Процессы и аппараты очистки воды в металлургии

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


№ 293

    МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ
                  Технологический университет


            МИСиС



  Кафедра теплофизики и экологии металлургического

  производства


 А.Н. Белевцев М.А. Белевцев Л.А. Мирошкина



        Процессы и аппараты очистки воды в металлургии

 Учебное пособие


 Рекомендовано редакционно-издательским советом университета










Москва Издательство «УЧЕБА» 200 7

УДК 628.33/35 Б43



Рецензент
канд. техн, наук, доц. Т.И. Чибисова





     Белевцев А.Н., Белевцев М.А., Мирошкина Л.А.
Б43 Процессы и аппараты очистки воды в металлургии: Учеб, пособие. - М.: МИСиС, 2007. - 138 с.





          Пособие «Процессы и аппараты очистки воды в металлургии» является продолжением курса «Теоретические основы защиты окружающей среды». В нем приведены описание процессов и конструкций аппаратов очистки сточных вод в металлургии, технологические схемы и методы их расчета.
          Пособие предназначено для самостоятельного выполнения расчетов сооружений и аппаратов очистки сточных вод по курсам «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» и «Защита водного и воздушного бассейнов» студентами, обучающимися по специальностям 280202 «Инженерная защита окружающей среды в металлургии», 280201 «Безопасность жизнедеятельности», а также специальностям направления 656500 «Металлургия». Пособие может быть использовано при выполнении домашних заданий, курсового и дипломного проектирования по разделу «Охрана окружающей среды».


















                                    © Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) (МИСиС), 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие...............................................5
1. Процессы и аппараты смешения и усреднения сточных вод..6
  1.1. Смешивание сточных вод. Смесители..................6
  1.2. Процессы и аппараты для усреднения сточных вод (усреднители)..........................................15
2. Процессы и аппараты механической очистки сточных вод..24
  2.1. Решетки...........................................24
  2.2. Песколовки........................................25
  2.3. Процессы отстаивания. Отстойники..................29
  2.4. Процессы выделения нерастворимых примесей из сточных вод в гидроциклонах............................50
  2.5. Процессы выделения грубодисперсных примесей в центробежном поле. Центрифуги..........................61
  2.6. Процессы глубокого удаления механических примесей из сточных вод фильтрованием...........................62
  2.7. «Огневой» метод обезвреживания сточных вод........68
3. Процессы и аппараты биохимической очистки сточных вод..69
  3.1. Назначение и сущность биохимических методов очистки сточных вод............................................69
  3.2. Активный ил и его влияние на процессы биохимической очистки сточных вод....................................71
  3.3. Влияние внешних факторов на биохимическую очистку сточных вод............................................72
  3.4. Свойства активного ила............................73
  3.5. Взаимосвязь химической структуры органических веществ и их биохимического окисления..................75
  3.6. Кинетика биохимических процессов..................80
  3.7. Аппараты и сооружения биохимической очистки сточных вод............................................82
  3.8. Анаэробное сбраживание осадков сточных вод........88
  3.9. Технологические схемы биологической очистки сточных вод............................................88
4. Методы и аппараты химической очистки сточных вод......89
  4.1. Реагентные методы обработки сточных вод...........89
  4.2. Деструктивные методы очистки сточных вод..........97
  4.3. Процессы восстановления в технологии очистки сточных вод...........................................107

3

5. Физико-химические методы очистки сточных вод.......109
  5.1. Ионообменные методы очистки сточных вод........109
  5.2. Электрохимические методы очистки сточных вод...117
  5.3. Использование мембранных технологий в процессах очистки сточных вод.................................125
Библиографический список..............................136
Приложение............................................137

4

ПРЕДИСЛОВИЕ
  Сточные воды промышленных предприятий чрезвычайно разнообразны по составу, расходам, свойствам и требуют применения специфических методов, технологий и аппаратов для их очистки от целого ряда токсичных, биорезистентных органических и минеральных примесей перед отведением их в водные объекты. При выборе вариантов проектирования систем водопользования и сооружений очистки сточных вод специалистам необходимы глубокие знания для выбора оптимальных, наиболее рациональных технических решений и их эколого-экономического обоснования.
  В пособии изложены теоретические и практические материалы курса защиты объектов водного бассейна от загрязнения сточными водами, освещены вопросы влияния сброса сточных вод в водные объекты на их экологическое состояние, определения условий сброса сточных вод в водоемы и необходимой степени их разбавления и очистки с целью предотвращения отрицательного воздействия на экологическое равновесие в них, ассимилирующую и самоочищаю-щую способность; классификации сточных вод и загрязняющих их примесей.

