Способ очистки производственных стоков и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к процессам очистки стоков промышленных предприятий от ионов цветных металлов. Способ включает электрохимическую обработку воды в режиме гальванокоагуляции при непрерывном перемешивании и с подачей воздуха в присутствии гальванопары кокс - ферромарганец в соотношении 1: 3. Предварительно воду обрабатывают серосодержащими материалами - пирит или сера с концентрацией 0,5-14 г/л для удаления меди, мышьяка и восстановления хрома (6) до состояния хрома (3). Устройство содержит аппарат, заполненный гальваномассой, с патрубками подвода очищаемых стоков и воздуха и отвода отработанной воды и устройство перемешивания. Устройство снабжено камерой предварительной очистки, заполненной серосодержащими материалами. Технический эффект - повышение качества очистки сточных вод. 2 c. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к процессам очистки стоков промышленных предприятий от ионов цветных металлов, мышьяка, фторидов, фосфатов, других примесей.

Известны способы очистки растворов от ионов цветных металлов, преимущественно сточных вод, включающие электрохимическую обработку в режиме гальванопары /Л. 1-Л. 7/, основанные на растворении железа (алюминия или ферромарганца) в поле короткозамкнутого гальванического элемента железа (ферромарганец, алюминий) - кокс (медь) в соотношении 3,5:1 при переменном контакте между собой. За счет разности электрохимических потенциалов железо (алюминий) поляризуется анодно и переходит в раствор без наложения тока от внешнего источника. Кокс (медь) в гальванопаре поляризуется катодно. В присутствии кислорода на катоде протекают процессы: 4H₂O+O₂+4e=40H^-, Mⁿ⁺+ne=M⁰ где M - ион металла с достаточно высоким потенциалом, осаждаемый на коксе (меди).

На аноде идет реакция Fe + 2OH^-=Fe(OH)₂+2e, 4Fe(OH)₂=4FeOH+2H₂O.

При достижении в растворе модульного соотношения F⁺³:Fe⁺²=2:1 образуется магнетит Fe⁺²+2Fe⁺+8OH^-=Fe₃O₄+4H₂O Оксигидрат железа обладает по отношению ко многим цветным металлам высокой сорбционной емкостью.

Известен также способ очистки /Л.9/, включающий следующие стадии: 1) загрузку железного (алюминиевого или ферромарганцевого) лома и кокса, 2) непрерывную подачу раствора,
3) нагнетание (продавливание) воздуха через раствор,
4) перемешивание раствора с наличием железного (алюминиевого лома),
5) выделение осадка из очищенного стока.

Известный способ обладает следующими основными недостатками.

1) Осаждение катионов металлов производится в основном за счет образования гидроксидов металлов, произведения растворимости которых значительно выше, чем сульфидов этих металлов. Поэтому извлечение цинка, никеля и др. металлов из очищаемых растворов невысокое.

2) Утилизация оксигидратов железа не осуществляется с высокой эффективностью.

3) Для достижения ПДК и ПДС для целого ряда ионов тяжелых металлов и анионов требуется применение многостадийной очистки.

Способ по /Л. 9/ принят за прототип. Задачей, на решение которой направлен предложенный способ, является устранение указанных недостатков и повышение качества очистки сточных вод. Сущность способа заключается в том, что предварительно удаляются ионы тяжелых металлов (например, меди, хрома, мышьяка, ртути и других) путем добавления технологической операции - обработки очищаемых стоков измельченными серосодержащими материалами (пирит, сера).

Использование серосодержащих веществ, которые способны образовывать растворимый сероводород, приводит к образованию сульфидов, менее растворимых, чем гидроксиды металлов, что в свою очередь способствует более полному удалению металлов из очищаемых стоков. Для данного способа характерны следующие реакции:
FeS₂+3H₂O=Fe(OH)₃+2S+3H⁺+3e,
S+2H⁺+2e=H₂S(p),
2MeSO₄+H₂S(p)=MeS+H₂SO₄. (1)
Осаждение Ni⁺, Cu⁺, Co⁺ также осуществляется с помощью железа и элементарной серы по реакции
MeSO₄+Fe+S=MeS+FeSO₄
или
MeSO₄+2Fe+2S=MeFeS₂+FeSO₄. (2)
Кинетика гальванохимической очистки растворов от ионов металлов существенно меняется при введении в очищаемый раствор серосодержащих материалов в связи с образованием сульфидов металлов, растворимость которых ниже растворимости гидроксидов. Увеличение скорости выделения металлов связано с протеканием двух процессов: осаждение металлов в виде сульфидов и их гидролиза, что приводит к повышению водородного показателя.

