Способ очистки сточных вод и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области очистки природных, оборотных и сточных вод. Способ заключается в пропускании очищаемой воды с предварительно введенными в нее пылевидными частицами кокса через неподвижные двухслойную или многослойные пористые массы частиц железа и аноднонерастворимых частиц, занимающих объем от 11 до 19% от объема частиц железа, пропускании параллельно потоку очищаемой воды за нейтральной проницаемой мембраной потока сопутствующей воды с расходом от 9,5 до 20% от расхода очищаемой воды, смешивании обработанной очищаемой воды и отработанной сопутствующей воды, подведении положительного полюса внешнего источника электрического тока и очищаемой воде и отрицательного полюса к сопутствующей воде, причем в двухслойной массе частиц очищаемую воду пропускают через массы частиц с относительной скоростью от 0,007 до 0,18 м/с, а в многослойной массе частиц очищаемую воду пропускают через массы частиц с относительной скоростью более 0,18 м/с. Устройство содержит трубчатый корпус 1 с подводящими и отводящими патрубками очищаемой и сопутствующей вод, выходную камеру очищаемой воды 2, проницаемую нейтральную мембрану 3, каркас мембраны 4, периферийную катодную камеру 5, центральную анодную камеру 6, входную камеру очищаемой воды 7, уплотнитель 8, токопровод 9, подводящий положительный полюс источника тока в анодную камеру к очищаемой воде. Анодная камера заполняется аноднонерастворимыми частицами и частицами железа. 2 с и 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области очистки природных, оборотных и сточных вод и может быть использовано для очистки вод от диспергированных, эмульгированных и растворенных примесей.

Известно устройство для очистки сточных вод от шестивалентного (VI) хрома, содержащее емкость, внутренний объем которой разделен нейтральной проницаемой мембраной (диафрагмой) на анодную и катодную камеры, причем в анодной камере вначале (по ходу воды) располагается нерастворимый анод, а затем растворимый железный. Очищаемая вода подается в анодную камеру, где подкисляется и в которой происходит восстановление хрома (VI) за счет окисления железа (II), выделяющегося из растворимого анода. Из анодной камеры вода перепускается в катодную, где подщелачивается и в ней образуются гидроксиды хрома (III) и железа (III и II).

Недостатками способа и устройства являются значительный расход электроэнергии, составляющий при исходной концентрации хрома (VI) в воде 100 г/м³ 7,8 кВт·ч/м³ при 78 Вт·ч на 1 г хрома (VI), бесполезная потеря кислорода, выделяющегося на плоскостном нерастворимом аноде, и отсутствие возможности регулировать напряжение и силу тока на анодах.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и хроматов гальванокоагуляцией, заключающийся в совокупности параллельно-последовательно протекающих электрохимических и физико-химических процессов, возникающих в объемном статическом устройстве, загруженном пористой массой железа (скрап, стружка и т.п.), через которую пропускается очищаемая вода с предварительно введенным в нее измельченным до пылевидного состояния коксом и кислородом.

В процессе гальванокоагуляции расходуется кокс (материал катода) и железо (материал анода). Расход кокса от 2 до 20 г/³ очищаемой воды при исходной концентрации хрома в ней до 200 г/м³ и времени обработки воды до 6 минут и до 30 г/м³ воды при исходной концентрации хрома (VI) в ней до 300 г/м³ и времени обработки воды до 12 мин. Для ускорения окисления продуктов реакций процесса гальванокоагуляции в очищаемую воду вводят кислород в количестве 0,3-0,6% от расхода воды, а в устройстве поддерживается избыточное давление 0,05-0,15 мПа. Относительная скорость протока воды через пористую массу железа в устройстве не превышает 0,04 м/ч.

