Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Разработка технологии очистки поверхностных сточных вод

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии очистки поверхностных сточных вод"

ргБ аи

, * Ш .-у

На правах рукописи

Уласовец Евгений Аркадьевич

/ /

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2000

Работа выполнена на кафедре физической, аналитической и органической химии Уральской Государственной лесотехнической академии (УГЛТА)

Защита диссертации состоится 25 мая 2000г. в 10ой на заседании диссертационного совета 063.35.02 Уральской Государственной лесотехнической академии по адресу: г.Екатеринбург, ул. Сибирский тракт 37, ауд. 1-401.

С диссертацией можно познакомится в библиотеке Уральской Государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 21 апреля 2000 г.

Научный руководитель

доктор химических наук, профессор Свиридов В.В.

Официальные оппоненты: - доктор химических наук,

профессор Никифоров А.Ф. - кандидат химических наук, директор УНИИ АКХ Шамапаев Ш.Ш.

Ведущее предприятие СвердНИИХЙММАШ

Ученый секретарь диссертационного совета

Актуальность проблемы. Глубокая очистка поверхностных вод (ПСВ) территорий промышленных предприятий и города является необходимым элементом комплексной защиты водных объектов различного назначения. По данным многолетних исследований на долю поверхностных сточных вод приходится не менее 20 % загрязнений, вносимых в водные объекты. Так, только с территории одного района г. Екатеринбурга (площадью 1000 га) за период снеготаяния в реку Исгть ежегодно попадает свите 500 тонн взвекегаахх пещсств; 1,5 теки нефтепродуктов; 3,5 тонны железа; по 80-100 кг свинца, меди, никеля, цинка, 30-40 кг кадмия.

Выпуск очищенных стоков в водные объекты подразумевает их глубокую очистку до норм ПДК рыбохозяйственных водоемов. Сложность достижения столь жестких требований обусловлена разнообразным и относительно малоизученным составом, наличием загрязнений в различных фззово-днсперсных состояниях, высокой устойчивостью дисперсных систем, резкими колебаниями

нения показателей стока связаны, прежде всего, с погодно-климатическими условиями, спецификой промышленного объекта и мшфорайона города.

Существующие технологии не обеспечивают необходимого экологического зффекга и высокозатратны, что связано с использованием "морально устаревших" безреагентных методов, слабой изученностью свойств и механизмов стабилизации дисперсных систем загрязнений.

Данная работа является частью тучных исследований, проводимых на кафедре физической, аналитической и органической химии Уральской Государственной Лесотехнической Академии в соответствии с Экологической программой г. Екатеринбурга.

Цель работы заключалась в изучении состава и физико-химических свойств дисперсных систем загрязнений ПСВ, факторов и механизмов их стабилизации, а также в создании научных основ разработки технологии и аппаратурного оформления процесса очистки с помощью коллоидных гидрозолей.

Объекты и методы исследования. Для создания систем, моделирующих загрязнения ПСВ, использовались дисперсии полистирольного латекса, эмульсии

индустриальных масел, растворы электролитов. Решение поставленных задач потребовано использования ряда экспериментальных методов: микроэлекггрофо-реза, микроскопии, фотоэпектроколориметрии, нефелометрии, седиментации и методов аналитической химии. Расчеты проводились с использованием равнений теории двойного электрического слоя, теории парного взаимодействия заряженных частиц Дсрж ина-Ландау-Фервея-Овербека, теории кинетики коагуляции Смолуховского. Обработку результатов экспериментов проведали с использованием аппарата математического анализа и статистики. Научная новизна работы заключается в следующем:

- определены вклады различных факторов стабилизации в агрегатквнук> н се-диментационную устойчивость дисперсных систем ПСВ;

- предложен метод экспериментального определения энергии содьватно-адсорбциониого фактора устойчивости дисперсных систем;

- исследованы физико-химические и гидродинамические закономерности снижения устойчивости дисперсных систем под действием яезгентог? рпзлтгчкоГг природы,

- разработашл физико-химические основы новой технологии очистки ПСВ. Практическая ценность. Результаты исследований внедрены в технологии

очистки промыгпдекно-ливневых сточных вод на очистных сооружениях ОАО "Уралмаш" (мощностью 20 ООО м" в сутки); использованы при разработке исходных данных для проектирования очистных сооружений ливневой канализации района "ВИЗ правобережный" г.Екатериноург, при разработке и внедрении серия установок заводской степени готовности типа "ЭП" для очистки ПСВ и сточных вод мойки автотранспорта. Положения, выносимые на защиту.

- экспериментальная оценка вкладов электростатической и сольватно-адсорбционной составляющих в устойчивость дисперсных систем ПСВ;

- метод определения энергии сольватно-адсорбциоююго фактора стабилизации дисперсных систем;

- физико-химические закономерности седиментационного разделения дисперсных систем ПСВ реагентными методами;

- гидродинамические закономерности процессов хлопьеобразования и осаждения дисперсной фазы ПСВ в аппаратах вихревого и водоворотного типов;

- технология очистки ПСВ с помощью новых реагенткых методов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложе-

Ш.Т И<1 *IP*ivmnJWf\T«nrv nminrtimniitiV тц-чтч-л " t OQT..1 OQQ

«ил 41ы xuviiiM T uu^v^u/u« у a«iv ia/1 vUmu . Uivui wutuiu > w i « ivy > ~ s J j

научно-практических семинарах "Проблемы экологии и охраны окружающей среды". Екатеринбург, 1999г., научно-хехнических конференциях "Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесного комплекса". Екатеринбург 1995 и 1997г., международной научно-практнческой конференции "Социально-экономические и экологические проблемы лесного комплекса". Екатеринбург !999г., всероссийской научно-практической конференции "Очистка и кондиционирование природных к сточных вод". Челябинск, Миасс 1993г., научно-практическом семинаре «Современные технологии очистки природных и сточных вод. Переработка отходов». Челябинск. 1999г.

t ■ Ч' I ' . ». ! I I . 11 J

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ. Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 207 страницах текста и состоит из введения, обзора литературы и 3 экспериментальных глав, заключения и библиографического списка, включающего 112 работ отечественных и зарубежных авторов; содержит 45 рисунков и 28 таблиц.

