Способ комплексной очистки воды

 

Изобретение относится к технологии очистки сточных, грунтовых и шахтных вод от примесей тяжелых металлов, мышьяка, органических и радиоактивных загрязнений. Очистку осуществляют в поле гальванического элемента, состоящего из смеси сплава и/или металла и/или смеси металлов с различными углеродсодержащими материалами. Обработанную воду отделяют от материалов гальванического элемента. Примеси осаждают, регулируя pH в соответствии с формулой C_i - мольная концентрация i-го неорганического загрязнения (иона); ν_i - заряд иона; N_н - число неорганических загрязнений; C_j - мольная концентрация органического загрязнения; N_o - число органических загрязнений очищаемой воды. Технический результат: простота технологического исполнения, экономичность, экологическая безопасность и высокоэффективность. 4 з.п.ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к технологии очистки сточных, шахтных и грунтовых вод, загрязненных соединениями тяжелых металлов, мышьяка, радиоактивными элементами и органическими примесями.

Известен способ комплексной очистки сточных растворов, загрязненных органическими примесями, сульфат-, аммоний-, нитрит-, нитрат-, арсенат- и/или цианид-ионами, а также ионами тяжелых металлов и радиоактивных элементов (WO 95/14368) [1]. Комплексную очистку в указанном способе осуществляют пропусканием сточных вод через систему биобассейнов, заполненных слоем носителя, состоящего из дробленого известняка, железа и источника органического углерода, расположенных на дне бассейна, в комбинации с бактериальной культурой. Сточную воду подают в условиях интенсивного непрерывного перемешивания.

Процесс требует большого количества реакторов, т.к. скорость биохимических процессов невысока, и, следовательно, процесс является металлоемким. Кроме того, для осуществления процесса требуется продукт, полученный переработкой осадка из биобассейнов из очистных сооружений муниципальных предприятий. Подобные осадки отличаются непостоянством состава, что ограничивает использование данного способа. Транспортировка же этих осадков к месту их использования в установках по очистке воды экологически небезопасна.

В ЕР 0240985, кл. G 21 F 9/10, 07.04.87 [2] предложено проводить очистку грунтовых и сточных вод от тяжелых металлов, радиоактивных и органических загрязнений, осаждением этих примесей с помощью карбоксиметилцеллюлозы или ее водонерастворимых солей и последующим высушиванием и прокаливанием полученного осадка.

Способ связан с использованием дорогостоящей карбоксиметилцеллюлозы или ее водонерастворимых солей. При прокаливании осадка возможно восстановление оксидов тяжелых металлов до экологически небезопасных летучих соединений. Меры по их улавливанию существенно удорожают процесс.

Известен также способ очистки сточных вод от тяжелых металлов и мышьяка средствами многостадийного процесса, включающего осаждение примесей в виде хлопьев под действием органополимерного дефлокулянта, последующее осаждение в виде твердого осадка под действием мела и заключительную стадию - отделение полученных при этом твердых осадков. Особенность этого способа заключается в том, что примеси осаждаются под действием кальций гидрид фосфата, образующегося in situ (WO 93/12041, кл. C 02 F 1/52, 24.06.93) [3]. Этот способ позволяет извлекать из сточных вод никель, медь, кадмий, хром, цинк, свинец, марганец, мышьяк, ртуть, приводит к значительному уменьшению содержания органических примесей в очищенной воде.

Способ связан с затратой больших количеств гидроксида кальция, который при переработке сточных вод образует соответствующее количество шлама, непригодного к дальнейшей утилизации. Захоронение больших количеств твердых остатков вызывает экономические и экологические затруднения.

Очистку грунтовой воды от примесей тяжелых металлов и радиоактивности до кондиции питьевой в соответствии с ЕР 0618592, кл. G 21 F 9/10 [4] осуществляют путем обработки воды силикатами, например, натрия, калия или тетраметилортосиликатом в сочетании с гидроксидом аммония для осаждения примесей. К полученной смеси добавляют затем кислоту для получения pH в интервале от 5 до 9,5 и после отстоя отделяют осадок.

Указанный способ предусматривает использование растворов гидроксида аммония для создания условий осаждения шлама. После осаждения шлама извлечение катиона аммония, остающегося в воде, представляет собой задачу более сложную, чем очистка от тяжелых и радиоактивных элементов.

Известен способ очистки сточных вод гальванических производств путем двухступенчатой гальванохимической обработки (Патент РФ 2061660, кл. C 02 F 1/463, 02.11.92) [6].