Недостатком способа является сравнительно невысокая производительность, падающая при увеличении исходной концентрации хрома (VI) в воде, которая подвергается очистке. Так, при концентрации хрома (VI) в воде 200 г/м³ для ее очистки требуется 6 минут, а при концентрации 300 г/м³ 12 минут, то есть увеличение концентрации в 1,5 раза привело к увеличению времени обработки в 2 раза. Существенным недостатком способа является то, что при очистке воды от хрома (VI) он реализуется при исходном рН очищаемой воды ниже 2,8. Недостатком способа является также и то, что для введения в воду кислорода используется, как правило, воздух, содержащий менее 30% кислорода, а для поддержания его в растворенном состоянии в устройстве необходимо поддерживать избыточное давление, причем кислород в воде присутствует в молекулярном состоянии. Конструктивным недостатком объемных устройств статической гальваноагуляции является низкая относительная скорость протока очищаемой воды через пористую массу железа, которая не обеспечивает вынос продуктов реакций процесса очистки воды из пористой массы железа, что требует постоянной промывки массы или полной ее выгрузки из устройства.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (электрокоагулятор) для электрохимической очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, содержащее корпус, стальной перфорированный короб, вставленный внутрь корпуса с зазором между дном и стенками и подключенный к отрицательному полюсу источника электрического тока, диафрагму, размещенную на внутренней поверхности короба-катода и делящую внутренний объем корпуса на периферийную катодную камеру и центральную анодную, перфорированный короб из аноднонерастворимого металла, вставленный вплотную внутрь короба-катода и подключенный к положительному полюсу источника тока, перфорированную диэлектрическую прокладку, размещенную вплотную на внутренней боковой поверхности короба-анода, засыпной растворимый стружечный анод, размещенный внутри короба-анода и токоподводом к которому служит дно этого короба, диэлектрическую сетку, уложенную по поверхности засыпки анода, и диэлектрические полоски, уложенные по сетке, V-образный перфорированный металлический катод, уложенный на полоски и подключенный к тому же отрицательному полюсу источника тока, что и короб-катод, патрубок подвода очищаемой воды, закрепленный своей расширенной нижней частью на катоде в его центре, кольцевой соленоид, размещенный в расширенной части патрубка и подключенный к источнику переменного тока, сферическую загрузку из спеченных истирающихся частиц магнетита, размещенную внутри соленоида. Перфорация диэлектрической прокладки, короба-анода и короба-катода выполнена соосно. В нижней части корпус имеет патрубок с вентилем для подвода в катодную камеру устройства и регулировки расхода индифферентного электролита, а в верхней части корпус имеет выходную камеру для сбора и смешивания обработанной очищаемой воды и индифферентного электролита. В качестве электролита может быть использован 1-2-х процентный раствор хлорида натрия или осветленная очищенная вода. При заполнении устройства водой и подаче постоянного тока вода в катодной камере подщелачивается, а в анодной подкисляется. При подаче на соленоид переменного тока частицы магнетита создают магнитоожиженный слой и начинают истираться. Очищаемая вода пропускается через магнитоожиженный слой, обогащается мелкими затравочными кристалликами магнетита и через отверстия в V-образном катоде поступает под его центр. Далее вода по каналам между диэлектрическими полосками направляется к периферии V-образного катода, насыщаясь ионами железа (II), поступающими через диэлектрическую сетку от растворяющейся загрузки засыпного анода, на периферии катода вода через отверстия в катоде поднимается вверх и через кромку коробов сливается в выходную камеру, где смешивается с индифферентным электролитом. В результате обработки воды в анодной камере происходит ферритизация твердой фазы суспензии, что ускоряет процесс последующего осветления воды. Регулировкой расхода индифферентного электролита возможно получение близкого к оптимальному для осаждения ферритизированной твердой фазы значения рН очищаемой воды. Стабильность растворения загрузки анода обеспечивается повышенной кислотностью воды в анодной камере, интенсивным растворением верхнего слоя загрузки анода, непрерывно уплотняемого массой катода и закрепленного на нем патрубка подачи воды с массивным соленоидом.

Недостатком данного устройства является незначительное использование кислорода, выделяющегося на плоскостном аноде, и ограниченная производительность из-за обработки воды в плоскости поверхности стружечного анода.

Целью изобретения является повышение производительности процесса очистки воды, увеличение степени очистки воды от примесей, снижение расхода реагентов при одновременном повышении стабильности процесса очистки воды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе очистки сточных вод, включающем пропускание через неподвижную пористую массу частиц железа очищаемой воды с предварительно введенными в нее пылевидными частицами кокса в количестве 2 20 г на 1 м³ очищаемой воды, перемещаемых относительно частиц железа потоком воды с созданием гальванопар железо кокс при их соприкосновении, окисление воды кислородом непосредственно в пористой массе, очищаемую воду дополнительно пропускают через пористую массу частиц из аноднонерастворимого электропроводящего материала, занимающую объем от 11 до 19% от объема пористой массы частиц железа, параллельно потоку очищаемой воды за нейтральной проницаемой мембраной пропускают поток сопутствующей (очищенной) воды с расходом от 9,5 до 20% от расхода очищаемой воды, к очищаемой воде подводят положительный полюс от внешнего источника постоянного электрического тока, а отрицательный полюс к сопутствующей воде, при этом в случае, когда очищаемую воду пропускают через пористые массы частиц с относительной скоростью более 0,18 м/с, к очищаемой и сопутствующей водам электрический ток подводят в количестве от 17,0 до 98,0 А·ч на 1 м³ очищаемой воды, причем аноднонерастворимые частицы размещают слоями в массе частиц железа, а в случае, когда очищаемую воду пропускают через пористую массу частиц с относительной скоростью от 0,18 до 0,007 м/с, к водам электрический ток подводят в количестве от 17 до 125 А·ч на 1 м³ очищаемой воды, причем частицы размещают в два слоя, обработанную очищаемую воду смешивают с отработанной сопутствующей водой.

Новым в способе является то, что очищаемую воду дополнительно пропускают через пористую массу частиц из аноднонерастворимого электропроводящего материала, занимающую объем от 11 до 19% от объема пористой массы частиц железа, параллельно потоку очищаемой воды за нейтральной проницаемой мембраной пропускают поток сопутствующей воды с расходом от 9,5 до 20,0% от расхода очищаемой воды, к очищаемой воде подводят положительный полюс от внешнего источника постоянного электрического поля, а к сопутствующей воде - отрицательный, причем электрический ток подводят к водам в количестве 17 98 А·ч на 1 м³ очищаемой воды, при пропускании очищаемой воды через пористые массы частиц с относительной скоростью более 0,18 м/с и размещении аноднонерастворимых частиц слоями в массе частиц железа, и в количестве 17 - 125 А·ч на 1 м³ очищаемой воды, при пропускании очищаемой воды через пористые массы частиц с относительной скоростью от 0,18 до 0,007 м/с и размещении аноднонерастворимых частиц и частиц железа в два слоя.

На чертеже 1 представлена схема осуществления способа очистки сточных вод.