Для реализации предложенного способа в гальванокоагуляционную очистку стоков /Л. 9/ вводят отдельную операцию, в процессе которой подают серосодержащие материалы - пирит, серу. Концентрацию серосодержащих реагентов в этой секции поддерживают в пределах 0,5-14 г/л, что гарантирует наивысшую степень удаления из раствора ионов указанных выше металлов (фиг. 1, 2).

Таким образом, предложенный способ включает подачу воздуха, непрерывное перемешивание, подачу очищаемых стоков в предварительную секцию гальванокоагулятора, диспергирование серосодержащих материалов, добавление диспергированных в предварительную секцию гальванокоагулятора, проведение реакций соосаждения в виде сульфидов металлов из очищаемых стоков меди, мышьяка, хрома и др., поддержание концентрации серы до уровня 0,5-14 г/л, дальнейшее осаждение гальванокоагуляцией с использованием гальванопар кокс-железо (алюминий, ферромарганец)- 1:3.

Известны устройства для проведения гальванокоагуляционной очистки производственных стоков от примесей металлов /Л. 7-9/. Устройство взято за прототип /Л.8/ для предложенного устройства. Недостатком данного устройства является недостаточная компектность осадка гидрооксидов металлов, необходимость многоступенчатого осаждения для сложных стоков.

Задача, которая решается предложенным способом в получении более труднорастворимых осадков, возможна конструктивным изменением гальваноаппарата, а именно: добавлением камеры, в которой проводится предварительная обработка сточных вод серосодержащими материалами. Лучше, если эти материалы измельчены (диспергированы).

На фиг. 3 показано устройство, общий вид; на фиг. 4 - то же, сечение.

Устройство содержит корпус 1, выполненный в виде неподвижной емкости, нижняя часть которой представляет собой половину правильной - гранной призмы, количество граней которой рассчитывается по формуле:
n = Kb/a, n≥6,
где a - высота от днища корпуса до оси вала,
b - ширина корпуса,
K - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально, исходя из состава очищаемых стоков и физических характеристик металлической стружки и кокса, в частности, для аппарата производительностью 1 м³/ч a=0,5 м, b=1 м, K=3, величина n=6.

Верхняя часть представляет собой прямоугольный параллепипед, внутри которого параллельно граням призмы расположен вал 2 с закрепленными на нем перпендикулярно к нему держателями 3 лопастей, закрепленных под углом к касательной окружности вращения держателей, которые могут быть установлены группами (комплектами) в закрепляющих муфтах равномерно относительно оси вращения, в каждом последующем комплекте держатели смещены относительно предыдущих на угол не менее 30^o, при этом лопасти укреплены на противоположных держателях на 1/3 длины лопасти в противоположные стороны, а соседние закреплены на держателях симметрично относительно их оси. Конец вала соединен с приводом 5; внутри корпуса (на дне) вдоль ребер призмы расположены трубы 6 с отверстиями, обеспечивающими равномерную подачу воздуха; загрузочное отверстие для металлического скрапа и кокса 7 и разгрузочное отверстие для очищенной воды 8 устройства, патрубок подачи стоков 9, устройство разгрузочное для шлама 10, камеру 11, устройство загрузочное для серосодержащих материалов 12.

Устройство работает следующим образом. Сточную воду, подлежащую очистки, подают через патрубок 9, воздух - через трубы 6, серосодержащие материалы - через загрузочное устройство 12 в камеру 11. Через загрузочное устройство 7 внутрь корпуса загружается смесь металлического скрапа и кокса в необходимом весовом соотношении, обеспечивающем максимальную объемную плотность тока в растворе, кокс загружается одноразово, так как он металлом поляризуется катодно, защищен от химического воздействия и расходуется только на механическое истирание. Металлический скрап догружается по мере его расходования, серосодержащие - дозагружаются периодически.

При вращении перемешивающего устройства в виде комплектов лопастей на держателях, происходит интенсивное контактирование металлического скрапа, кокса, сточной воды и кислорода воздуха, что приводит к возникновению гальванопары, протеканию разнообразных физико-химических процессов, приводящих к дополнительному удалению примесей из сточных вод.

Очищенная вода через сливной желоб разгрузочного устройства 8 направляется на фильтрацию. Шлам выводится через разгрузочное устройство 10.

