Комплексная установка для очистки загрязненной воды

 

Изобретение относится к технике очистки природных, производственных и хозбытовых сточных вод и может быть использовано в химической, нефтегазовой и других областях промышленности. Сущность изобретения: установка содержит цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, отстойник в виде двух последовательно соединенных отсеков, один из которых содержит пакет мембранных элементов и снабжен патрубком с регулирующим органом, накопитель с патрубками отвода осадка, электрокоагулятор с системой цилиндрических электродов, установленных коаксиально корпусу; внешний и внутренний цилиндрические электроды последовательно соединены между собой и подключены к отрицательному полюсу источника тока, а средний цилиндрический электрод и сменный стержневой электрод, размещенный коаксиально внутри полости внутреннего цилиндрического электрода, подключены к положительному полюсу источника тока. Стержневой электрод может быть выполнен из анодно-растворимого или анодно-нерастворимого материала, составным из участков с различной анодной растворимостью, составным из участков с различной толщиной. Мембранный пакет выполнен в виде ультрафильтрационных элементов. 4 з. п. ф-лы, 1 ил. 1 табл.

Изобретение относится к технике очистки природных, производственных и хозбытовых сточных вод и может быть использовано в химической, нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Известна установка для очистки производственных стоков типа "Струя", включающая входной и выходной патрубки, наклонный отстойник и камеру хлопьеобразования, а также песчаный фильтр /1/.

Однако такая установка недостаточно эффективна, так как принцип очистки ее требует введения значительных количеств реагентов-коагуляторов и дополнительного осветления очищаемой воды на песчаных фильтрах. Кроме того установка громоздка и предназначена только для стационарных производств.

Наиболее близкой к предлагаемой является электрокоагуляционная установка, включающая наклонный цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, трубчатый тонкослойный отстойник, накопитель с патрубком отвода осадка и электрокоагулятор с системой цилиндрических электродов /2/.

Однако такая установка обладает недостаточной производительностью и эффективностью удаления устойчивых к коагуляции тонкодисперсных взвесей, образующихся при электрохимических процессах в приэлектродных слоях и объеме очищаемой воды.

Это объясняется тем, что при увеличении скорости потока очищаемой жидкости, а, следовательно, и производительности установки, время пребывания высокодисперсных частиц в аппарате оказывается меньше, чем это необходимо для их полной коагуляции и осаждения в отстойном блоке установки. В результате часть нескоагулированных загрязнений не успевает осесть в аппарате и выносится вместе с очищаемой водой.

Кроме того без существенной переналадки электродной системы известная установка не может быть использована для широкой категории обрабатываемых стоков, резко отличающихся по составу и свойствам содержащихся загрязнений.

Целью изобретения является повышение производительности и степени очистки широкой категории обрабатываемых стоков при обеспечении компактности установки и возможности ее транспортировки.

Цель достигается тем, что в комплексной установке для очистки загрязненной воды, содержащей цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, отстойник, накопитель с патрубком отвода осадка и электрокоагулятор с системой цилиндрических электродов, установленных коаксиально корпусу, электрокоагулятор снабжен дополнительным электродом, выполненным сменным в виде стержня и размещенным коаксиально внутри полости внутреннего цилиндрического электрода, внешний и внутренний цилиндрические электроды последовательно соединены между собой и подключены и отрицательному полюсу, а средний цилиндрический электрод и стержневой электрод к положительному полюсу источника тока, отстойник выполнен в виде двух последовательно соединенных отсеков, один из которых содержит пакет мембранных элементов и снабжен дополнительным патрубком с регулирующим органом.