Физико-химические основы способа состоят в следующем. При пропускании очищаемой воды с примесью пылевидных частичек кокса через слои пористых масс аноднонерастворимых электропроводящих частиц и частиц железа, сопутствующей воды параллельно потоку очищаемой за нейтральной проницаемой мембраной и наложении на очищаемую воду положительного потенциала, а на сопутствующую воду отрицательного потенциала постоянного электрического тока от внешнего источника, в пористых массах частиц возникают и параллельно-последовательно протекают процессы, движущими силами которых являются постоянной электрический ток и гальванопары железо кокс. В пористых массах частиц под воздействием положительного потенциала электрического тока на поверхности частиц происходит электролиз гидроксил ионов с выделением в очищаемую воду водород ионов и атомарного кислорода, соединяющегося затем в молекулярный. На поверхности аноднонерастворимых части вся энергия подводимого тока расходуется на электролиз, на поверхности частиц железа расходуется на электролиз лишь часть энергии, причем эта часть тем больше, чем выше рН очищаемой воды. При прохождении очищаемой воды через слой аноднонерастворимых частиц она резко подкисляется, а органические примеси воды окисляются кислородом, причем особенно активно атомарным. В слое частиц железа перемещаемые очищаемой водой пылинки кокса, соприкасаясь с частицами железа, образуют множество гальванопар железо кокс, вызывающих процесс гальванокоагуляции, основными составляющими которого являются растворение частиц железа с выходом железа в очищаемую воду в виде двухвалентного железа иона и разряд на пылинках кокса водород ионов, с образованием атомарного водорода, соединяющегося затем в молекулярный.

По мере продвижений в массе частиц железа очищаемой воды концентрация водород ионов в очищаемой воде падает, что вызывает замедление процесса растворения железа, причем этот процесс идет тем медленнее, чем выше рН воды. При исходном рН очищаемой воды 3,5-4,0 и низких скоростях движения воды в пористой массе частиц железа возможно отложение образующихся гидроксидов тяжелых металлов. Образование отложений предупреждается или значительным первоначальным подкислением воды в слое аноднонерастворимых частиц за счет увеличенного расхода электроэнергии, или направлением воды в следующий слой аноднонерастворимых частиц с увеличением скорости протока воды и многократным возобновлением цикла. При наличии в воде хрома (VI) он восстанавливается до хрома (III) за счет окисления железа (II) до железа (III). Возможно вовлечение водорода, особенно атомарного, в процессы гальванокоагуляции в массе частиц железа. Одновременно в сопутствующей воде идет процесс электролиза водород ионов с выделением в воду газообразного водорода, что приводит к существенному подщелачиванию воды. При смешивании обработанной очищаемой воды с отработанной (подщелоченной) сопутствующей водой рН смеси вод оказывается близким к оптимальному для осаждения гидроксидов тяжелых металлов. Кроме того, под воздействием электрического поля некоторая часть катионов из очищаемой воды через нейтральную проницаемую мембрану мигрирует в сопутствующую воду, а эквивалентное количество анионов из сопутствующей водыя1 -я0 в очищаемую, что увеличивает ее окислительно-восстановительный потенциал и ускоряет процесс гальванокоагуляции.

Целью предлагаемого устройства является реализация предлагаемого способа очистки сточных вод.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для очистки сточных вод, содержащем корпус с патрубками для подвода и отвода очищаемой и сопутствующей вод, нейтральную проницаемую мембрану, делящую внутренний объем корпуса на периферийную катодную камеру, по которой пропускают сопутствующую воду, и внутреннюю анодную камеру, в которой подвергают обработке очищаемую воду, пористую массу частиц железа, которой заполнена анодная камера, корпус выполняют из металлической трубы, причем корпус выполняют как герметичным, так и негерметичным, мембрану закрепляют на каркасе из диэлектрического материала и придают ей форму трубы, торцы которой свободны для входа и выхода очищаемой воды, между торцами мембраны и корпуса устраивают входную и выходную камеры очищаемой воды, на дне анодной камеры под пористой массой частиц железа размещают слой пористой массы из аноднонерастворимого электропроводящего материала, в пористых массах частиц устанавливают стержневой токоподвод из аноднонерастворимого металла, выходящий в торце за пределы корпуса, причем в герметичном корпусе токоподвод через торец пропускают через уплотнительное устройство из диэлектрического материала, катодную камеру изолируют от входной и выходной камер очищаемой воды уплотнителями из диэлектрического материала, уплотнители размещают вокруг торцов мембраны, а также тем, что при необходимости устройства с герметичными корпусами в требуемом количестве соединяют последовательно трубопроводами очищаемой и нейтральной вод в одну установку.

Новизной предлагаемого устройства является то, что корпус выполняют из металлической трубы, причем в зависимости от размещения устройства по отношению к другим устройствам очистки воды корпус выполняют как герметичным, так и негерметичным, мембрану закрепляют на каркасе из диэлектрического материала и придают ей форму трубы, торцы которой свободны для входа и выхода очищаемой воды, между торцами мембраны и корпуса устраивают входную и выходную камеры очищаемой воды, на дне анодной камеры под пористой массой частиц железа размещают слой пористой массы частиц из аноднонерастворимого электропроводящего материала, в пористых массах частиц устанавливают стержневой токоподвод из аноднонерастворимого металла, выходящий в торце за пределы корпуса, катодную камеру изолируют от входной и выходной камер очищаемой воды уплотнителями из диэлектрического материала, уплотнители размещают вокруг торцов мембраны; а также то, что при необходимости устройства с герметичными корпусами в требуемом количестве соединяют последовательно трубопроводами очищаемой и сопутствующей вод в одну установку.

На чертеже 2 приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит корпус 1, выходную камеру очищаемой воды 2, проницаемую нейтральную мембрану 3, каркас мембраны 4, катодную камеру 5, анодную камеру 6, входную камеру очищаемой воды 7, уплотнители 8, токоподвод 9. Корпус 1 выполняют как герметичным, так и негерметичным. Герметичный корпус способен работать под избыточным давлением очищаемой воды, негерметичный способен работать только на свободный излив очищаемой воды.

