Способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов гальванокоагуляцией. Способ включает пропускание воды с диспергированием воздуха через загрузку из смеси железной стружки и гранулированного углеродсодержащего материала. В качестве углеродсодержащего материала используют углеродминеральный сорбент на основе руд скрытокристаллического графита. Очистку воды ведут также при одновременном воздействии на нее асимметричного переменного тока. Гальванокоагулятор содержит цилиндрический металлический корпус с верхней и нижней диэлектрическими крышками и размещенной в нем загрузкой из смеси железной стружки и углеродминерального сорбента на основе руд скрытокристаллического графита, при этом корпус снабжен дренажным диском, патрубками подачи и отвода воды, установленными соответственно ниже и выше загрузки, диспергирующей перегородкой, расположенной под патрубком подачи воды, патрубком подачи воздуха, установленным под диспергирующей перегородкой, размещенным в загрузке центральным анодом, закрепленным в верхней крышке, и системой анодов из неизолированных от загрузки стальных стержней, расположенных вокруг центрального анода. Корпус, являющийся катодом, изолирован изнутри и снаружи, при этом внутренняя изоляция выполнена из перфорированного диэлектрического материала. Технический результат заключается в повышении производительности и достижении стабильности и эффективности процесса очистки воды в экономически выгодных условиях при использовании более дешевых расходных материалов и усовершенствовании конструкции устройства. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к способам очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов гальванокоагуляцией. Для осуществления этого способа необходимо устройство.

Известен способ очистки сточных вод путем обработки их в поле гальванического элемента из смеси частиц меди и алюминия размером 1-5 мм при соотношении компонентов: медь 30-80%; алюминий 20-70%, причем в обрабатываемую воду вводят полиакриламид в количестве 0,65-1,4 г/м³ и обработку ведут при непрерывном перемешивании (Авт.свид. СССР 952756, дата приоритета 02.09.1980, дата публикации 23.08.1982, авторы Пржегорлинский В.И. и Иванишвили А.И.).

Недостатками известного способа являются быстрое пассивирование алюминиевой загрузки, высокое остаточное содержание алюминия в очищенной воде, а также низкая эффективность способа, обусловленная диапазонами работы по водородному показателю (pH), а именно узким диапазоном работы гидроксида алюминия.

Известен способ очистки сточных вод с использованием эффекта короткозамкнутого гальванического элемента на основе пары Fe-C, включающий пропускание воды через пористый стационарный слой частиц железа в присутствии кокса, который вводят постоянно измельченным до пылевидного состояния в количестве 2-20 г на 1 м³ воды при одновременной подаче кислорода в количестве 0,3-0,6% от объема очищаемой воды, при этом процесс очистки ведут при избыточном давлении 0,05-0,15 МПа (Авт.свид. SU 1611886, A1, дата приоритета 01.08.1988, дата публикации 07.12.1990, авторы: Ганцевич Г.Л. и др.).

Недостатком известного способа является низкая его эффективность в связи с постоянным расходом катодной части загрузки и образованием большого количества осадков, затрудняющих процесс растворения анодной части загрузки.

Известен способ очистки сточной воды, принятый за прототип, включающий ее пропускание с предварительно введенным кислородом воздуха через загрузку из смеси железной стружки и углеродосодержащего материала, в качестве которого используют гранулы активированного угля, при этом воздух вводят диспергированием через очищаемую воду и загрузку, а очистку ведут при одновременном воздействии на воду электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока на введенный анод и катод (Патент РФ №2057080, C1, дата приоритета 18.06.1993, дата публикации 27.03.1996, авторы Рязанцев А.А. и Батоева А.А., RU, прототип).