Цель достигается также тем, что стержневой электрод выполнен из анодно-растворимого или анодно-нерастворимого материала. Цель достигается также тем, что стержневой электрод выполнен составным из участков с различной анодной растворимостью, стержневой электрод выполнен составным из участков с различной толщиной, мембранный пакет выполнен составным из ультрафильтрационных элементов.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: электрокоагулятор снабжен дополнительным электродом, выполненным сменным в виде стержня и размещенным коаксиально внутри полости внутреннего цилиндрического электрода; внешний и внутренний цилиндрические электроды последовательно соединены между собой и подключены к отрицательному полюсу, а средний цилиндрический электрод и стержневой электрод к положительному полюсу источника тока; отстойник выполнен в виде двух последовательно соединенных отсеков, один из которых содержит пакет мембранных элементов и снабжен дополнительным патрубком с регулирующим органом; стержневой электрод выполнен из анодно-растворимого или анодно-нерастворимого материала; стержневой электрод выполнен составным из участков с различной анодной растворимостью; стержневой электрод выполнен составным из участков с различной толщиной; мембранный пакет выполнен в виде ультрафильтрационных элементов.

На чертеже представлена схема предлагаемой установки.

Установка включает наклонный цилиндрический корпус 1 с установленными в нем электрокоагулятором 2 с системой электродов в виде трех коаксиальных цилиндров: внешнего 3, внутреннего 4 и среднего 5, консольно прикрепленного к верхней части электрокоагулятора 2 при помощи фланцевого соединения 6. Электроды 3 и 4 являются катодами и соединены между собой в нижней части. Электрод 5 анодом. Электрокоагулятор 2 снабжен размещенными в межэлектродном зазоре прокладками 7 с чередующимися лево- и правосторонними проточками.

Внутреннее пространство 8 электрода 4 электрокоагулятора 2 сообщается с межэлектродным пространством с помощью кольцевого зазора 9 и снабжено по оси стержневым электродом 10, соединенным с положительным полюсом источника постоянного тока.

На выходе (отверстии) 11 из внутреннего электрода 4 расположен отражательный щит 12. Электрокоагулятор 2 снабжен крышкой 13 с патрубком 14 для ввода стержневого электрода 10 и отвода газообразных продуктов электролиза.

Для ввода загрязненной воды в верхней части внешнего электрода 3 тангенциально к главной оси электрокоагулятора 2 вмонтирован входной патрубок 15.

В пространстве между электрокоагулятором 2 и стенкой цилиндрического корпуса 1 в нижней его части размещен трубчатый тонкослойный отстойный блок 16, поддерживаемый решеткой 17, а в верхней пакет мембранных элементов 18.

В цилиндрическом корпусе 1 вмонтированы выходные патрубки 19 и 20, на которых установлены запорно-регулирующие устройства 21 и 22.

Цилиндрический корпус 1 имеет коническое днище 23, служащее осадконакопителем и снабженное отводящим патрубком 24 с задвижкой 25.

Установка поддерживается в наклонном положении с помощь опоры 26.

Установка работает следующим образом.

Обрабатываемая жидкость подается под напором через тангенциально расположенный патрубок 15 в электрокоагулятор 2, а именно в верхнюю часть электрода 3.

Далее вода проходит по кольцевому зазору между электродами 3 и 5, а затем восходящим потоком по кольцевому зазору между электродами 4 и 5 попадает во внутреннее пространство 8 электрода 4.

Благодаря тангенциальному подводу жидкости создается первоначальное спиралеобразное течение потока, которое в дальнейшем поддерживается по всей электродной системе расположенными в ней прокладками с винтообразными прокладками 7, причем чередование прокладок с право- и левосторонними проточками создает дополнительно турбулизацию потока. Все это повышает эффективность электрокоагуляции стоков, так как спиралеобразное течение потока увеличивает время контакта жидкости в межэлектродном пространстве, а турбулизация потока благоприятствует активному контакту жидкости с электродами и снижению их пассивации (поляризации).

При переходе жидкости из межэлектродного пространства во внутреннее пространство электрода 4 скорость потока резко замедляется, в результате чего создаются необходимые предпосылки формирования образовавшихся в электрокоагуляторе взвесей в агрегаты и хлопья.