Устройство работает следующим образом.

В анодную камеру 6 сначала до 10-16% от ее объема заполняют частицами из аноднонерастворимого электропроводящего материала я1(я0например, титановой стружки), а затем полностью частицами железа (например, стальной стружкой). К токоподводу 9 и корпусу 1 подключают соответственно положительный и отрицательный полюса источника постоянного электрического тока, а через подводящие патрубки в корпусе 1 во входную камеру 7 подают очищаемую воду с примесью пылевидных частиц кокса, а в катодную камеру 5 сопутствующую воду. Из входной камеры 7 очищаемая вода с примесью частиц кокса поступает в анодную камеру 6, в которой вначале проходит пористую массу аноднонерастворимых частиц, затемя1 -я0 пористую массу частиц железа. В пористой массе аноднонерастворимых частиц очищаемая вода за счет электролиза гидроксиля1 я0-я1 я0ионов резко подкисляется, а органические примеси активно окисляются кислородом, особенно атомарным. В пористой массе частиц железа перемещаемые очищаемой водой пылинки кокса, соприкасаясь с частицами железа, образуют множество гальванопар железоя1 я0-я1 я0кокс, вызывающих в очищаемой воде процесс гальванокоагуляции, одним из составляющих которого является растворение железа. По мере продвижения очищаемой воды в пористой массе частиц железа кислотность ее уменьшается и активность процессов растворения железа снижается. При наличии в ходе хрома (VI) он восстанавливается до хрома (III) за счет окисления выделившегося из частиц железа (II) до железа (III). Одновременно в катодной камере 5 сопутствующая вода, продвигаясь параллельно потоку очищаемой воды в анодной камере 6, существенно подщелачивается за счет электролиза водородя1 я0-я1 я0ионов. Из анодной камеры 6 очищаемая вода поступает в выходную камеру 2. Если в одном устройстве достигается необходимая степень очистки и обработки очищаемой воды от хрома (VI), то обработанная очищаемая вода и отработанная сопутствующая вода по общему или отдельным трубопроводам направляются в смеситель и далее на осветление. Если в одном устройстве не достигается необходимая степень обработки и полная очистка очищаемой воды от хрома (VI), то частично обработанная вода и частично отработанная сопутствующая вода по отдельным трубопроводам направляются в следующие последовательно соединяемые в необходимом количестве устройства, в которых цикл обработки каждый раз возобновляется. Из последнего устройства обработанная очищаемая вода и отработанная сопутствующая вода по общему или отдельным трубопроводам направляется в смеситель и далее на осветление.

Пример 1. Проводили очистку производственных сточных вод с рН 8,2 ед. окисляемостью 17,3 г О₂м³, концентрациями хрома (VI), никеля, цинка, меди и железа общего соответственно 198,4; 31,2; 44,1; 20,6 и 12,1 г/м³.

