СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2001 года по МПК C02F1/28 C02F1/42 

Изобретение относится к области экологии, в частности к физико-химической очистке сточных вод от хрома, нефтепродуктов, цветных сточных вод, преимущественно содержащих в большом количестве красители и поверхностно-активные вещества.

Предшествующий уровень техники
Появление загрязнений в сточных водах можно рассмотреть на примере завода по производству красителей. Согласно производственной технологии, для выделения синтезированных красителей из растворов применяется высаливание поваренной солью с последующим отделением твердой фазы фильтрацией. Образующиеся фильтраты и декантированные маточники сбрасываются в городскую канализацию. И те, и другие характеризуются высокими цветностью, химической потребностью кислорода (далее "ХПК"), токсичностью и биологической неокисляемостью. При этом отмечается высокое содержание хлоридов.

Высокое значение ХПК указывает на наличие органических полупродуктов в стоке. К ним относятся амины, нитрамины, фенолы, нафтолы, сульфокислоты, минеральные соли и частично готовый краситель.

Основную массу окрашенных соединений составляют продукты побочных реакций, образующиеся в значительных количествах при синтезе многих красителей. Другим источником окрашенных стоков являются скрубберные жидкости. При сушке красителей наблюдается интенсивный вынос их с паром и последующее улавливание в скрубберах. Постепенно краситель накапливается в скрубберной жидкости, и при достижении концентрации 3 г/л производится сброс интенсивно окрашенной жидкости в канализацию.

Кроме того, возникают залповые сбросы моечных растворов, содержащих самые разнообразные красители, но имеющих относительно низкое солесодержание.

При синтезе красителей, до 90% неорганического и до 30% органического сырья переходит в сточные воды, которые образуются главным образом на стадии фильтрования промежуточных и целевых продуктов, а также в процессе мойки технологического оборудования, коммуникаций, полов и т.д. В этих стоках, наряду с отходами исходного сырья, содержится около 10% всего выпускаемого количества красителей, что обусловливает их высокую цветность, оцениваемую, как правило, показателем интенсивности красителя (далее "ИК"), т.е. интенсивностью разбавления сточных вод дистиллированной водой до исчезновения окраски.

Удельный объем сточных вод, образующихся на стадии фильтрования, составляет в зависимости от марки выпускаемого красителя 8-40 м³ на 1 тонну готового продукта.

Характерной особенностью этих стоков является высокое содержание минеральных солей - в основном хлоридов натрия и красящих веществ.

Сточные воды от промывки технологического оборудования и мойки полов менее загрязнены, однако, они также интенсивно окрашены, содержат органические вещества, основную часть которых составляют полупродукты, красители и неорганические соли. Их образуется значительно больше, чем фильтратов.

Для того, чтобы фильтраты, подлежащие очистке, не окрашивали сточные воды, по-видимому, нет необходимости полностью удалять все присутствующее в них количество бионеразрушаемых красителей. Достаточно это количество уменьшить до уровня, определяемого степенью разбавления фильтратов сточными водами до момента наступления пороговой концентрации красителей в воде.

Высокая цветность сточных вод (из-за содержащихся в них органических красителей), токсичность, достаточно сложный органический состав позволяют классифицировать их как весьма загрязненные, требующие тщательной очистки перед направлением в централизованные системы канализации.

Кроме того, они содержат поверхностно-активные вещества (далее ПАВ), также являющиеся высокомолекулярными соединениями, органические загрязнения, шлихтующие и другие препараты [1].

Известен способ очистки сточных вод от упомянутых примесей на ионно-обменных волокнах различного типа [1].

В связи с тем, что полупродукты, сами красители и побочные продукты растворимы в воде, то для очистки сточных вод могут быть применимы только деструктивные (окислительные и восстановительные) и адсорбционные методы. Большинство способов освоено только в лабораториях и на опытных установках.

Несмотря на большое количество работ (проведенных у нас и за рубежом) в области разработки и усовершенствования этих методов, они остаются дорогими и сложными по аппаратному оформлению и поэтому не находят широкого практического применения.

В ряде случаев стоки подвергают механической обработке для удаления взвешенных веществ, после чего сточные воды очищают с помощью физико-химических методов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки сточных вод, включающий предочистку от механических примесей и фильтрование с заданной скоростью через ионообменный углеродно-волокнистый сорбционный материал (далее "УВМ"), например, типа Бусофит, Вискумак [2] , которые обычно подвергают предварительной обработке, и последующее озонирование [3].

Недостатком известного способа является его многостадийность и сложное аппаратурное оформление.

