Повышение эффективности коагулирования в процессах очистки сточных вод
Загрязнение водной сферы стойкими органическими веществами представляет большую проблему для многих стран и территорий. При этом многие органические вещества целенаправленно создаются стойкими к воздействию природных факторов. Например, синтетические красители, отделочные препараты и другие химические вещества, используемые при производстве тканей [1–2].
Решениями проблемы являются сокращение сброса этих веществ со сточными водами и применение эффективных методов извлечения данных веществ из воды. Среди процессов очистки воды от стойких органических веществ наиболее экологичными являются разделительные процессы. Они обеспечивают реальную очистку воды в результате извлечения загрязнителей [3–4].
Однако только разделительными методами невозможно очистить воду от растворённых, коллоидных и микродиспергированных загрязнителей, присутствующих в сточных водах текстильных и многих других предприятий. Для извлечения этих групп загрязнителей используют разные методы очистки воды [5].
Метод коагулирования минеральными солями металлов имеет обширную область применения в процессах очистки коммунальных и промышленных сточных вод, в том числе для очистки воды от стойких органических веществ [6–8]. Основной недостаток метода коагулирования минеральными солями производственных сточных вод состоит в необходимости применения больших доз реагентов для извлечения загрязняющих веществ. Это типично для процессов очистки сточных вод от стойких органических веществ. Большие дозы коагулянтов и обусловленная этим необходимость реагентного корректирования величины рН приводят к повышению минерализации очищенной воды и увеличению количества осадков. С другой стороны, расширение применения компактных установок очистки воды обусловило возможность реализации более сложных технологических приёмов коагулирования.
Значительный интерес в этой связи представляют процессы с возвратами взаимодействующих сред [9].
В процессах коагулирования сточных вод, наряду с разными механизмами коагуляции, загрязняющие вещества извлекаются также в результате взаимодействия с малорастворимыми гидроксидами металла коагулянтов. По опыту коагулирования известно, что многие загрязняющие вещества извлекаются в том числе и в результате сорбции поверхностью гидроксидов [10, 11]. Для подобных аквасистем описание процесса очистки воды минеральными коагулянтами может быть основано на теории коагуляционно-адсорбционных взаимодействий (коасорбции). Цель исследования состояла в определении возможности снижения доз минеральных коагулянтов и сопутствующих реагентов при заданной эффективности извлечения стойких загрязняющих веществ путём противоточного переноса твёрдой фазы осадка на предыдущие ступени разделения на основе закономерностей коасорбции.
Основной раздел
Для теоретического обоснования возможности наиболее полного использования реагентов в технологии коагулирования сточных вод необходимую формализацию процесса очистки воды целесообразно выполнить с использованием уравнения изотермы Ленгмюра (Langmuir), отражающим коасорбционный процесс в широком интервале концентраций [12]:
где Sx — удельная коасорбция извлекаемого вещества, г/г; S∞ — предельное значение коасорбции, г/г; Ki — константа коасорбционного равновесия; Xi — равновесная концентрация, г/м³.
Извлечение загрязняющих веществ из воды в процессе коасорбции может быть представлено уравнением материального баланса вида:
где Q — расход сточных вод, м³/с; C — массовая концентрация загрязняющих веществ, г/м³; G — массовая скорость дозирования коагулянта, г/с.
Интегрированием уравнения материального баланса на интервале решения целевой задачи очистки воды (Cen; Cex)
может быть найдена величина массовой скорости извлечения загрязняющих веществ по следующей формуле:
где Cen — содержание загрязняющих веществ в воде, поступающей на очистку, г/м³; Cex — содержание загрязняющих веществ в воде после очистки, соответствующее равновесному значению, г/м³; Sex — удельная коасорбция загрязняющих веществ [г/г], соответствующая остаточному содержанию их в очищенной воде Cex.
При стабильной технологии коагулирования, когда потоки Qw и G постоянны по величине, уравнение (3) может быть представлено в виде:
Выражение (5) представляет собой уравнение рабочей линии процесса извлечения загрязняющих веществ. Отношение G/Q является удельным расходом коагулянта, обеспечивающим скорость изъятия загрязняющих веществ (4). Соответственно, для достижения заданной остаточной концентрации загрязняющих веществ в очищенной воде Сех минимальная доза коагулянта Дк может быть определена по выражению:
где Дк — доза коагулянта, г/м³.
