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

Изобретение относится к способам очистки сточных вод, а именно сточных вод, содержащих вещества, обуславливающие цветность сточных вод, например различные органические красители, продукты нефтепереработки, фенолы и т.д.

Воды водоемов, стоки, содержащие различные органические красители, продукты нефтепереработки, фенолы и т.д., характеризуются высокими цветностью, химическим потреблением кислорода (далее ХПК), токсичностью и биологической жесткостью. 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 (в стоках заводов производства красителей, красильно-отделочных производств).

Так, в стоках заводов производства красителей основную массу окрашенных соединений составляют продукты побочных реакций, образующиеся в значительных количествах при синтезе многих красителей. На тех же заводах 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.

Физико-химическая характеристика таких вод позволяет классифицировать эти стоки как весьма загрязненные, требующие тщательной очистки перед направлением в централизованные системы канализации.

Применение известных способов физико-химического взаимодействия и флотационного разделения полидисперсных систем, какими являются сточные воды, как производственные, так и хозяйственно-бытовые, позволило создать различные способы для локальной и предварительной очистки сточных вод, в том числе красильно-отделочных производств, заводов производства красителей, нефтеперерабатывающих заводов, а также водоемов, загрязненных нефтепродуктами [1, 2] . Предпочтение отдается способам, не приводящим к возникновению вторичных загрязнений, позволяющим получить уменьшение количества обрабатываемых сточных вод и осуществить повторное использование очищенных сточных вод. Необходимо обратить внимание на то, что технологические системы, обеспечивающие реализацию известных способов очистки, весьма сложны, громоздки и дорогостоящи.

Наиболее близким по технической сущности и решению поставленной задачи является способ очистки сточных вод, содержащих вещества, обуславливающие цветность сточных вод, включающий фильтрацию через углеродно-волокнистый материал в зоне фильтрации и регенерацию загрязненного углеродно-волокнистого материала в зоне регенерации [3].

Углеродно-волокнистые материалы (далее УВМ), достаточно новые типы сорбентов, имеют вид выжженной ткани. УВМ отличается высокой кинетикой извлечения органических веществ из водных растворов. Его сорбционная динамическая емкость по йоду на два порядка выше активированного угля. Авторами [3] обращено внимание на то, что УВМ удобны в эксплуатации и перед загрузкой в фильтр требуют очень незначительную обработку (замачивание), что значительно облегчает их использование. В работе [3] предусмотрена одна ступень регенерации только после последней ступени фильтрации (после всех предшествующих ступеней фильтрации процессы регенерации фильтров не предусмотрены) и не указаны процессы регенерации УВМ.

Авторами [3] выяснено, что для создания оптимальных условий очистки сточных вод, имеющих определенный знак заряда, необходимо подбирать соответствующие заряды УВМ в фильтрах.

Технической задачей настоящего изобретения является улучшение фильтрующих характеристик УВМ и степени их регенерации, повышение степени очистки сточных вод, снижение вторичных загрязнений, сокращение сброса массы загрязнения, достижение возможности повторного использования в производстве очищенных сточных вод, что приводит к значительной экономии водопроводной воды и, в совокупности с сокращением времени проведения всего процесса очистки, к экономии общих затрат на осуществление процесса очистки сточных вод.

Поставленная техническая задача решается тем, что способ очистки сточных вод, содержащих вещества, обуславливающие цветность сточных вод, включает фильтрацию через углеродно-волокнистый материал и регенерацию последнего, причем регенерацию осуществляют путем вакуумирования и обработки острым паром при пониженном давлении, при этом стадию фильтрации и регенерации проводят в разных зонах одновременно.

Существенно, что проводят фильтрацию и регенерацию одновременно в разных зонах при новых неочевидных режимах регенерации: объем регенерации вакуумируют, обрабатывают УВМ острым паром при пониженном давлении. Именно предложенные существенные признаки позволяют проводить предложенную регенерацию заменяемого загрязненного УВМ паром во время проведения очистки сточных вод. Нами значительно повышена эффективность и ускорен процесс регенерации, а также весь процесс очистки сточных вод. При этом будут улучшены условия проведения очистки и достигнута практическая равномерность прохождения сточных вод по всему объему напорных сорбирующих фильтров. Нами получено улучшение параметров очищенных сточных вод при использовании предложенного способа.