В решающей степени этому процессу способствует наличие в осевом пространстве стержневого электрода 10, приводящего к возникновению во внутреннем пространстве 8 электрода 4 неоднородного электрического поля повышенной напряженности. Высокодисперсные частицы, поляризуясь, втягиваются в эту область силовых полей, взаимно коагулируя и образуя агрегаты и хлопья из взвесей загрязнений. При этом воздействие электрического тока высокой напряженности улучшает бактериологические и органолептические показатели воды.

Далее поток очищаемой воды через выходное отверстие 11 поступает в отстойный блок 16, меняя при этом свое направление на 180^о. Такое резкое изменение направления потока улучшает эффект отделения хлопьев коагулянта от воды.

Дальнейшее отделение твердой фазы от жидкости и ее осветление происходит на трубчатых тонкослойных элементах отстойного блока 16. Осевший на стенках трубчатых элементов осадок под действием силы тяжести сползает в нижнюю часть цилиндрического корпуса 1, где он собирается в днище 23, уплотняется и через патрубок 24 периодически удаляется из установки, при этом для предотвращения взмучивания осадка в период его накопления на выходе (отверстии) 11 из электрокоагулятора 2 устанавливают отражательный щит 12.

Для окончательной и полной очистки, заключающейся в удалении коллоидных фракций загрязнений с высокой агрегативной устойчивостью, а также примесей высокомолекулярных соединений, очищаемая вода из отстойного блока 16 направляется в мембранный отсек (элементы) 18, снабженный ультрафильтрационными трубчатыми элементами, в которых под действием избыточного давления (0,1-0,4 МПа) происходит разделение потока. Чистая вода, которая просачивается через стенки трубчатых элементов, удаляется из аппарата посредством выходного патрубка 20. Не прошедшие через боковые стенки трубчатых мембран остатки загрязнений выводятся из аппарата через выходной патрубок 19, который снабжен запорно-регулирующим устройством 21, которое регулирует величину избыточного давления на ультрафильтрационных мембранах. Запорное устройство 22 выходного патрубка 20 служит для периодической промывки мембранных элементов, а также для их выключения из работы (при необходимости), при этом устройство 21 полностью открыто, а устройство 22 закрыто.

Использование в установке дополнительного стержневого электрода и пакета мембранных элементов не только повышает эффективность ее работы в целом, но и в значительной степени расширяет ее функциональные возможности.

Введение в осевое пространство цилиндрического электрода 4, противоположно заряженного стержневого электрода 10 приводит к возникновению в установке дополнительной электродной системы типа цилиндр-стержень. В отличие от системы электродов плоскость-плоскость напряженность электрического поля (Е, В/см), в которой подчиняется линейному закону E U/l (где U напряжение на электродах, В; l расстояние между электродами, см), напряженность электрического поля в системе цилиндр-стержень подчиняется логарифмическому закону E U/(r ln R/r) (где R радиус цилиндра, r радиус стержня).

Такая зависимость (таблица) проявляется в значительном повышении напряженности электрического поля у стержневого электрода.

Как видно из таблицы при равных расстояниях между электродами и при одинаковом напряжении на них напряженность электрического поля в коаксиальной системе возрастает с уменьшением радиуса стержневого электрода на порядок и более по сравнению с плоскопараллельной системой.

В результате возникновения мощного силового электрического поля время коагуляции высокодисперсных частиц резко сокращается и происходит их выпадение из потока очищаемой жидкости в виде агрегатов частиц и хлопьев. Все это позволяет увеличить скорость потока очищаемых стоков в аппарате, а, следовательно, и его производительность.

Кроме того воздействие на обрабатываемую воду сильных электрических полей приводит к глубокому деструктивному распаду сложных органических загрязнителей (красители, поверхностно-активные вещества: фенолы и др.) до простейших малотоксичных или нетоксичных соединений (СО₂, Н₂О, N₂ и др.).

Воздействие электрическим током высокой напряженности является также универсальным с точки зрения улучшения широкого диапазона бактериологических и органолептических показателей воды.

