СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 1995 года по МПК C02F1/32 C02F1/72 

Изобретение относится к технологии очистки сточных вод и может быть использовано для очистки промышленных и бытовых сточных вод от таких органических соединений, как фенолы, нефтепродукты, пестициды, гербициды, поверхностно-активные вещества (ПАВ), детергенты и др.

Известны способы очистки и обезвреживания сточных вод путем их обработки ультрафиолетовым (УФ) облучением. Для этой цели используют ртутные лампы низкого давления [1], кварцевые и ртутно-кварцевые лампы [2].

Однако известные способы обработки сточных вод с применением названных устройств не позволяют достичь высокой степени очистки, так как ртутные и ртутно-кварцевые лампы имеют преимущественно линейчатый характер эмиссионного спектра и низкую светоотдачу в области длин волн, соответствующих условиям деструкции ряда органических соединений, таких, например, как пестициды, нефтепродукты, ПАВ и др.

С другой стороны, использование высокоинтенсивных источников облучения - УФ-лазеров, применяемых для обработки воды с целью ее дезинфекции, ограничено ввиду узкого спектрального диапазона эмиссии, в котором работают такие устройства [3].

Недостатком способов обработки воды УФ-лазером является невысокая степень очистки сточных вод, содержащих органические примеси различной природы, причиной чего является избирательное деструктивное действие весьма узкой полосы спектра на какое-либо одно или группу органических веществ, находящихся в сточной воде, спектр адсорбции которых соответствует спектру эмиссии УФ-источника. Концентрация же других веществ, не соответствующих данным условиям, остается неизменной. Таким образом для обеспечения высокой степени очистки сточных вод от органических соединений различной природы необходимы источники УФ-излучения с непрерывным спектром эмиссии и высокой спектральной интенсивностью в диапазоне длин волн, соответствующем условиям деструкции органических соединений 190-300 нм.

Для усиления деструктивного действия УФ-излучения при обработке сточных вод в них иногда вводят дополнительный химический реагент, обладающий окислительным или антимикробными свойствами. Так, например, для очистки сточных вод от органических примесей, в частности от цианидных комплексов, используют обработку световым излучением в диапазоне длин волн 310-500 нм в сочетании с одновременной продувкой озоном [4]. Для обеззараживания питьевой воды УФ-обработку ведут в присутствии антимикробного агента - ионов меди (II), которые вводят в количестве 0,75-1 мг/л, при этом доза облучения составляет 0,24-0,325 мДж/см² [5].

Однако из-за использования в указанных способах непрерывного режима УФ-облучения, а также из-за избирательности воздействия конкретного реагента на все многообразие органических загрязнений, способы имеют недостатки, о которых говорилось выше.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ УФ-обработки сточных вод, содержащих органические примеси, путем облучения ртутно-кварцевой лампой среднего давления в импульсном режиме с частотой импульсов 2,5˙10^-5-100 Гц и периодом облучения 10^-2-1,8˙10³ с в присутствии окислителя - солей железа [6]. Применяемый в данном случае импульсный режим обработки является более благоприятным, чем непрерывный, с точки зрения сокращения времени обработки и снижения энергетических затрат.

Однако указанный способ не обеспечивает глубокой степени очистки сточных вод от органических веществ из-за низкой светоотдачи ртутно-кварцевой лампы в области длин волн, соответствующих условиям деструкции ряда органических соединений (ПАВ, нефтепродукты, пестициды и др.). По этой же причине время обработки и энергетические затраты остаются значительными.

Кроме того, использование в качестве окислителя солей железа ведет к вторичному загрязнению сточных вод ионами металла, содержание которых в сточной воде строго регламентировано.

При этом данный способ не является экологически чистым, поскольку используемая в нем лампа заполнена парами ртути. Неосторожное обращение и утилизация отработанных ламп требует применения специальных методов нейтрализации вредного действия ртути.

Целью изобретения является повышение степени очистки сточных вод от растворенных органических примесей, расширение диапазона эффективно разлагаемых органических веществ, снижение времени обработки и энергетических затрат, исключение вторичного загрязнения очищаемой воды и обеспечение экологической чистоты.

Для этого в предлагаемом способе УФ-обработку сточных вод в импульсном режиме в присутствии окислителя осуществляют импульсным источником УФ-излучения сплошного спектра с длительностью импульса 10^-6-10^-3 с и плотностью импульсной мощности излучения на единицу поверхности обрабатываемой воды не менее 100 кВт/м², а в качестве окислителя используют озон или пероксид водорода.