Первая глава представляет собой обзор литературы, в котором приведены сведения о составе поверхностных сточных вод с территории промышленных объектов и городов, рассмотрены основы устойчивости дисперсных систем и очистки воды реагенткыми методами, проведен анализ существующих методов очистки ПСВ и области их применимости.

Вторая глава- содержит результаты исследования факторов стабилизации дисперсных систем ПСВ, физико-химические и гидродинамические закономерности разделен!м дисперсных систем ПСВ под действием реагентов различной природы.

Третья глава содержит описание техно логической схемы очистки ПСВ, режимов обработки воды, технологии сгущения и обезвоживания образующихся осадков, данные об эффективности разработанного метода очистки.

Четвертая глава включает описание примеров использования разработанной технологии н технических решений в практике очистки поверхностных и производственных сточных вод, а также технико-экономические показатели внедренных технологий.

1. Оценка факторов стабилизации дисперсных систем

При изучении химического и фазово-днсперсного состава поверхностных сточных вод удалось установить, что основные загрязнители находятся в виде малорастворимых соединений, содержащих в своем составе эмульгированные нефтепродукты, оксиды и гидроксиды металлов, соединения .кремния.

КОшЛлски птмОлШСпНлиЛ и 4.1^. I ки г 1 ПОлиЗсий ЧТО фа1\ТОр*11»П1

устойчивости лиофобных дисперсных систем ПСВ являются электростатический

*

фактор, обусловленный наличием на поверхности дисперсной фазы двойного электрического слоя, и сольватно-адсорбционный фактор, обусловленный наличием сольватно-адсорбционных слоев неионогенных и ионогенных ПАВ. Расчеты энергии потенциального барьера отталкивания, обусловленного электростатическим фактором устойчивости, проводились по уравнениям теории ДЛФО. Энергия сольватно-адсорбционного фактора рассчитывалась в соответствии с разработащшм нами методом экспериментального определения высоты потенциального барьера отталкивания на основе кинетики коагуляции. Совместное использование двух методов позволило оценить вклады каждого из факторов в устойчивость дисперсных систем.

При наличии потенциального барьера отталкивания (ДЕ) константа скорости медленной коагуляции К« определяется по уравнению

Км=К6ехр(-ЛЕ/кТ), (1)

где ДЕ/кТ - фактор замедления коагуляции, Кб - константа быстрой коагулята!, к - константа Больцмана, Т - абсолютная температура.

Величина потенциального барьера (ДЕ), в общем случае, определяется суммой электростатических сил отталкивания (ДЕ,Л), молекулярных сил притяжения Я стр>1ггур:плх О."''*■'1Т1 ^ СИЛ СТТ2ЛК112аК11Л ^¿^^сольй/1

ДЕ=ДЕ„.+ ДЕМ.+ ДЕ№1ьв. (2)

Возможность экспериментального определения барьера отталкивания, обусловленного действием только сольватных (структурных) сил создается за счет введения в дисперсную систему определенного количества электролита. При концентрации электролита, когда выполняется условие (ДЕт-ДЕэп), энергия сольватно-адсорбционной составляющей может быть найдена из уравнения:

ДЕ,„„„ =кТ1п(КгЖм). (3)

Расчет экспериментальных констант скорости коагуляции (Км) проводили согласно уравнению

"М *' \ '' О '" - 'у*7/

где у0- начальное число частиц, част/м3, т^ - время половшшой коагуляции, с.

Константа скорости быстрой коагуляции (К6) определялось по известному уравнению Смолухопсксго

Кб=8кТ/Зт1, (5)

где т) - вязкость раствора, Пахе. Расчеты по уравнениям теории ДЛФО показывают, чш ири ншком электролитного фоне максимум кривых парного взаимодействия частшх дисперсной фазы (электростатический фактор) имеет высокие значения (сотни единиц кТ). По мере увеличения электролитного фона энергия потенциального барьера отталкивания, обусловленного электростатическим фактором устойчивости, резко снижается. При концентрации электролита КС1 свыше 0,21 моль/л силы молекулярного притяжения начинают преобладать во всем расчетном диапазоне расстояний между частицами, а суммарная потенциальная энергия принимает только отрицательные значения рис. 1.

20 О

С -40 сГ К

-Í0 -SO -100

О 10 20 30 40 50

расстояние, Н-Ю"'", м

Рис. 1. Потенциальная энергия взаимодейстши частиц латекса в зависимости от концентрации KCl: 1 - KCl 0,14 моль/л, 2 - KCl 0,21 моль/л, ; 3 - KCl 0,28 моль/л; 4 - KCl 0,31 моль/л.

Введение неионогеных ПАВ не изменяет электрокинетический потенциал

ЧйСТКЦ -HcíTí'KCa^ ПОЭТОМ"" >-ivv¡l НГг1 и.": íii ¡Ai "j и г кЛИйСТ г iri положение и

величину максимума на кривых парного взаимодействия частиц латекса.

Результаты экспериментов показывают, что действие сольватно-адсорбциошюго фактора устойчивости проявляется при стабилизации дисперсной фазы как неиокогенными, так и ионогекными ПАВ.

