можна використовувати як флокулянт|, точніше біофлокулянту.

Таким чином, охорона і раціональне використання водних ресурсів - це одна з ланок комплексної світової проблеми охорони природи.

Водойми Коростишівського району, що контролювались у 2003 році на гідробіологічні показники, як і у попередньому році, не відповідали фоновому стану. Більше двох третин контрольованих водних об’єктів знаходилися у стані антропогенної екологічної напруги, на решті — спостерігалася екологічна напруга з елементами регресу.

Приорітети

ü    Поліпшення якості джерел водопостачання.

ü    Оновлення водопровідно-каналізаційної мережі.

ü    Вдосконалення контролю якості питної води.

ü    Профілактика захворюваності на гепатит А і кишкові інфекції.

Гармонізація нормативної і методичної документації згідно світових стандартів.

Можна виділити 2 основних системи водозабезпечення промислових підприємств: прямоточна і послідовна система. При прямоточній системі (рис.3.3) вся збирана з водоймища вода Q_дж після участі в технологічному процесі (у вигляді відпрацьованої - Q_зб повертається у водоймище, за винятком тогокількості води, яка безповоротно витрачається у виробництві (Q_пот). Кількість стічних вод, що відводяться у водоймище, складає :

Q_збр = Q_дж - Q_пот.

Q_пот

-  вода чиста не нагріта

-  стічна вода нагріта

Рис. 3.3 Прямоточна система водозабезпечення

Слід зазначити, що стічні води залежно від виду забруднень і інших умов перед скидань у водоймище можуть проходити через очисні споруди. В цьому випадку кількість стічних вод, що скидаються у водоймище, зменшується, оскільки частина води відводиться з шламом (Q_шл). По схемі водозабезпечення з послідовним використанням води (рис.3.4.), яке може бути двох - триразовим, кількість стічних вод, що скидаються, зменшується відповідно до втрат на всіх виробництвах і на очисних спорудах:

Q_сбр = Q_дж - ( Q_пот1 + Q_пот2 + Q_пот3 )

Q_пот1  Q_пот2

ПП - 1 ПП - 2

ОС Q_шл

 Q_дж Q_сбр

- стічна вода не нагріта і забруднена

- стічна вода очищена

Рис.3.4 Послідовна система водозабезпечення

Повторне використання стічних вод після відповідного їх очищення набуло в даний час широкого поширення. У ряді галузей промисловості 90-95 % стічних вод використовується в системах оборотного водопостачання і лише 5-10 % - скидаються у водоймище.

Q_пот Q_пот  Q_пот

ОС Q_шл

 Q_зв Q_зв Q_зв

ОП Q_ун ОС Q_шл  ОП

Q_дж Q_сбр Q_дж Q_сбр Q_дж Q_сбр

- вода чиста не нагріта

- стічна вода нагріта

- стічна вода не нагріта и забруднена

-  стічна вода очищена

 -  стічна вода забруднена

 -  зворотня вода

ОП – охолоджувальний пристрій

Q_зв - зворотня вода

Q_ун - вода, що втрачається при випаровуванні і віднесена з охолоджувального пристрою

Рис. 3.5 Зворотнє водопостачання

Якщо в системі оборотного водопостачання промислового підприємства вода є теплоносієм і процесі використання лише нагрівається, то перед повторним застосуванням її заздалегідь охолоджують в ставку, бризкаючому басейні, градирне; якщо вода служить середовищем, що поглинає і транспортує механічні і розчинені домішки і в процесі виробництва забруднюється ними, то перед повторним застосуванням вода проходить очищення на очисних спорудах (рис. 3.5.); при комплексному використанні стічної води перед повторним застосуванням стічні води піддаються очищенню і охолоджуванню (рис.3.6).

