СПОСОБ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 1998 года по МПК C02F1/28 B01J20/02 B01D39/00 

Изобретение относится к доочистке сточных вод и может быть использовано при очистке бытовых и промышленных сточных вод предприятий различных отраслей промышленности.

Известен способ доочистки сточных вод путем фильтрации через фильтрующую композицию, состоящую из адсорбента-катализатора - активированного угля АГ-3 и поддерживающего слоя - кварцевого песка [1].

Недостатком способа является низкая эффективность доочистки по взвешенным веществам - 90% и каталитическая активность окисления органических веществ не более 10%.

Кроме того, низкая механическая прочность активированного угля приводит к быстрой истираемости его поверхности, уносу и, как следствие этого, снижению каталитической активности адсорбента-катализатора и вторичному загрязнению очищаемой воды.

Постоянная дозагрузка фильтра требует необоснованно высокого количества фильтрующей загрузки.

Одновременно в плоскости раздела слоев происходит заиливание загрузки, что приводит к снижению производительности процесса, уменьшению времени фильтроцикла.

Целью изобретения является повышение эффективности доочистки сточных вод от органических и взвешенных веществ.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве фильтрующей композиции предлагается использовать композицию, состоящую из поддерживающего слоя и адсорбента-катализатора, включающего каталитически активные компоненты и глину-носитель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пиритный огарок - 20-25
Натрий тетраборнокислый (бура) - 1,5-2,0
Стекло - 1,5-2,0
Нефтяной кокс - 1,0-1,5
Глина - Остальное.

Адсорбент-катализатор используют в качестве верхнего слоя при загрузке фильтра и располагают над поддерживающим слоем.

Адсорбент-катализатор обладает высокой каталитической активностью и задерживающей способностью, которые позволяют в течение 3 лет применять его для доочистки вод без перегрузки фильтра. Так, при ХПК, равном 35 мг/O₂/л и концентрации взвешенных веществ 50 мг/л эффективность очистки при времени фильтроцикла 52 ч составляет по ХПК - 45-50%, по взвешенным веществам - 99,5%. Регенерация поверхности адсорбента-катализатора достигается за счет 10-минутной водовоздушной промывки с интенсивностью воздушной промывки 15-25 дм³ (м²с) и водной промывки 8,2-10 дм³/м²с.

Каталитическая активность гетерогенных адсорбентов-катализаторов жидкофазного окисления зависит от активной поверхности, которая включает в себя такие понятия, как герметическая поверхность и удельная поверхность. Увеличение каталитической активности адсорбента-катализатора за счет геометрической поверхности достигается при увеличении последней в процессе измельчения зерен адсорбента-катализатора до минимальной величины, технологичной для данного процесса и аппарата, а также за счет увеличения активности единицы поверхности в процессе концентрирования катализаторной массы активными компонентами и в связи с этим увеличения числа каталитически активных центров на геометрической поверхности.

Технология изготовления адсорбента-катализатора включает следующие стадии: подготовку исходных веществ - сушка и размол компонентов; смешение компонентов с дополнительным размолом, обеспечивающим необходимую структуру и фазовый состав; формовку гранул; сушку экструдатов и термическую обработку.

Синергический эффект каталитической активности и стабильность предлагаемого адсорбента-катализатора наблюдается при указанном соотношении компонентов, дальнейшее увеличение или уменьшение каждого каталитически активного компонента снижает каталитическую активность и стабильность адсорбента-катализатора. Увеличение содержания компонентов приводит к нарушению целостности структуры, катализ происходит в мономолекулярном слое, непосредственно примыкающем к поверхности катализатора. Катализ тесно связан с адсорбцией кислорода и субстратов, которая является предварительной стадией катализа. При этом адсорбированные молекулы, особенно при наличии полярных групп, определенным образом ориентированы к поверхности. Если процесс адсорбции увеличивает скорость реакции, то возникающие поверхностные соединения должны характеризоваться повышенной реакционной способностью. Повышение реакционной способности связано с характером промежуточного взаимодействия реагирующих веществ с адсорбентом-катализатором. Основными стадиями процесса являются:
1. Адсорбция с диссоциацией молекулы на атомы или радикалы.

2. Образование при адсорбции ион-радикалов - результат взаимных переходов электронов между катализатором и реагирующими веществами.

3. Возникновение при адсорбции ковалентных связей в результате перекрывания электронных орбиталей атомов катализатора и реагирующего вещества.

4. Образование координатных связей, в частности образование поверхностных β -комплексов для непредельных углеводородов.

В отсутствие адсорбента-катализатора все перечисленные процессы энергетически невыгодны и требуют затрат энергии для разрыва связей или перемещения электронов, так как энергия для осуществления указанных переходов поступает от адсорбента-катализатора и передается от внешней среды через адсорбент-катализатор.

Центрами адсорбции выступают ионные пары , состоящие из ионов металла (M) и кислорода (O).

Избыточный заряд на металле и кислороде, который образуется из-за пространственного удаления друг от друга катионов, входящих в структуру центров адсорбции, делает возможным образование одновременно донорно-акцепторной и дативной связей, благодаря которым возрастает симбатно-адсорбционная способность адсорбента-катализатора как по внешним веществам, так и растворенным органическим соединениям.