При этом смену загрязненного и очищенного УВМ производят во время процесса очистки, что позволяет сократить время проведения всего процесса. Причем смену загрязненного и очищенного УВМ производят либо последовательно, либо одновременно. Кроме того, по крайней мере в одном объеме регенерации во время проведения процесса регенерации по крайней мере периодически поддерживают пониженное давление.

Поставленная техническая задача решается также тем, что регенерацию проводят путем многократного чередования вакуумирования и обработки острым паром с последующим охлаждением.

При этом предложено в объеме проведения регенерации либо по крайней мере один раз чередовать операции вакуумирования и пропаривания, либо постоянно поддерживать пониженное давление во время проведения процесса регенерации (в том числе при пропаривании).

Также предложено заканчивать регенерацию углеродно-волокнистого материала его охлаждением до температуры окружающей среды (имеется ввиду температура вне области регенерации или температура сточных вод, например, до температуры 18...25^oC).

Поставленная задача решается также тем, что обработку паром углеродно-волокнистого материала (регенерацию) проводят в течение 30-40 мин при по крайней мере начальной температуре вводимого пара 110-120^oC.

Достигаются лучшие результаты регенерации, если после обработки острым паром проводят дополнительное вакуумирование, а также после последнего пропаривания создают пониженное давление, а далее охлаждают, либо и во время охлаждения поддерживают пониженное давление.

Поставленная техническая задача решается также тем, что регенерацию проводят при 4•10⁴ - 1,5•10⁴ Па. Выбранное пониженное давление (т.е. вакуумирование) определено эмпирически, получены наилучшие результаты по степени очистки УВМ.

Диапазоны параметров способа в основном зависят от выбора УВМ. Все перечисленное по отдельности или в совокупности значительно повышает степень очистки сточных вод, улучшает очистку фильтрующих материалов, снижает содержание вторичных загрязнений в сточных водах. При этом становится возможным повторное использование в производстве очищенных сточных вод.

Поставленная задача решается тем, что предложено фильтрацию проводить в несколько ступеней с обеспечением регенерации после каждой ступени фильтрации.

Возможно фильтрацию УВМ проводить в несколько ступеней, причем при нескольких ступенях фильтрации УВМ предложено после каждой ступени фильтрации УВМ ввести ступень регенерации УВМ. Хотя при этом технологическая система будем несколько усложнена, но все показатели очищенных стоков будут значительно лучше. Кроме того, возможно использование наряду с УВМ также других фильтрующих материалов, но использование только УВМ предпочтительно. Фильтрацию различных материалов, в том числе УВМ, можно проводить в несколько ступеней и после каждой ступени проводить регенерацию фильтрующих материалов (режимы проведения регенерации для других фильтрующих материалов будут другими; в настоящем изобретении они не определяются).

В одном исполнении фильтров предложено для достижения поставленной задачи фильтрацию проводить через углеродно-волокнистый материал, помещенный в картриджи с обеспечением возможности их удаления из зоны фильтрации, а регенерацию картриджей с углеродно-волокнистым материалом проводить в изолированном объеме.

Это означает, что предложено УВМ загружать в картриджи, которые можно удалять из зоны фильтрации, в том числе во время проведения процесса очистки сточных вод, а именно при проведении фильтрации преимущественно в напорных сорбционных фильтрах, упакованных указанными картриджами (в основном применяют напорные фильтры вертикального типа [5]). Для регенерации УВМ картриджи удаляют из зоны фильтрации и регенерацию УВМ проводят в изолированном по крайней мере одном объеме проведения регенерации. Объемов регенерации может быть несколько, но преимущество имеет один объем проведения регенерации для всех фильтров, заправленных картриджами с УВМ.

В другом исполнении фильтров поставленная задача решается тем, что фильтрацию дополнительно проводят во вращающемся барабанном фильтре, снабженном углеродно-волокнистым материалом, с обеспечением процесса регенерации в этом же фильтре.

Причем возможно производить непрерывную замену материала в зонах регенерации и фильтрации во время проведения процесса фильтрации и регенерации, а можно производить замену поэтапно.