В качестве импульсного источника УФ-излучения могут быть использованы, например, выпускаемые промышленностью трубчатые импульсные лампы, наполненные инертным газом - ксеноном, типа ИФП (ИФП-800, ИФП-5000, ИФП-20000 и т. д.). В этих устройствах УФ-излучение создается за счет мощного электрического разряда в межэлектродном промежутке, который обуславливает образование высокотемпературной (Т10000-15000 К) плазмы, интенсивно излучающей в УФ-области спектра.

Способ реализации, а также энергетические, спектральные, электрические, геометрические и другие характеристики применяемых в данном случае импульсных источников излучения изложены в книге Импульсные источника света./Под ред. И.С.Маршака. М.: Энергия, 1978, 472 с.

Выбор окислителя в предлагаемом способе определяется конкретным составом сточной воды, но наилучшие результаты в сочетании с УФ-облучением показывают озон и пероксид водорода.

В примере 1 показано влияние совместного воздействия на сточную воду окислителя и УФ-облучения.

П р и м е р 1. Исследования проводятся на модельном растворе метафоса в дистиллированной воде при исходной концентрации С₀ = 4 мг/л, характерной для реальных сточных вод. Контроль концентрации до и после обработки осуществляют методами газожидкостной хроматографии.

Модельный раствор помещают в барботажную колонну известной конструкции (Л. А. Кульский и др. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды. Киев: Наукова думка, 1980, с. 940-941), где он подвергается обработке озоновоздушной смесью. С помощью насоса обработанный раствор, содержащий растворенный озон, подают в фотохимический реактор на основе стандартной импульсной ксеноновой лампы ИФП-5000, обеспечивающей облучение раствора импульсами УФ-излучения длительностью 80 мкс и плотностью мощности 16,8 МВт/м².

Результаты исследований приведены в табл.1.

Анализ приведенных данных показывает, что режим облучения раствора в присутствии озона дает более высокие результаты по степени очистки и времени обработки, чем использование только обработки озоном (режим 1) или только УФ-облучения (режим 2). Следует отметить также взаимное влияние окислительного и фотохимического механизмов разложения метафоса, проявляющееся в значительном снижении конечной концентрации С_к.

Влияние плотности мощности УФ-излучения на поверхности обрабатываемой сточной воды приведено в примере 2.

П р и м е р 2. Обработку модельных растворов карбофоса, ампициллина и пикриновой кислоты осуществляют в условиях примера 1, но с использованием в качестве источника импульсного УФ-излучения вакуумной плазмодинамической лампы ПДЛ-20. В лампах такого типа электрический разряд развивается в парах материалов электродной системы (металлы и диэлектрики) и материала кварцевой оболочки. Используемая в опытах лампа обеспечивает длительность импульса УФ-излучения 2,5˙10^-5 с. Плотность мощности УФ-излучения на поверхности растворов варьируют путем изменения расстояния от оси лампы до поверхности растворов, при этом число импульсов засветки подбирают таким, чтобы суммарная энергетическая доза УФ-излучения оставалась неизменной.

Концентрация растворенного в воде озона неизменна и соответствует расходу 16,7 мг/мин.

Результаты экспериментов приведены в табл. 2, из которой видно, что при одних и тех же суммарных энергозатратах эффективность очистки заметно повышается при плотности мощности УФ-излучения на поверхности сточной воды 100 кВт/м² и более. При этом верхняя граница плотности мощности определяется условием отсутствия нагрева поверхностного слоя сточной воды до температуры кипения (Р_макс< 10⁹-10¹⁰ Вт/м²).

Влияние длительности импульса УФ-излучения на эффективность очистки сточных вод иллюстрирует пример 3.

П р и м е р 3. Обработку сточной воды (модельный раствор кельтана с концентрацией С₀ = 2,3 мг/г) осуществляют в условиях примера 1, но с использованием в качестве окислителя пероксида водорода, а также открытого поверхностного электрического разряда в воздухе в качестве источника УФ-излучения.

Пероксид водорода (концентрация 30%) добавляют в барботажную колонну из расчета получения концентрации в сточной воде 2 мг/л. Подача озоно-воздушной смеси в этих опытах отключается.

