АППАРАТ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2002 года по МПК C02F1/46 C02F1/463 C02F103/16 

Изобретение относится к области очистки сточных вод и может быть использовано в гальванотехнике, машиностроительной, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен электрокоагулятор для очистки воды (а.с. СССР 1298195, С 02 F 1/46, 1987 г.), состоящий из корпуса, снабженного патрубками подачи и удаления воды, электродной системы, которая включает попарно расположенные стержневые и цилиндрические электроды. Электроды выполнены в виде проволочных спиралей, расположенных по поверхности эластичного материала, находящегося в сжатом или растянутом состоянии, что обеспечивает изменение конфигурации электродов при электрохимическом растворении электродного материала с поверхности спиралей. За счет этого и обеспечивается возможность поддержания постоянного межэлектродного расстояния при эксплуатации электрокоагулятора.

Недостатком известного технического решения является сложность конструкции, в частности, электродов. Эта конструкция не позволяет изготовить электроды значительной толщины, а так как растворение металла происходит неравномерно (особенно оно велико вблизи мест подведения тока), то ее использование будет приводить к более быстрому исключению электродов из работы.

Известен также электрокоагулятор (а.с. СССР 1308563, С 02 F 1/46, 1987 г. ) для очистки сточных и природных вод от ионов тяжелых металлов, (включая Cr⁶⁺), состоящий из корпуса, в котором жестко укреплен анод, выполненный в виде диска с отверстием в центре. Соосно аноду установлен с возможностью вращения катод с обтекателем и радиальными скребками. Для предотвращения пассивации анод снабжен полым стаканом, установленным в отверстии анода и имеющим высоту, превышающую высоту анода.

Такое устройство электрокоагулятора обеспечивает равномерное растворение анодов и поддержание постоянного межэлектродного расстояния. Однако это устройство сложно в изготовлении, затруднена смена растворимых анодов, а горизонтальное расположение электродов не позволяет сделать устройство компактным. Кроме того, указанное устройство нельзя использовать для очистки сточных вод с применением нерастворимых анодов, когда требуется разделять электродные пространства мембраной.

Наиболее близким к заявляемому устройству является аппарат для электрохимической очистки сточных вод (а.с. СССР 1691319, С 02 F 1/463, 1991 г.), содержащий корпус, разделенный переточными перегородками на электродную камеру с растворимыми анодами, камеры коагулирования, отстаивания и выходную, патрубки подачи исходной и отвода очищенной воды, причем на входе имеется распределительное устройство, выполненное в виде трубы Вентури. Аппарат имеет трубу, соединяющую выходную камеру с электродной, а днище электродной камеры выполнено наклонным. Получаемые на электродах пузырьки газа и генерируемый электрохимическим способом коагулянт перемешиваются со сточными водами, которые затем поступают в камеру коагулирования, где отделяемые частицы укрупняются и поступают в отстойную камеру. После камеры отстаивания очищенная вода попадает в выходную камеру, где через верхний патрубок отводится вода, а через нижний - выводится осадок.

Указанный аппарат для электрохимической очистки сточных вод эффективно используется для очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты, однако он мало пригоден для очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов и вещества, способствующие пассивации анодов, вследствие малой скорости движения раствора. Кроме того, такие аппараты не могут быть использованы в случае наличия в растворе ионов, способствующих коагуляции отделяемых частиц, и когда с целью экономии материалов более целесообразно использовать нерастворимые аноды. Наклонное расположение анодов в нижней части аппарата существенно увеличивает габариты оборудования. Использование для разделения твердой и жидкой фаз камеры отстаивания в виде прямоугольной емкости, как правило, не обеспечивает эффективной очистки сточных вод, приводит к попаданию мелких частиц загрязнений в очищенную воду. Кроме того, такие отстойники имеют большие линейные размеры и занимают значительные производственные площади. Нижний вывод образующихся в аппарате осадков сопряжен с одновременным выводом значительной части раствора, требует дополнительного оборудования для разделения жидкой и твердой фаз. Это также будет приводить к нарушению гидродинамических условий в камере отстаивания и всего аппарата в целом. Применение для ввода жидкости трубы Вентури обеспечивает хорошее перемешивание раствора, но требует применения высоконапорных насосов, так как скорость движения в трубе должна быть в пределах 40-100 м/сек, а это приводит к повышенному расходу энергии.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - усовершенствование аппарата для электрохимической очистки сточных вод, уменьшение загрязнения окружающей среды за счет повышения степени очистки сточных вод.

