Способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: в очищаемую воду вводят нейтральный газ, затем на воду и газ накладывают одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях инфразвуковые, звуковые и ультразвуковые колебания и подают поток очищаемой воды через загрузку из металла в направлении снизу вверх. Устройство содержит вертикальный корпус, разделенный сетчатыми перегородками на секции, заполненные загрузкой различного фракционного состава в каждой секции, и камеру исходной воды, имеющую диаметр больший, чем диаметр секций. В камере расположены распределитель воды в виде труб с соплами, имеющих вид лепестков тюльпана, и распределитель газа в виде труб с соплами, имеющими в сечении параллельные кольцевые мембраны, соединенные по периферии посредством тора, и установленное на торце сопла калиброванное кольцо. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.

Изобретение относится к физико-технологическим процессам обработки сточных вод технологических производств, использующих тяжелые металлы, и предназначено для извлечения частиц этих металлов из сточных жидкостей оборотного снабжения и подлежащих сбросу в открытые водоемы.

Известны направления развития данной технологии очистки сточных вод, наиболее представительным из которых можно считать способ, включающий обработку жидкости в горизонтальном реакторе с введением в ее объем сульфида натрия [1] Недостатки этого способа низкая степень очистки, незначительная производительность при больших трудо- и энергозатратах, а также необходимость выделения под установку значительной площади цехов ввиду горизонтального расположения реактора и сопутствующих процессу аппаратов и приборов.

Наиболее близким по технологии и конструкции установки является способ обработки сточных вод, включающий введение очищаемой воды в контакт с гранулами металла различных фракций путем подачи потока через загрузку в направлении снизу вверх, осветление и утилизацию обработанной воды [2] Этот способ более эффективен, а используемое устройство более производительно пари очистке стоков от частиц тяжелых металлов.

Однако такое повышение эффективности достигается за счет значительного объема корпуса реактора и расположения всей установки наклонно на значительной площади цеха, что отчуждает значительную полезную площадь от основного производства, удорожает существенно вторичные производства (очистку и утилизацию). Процесс требует использования трех видов энергии, что также удорожает технологию и усложняет обслуживание в плохо обеспеченных энергией цехах очистки сбросных вод, сужает сферы использования способа и установки ввиду значительной стоимости и установки, и самого процесса очистки. Однако самые существенные недостатки низкая степень и низкое качество очистки стоков и высокая остаточная концентрация ионов тяжелых металлов, что отрицательно влияет на характеристики экологических показателей стоков.

Цель изобретения повышение качества очистки стоков от ионов тяжелых металлов, снижение стоимости процесса и предупреждение выброса токсичных отходов утилизируемых стоков.

Это достигается за счет того, что в способе, включающем введение сточной воды в направлении снизу вверх в контакт с гранулами загрузки различных фракций, осветление и отвод на утилизацию, перед подачей в загрузку в поток очищаемой воды вводят нейтральный газ. Затем на воду и газ накладывается одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях инфразвуковые, звуковые и ультразвуковые колебания.

Способ осуществляется использованием устройства, содержащего вертикальный корпус, разделенный сетчатыми перегородками на секции, заполненные загрузкой различного фракционного состава, расположенную в нижней части камеру для исходной воды с подающим патрубком и расположенную в верхней части корпуса, расширяющуюся вверх камеру для сброса очищаемой воды. Устройство снабжено расположенными в камере для исходной воды распределителем воды в виде труб с соплами, выполненными в виде лепестков тюльпана и установленного над ними перфорированного перевернутого конуса, и распределителем газа в виде труб с соплами, имеющими в сечении параллельные кольцевые мембраны, соединенные по периферии посредством тора, и установленное на торце сопла калиброванное кольцо. Секции выполнены одинаковой высоты, с диаметрами, меньшими, чем сечение камеры для исходной воды, и загрузка выполнена из металла. Трубы распределителя воды выполнены в виде полудуг, присоединенных к подающему патрубку. Трубы распределителя газа выполнены изогнутыми в виде ромба, тупые углы которого обращены к полудугам.

