ТЕХНОЛОГИЯ ОЗОНИРОВАНИЯ ПРИ ОЧИСТКЕ

СТОЧНЫХ ВОД ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Манойло Е.В.

Экологическую ситуацию, которая сложилась в Украине, можно охарактеризовать как кризисную. Наибольшую тревогу вызывает состояние водных ресурсов Украины. Украина принадлежит к европейским государствам наименее обеспеченных собственными водными ресурсами. Основной их состав - это речной сток. Вода большинства водяных объектов Украины в настоящее время классифицируется как загрязненная и грязная.

В наше время произошли существенные изменения в научных представлениях о влиянии качества воды на здоровье человека. В первую очередь это относилось к уточнению критериев качества воды, то есть к понятию ее органолептической пригодности, эпидемиологической безопасности и химической вредности. Повышение требований к качеству воды стимулировало развитие работ, направленных на усовершенствование процессов водоподготовки, обеззараживания, удаления органических и неорганических примесей.

Значительная доля водных запасов страны используется для технических потребностей. Огромные масштабы водопотребления выдвигают задачу сохранения качества воды в водоемах и рационального использования водных ресурсов страны в ряд наиболее актуальных народнохозяйственных проблем. Увеличение водопотребления приводит к росту объема сточных вод. Химическая промышленность является одной из основных отраслей потребителей воды. Вода применяется как сырье, растворитель, транспортный агент, для нагревания и охлаждения сред, для промывания и обогрева химической аппаратуры.

На современных химических предприятиях существуют следующие системы водоснабжения:

- с прямым током воды, когда, вся вода после использования направляется в водоемы;

- с последовательным использованием воды, когда вода без очистки переходит с одного производства в другое, после чего направляется в водоемы;

- с оборотным использованием воды, когда вода возобновляет свои свойства, и возвращается в рабочий цикл;

- комбинированный способ водоснабжения.

Замкнутые системы водооборота, включающие стадии очистки, широко применяются в технологических циклах гальванических предприятий и цехов.

Степень вредности сточных вод зависит от токсичности загрязняющих веществ. Высокую токсичность сточных вод гальванических предприятий по большей части обусловливают соли тяжелых металлов и цианиды

Очистка сточных вод с применением методов интенсификации и рациональной организации технологических процессов может дать устойчивую эффективность и привести к практически полному устранению сточных вод. Интенсивный технологический процесс должен разрабатываться так, чтобы исключался или сводился к минимуму сток вод, а побочные продукты удовлетворяли требованиям перерабатывающих технологий.

В промышленной экологии под интенсификацией химико-технологических систем обычно понимают осуществление всех мероприятий связанных с увеличением производительности, с улучшением качества продукции и качества окружающей среды, с экономией материально-энергетических ресурсов [1].

Возможные два метода интенсификации или их комбинация: метод интенсифицирующих факторов и метод структурно-вариантной оптимизации.

В основу способа интенсифицирующих факторов положено увеличение скоростей химических реакций и физических процессов. Применение интенсифицирующих факторов для коренного изменения старых технологий решает также одновременно и проблему применения малоотходных химико-технологических систем, которые предполагают достаточную глубину и полноту переработки сырья, минимальные выбросы отходов и низкопотенциального тепла в окружающую среду; максимальное снижение капиталовложений в производственное и очистительное оборудования, снижение занимаемых площадей.

Способ структурно-вариантной оптимизации состоит в том, что интенсификация процессов возможна путем реализации принципа малоотходности в самом производственном процессе. Задачи интенсификации в этом случае эффективно решаются путем системного анализа технико-природно-социальной системы. Такая интенсификация применима при проектировании и введении в эксплуатацию новых промышленных производств. Однако она чрезвычайно затратная при реконструкции существующих предприятий, для которых в большинстве случаев целесообразна компромиссная интенсификация с помощью первого способа.

В связи со сложностью и изменением состава сточных вод гальванических производств, их высокой токсичностью, преобладающим содержимым растворенных, а не взвешенных загрязнений применение стандартных биологических методов очистки не всегда дает необходимый эффект. Для очищения сточных вод гальванических предприятий целесообразно совмещать химические и физико-химические методы с заключительной очисткой в случае необходимости биологическими методами, наиболее универсальными и довольно экономичными.

Комплексная очистка сточных вод предприятий химической и смежных отраслей промышленности является наиболее универсальной и надежной.

Для очистки сточных вод широко применяются способы окисления. В процессе окисления токсичные загрязнения сточных вод в результате химических реакций переводятся в менее токсичные с последующим удалением их из воды. Эффективность действия окислителей определяется рядом факторов: величиной окислительно-восстановительного потенциала; скоростью взаимодействия окислителя с веществами, которые удаляются из воды. По многим соображениям наиболее приемлемо применение озона. Благодаря большой окислительной способности озона процесс происходит при нормальной температуре. В процессе озонирования одновременно происходит окисление примесей, дезодорация и обеззараживание сточной воды.