Таблица I

ХчОпстдкты скорости ксагуляхдш и зкергик сольвзт1го~

адсорбционного барьера в зависимости от количества НПАй

Количество КЛАВ х 105 моль/кг ОП-4 ОП-7

К,ксп.х101У м3/ч*с Е,кТ Кжп.*10,у М3/чхс Е,кТ

, безНПАВ 6,82 2,75+0,1 6,82 2,75+0,1

0,1 6,39 2,82+0,05 6,08 2,87+0,05

0,25 5,85 2,91±0,08 5,45 2,98±0,07

0,5 5,08 3,05±0,05 4,78 3,11±0,05

0,75 4,69 3,13±0,08 4,50 3,17±0,05

1,0 4,33 3,21±0,05 3,99 3,30±0,1

Выяснено, что увеличение количества неионогенного стабилизатора вызывает рост энергии сольватно-адсорбционного барьера устойчивости дисперсии полистирольного латекса по уравнению:

для ОП-7 Е =0,4593хСоп-т + 2,7793 Я - 0,987, п = 6; для ОП-4 Е-0.5097хС,п-^ +2.809! К = 0.979, п = б, где С - количество неионогенного стабилизатора, мкмоль НПАВ/кг дисперсной фазы, К - коэффициент корреляции, и- число параллельных измерений

Приведенные в таблице 1 величины сольватно-адсорбционного барьера резко снижают скорость коагуляции частиц дисперсии, вплоть до полной остановки процесса коагуляции, при количествах кеиокногенных ПАВ (ОП-4, ОП-7) свыше 1,5 мкмоль/кг дисперсной фазы.

Проведенные исследования позволили выявить превалирующую роль электростатического фактора в устойчивости дисперсных систем, аналогичных загрязнениям ПСВ; а так же тот факт, что влияние сольватно-адсорбционного фак-

при наличии в ней определгшп.тх колтпеств пеионо генных и нскогенлпдх ПАВ.

2. Закономерности очистки ПСВ реагентными методами

Исследования очистки ПСВ различными реагентами выявили ряд недостатков, характерных для всех известных коагулянтов: низкая гидравлическая крупность образующийся твердой фазы; необходимость подщелачнвания; недостаточная, в ряде случаев, эффективность очистки; необходимость постоянной корректировки процесса очистки в связи с изменением качественного и количественного состава стока. Использование флокулянтов не решает задачу извлечения растворимых форм загрязнений и связано с проблемой точности дозирования рабочего раствора для предотвращения явления перестабилизации.

С учетом недостатков коагуляционных и флокуляционных технологий были проведены исследования очистки ПСВ с помощью природных модифицированных алюмосиликатов. В качестве одного из них использовался реагент

«Экозоль-401», разработанный на кафедре физической, аналитической и органи- | ческой химии УГЛТА и представляющий собой модифицированный органическими и неорганическими веществами природный монтмориллонит. Добавка к сульфату алюминия реагента «Экозоль-401» при очистке ПСВ увеличивает ско-

ПиСТТ» рСЯж'ДгКия Г"К /ГрОХСгшНОК и)о>Ь| Й СпплСаСТ ССЯСрЖ&шЮ лССЛСЗи II иЛГОшииГл

до величин 0,03-0,05 и 0,1-0,15 мг/л соответственно, что в 2-4 раза ниже, чем при использовании только коагулянта.

Повышение эффективности очистки ПСВ при использовании твердофазного алюмосиликата "Экозоль-401" обусловлено несколькими причинами. Реагент является пояифункциональным и служит одновременно сорбентом токсичных компонентов (положительно заряженных органических соединений и катионов металлов), а также соосадаггелем органических коллоидов и частиц дисперсной фазы. Параллельно с процессами сорбции и соосаждения активно протекают процессы взаимной коагуляции частиц реагента с частицами дисперсной фазы.

401" в паре с катиопным флокулянтом ВПК-402. С увеличением дозы «Экозоль-401» до 60 мг/л возрастает светопропускание осветленной воды до 98 %, снижается содержание взвешенных веществ до 5-8 мг/л и железа в отфильтрованной воде до 0,12-0,15 мг/л.

Влияние ВПК-402 сказывается на увеличении скорости коагуляции и отстаивания взвеси. Наличие твердой фазы реагента "Экозоль-401" ликвидирует основной недостаток водорастворимых флокулянтов - явление перестабилизации дисперсной системы под действием избыточного количества флокулянта. Данный факт позволяет разрабатывать технологии очистки, обладающие повышенной устойчивостью к колебаниям качественных и количественных характеристик стока. Оптимальное соотношение доз «Экозоль-40Ъ> и ВПК-402 составляет 1:0,025.

В табл. 2 приведены результаты очистки ПСВ по технологии «Экозоль-401» 40-60мг/л, ВПК-402 1,0-1,5 мг/л.

Таблица 2

Характеристики исходного и очищенного стока

Показа- Норма- Поверхностный сток промышленно,-

тель тив г. Екатеринбурга дождевой сток ОАО

(лабораторные данные) "Уралмагп"