На фиг.1 показано устройство, сечение по вертикальной оси; на фиг.2 принципиальная блок-схема установки; на фиг.3 контейнер с загрузкой; на фиг.4 нижняя часть корпуса с патрубками ввода; на фиг.5 сечение А-А на фиг.4; на фиг. 6 сопло распределителя воды, сечение; на фиг.7 сопло распределителя газа, сечение; на фиг. 8 сечение Б-Б на фиг.6; на фиг.9 узел I на фиг.7; на фиг. 10 наложение вынужденных механических колебаний на объем жидкости в загрузке контейнера по трем осям геометрического трехмерного пространства; на фиг.11 наложение ультразвуковых колебаний в нижней камере ввода жидкости корпуса реактора установки.

Принципиальная конструктивная схема устройства, где реактор расположен вертикально и загрузка в контейнере размещена также вертикально с вертикальной схемой процесса подачи, обработки и отвода жидкости, позволяет существенно повысить удельные нагрузки на материал, заключенный в контейнере, т.е. одновременно использовать весь его объем в процессе при различных фракциях материала внизу более крупные, вверху более мелкие фракции. Такая конструкция позволяет не только повысить эффективность процесса обработки (очистки) сточных вод (что показано далее при изложении способа), но и существенно улучшить условия использования производственных площадей за счет расположения реактора практически на пятне площади не более 1 м². Новые свойства, проявляемые существенными признаками, заключаются в одновременном воздействии и на материал загрузки и на весь объем жидкости в корпусе реактора самой же средой обработки сточной жидкостью, которую подвергают воздействию вынужденных колебаний за счет использования как жидкости, так и вводимого в ее объем газа, участвующего в реакции процесса. Это позволяет существенно повысить эффективность и качество процесса обработки сточных вод установкой, подробно описываемой далее.

Устройство содержит корпус 1, разделенный сетчатыми перегородками 2 на секции 3, заполненные загрузкой 4 разных фракций, предпочтительно из отходов стального или медного производств, камеру 5 для исходной воды и расширяющуюся вверх коническую камеру 6 для сбора очищенной воды с крышкой 7, закрепленной на поворотном шарнире 8. К крышке 7 присоединен патрубок 9 для отвода выделяющихся газов, а по образующей камеры 6 в верхней части выполнены сетчатые каналы 10, соединенные с отводящим фильтрат патрубком 11. В нижней части камеры 6 расположен патрубок 12 для отбора обработанной жидкости и подачи ее, если этого требует процесс очистки, повторно в патрубок 13 для подачи исходной жидкости.

Секции 3 представляют собой сетчатые контейнеры, нижний из которых заполнен наиболее крупной загрузкой F₁, средний-средней крупности F₂ и последний наиболее мелкой загрузкой F₃. Между контейнерами могут быть установлены две разделяющие сетки с небольшим зазором. Для технологичности контейнеры или секции 3 имеют монтажную крестовину 14 с петлей 15. Для более эффективной организации распределения вводимой сточной жидкости в нижней секции выполнен сетчатый стакан 16 на тот случай, если загрузка в секциях будет одинаковой фракции.

В камере 5 исходной воды установлены распределитель исходной воды и расположенный под ним распределитель газа. Распределитель воды выполнен в виде трубчатых полудуг 17, присоединенных к подающему патрубку 13 с соплами 18, выполненных в виде лепестков тюльпана, и установленного над ними перфорированного перевернутого конуса 19. Распределитель газа выполнен в виде труб, изогнутых в виде ромба 20, тупые углы которого обращены к полудугам 17, снабженных соплами 21 и присоединенных к подающему патрубку 22. Такое выполнение распределителей позволяет создать эффект кавитации и автоколебаний отраженных волн, создаваемых специальными соплами 18 и 21, т.к. создает условия автоколебаний отраженных колонн и наложения волн потоков газа и жидкости. Сопло 18 включает входное отверстие 23, критическое сечение 24 и диффузор 25, в котором после критического сечения 24 установлены упруго-податливые лепестки 26 (в виде раскрывшегося тюльпана); а на выходе диффузора имеется кольцо 27 с отверстиями 28. Такое выполнение сопла 18 обеспечивает генерирование в истекающем потоке из него жидкости звуковые и ультразвуковые колебания (установлено экспериментально при стендовых испытаниях сопел 18). При этом лепестки тюльпана 26 выполнены сходящими на ус, а отверстия 28 имеют угол наклона осей вверх по оси сопла. Частота получаемых колебаний колеблется в широком диапазоне и зависит от конструкции сопла и характеристик поступающего потока жидкости в распределитель 17. Сопла 21 имеют оригинальную конструкцию. После входа 29 и критического сечения 30 жестко соединена (припоем, например серебряным) упруго-податливая двойная кольцевая мембрана 31 с торцами по краям 32, с которой соединен диффузор с кольцом 34, имеющим обратный кольцевой угол наклона. Такая конструкция сопла позволяет генерировать звуковые и инфразвуковые колебания в объеме окружающей жидкости и подвергать таким колебаниям весь столб жидкости в загрузке 4 секций, что значительно повышает эффективность обработки стоков, приводя всю систему в режим автоколебаний и кавитации на частицах загрузки, что обеспечивает эффективный контакт поверхности загрузки.