Для достижения поставленной задачи для сточных вод, содержащих превалирующее количество примесей, имеющих заряд определенного знака, выбирают УВМ для первой ступени фильтрации с зарядом, противоположным по знаку. При этом возможно снизить общую дозу УВМ, не ухудшая качества получаемой очищенной воды. Очищенные воды возможно повторно использовать в производстве, экономя водопроводную воду.

Кроме того, предложено в качестве УВМ выбрать либо Бусофит, либо Вискумак, либо АУТ-М. Эти виды УВМ наиболее эффективны при очистке стоков красильного, красильно-отделочного производства, при очистке водоемов от нефтепродуктов.

Считаем, что изложенные признаки изобретения существенны, неочевидны и изобретение обладает изобретательским уровнем, новизной. Предложенным способом решается поставленная техническая задача.

Кроме того, при технической реализации изобретения стало возможным значительно упростить известные ранее технологические системы для очистки сточных вод без использования УВМ. Части систем к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Данный способ потребовал введения новых, но простых в исполнении узлов технологической системы, которые позволили удешевить весь способ очистки сточных вод. Поэтому считаем, что предложенное изобретение обладает промышленной применимостью.

Для пояснения изобретения предложены фигуры 1 - 3.

На фиг. 1 схематично изображен вариант технологической системы для реализации предложенного способа при очистке производственных сточных вод.

На фиг. 2 схематично изображен вариант технологической системы для реализации предложенного способа при очистке ливневых стоков.

На фиг. 3 схематично изображен объединенный вариант технологической системы для реализации предложенного способа при очистке производственных сточных вод и ливневых стоков.

Варианты осуществления изобретения
Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. Очистка производственных стоков красильно-отделочного производства.

Химически загрязненные производственные стоки красильно-отделочного производства имели следующий качественный состав:
Интенсивность красителя (ИК) - 1:1024 - 1:6400
Химическое потребление кислорода (ХПК)) - 1200 - 2560 мг/л
Взвешенные вещества - 500 - 950 мг/л
(Точность определения качественного состава составляла 5%)
Производственные сточные воды в виде двух потоков направляли по двум трубопроводам 1 и 2 каждый на один из двух устройств механической очистки 3 на соответствующий волоконноуловитель (3), каждый из которых предназначен для удаления крупнодисперстных примесей. Волоконноуловители 3 обеспечивали снижение загрязнений по взвешенным веществам на 5% в каждом потоке. Далее оба потока направляли в усреднитель 4 барботажного типа для их перемешивания. На выходе из усреднителя 4 контролировали качественный состав усредненного стока:
ИК - 1:4500
ХПК - 2120 мг/л
Взвешенные вещества - 680 мг/л
Усредненный сток по единому путепроводу 5 подавали на первый фильтр 6 - вращающийся фильтр барабанного типа с четырьмя слоями УВМ, а именно Бусофита [6] , обладающего сорбционной емкостью 4 кГ/кГ. Задержанные на них загрязнения удаляли регенерацией паром с температурой 120^oC в течение 40 минут непосредственно на фильтре. (Здесь и далее точности определения величин температуры ±1^oC, вакуума 1%, времени ±1 мин). На выходе первого фильтра 6 контролировали качественный состав сточных вод:
ИК - 1:3200
ХПК - 1650 мг/л
Взвешенные вещества - 170 мг/л
Далее общий поток частично очищенных сточных вод по трубопроводу 7 с помощью насоса 8 подавали на последовательно установленные (в данном случае три) напорные вертикальные фильтры 9 - 11, загруженные 162 кг УВМ, а именно Вискумаком [6] (обладающим сорбционной емкостью 3,2 кг/кг), на высоту 3,6 м каждый. Это превышает расчетное количество УВМ, необходимое для эффективной очистки данных сточных вод. УВМ упаковывали в картриджи, которые при загрязнении УВМ периодически удаляли из напорных вертикальных фильтров 9 - 11, причем в них все время должно находится требуемое расчетное количество УВМ для проведения эффективной очистки сточных вод. Расчетная продолжительность фильтроцикла 4,8 суток.

