Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов

 

Использование: электрохимическая очистка сточных вод от тяжелых металлов. Сущность изобретения: исходные сточные воды электрохимически обрабатывают с использованием гальванического элемента медь: железо, изготовленного из стружки, затем направляют в отстойник, в котором после отстаивания осадок отделяют от воды из верхней части отстойника, которую отводят на доочистку ультрафильтрацией, проводимой в тангенциальном потоке со скоростью 3,0 - 8,0 м/с при давлении 3,5 - 5,5 кг/см² с использованием мембран с размером пор 0,05 - 0,2 мкм, осадок, полученный после ультрафильтрации, в количестве 2,5 - 50 г/л (в пересчете на сухое вещество) подают на электрохимическую обработку исходных сточных вод. 2 табл.

Известен способ очистки сточной воды, содержащей ионы тяжелых металлов, путем ее обpаботки коагулянтом, например гидроксидом двух- и трехвалентного железа.

Процесс очистки, известный под названием "ферритизация" основан на взаимодействии гидроксидов железа с ионами тяжелых металлов с образованием осадка кристаллической структуры шпинельного типа по схеме: Fe(OH)₃+Fe(OH)₂+M __→ MnFe_3-nO₄, где М ионы Zn, Gr, Ni и др.

Однако полученная после указанной очистки вода характеризуется высоким солесодержанием, что затрудняет ее повторное использование.

Известен способ очистки сточной воды, содержащей ионы тяжелых металлов, гидроксидом железа [1] Способ основан на образовании коагулянта путем растворения металлического железа под действием электрического тока. В результате образуется нерастворимый осадок шпинельного типа.

Недостатком данного способа очистки воды является необходимость использования электрического тока для анодного растворения железа.

По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к заявляемому является способ [2] в котором коагулянт образуется путем растворения металлического железа без наложения электрического тока.

Способ основан на контактировании сточной воды с железомедной стружкой. При соответствующем рН среды образуются гальванические пары железо-медь, благодаря чему происходит анодное растворение железной стружки с образованием коагулянта-гидроксида двух- и трехвалентного железа.

Поэтому указанный метод очистки сточных вод называется гальванокоагуляционным. В названии способа отражен механизм анодного растворения железа за счет разности химических потенциалов железо-медь или железо-кокс, помещенного в очищаемый раствор.

В известном способе исходная сточная воды с рН 6, содержащая от 5 до 500 мг/л ионов меди, поступает в реактор-накопитель, из которого через регулирующую емкость в барабан. Барабан заполнен стружкой железа и меди в соотношении 4:1 соответственно и вращается со скоростью 2 об/мин. Благодаря образованию гальванопар в барабане имеет место электрохимическое растворение железа с образованием гидроксида двух- и трехвалентного железа. Полученный указанным образом коагулянт захватывает ионы меди в течение 30 мин и выпадает в форме нерастворимого осадка под влиянием кислорода воздуха, подаваемого в приемную емкость. Осадок отделяется от очищенной воды в вертикальном отстойнике, заполненном блоком тонкослойных элементов. Осадок из отстойника поступает на вакуум-фильтр и далее направляется на утилизацию.

Очищенная вода из верхней части отстойника направляется на фильтр доочистки от мелковзвешенных частиц. Фильтр доочистки заполнен мелкогранулированным материалом, например измельченным керамзитом, кварцевым песком, проходя который вода освобождается от взвешенных частиц и поступает в сборник очищенной воды. Для интенсификации процесса очистки воды и снижения остаточного содержания меди в исходную сточную воду вносят часть обезвоженного осадка в количестве 5-100 г/л (в пересчете на сухое вещество). В пересчете на 1 мг/л Cu⁺² количество возвращаемого осадка составляет 150-200 мг. Степень очистки составляет 93-99% Производительность в среднем по сухому осадку достигает 40-55 кг/м²-ч (130-135 кг/м²-ч с влажностью 58-62%).

Однако данный способ имеет существенный недостаток. Так, например, возврат части осадка в исходную сточную воду приводит к возрастанию нагрузки на узлах фильтрования при обезвоживании осадка.

Целью изобретения является увеличение производительности фильтра для обезвоживания осадка.

Цель достигается путем снижения количества возвращаемого (рециркулируемого) осадка в исходную сточную воду без уменьшения эффекта очистки.

Сущность изобретения состоит в том, что предложено возвращать (рециркулировать) часть осадка не из сборника обезвоженного осадка, а из фильтра доочистки. В условиях прототипа на доочистку в фильтр поступает вода с верхней части отстойника. Эта вода содержит высокодисперсные частицы, которые не осаждаются в отстойнике.

Введение в исходную сточную воду такого высокодисперсного осадка, обладающего развитой поверхностью, позволяет существенно снизить массовое его количество без уменьшения эффекта процесса очистки. Чтобы облегчить процесс сбора осадка высокой степени дисперсности, фильтр доочистки заменен на мембранный модуль, в котором осадок получают посредством ультрафильтрации воды, взятой с верха отстойника под давлением 3,5-5,5 кг/см² со скоростью 3-8 м/с.

П р и м е р 1. Получение высокодисперсного осадка для рециркуляции.

Обезвреженная в гальванокоагуляторе вода направляется в вертикальный отстойник, заполненный блоком тонкослойных элементов, способствующих образованию осадка. Вода из верхней части отстойника после отстоя в течение 30-50 мин направляется на ультрафильтрационный модуль, состоящий из пакета мембранных элементов плоскорамного типа или в виде трубчатых элементов. Размер пор в мембранах 0,05-0,2 мкм.