Тор 32 соединен с двойной кольцевой мембраной, имеющей центральное отверстие 35 для пропуска газа в критическом сечении 30 сопла. Соединение припоем 36 частей 30 и 33 сопла позволяет задевать резонансные колебания части 33 сопла за счет работы кольца мембран 31.

Такое выполнение сопел позволяет существенно повысить эффективность обработки сточных жидкостей, содержащих микрочастицы и ионы тяжелых металлов за счет наложения наиболее выгодных характеристик колебаний на водную среду, поступающую в камеру 5 в нижней части корпуса 1 и воздействия этими вынужденными колебаниями на весь массив загрузки и жидкости, находящейся в ней, через которую (жидкость) и через газожидкостную среду передаются колебания на фракции загрузки, подвергая их очистке от поверхностного слоя окислов, шлама и осадка, что позволяет поддерживать активность загрузки на всех трех ее этажах (слоях) за счет воздействия звуковыми и инфразвуковыми колебаниями на область загрузки 4 и воздействия звуковыми и инфразвуковыми колебаниями на жидкость в камере 5, поступающую далее в загрузку 4 секций 3. В нижней части корпуса предусмотрены патрубки 37 и 38 для подачи дополнительных ингредиентов, например, реагента или катализатора, предназначенных одновременно для участия в процессе очистки воды и обработки осадка, выводимого по патрубку 39. Корпус в нижней части имеет установочные крепежные стойки 40.

Принципиальная схема обработки сточной жидкости включает емкость 41 сбора сточной воды с насосом 42 подачи стоков в корпус 1 через обратный клапан, включает емкость 43, заполненную газом под давлением для подачи его по патрубку 22 в камеру 5, содержит также емкость 44 с реагентом и емкость 45 с дополнительным компонентом, участвующих в реакции при обработке жидкости. В принципиальной схеме имеется жидкость 46 тока газа; камера 47 сбора осветленной обработанной жидкости и бункер 48 для сбора осадка из патрубка 39. Управление работой устройства осуществляется от пульта управления 49, оснащенного программой, например, заложенной в микро-ЭВМ типа ДВК-4.

П р и м е р 1. С помощью пульта управления 49 включают насос 42 и подают сточную жидкость из резервуара 41 в камеру 5. По мере заполнения камеры 5 и емкости загрузки 4 сопла 18 и 21 создают сложное трехнаправленное (фиг.10, 11) поле вынужденных механических колебаний в объеме обрабатываемой жидкости, причем в этих трех взаимно перпендикулярных направлениях жидкость подвергают одновременно инфразвуковым, звуковым и ультразвуковым колебаниям, создавая таким образом эффект автоколебаний и кавитации на границах контакта жидкости и фракционированного материала загрузки. Под воздействием ультразвуковых колебаний жидкость в камере 5 приобретает более активный режим ввиду фазовых превращений в ее объеме. Активность самой жидкости перед контактом с загрузкой резко возрастает, и взаимодействие частиц в ней с материалом загрузки существенно повышается по интенсивности, так как заданное "рыскание" частиц в трехмерном геометрическом пространстве вынуждает и материал загрузки наиболее активно взаимодействовать с поступающей в него жидкостью, т.е. интенсивно освобождать контактную поверхность от окислов и механических отложений осадка. При таком процессе очистки стока от ионов тяжелых металлов используют емкость 41 сброса стока и насос 42 для поддержания необходимого давления в патрубке 13 ввода стока, а давление в патрубке 22 обеспечивается подачей под избыточным давлением газа из емкости 43, соединенной с узлами подачи стока и газа; при этом подача дополнительных компонентов (реагентов, катализатора) осуществляется по патрубкам 37 и 38 из емкостей этих компонентов 44 и 45, где каждый из патрубков оснащен управляемым клапаном от программного устройства 49. В процессе очистки стока газы отводят в емкость 46, осветленную воду в емкость сбора 47, осадок в бункер 48.