Сточные воды, содержащие тяжелые металлы, цианиды, сульфиды и ряд других примесей могут повергаться очистке озонированием. Под действием озона в сточных водах происходит окисление цианид-ионов с выделением кислорода. Этот процесс описывается уравнением

CN+O₃ = CNO^– + O₂

Около 30% общего количества цианид-ионов, которые образовались при окислении, CNO^– подвергаются дальнейшему окислению:

2CNO^– + 3О₂ +Н₂О = 2NCO₃ + 3O₂ + 2H⁺

Эта реакция начинается в тот момент, когда концентрация цианид-иона в сточной воде уменьшается до 0,003…0,004 кг/м³ и протекает в 7 раз медленнее, чем начальная реакция окисления. 70% цианид-ионов которые остались, гидролизируются и образовывают NH₃, который окисляется до NO₃. Необходимое для окисления цианидов количество озона можно рассчитать по формуле:

где - расход сточной воды; - необходимая концентрация озона в абсорбере:

где - разность концентраций цианидов в исходной и очищенной сточной воде; ( ) – молекулярная масса озона (цианида).

К аппаратам для удаления вредных, но довольно ценных компонентов предъявляются определенные требования: большая единичная мощность (в первую очередь не за счет увеличения размеров, а за счет интенсификации элементарных процессов и операций), а также повышенная пропускная способность, малое гидравлическое сопротивление и общее энергопотребление; отсутствие осадков, обеспечение для определенных экономических и экологических условий необходимой степени очистки (высокая степень адаптации технологии); снижение металлоемкости, высокий уровень надежности в работе, технологичность в эксплуатации. Такие аппараты должны без значительного удорожания и осложнения технологии легко включаться в существующие и доступные техногенные циклы.

С.П. Рудобашта с сотрудниками [2] анализируя условия интенсификации, указывают на то, что массообмен в некоторых случаях трудно интенсифицировать только применением активных гидродинамических режимов и изменением движущей силы процесса. В ряде случаев эффекта можно достичь, увеличивая поверхность контакта фаз. К сожалению такого рода приемы интенсификации связаны с осложнением конструкции традиционных контактных устройств и абсорбционных аппаратов путем введения специальных элементов для подачи газа и жидкости, осевых или тангенциальных завихрителей, инерционно вращающихся деталей.

Существующее промышленное оборудование для проведения подобных процессов несовершенно, имеет высокое гидравлическое сопротивление или сравнительно низкую эффективность. Это указывает на необходимость изменения подходов к проведению массообменных процессов, применяемых для решения экологических задач.

Нами разработана высокоэффективная установка локальной очистки сточных вод гальванических предприятий озоном, который получается из воздуха.

На рис. 1 представлен вариант схемы установки по озонированию сточных вод гальванического производства [3, 4]. С помощью компрессора 1 воздух подается под давлением 1 МПа в теплообменник 2 для сушки, а потом для очистки в сепараторе 3, адсорбере 4 и фильтре 5, после чего воздух поступает в генератор озона 6. Озон, который получается с помощью генератора 6, подается в абсорбер 9, в который одновременно насосом 8 подается исходная сточная вода из резервуара-накопителя 7, выполняющего функцию усреднителя. В абсорбере 9 происходит очищение сточной воды от цианидов путем их окисления и разложения. Очищенная сточная вода по трубопроводу 10 подается в систему оборотного водоснабжения или на слив. Отработанная озоно-воздушная смесь из абсорбера 9 по трубопроводу 11 подается в резервуар 7 в котором она барботируется через слой исходной сточной воды, обеспечивая равномерное распределение примесей, и дополнительное первоначальное окисление.

Рис. 1 Схема одноступенчатой установки для озонирования сточных вод гальванических участков.

Для более полного поглощения озона и снижения его выбросов в атмосферу возможна как одно- так и двухступенчатая схема, которая работает в режиме противотока сточной воды и озоно-воздушной смеси. Оборудование являются модульным, компактным и смонтированным на единой раме. Ориентировочная производительность установок по стоковой воде от 3 до 300 м³/час (в зависимости от типоразмера).

Абсорбер, используемый в установке очистки сточных вод, представляет собой центробежный массообменный аппарат [5, 6], в котором взаимодействие между фазами осуществляется в условиях высокой турбулентности потоков благодаря влиянию вращающегося ротора. Кроме того создается большая площадь поверхности межфазного контакта в единице объема за счет создания тонких пленок, мелких капель жидкости и пузырьков газа, а также большой скорости ее обновления. Таким образом, используется несколько интенсифицирующих факторов, что в конечном счете, ведет к значительному уменьшению габаритов оборудования.

Отличительной чертой аппаратов центробежного типа является возможность перерабатывать большие материальные потоки при сравнительно небольших габаритах установки [7].

Конструкция центробежного аппарата [8] приведена на рисунке 2.

