ПИЛОТНАЯ УСТАНОВКА ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, СУЛЬФАТ- И НИТРИТ-ИОНОВ

Изобретение относится к области водоподготовки и очистке сточных вод, образующихся в горнодобывающей промышленности, на металлургических и других промышленных производствах, для очистки природных подземных вод высокой минерализации, солевых растворов и рассолов от ионов металлов, сульфат- и нитрит-ионов, предназначена для проведения испытаний и отработки эффективности технологий очистки сточных вод и установок водоочистки.

Вопрос выбора методов и технологий очистки воды является первостепенным при проектировании очистных сооружений и производства различных комплексов и оборудования для очистки воды. Проведение опытных испытаний на пилотных установках предоставляет возможность с минимальными затратами получить подтверждение дееспособности выбранной технологии очистки воды.

Сточные воды горнодобывающей промышленности характеризуются химическим загрязнением и высокой минерализацией. Преимущественно имеют кислую среду, высокое содержание сульфат-иона (в т.ч. свободной серной кислоты), ионов железа и других металлов. Производственные стоки металлургических производств также имеют кислую среду и содержат большое количество взвешенных частиц, а также соединения кальция, магния в виде сульфатов и хлоридов. Такие сточные воды интенсивно коррозируют водоотливные установки и поэтому до отвода в поверхностные водотоки и водоемы, сточные воды подвергаются очистке.

Эффективным методом очистки сульфатсодержащих сточных вод является метод, предусматривающий совместное применение щелочных реагентов и флокулянтов. Использование этого метода объясняется не только относительно высокой скоростью образования осадка, но отсутствием заслоения обрабатываемой воды, поскольку весь флокулянт извлекается с осадком, в отличие от коагулянта (Аксенов В.И., Ладыгичев М.Г., Ничкова И.И. и др. Водное хозяйство промышленных предприятий. Справочное издание. Книга 1. - М.: Теплотехник. 2005, с. 322-323).

Известен способ очистки сульфатсодержащих сточных вод, предусматривающий совместное применение известкового молока и водной суспензии глиноземистого цемента (ГЦ) с последующей обработкой флокулянтом и отделением загрязнений, в виде образовавшихся хлопьев, отстаиванием (SU 872462, C02F 1/58, 1981 г, RU 2559489, C02F 1/66, C02F 1/158, 2015 г). Преимуществом использования ГЦ является его доступность, удобство транспортировки и хранения. Кроме того, основным действующим компонентом ГЦ является трехкальциевый гидроалюминат (3СаО⋅Al₂O₃ 6Н₂О), который при взаимодействии с растворимыми сульфат-ионами образует труднорастворимое комплексное соединение гидросульфоалюминат кальция:;

Для полноты использования ГЦ необходимо освежать его поверхность с целью обеспечения эффективного взаимодействия с жидкой фазой, что достигается проведением процесса в шаровой или другой мельнице либо использование турбулентных смесителей специальной конструкции.

Для реализации указанных способов используются специальные установки, которые, наряду с реагентной обработкой сточных вод и отделением загрязнений в виде осадка, предусматривают стадии дополнительной очистки и обеззараживания осветленной воды разными методами.

Известна установка для подготовки воды питьевого качества из попутно добываемых из скважин пластовых вод, которая основана на последовательном осветлении исходной воды (RU 71112, C02F 1/24, C02F 9/08, 2008 г.). Установка содержит емкости для известкового и содового растворов и для хлопьеобразущих реагентов (флокулянта), флотатор, отстойник, соединенный с флотатором, в верхнюю часть которого поступает исходная вода, известковый и содовый растворы, установка также содержит контактный осветлитель с гравийной загрузкой, который с одной стороны, через трубопровод, имеющий штуцеры для подачи хлопьеобразующих реагентов, соединен с отстойником, с другой стороны контактный осветлитель соединен через насос высокого давления с мембранными блоками обратного осмоса.

Данная установка обеспечивает очистку подземных вод до питьевого качества. К недостаткам данной установки можно отнести то, что предварительная очистка сточных вод не удовлетворяет требованиям к методу обратного осмоса, что приводит к низкой производительности установки, так как требует частой замены мембран.