Из вышеуказанного источника известно устройство для очистки сточной воды, содержащее вертикальный цилиндрический металлический корпус с верхней и нижней крышками и с размещенной в нем загрузкой из смеси железной стружки и гранул активированного угля, в корпусе под загрузкой установлен диспергатор воздуха, выполненный в виде перегородки из пористого материала, в нижней и верхней частях корпуса размещены патрубки подачи и отвода воды, а в загрузку введен анод в виде стального стержня, изолированного перфорированной трубой из диэлектрического материала, при этом корпус выполнен в виде катода (Патент РФ №2057080, C1, дата приоритета 18.06.1993, дата публикации 27.03.1996, авторы Рязанцев А.А. и Батоева А.А., RU, прототип).

Недостатками известного способа очистки сточной воды и устройства для его осуществления, принятых в качестве прототипов, являются дороговизна способа и низкая эффективность устройства, обусловленные следующими причинами: во-первых, использованием активированного угля, который является дорогостоящим сорбентом, обладающим малой механической прочностью; во-вторых, снижением эффективности очистки по мере увеличения продолжительности работы электродов в связи с пассивацией при воздействии на процесс гальванокоагуляции постоянного электрического тока, подаваемого от внешнего источника, что свидетельствует о нестабильности процесса очистки; в-третьих, увеличением сопротивления системы вследствие падения тока и роста напряжения, происходящих в устройстве, корпус которого выполнен в виде катода, а анод - в виде изолированного стального стержня.

Задачей изобретения является использование более дешевых расходных материалов и усовершенствование устройства для повышения производительности и достижения стабильности и эффективности процесса очистки воды в экономически выгодных условиях.

Для решения поставленной задачи в способе очистки сточных вод, включающем пропускание воды с диспергированием воздуха через загрузку из смеси железной стружки и гранулированного углеродсодержащего материала, согласно изобретению, в качестве углеродсодержащего материала используют углеродминеральный сорбент на основе руд скрытокристаллического графита.

Согласно изобретению очистку воды ведут также при одновременном воздействии на нее асимметричного переменного тока и использовании при этом гальванокоагулятора с системой анодов из неизолированных от загрузки стальных стержней и с изолированным от загрузки катодом.

Для решения поставленной задачи гальванокоагулятор, содержащий цилиндрический металлический корпус с верхней и нижней диэлектрическими крышками и размещенной в нем загрузкой из смеси железной стружки и гранулированного углеродсодержащего материала, при этом корпус снабжен дренажным диском, патрубками подачи и отвода воды, установленными соответственно ниже и выше загрузки, диспергирующей перегородкой, расположенной под патрубком подачи воды, патрубком подачи воздуха, установленным под диспергирующей перегородкой, и размещенным в загрузке центральным анодом, закрепленным в верхней крышке, согласно изобретению он содержит систему анодов из неизолированных от загрузки стальных стержней, расположенных вокруг центрального анода, в качестве углеродсодержащего материала загрузки использован углеродминеральный сорбент на основе руд скрытокристаллического графита, а корпус, являющийся катодом, изолирован изнутри и снаружи, при этом внутренняя изоляция выполнена из перфорированного диэлектрического материала.

Предлагаемый способ очистки осуществляют в устройстве для очистки воды (гальванокоагуляторе) путем пропускания сточной воды через загрузку, состоящую из смеси железной стружки и гранул углеродминерального сорбента на основе руд скрытокристаллического графита (СГН). Одновременно через загрузку пропускают диспергируемый в нижней части устройства воздух. В результате работы короткозамкнутого гальванического элемента Fe-СГН происходит растворение железного скрапа и его интенсивное окисление до Fe³⁺ кислородом воздуха. Использование углеродминерального сорбента в качестве катодной части способствует более интенсивному протеканию процессов окисления железа и позволяет сократить время обработки (~ в 1,5-2 раза) при высоком эффекте очистки по сравнению с активированным углем, что обусловлено тем, что гранулированный углеродминеральный сорбент, получаемый из руд скрытокристаллического графита, отличается большим содержанием мезопор. Кроме того, углеродминеральный сорбент СГН обладает высокой механической прочностью, повышающей его эксплуатационные свойства, и сравнительно низкой стоимостью, в связи с малозатратной технологией получения из природного сырья.

Для сравнения в таблице приведены технико-экономические показатели известных сорбентов.