Отличительной особенностью способа, в соответствии с [6], является использование на первой ступени очистки гальванического элемента из смеси железной и медной стружки при pH 2,0 - 5,0, отстаивание в присутствии полиакриламида при pH 8,9-9,3 и отделение осадка, на второй ступени используется смесь алюминиевой и медной стружки, отстаивание при pH 6,5 - 7,0. Указанным способом очищают сточные воды от хрома, цинка, меди, никеля, кадмия, железа, ионов аммония, а также органических примесей (нефтепродуктов). Остаточное содержание составляет: Cr - 0,05; Fe - 0,35; Cu - 0,5.

В данном способе в известной степени преодолены недостатки предыдущего, в частности он более универсален и позволяет достичь большей глубины очистки. При этом, однако, осуществление способа в соответствии с [6] связано с использованием меди и полиакриламида, дорогостоящих и экологически малоприемлемых веществ. На второй стадии также вводят медь, в результате чего образуется шлам из трудно утилизируемой смеси органических соединений и тяжелых металлов. Кроме того, применение в указанном способе хлористоводородной кислоты создает трудности для аппаратурного оформления из-за ее высокой коррозионной активности.

Таким образом, задачей настоящего изобретения являлось создание высокопроизводительного, экономичного, технологичного и экологически более приемлемого способа очистки грунтовой и/или сточной воды различного происхождения от загрязнений ионами тяжелых металлов и мышьяка, органическими и радиоактивными загрязнениями.

Было найдено, что поставленная задача, в соответствии с настоящим изобретением, решается способом комплексной очистки грунтовой, и/или шахтной, и/или сточной воды различного происхождения от загрязнений ионами тяжелых металлов, и/или мышьяка, и/или органическими, и/или радиоактивными загрязнениями путем обработки очищаемой воды в поле гальванического элемента с последующим отстаиванием и отделением полученного осадка, осаждением примесей и отделением осадка примесей, отличающегося тем, что в качестве гальванического элемента используют смесь сплава, и/или металла, и/или смесь металлов, имеющих нормальный электродный потенциал выше - 2,5 В с графитированным углеродсодержащим материалом, и/или шунгитом, и/или природным графитом, и/или коксом, и/или термообработанным торфом, и/или термообработанным битуминозным песком, обработанную воду отделяют от материалов гальванического элемента, примеси осаждают, регулируя pH в соответствии с формулой где C_i - мольная концентрация i-ro неорганического загрязнения (иона); ν_i - заряд иона; N_н - число неорганических загрязнений; C_j - мольная концентрация органического загрязнения; N₀ - число органических загрязнений очищаемой воды, в предпочтительном варианте в качестве материала гальванического элемента используют углеродсодержащий сплав с содержанием углерода не менее 2%, графитированный тяжелый нефтяной остаток, отходы металлообрабатывающих предприятий и металлургических производств, содержащие углерод, металл и шлак, алюминиевые сплавы и/или сплавы цинка, и/или олова, и/или свинца, и/или марганца, и/или магния, и/или кобальта, и/или никеля.

В качестве металла гальванического элемента используют также смеси магния, алюминия, марганца, цинка, железа, кобальта, никеля, олова, свинца.

В качестве углеродсодержащего материала гальванического элемента используют графиты природного и/или искусственного происхождения, а также термообработанный кокс, и/или шунгит, и/или чаоит, и/или углеродсодержащие сплавы - чугуны, также содержащие графит, и/или угли, и/или отходы металлургических производств, и/или продукты термообработки битуминозных песков, и/или нефтебитуминозных пород, и/или торфа, и/или отходы производства синтетических смол и нефтепереработки.

Используемые в настоящем изобретении углеродсодержащие материалы представляют собой:
шунгиты - горные породы в некристаллическом или графитоидном состоянии, содержащие углерод в количестве от 5 до 99%. Помимо содержания углерода они различаются составом минеральной основы - алюмосиликатной, кремнистой, карбонатной;
чаоит - природный минерал кристаллического углерода.

Гальванический элемент, в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой смесь сплава и/или металла и/или смеси металлов и вышеперечисленных углеродсодержащих материалов, помещенных в электролит, роль которого выполняет очищаемая вода с растворенными в ней солями металлов, мышьяка и другими примесями.

Способ, в соответствии с настоящим изобретением, позволяет очистить грунтовые и/или сточные воды от тяжелых металлов в среднем на 98,5%, от мышьяка на 99,5%, от радиоактивных загрязнений на 97,9% и от органических загрязнений на 97,5%.

Способ отличается технологической простотой и экономичностью, не создает проблем экологического характера.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного исполнения.

Примеры 1-15
В примере 2 использован образец шахтной воды, в примерах 4, 9, 10, 12 очистке подвергнуты образцы грунтовых вод, в остальных - сточные воды различного происхождения.