Известна установка для очистки подземных вод, включающая подводящую магистраль исходной воды, установленные по ходу технологического процесса последовательно, блок реагентных емкостей для окислителя, коагулянта и флокулянта, блок нейтрализации, блок осветления, линию отвода осветленной воды, систему отстойников, блок фильтрации с системой регенерации, емкость готового продукта, возвратно-циркуляционную линию и линию отвода шлама (осадка) из блока осветления. В данной установке вводы коагулянта и флокулянта установлены в реакторе-осветлителе, один конец возвратно-циркуляционной линии соединен с магистралью исходной воды перед точкой соединения ее с емкостью окислителем, а другой конец соединен с линией отвода осветленной воды, блок фильтрации содержит соединенные последовательно фильтры, заполненные, соответственно, природным материалом, обладающим слабоосновными свойствами, и инертным природным материалом. В качестве реактора-осветлителя используют реактор-осветлитель в контактной среде. Линия отвода шлама от блока осветления снабжена шламоотделителем, из которого выход воды, освобожденной от шлама, соединен с емкостью исходной воды, а линия отвода регенерационных растворов блока фильтрации так же соединена с емкостью исходной воды (RU 2187462, C02F 1/64, C02F 9/04, 2002 г.). Недостатком данной установки является низкая производительность, вызванная необходимостью частой регенерации фильтров и, как следствие, увеличением количества промывных вод.

Кроме того, общим недостатком указанных выше установок является невозможность их использования для очистки сточных вод горнорудной промышленности и металлургических предприятий, содержащих высокие концентрации ионов тяжелых металлов и сульфат- и нитрит- ионов, а также большой расход реагентов, связанный с отсутствием автоматизированного контроля технологического процесса.

Известна установка для очистки производственных сточных вод металлургических предприятий, которая содержит подводящую магистраль и, установленные по ходу технологического процесса, приемный резервуар, блок нейтрализации, включающий узел приготовления известкового молока и емкость-смеситель, узел приготовления раствора флокулянта, однотрубный смеситель-турбулизатор, блок осветления, который включает два отстойника-осветлителя, узел приготовления содового раствора, однотрубный смеситель-турбулизатор, блок фильтрации, включающий фильтр ультратонкой очистки и узел мембранной очистки, блок шламоотделения, возвратно-циркуляционную линию, систему трубопроводов и подающих насосов, расходомеры и запорно-регулирующую арматуру (RU 110738, C02F 9/10, 2011 г.).

Недостатком известной установки является отсутствие автоматизированного контроля технологического процесса, за счет этого большой расход реагентов и недостаточная степень очистки сточных вод, в частности, от нитрит- ионов.

Наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является установка для очистки шахтных и карьерных вод, содержащая установленные по ходу технологического процесса блок нейтрализации (обработка известковым молоком), блок флокулирования и осаждения загрязнений, блок доочистки и обеззараживания осветленной воды ультрафиолетом, блок подготовки и обезвоживания осадков, возвратно-циркуляционную линию, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, циркуляционные и подающие насосы, два рН-метра, установленные на подводящем трубопроводе до входа в блок нейтрализации и на выходе из него, устройства автоматического дозирования растворов рабочих реагентов и систему автоматизированного контроля и управления технологическим процессом. (RU 149277, C02F 9/04, 2013 г.).

Достоинствами указанной установки являются: контроль и управление процессом в автоматическом режиме, снижение количества применяемых реагентов за счет контроля кислотности поступающих на очистку и нейтрализованных СВ, обеспечение полноты смешения реагентов с СВ благодаря использованию турбулентного смесителя, специальной конструкции. К недостаткам данной установки можно отнести недостаточную степень очистки от нитрит-ионов, и повышенную щелочность очищенных сточных вод (показатель рН более 8,5), что недопустимо для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Задачей изобретения является обеспечение возможности отработки технологии очистки сточных вод, позволяющей повысить степень очистки и снизить щелочность очищенных вод.