исход- безре- реа- фильт- безре- реа- фили-

ный агент- генгное рование агент- гешное рова-

сток ное осветление осветление ное осветление осветление ние

блок В блок С блок С блок В блок С блок С

I 2 3 4 5 б 7 8 9

рН 6,5-8,5* 7,2 - 8,3 7,2 - 8,3 7,2-8,3 7,2-8,3 7,0 - 8,5 7,0 - 8,5 7,0-8,5

сухой остаток 1000* 80-500 80-500 100-800 100-800 100800

мт/тт

взвешен- 1500-

ные ве- 5* 2500 100-200 5-8 <0,4 20-80 5-10 0,4-1

щества,

МП Л 1

нефте- 0,05" 4 ¿(1 т - ¿. - 4.0 О,1-У, 15 .А /\е 1 ч б А 11 0 03- *

продукты, мг/л 0,08

ХПК, 15* 40-120 40-50 10-15 10 20-50 10-15 10-15

мг О/л

Ре(пбщ) - 4-50 3-30 0.1-0.2 0.05 0.7-4.0 - 0,04-

мг/л 0,1

Медь, 0,001** 0,3-1,6 0,2-0,5 <0,05 - - - <0,05

игг/л

Никель, 0,01** 0,5 - 0,9 0,14 <0,05 - - - <0,05

мг/л

Цинк, 0,01** 2,0 - 2,7 0,5 0,03- - - - 0,02-

мг/л 0,04 0,04

Свинец, од** ДО 0,6 0,1 0,015- - - - <0,01

мг/л 0,02

Кадмий 0,005** до 0,02 0,01 <0,003 <0,003 - - 0,001-

мг/л 0,002

Хром, 0,007** 0,1- - <0,005 - - - -

мг/л 0,15

Марга- 0,01** 0,2- - 0,008- - - -

нец,мг/л 0,27 0,011

Титан, 0,6** 0,05- - <0,003 - - - -

мг/л 0,07

** ПДК водных объектов рыбо-хозяйственного назначения * требования к воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения

3. Определение оптимальных технологических параметров очистки сточных вод реагентом «Экозоль-401;> и флокуляитсм ВПК-402

Разработка технологической схемы очистки потребовала изучения следующих факторов: порядка ввода реагентов; интенсивности и времени смешения воды с реагентами; гидродинамических характеристик и продолжительности процессов хяоиъеобразовшшя и седиментации взвеси, репиркуляции осадка.

С келью определения закономерностей влияния гидродинамических параметров на процесс хлопьеобразования был использован метод планирования эксперимента, в ходе которого варьировались значения трех независимых факторов: градиент скорости перемешивания, содержание взвешенных веществ,

___________-------- г-г------------- х-. ..... . .

- г------ . ^ ............... ^/^рО^уиоиСиП. ЛиоьилЛк^Ц! ЦУУППДИИ I) ( <1

(содержание взвешенных веществ в осветленном стоке) в зависимости от двух факторов - гидравлической крупности и градиента скорости флокуляционного перемешивания приведена на рис.2. Для полученных экспериментальных данных получено статистически достоверное уравнение. ^ Сост = 8,08+ехр(-85,29-87,59-0 + 0,023-С„И + 0,349-и), Н=0,86. (б)

где С - градиент скорости флокуляционного перемешивания, с'1, Сксх - исходное содержание взвешенных веществ, мг/л, и - улавливаемая гидравлическая крупность, мм/с, Сост - остаточное содержание взвешенных веществ, мг/л.

Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что эффективность седиментационного разделения дисперсных систем ПСВ под действием реагентов «Экозоль-401» и ВПК-402 в значительной степени зависит от гидродинамического режима флокулящш (градиента скорости флокуляционного перемешивания) и в меньшей мере зависит от времени отстаивания и содержания взвешенных веществ в исходном стоке.

Ва 3.512 ЕЯ 4.917

ЯЯ5 6.323 И 7.728 ШЗЭ 5.134

№№3 г» т-7

Г~1 13.350 Щ 14.750

ЕЭ 16.161 17.507 а 18 972 ^^ 20.378 21.753 ВЯ 23.139

Рис. 2. Остаточное содержание взвешенных веществ в ливневом стоке после реагентной обработки в зависимости от градиента скорости флокуляции (в) и гидравлической крупности (Ц). Исходное содержание взвеси 94 мг/л

Оптимальные технологические режимы очистки ПСВ: - ввод реагента "Экозоль - 401" при интенсивном перемешивании со сточной водой. Градиент скорости перемешивания не менее 0~150-300с~'. Время контакта ?. мин;

- ввод флокулянта ВПК - 402, интенсивное перемешивание 0,5-1,0 мин при 0=150-300 с'1;

- хлопьеобразование в течение 15 мин при градиенте скорости флокуляци-онного перемешивания в=20-40 с"!, затем отстаивание в ламинарном режиме в расчете на улавливаемую гидравлическую крупность и=0,2 мм/с;

- температура сточных вод 3-30 °С;

- доза «Экозоль-401» 40-60 мг/л;

- доза флокулянта ВПК-402 1,0-1,5 мг/л.

В зависимости от заданной эффективности очистки, схема может быть дополнена стадией фильтрования через зернистую загрузку (скорость фильтрования при этом составляет 5-8 м/час).

Рис. 3. Принципиальная схема очистки сточных сод дождевой и промышленно-дождевой канализации. 1 - коллектор канализации; Блок А: 2 - входная секция: 3 • решетка с крупноячеистой сеткой; 4 -секция пескоулавливания; 5 - приемный резервуар; 6 - насосы подачи воды в блок В; 7 - аварийней пврелга; 8 - грейфер; 9 - уирейгггс ¿га стягткк сгхцха пгскоулавлйьйнн.*, £док Б. ¡0

- корпус; 11 - скребковый механизм; 12 - устройство для удаления осадка; 13 - устройство для удаления нефтепродуктов; 14 - насосы подати воды в блок С; 15 - рабочий перелив; Блок С: 16,17 - смесители; 18 - трубопровод реагента «Экозоль-401»; 19 - трубопровод флокулянта ВПК-402; 20 - отстой}шки-фл8!уя»тсры- 21 - скопи* фильтры; 22 - аварийный етгзя года из блока А; 23 - трубопровод осада; 24 - тру&л.ривзд отвода нефтепродуктов; 25 - отбсл осиленной вода '.и блока В; 25 - огтеод очищсндой воды из блока С.