5

1. ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ СМЕШЕНИЯ И УСРЕДНЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД
  Обычно количество и качественный состав производственных сточных вод крайне непостоянны и изменяются во времени в широких пределах. Это обусловливается ходом технологических процессов и неравномерностью использования воды на производственные нужды. Непостоянство расхода и состава сточных вод крайне осложняет канализирование промышленных предприятий и особенно работу очистных сооружений. Так, при колебаниях притока сточных вод нарушается работа отстойников и фильтров, при колебаниях состава сточных вод снижается эффективность нейтрализационных, окислительных установок и других сооружений механической, химической, физико-химической очистки, снижается эффективность работы автоматических систем контроля и управления процессами очистки.
  Поэтому на практике сточные воды перед очистными сооружениями необходимо усреднять как по расходу, так и по концентрации загрязняющих примесей. Достигается это перемешиванием стоков различного состава в специальных резервуарах - усреднителях или в смесителях, либо введением в отдельные локальные потоки реагентов (например, нейтрализацией отработанных травильных растворов перед подачей их в промывные воды для последующей совместной очистки от соединений тяжелых металлов). Введенный раствор реагентов при этом необходимо тщательно перемешивать со сточной водой. В первом случае применяются различные усреднители, во втором - смесители.

1.1. Смешивание сточных вод. Смесители
  В качестве смесителей наибольшее распространение получили относительно простые аппараты - лотки с перегородками: ершовые смесители и смесители с дырчатыми перегородками (рис. 1.1), реже перепадные колодцы, механические мешалки и т.п.
  Ершовый смеситель - это лоток с несколькими неполными перегородками, расположенными под определенным углом к стенкам лотка и потоку проходящей сточной жидкости: 45, 90 или 135°, отходящими поочередно от противоположных стенок лотка и не доходящими до противоположной стенки. При прохождении воды через вертикальные щели между перегородками и стенками лотка изменяется скорость ее движения, которое переходит из ламинарного в турбулентное. При этом возникают вихри с вертикальной осью вращения. Чем больше скорость движения жидкости в щелях, тем интенсивнее перемешивание, но тем больше и потери напора.


6

Рис. 1.1. Схемы смесителей: а - типа «ерш»; б - дырчатый:
7 - трубы для подачи воды; 2 - трубы для подачи реагента; 3 - лотки для отвода воды; 4 - дырчатые перегородки; 5 - струенаправляющие перегородки

   Обычно скорость движения воды в щелях ершовых смесителей принимается 0,5... 1 м/с.
   Дырчатые перегородки в смесителях устанавливаются на расстоянии 0,5 м друг от друга. Обычно в смесителях делают 2-3 перегородки с отверстиями диаметром 20... 40 мм при небольших расходах воды и до 100 мм в больших смесителях. При введении нескольких реагентов устанавливают 3-4 перегородки. Скорость движения воды в отверстиях - 1... 1,2 м/с.
   Смесители с дырчатыми перегородками обеспечивают более полное перемешивание, чем ершовые. Расчет ершовых смесителей сводится к определению ширины щелей (расстояний между торцом перегородки и противоположной стенкой) и потерь напора в них.
   При скорости движения воды в щелях v (м/с) потери напора в одной щели (h, м) составляют:
h = ^-v¹l2g,                       (1.1)
где 5, - эмпирический коэффициент, зависящий от положения перегородок: при угле а = 45° по отношению к направлению потока и продольным стенкам лотка = 2,5; при угле а = 90° с = 3: при угле а = 135° ^ = 3,5.