В экспериментах используют разряды длиной 25 см, развивающиеся по поверхности фторопластовой плиты, в воздухе нормальной плотности. Режимы работы разрядов и параметры электротехнического контура подбирают так, чтобы эмиссионный спектр в УФ-области был преимущественно сплошным, плотность импульсной мощности излучения в УФ-области на единицу поверхности обрабатываемой сточной воды составляла не менее 10⁵ Вт/м², а суммарные энергозатраты на облучение раствора во всех исследуемых режимах были одинаковыми (это обеспечивается соответствующим подбором числа импульсов засветки).

Варьирование длительности импульсов излучения осуществляют путем изменения емкости конденсаторной батареи, питающей разряд, и индуктивности электротехнического контура.

Результаты экспериментов приведены в табл. 3.

Как следует из полученных данных, указанный в предлагаемом способе диапазон длительностей импульсов представляется оптимальным. Формирование импульсов с длительностью менее 10^-6 с связано с необходимостью использования сложной преобразовательной техники, что неизбежно ведет к снижению КПД процесса преобразования электрической энергии в УФ-излучение и, следовательно, к уменьшению степени очистки. С другой стороны, как видно из экспериментальных данных (табл. 3), увеличение длительности импульсов более 10^-3 с также ведет к снижению эффективности очистки и существенному увеличению энергозатрат, необходимых для заданного снижения загрязненности сточной воды.

Как видно из приведенных в примерах 1-3 данных, предлагаемый способ позволяет в значительной степени повысить эффективность очистки сточных вод, причем эффект наблюдается для всех типов органических примесей независимо от их исходной концентрации в сточной воде.

При указанных режимных параметрах УФ-обработки (длительности импульсов и плотности импульсной электрической мощности на единицу поверхности обрабатываемой воды) в сочетании с обработкой окислителем проявляется эффект синергизма. Уменьшение значений плотности мощности излучения, вкладываемой на единицу поверхности обрабатываемой воды, ниже чем 100 кВт/м² при совместной обработке окислителем не обеспечивает требуемой глубины очистки, что связано, возможно, с недостатком энергии, необходимой для фотолитического разложения органических соединений.

Таким образом, предложенный способ позволяет достичь более высокой степени очистки сточных вод от органических веществ, по сравнению с известными способами, использующими различные варианты УФ-обработки. К другим преимуществам способа можно отнести его универсальность, которая проявляется в том, что благодаря непрерывному эмиссионному спектру и высокой интенсивности УФ-излучения обеспечивается эффективное деструкционное воздействие на широкий класс растворенных органических веществ. Кроме того, по тем же причинам в сочетании с действием окислителя время обработки и энергетические затраты, необходимые для заданной степени очистки, существенно снижаются. При этом использование предложенного способа экологически безопасно, так как устройства для создания электрического разряда в инертном газе (импульсные лампы) или открытого поверхностного разряда не содержат потенциально опасных веществ, а рекомендованные окислители при недоиспользовании быстро самораспадаются (озон).

Одновременно с очисткой от растворенных органических веществ предлагаемый способ обработки обеспечивает и обеззараживание сточных вод от патогенной микрофлоры, бактерий, микроорганизмов. При этом обеззараживание осуществляется как за счет воздействия мощного УФ-излучения широкого спектра, так и за счет действия окислителя.

Использование: очистка от фенолов, нефтепродуктов, ПАВ, пестицидов и других загрязнений. Сущность изобретения: сточные воды обрабатывают окислителем, например озоном, и подвергают импульсному УФ-облучению сплошного спектра с длительностью импульса 10^-6 - 10^-3 и плотностью импульсной мощности излучения на единицу поверхности обрабатываемой сточной воды не менее 100 кВт/м² . Способ позволяет повысить глубину очистки, снизить время обработки и необходимые энергозатраты, расширить диапазон эффективно разлагаемых органических веществ. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, включающий обработку ультрафиолетовым излучением в импульсном режиме в присутствии окислителя, отличающийся тем, что обработку ультрафиолетовым излучением осуществляют импульсным источником ультрафиолетового излучения сплошного спектра с длительностью импульса 10^-6 - 10^-3 с и плотностью импульсной мощности излучения на единицу поверхности обрабатываемой сточной воды не менее 100 кВт/м². 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют озон. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют пероксид водорода.