Предлагаемая технология очистки ПСВ (рис. 3) рассчитана на глубокую очистку поверхностных, промышленных и дренажных вод в широком диапазоне расхсдке-сбгемцых характеристик к концсктрацкй загрязняющих компонентов

- эмульгарованых нефтепродуктов, коллоидных и взвешенных веществ, ионов тяжелых цветных металлов, органических загрязнений. Технология позволяет осуществить полную очистку поверхностного стока, независимо от его интенсивности и объема. При этом расчетное количество сточной воды, соответ-свующее заданному периоду повторяемости, проходит полную очистку по схеме (А+В+С) с эффективностью, определяемой ПДС (ПДК), а сверхрасчетное количество - только механическую очистку (А+В).

Разработанная технология реагентной обработки ПСВ обладает высокой эффективностью, обеспечивая (при наличии стадии фильтрования) соответствие жестким нормативам сброса очищенных сточных вод в водные объекты рыбохо-зяйственного назначения (таблица 2).

Разработано два варианта технологической схемы обработки осадков в зависимости от способа дальнейшей утилизашш:

- совместное сгущение и обезвоживание осадков блока "В" и блока "С";

- обезвоживание части осадка "В" в естественных условиях вместе с осадком блока "Л". Другая часть осадка "В" обрабатывается совместно с осадком блока "С" для вывоза на полигоны хранения.

Утилизация осадков "С" (или смеси "В" + "С") возможна в качестве компонента шихты в производстве цемента и керамзита.

Разработанная технология очистки ПСВ в сравнении с типовыми решениями обладает высокими технико-экономическими показателя. При сопоставимых капитальных затратах себестоимость очистки, приведенные и эксплуатационные затраты в 1,5 раза ниже, чем в типовом проекте, а площадь очистных сооружений ниже в 2 раза.

Выводы

1.0спозш.1е загрязнения ПСВ ннхоуг*ису н чзлог-^створимт.тх состттгтхс-шш, содержании в своем составе эмульгированные нефтепродукты, оксиды и гидроксиды металлов, соединения кремния.

2. Стабильность дисперсных систем ПСВ, в основном, определяется электростатическим и сольватно-адсорбционным факторами устойчивости, вклад которых зависит от колебаний качественного состава ПСВ.

3. Предложен метод экспериментальной оценки высоты сольватно-адсорбционного барьера отталкивания, основанный на исследовании кинетики коагуляции, в условиях снятия электростатического барьера.

4. Выявлены закономерности очистки сточных вод различными коагулянтами, флокулянтами, алюмосиликатными реагентами и их комбинациями. Определены уравнения, описывающие закономерности влияния гидродинамических факторов на процесс хлопьобразованкя и седиментации взвеси, а так же оптимальные условия и технологические режимы очистки ПСВ с применением реагента «Экозоль-401».

5. Разработаны и внедрены новые технологии очистки сточных вод дождевых канализаций городских территорий, промышленных объектов и стоков ав-

томоек. Предложенные технические решения положены в основу проектов ряд :очистных сооружений г. Екатеринбурга и Свердловской области.

Основные положения диссертации отражены в 15 печатных работах, в том числе:

L. Ермаков Д.В., Уласовец Е.А., Свиридов В.В. Технология глубокой очисти промышленных сточных воя. Теяксьт докладов Мёждуна]:юднсн о семннцр «Чистая вода Урала-96» Екатеринбург. 1996. С. 69.

2. Свиридов В.В., Уласовец Е.А., Елизаров В.А., Шипицын A.A. Технологи очистки ливневых сточных вод. Тез. докл. обл. научно-практ. конференши «Вклад ученных и специалистов в развитие химико-лесного комплекса». Екате ринбург. 1997. С. 123.

3. Свиридов В.В., Свиридов A.B., Обашш Д.Н., Ермаков Д.В., Уласовец Е.А Использование новых реагентов-гидрозолей для решения технологических вод ных проблем. Тез. докл. межд. симпозиума «Чистая вода Россин-97». Екатерин бург. 1997. С. 157.

4. i г;::;:г.: "v>.A., Ул^ссвсц Н.А Слк£и<1л L.H., Ермадов Д.В. лоьая технологи) очистки сточных вод дождевой и промышленно-дождевой канализации. Тезись докладов научно-техн. конференции «Уралзкопогия-техноген-99». Екатерин бург. 1999. С. 34.

5. Галкин Ю.А., Сливная E.H., Уласовец Е.А., Ермаков Д.В. Многофункцио нальные установки «ЭП» для очистки сточных вод объектов автосервиса. Тез докл. межд. симпозиума «Чистая вода России-99». Екатеринбург. 1999. С.151

'6. Галкин Ю.А., Уласовец Е.А. Установки заводской степени готовности "ЭП1 для очистки поверхностных и моечных вод малых объектов. Тез. докладов науч ио-практичсского семинара «Современные технологии очистки природных ! сточных вод. Переработка отходов». Челябинск. 1999. С 37. 7. Свиридов В.В., Чернышов В.Ф., Уласовец Е.А. Кинетика коагуляции поли стирольного латекса в условиях отсутствия электростатического барьера. Кол лоидный журнал. Том 61. №6. 1999. С 824.

Подл, в печать 19.04.2000. Объем 1 п.л. Зак. 421. Тираж 100. 620032 Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, УГЛТА, ОПП.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Уласовец, Евгений Аркадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Характеристика ливневых сточных вод

1.2. Основы коагуляционной очистки.

1.2.1 Основные понятия и общие положения.

1.2.2 Основные положения теории устойчивости лиофобных коллоидов

1.2.3 Теория устойчивости лиофильных и лиофилизированных коллоидов. . :

1.2.4 Методы снижения устойчйборти дисперсных систем. г 1 ■ ■.

1.2.5 Коагуляция золей электролитами .":'.''.

1.2.6 Гетерокоагуляция загрязнений с продуктами гидролиза коагулянтов.

1.3. Сорбция и гетерокоагуляция загрязнений твердофазными реагентами.