От производства сточная вода поступала в усреднитель 1, из которого забиралась насосом 2 и через ротаметр 4 подавалась во входную камеру первого устройства (секции) 6.1 установки электрохимической обработки сточных вод 6. Во всасывающий патрубок насоса 2 из расходной емкости 3 поступала водная суспензия измельченного до пылевидного состояния кокса в количестве, обеспечивающем концентрацию кокса в очищаемой воде 19 г/м³; расход водной суспензии регулировался вентилем 3.1 и контролировался по водомерному стеклу 3.2. Расход очищаемой воды определялся по ротаметру 4 и регулировался вентилем 2.1. Одновременно в катодную камеру первого устройства 6.1 установки 6 из резервуара очищенной воды 11 насосом 12 через ротаметр 5 подавалась сопутствующая (очищенная) вода с расходом от 11 до 13% от расхода очищаемой воды. Расход сопутствующей воды регулировался вентилем 12.1. Из входной камеры устройства очищаемая вода поступала в анодную камеру, в которой последовательно проходила слой пористой массы частиц из аноднонерастворимого электропроводящего материала, слой пористой массы частиц железа и вытекала в выходную камеру устройства. Параллельно через катодную камеру устройства пропускалась сопутствующая вода. По соединительным трубопроводам частично обработанная очищаемая вода из выходной камеры и частично отработанная сопутствующая вода из катодной камеры первого устройства перепускалась соответственно во входную и катодную камеры второго устройства и т.д. до последнего устройства 6.i. Таким образомя1,я0 очищаемая вода многократно проходила чередующиеся слои аноднонерастворимых частиц и слои аноднорастворимых частиц железа; объем аноднонерастворимых частиц составлял 16% от объема частиц железа. Из последнего устройства установки 6 обработанная очищаемая вода и отработанная сопутствующая вода подавались в первую секцию смесителя 8, смешивались и смесь перепускалась во вторую секцию, в которой рН смеси доводился до 8,5-9,0 раствором щелочи, поступавшим из расходной емкости 9. Контроль за рН смеси вод в секциях проводился по рН-метрам, расход раствора щелочи регулировался вентилем 9.1. Из смесителя 8 смесь вод поступала в блок осветления 10 и очищенная сливалась в резервуар 11, из которого очищенная вода отводилась в канализацию через переливной патрубок. К установке электрохимической обработки вод 6 подавался постоянный электрический ток от выпрямителя 7 в количестве 50 А·ч на 1 м³ очищаемой воды. Положительный полюс выпрямителя присоединялся к токоподводам анодных камер устройств, выходящим за пределы корпуса, отрицательный полюс к корпусам устройств, сила подаваемого тока регулировалась через блок управления выпрямителя в зависимости от расхода очищаемой воды. При пропускании очищаемой воды с примесью пылевидных частиц кокса через слои пористых масс аноднонерастворимых токопроводящих частиц и частиц железа и сопутствующей воды параллельно потоку очищаемой за нейтральной проницаемой мембраной, а также при наложении на очищаемую воду через пористые массы частиц положительного потенциала, а на сопутствующую воду через корпус устройства отрицательного потенциала постоянного электрического тока от внешнего источника в пористых массах частиц возникают и параллельно-последовательно протекают процессы, движущими силами которых являются постоянный электрический ток и гальванопары железоя1 я0- кокс. В пористых массах частиц под воздействием положительного потенциала электрического тока на поверхности частиц происходит электролиз гидроксил-ионов с выделением в очищаемую воду водород-ионов и атомарного кислорода, соединяющегося затем в молекулярный. На поверхности аноднонерастворимых частиц вся энергия тока расходуется на электролиз, а на поверхности частиц железа лишь часть ее, причем эта часть тем больше, чем выше рН очищаемой воды. При прохождении очищаемой воды через слой аноднонерастворимых частиц она резко подкисляется, а органические примеси воды окисляются кислородом, причем особенно активно атомарным. В слое частиц железа перемещаемые очищаемой водой пылинки кокса, соприкасаясь с частицами железа, образуют множество гальванопар железоя1 я0-я1 я0кокс, вызывающих процесс гальванокоагуляции, основными составляющими которого являются растворение частиц железа с выходом железа в очищаемую воду в виде двухвалентного иона и разряд на пылинках кокса водород-ионов с образованием атомарного водорода, соединяющегося затем в молекулярный. По мере продвижения очищаемой воды в массе частиц железа концентрация водород-ионов в ней падает, что вызывает замедление и процесса растворения железа, причем этот процесс идет тем медленнее, чем выше рН воды. При исходном рН очищаемой воды 3,5-4,0 ед. и низких скоростях движения воды в пористой массе частиц железа возможно отложение образующихся гидроксидов тяжелых металлов. Образование отложений предупреждается или значительным первоначальным подкислением воды в слое аноднонерастворимых частиц за счет увеличенного расхода электроэнергии, или направлением воды в следующий слой аноднонерастворимых частиц и многократным возобновлением цикла обработки с одновременным увеличением скорости протока воды. При наличии в воде хрома (VI) он восстанавливается до хрома (III) за счет окисления железа (II) до железа (III). Возможно вовлечение водорода, особенно атомарного, в процессы гальванокоагуляции в массе частиц железа. Одновременно в сопутствующей воде идет процесс электролиза водород-ионов с выделением в воду газообразного водорода, что приводит к существенному подщелачиванию воды. При смешивании обработанной очищаемой воды с отработанной (подщелоченной) сопутствующей водой рН смеси вод оказывается близким к оптимальному для осаждения гидроксидов тяжелых металлов. Кроме того, под воздействием электрического поля некоторая часть катионов из очищаемой воды через нейтральную проницаемую мембрану мигрирует в нейтральную воду, а эквивалентное количество анионов из сопутствующей воды в очищаемую, что увеличивает ее окислительно-восстановительный потенциал и ускоряет процесс гальванокоагуляции. Относительное время пребывания очищаемой воды в пористой массе частиц или в анодных камерах устройств установки составило 0,044 ч (2,6 мин. ) при относительной скорости протока 0,19 м/с, рН смеси обработанной очищаемой воды и отработанной сопутствующей воды по сравнению с рН исходной очищаемой и сопутствующей водами снизился до 7,1 ед. разность потенциалов между токоподводами и корпусами устройств составляла 6 В, расход электроэнергии на 1 м³ очищаемой воды составил 0,3 кВт·ч или 1,5 Вт·ч на 1 г хрома (VI), потери напора в пористой массе частиц за время проведения опыта оставались неизменными и составляли 7,07 кПа на 1 п.м массы; хром (VI) в очищенной воде отсутствовал, а хром (III), никель, цинк, медь, железо общее присутствовали в концентрациях соответственно 0,012; 0,08; 0,003; 0,05; 1,4 г/м³, окисляемость воды снизилась до 2,8 г О₂/м³ или уменьшилась на 86,1% Пример 2. Очистке подвергалась та же, что и в примере 1, сточная вода. В отличие от примера 1, относительная скорость протока воды через анодные камеры устройств поддерживалась на уровне 0,18 м/с. В начале работы перепад давления был 6,71 кПа/п.м, через 62 часа работы достиг 8,05 кПа/п.м. Осмотр пористой массы частиц железа показал, что начали образовываться в порах отложения.

Пример 3. Очистке подвергалась та же, что и в примере 1, сточная вода. В отличие от примера 1, относительное время обработки очищаемой воды было сокращено до 0,042 ч. (2,5 мин.). Полной очистки от хрома (VI) не было достигнуто, рН смеси обработанной очищаемой воды и отработанной сопутствующей воды увеличился до 7,2 ед. расход электроэнергии составил 0,315 кВт·ч/м³.

Пример 4. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода. В отличие от примера 1, объем аноднонерастворимых частиц был снижен до 11% от объема частиц железа. В начале работы перепад давления был на том же, что и в примере 1, уровне, через 106 часов работы достиг 8,13 кПа/п.м. что указывает на образование отложений в пористой массе частиц железа. Эффект очистки воды по окисляемости снизился до 85% рН смеси очищаемой и сопутствующей вод уменьшился до 7,0 ед.