100 мл воды, содержащей различные загрязнения, помещают в поле гальванического элемента, представляющего собой взятые в определенном соотношении материалы гальванического элемента из табл. 1 и табл. 2, и интенсивно перемешивают в течение 8 часов, затем воду декантируют, рассчитывают pH по формуле

где C_i - мольная концентрация i-го неорганического загрязнения (иона);
ν_i - заряд иона;
N_н - число неорганических загрязнений;
C_j - мольная концентрация органического загрязнения;
N₀ - число органических загрязнений очищаемой воды.

Концентрацию и число радиоактивных загрязнений учитывают в составе неорганических загрязнений - в первом выражении в скобках формулы для расчета pH. Если при расчете выражения получают величину > 7,7, из полученного значения вычитают корректирующий коэффициент 1,7, если же полученное расчетное значение < 7,7, к нему прибавляют корректирующий коэффициент 1,7.

Для примера 1, где мольные концентрации неорганических загрязнений составляют соответственно, моль/дм³: мышьяка - 0,000032, хрома - 0,000198, заряд ионов: мышьяка - 5, хрома - 6, число неорганических соединений - N_н = 2, число органических соединений - N₀ = 0, подставляя в вышеприведенную формулу перечисленные значения концентрации, зарядов ионов и числа загрязнений, получаем выражение 11,5 + lg (5·0,000032 + 6·0,000198 + 0) = 8,62
С учетом того, что полученное значение, равное 8,62, превышает число 7,7, из него вычитают корректирующий коэффициент 1,7. Таким образом, расчетное значение pH для примера 1 составит
pH = 8,62-1,7 = 6,92.

В соответствии с этим pH среды в примере 1 доводят до расчетного значения и фильтруют от полученного при этом осадка. Исходный состав очищаемой воды приведен в табл. 3, условия очистки - в табл. 4, результаты очистки - в табл. 5.

Для примера 6, где мольная концентрация органического загрязнения диурона составляет 0,514·10^-7 моль/дм³, число неорганических соединений N_н=0, число органических соединений N₀= 1, подставляя в вышеприведенную формулу перечисленные значения концентраций и числа загрязнений, получаем следующее выражение: 11,5+lg (0+0,514·10^-7)=4,21. С учетом того что значение 4,21 меньше 7,7, к нему прибавляют коэффициент 1,7, получают
pH = 4,21+1,7 = 5,91.

С учетом полученного расчетным путем значения pH доводят до 5,91 и фильтруют от полученного при этом осадка. Исходный состав очищаемой воды приведен в табл. 3, условия очистки - в табл. 4, результаты очистки - в табл. 5.

По сравнению со способом-прототипом способ, в соответствии с настоящим изобретением, отличается большей универсальностью, т.к. применим для очистки от тяжелых металлов, мышьяка, органических и радиоактивных загрязнений. Кроме того, предлагаемый способ очистки воды является экономичным, технологичным и экологически безопасным.

Использование предлагаемого способа в промышленности не связано с большими капиталовложениями, аппаратурное оформление основано на применении серийно выпускаемого оборудования и материалов, входящих в состав гальванического элемента.

Формула изобретения

1. Способ комплексной очистки грунтовой, и/или шахтной, и/или сточной воды различного происхождения от загрязнений ионами тяжелых металлов, и/или мышьяка, и/или органическими, и/или радиоактивными загрязнениями путем обработки очищаемой воды в поле гальванического элемента с последующим отстаиванием и отделением полученного осадка, осаждением примесей и отделением осадка примесей, отличающийся тем, что в качестве гальванического элемента используют смесь сплава и/или металла, и/или смесь металлов, имеющих нормальный электродный потенциал выше - 2,5 В с графитированным углеродсодержащим материалом, и/или шунгитом, и/или природным графитом, и/или коксом, и/или термообработанным торфом, и/или термообработанным битуминозным песком, обработанную воду отделяют от материалов гальванического элемента, примеси осаждают, регулируя рН в соответствии с формулой

где С_i - мольная концентрация i-го неорганического загрязнения (иона);
ν_i - заряд иона;
N_н - число неорганических загрязнений;
С_j - мольная концентрация органического загрязнения;
N_о - число органических загрязнений очищаемой воды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала гальванического элемента используют углеродсодержащий сплав с содержанием углерода не менее 2%.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала гальванического элемента используют графитированный тяжелый нефтяной остаток.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала гальванического элемента используют отходы металлообрабатывающих предприятий и металлургических производств, содержащие углерод, металл и шлак.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала гальванического элемента используют алюминиевые сплавы, и/или сплавы цинка, и/или олова, и/или свинца, и/или марганца, и/или магния, и/или кобальта, и/или никеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7