Технический результат от использования изобретения заключается в уменьшении габаритов оборудования, снижении энергозатрат на обработку сточных вод, увеличении степени очистки сточных вод, экономии материалов за счет использования нерастворимых анодов.

Указанный результат достигается за счет того, что в аппарате для электрохимической очистки сточных вод, содержащем корпус, разделенный переточными перегородками на электродную камеру с электродами, камеру отстаивания и выходную камеру, штуцера подачи исходной и вывода очищенной воды, патрубок вывода осадка, электроды одного знака - положительного при применении растворимых анодов и отрицательного - при применении нерастворимых анодов выполнены сборными из трапециевидных секторов, расположены на одном горизонтальном валу с возможностью их вращения в вертикальной плоскости, а между ними расположены неподвижные электроды противоположного знака, а горизонтальный вал с электродами пропущен через стенку и установлен с одной стороны в газостатическом уплотнителе втулки, а с другой -ь в опоре в виде газостатического подшипника, втулка и опора снабжены штуцерами для подачи газа, при использовании нерастворимых анодов последние размещены в съемных диафрагменных камерах, камера отстаивания выполнена в виде бункера, в котором веерообразно расположены расходящиеся кверху направляющие, в нижней части бункера расположен патрубок вывода осадка в выходную камеру, где установлен ленточный транспортер с лопатками в виде прямоугольной рамы с дном из фильтрующего материала.

На фиг. 1 представлен вид спереди; на фиг.2 - вид сверху; на фиг.3 - разрез по А-А фиг.2; на фиг.4 - конструкция сборного вращающегося электрода.

Аппарат содержит камеры: электродную 1, отстаивания 2, выходную 3 с крышками 4, 5, 6. Электродная камера 1 имеет наклонное дно и штуцера ввода 7 обрабатываемого раствора и слива раствора 8. В электродной камере расположены на общем валу 9 вращающиеся электроды 10 и неподвижные электроды 11, которые в случае их использования в качестве нерастворимых анодов помещают в съемные диафрагменные камеры 12. Камера отстаивания 2, отделенная от электродной камеры перегородками 13 и 14, имеет в верхней части переливной желоб 15 со штуцером 16 для сбора и отвода очищенного раствора, а в средней ее части расположены наклонные, расходящиеся кверху направляющие 17, причем максимальный к вертикали угол составляет 60^o, а минимальный - 25^o. В нижней части камеры отстаивания 2, выполненной в виде усеченного прямоугольного конуса, расположен патрубок 18 для отвода осадка в выходную камеру 3. В выходной камере 3 расположен ленточный транспортер 19 с лопатками 20, выполненными в виде рамы, на которую натянут фильтрующий материал. Транспортер 19 опирается на направляющие ролики 21 и приводится во вращение от электропривода 22. В нижней части выходной камеры 3 расположен штуцер 23 для слива раствора из камеры отстаивания и выходной камеры.

Подвод тока к вращающимся электродам осуществляют через токосъемник 24, а сам вал приводят во вращение от электропривода 25 через муфту 26. Вал 9 проходит через газостатический уплотнитель, представляющий собой помещенную в боковой стенке 27 электродной камеры втулку 28, в которую через штуцер 29 для предотвращения вытекания раствора подают газ, например воздух. На конусном переходе 30 вала 9 на втулке 28 расположена уплотнительная гайка 31, которая при затягивании внутренним отверстием плотно прижимается к конусу, а наружной частью - к выполненному из эластичного материала уплотнительному кольцу 32, размещенному в кольцевом канале крышки 33 втулки 28. Противоположный конец вала 9 поддерживается опорой 34, фиксируемой с помощью перемещаемого в вертикальной плоскости упора 35, и в которую через штуцер 36 подается газ так, что опора 34 и упор 35 образуют газостатический подшипник. Для удобства монтажа и демонтажа вала 9 в собранном виде с электродами 10 целиком опора 34 размещена в монтажном кармане 37.