В корпусе аппарата 1 вращается перфорированный ротор 2, внутри которого установлен контактный элемент специальной конструкции. По трубе 3, расположенной по оси аппарата, поступает исходная загрязнена сточная вода. Через штуцер 4 в аппарат тангенциально подается озоно-воздушная смесь, которая взаимодействует со сточной водой на контактном элементе и потом отводится из аппарата через трубу 6. За счет вращения ротора под действием центробежной силы жидкость, поступающая на контактный элемент, двигается противоточно озоно-воздушной смеси, которая идет навстречу, и выводится из аппарата через штуцер 5. Для предотвращения проскока газа (воздуха) предусмотрены уплотнения 7.

Рис. 2. Конструкция высокоскоростного центробежного абсорбционного аппарату: 1 - корпус; 2 - перфорированный ротор; 3 - устройство подачи исходной сточной воды; 4 - штуцер подвода озоно-воздушной смеси; 5 - сливной патрубок; 6 - осевая отводная труба (для выхода газа); 7 - газонепроницаемые уплотнения; 8 - вал; 9 - шкив передачи.

В аппарате создаются несколько зон массопереноса: активная зона - вращающееся контактное устройство с развитой межфазной поверхностью и инжекционная зона - зона подачи сточной воды в контактное устройство, где струи сточной воды из распределительного устройства контактируют с озоно-воздушной смесью, которая выходит из контактного устройства.

Основные технические параметры установки:

• производительность по сточной воде - 3-300 м³/час (в зависимости от типоразмера);

• объем аппаратов - от 0,05 до 1 м³

• удельная площадь поверхности контакта фаз – 2000 м²/м³ и более (для сравнения: в барботажных аппаратах – 100-400 м²/м³, в абсорберах с механическими перемешивающими устройствами – до 600 м²/м³);

• степень использования озона в одном аппарате – 85-95%;

• общая степень использования озона в установке – 95-99%;

В таблице 1 приведенные данные, характеризующие процесс озонирования при разных концентрациях цианидов в сточной воде, в зависимости от времени озонирования для традиционного колонного барботажного абсорбера и нового центробежного аппарата.

Таблица 1. Сравнительная характеристика оборудования

Колонный абсорбер
Время озонирования, минут	Исходная концентрация цианидов, кг/м^3	Степень окисления цианидов, %
20	0,571	12
30		15
45		27,7
60		42,4
20	0,11	44,6
30		84,3
45		96,4
60		97,5
20	0,077	92,4
30		93,4
45		99,2
60		99,8
Центробежный адсорбер
0,016	0,5	95,4
0,083	0,1	98,3
0,166	0,05	99,7

Предложенная установка для озонирования сточных вод превосходит известные по интенсивности массопередачи. Это приводит к тому, что концентрация озона в жидкости за несколько секунд достигает необходимых величин для эффективного проведения процесса. В то время как в барботажных колонах соответствующие процессы длятся намного дольше, а необходимая доля окисления цианидов возможно достичь только в случае или малой исходной их концентрации в сточной воде, или благодаря продолжительном проведении процесса окисления. Как следствие, предложенная нами установка является более компактной, гибкой в эксплуатации, и эффективной в сравнении с традиционным оборудованием процесса озонирования.

Установки озонування води подібні запропонованій також можуть бути використані в процесах водопідготовки, наприклад на судах річного і морського флоту для води, узятої з природних джерел. Це обумовлено збереженням дієвості обладнання при відхиленні від вертикального положення. Одне із застосувань розроблювальних установок - знезаражування оборотної води плавальних басейнів.

Установки озонирования воды подобные предложенной также могут быть использованы в процессах водоподготовки, например на судах речного и морского флота для воды из естественных источников. Это обусловлено сохранением работоспособности оборудования при отклонении от вертикального положения. Разрабатываемые установки также могут быть использованы для обеззараживания оборотной воды плавательных бассейнов. Также эти установки с успехом могут быть использованы в системах аэрации сточных вод.

Использование центробежных аппаратов в установках озонирования и аэрации позволит значительно улучшить технико-экономические характеристики этих процессов и уменьшить габариты оборудования.

Литература:

1. Stankiewicz A.I. Progress Intensification: Transforming Chemical Engineering. Chem. Eng. Prog. Jan 2000, p. 22-34.

2. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М., 1980.

3. Белов С.В. Охрана окружающей среды. М.: ВШ, 1991

4. Бек Р.Ю. Воздействие гальванотехнических производств на окружающую среду и способы снижения наносимого ущерба. Аналитический обзор. Новосибирск: СОРАН, 1991

5. Сиренко В. И., Кулов Н. Н., Тютюнников А. Б. Гидродинамика и массообмен в роторном аппарате центробежного типа //ТОХТ. – 1992., Т. 26, № 2

6. Сіренко В.І., Бубликова Е.В. Сравнительный анализ конструктивных особенностей применяемых центробежных тепломассообменных аппаратов // Вестник НТУ “ХПІ”. – 2002, № 16, с. 123-137.

7. Н. Вrаuеr. Мikroorganizmen reinigen das Abwasser. – Wissenshaftsmagazein // technische Universitat Berlin, Heft 7, 1985., s. 105-109

8. Патент № 54051. Високошвидкісний відцентровий тепломасообмінний апарат. / Сіренко В.І., Бубликова Є.В. Опубл. 17.02.2003. Бюл. № 2.