Адсорбенты-катализаторы имеют развитую систему пор во всем диапазоне измеряемых радиусов. Модифицирование адсорбента-катализатора путем металлизации его поверхности не меняет общий характер распределения пор по размерам. Для адсорбента-катализатора характерно значительное развитие пор с радиусом > 1000 А^o, что обеспечивает возможность адсорбции сложных органических соединений, находящихся как в молекулярном, так и ассоциированном состоянии и взвешенных веществ.

Эффективное использование удельной поверхности адсорбентов-катализаторов при глубокой доочистке биологически очищенных сточных вод обусловлено развитием пор соответствующих размеров.

Пример 1.

Адсорбент-катализатор состав, мас.%:
Пиритный огарок - 20-25
Натрий тетраборнокислый (бура) - 1,5-2,0
Стекло - 1,5-2,0
Нефтяной кокс - 1,0-1,5
Глина - Остальное
был получен в лабораторных условиях.

Глина в количестве 138,6 г, пиритный огарок 36 г, нефтяной кокс 2,7 г, стекло (глыба) 2,7 г загружались в планетарную мельницу, где вся масса перемешивалась и размалывалась в течение 3 ч до дисперсного состава не выше 500 А⁰.

Однородную смесь вышеуказанных компонентов загружали в смеситель, куда добавляли воды в количестве 37-40 мас.%, тщательно перемешивали в течение 60-90 мин до получения тестообразной массы. Приготовленную массу формовали экструзией в виде гранул размером 5-12 мм, наружный диаметр 5-7 мм.

После 24-36 ч провяливания на воздухе адсорбент-катализатор прокаливали при температуре 500-530^oC в течение 4 ч при подъеме температуры 120-130^oC в течение часа. После прокаливания адсорбент-катализатор подвергали обжигу при температуре 1100^oC в течение 1 ч.

Все полученные таким образом адсорбенты-катализаторы испытывали на лабораторной фильтровальной установке по доочистке сточных вод нефтепереработки АО АНХК (АО Ангарская нефтехимическая компания, г. Ангарск).

Пример 2.

Опыт по определению каталитической активности и задерживающей способности предлагаемого адсорбента-катализатора для выбора оптимального состава проводили на лабораторной установке, моделирующей работу каркасно-засыпного фильтра.

Стеклянная колонна d= 30 мм и высотой 550 мм заполнена поддерживающим слоем гравия пофракционно с крупностью зерен 20-10, 10-5 и 5-2 мм. Высота поддерживающего слоя (h=200 м), его объем составляет 2/3 от общего слоя загрузки. Над поддерживающим слоем расположен слой адсорбента-катализатора h= 140 мм с крупностью зерен 4-6 мм. Над слоем загрузки имеется свободный объем, предназначенный для расширения слоя при водовоздушной промывке. Скорость подачи воды на фильтровальную установку составляла 7-10 м/ч.

Лабораторный фильтр с подачей очищаемой воды сверху вниз оборудован системой равномерного распределения исходной воды через полиэтиленовую сетку. Регенерация осуществлялась промывкой загрузки с подачей водовоздушной смеси в течение 10-15 мин снизу установки.

Сравнительные данные по определению каталитической активности (по ХПК) и задерживающей способности (по концентрации взвешенных веществ) образцов адсорбентов-катализаторов при различных соотношениях активных компонентов представлены в табл. 1.

В табл. 2 представлены данные по сравнительной активности предлагаемого адсорбента-катализатора и прототипа.

Пример 3.

Доочистка сточных вод с использованием адсорбента-катализатора будет осуществлена на фильтровальной станции очистных сооружений АО АНХК с применением оптимального образца, при следующем соотношении компонентов, мас.%
Пиритный огарок - 20-25
Натрий тетраборнокислый (бура) - 1,5-2,0
Нефтяной кокс - 1,0-1,5
Стекло - 1,5-2,0
Глина - Остальное.

В период лабораторных испытаний проведены эксперименты по уточнению оптимального времени фильтроцикла (табл. 3).

Как видно из приведенных данных, адсорбент-катализатор обладает высокой механической прочностью при высокой эффективности. Увеличение времени фильтроцикла до 52 ч позволяет сократить число промывок и расход промывной воды более, чем в 2 раза.

Благодаря оптимальной геометрической структуре, развитой поверхности и высокой каталитической и сорбционной способности адсорбент-катализатор является универсальным фильтрующим материалом.

Применение адсорбента-катализатора позволяет решить проблему доочистки промышленных и бытовых сточных вод.

Использование: доочистка сточных вод при очистке бытовых и промышленных сточных вод предприятий различных отраслей промышленности. Сущность: значительно повышает эффективность процесса очистки от органических до 50% и взвешенных веществ до 95%, использование фильтрующей композиции, состоящей из адсорбента-катализатора на минеральной основе и поддерживающего слоя, в которой адсорбент-катализатор содержит каталитически активные компоненты и глину, мас. % пиритный огарок 20 - 25, натрий тетраборнокислый (бура) 1,5 - 2,0, стекло 1,5 - 2,0, нефтяной кокс 1,0 - 1,5, глина - остальное. 3 табл.

Способ доочистки сточных вод путем фильтрации через фильтрующую композицию, состоящую из адсорбента-катализатора и поддерживающего слоя, отличающийся тем, что адсорбент-катализатор состоит из каталитически активных компонентов и глины-носителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пиритный огарок - 20 - 25
Натрий тетраборнокислый (бура) - 1,5 - 2,0
Стекло - 1,5 - 2,0
Нефтяной кокс - 1,0 - 1,5
Глина - Остальноеа