Минимальная доза коагулянта, обеспечивающая заданную эффективность очистки воды, в соответствии с уравнением (6), должна быть определена для соответствующего минимального значения удельной коасорбции. Это обуславливает необходимость применения больших доз коагулянтов и сопутствующих реагентов.
Теоретически, снижение необходимой дозы реагентов может быть достигнуто при увеличении удельной коасорбции и уменьшении разности начальной и конечной концентраций загрязняющих веществ. Практически это может быть достигнуто путём многократных контактов отделяемого концентрата гидроксидов коагулянта со сточной водой при постоянном увеличении равновесной концентрации. В этой связи практический интерес представляют процессы с возвратами взаимодействующих сред.
Реализация принципа возврата взаимодействующих потоков может быть осуществлена путём многократного отделения и переноса образовавшегося осадка в обрабатываемую воду по направлению, противоположному движению воды. Схема многоступенчатого процесса коагулирования воды с противоточным переносом отделённой дисперсной фазы приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема многоступенчатого процесса коагулирования воды с противоточным переносом отделяемого осадка (1 и 5 — подача сточных вод и отведение очищенной воды;
2 — смеситель; 3 — камера флокуляции; 4 — разделительное сооружение; 6 — подача коагулянта; 7 — отвод осадка на обработку)
Противоточный перенос образовавшегося осадка может быть n-кратным. В этом случае необходимо назначить интервалы изменения концентрации загрязняющих веществ (∆С = Сn — Cn-1), а интегрирование уравнения (2) следует выполнить в пределах заданных интервалов концентраций:
При постоянстве потоков Qw и G в заданном интервале концентраций загрязняющих веществ на n-й ступени (∆С) приходим к следующему выражению:
где Sn-1 и Sn — величины удельной коасорбции загрязняющих веществ при равновесных концентрациях на концах интервала (Cn; Cn-1) соответствующей ступени; n — число ступеней разделения; (n — 1) — число переносов твёрдой фазы осадка.
Формула (8) представляет собой уравнение участка рабочей линии процесса коагулирования на заданном интервале концентраций загрязняющих веществ ∆С, а отношение G/Q есть средняя доза коагулянта на этом интервале.
По этому уравнению видно, что с увеличением ступеней дозирования ход процесса извлечения загрязняющих веществ теоретически приближается к значениям изотермы, что означает практически полное использование сорбционной ёмкости реагента и, соответственно, минимальный его расход.
Соответственно, для каждой ступени разделения доза коагулянта может быть определена по уравнению:
здесь Cn = Cex и Sn = aex.
Однако аналитическое решение конечного уравнения (9) представляет трудность вследствие взаимозависимости Сn и Sn на конкретных ступенях разделения.
Результаты реализации однои двухкратного коагулирования сточных вод, содержащих синтетические красители, приведены на рис. 2–4. Результаты пробного коагулирования исследуемой воды разными дозами реагентов представлены в табл. 1. Полученные значения остаточных концентраций красителей при однократном введении коагулянта аппроксимированы уравнением изотермы Ленгмюра вида:
Графическая интерпретация изотермы коасорбции по Ленгмюру приведена на рис. 2.
Рис. 2. Влияние равновесной концентрации на величину удельной коасорбции красителей
Поскольку решение целевой задачи очистки воды заключается в максимально возможном извлечении загрязняющих веществ, то целевая равновесная концентрация должна быть минимальной. По изотерме видно, что минимальному значению равновесной концентрации будет соответствовать также минимальное значение удельной коасорбции, что обуславливает необходимость применения больших доз реагентов.
Для рассматриваемого примера уравнение линии равновесия будет иметь следующий вид:
где Xi — равновесная концентрация красителей в воде, г/м³; Sх — удельная коасорбция красителей [г/г], соответствующая равновесной концентрации Xi.