Более того, поскольку напряженность электрического поля в коаксиальной системе может регулироваться как типоразмером стержневого электрода, так и величиной напряжения электрического тока, подаваемого на электроды, то необходимая величина электрического поля, при которой достигается полная коагуляция загрязнений, достигается уменьшением типоразмера стержневого электрода при одновременном снижении и напряжения (нагрузки) на электродах, а, следовательно, и электрозатрат на очистку стоков.

Природа электрохимических процессов такова, что большинство металлических электродов, являющихся анодом, подвержены растворению в электропроводных водных средах. При создании высоких напряженностей электрического поля за счет резкого уменьшения радиуса анода происходит такое же резкое снижение срока его службы.

Необходимо совмещение этих двух противоположных тенденций.

В этих случаях длительная работа электрода может быть обеспечена либо изготовлением анода из нерастворимых проводящих материалов (графит, свинец, магнетит, оксикобальт и др.), либо подачей на него противоположного по знаку заряда, что достигается простым переключением полюсов источника постоянного тока.

Однако в ряде случаев необходимо совмещение этих двух противоположных тенденций (одновременное наличие растворимости и высокой напряженности электрического поля).

Например, электролиз цианистых сточных вод с использованием свинцовых, магнетитовых или других нерастворимых анодов приводит к деструкции загрязнений до образования циапатов, а затем газообразного азота и аммиака.

С другой стороны, при растворении, например, железных анодов за счет перехода в раствор ионов двухвалентного железа имеется возможность обезвреживать соединение хрома в сточных водах гальванического производства, меховых фабрик и др.

То есть при сложном составе сточных вод необходимо комбинированное воздействие на них, например, и высокое силовое электрическое поле, и доставка в обрабатываемый раствор ионов железа, меди или других металлов.

В этих случаях одновременное использование противоположных эффектов может быть достигнуто применением комбинированных электродов, отдельные участки которых выполнены из чередующихся анодно растворимых и нерастворимых материалов, при этом нерастворимые секции изготовляют минимально возможной (для создания высоких напряженностей), а растворимые максимально возможной толщины.

Такая комбинация электродных участков анодного стержня позволяет целенаправленно изменять физико-химические условия оптимальной очистки широкой категории очищаемых стоков по их составу и свойствам.

К настоящему времени не существует общего объяснения для всех известных электрохимических реакций, поэтому в каждом конкретном случае необходимо специальное изучение механизма деструкции и осаждения органических и неорганических загрязнений, и в зависимости от электролитического эффекта подбирать условия электролиза, материалы электродов, их конфигурации и конструкцию.

В этом смысле конструктивное сочетание в предлагаемой установке электрокоагулятора, камеры хлопьеобразования со сменным комбинированным стержневым электродом, тонкослойного отстойника и пакета мембранных элементов позволяет обеспечить в результате их тесной функциональной взаимосвязи в сравнении с прототипом оптимальные физико-химические условия для высокопроизводительной и глубокой очистки широкой категории сточных вод при сохранении компактности установки и возможности ее транспортировки.

Формула изобретения

1. КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ВОДЫ, содержащая цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, отстойник, накопитель с патрубком отвода осадка и электрокоагулятор с системой цилиндрических электродов, установленных коаксиально корпусу, отличающаяся тем, что электрокоагулятор снабжен дополнительным электродом, выполненным сменным в виде стержня и размещенным коаксиально внутри полости внутреннего цилиндрического электрода, внешний и внутренний цилиндрические электроды последовательно соединены между собой и подключены к отрицательному полюсу, а средний цилиндрический электрод и стержневой электрод к положительному полюсу источника тока, отстойник выполнен в виде двух последовательно соединенных отсеков, один из которых содержит пакет мембранных элементов и снабжен дополнительным патрубком с регулирующим органом.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что стержневой электрод выполнен из анодно-растворимого или анодно-нерастворимого материала.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что стержневой электрод выполнен составным из участков с различной анодной растворимостью.

4. Установка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что стержневой электрод выполнен составным из участков с различной толщиной.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что мембранный пакет выполнен в виде ультрафильтрационных элементов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2