Обеззараживание и обезвреживание с иcпользованием окислителей природных, сточных вод и их осадков

КУРСОВАЯ РАБОТА

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ С ИCПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКИСЛИТЕЛЕЙ ПРИРОДНЫХ, СТОЧНЫХ ВОД И ИХ ОСАДКОВ

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Способы обеззараживания воды, роль окислителей в

водоподготовке

2. Обеззараживание хлором  

3. Хлорирование воды порошкообразными хлорсодер-

жащими реагентами и диоксидом хлора

4. Хлорирование воды гипохлоритом натрия

5. Хлорирование воды прямым электролизом

6. Перехлорирование и дехлорирование, с аммонизацией

7. Озонирование воды

8. Обеззараживание воды в бактерицидных установках

9. Применение окислителей и сорбентов для дезодорации

воды и удаления токсичных веществ

10. Использование окислителей при обеззараживании

сточных вод

10.1. Роль окислителей в доочистке сточных вод

10.2 Применение окислителей при доочистке

10.3 Обеззараживание сточных вод

11. Сооружения обеззараживания и обезвреживания

осадков

12. Использованная литература

Способы обеззараживания воды, роль окислителей в водоподготовке

Обеззараживанием воды называется процесс уничтожения находящихся там микроорганизмов. До 98 % бактерий задерживается в процессе очистки воды. Но среди оставшихся бактерий, а также среди вирусов могут находиться патоген­ные (болезнетворные) микробы, для уничтожения которых нужна специальная обработка воды. При полной очистке поверхностных вод обеззараживание необ­ходимо всегда, при использовании подземных вод только тогда, когда микробио­логические свойства исходной воды этого требуют. Для профилактического обез­зараживания и обработки воды в аварийных ситуациях сооружения обеззаражи­вания необходимы на всех станциях подготовки хозяйственно-питьевых вод.

Для обеззараживания используют в основном два метода - обработку воды сильными окислителями и воздействие на воду ультрафиолетовыми лучами. Кроме названных можно необходимый эффект получить фильтрованием воды через ультрафильтры, обработкой ультразвуком, кипячением воды. Для очистки поверхностных вод почти исключительно применяют окислители - хлор, хлорсо­держащие реагенты, озон; для обеззараживания подземных вод можно использо­вать бактерицидные установки; для обеззараживания небольших порций воды - перманганат калия, перекись водорода. Надежным средством уничтожения мик­робов является кипячение воды.

При подаче в воду окислителей большая часть ее израсходуется на окисле­ние органических и некоторых минеральных веществ. В результате снижаются цветность воды, а также интенсивнось привкусов и запахов, эффективнее будет проходить процесс последующей коагуляции примесей. Скорость процесса обез­зараживания растет с повышением температуры воды н переходом реагента в не­диссоциированную форму. Взвешенные вещества оказывают отрицательное воз­действие, поскольку препятствуют контакту микробов с реагентом.

Если окислитель используется только для обеззараживания, то он подается в воду перед резервуаром чистой воды, где обеспечивается и необходимое время контакта; если цель обработки - окисление органических веществ, то реагент по­дается в воду перед очистными сооружениями. Хорошие результаты дает двух­ступенчатая обработка, когда часть реагента-окислителя - подается до, часть - по­сле очистных сооружений.

Обеззараживание хлором.

Хлор - ядовитый газ зеленовато-желтого цвета с резким удушливым запа­хом, в 2,45 раза тяжелее воздуха. Растворимость хлора в воде увеличивается с по­нижением температуры и повышением давления; при атмосферном давлении и температуре 20° С растворимость С1₂ составляет 7,29 г/л. При низкой темпера­туре и высоком давлении (-34,6° С при атмосферном давления или 0,575 МПа при 15° С) хлор сжижается. Для предотвращения испарения жидкий хлор хра­нится под давлением 0.6...0.8 МПа с баллонах или в бочках (контейнерах).