При таких системах оборотного водопостачання для компенсації безповоротних втрат води у виробництві, на охолоджувальних установках (випаровування з поверхні, віднесення вітром, розбризкування), на очисних спорудах, а також втрат води, що скидається в каналізацію, здійснюється підживлення з водоймищ і інших джерел водопостачання. Кількість підпиточної води визначається по формулі

Q_дж = Q_пот + Q_ун + Q_шл + Q_сбр

Підживлення систем оборотного водопостачання може здійснюватися постійно і періодично. Загальна кількість води, що додається, складає 5-10% загальної кількості води, циркулюючої в системі.

Хімічні методи очищення стічних вод гальванічних відділень засновані на застосуванні хімічних реакцій, в результаті яких забруднення, що містяться в стічних водах, перетворюються на з'єднання, безпечні для споживача, або легко виділяються у вигляді опадів.

Серед відомих методів хімічної нейтралізації стічних вод, що містять ціаністі з'єднання, технічне застосування знайшли лише небагато.

Найстаріший метод заснований на виділенні іонів CN^- у вигляді важко розчинених комплексної солі, що утворюється в основному середовищі у присутності іонів Fe²⁺.

Залежно від умов в яких протікають ці реакції, виникає осад берлінської блакиті Fe₄Fe(CN)₆₃ або турнбулевої сині Fe₃ Fe(CN)₃₂. Якісне видалення іонів із стічних вод за допомогою цього методу можливо лише у разі дуже точної витримки всіх встановлених умов реакції і особливо pH, реакційного середовища.

Вживаний метод видалення ціаністих з'єднань із стічних вод базується на їх окисленні хлором (або гіпохлоритом) в основному середовищі. Найчастіше тут застосовують гіпохлорит натрію, хлорне вапно і газоподібний хлор. З'єднання ці в основному середовищі гідролізуються з отриманням іонів ClO^-, які з ціанідами реагують відповідно до реакції:

CN^- + HOCl = CNCl + OH^-; (a)

CNCl + 2OH^- = CNO^- + Сl^- + H₂O. (б)

Реакція окислення ціанідів до ціанатів протікає в 2 стадії, спочатку утворюється хлорціан, який потім гідролізується до хлорціанатів.

Оскільки хлорціан є сильно отруйливим газом, то в реакційному середовищі необхідно мати такі умови, щоб швидкість реакції (б) була б більше швидкості реакції (а). Такі умови спостерігаються у тому випадку, коли концентрація ціанідів в стічних водах менше 1 г/л, t стічних вод < 50 градусів і pH > 8,5. З досліджень швидкості гідролізу хлорціану виходить, що вона значно залежить від реакції середовища:

рН реакція середовища 8 9 10 11 12

Прод. гідрол.СNCl, ч 20 12 4 1 0,25

Встановлено, що витрата гіпохлориду при окисленні ціанідів до ціанатів також залежить від рН реакційного середовища. При рН рівному 8,5, його витрачається на 35-80% більше, ніж це витікає з розрахунків, а при рН = 11 - на 10% більше. Це пов'язано з витратою гіпохлоріту на подальше окислення частини ціанідів до двоокису вуглецю і азоту:

2CNO^- + OCl^- + H₂O = 2OH^- + Cl^- + 2CO₂ + N₂

На кінетику цієї реакції помітний вплив робить концентрація окислювача (гіпохлоріт) і рН реакційного середовища. При рН>10 швидкість її така мала, що після 24 год тільки незначна частина ціанатів піддається подальшому окисленню. У цих умовах значне прискорення реакції досягається тільки при багатократному підвищенні змісті гіпохлороту, що на практиці неможливо, оскільки висока концентрація активного хлору в стічних водах недопустима і вимагає заходів по його видаленню.

При зниженні рН до 7,5-8,5 при невеликому надлишку гіпохлороту (10%) реакція окислення ціанідів закінчується протягом 10-15 хвилин.