7

   Глубину потока Н, м, в отводящем лотке за смесителем принимают исходя из местных условий. Она зависит от удельного расхода сточных вод q, м³/с, уклона лотка и его ширины В, м:
H=q/B-vA,                         (1.2)
где V] - скорость потока в лотке за смесителем, обычно принимают 0,4...0,6 м/с.
   Глубина потока перед первой (от конца) перегородкой h₃ = Н + й; перед второй - h₂ = Н + 2й; перед третьей - h₃ = Н + 3h и т. д.
   Тогда при одинаковой скорости воды во всех щелях ширина каждой из них может быть определена из уравнений
b\= q I v (Н + h\, Л
b₂= q/v (Н + 2h); V                 (1.3)
b₃= q / v (Н + 3h), I
где bi, b₂, Ь₃ и т.д. - ширина щелей, м.
   При узких лотках (до 0,5... 0,6 м) ширина смесителя (Ьс) делается в 1,5-2 раза больше ширины лотка за смесителем, при широких лотках - равной ей.
   Потери напора в отверстиях каждой перегородки дырчатых смесителей могут быть определены по формуле
2
/⁷ ⁼ аг²^’

    к

где Vo - скорость воды в отверстиях перегородки (обычно 1... 1,2 м/с); к - коэффициент расхода, в зависимости от толщины перегородки принимается от 0,62 до 0,7.
   Число отверстий в каждой перегородке зависит от принятого их диаметра d₀, м, и расхода сточной воды:
4 <7  /2
П=— Vq4 • л
   Задавшись числом отверстий по вертикали (пв) и по горизонтали (щ): п = пв- пт, и расстояниями между отверстиями по вертикали (5В) и по горизонтали (5Г) в последней перегородке, определяют ширину смесителя:
Ьс = пт • Sᵣ.
   Обычно .S', и .S'B принимают равными l,5-2,5J₀, расстояния между перегородками / = 1,5 Ьс.

8

   Ершовый и дырчатый смесители в эксплуатации неудобно применять при смешении сточных вод, содержащих большое количество грубодисперсных примесей (ГДП), а также при смешении сточных вод и реагентов в виде суспензий, например известкового молока, вследствие оседания взвешенных частиц в отсеках смесителей.
   Более надежны смесители вихревого типа (рис. 1.2). Перемешивание в них осуществляется за счет вихревых потоков, возникающих при изменении скоростей движения воды, обусловленных изменением сечений. Скорость воды при входе в конусную часть Vi принимается 1 м/с, в цилиндрической части скорость г₂ не должна превышать 0,3 м/с. Время смешения t зависит от качества реагентов (извести): при высоком качестве (СаО = 95 %) t = 1 мин, при среднем (СаО ~ 50 %) t составляет около 1,5 мин, низком (СаО = 30-40 %) t = 2-2,5 мин. Угол конуса равен 30°...45°.


Рис. 1.2. Вертикальный смеситель вихревого типа:
а - с отводом воды лотком с затопленными отверстиями;
б - с отводом воды затопленной воронкой:
1 - подвод воды; 2 - отвод воды; 3 - спуск; 4 - щиток для защиты от образования воздушной воронки; Н - расчетная высота смесителя

9

  Необходимый объем смесителя, м:
W=Q-t/60,                      (1.4)
где Q - общий расход сточных вод, м³/ч.
  Сечение входного отверстия конуса, м²:
f=q/vₓ.                        (1.5)
  Сечение цилиндрической части, м²:
/₂ = <?/р₂-                    (1.6)

  Недостатки вертикальных смесителей вихревого типа - в больших потерях напора, снижении полноты перемешивания при ограничении скорости движения воды в щелях и входном отверстии, необходимом для уменьшения потерь напора; в снижении эффекта смешения и колебаний потерь напора при изменении расхода воды; громоздкости конструкции и больших площадях, занимаемых смесителями при большом расходе воды.
  Эти недостатки отсутствуют у смесителей с механическим перемешиванием, в которых смешение воды с реагентами осуществляется лопастными или пропеллерными мешалками.
  Конструктивных разновидностей механических смесителей много, и все они имеют различные КПД.


Рис. 1.3. Схемы смесителей с мешалками: а - лопастной; б - пропеллерной:
1 - подача сточной жидкости; 2 - ввод реагента; 3 - электродвигатель;
4 - редуктор; 5 - лопасти мешалки; б - пропеллер; 7 - кожух;
8 - отбойник; 9 - выпуск сточной жидкости

   Использование механических смесителей удобно при введении последовательно нескольких реагентов и при резких колебаниях

10