1.3.1 Классификация и свойства природных сорбентов.

1.3.2 Применение природных сорбентов в процессах очистки сточных вод.

1.4. Кинетика коагуляции.-.

1.5. Существующие методы очистки поверхностных сточных вод.

1.5.1 Безреагентные методы очистки.

1.5.2 Основные реагентные методы очистки.

1.6. Цель работы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Характеристика объектов исследования.

2.2. Исследование основных факторов устойчивости дисперсных систем.

2.2.1. Основные подходы к изучению факторов устойчивости дисперсных систем.

2.2.2.Техника проведения экспериментов.

2.2.3. Влияние основных физико-химических параметров на электроповерхностные свойства дисперсных частиц.

2.2.4. Закономерности парного взаимодействия частиц латекса в условиях преобладания электростатического фактора устойчивости.

2.2.5. Кинетика коагуляции полистирольного латекса в присутствии неионогенных стабилизаторов.

2.2.6. Энергия потенциального барьера отталкивания, обусловленного сольватно-адсорбционном фактором стабилизации.

2.3. Влияние гидродинамики процесса на кинетику коагуляции.

2.4. Реагентные методы очистки поверхностных сточных вод.

2.4.1. Очистка сточных вод коагулянтами.

2.4.2. Очистка сточных вод совместным применением коагулянтов и модифицированных алюмосиликатов.

2.4.3. Совместное применение реагента «Экозоль-401» и флоку-лянта ВГЖ-402.

2.4.4. Влияние высокодисперсного твердофазного реагента «Экозоль-401» на степень коагуляции полистирольного латекса.

2.4.5. Определение оптимальных технологических параметров очистки сточных вод реагентом «Экозоль-401» и флокулянтом-402.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ

СТОЧНЫХ ВОД.

3.1 Технологическая схема и режимы обработки воды.

3.2 Характеристика используемых реагентов.

3.3. Эффективность очистки промливневых стоков по предлагаемой технологии.

3.4. Технологии сгущения и обезвоживания осадков очистки ливневых сточных вод.

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ

ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ.

4.1. Примеры использование предлагаемой технологии в практике водоочистки.

4.2. Анализ схемных, компоновочных и конструктивных решений.

4.3. Технико-экономическое сравнение очистных сооружений промышленных и ливневых сточных вод.

4.4. Сравнительный анализ экономических показателей установок очистки сточных вод моек автотранспорта.

Введение Диссертация по географии, на тему "Разработка технологии очистки поверхностных сточных вод"

Ливневые сточные воды, поступающие в природную среду с городской и промышленной территорий, в настоящее время, становятся одним из наиболее опасных источников загрязнения водоемов.

Распределение загрязняющих веществ, вносимых в водоемы различными видами сточных вод примерно следующее [1]: хозяйственно-бытовые сточные воды ~ 50% промышленные сточные воды ~ 30% ливневые сточные воды ~ 20%

Относительное снижение сбросов загрязняющих веществ от промышленных предприятий за счет ужесточения контроля со стороны природоохранительных органов и снижения объемов производства, а также широкое применение в практике природоохранных мероприятий локальных очистных сооружений, приводит к снижению удельной доли техногенного воздействия. на окружающую среду, обусловленную промпредприятиями. Соответственно возрастает доля загрязнений от неорганизованных и непостоянных источников.

Одним из таких источников загрязнения является сток ливневых и талых вод с территорий города и промышленных предприятий. Долгие годы на этот источник вообще не обращали внимания. Теперь же, по мере роста городского населения, на фоне общего ухудшения качества воды водоемов, перекрытие этого источника загрязнения становится все более актуальной задачей.

По данным многолетних наблюдений в России, с атмосферными осадками л за год на 1 км поверхности в сельской местности поступает 5-15 т растворенных загрязняющих веществ, а на 1 км2 городской территории 15-20 т [2].

Сложность создания технологии очистки поверхностного стока состоит в разнообразии и широком диапазоне концентраций загрязняющих веществ, сезонной и климатической зависимости объемно-расходных характеристик уровня загрязнения стока [3].

К технологическим схемам очистки предъявляются жесткие требования: простота и надежность в эксплуатации, универсальность по выделению различных загрязняющих компонентов, глубокая степень очистки, низкая себестоимость очистки 1 м3 по сравнению с очисткой промышленных сточных вод [4, 5].

Для решения выше названых проблем необходим комплекс современных инженерных подходов к вопросам организации сбора стока с территории, регулирования расхода, компоновки отдельных элементов очистных сооружений, совершенствование существующих и создание новых реагентных методов физико-химической очистки, обладающих более широким спектром извлекаемых компонентов.

Одним из перспективных путей очистки поверхностных сточных вод является применение природных и модифицированных алюмосиликатов [6]. Выбор реагентов этого класса обусловлен их дешевизной, доступностью и многофункциональностью [7-9].

Данная работа посвящена изучению физико-химических закономерностей процессов гетерокоагуляции и сорбции взвешенных веществ, нефтепродуктов, соединений металлов, поверхностно-активных веществ (ПАВ), определению оптимальных технологических параметров применения высокодисперсных твердофазных реагентов на основе модифицированных бентонитовых глин, разработке технологической схемы очистки.

Данная работа является составной частью научных исследований, проводимых на кафедре физической, аналитической и органической химии (ФАиОХ) Уральской Государственной Лесотехнической Академии, в соответствии с Экологической Программой г. Екатеринбурга.

Рассмотрение экспериментального материала произведено на основе современных теоретических представлений об устойчивости и коагуляции дисперсных систем, установленных Смолуховским М.Л.[10], Дерягиным Б.В. [11-12],

Чураевым Н.В. [13-14], Ефремовым [15] и другими исследователями. При проведении исследований широко использовался опыт работ Тарасевича Ю.И., Кульского Л.А.[16,17,20], Бабенкова Е.Д., Минца Д.М., Эпштейна С.И. и других по разработке физико-химических методов очистки сточных вод.