Заводы поставляют хлор в баллонах массой до 100 кг и в контейнерах мас­сой до 3000 кг, а также в железнодорожных цистернах вместимостью 48 т. При добавке в воду хлора происходит его гидролиз

Cl₂ + H₂O Û HClO + HCl

Часть хлорноватистой кислоты НСlO диссоциирует с образованием гипо­хлоритного иона OCl. При наличии в воде аммиака образуются моно- и дихлорамины:

HClO + NH₃ Û NH₂Cl + H₂O

HClO + NH₂Cl Û NHCl₂ + H₂O

Основными обеззараживающими веществами являются Сl₂, НСlO, OCl, NH₂С1 и NHCl₂, их называют активным хлором. При этом Cl₂, HClO и OCl образуют свободный хлор, хлорамин и дихлорамин - связанный хлор. Бактерицидность хлора больше при малых значениях рН, поэтому воду хлорируют до ввода подщелачивающих реагентов.

Необходимая доза хлора определяется на основе экспериментально построенной кривой хлоропоглощаемости воды. Оптимальной считается доза, которая при заданном времени контакта обеспечит в воде требуемую концентрацию остаточного хлора - для хозяйственно-питьевых вод 0,3... 0,5 мг/л свободного хлора при времени контакта 30 мин или 0,8 ... 1,2 мг/л связанного хлора при времени контакта 60 мин.

При отсутствии данных технологических изысканий дозу хлора принимают для обеззараживания поверхностных вод 2... 3 мг/л, для подземных 0,7 ... 1,0 мг/л.

Хлорирование жидким хлором является наиболее широко применяемым методом обеззараживания воды на средних и крупных водоочистных станциях.

Ввиду малой растворимости жидкого хлора поступающий реагент предварительно испаряется. Затем хлор-газ растворяют в малом количестве воды, получаемую хлорную воду перемешивают с обрабатываемой водой. Дозировка хлора происходит в фазе газообразного вещества, соответствующие газодозаторы называются хлораторами. На практике применяют как напорные, так и вакуумные хлораторы. СНиП 2.04.02-84 требует использования последних, так как при вакуумных хлораторах меньше опасность попадания хлор-газа в воздух помещений. Имеются хлораторы пропорционального и постоянного расхода, а также автоматические хлораторы, поддерживающие в воде заданную концентрацию остаточного хлора.

В России наиболее широко используют вакуумные хлораторы постоянного расхода ЛОНИИ-100 производительностью до 85 кг/ч С1₂.

Для испарения хлора баллон или контейнер устанавливают на весы и открывают вентиль. Объем хлор-газа из одного баллона при комнатной температуре составит 0,5... 0,7 кг/ч, с одного контейнера - 3 кг/ч на 1 м² его поверхности. Съем хлора можно значительно увеличить подогревом баллонов теплой водой или воздухом. Поэтому на крупных станциях используют специальные испарители хлора в виде бокса, куда устанавливают баллон или контейнер и подается теплая вода или подогретый воздух.

Хлор-газ поступает в промежуточный баллон, где задерживаются капли воды и прочие примеси. Более полная очистка газа происходит в фильтре, который заполнен стекловатой, замоченной в серной кислоте. Редуктор обеспечивает постоянное давление в системе; измерительное устройство в виде диафрагмы и ротаметра обеспечивает контроль и регулировку количества подаваемого хлора. Производительность хлоратора зависит от применяемого ротаметра: при РС-3 до 10 кг/ч, при РТ-5 до 20 кг/ч и при РС-7 до 85 кг/ч. Приготовление хлорной воды происходит в смесителе. Необходимый вакуум создается эжектором, при помощи которого хлорная вода подается в обрабатываемую воду. Включением в схему регулирования анализатора остаточного хлора можно автоматически поддерживать заданную концентрацию хлора в очищенной воде в условиях изменения свойств поступающей воды.

Хлорное хозяйство водоочистной станции располагается в отдельном здании, где сблокированы склад хлора, испарительная н хлораторная.