Наименование показателей	Марка сорбента
АУ	СГН
Насыпная плотность, г/дм3	200	800-1150
Кажущаяся плотность, %	0,6	1,7-1,9
Механическая	53,0	90,0-98,0
прочность, %
Влажность, %	9,7	3,0-5,0
Удельный объем пор, дм3/г
- микро
- мезо	0,23	0,08-0,010
- макро	0,09	0,1-0,54
	1,40	0,05
Содержание углерода, %	97,1	70,0-80,0
Стоимость 1 т сорбента, долл. США	2600-3500	800-2000

Растворение железной стружки можно интенсифицировать путем наложения асимметрического переменного тока - импульсного тока специальной формы с различными величинами амплитуд и длительности положительных и отрицательных полярностей для увеличения производительности устройства и проведения процесса в стабильном режиме с высоким эффектом очистки.

Устройство для реализации предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором схематично изображен гальванокоагулятор, продольный разрез.

Гальванокоагулятор содержит стальной цилиндрический корпус 1 с двумя диэлектрическими крышками 2 и размещенной в нем загрузкой 3, занимающей до 80% объема, из смеси железной стружки и гранулированного углеродминерального сорбента СГН, взятых в соотношении 4:1. При этом стальной корпус 1, являющийся катодом, изолирован изнутри и снаружи. Внутренняя изоляция 4 выполнена из перфорированного диэлектрического материала, отделяющего загрузку 3 от корпуса 1, а наружная изоляция корпуса 1 выполнена в виде диэлектрического корпуса 5. Гальванокоагулятор снабжен также дренажным диском 6, патрубком подачи воды 7 и патрубком отвода обработанной воды 8, расположенными соответственно ниже и выше загрузки 3. Под патрубком подачи воды 7 установлена диспергирующая перегородка 9, а под ней установлен патрубок подачи воздуха 10. В верхней крышке 2 вмонтированы связанные между собой стальные стержни 11, например, в количестве семи штук, один из которых - центральный, погруженные в загрузку 3. Стальные стержни 11, являющиеся анодами и контактирующие с загрузкой, позволяют расширить анодное пространство и уменьшить сопротивление системы для регулирования амплитуд положительных и отрицательных полярностей при обработке асимметричным переменным током.

Гальванокоагулятор производительностью 1,9 м³/ч, рассчитанный на обработку 2000 м³ сточной воды без смены загрузок, имеет следующие технические характеристики: расход железной стружки 0,05-0,15 кг/м³, расход электроэнергии на интенсификацию процесса 0,2-0,5 кВт·ч/м³, степень очистки от ионов тяжелых металлов 99,8%, масса железной стружки 660 кг, масса углеродминерального сорбента 165 кг, габаритные размеры: высота корпуса - 1,2 м, высота загрузки - 0,80 м, диаметр - 1,4 м.

Пример 1

Проводят очистку сточных вод гальванического производства, содержащих ионы Cu²⁺, Zn²⁺ и Ni²⁺ в концентрациях соответственно: 60, 20 и 15 мг/дм³ и имеющих pH-6,5.

Сточные воды из усреднителя (условно не показано) через патрубок 7 поступают в гальванокоагулятор, заполненный железной стружкой и углеродминеральным сорбентом в массовом соотношении 4:1. Одновременно через патрубок 10 подается воздух. Время контакта воды и загрузки составляет 7 мин. В гальванокоагуляторе протекают электрохимические процессы, возникающие во время контактирования очищаемой воды и воздуха с загрузкой. Обработанная вода поступает в камеру хлопьеобразования (условно не показано), перед которой pH воды доводится до 7,8, а затем в отстойник, где происходит отделение осадка. Расход железа 110 г/м³. Остаточные концентрации ионов Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ составляют соответственно 0,203; 0,235 и 0,512 мг/дм³.