Для очистки УВМ картриджи помещали в узел регенерации 12. Задержанные на УВМ загрязнения удаляли путем последовательного чередования вакуумирования (при 2•10⁴ Па) и выпаривания (проводили обработку загрязненной фильтровальной ткани острым паром при его начальной температуре 120^oC при общем времени воздействия пара на УВМ в течение 40 минут). Количество чередований задано программой и определяется видом загрязнения, его степенью, выбором УВМ, требованиями к очищенным сточным водам. После последнего выпаривания проводили вакуумирование до той же степени вакуума, что и обработку, и охлаждали под тем же вакуумом. При такой регенерации УВМ (в картриджах) нами достигнута степень чистоты УВМ 95 - 97%.

После завершения очистки очищенные производственные сточные воды содержали предельно допустимые концентрации (далее ПДК) загрязнений с характеристиками (на выходном трубопроводе 13):
ИК - 1:164
ХПК - 230 мг/л
Взвешенные вещества - 120 мг/л
Такие очищенные стоки можно повторно использовать на соответствующих этапах производственного цикла.

Пример 2. Очистка ливневых стоков.

Очистку ливневых стоков проводили следующим образом.

Химически загрязненные ливневые стоки имели следующий качественный состав:
ИК - 1:512
ХПК - 600 мг/л
Взвешенные вещества - 227 мг/л
Ливневый сток по трубопроводу 14 направляли на механическую очистку 3, получая значительное снижение взвешенных веществ - до 60 мг/л при практически неизменных ИК и ХПК. После усреднителя - накопителя 4 получали качественный состав ливневых стоков следующим:
ИК - 1:450
ХПК - 480 мг/л
Взвешенные вещества - 10 мг/л
Далее ливневые сточные воды по трубопроводу 15 направляли (с помощью насоса 8) на три последовательно соединенные вертикальные напорные фильтра 9 - 11, загруженные УВМ, а именно АУТ-М [6], обладающим сорбционной емкостью 2,7 кГ/кГ и упакованным в картриджи.

Картриджи с УВМ по предложенному способу в данном случае очищали в узле регенерации 12, начиная с операции вакуумирования до достижения 4•10⁴ Па. Затем при постоянном поддерживании 4•10⁴ Па проводили обработку в течение 30 минут загрязненной фильтровальной ткани острым паром при его начальной температуре 110^oC. Подачу пара производили постоянно. Процесс очистки УВМ в картриджах заканчивали операцией вакуумирования при 4•10⁴ Па с последующим их охлаждением до температуры окружающей среды при отсутствии откачки. При такой регенерации УВМ (в картриджах) нами достигнута степень чистоты УВМ порядка 96%.

После очистки качественный состав обработанных ливневых стоков получали следующим(на выходном трубопроводе 13):
ИК - 1:24
ХПК - 230 мг/л
Взвешенные вещества - 10 мг/л
Такие очищенные стоки можно повторно использовать на соответствующих этапах производственного цикла.

Пример 3. Очистка производственных и ливневых стоков.

Качественный состав производственных и ливневых стоков до очистки см. в примере 1 и примере 2 соответственно.

Для очистки производственных и ливневых стоков применяли объединенную технологическую систему. Очистку производственных сточных вод, направляемых по трубопроводам 1 и 2, до получения частично очищенных сточных вод в трубопроводе 7 производили аналогично примеру 1. Ливневые стоки, направляемые по трубопроводу 14, проходили механическую очистку 3 аналогично примеру 2. Частично очищенные производственные сточные воды в едином трубопроводе 7 соединяли с ливневым стоком, направляемым по трубопроводу 16 в усреднитель 4.

Объединенный поток 17 поступал на насос 8 и далее на последовательно расположенные напорные вертикальные фильтры 9 - 11, загруженные УВМ (см. пример 1), а именно Вискумаком [6], упакованным в картриджи. Очистка сточных вод в фильтрах происходила аналогично примеру 1. Регенерацию УВМ проводили в узле регенерации 12 при постоянном поддержании пониженного давления (порядка 3•10⁴ Па) и периодическом пропаривании (при начальной температуре вводимого пара 115^oC при общем времени воздействия пара в течение 35 мин). После последнего пропаривания охлаждали естественным путем (без вакуумирования).