Пример 5. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода. В отличие от примера 1, объем аноднонерастворимых частиц был увеличен до 19% от объема частиц железа. Полной очистки воды от хрома (VI) не было достигнуто, эффект очистки воды по окисляемости увеличился до 87,9% рН смеси под увеличился до 7,2 ед.

Пример 6. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода. В отличие от примера 1, расход сопутствующей воды снижен до 9,5% от расхода очищаемой воды. Полной очистки воды от хрома (VI) не было достигнуто, рН смеси вод снизился до 7,0 ед.

Пример 7. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода. В отличие от примера 1, расход сопутствующей воды увеличен до 20% от расхода очищаемой воды, рН смеси вод увеличился до 7,3 ед.

Пример 8. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 9,2 ед. В отличие от примера 1, время обработки очищаемой воды увеличено до 0,055 ч. (3,3 мин.), количество электричества до 98 А·ч/м³. Расход электроэнергии возрос до 0,921 кВт·ч/м³, рН смеси вод увеличился до 7,6 ед. При полной очистке воды от хрома (VI), концентрации хрома (III), никеля, цинка, меди, железа общего в очищенной воде составляли соответственно 0,007; 0,07; 0,003; 0,05; 1,3 г/м³; окисляемость очищенной воды была 1,4 г О₂/м³, что соответствуют эффекту очистки на 91,9% Пример 9. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 9,2 ед. В отличие от примера 1, время обработки очищаемой воды увеличено до 0,053 ч. (3,2 мин.), количество электричества до 98 А·ч/м³. Полной очистки воды от хрома (VI) не достигнуто, расход электроэнергии составил 0,96 кВт·ч/м³, рН смеси вод увеличился до 7,6 ед.

Пример 10. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 3,9 ед. В отличие от примера 1, время обработки воды уменьшено до 0,027 ч. (1,6 мин.). Расход электроэнергии возрос до 0,496 кВт·ч/м³, рН смеси вод снизился до 5,4 ед. При полной очистке воды от хрома (VI) концентрации хрома (III), никеля, цинка, меди, железа общего в очищенной воде соответственно составляли 0,014; 0,09; 0,004; 0,06; 1,5 г/м³; окисляемость очищенной воды была 2,5 г О₂/м³, что соответствует эффекту очистки на 85,5% Пример 11. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 3,9 ед. В отличие от примера 1, время обработки воды уменьшено до 0,024 ч. (1,4 мин.). Расход электроэнергии возрос до 0,541 кВт·ч/м³, рН смеси вод уменьшился до 5,3 ед. полной очистки воды от хрома (VI) не достигнуто.

Пример 12. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 2,9 ед. В отличие от примера 1 время обработки воды уменьшено до 0,018 ч. (1,1 мин.). Расход электроэнергии возрос до 0,75 кВт·ч/м³, рН смеси вод уменьшился до 4,6 ед. При полной очистке воды от хрома (VI) концентрации хрома (III), никеля, цинка, меди, железа общего в очищенной воде соответственно составляли 0,015; 0,11; 0,005; 0,08; 1,6 г/м³; окисляемость очищенной воды была 2,2 г О₂/м³, что соответствует эффекту очистки на 87,3% Пример 13. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 2,9 ед. В отличие от примера 1, время обработки воды уменьшено до 0,016 ч. (0,96 мин.). Расход электроэнергии возрос до 0,85 кВт·ч/м³, рН смеси вод снизилось до 4,5 ед. полной очистки воды от хрома (VI) не достигнуто.

Пример 14. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 9,2 ед. В отличие от примера 1, очищаемая вода обрабатывалась только в одном устройстве, т.е. вода проходила только один слой аноднонерастворимых частиц и один слой частиц железа. Относительное время пребывания воды в анодной камере составляло 0,055 ч. (3,3 мин.), электричество расходовалось в количестве 120 А·ч/м³, затраты электроэнергии составляли 1,38 кВт·ч/м³, относительная скорость протока воды через анодную камеру была 0,0076 м/с, потеря напора в пористой массе частиц составляла 0,8 кПа/п.м. При таких условиях полной очистки воды от хрома (VI) не достигнуто.

Пример 15. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 9,2 ед. В отличие от примера 1, очищаемая вода обрабатывалась только в одном устройстве. Относительное время пребывания воды в анодной камере составляло 0,055 ч. (3,3 мин.), электричество расходовалось в количестве 125 А·ч/м³, затраты электроэнергии составили 1,5 кВт·ч/м³, относительная скорость протока воды через анодную камеру была 0,0076 м/с, потеря напора в пористой массе частиц составляла 0,8 кПа/п.м. При полной очистке воды от хрома (VI) концентрации хрома (III), никеля, цинка, меди, железа общего в очищенной воде соответственно составляли 0,013; 0,08; 0,004; 0,06; 1,5 г/м³; окисляемость очищенной воды была 2,2 г О₂/м³, что соответствует эффекту очистки на 87,3% Пример 16. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 2,9 ед. В отличие от примера 1, электроэнергия и сопутствующая вода в устройства не подавались, во всасывающий патрубок насоса водоструйным эжектором, работающем на очищаемой воде, вводился кислород воздуха в количестве 0,3-0,5% от расхода очищаемой воды. Время пребывания воды в пористой массе частиц железа составляло 0,051 ч (3,1 мин.), перепад давления - 7,07 кПа/п.м. При полной очистке воды от хрома (VI) концентрации хрома (III), никеля, цинка, меди, железа общего в очищаемой воде соответственно составляли 0,018; 0,12; 0,005; 0,1; 1,4 г/м³, окисляемость очищенной воды была 8,1 г О₂/м³, что соответствует эффекту очистки на 53,2% Пример 17. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 2,9 ед. В отличие от примера 1, электроэнергия и сопутствующая вода в устройства не подавались, во всасывающий патрубок насоса вводился кислород воздуха в количестве 0,3 0,5% от расхода очищаемой воды. Время пребывания воды в пористой массе частиц железа было 0,049 (2,9 мин.), перепад давления составлял 7,07 кПа/п.м. Полной очистки воды от хрома (VI) не достигнуто.