Расходный склад хлора отделен от остальных помещений глухой стеной без проемов. Склад может находиться и в самостоятельном здании. В таком случае там обычно располагают также испарительную, причем хлораторная находится в основном блоке водоочистных сооружений. Емкость расходного склада хлора не должна превышать 100 т. Жидкий хлор хранится на складе в баллонах или контейнерах, при суточном расходе хлора более 1 т - в танках вместимостью до 50 т с поставкой хлора в железнодорожных цистернах.

Склад размещают в наземном или полузаглубленном здании с двумя выходами с противоположных сторон здания. В помещении склада необходимо иметь емкость с нейтрализационным раствором сульфита натрия для быстрого погружения аварийных контейнеров или баллонов.

Если трубопровод хлор-газа расположен вне здания, на выходе из испарителя требуется установка вакуумного клапана, исключающего возможность конденсации газа при низкой температуре окружающего воздуха. Трубопроводы жидкого и газообразного хлора изготовляют из стальных бесшовных труб диаметром до 80 мм, рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа. Внутри помещения хлоропровод размещают по стенам или эстакадам на кронштейнах, вне здания - на эстакадах, предусматривая защиту трубопровода от солнечных лучей.

В хлораторных устанавливают дозаторы хлора с необходимой арматурой и трубопроводами. Хлораторные (хлордозаторные) могут находиться в основном корпусе станции либо в здании хлорного хозяйства. Помещение хлораторной должно быть отделено от других помещений глухой стеной без проемов и иметь два выхода, причем один из них через тамбур. Все двери должны открываться наружу, в помещении должна быть принудительная вытяжная вентиляция.

Трубопроводы хлорной воды выполняются из коррозионностойких материалов. В помещении трубопровод устанавливают в каналах в валу или на кронштейнах, вне здания - в подземных каналах или футлярах из коррозионностойких труб.

Хлорирование воды порошкообразными хлорсодержащими реагентами и диоксидом хлора.

На малых станциях и водоочистных установках часто целесообразно отказаться от использования жидкого хлора и применять твердые, порошкообразные вещества - хлорную известь и гипохлорит кальция. Эти вещества менее опасны в обращении, процесс их подготовки и подачи значительно проще - практически аналогичен применению коагулянта.

Хлорную известь получают при обработке сухой, негашеной взвести хлором. При контакте с воздухом и влагой хлорная известь постепенно разлагается

2СаС1₂О+СО₂+Н₂О ® СаСО₃+СаС1₂+2НС1О

поэтому реагент необходимо хранить в сухом, вентилируемом помещении в закрытой таре.

Гипохлорит кальция образуется при насыщении известкового молока хлором

 2Са(ОН)₂+2С1₂ ® Са(С1О)₂+СаС1₂+2Н₂О

Товарный продукт СаСl₂O или Са(С1O)₂ растворяют в растворном баке с механическим перемешиванием. Количество баков не менее двух. Затем раствор разбавляют в расходном баке до концентрации 0,5... 1% и подают в воду дозаторами растворов и суспензии.

Учитывая коррозионную активность раствора, баки следует изготовлять из дерева, пластмассы или железобетона, из коррозионностойких материалов (полиэтилен или винипласт) должны быть также трубопроводы и арматура.

Диоксид хлора получают непосредственно на водоочистной станции хлорированием хлорита натрия NaС1O₂:

2NaClO₂ + С1₂® 2С1O₂+2NаС1

Вместо хлора можно для получения ClO₂ также использовать озон или сoляную кислоту

2NаС1O₂ + O₃ + Н₂O ® 2С1O₂ + 2NаОН+O₂;

 5NaС1O₂+4НС1 ® 4С1O₂ + 5NаС1+ 2Н₂O,

СlO₂ является ядовитым, взрывоопасным газом с интенсивным запахом, водный раствор его практически безопасен. По сравнению с Cl₂ двуокись хлора имеет ряд преимуществ - более высокая бактерицидность в щелочной среде, более активно окисляет органические вещества, может разлагать фенолы, не придавая при этом воде хлорфенольного запаха, наличие в воде аммиака не снижает эффективности ClO₂.