Объемы камеры 11 определяют по формуле

где V - объем камеры, м³;
C_Σ - суммарное содержание удаляемых примесей в очищаемых, стоках г/м³;
Q - расход подаваемых на очистку стоков, м³/ч;
τ - заданное время пребывания стоков в предварительной камере, определяемой кинетикой химических реакций по уравнениям (1,2);
α - коэффициент, учитывающий вероятность контакта с серосодержащими реагентами; определяют экспериментально для каждой типовой электрокоагуляционной установки, конкретного серосодержащего материала.

При использовании диспергированных серосодержащих материалов время τ уменьшается, α - возрастает, т.е. можно уменьшить габариты устройства очистки производственных стоков.

Таким образом, предложенный способ очистки производственных стоков с использованием предварительной обработки серосодержащими материалами и гальванокоагуляцией является новым изобретательским шагом, полезным и промышленно применяемым.

Аналогично, предложенное устройство, позволяющее реализовать указанный способ.

Литература
1. В.А. Феофанов, Л.П. Жданович, Б.С. Буханин. Глубокая очистка сточных вод от катионов металлов с использованием метода гальванокоагуляции. /Сб. научных трудов "Казмеханобр". 1987. 30с. 70-75/
2. Г.Г. Вдовкин, В.А. Феофанов, Л.П. Жданович, Б.С.Луханин. Эффвктивные методы очистки кондиционирования сточных вод предприятий цветной металлургии. /Сб.научных трудов "Казмеханобр". 1987. с.64-69/
3. Г. М. Курдюмов, О. П. Чернова, Н.Н. Разумовская, В.В. Мальцева. О природе оксогидратной фазы, образующейся при гальваноочистке сточных вод. /ЖПХ. 1993.т.66, N 8, с.1716-1721/
4. Л. П. Соколова, Е. С. Смухова, Е.Б. Кокорина, А.К. Самсонов, Ю.М. Дедков. Исследование механизма извлечения компонентов кислых сточных вод в процессе гальванокоагуляционной очистки. /ЖПХ.1991. т.64, N 3, с.561-556/
5. О.П. Чернова, В.Б. Похвиснева, Г.М. Курдюмов. Гальваноочистка мышьякосодержащих сточных вод. /Цв.металлы. 1997, N 2. с.28-30/.

6. А. Г. Григорьева, В.А. Феофанов, Л.П. Жданович. Использование гальванокоагуляции для очистки сточных вод от анионов. /Цветная металлургия, 1993, N 6-7, с.32-35/.

7. А. с. 841369 МКИ 5 C 22 B 11/12. Аппарат для извлечения металлов из растворов. /Феофанов В.А., Жданович Л.П., Пилат В.В., Романенко В.Г., Луханин Б.С. БИ. 1991, N 41, с.41, с.254/
8. Патент РФ N 2093475 6 C 02 F 1/463. Устройство для гальванокоагуляционной очистки сточных вод. /Топчаев В.П., Шапировский М.Р., Зинина Л.К., Миронова З.Е., Топчаев А.В. БИ, 1997, N 29/
9. Патент РФ N 2014285, з. N 4921554 МПК 6 C 02 F 1/461. Способ извлечения металлов из растворов. /Курдюмов Г.М., Чернова О.П., Куликова А.В., Самсонов А.К., Важеркин Т.А., Похвиснева В.Б. БИ. 1994, N 11, с.71/.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод от ионов цветных металлов, мышьяка, хрома, включающий электрохимическую обработку воды в режиме гальванокоагуляции при непрерывном перемешивании и с подачей воздуха и наличием гальванопары кокс - ферромарганец в соотношении 1:3, отличающийся тем, что обработку сточных вод предварительно производят серосодержащими материалами пирит или сера с концентрацией 0,5-14 г/л для удаления меди, мышьяка и восстановления хрома (VI) до состояния хрома (III).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что серосодержащие материалы перед вводом в процесс диспергируют.

3. Устройство для очистки сточных вод, содержащее аппарат с гальваномассой, с патрубками подвода очищаемых стоков, воздуха, отвода отработанной воды, устройством перемешивания, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено камерой предварительной очистки, заполненной серосодержащими материалами.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что объем камеры предварительной очистки выполнен и определен уравнением

где V - объем камеры, м³;
C_Σ - суммарное содержание удаляемых примесей в очищаемых стоках, г/м³;
Q - расход подаваемых на очистку стоков, м³/ч;
τ - заданное время пребывания стоков в предварительной камере, определяемой кинетикой химических реакций удаления примесей серосодержащими материалами;
α - коэффициент, учитывающий вероятность контакта с серосодержащими материалами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4