Теоретична витрата окислювача, виражена масою активного хлору, що йде на окислення 1 г іонів CN-, утворюваних при дисоціації простих ціанідів до ціанатів, досягає 2,84 г, а при окисленні до СО₂ і N₂ - 6,2 р. Оскільки в ціаністих стічних водах містяться також комплексні ціаніди різних металів, то для окислення 1 г СN застосовують наступну кількість хлору:

до ціанатів - 3,3 г Cl; до СО₂ і N₂ - 8,5 г Cl.

Не дивлячись на те, що ціанати в 1000 разів менш токсичні в порівнянні з ціанідами, все ж таки вони вимагають подальшої нейтралізації, яка може протікати вищенаведеним способом до СО₂ і N₂, або шляхом їх гідролізу до солей амонію по реакції

CNO^- + 2H₂O +2H⁺ = NH⁺₄ + H₂CO₃.

При рН < 3 реакція гідролізу протікає за 2 хвилини.

Гіпохлоритний метод окислення ціанідів до ціанатів застосовують при очищенні звичайних стічних вод гальванічних відділень, в яких концентрація ціанідів (у перерахунку на іони СN) не перевищує 100-200 мг/л. Стічні води з вищою концентрацією ціанідів (відпрацьовані електроліти) вимагають відповідного розбавлення, або ін. методів очищення із-за небезпеки виділення дуже отруйного ціаніду хлору.

На практиці нейтралізацію ціаністих стічних вод проводять періодичним або безперервним методом. Проте існує тенденція до установки, навіть в невеликих гальванічних відділеннях, автоматичних проточних пристроїв. Незалежно від способу накопичення стічних вод в пристроях повсюдно вживаний спосіб їх очищення заснований на окисленні ціанідів до ціанатів при рН=10-11 і подальшому їх окисленні до СО₂ і N₂ при рН = 7,5-8,5, або гідролізі до солей амонію при рН < 3.

Процес очищення ціаністих стічних вод не закінчується їх нейтралізацією ціаністих з'єднань, що містяться в них, оскільки в них ще залишаються для видалення з'єднання важких металів (цинку, міді, кадмію і ін.). Коли стічні води окисляють методом повного окислення ціанідів, то в наступній стадії процесу (окислення ціанатів до СО₂ і N₂) створюються сприятливі умови для повного виділення гідроокису металів у вигляді суспензії. При проведенні ж процесу гідролізу ціанатів до солей амонію в кислому середовищі необхідна додаткова нейтралізація кислот, що містяться в стічних водах для створення умов, що сприяють освіті і виділенню суспензії гідроокису металів.

Оскільки в повно профільних відділеннях утворюється також і решта 2 груп стічних вод (хромових і кислих з основними), того індивідуального виділення і видалення суспензії важких металів з ціаністих стічних вод не застосовують (після нейтралізації ціаністих з'єднань). Таку операцію проводять на змішаних стічних водах. Найчастіше застосовують обробку ціаністих стічних вод методом гідролізу, чим їх окислення до СО₂ і N₂.Такий метод більш простій і дешевше в експлуатації.

Кінець реакції окислення ціанідів до ціанатів можна встановити визначенням змісту ціанідів аналітичним способом. Практично було встановлено, що витримка протягом 15 хв надлишку активного хлору (5-15 мг/л) в стічних водах при рН рівному 10,5-11 визначає закінчення реакції окислення ціанідів.

Вищеописаний метод (реагентний) в даний час набув найбільшого поширення на підприємстві Коростишівське ВУВКГ знешкодження стічних вод гальванічних цехів. Основна його гідність - украй низька чутливість до початкового вмісту забруднень, а основний недолік - високий залишковий солевміст очищеної води. Останнє викликає необхідність в доочистці.

Серед методів очищення стічних вод, що мають промислове значення, окрім вже згаданих хімічних методів, уваги заслуговують іонні і електрохімічні методи. Кожний з цих методів має свої недоліки і переваги, проте вони є поза сумнівом сучаснішими в порівнянні з класичним хімічним методом. Основна перевага - нейтралізація концентрованих стічних вод, отримання цінних електролітів і чистої води, придатної для повторного використання. За допомогою таких методів можливо створення замкнутої системи циркуляції технологічної води і майже повне усунення необхідного зливу стічних вод в каналізаційну систему.