Для удобства монтажа и демонтажа и экономии материала при изготовлении вращающиеся электроды 10 выполнены сборными. Они состоят из втулки 38 с радиальными направляющими 39, между которыми фиксируют любым известным способом, например с помощью винтов, трапециевидные сектора 40.

Аппарат для электрохимической очистки сточных вод работает следующим образом.

Вал 9, собранный с втулками 38, радиальными направляющими 39 и трапециевидными секторами 40 вращающихся электродов 10, опускают на опору 34, находящуюся в монтажном кармане 37, и на часть втулки 28, расположенную внутри электродной камеры 1, и затем сдвигают вдоль втулки 28 вплоть до выхода конусного перехода 30 из втулки 28. После чего вал фиксируют с помощью упора 35 и уплотнительной гайки 31, затем через муфту 26 присоединяют к электроприводу 25. Закрывают крышки 4, 5, 6 и через штуцера 29 и 36 подают газ, например воздух, во втулку 28 и опору 34. Обрабатываемая вода через входной штуцер 7 поступает в электродную камеру 1. Воздух выдавливает жидкость из втулки 28 и из втулки, образованной опорой 34 и упором 35, и за счет повышенного давления предотвращает вытекание обрабатываемой жидкости из электродной камеры. Далее отворачивают уплотнительную гайку 31 с крышки 33 втулки 28, включают электропривод 25 вращения вала 9. При этом за счет подачи воздуха втулка 28 и опора 34 с упором 35 приобретают свойства газовых подшипников.

Через токосъемник 24 подают ток на электроды 10 и 11. При наличии в обрабатываемом растворе ионов-коагулянтов, например железа, алюминия, целесообразно при обработке использовать в качестве анодов неподвижные нерастворимые электроды 11. В этом случае на аноде происходит выделение кислорода и образование кислоты в прианодном слое по реакции:

Отрицательный же заряд подают на вращающиеся электроды 10, на которых при этом протекает реакция выделения водорода и образование ионов гидроксила в приэлектродном пространстве:

Чтобы избежать нейтрализации ионов гидроксила ионами водорода, аноды заключают в съемные камеры 12, снабженные диафрагмами. Ионы гидроксила реагируют с содержащимися в растворе ионами тяжелых металлов с образованием нерастворимых гидроксидов, а находящиеся в растворе ионы-коагулянты способствуют укрупнению отделяемых частиц. Пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде, и пузырьки воздуха из втулки 28 и опоры 34 совместно с потоком жидкости, образующимся при вращении дисковых электродов, увлекают осадок гидроксидов в верхнюю часть электродной камеры. Далее они вместе с обрабатываемым раствором через верхний край перегородки 13 по вертикальному каналу, образованному перегородками 13 и 14, поступают в камеру отстаивания 2. За счет направляющих 17 поток жидкости направлен в сторону переливного желоба 15, из которого очищенную воду через штуцер 16 сливают в канализацию. Скорость подачи обрабатываемой жидкости w_ж устанавливают таким образом, чтобы выполнялось соотношение
w_ж≤w_ос,
где w_oс - скорость осаждения частиц гидроксидов тяжелых металлов. При таком проведении процесса в средней части камеры отстаивания возникает фильтрующая шламовая подушка, состоящая из частиц гидроксидов тяжелых металлов, и которая удерживается во взвешенном состоянии за счет включения в нее пузырьков воздуха и водорода, выделившегося на катоде. Веерообразное расположение направляющих 17 способствует повышению степени очистки за счет того, что по мере протекания обрабатываемых сточных вод в направлении желоба 15, сечение для прохода жидкости между направляющими 17 непрерывно увеличивается, а следовательно, уменьшается скорость w_ж, в то время как скорость w_oс остается постоянной, так как она определяется только силой тяжести. Кроме того, веерообразное расположение направляющих 17 способствует более устойчивой работе отстойной камеры 2 и сохранению шламовой подушки от "размывания" при изменении нагрузки на аппарат для электрохимической очистки сточных вод, так как в этом случае шламовая подушка только лишь перемещается по высоте отстойной камеры 2.