Линии процесса одноступенчатого коагулирования красителей показаны на рис. 3.
Рис. 3. Линии процесса одноступенчатого коагулирования красителей (1 — равновесная линия процесса; 2 — рабочая линия процесса однократного коагулирования дозой Дк = 150 г/м3; 3 —
гипотетическая рабочая линия процесса однократного коагулирования дозой Дк = 330 г/м3)
Линия равновесия (кривая 1) устанавливает взаимосвязь между содержанием извлекаемого вещества в воде и в составе образовавшегося осадка. Например, для режима одноступенчатого коагулирования раствора красителей с фиксированной дозой коагулянта 150 г/м³ равновесная и рабочая линии процесса соответствуют линиям 1 и 2 (рис. 3).
В соответствии с уравнением (9), наклон рабочей линии на угол α задаёт величину необходимой дозы коагулянта. Соответственно, доза коагулянта равна тангенсу угла наклона рабочей линии.
В общем случае очистки воды коагулированием удельная коасорбция загрязняющих веществ (∆С/Дк) теоретически не может быть ниже линии равновесия для соответствующей равновесной концентрации. Приближение рабочей линии к равновесной характеризует бóльшую полноту использования коагулянта. Так, начальное значение рабочей линии одноступенчатого коагулирования (линия 2) располагается в области значений концентрации красителей в конце процесса Cex = 45 г/м³, что соответствует величине удельной коасорбции по формуле (10), равной 0,73 г/г. Это обуславливает малую степень использования сорбционной ёмкости гидроксидного осадка коагулянта. Практически это означает, что при необходимости осуществления более глубокой очистки воды потребуются значительно бóльшие дозы реагентов. Например, процесс очистки воды аналогичного состава до Cex = 15 г/м³ иллюстрируется рабочей линией (линия 3), расположенной под углом β > α, что соответствует увеличению необходимой дозы коагулянта до 330 г/м³.
Проведение процесса коагулирования по трёхступенчатой схеме с двукратным переносом твёрдой фазы осадка по противоточной схеме обеспечивает возможность значительного сокращения расхода реагентов при сопоставимых дозах и достижение значительной эффективности очистки воды (рис. 4).
Рис. 4. Линии процесса очистки воды от красителей по трёхступенчатой схеме коагулирования с двукратным противоточным переносом осадка (1 — равновесная линия процесса коагулирования; 2 — рабочая линия процесса двукратного коагулирования с дозой Дк = 150 г/м3)
Анализ результатов (рис. 4) показывает, что при двукратном противоточном переносе твёрдой фазы осадка сорбционная ёмкость осадка гидроксида алюминия используется практически полностью. Сравнение результатов коагулирования в интервале доз Дк = 150–200 г/м³
с коагулированием по одноступенчатой схеме (рис. 1) в полной мере подтверждает преимущества технологии противоточного переноса гидроксильных осадков коагулирования, как по эффективности очистки воды, так и по расходу реагентов.
Так, коагулирование дозой Дк = 150 г/м³ с двукратным переносом осадка в аналогичных условиях снижает содержание красителей до 6,5 г/м³ против 45 г/м³ при однократном коагулировании.
Процесс двухступенчатого коагулирования с однократным переносом осадка занимает промежуточное положение между рассмотренными. Он показывает меньшую эффективность извлечения загрязняющих веществ и экономию реагентов, что обусловлено бóльшим градиентом концентрации загрязнителей. Однако эта схема обеспечивает эффективную стабилизацию процессов коасорбции и седиментации осадка.
Заключение
Очистка сточных вод методом коагулирования обладает значительной универсальностью в отношении загрязняющих веществ разного происхождения вследствие многофакторности взаимодействия с коагулянтами.
Применение технологии коагулирования сопровождается формированием концентрированных отходов, содержащих извлечённые загрязнения и пропорциональных непосредственно дозам использованных реагентов.
Применение многоступенчатого процесса коагулирования на основе рассчитанного по изотермам коасорбции конечного числа ступеней разделения и возвратов твёрдой фазы осадка обеспечивает наибольшую эффективность очистки воды при минимально достаточном расходе реагентов.