Пример 18. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 3,9 ед. В отличие от примера 1, электроэнергия и вода в устройства не подавались, во всасывающий патрубок насоса вводился кислород воздуха в количестве 0,3-0,5% от расхода очищаемой воды. Время пребывания воды в пористой массе частиц железа было 0,098 ч (5,9 мин), перепад давления составлял 7,07 кПа/п. м. При полной очистке воды от хрома (VI) концентрации хрома (III), никеля, цинка, меди, железа общего в очищенной воде соответственно составляли 0,016; 0,09; 0,005; 0,08; 1,3; окисляемость воды была 8,5 г О₂/м³, что соответствует эффекту очистки на 50,9% Пример 19. Очищалась та же, что и в примере 1, сточная вода, но с исходным рН 3,9 ед. В отличие от примера 1, электроэнергия и сопутствующая вода в устройства не подавались, во всасывающий патрубок насоса вводился кислород воздуха в количестве 0,3-0,5% от расхода очищаемой воды. Время пребывания воды в пористой массе частиц железа было 0,095 ч (5,7 мин.), перепад давления составлял 7,07 кПа/п.м. Полной очистки воды от хрома (VI) не достигнуто.

Рассмотренные в примерах данные сведены в таблицы 1 и 2.

Из сопоставления данных примеров 1 и 2 видно, что при снижении относительной скорости протока очищаемой воды через пористую массу частиц железа с 0,19 до 0,18 м/с в массе частиц начинают образовываться отложения, что приводит к возрастанию перепада давления. Сопоставление перепада давления в чистой массе частиц при скорости 0,18 м/с с перепадом при скорости 0,19 м/с показывает, что при возрастании скорости увеличивается и перепад давления.

Из сопоставления данных примеров 1 и 3 видно, что при уменьшении времени обработки очищаемой воды до 0,042 ч (2,5 мин.) полной очистки воды от хрома (VI) не достигается.

Из сопоставления данных примеров 1 и 4 видно, что уменьшение объема аноднонерастворимой пористой массы до 11% от объема массы частиц железа в массе частиц железа начинают образовываться отложения, что приводит к возрастанию перепада давления, т.е. нарушению стабильности работы устройства.

Из сопоставления данных примеров 1 и 5 видно, что увеличение объема аноднонерастворимой пористой массы до 19% от объема массы частиц железа не обеспечивает полноты очистки воды от хрома (VI), но при этом возрастает глубина очистки по окисляемости.

Из сопоставления данных примеров 1 и 6 видно, что уменьшение расхода сопутствующей воды до 9,5% от расхода очищаемой не обеспечивает полную очистку очищаемой воды от хрома (VI), а рН смеси обработанной очищаемой воды и отработанной сопутствующей снизился на 0,1 ед.

Из сопоставления данных примеров 1 и 7 видно, что увеличение расхода сопутствующей воды до 20% от расхода очищаемой не привело к существенному увеличению рН смеси вод.