Існують ще 2 методи очистки - термічне знешкодження і мембранна технологія, які дозволяють одержати високоякісну воду і поза сумнівом набудуть ширшого поширення в майбутньому.

Термічне знешкодження стічних вод включає 2 стадії: попередня концентрація і вогняне знешкодження концентрату (шламу).

Метою 1 стадії є повернення частини води у виробництво. Вживані в основному процеси упарювання і сушки лімітуються необхідністю обліку можливості утворення відкладень на поверхні теплообміну, корозії устаткування і забруднення атмосфери шкідливими газоподібними викидами.

Вогняне знешкодження концентрату здійснюється у високо температурних печах, топках котлоагрегатів. Так, ціановмісні стоки і шлами спалюють в трубчастих печах, що обертаються і циклонних, в киплячому шарі, або в печах із завантаженням каталізатора. При цьому ціаніди повністю окислюються, а пов'язані з ним метали, виділяються у вигляді оксидів або чистих металів. Каталітичне окислення знижує робочу температуру процесу і, отже, витрата палива.

Мембранна ж технологія заснована на застосуванні мембран, які здатні затримувати практично всі багатовалентні катіони, затримуючи 50-70 % домішок. Тому їх застосування для очищення промивних стічних вод і регенерації електролітів представляється найбільш перспективним.

Застосування електрохімічних процесів доцільно для окислення ціанідів, очищення розчинів хром. кислоти, підвищення концентрації і перетворення електролітів, демінералізації розчинів.

В процесі електролізу стічних вод, що містять ціаністі з'єднання, на аноді відбувається окислення іонів CN^-, а також комплексних іонів, наприклад, [Cu(CN)₃]^2-, [Zn(CN)₄]^2- і ін. по реакції:

CN^- + 2OH^- - 2e^- = CNO^- + H₂O,

[Cu(CN)₃]^2- + 6OH^- - 7e^- = Cu²⁺ + 3CNO^- + 3H₂O,

[Zn(CN)₄]^2- + 8OH^- - 8e^- = Zn²⁺ + 4CNO^- + 4H₂O,

а на катоді наступає розрядка і виділення катіонів металу.

Іони ціанату, що утворюються в приведених реакціях, у міру підвищення їх концентрації окислюються на аноді до СО₂ і N₂ по реакції:

2CNO^- + 4OH^- - 6e^- = 2CO₂ + N₂ + 2H₂O.

Taк як, реакційне середовище основне, то на аноді протікає наступна реакція:

4ОН^- - 4е^- = О₂ + 2Н₂О.

Якщо в реакційному середовищі знаходяться ще і іони хлориду, які прискорюють і полегшують процес анодного окислення ціанідів, то на аноді і поблизу нього протікають додаткові реакції:

2Cl^- - 2e^- = 2Cl; 2Cl = Cl₂;

CN^- + 2Cl + 2OH^- = CNO^- + 2Cl^- + H₂O;

2CNO^- +6Cl + 4OH^- = 2CO₂ + N₂ + 6Cl^- + 2H₂O;

2[Cu(CN)₃]^2- + 14Cl + 12OH^- = 2Cu²⁺ + 6CNO^- + 14Cl^- + 6H₂O.

Введення хлоридних іонів в реакційне середовище приводить до значного прискорення окислення ціанідів з одночасним підвищенням виходу по струму процесу більш ніж на 100 % (в середньому з 35 до 80%) при одночасному зниженні витрати електроенергії на 30 %.

Це приписують підвищенню провідності електроліту і активній участі в реакції окислення ціанідів атомарного хлору, утворюючого в процесі розкладання хлоридного іона на аноді.