Проведенные исследования позволили впервые:

1. Оценить вклады электростатической и сольватно-адсорбционной составляющей в устойчивость дисперсных систем.

2. Разработать методику экспериментального определения величин сольват-но-адсорбционного барьера устойчивости дисперсных систем на основе кинетики коагуляции.

3. Изучить влияние основных физико-химических параметров (концентрация ионов водорода, температура, ионный фон, вид электролита) на электростатический и сольватно-адсорбционный факторы устойчивости дисперсных систем.

4. Получить сведения о влиянии гидродинамических параметров и концентрации взвешенных веществ на процессы хлопьеобразования и седиментации хлопьев при очистке ливневых сточных вод.

5. Предложить метод выбора реагентов, определения оптимальных доз и технологических режимов очистки ливневых и промышленно-ливневых сточных вод.

6. Выявить многофункциональность модифицированных природных алюмосиликатов и их эффективность для очистки ливневых и маслосодержащих сточных вод.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Исследования направлены на широкое внедрение в практику водоочистки высокодисперсных природных и модифицированных алюмосиликатов, как универсальных реагентов, обладающих свойствами сорбентов, соосадителей, фло-кулянтов. 8

2. Определены оптимальные условия процесса очистки ливневых и масло-содержащих сточных вод для достижения требований ПДК водоемов рыбохо-зяйственного и хозяйственно-бытового назначения.

3. Разработанные методы внедрены в технологию очистки промышленных стоков на ряде предприятий города Екатеринбурга и Свердловской области.

Таким образом, на защиту выносятся следующие положения:

1. Теоретическое обоснование метода определения факторов устойчивости дисперсных систем, содержащих в своем составе различные по природе стабилизаторы.

2. Экспериментально установленные закономерности влияния основных физико-химических параметров на устойчивость дисперсных систем и очистку ливневых сточных вод.

3. Экспериментально найденные закономерности очистки сточных вод с помощью природных и модифицированных алюмосиликатов.

4. Найденные на основе математического моделирования оптимальные технологические режимы очистки ливневых и маслосодержащих сточных вод.

5. Разработанная технология глубокой очистки ливневых сточных вод.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Уласовец, Евгений Аркадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследовательской работы определенны:

- состав ливневых, промышленно-ливневых сточных вод и стоков автомоек;

- распределение загрязнений по фазово-дисперсному состоянию;

- факторы и механизмы устойчивости дисперсных систем загрязнений ПСВ; разработаны:

- метод определения величины потенциального барьера устойчивости обусловленного сольватно-адсорбционным фактором стабилизации;

- изучены закономерности снижения устойчивости дисперсных систем;

- реагентный метод глубокой очистки ПСВ вплоть до ПДК рыбо-хозяйственных водных объектов;

- технология и технологическая схема очистки дождевых, промышленно-дождевых сточных вод, стоков автомоек; внедрены:

- новая реагентная технология очистки промышленно-ливневых стоков на ОАО «Уралмаш»;

- серия очистных установок типа «ЭП» для очистки рециркуляционных сточных вод автомоек и поверхностного стока предприятий автосервиса.

Проведенные исследования модельных систем позволили сделать вывод о том, что стабильность дисперсных систем ПСВ, в основном, обусловлена электростатическим фактором устойчивости. В тоже время, показано наличие соль-ватно-адсорбционного фактора в условиях близости системы к изоэлектриче-ской точке при наличии в ней определенных количеств ионногенных и неион-ногенных ПАВ.

На основе расчетов по теории ДЛФО определенно, что исследуемые образцы латексов достигают состояния близкого к отсутствию барьера отталкивания

-взаимокомпенсации электростатических и молекулярных сил при концентрации КС1 0,21 моль/л.

Предложен метод экспериментальной оценки высоты сольватно-адсорбционного барьера отталкивания, основанный на исследовании кинетики коагуляции, в условиях снятия электростатического барьера отталкивания. Определенно, что энергия сольватного-адсорбционного фактора составляет 2,7 -3,3 кТ, в зависимости от содержания НПАВ.

Выяснено, что увеличение количества неионогенного стабилизатора вызывает рост энергии сольватно-адсорбционного барьера устойчивости дисперсии полистирольного латекса по уравнению: для ОП-7 Е =0,4593хСОП-7 + 2,7793 И2 = 0,987, п = 6; для ОП-4 Е = 0,5097хСОП-4 + 2,8091 Я2 = 0,979, п = 6, где С - количество неионогенного стабилизатора, мкмоль НПАВ/кг латекса.

С ростом температуры в диапазоне 20-50 °С энергия сольватно-адсорбционного барьера снижается, что связанно с разупорядывачиванием структуры граничных слоев молекул растворителя.

Определенно, что увеличение рН вызывает рост, как электростатического барьера отталкивания, за счет смещения равновесия реакции диссоциации ио-ногенного стабилизатора (олеата натрия), так и сольватно-адсорбционного барьера отталкивания, за счет усиления поляризации оксиэтилированных групп в молекуле неионогенного стабилизатора.

Показано влияние анионного и катионного состава электролита на энергию сольватно-адсорбционного фактора. Подтверждено предположение о том, что ионы малого радиуса вызывают незначительный рост энергии сольватно-адсорбционного фактора устойчивости, т.е. усиливают структуру сольватных слоев вблизи поверхности дисперсных частиц.

Подтвержден экстремальный характер влияния интенсивности перемешивания на эффективность коагуляции, в частности на значение константы скорости коагуляции.