Хлорирование воды гипохлоритом натрия.

На водоочистных станциях, где суточный расход хлора не превышает 50 кг, где транспортировка, хранение и подготовка токсичного хлора связаны с трудностями, можно для хлорирования воды использовать гипохлорит натрия NаСlO. Данный реагент получают на станция в процессе электролиза раствора поваренной соли. Электролизная установка состоит из бака концентрированного раствора соли (растворного бака), электролизной ванны (электролизера), бака-накопителя раствора гипохлорита, выпрямителя и блока управления.

Растворных баков должно быть не менее двух, их суммарный объем должен обеспечить бесперебойную работу установки в течение 24 ч. При мокром хранении соли объем растворных баков принимается из расчета 1,5 м³ на 1 т соли. Допускается хранение соли на складе в сухом виде, причем толщина слоя соли не должна превышать 2 м.

В растворном баке изготовляется раствор, близкий к насыщенному -200...310 г/л. Для перемешивания применяют механические устройства н циркуляционные насосы.

Электролизеры могут быть проточного или непроточного типа. Наиболее широко используют последние. Они представляют собой ванну с установленным там пакетом пластинчатых электродов. Электроды, как правило графит, присоединяют в сеть постоянного тока.

В электролизной ванне происходит диссоциация соли, a также воды. При включении электролизера в сеть на аноде будет происходить окисление хлоридов 2Сl - 2e ® Cl₂, затем их гидролиз Сl₂ + Н₂O ® НС1O+НC1. На катоде выделяется газ Н₂, образуется едкий натр

В результате реакции NаОН с НСlO образуется гипохлорит.

В межэлектродном пространстве электролизера непроточного типа плотность электролита в результате его насыщения пузырьками газа будет меньше, чем в остальном объеме ванны, поэтому будет происходить циркуляция раствора - между электродами восходящее, в остальной ванне нисходящее течение электролита. Циркуляция продолжится до полного электролиза всего раствора поваренной соли. Затем электролизная ванна опорожняется и заполняется новой порцией раствора NaCl.

При работе электролизера необходимо свести к минимуму распад образованного NaClO. Для этого следует процесс электролиза проводить при низкой температуре и большой плотности тока на аноде, воздерживаясь от перемешивания электролита в ванне.

В СНГ серийно изготовляются электролизеры непроточного типа марки ЭВ. На станции необходимо иметь не менее трех электролизеров, которые устанавливают в сухом отапливаемом помещении. В электролизной ванне должны быть трубопроводы для водяного охлаждения, над электролизером устанавливают зонт вытяжной вентиляции.

Концентрация рабочего раствора соли в электролизной ванне принимается 100...120 г/л, высотное расположение электролизера должно обеспечить поступление раствора NаСlO в бак-накопитель самотеком. Бак-накопитель размещают в вентилируемом помещения, дозировка раствора гипохлорита в воду происходит эжектором, насос-дозатором или другим устройством для подачи растворов и суспензий.

Хлорирование воды прямым электролизом.

Для электролитического изготовления бактерицидного хлора можно использовать хлоридные ионы, имеющиеся в самой природной воде. Метод называется прямым электролизом, разработана соответствующая установка «Поток». Применение установки возможно при содержании в воде хлоридов не менее 20 мг/л н общей жесткости не более 7 мг-экв/л.

Установка «Поток» состоит из вертикального электролизера, который на фланцах присоединяется к трубопроводу обрабатываемой воды. Движение воды - снизу вверх. Кроме того имеется блок питания и замкнутая система кислоты, предназначенная для смыва с электродов карбонатной пленки. В систему входят бак и кислотостойкий насос. Размеры электролизера 940х815х1590 мм, давление в рабочей камере - не более 0,5 МПа, номинальная мощность 7,6 кВт-ч, производительность 15...150 м³/ч.