Раскрытие изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является упрощение способа и его аппаратурного оформления при сохранении высокой степени очистки по ХПК, ИК, взвешенным веществам, фенолам, а также удешевление процесса очистки сточных вод.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ очистки сточных вод, включающий предочистку от механических примесей и фильтрование с заданной скоростью через ионообменный углеродно-волокнистый сорбционный материал (далее "УВМ"), причем предочистку от механических примесей путем отстаивания и фильтрование проводят в одном горизонтально установленном аппарате, содержащем зоны отстаивания и фильтрации и снабженном по крайней мере тремя наклонно установленными пластинами, каждую из которых с одной стороны закрепляют в аппарате так, что между другой противоположной стороной пластины и внутренней поверхностью аппарата образуют горизонтальный зазор для обеспечения ламинарного потока воды, причем первую и третью пластины закрепляют в крышке аппарата, вторую в днище аппарата, первую пластину выполняют из нержавеющей стали, а третью снабжают по крайней мере ионнообменным углеродно-волокнистым сорбционным материалом, при этом линейная скорость воды на входе в аппарат не более 10 мм/с, а скорость фильтрации через упомянутый углеродно-волокнистый материал обеспечивают не более 4 мм/с.

Отличием предложенного способа является новая совокупность существенных признаков: определение начальной скорости поступающих сточных вод, по крайней мере третья пластина загружена по крайней мере УВМ, выбор и обеспечение скорости фильтрации через пластины с по крайней мере УВМ, ламинарность потока сточных вод в аппарате при обеспечении последовательной смены направления потока сверху вниз и снизу вверх необходимого числа раз. На ламинарность влияют начальная скорость стоков в аппарате, расположение пластин, их углы наклона к плоскости сечения, проходящего через крышку и днище, названного нами "вертикальным" или "поперечным", величины горизонтальных зазоров, загрузка УВМ. В зависимости от условий производства, во время проведения процесса очистки, может быть предусмотрена возможность изменения угла наклона пластин и их размещения в аппарате, но имеется возможность также и жесткого закрепления пластин перед началом процесса очистки.

Поставленная задача решается также тем, что используют либо УВМ, либо УВМ совместно с хемосорбционным волокном (см., например, [4]), причем УВМ предпочтительно выбирают из ряда Вискумак, АУТ-М, Бусофит ("Вискумак", "АУТ-М" и "Бусофит" являются известными марками, выпускаемого промышленностью УВМ - см., например, [2]). Кроме того, вторую пластину выполняют только из нержавеющей стали, или из нержавеющей стали с УВМ, или загружают УВМ.

Равномерность скорости тока сточных вод через пассивный фильтр достигается путем снижения потерь напора сточных вод при прохождении через УВМ в качестве фильтрующего материала (в том числе при естественном горизонтальном токе без дополнительного напора).

В различных исполнениях поставленная задача решается тем, что упомянутые пластины предложено устанавливать:
- под углом 30 - 45^o к вертикальному сечению аппарата, проходящему через его крышку и днище;
- с обеспечением зазора D между незакрепленным концом пластины и ближайшей внутренней поверхностью аппарата, выбранном равным по высоте 5-10% от высоты аппарата. Так для 1-ой и 3-ьей - между незакрепленным концом пластины и днищем аппарата, а для 2-ой - между незакрепленным концом пластины и крышкой аппарата;
- первую пластину от передней стенки ввода сточных вод аппарата на расстоянии, составляющем 2/3L (±5% от длины L аппарата), вторую пластину от первой пластины на расстоянии 1/6L (±5% от длины L аппарата), третью пластину от второй пластины на расстоянии 1/12L (+5% от длины L аппарата), кроме того пластины могут быть установлены с разбросом -5%....+10% от соответствующего размера длины (получены лучшие результаты при наличии трех пластин в аппарате и мелкой взвеси в сточной воде).

Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, изображенными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 схематично изображено продольное сечение предлагаемого аппарата.

На фиг. 2 схематично изображено поперечное сечение предлагаемого аппарата.