Ультрафильтрацию воды, содержащей высокодисперсные взвешенные вещества, осуществляют в тангенциальном потоке со скоростью 3-8 м/с под давлением 3,5-5,5 кг/см². Концентрат взвешенных веществ из ультрафильтрационного модуля удаляется и используется для его рециркуляции в гальванокоагулятор.

Седиментационный анализ указанного осадка показывает следующее распределение в нем размеров частиц: 0,3-20 мкм 25% 20-100 мкм 12% 100-1000 мкм 23% 1000-2500 мкм 40% Проведение опыта по очистке воды.

На очистку по предлагаемому способу направляют сточную воду, содержащую ионы: хрома 24,5 мг/л, цинка 6,8 мг/л, меди 1,5 мг/л, никеля 3,6 мг/л. рН воды составляет 3,9.

Процесс очистки осуществляют на пилотной установке непрерывного действия. Загрузка в барабан железной и медной стружки составляет в массовом соотношении Fe: Cu 4:1, скорость вращения барабана 2 об/мин, время контакта загрузки с очищаемой водой 60 мин. Содержание ионов металлов в исходной и очищенной воде определялось по стандартной методике Ю.Ю.Лурье.

Одновременно определялись физико-химические характеристики получаемого для рециркуляции осадка: влажность, объем. Также определялась и рассчитывалась производительность фильтрации по влажному и сухому осадку согласно стандартной методике И.С.Туровского. Для интенсификации процесса очистки в примере 1 рециркулировали в гальванокоагулятор полученный осадок, в количестве 50,0 г/л (в пересчете на сухой).

Условия и результаты опыта отражены в табл. 1, 2.

П р и м е р 2. В условиях примера 1 в гальванокоагулятор рециркулируют осадок, полученный по методике примера 1, в количестве 25 г/л (в пересчете на сухой). Условия и результаты опыта отражены в табл. 1, 2.

П р и м е р 3. В условиях примера 1 в гальванокоагулятор возвращают осадок: полученный по методике примера 1, в количестве 2,5 г/л (в пересчете на сухой). Условия и результаты опыта отражены в табл. 1, 2.

П р и м е р 4 (по прототипу). В условиях примера 1 в гальванокоагулятор возвращают 100 г/л осадка (в пересчете на сухой). Для рециркуляции использовали осадок, полученный в нижней части отстойника после его концентрирования на вакуум-фильтре. Седиментационный анализ осадка, полученного на вакуум-фильтре, характеризуется следующим распределением в нем размеров частиц: 0,01 мм 7,6% 0,05 мм 3,8% 0,1 мм 7,4% 0,3 мм 14,2% 0,7 мм 18,8% 1 мм 28,6% > 1 мм 19,6% Условия и результаты опыта отражены в табл. 1, 2.

П р и м е р 5 (по прототипу). В условиях примера 4 очищают воду при возврате осадка в количестве 50 г/л (в пересчете на сухой). Условия и результаты опыта отражены в табл. 1, 2.

П р и м е р 6 (по прототипу). В условиях примеров 4, 5 очищают воду при возврате осадка в количестве 5 г/л. Результаты опыта отражены в табл. 1. 2.

Из результатов примеров 1-6 видно, что процесс очистки сточной воды протекает достаточно эффективно. Степень очистки от ионов металлов достигает 97-99% Однако в условиях примеров 1-3 в гальванокоагулятор возвращали высокодисперсный осадок в количестве 50-2,5 г/л, полученный на мембранном фильтре. При этом производительность установки достигала 106-60 кг/м²ч. Производительность возрастала примерно в два раза в примерах 1, 2 по сравнению с примерами 4, 5. Последнее обусловлено уменьшением количества взвешенных веществ, отделяемых на узле фильтрации в примерах 1, 2, по сравнению с примерами 4, 5.

Примеры 3 и 6 довольно близки по достигаемой производительности. Это можно объяснить тем, что в примере 3 рециркулируют только незначительное количество высокодисперсного осадка, активирующее действие которого достигает минимального размера.

Увеличение количества рециркулирующего высокодисперсного осадка более 25 г/л, как в примере 1, вызывает незначительный прирост производительности. Оптимальная величина рециркулируемого высокодисперсного осадка находится между 5 и 25,0 г/л.

Из результатов примеров видно, что использование высокодисперсного осадка для рециркуляции позволяет снизить дополнительное загрязнение поступающей на очистку воды, снизить нагрузку на узел фильтрации, повысить производительность фильтра и тем самым повысить эффективность (производительность) работы установки в целом.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, включающий электрохимическую обработку исходной воды с использованием гальванического элемента железо-медь, изготовленного из стружки, отстаивание в отстойнике, отделение осадка от воды из верхней части отстойника с последующей доочисткой воды и возвращением части осадка на электрохимическую обработку исходной воды, отличающийся тем, что доочистку воды проводят ультрафильтрацией в тангенциальном потоке со скоростью 3,0 - 8,0 м/с при давлении 3,5 - 5,5 кг/см² с использованием мембран с размером пор 0,05 - 0,2 мкм, а на электрохимическую обработку возвращают осадок, полученный после ультрафильтрации, в количестве 2,5 - 50 г/л в пересчете на сухое вещество.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2