Пример 2

Проводят очистку сточных вод, содержащих ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ соответственно в концентрациях 60, 20 и 15 мг/дм³ и имеющих pH-6,5, время контакта 7 мин, внешнее электрическое поле отсутствует. На выходе из гальванокоагулятора pH воды доводится до 7,8.

В отличие от примера 1 гальванокоагулятор заполнен железной стружкой и активированным углем, взятыми в соотношении 4:1. В очищенной воде остаточные концентрации ионов Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ составляют соответственно 0,52; 0,58 и 0,86 мг/дм³. Расход железа 100 г/м³.

Пример 3

Проводят очистку сточных вод, содержащих ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ соответственно в концентрациях 60, 20 и 15 мг/дм³ и имеющих pH-6,5.

В отличие от примера 1 растворение железного скрапа интенсифицируется постоянным электрическим током, при использовании устройства с дополнительным анодом в виде стального стержня, размещенным в загрузке и изолированным от нее перфорированной трубой из диэлектрического материала, а корпус выполнен в виде катода, время контакта 7 мин, после гальванокоагулятора pH воды доводится до pH-7,8, остаточные концентрации ионов Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ составляют соответственно: 0,15; 0,217 и 0,343 мг/дм³ через 15 часов непрерывной работы гальванокоагулятора, при этом расход электроэнергии составлял 0,5 кВт·ч/м³, и через 22,5 часа концентрации ионов составили 0,2; 0,3 и 0,8 мг/дм³, расход электроэнергии 1,1 кВт·ч/м³, расход железа 130 г/м³.

Пример 4

Проводят очистку сточных вод, содержащих ионы Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ соответственно в концентрациях: 60, 20 и 15 мг/дм³ и имеющих pH-6,5.

В отличие от примера 3 растворение железного скрапа интенсифицируется наложением асимметричного переменного тока, при использовании устройства, содержащего систему анодов из неизолированных от загрузки стальных стержней 11, расположенных вокруг центрального анода, время контакта 3 мин, после гальванокоагулятора pH воды доводится до 7,8. Остаточные концентрации Cu²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺ через 15 часов непрерывной работы гальванокоагулятора составляют соответственно 0,08; 0,09 и 0,23 мг/дм³, расход электроэнергии W - 0,5 кВт·ч/м³, через 22,5 часа - соответственно 0,09; 0,12 и 0,26 мг/дм³, расход электроэнергии W - 0,5 кВт·ч/м³, расход железа 150 г/м³.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации при соблюдении рекомендованных параметров обработки позволяют проводить очистку сточных вод от ионов тяжелых металлов на 99,8%, сократить время обработки до 3 мин, при этом увеличивается производительность устройства при проведении процесса в стабильном режиме с высокой эффективностью.

1. Способ очистки сточных вод, включающий пропускание воды с диспергированием воздуха через загрузку из смеси железной стружки и гранулированного углеродсодержащего материала, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют углеродминеральный сорбент на основе руд скрытокристаллического графита.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку воды ведут при одновременном воздействии на нее асимметричного переменного тока.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в нем используют гальванокоагулятор с системой анодов из неизолированных от загрузки стальных стержней и с изолированным от загрузки катодом.

4. Гальванокоагулятор, содержащий цилиндрический металлический корпус с верхней и нижней диэлектрическими крышками и размещенной в нем загрузкой из смеси железной стружки и гранулированного углеродсодержащего материала, при этом корпус снабжен дренажным диском, патрубками подачи и отвода воды, установленными, соответственно, ниже и выше загрузки, диспергирующей перегородкой, расположенной под патрубком подачи воды, патрубком подачи воздуха, установленным под диспергирующей перегородкой, и размещенным в загрузке центральным анодом, закрепленным в верхней крышке, отличающийся тем, что он содержит систему анодов из неизолированных от загрузки стальных стержней, расположенных вокруг центрального анода, в качестве углеродсодержащего материала загрузки использован углеродминеральный сорбент на основе руд скрытокристаллического графита, а корпус, являющийся катодом, изолирован изнутри и снаружи, при этом внутренняя изоляция выполнена из перфорированного диэлектрического материала.