Варианты осуществления изобретения
Процесс очистки сточной воды преимущественно от примесей хрома, нефтепродуктов, красителей с ПАВ проведен в аппарате 1, изображенном на фиг. 1 и 2, длиной L, равной 4 (±0,01) м и высотой Н, равной 2 (±0,01) м (где точность всех линейных измерений равна 0,01 м), в котором установлено три пластины. В общем случае пластин может быть больше, прибавляя после третьей по паре пластин каждый раз с закреплением первой пластины из прибавляемых пар снизу, а следующую - сверху. Сточные воды через штуцер 2, располагаемый вверху аппарата 1 в его входной стенке, подаются в камеру отстаивания 3, в которой происходит механическая очистка путем отстаивания. При известных возможных степенях загрязнения сточных вод скорость поступления сточных вод, выбираемая не более 10 мм/с, обеспечивает получение осадка требуемой расчетной концентрации C₀. Это позволяет (при выбранных углах наклона пластин, величинах зазора, расположения пластин, выбора используемых УВМ и/или УВМ с хемосорбционным волокном) получить необходимую скорость фильтрации - не более 4 мм/с, и в результате осуществить требуемую очистку сточных вод. Далее сточные воды протекают под пластиной 4 из нержавеющей стали, закрепленной в крышке 5 аппарата 1 по горизонтальному зазору между днищем 6 и пластиной 4 в первую промежуточную камеру 7. Пластину 4 устанавливают под углом 30 - 45^o к вертикальному, поперечному сечению аппарата, т.е. к плоскости, проходящей от его крышки 5 до его днища 6 параллельно стенке, в которой выполнен входной штуцер 2, т. е. перпендикулярно плоскости днища 6. По камере отстаивания 3 сточные воды проходят сверху вниз, по первой промежуточной камере 7 - снизу вверх. Далее сточные воды проходят по горизонтальному зазору между крышкой 5 и пластиной 8, закрепленной противоположным концом в днище 6, во вторую промежуточную камеру 9. Пластина 8 закреплена в днище 6 под углом 30 - 45^o к вертикальному, поперечному сечению аппарата, т.е. к плоскости, проходящей от его крышки 5 до его днища 6 параллельно стенке, в которой выполнен входной штуцер 2, т.е. перпендикулярно плоскости днища 6. В приведенных примерах 1 и 2 пластина 8 (вторая) выполнена из нержавеющей стали. В других каких-либо случаях пластина 8 может быть выполнена как сетка из нержавеющей стали с промежутками по крайней мере УВМ или из по крайней мере УВМ. В этих случаях часть сточных вод подвергаются фильтрации через пластину 8, а часть проходят через горизонтальный зазор над пластиной 8. По второй промежуточной камере 9 сточные воды перетекая сверху вниз фильтруются через пластину 10, загруженную по крайней мере УВМ. Пластина 10 закреплена в крышке 5 под углом 30 - 45^o к вертикальному, поперечному сечению аппарата, т.е. к плоскости, проходящей от его крышки 5 до его днища 6 параллельно стенке, в которой выполнен входной штуцер 2, т.е. перпендикулярно плоскости днища 6 (к плоскости, определяющей высоту аппарата). В приведенных примерах даны результаты с различной загрузкой пластины 10, что указано непосредственно перед таблицами, в которых приведены параметры и результаты для каждого примера 1 и 2. Профильтрованные сточные воды и частично протекающие по горизонтальному зазору между пластиной 10 и днищем 6 сточные воды попадают в выходную камеру 11, по которой перетекают снизу вверх и выходят в выходной штуцер 12, размещенный в выходной стенке 13 аппарата 1 напротив входного штуцера 2, на том же расстоянии по высоте от днища 6 аппарата 1.

Пластины 4, 8, 10, установленные под углом 30 - 45^o к вертикальному сечению аппарата 1 позволяют обеспечить горизонтальные зазоры у пластин 4, 8, 10 с размером D по высоте 5 - 10% от высоты аппарата 1, при которых нами достигнуты наилучшие результаты.

В обоих приведенных примерах в сточных водах присутствовала мелкая взвесь. Поэтому был выбран аппарат 1, в котором достигаются по нашим экспериментальным данным наилучшие результаты при наличии в нем трех пластин - 4, 8, 10. В общем случае пластины устанавливают с отклонением до ±5% от длины L и высоты H аппарата 1, т.е. общий разброс не должен превышать 5... 10% от соответствующего расстояния: L₁ = 2/3L, L₃ = 1/6L и L₅ = 1/12L, а также D. В выбранном аппарате 1 длиной L, равной 4 (± 0,01) м, и высотой H, равной 2 (±0,01) м, пластина 4 расположена от передней стенки ввода сточных вод (в которой размещен штуцер 2) на расстоянии, составляющем L₁ (±5%), равном 2,66±0,13 (±0,01) м. Пластина 8 расположена от пластины 4 на расстоянии L₃ (±5%), равном 0,66 ± 0,033 (±0,01) м. Пластина 10 расположена от пластины 8 на расстоянии 1/12L (±5%), равном 0,33 ± 0,016 (± 0,01) м. D равен 10 см... 20 см.

Нами предложено использовать в общем случае либо УВМ, либо УВМ совместно с хемосорбционным волокном. Предпочтительно использовать УВМ, выбранный из ряда Вискумак, АУТ-М, Бусофит.

Пример 1.

Пластина 10 (третья) загружена в одном случае тканью N 1 - Вискумак, являющейся УВМ, в другом случае тканью N 2 - Вискумак совместно с хемосорбционным волокном.