Из сопоставления данных примеров 1 и 8 видно, что увеличение рН исходной очищаемой воды до 9,2 или на 1 ед. потребовало увеличения времени обработки очищаемой воды до полной ее очистки от хрома (VI) до 0,055 ч. или в 1,25 раза, расхода электричества до 98 А·ч/м³ или в 1,96 раза, затрат электроэнергии до 0,921 кВт·ч/м³ или в 3,07 раза. При этом рН смеси вод составило 7,6 ед. или возросло на 0,5 ед. несколько снизились концентрации хрома (III), никеля и железа общего в очищенной воде, окисляемость очищенной воды уменьшилась до 1,4 г О₂/м³, что соответствует увеличению глубины очистки на 5,8% Из сопоставления данных примеров 1 и 10 видно, что снижение рН исходной очищаемой воды до 3,9 или на 4,3 ед. уменьшает время обработки очищаемой воды до полной ее очистки от хрома (VI) до 0,027 ч. или в 1,63 раза и увеличивает затраты электроэнергии до 0,496 кВт·ч/м³ или в 1,65 раза. При этом рН смеси вод составило 5,4 ед. или снизилось на 1,7 ед. несколько увеличилась концентрация металлов в очищаемой воде, окисляемость очищенной воды уменьшилась до 2,5 г О₂/м³, что соответствует увеличению глубины очистки на 0,6% Из сопоставления данных примеров 1 и 12 видно, что снижение рН исходной очищаемой воды до 2,9 или на 5,3 ед. уменьшает время обработки очищаемой воды до полной ее очистки от хрома (VI) до 0,018 ч. или в 2,44 раза и увеличивает затраты электроэнергии до 0,75 кВт·ч/м³ или в 2,5 раза. При этом рН смеси вод составило 4,6 ед. или снизилось на 3,6 ед. увеличилась концентрация металлов в очищенной воде, окисляемость уменьшилась до 2,2 г О₂/м³, что соответствует увеличению глубины очистки на 1,2%
Из сопоставления данных примеров 8 и 15 видно, что при пропускании очищаемой воды только по одному разу через пористые слои аноднонерастворимых частиц и частиц железа относительная скорость протока очищаемой воды через пористые массы частиц, при полной очитке воды от хрома (VI) и сохранении стабильности работы устройства, снижается до 0,0076 м/с или в 25,0 раз, увеличивается расход электричества до 125 А·ч/м³ или в 1,28 раза и затраты электроэнергии до 1,5 кВт·ч/м³ или в 1,63 раза. При этом увеличивается концентрация металлов в очищенной воде, окисляемость очищенной воды увеличивается до 2,2 г О₂/м³, что соответствует уменьшению глубины очистки на 4,6%
Из сопоставления данных примеров 12 и 16 видно, что для полной очистки очищаемой воды от хрома (VI) и сохранения стабильности работы устройств статическая гальванокоагуляция при повышенной относительной скорости протока требует увеличения времени обработки воды до 0,051 ч. или в 2,83 раза. При этом рН обработанной воды в сравнении с рН смеси вод снижается до 4,2 или на 0,4 ед. незначительно изменяются концентрации металлов в очищенной воде, окисляемость очищенной воды уменьшается до 8,1 г О₂/м³, что соответствует уменьшению глубины очистки на 34,1%
Из сопоставления данных примеров 10 и 18 видно, что для полной очистки очищаемой воды от хрома (VI) и хранении стабильности работы устройств статическая гальванокоагуляция требует увеличения времени обработки воды до 0,098 ч. или в 3,63 раза. При этом рН обработанной воды в сравнении с рН смеси вод снижается до 4,6 или на 0,8 ед. незначительно изменяются концентрации металлов в очищенной воде, окисляемость очищенной воды уменьшается до 8,5 г О₂/м³, что соответствует снижению глубины очистки на 34,6%
Из сопоставления данных примера 18 с данными прототипа видно, что обработка воды статической гальванокоагуляцией при относительной скорости протока очищаемой воды через пористую массу частиц железа 0,19 м/с и более обеспечивает стабильную работу устройства и позволяет очищать воду с исходным рН до 3,9 ед.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство при соблюдении рекомендованных параметров обработки очищаемой воды, а именно: расходе сопутствующей воды от 9,5 до 20% от расхода очищаемой воды, объеме пористой массы частиц из аноднонерастворимого электропроводящего материала от 11 до 19% от объема массы частиц железа, расходе электричества от 17 до 98 А·ч на 1 м³ очищаемой воды, при пропускании очищаемой воды через многослойную пористую массу частиц c относительной скоростью более 0,18 м/с, и от 17 до 125 А·ч на 1 м³ очищаемой воды, при пропускании очищаемой воды через двухслойную пористую массу частиц с относительной скоростью от 0,18 до 0,007 м/с, позволяет проводить очистку производственных сточных вод от ионов тяжелых металлов на 99,5 99,99% от хрома (VI) на 100% от органических веществ (по окисляемости) на 85 91,9% При рН исходной очищаемой воды 2,9 ед. время ее обработки составляет 0,018 ч, что в 5,6 раза превосходит производительность известного способа. Кроме того, способ и устройство позволяют очищать воды с рН до 9,2 ед. без предварительной их обработки.

Формула изобретения

1. Способ очистки сточной воды, включающий пропускание сточной воды с предварительно введенными в нее пылевидными частицами кокса через неподвижную пористую массу частиц железа, отличающийся тем, что очистку сточной воды ведут в диафрагменном электролизере, анодная и катодная камеры которого разделены инертной проницаемой мембраной, постоянным электрическим током, сточную воду пропускают через анодную камеру, последовательно по ходу воды заполненную пористой массой аноднонерастворимого электропроводящего материала и пористой массой частиц железа при объеме массы аноднонерастворимого материала 10 19% от объема массы частиц железа, при подаче параллельным потоком через катодную камеру сопутствующей воды с расходом 9,3 20% от расхода сточной воды и последующим смешиванием очищенной сточной воды из анодной камеры и отработанной сопутствующей воды из катодной камеры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сточную воду пропускают через анодную камеру, заполненную чередующимися между собой слоями аноднонерастворимого материала и частиц железа, с относительной скоростью более 0,18 м/с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сточную воду пропускают через анодную камеру, заполненную слоем аноднонерастворимого материала и слоем частиц железа со скоростью 0,07 0,18 м/с.

4. Устройство для очистки сточной воды, содержащее корпус, разделенный инертной проницаемой мембраной на катодную камеру с размещенной в ней анодной камерой, заполненной засыпкой из пористой массы частиц железа, катод, анод, анодный токоподвод, патрубки ввода сточной и сопутствующей воды соответственно в анодной и катодной камерах, отличающееся тем, что оно снабжено входной и выходной камерами для сточной воды, размещенными соответственно в нижней части корпуса под анодной и катодной камерами и в верхней части корпуса, засыпкой, выполненной из пористой массы аноднонерастворимого электропроводящего материала, размещенной в нижней части анодной камеры под пористой массой железа и уплотнителями, выполненными из диэлектрика, размещенными вокруг мембраны на ее торцах между мембраной и корпусом и отделяющими катодную камеру от входной и выходной камер, корпус и мембрана выполнены в виде коаксиальных труб, при этом корпус выполнен в виде катода, а мембрана закреплена на каркасе из диэлектрика и установлена на расстоянии от торцевых стенок корпуса, анодный токоподвод выполнен в виде стержня из аноднонерастворимого материала, установленного в слое засыпки и выходящего за пределы корпуса.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что корпус выполнен герметичным, при этом верхняя торцевая стенка корпуса снабжена отверстием с уплотнителем для вывода анодного токоподвода.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что корпус выполнен негерметичным.

7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что оно выполнено в виде нескольких корпусов, последовательно соединенных трубопроводами соответственно сточной и сопутствующей воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6