По мере диффузии газовых пузырьков через шламовую подушку происходит осаждение частиц гидроксидов в нижней части камеры отстаивания 2 и переход их в выходную камеру 3 через патрубок 18.

В выходной камере 3 осадок попадает на ленточный транспортер 19 и, удерживаемый от сползания с ленты лопатками 20, перемещается в верхнюю часть выходной камеры 3. При подъеме лопаток 20 с осадком выше ватерлинии происходит удаление жидкости из осадка через фильтрующую ткань, натянутую на раму лопаток. Обезвоженный таким образом осадок транспортер выгружает в тару (не показано).

При использовании растворимых анодов в качестве последних выступают сборные вращающиеся электроды, трапециевидные сектора которых выполнены из железа или алюминия, и на которых протекает реакция ионизации металла:
Al+3e^--->Al³⁺
Отрицательный же заряд в этом случае подают на неподвижные электроды 11, на которых происходит выделение водорода и образование ионов гидроксила.

При этом электроды 11 помещают непосредственно в раствор без использования диафрагменных камер.

Под действием ионов ОН^- и ионов коагулянтов железа и алюминия, переходящих в раствор при растворении вращающихся электродов 10, происходит образование и укрупнение нерастворимых частиц гидроксидов тяжелых металлов. За счет вращения дисковых электродов и пузырьков газов, выделяющихся на электродах 11, и воздуха из газостатических уплотнителей частицы гидроксида поднимаются вверх, и далее процесс протекает таким же образом, как и при использовании нерастворимых анодов.

Использование предлагаемого устройства позволяет уменьшить габариты аппарата для электрохимической очистки сточных вод, увеличить степень очистки сточных вод за счет использования шламовой фильтрующей подушки, уменьшить расход материалов за счет применения сборных вращающихся электродов и нерастворимых анодов.

Изобретение относится к области очистки сточных вод и может быть использовано в гальванотехнике, машиностроительной, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Аппарат для электрохимической очистки сточных вод содержит корпус, разделенный переточными перегородками на электродную камеру, камеру отстаивания и выходную камеру, штуцера подачи исходной и вывода очищенной воды и патрубок вывода осадка. Электроды одного знака - положительного при применении растворимых анодов и отрицательного при применении нерастворимых анодов выполнены сборными из трапециевидных секторов и расположены на горизонтальном вращающемся валу. Между ними расположены неподвижные электроды противоположного знака. Неподвижные электроды могут располагаться в диафрагменных камерах, а камера отстаивания оснащена ленточным транспортером. Технический эффект - уменьшение габаритов аппарата, увеличение степени очистки сточных вод, снижение расхода материалов на его изготовление. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Аппарат для электрохимической очистки сточных вод, содержащий корпус, разделенный переточными перегородками на электродную камеру с электродами, камеру отстаивания и выходную камеру, штуцера подачи исходной и вывода очищенной воды, патрубок вывода осадка, отличающийся тем, что электроды одного знака - положительного при применении растворимых анодов и отрицательного при применении нерастворимых анодов выполнены сборными из трапециевидных секторов, расположены на одном горизонтальном валу с возможностью их вращения в вертикальной плоскости, а между ними расположены неподвижные электроды противоположного знака, а горизонтальный вал с электродами пропущен через стенку и установлен с одной стороны в газостатическом уплотнителе втулки, а с другой - в опоре в виде газостатического подшипника, втулка и опора снабжены штуцерами для подачи газа. 2. Аппарат для электрохимической очистки сточных вод по п. 1, отличающийся тем, что при использовании нерастворимых анодов последние размещены в съемных диафрагменных камерах. 3. Аппарат для электрохимической очистки сточных вод по п. 1, отличающийся тем, что камера отстаивания выполнена в виде бункера, в котором веерообразно расположены расходящиеся кверху направляющие, в нижней части бункера расположен патрубок вывода осадка в выходную камеру, где установлен ленточный транспортер с лопатками в виде прямоугольной рамы с дном из фильтрующего материала.