Показана эффективность использования высокодисперсных алюмосиликат-ных материалов для снижения устойчивости лиофилизированных дисперсий, в случае сольватно-адсорбционного барьера.

На основе проведенных исследований можно выделить ряд способов и приемов позволяющих регулировать устойчивость дисперсных систем в реальных условиях технологий водоочистки: изменение электролитного фона, изменение рН раствора, правильный выбор гидродинамики процесса коагуляции, использование модифицированных алюмосиликатов. Использование в технологических процессах таких приемов, как изменение температуры и состава Кононов, возможно только в редких специфических случаях.

Выявлены закономерности очистки сточных вод различными коагулянтами, флокулянтами, алюмосиликатными реагентами и их комбинациями. Определены оптимальные условия и технологические режимы очистки сточных вод с применением реагента нового поколения «Экозоль-401».

Наряду с выраженным экологическим эффектом показана экономическая

186 целесообразность использования нового реагентного метода очистки и разработанных технических решений.

Проведенные технологические изыскания позволили разработать высокоэффективную технологию очистки сточных вод дождевых канализаций городских территорий и промышленных объектов, стоков автомоек и гальванопроизводств. Работоспособность и эффективность указанных технологий в условиях промышленной эксплуатации подтверждена опытом внедрения на действующих очистных сооружениях (Приложения 1-4). Предложенные технические решения положены в основу проектов ряда очистных сооружений г. Екатеринбурга и Свердловской области.

187

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Уласовец, Евгений Аркадьевич, Екатеринбург

1. Современные методы управления качеством речных вод урбанизированных территорий, //журн. Водные ресурсы. 1996. т 23. №2. С. 168.

2. Скакальский Б.Г. Влияние урбанизации на качество речных вод.// Труды Государственного гидрогеологического института. JI.1973. вып 206. С. 85.

3. Дикаревский B.C. Отведение и очистка поверхностных сточных вод. Л.: Стройиздат. 1990. 224с.

4. Молоков М.В., Шифрин В.Н. Очистка поверхностного стока с территории городов и промышленных площадок. М.: Стройиздат. 1977. 104 с.

5. Комольцев А.Н., Петров Ю.И., Вельская Я.И. Характеристика поверхностного стока талых вод тепловых электростанций, //журн. Электрические станции. 1972. №2 С. 67.

6. Тарасевич Ю.И. Природные сорбенты в процессах очистки сточных вод. Киев.: Наукова думка. 1981. 208 с.

7. Айлер Р.К. Химия кремнезема. Пер. с англ. М.: Мир. 1982. 172 с.

8. Кухарь В.П., Гончарук В.В. Мероприятия по дезактивации различных объектов при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС. //Химия и технология воды. 1996. т 18. №2.

9. Тарасевич Ю.И., Рак B.C. Применение бентонитовых глин в качестве адагу-лянтов для удаления высокодисперсного целлюлозного волокна. //Коллоидный журн. 1993. т 55. №3 с. 160.

10. Смолуховский М.Л. Опыт математической теории кинетики коагуляции коллоидных растворов.// Коагуляция коллоидов. ОНТИ 1936.

11. Дерягин Б.В., Кусаков М.М. Изв. АН СССР. Серия Химия. 1937.№5.

12. Дерягин Б.В. Теории гетерокоагуляции, взаимодействия и слипания разнородных частиц в растворах электролитов. // Коллоидный журн. 1954. т 16. №6. С. 425.

13. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Докл. АН СССР. 1972. т 207. С. 58.

14. Чураев H.B Включение структурных сил в теорию устойчивости коллоидов и пленок. //Коллоидный журн. 1984. т XLVI. С. 302.

15. Ефремов И. Ф. Периодические коллоидные структуры. JL: Химия. 1971. 192с.

16. Кульский JI.A., Накорчевская В.Ф. Химия воды. Киев.: Вища Школа. 1983. 239 с.

17. Кульский JI.A. Теоретическое обоснование технологии очистки воды. Киев.: Наукова думка. 1968. 127 с.

18. Василенко Л.В., Свиридов В.В. Основы очистки промышленных сточных вод. Свердловск.: изд. УПИ. 1983. 140 с.

19. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торошенков Н.С. Техника защиты окружающей среды. М.: Химия. 1989. 512 с.

20. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондиционирования воды. Киев.: Наукова думка. 1980. 563 с.

21. Абрамович И. А. Обоснованность нормативных требований очистки сточных вод.// журн. Водоснабжение и санитарная техника. 1996.№1. С. 17.

22. Шигорин Г.Г. К вопросу о загрязненности поверхностного стока.// журн. Водоснабжение и санитарная техника. 1956. №З.С.6.

23. Петров Ю.П., Комольцев А.Н., Шипицына Т.В. Очистка и повторное использование поверхностного стока ТЭС.// сб. науч. тр. Водно-химические режимы, обезвреживание стоков и контроль за качеством воды и пара на ТЭС. М. ЭнергоАтомиздат. 1983.

24. Weibel S.R., Anderson R.I. and Woodward R.L. Urban Land Runoff as a Factor in Strem Pollution.- J. Water Pollution Control Federation. 1964. vol. 36. №7. p 914-924.

25. Пальдяева Н.П.,Малинина И.В.,Вайсфельд Б.А. и др. Очистка поверхностных сточных вод.// журн. Водоснабжение и санитарная техника. 1994. №8.С.5.

26. Бухолдин A.A. Особенность состава поверхностного стока с территории городов. // Проблемы охраны вод. вып 5. Харьков ВНИИВО. 1974.

27. Волков С.Н., Емлин Э.Ф., Кецко О.Г. Город Реж и его окрестности. Природа, техника, человек. Свердловск. 1992. 112 с.

28. Емлин Э.Ф. Геохимические аспекты процесса урбанизации на Урале. Свердловск. 1988. 54 с.