После окончания очистки получали качественный состав стоков следующим (на выходном трубопроводе 13):
ИК - 1:16
ХПК - 180 мг/л
Взвешенные вещества - 25 мг/л
При использовании предложенного способа очистки сточных вод и предложенных вариантов технологических систем очистки получена настолько высокая степень очистки, что обработанные сточные воды стало возможным использовать повторно в производстве, а также снизить массу сброса загрязнений на 85 - 95%.

Изложенное выше позволило заключить, что нами решена поставленная техническая задача: улучшение очистки фильтрующих материалов, повышение степени очистки сточных вод, снижение вторичных загрязнений, сокращение сброса массы загрязнения, достижение возможности повторного использования в производстве обработанных сточных вод, что приводит к значительной экономии водопроводной воды и, в совокупности с сокращением времени проведения всего процесса очистки, к экономии общих затрат на осуществление процесса очистки сточных вод.

Изобретение может быть использовано при очистке окрашенных сточных вод водоемов, рек, в том числе от нефтепродуктов, для водоподготовки, для очистки стоков красильных заводов, красильно-отделочных производств, например для очистки стоков предприятий текстильной промышленности, художественно-прикладного производства и т.д., а также хозяйственно-бытовых стоков, имеющих цветность.

Источники информации
1. Очистка производственных сточных вод / Под ред. Турского Ю.И. и Филиппова И.В. - Л.: Химия, 1967, с. 187.

2. Аширов А.Ю. Ионообменная очистка сточных вод, растворов, газов. - Л.: Химия, 1983, с. 99-101.

3. Ласков Ю. М., Кузнецова Т.В., Пальгунов Н.Н. Очистка сточных вод от красителей и ПАВ. Водоснабжение и санитарная техника (ВСТ), 1997, N 3, с. 11-15.

4. Патент РФ 2048919, В 01J 47/10.

5. Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1981 г., с. 146.

6. Углеродно-волокнистый материал "Бусофит", "Вискумак", "АУТ-М" ТУ 88 БССР 180-90.1

Использование: изобретение относится к способам очистки сточных вод и может быть использовано при очистке окрашенных сточных вод водоемов, рек, в том числе и от нефтепродуктов, для водоподготовки, для очистки стоков красильных заводов. Сточные воды, содержащие вещества, обуславливающие цветность сточных вод, фильтруют при помощи углеродно-волокнистого материала в зоне фильтрации, периодически заменяя в зоне фильтрации загрязненный углеродно-волокнистый материал на очищенный, загрязненный углеродно-волокнистый материал подвергают регенерации острым паром при пониженном давлении во время проведения процесса очистки. Способ экономичен и обеспечивает высокую степень очистки. 9 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ очистки сточных вод, содержащих вещества, обуславливающие цветность сточных вод, включающий фильтрацию через углеродно-волокнистый материал и регенерацию последнего, отличающийся тем, что регенерацию осуществляют путем вакуумирования и обработки острым паром при пониженном давлении, при этом стадию фильтрации и регенерации проводят в разных зонах одновременно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регенерацию проводят путем многократного чередования вакуумирования и обработки острым паром с последующим охлаждением. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что обработку паром углеродно-волокнистого материала проводят в течение 30-40 мин при начальной температуре 110-120^oC. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что после обработки острым паром проводят дополнительное вакуумирование. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что регенерацию проводят 4•10⁴ - 1,5•10⁴ Па. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что фильтрацию проводят в несколько ступеней с обеспечением регенерации после каждой ступени фильтрации. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что фильтрацию проводят через углеродно-волокнистый материал, помещенный в картриджи с обеспечением возможности их удаления из зоны фильтрации, а регенерацию картриджей с углеродно-волокнистым материалом проводят в изолированном объеме. 8. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что фильтрацию дополнительно проводят во вращающемся барабанном фильтре, снабженном углеродно-волокнистым материалом с обеспечением процесса регенерации в этом же фильтре. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что производят непрерывную замену материала в зонах регенерации и фильтрации во время процесса фильтрации и регенерации. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве углеродно-волокнистого материала используют Бусофит и/или Вискумак, и/или АУТ-М.