П р и м е р 2. Сточную воду цеха обработки изделий из тяжелых металлов Ленинградского гальванического завода ЛНПО "Турбина" с содержанием микрочастиц тяжелых металлов (кадмий, хром, никель, свинец и др.) размером 5-30 мкм и ионы этих тяжелых металлов при концентрации 2х10³-3х10⁴ на 1 л подвергают обработке в корпусе 1 установки подачей под давлением не менее 1,2 кгс/см² сточной воды по патрубку 13 через сопла 18, переводя в выгодное для обработки фазовое переходное состояние сточную воду, при котором наиболее активно ведут себя микрочастицы и ионы тяжелых металлов, приобретая свойства отделения от массы воды при взаимодействии с материалом загрузки, в качестве которого использованы отходы стали и отходы меди при соотношении около 4:1 при введении в камеру 5 дополнительных компонентов через дополнительные патрубки 37 и 38 (сульфиды и катализатор, позволяющие активно использовать время и процесс контакта жидкости с материалом загрузки 4 в сетчатом контейнере), контейнер, как показано выше, выбран с двойными сетками стенок и ярусных перегородок не случайно, а для оседания в ячейках сеток отделяемых включений и отработанной поверхности отхода материала загрузки.

Одновременно под давлением 1,4-2,0 кгс/см² подают газ (азот) по патрубку 22 через сопла 21, конструкция которых, расположенных также по трем осям пространства, позволяет воздействовать на объем жидкости в камере 5 ультразвуковыми и звуковыми колебаниями за счет наличия тора 32, кольцевой двойной мембраны 35 и жесткого соединения частей сопла: критического сечения 30 и диффузора 33 с одной и второй мембраной.

При прохождении различных фракций сточная вода очищается от микрочастиц и ионов тяжелых металлов и сливается из патрубка 11. При контроле содержания по оттарированным экспериментальным данным в сточной воде указанных включений, если норма по ПДК превышает их содержание, предусмотрен возврат насосом 42 воды в патрубок 13 из патрубка 12 это осуществляют в случае, если фракции материала подобраны без учета необходимого нарастания крупности сверху вниз, т. е. фракции F₁ более крупны и составляют 3-10 размеров фракций F₂, которые также больше фракции F₃, или при несоблюдении диаметра D₁, D₂, D₃ (фиг.1) или высот корпуса Н₁, Н₂, Н₃, которые строго зависят и взаимосвязаны между собой.

Наличие различных фракций материала позволяет увеличивать площадь контакта воды с материалом загрузки и интенсифицировать процесс ее очистки от включений. Осветленную воду используют для оборотного водоснабжения или направляют в водоемы при контроле экологических характеристик слива из патрубка 11 или емкости 46.

В таблице даны показатели обработанной сточной воды.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточных вод, включающий введение очищаемой воды в контакт с гранулами загрузки различных фракций путем подачи потока через загрузку в направлении снизу вверх, осветление и утилизацию, отличающийся тем, что, с целью повышения качества очистки воды от тяжелых металлов, перед подачей в загрузку в поток очищаемой воды вводят нейтральный газ и затем на воду и газ накладывают одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях инфразвуковые, звуковые и ультразвуковые колебания.

2. Устройство для очистки сточных вод, содержащее вертикальный корпус, разделенный сетчатыми перегородками на секции, заполненные загрузкой различного фракционного состава, расположенную в нижней части корпуса камеру для исходной воды с подающим патрубком и расположенную в верхней части корпуса, расширяющуюся вверх камеру для сбора очищенной воды, отличающееся тем, что, с целью повышения качества очистки воды от тяжелых металлов, оно снабжено расположенными в камере для исходной воды распределителем последней в виде труб с соплами, выполненными в виде "лепестков тюльпана" и установленного над ними перфорированного перевернутого конуса, и распределителем газа в виде труб с соплами, имеющими в сечении параллельные кольцевые мембраны, соединенные по периферии посредством тора, и установленное на торце сопла калиброванное кольцо, при этом секции выполнены одинаковой высоты и сечением, меньшим, чем сечение камеры для исходной воды, а загрузка выполнена из металла.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что трубы распределителя воды выполнены в виде полудуг, присоединенных к подающему патрубку, а трубы распределителя газа изогнуты в виде ромба, тупые углы которого обращены к полудугам.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12