Скорость фильтрации v_ф мм/с через упомянутый Вискумак (ткань N 1) либо Вискумак с хемосорбционным волокном (ткань N 2) выбрана равной 3 (±1) мм/с.

Скорость ввода сточной воды v мм/с измеряли с погрешностью ±1...2 мм/с.

При процессе очистки получены следующие результаты (табл. 1).

Выводы: В результате проведенных экспериментов получено, что эффективность очистки сточных вод выше при УВМ с хемосорбционным волокном. При этом удаление тяжелых металлов происходит на 80 - 87%.

Пример 2.

Пластина 10 (третья) загружена в одном случае тканью N 1 - АУТ-М, являющейся УВМ, совместно с хемосорбционным волокном, в другом случае тканью N 2 - хемосорбционным волокном.

Скорость фильтрации v_ф мм/с через пластину 10, через ткани N 1 (в одном случае) и ткань N 2 (в другом случае) выбрана равной 3 (±1) мм/с. Скорость ввода сточной воды v мм/с измеряли с погрешностью ±1...2 мм/с.

При процессе очистки получены следующие результаты (табл. 2).

Выводы: В результате проведенных экспериментов получено, что эффективность очистки сточных вод выше при УВМ с хемосорбционным волокном. При этом удаление тяжелых металлов происходит на 85 - 93%.

Промышленная применимость
Изобретение применимо для очистки сточных вод промышленных предприятий, в частности, стоков, содержащих хром, нефтепродукты, заводов по производству красителей, в сточных водах которых присутствуют красители и ПАВ в большом количестве поверхностно-активные вещества.

Источники, использованные при написании заявки:
1. Аширов А.Ю. "Ионообменная очистка сточных вод, растворов, газов", Л., "Химия", 1983, сс. 99-101.

2. Углеродно-волокнистый материал "Бусофит", "Вискумак", "АУТ-М", ТУ 88 БССР 180-90.

3. Патент РФ N 2144001, 21.05.1997, МКИ G 02 F 1/28.

4. Джон Г. Перри "Справочник инженера-химика", изд. "Химия", 1969 г., т. 1, гл. VIII, с. 524.

Использование: изобретение относится к экологии, в частности к физико-химической очистке сточных вод от хрома, нефтепродуктов, красителей с поверхностно-активными веществами. Сущность изобретения: предложен способ очистки сточных вод с проведением отстаивания их и фильтрации в одном аппарате, причем фильтрацию проводят УВМ или УВМ и хемосорбционного вещества. Способ позволяет обеспечить высокую степень очистки при простом аппаратурном оформлении процесса. 6 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Способ очистки сточных вод, включающий предочистку от механических примесей и фильтрование с заданной скоростью через ионообменный углеродно-волокнистый сорбционный материал, отличающийся тем, что предочистку от механических примесей путем отстаивания и фильтрование проводят в одном горизонтально установленном аппарате, содержащем зоны отстаивания и фильтрации и снабженном, по крайней мере, тремя наклонно установленными пластинами, каждую из которых с одной стороны закрепляют в аппарате так, что между другой противоположной стороной пластины и внутренней поверхностью аппарата образуют зазор для обеспечения ламинарного потока воды, причем первую и третью пластины закрепляют в крышке аппарата, вторую в днище аппарата, первую пластину выполняют из нержавеющей стали, а третью снабжают, по крайней мере, ионообменным углеродно-волокнистым сорбционным материалом, при этом линейная скорость сточной воды на входе в аппарат не более 10 мм/с, а скорость фильтрации через упомянутый углеродно-волокнистый материал обеспечивают не более 4 мм/с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют ионообменный углеродно-волокнистый сорбционный материал с хемосорбционым волокном. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют ионообменный углеродно-волокнистый сорбционный материал, выбранный из ряда Вискумак, АУТ-М, Бусофит. 4. Способ по любому предшествующему пункту, отличающийся тем, что вторую пластину выполняют из нержавеющей стали и/или снабжают упомянутым ионообменным углеродно-волокнистым сорбционным материалом. 5. Способ по любому из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что упомянутые пластины устанавливают под углом 30 - 45° к вертикальному сечению аппарата, проходящему через его крышку и днище. 6. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что зазор D выбирают равным по высоте 5 - 10% от высоты аппарата. 7. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что при наличии трех пластин в аппарате выбирают расположение первой пластины от передней стенки ввода сточных вод аппарата на расстоянии, составляющем 2/3 L, расположение второй пластины от первой пластины на расстоянии 1/6 L, расположение третьей пластины от второй пластины на расстоянии 1/12 L, причем устанавливают пластины с разбросом -5%...+10% от соответствующего размера длины.