Встановлено також, що кращі результати виходять при електрохімічному окисленні дуже концентрованих розчинів ціанідів, а не їх розбавлених розчинів. Процес електрохімічного окислення ціанідів протікає за наступних умов: рН>11; концентрація хлоридів не повинна перевищувати концентрацію ціанідів більш ніж в 5 разів; приймають на 1г СN - 10г NaCl; аноди повинні бути зроблені з графіту, а катоди з кислототривкої сталі, анодна щільність струму повинна бути 0,001 А/см² (струм постійний); стічні води повинні перемішуватися стислим повітрям. У цих умовах досягається вихід по струму 80 %, а витрата електроенергії на окислення 1г CN - від 0,007 до 0,01 кВт в час.

Порівняльний аналіз вартості очищення ціаністих стічних вод хімічним і електрохімічним методом віддає перевагу електрохімічному методу, оскільки він простий в застосуванні, а також не вимагає будівництва складних пристроїв, типових для хімічного методу.

Крім того, для електрохімічних способів характерні істотне скорочення витрати хімікатів і менша потреба у виробничих площах. В результаті низького солевмісту очищеного стоку знижуються і подальші витрати на доочистку стоку з метою повторного використання води.

Очищатимемо стічні води іонообмінним методом, оскільки він дозволяє повторно використовувати до 95 % стічних вод, а також виходячи з характеристик наших стічних вод і умов ефективного функціонування вищеописаних методів. Таким чином при виборі зменшення викидів ми паралельно з використанням іонообмінного методу створюватимемо оборотний цикл водопостачання.

Гетерогенний іонний обмін або іонообмінна сорбція - це процес обміну між іонами, що знаходяться в розчині, і іонами, присутніми на поверхні твердої фази - іоніту. Очищення стічних вод методом іонного обміну дозволяє витягувати і утилізувати цінні домішки (для нашого випадку це мідь і цинк), очищати воду до ГДК з подальшим її використанням в технологічних процесах або в системах оборотного водопостачання. Принципова схема установки для очищення стічних вод показана на рис.3.6.

Рис.3.6 Схема іонообмінної установки для очищення стічних вод

1 - стоки з місткості; 2 - піщано-гравієвий фільтр; 3 - очищення активованим вугіллям; 4 – катіонообміник; 5,6 – аніонообміники; 7 - збірка чистої води для промивки колон; 8 - усереднювач

Ціаністі стоки з місткості 1 для усереднювання складу і часткового відділення механічних домішок прямують в усереднювач 8.Из апарату 8 стоки насосом подаються в піщано-гравієвий фільтр 2 для очищення від механічних домішок. Швидкість руху рідини, віднесена до поперечного перетину фільтру, 5-7 м/ч. Слідуюча ступінь - очищення активованим вугіллям в апараті 3 від маслопродуктів, ПАВ, біологічних домішок і т.д. Відфільтрована вода прямує в катіонообміник 4, заповнений смолою КУ-2, КУ-8 або КУ-23 у водневій формі. Лінійна швидкість руху рідини в цьому апараті досягає 10-20 м/ч. Після досягнення на виході концентрації сорбуємих іонів 0,02-0,03 мг.екв/л катіоніт піддається регенерації. Звільнена від катіонів вода поступає в аніонообміники 5 і 6, заповнені смолами АВ-17-8, АН-221 і ін. При змісті сорбуємих аніонів на виході з апарату 0,05-0,1 мг/л аніоніт регенерують.

Стічні води прямують на виробництво (у систему оборотного водопостачання), а промивні - в збірки концентратів для хімічного знешкодження і, в нашому випадки, для витягання міді і цинку.

Головний недолік технології іонного обміну полягає в тому, що для виділення з води елементів або солей необхідні регенеруючи кислоти або луги, які згодом у вигляді солей поступають в навколишнє середовище, викликаючи вторинне забруднення останньої.

Розділ 4 Еколого-економічна ефективність природних ресурсів