Основной проблемой является образование карбонатной пленки на поверхности электродов, что значительно снижает срок стабильной непрерывной работы установки. Для смыва пленки применяется 3%-ный раствор НС1.

Если жесткость обрабатываемой воды не более 3...4 мг-экв/л, рекомендуется направлять всю воду через электролизер; при жесткости 10...12 мг-экв/л - 10...12% воды, которая затем перемешивается с остальным потоком.

Перехлорирование и дехлорирование, с аммонизацией.

Хлорирование воды с повышенными дозами перед очистными сооружениями называют перехлорированием. Метод применяется в условиях, когда микробиологические свойства воды быстро и в больших пределах меняются, а также при высокой цветности природной воды, большом содержании в воде органических веществ и планктона. Перехлорирование используют в системах технического водоснабжения как средство против образования биологической пленки. Целесообразность применения перехлорирования в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения необходимо решить на основе технологических исследований и анализов. При этом надо особо принимать во внимание возможность образования хлорорганических соединений (тригалогенметанов). Это результат хлорирования воды, содержащей много .органических веществ. Тригалогенметаны (хлороформ и другие соединения) - канцерогенные вещества, содержание которых в питьевой воде во многих странах нормируется стандартом. В частности, Всемирная ассоциация здравоохранения рекомендует норму 30 мг/л. Для предотвращения образования хлорорганических веществ при подготовке хозяйственно-питьевых вод рекомендуется отказаться от введения хлора до очистных сооружений (первичное хлорирование), заменить С1₂ на ClO₂ или О₃, использовать окислители в комбинации c сорбентами. Например, по схеме: О₃ - активный уголь - вторичное хлорирование.

 Для обеспечения требуемого содержания в воде остаточного хлора после перехлорировання, а также в других случаях необходимо воду дехлорировать. С этой целью применяют физические и химические способы.

При физических способах избыток активного хлора выделяется из воды сорбентами или аэрированием. Используют угольные фильтры с толщиной слоя угля 2,5 м при скорости фильтрования 20...25 м/ч. Аэрирование дает положительные результаты при рН<5 и небольшом количестве удаляемого хлора. Поскольку многие соединения хлора не улетучиваются, эффективность аэрирования низка.

При химическом дехлорировании избыточный активный хлор связывается с сульфитом натрия или двуокисью серы.

Как известно, хлорамины по сравнению с молекулярным хлором органолептически менее ощутимы, их действие более долговременное, при наличии в воде фенолов они не образуют хлорфенольных запахов. С этой целью иногда целесообразно хлорировать с аммонизацией, т. е. подать в воду дополнительно к хлору аммиак. Технология аммонизации воды аналогична хлорированию жидким хлором. Аммиак также прибывает на станцию в баллонах в сжиженном виде. При реакции NH₃ с хлорноватистой кислотой в воде образуются моно- и дихлорамины. Следует учесть, что добавкой аммиака можно сэкономить до 60% хлора, израсходованного для обеззараживания. NH₃ и Cl₂ перемешиваются в пропорции 1:4...1:10.

Если цель аммонизации - предотвращение образования хлорфенольного запаха, аммиак добавляется в воду за 2... 3 мин до введения хлора (переаммонизация), если цель--снижение интенсивности хлорного запаха и привкуса, а также продление бактерицидного действия хлора, то аммиак добавляется после хлорирования (постаммонизация).

Озонирование воды

Озон (О₃) -более сильный окислитель, чем диоксид хлора или свободный хлор. В природе озон образуется из кислорода в верхних слоях атмосферы под действием солнечной радиации. Температура испарения озона при 0,1 МПа составляет - 111,9°С, температура плавления при этом же давлении - 192.5° С. Растворимость Оз в воде при 0°С и атмосферном давлении составляет 1,09 г/л. Растворимость Оз быстро снижается с повышением температуры и при 60°С практически равняется нулю. Масса 1 л газа - 2,144 г.

Синтетическим путем озон получают при коронном (тихом) разряде, который образуется в узком слое воздуха между электродами высокого напряжения (5...29 кВ) при атмосферном давлении. Соответствующие аппараты называются генераторами озона или озонаторами. На практике применяют озонаторы двух типов с пластинчатыми электродами н цилиндрические озонаторы с трубчатыми электродами.

Коронный разряд сопровождается выделением теплоты, поэтому озонаторы должны быть оборудованы системой водяного охлаждения. Выход озона зависит от температуры воздуха, подаваемого в область коронного разряда. Поскольку с повышением температуры увеличивается распад Оз, то подаваемый воздух должен быть холодным, а также чистым и сухим. Как правило, выход озона составляет 10...20% от содержания в воздухе кислорода.

Озонаторная установка состоит из узла подготовки воздуха, озонатора, контактной камеры и трансформатора. Расход электроэнергии на получение озона, а тем самым себестоимость озонирования во многом зависит от подготовки воздуха. В процессе подготовки воздух очищается, сушится и охлаждается. В современных озонаторах на изготовление 1 кг О₃ расходуется 20...30 кВт-ч электроэнергии, из которых на озонатор приходится 14...18 кВт-ч. Необходимое количество воздуха на получение 1 кг озона составляет 70...80 м³.

Осушение воздуха происходит в одну стадию при высоком давлении или в две стадии при низком давлении.

В первом случае давление воздуха составляет 0,5 ... 1,0 МПа. Воздух пропускают через теплообменник с водяным охлаждением и автоматическую сушилку, представляющую собой фильтр, заполненный адсорбентом (например, активированным оксидом алюминия).

Двухстадийная сушка происходит под давлением поступающего воздуха примерно 0,07 МПа и характерна для озонаторных установок большой производительности. В данном случае между водяным теплообменником и автоматической сушилкой установлен охладитель второй ступени - фреоновая холодильная установка.

Озонирование воды заключается в ее перемешивании с озоновоздушной смесью в контактных камерах ври времени контакта 5...20 мин. О₃ относится к малорастворимым газам, поэтому технология диспергирования озоновоздушной смеси в воду и конструкция контактной камеры имеют большое значение для эффективного использования и снижения потерь озона. Способы диспергирования озоновоздушной смеси можно классифицировать в три группы: подача газа в контактные колонны через пористые плиты (трубы) или перфорированные трубы; использование эжекторов; применение механических турбин и прочих диспергирующих устройств механического действия. Наиболее широко применяют способы первой группы, причем контактные колонны обычно противоточного типа - обрабатываемая вода подается сверху вниз, озон снизу вверх.

Озон является универсальным реагентом, поскольку может быть использован для обеззараживания, обесцвечивания, дезодорации воды, для удаления железа и марганца. Озон разрушает соединения, не подчиняющиеся воздействию хлора (фенолы). Озон не придает воде запаха и привкуса. При этом он обладает сильными коррозионными свойствами, токсичен. Допустимое содержание О₃ в воздухе помещений 0,0001 мг/л. Озон может разрушать некоторые органические вещества, не окисляя их до конца. В результате в трубопроводе озонированной воды может повышаться интенсивность бактериальной жизнедеятельности. Главный недостаток озона - кратковременность действия, отсутствие остаточного озона. Таким образом О₃, первоначально использованный вместо хлора для обеззараживания воды н подаваемый в воду в конце технологической схемы, все чаще используется как вещество для очистки воды.

В таком случае озон подается в воду до основных очистных сооружений, причем обеззараживание выполняется либо только хлором, либо воду хлорируют после обеззараживания озоном для образования в воде требуемого остаточного хлора.

Эффективность озонирования зависит от количества и свойств загрязняющих воду веществ, от дозы О₃, температуры и рН воды, от применяемого метода диспергирования озоновоздушной смеси в воду.

Доза озона и оптимальная схема озонирования определяются на основе предварительных технологических исследований. При отсутствии соответствующих данных СНиП рекомендует для озонирования подземных вод принимать дозу О₃