Для решения указанной задачи предлагается пилотная установка для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, -сульфат и -нитрит ионов, содержащая установленные по ходу технологического процесса, емкость для исходной воды, блок реагентных емкостей, снабженных мешалками и устройствами автоматического дозирования, включающий емкости для известкового молока и водного раствора флокулянта, блок реагентной обработки, включающий два проточных турбулентных смесителя, из которых один посредством трубопровода соединен с емкостью для известкового молока, а второй с емкостью для раствора флокулянта, блок флокулирования и осаждения загрязнений, включающий отстойник-флокулятор и емкость для сбора осветленной воды, блок отделения и обезвоживания осадка, узел ультрафиолетового обеззараживания очищенной воды, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, рН-метры, один из которых установлен на трубопроводе, подающем сточные воду на очистку, циркуляционные и дозирующие насосы, расходомеры и автоматизированную систему управления технологическим процессом, в которой, согласно предлагаемому техническому решению, блок реагентных емкостей дополнительно включает емкость для водной суспензии глиноземистого цемента, а блок реагентной обработки дополнительно включает проточный турбулентный смеситель, трубопроводом соединенный с емкостью для суспензии глиноземистого цемента, и контактный реактор, снабженный перемешивающим устройством, при этом вход дополнительного проточного турбулентного смесителя также соединен с выходом проточного турбулентного смесителя, соединенного с емкостью для известкового молока, а выход соединен с контактным реактором трубопроводом на котором установлен второй рН-метр, установка дополнительно содержит узел озонирования, расположенный после блока флокулирования и осаждения загрязнений, а блок флокулирования и осаждения загрязнений дополнительно включает узел карбонизации, расположенный после емкости для сбора осветленной воды, и второй отстойник-флокулятор с емкостью для сбора осветленной воды, а также проточный турбулентный смеситель, вход которого трубопроводом соединен с емкостью для раствора флокулянта и выходом узла карбонизации, а выход со вторым отстойником-флокулятором, а на отводящем из узла карбонизации трубопроводе установлен дополнительный рН-метр.

Причем проточные турбулентные смесители, соединенные с емкостями для известкового молока и суспензии глиноземистого цемента, имеют одинаковую конструкцию, включающую две последовательно расположенные функциональные камеры: камеру перемешивания, снабженную турбулизирующими элементами и патрубком для подачи рабочего реагента, и камеру созревания, длина которой равна или приближена к длине камеры перемешивания, каждая камера выполнена в виде трубы, снабженной входным и выходным патрубками (далее проточный двухкамерный смеситель).

Камеры перемешивания и созревания могут быть расположены параллельно друг другу и соединены между собой фасонными соединительными элементами.

Проточные турбулентные смесители, соединенные с емкостью для раствора флокулянта, представляют собой корпус в виде трубы, снабженный входным и выходным патрубками, патрубком для подачи рабочего реагента и встроенными турбулизирующими элементами (далее проточный однотрубный смеситель).

Узел карбонизации включает емкость со сжиженным углекислым газом и контактный реактор, представляющий собой емкость, снабженную входным и выходным патрубками и газоотводящим клапаном.

Узел озонирования включает генератор озона и контактный реактор, представляющий собой емкость, снабженную входным и выходным патрубками и газоотводящим клапаном.

Блок отделения осадка включает емкость для сгущения и обработки осадка, оборудованную мешалкой и системой подачи в нее раствора флокулянта, и фильтрующее устройство мешочного типа

Совокупность указанных выше признаков, предложенных в заявляемом устройстве, а именно: наличие новых конструктивных элементов, их нового взаимного расположения и новых взаимосвязей, позволяет решить поставленные задачи.

Предлагаемая установка поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена общая схема предлагаемой установки, на фиг. 2 - проточный двухкамерный смеситель (вид сверху), на фиг. 3 - проточный двухкамерный смеситель (вид с торца).

Установка содержит установленные по ходу технологического процесса и соединенные между собой трубопроводной обвязкой емкость для исходной сточной воды 1, которая трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 2 для подачи сточных вод на очистку и рН метром 3 соединена со входом проточного двухкамерного смесителя 6, который патрубком для подачи рабочего реагента соединен через автоматическое дозирующее устройство (далее насос-дозатор) 5 с емкостью 4 для известкового молока (10% суспензия Са(ОН)₂), оборудованной верхнеприводной мешалкой. Выход двухкамерного проточного смесителя 6 соединен со входом проточного двухкамерного смесителя 9, который патрубком для подачи рабочего реагента соединен с емкостью 7 для суспензии глиноземистого цемента (ГЦ или ВГЦ) через насос-дозатор 8. На выходящем из смесителя 9 трубопроводе установлен рН-метр 10, затем контактный реактор 11, снабженный верхнеприводной мешалкой, и накопительная емкость 12. Накопительная емкость 12 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 13, соединена со входом проточного однотрубного смесителя 16, который через насос-дозатор 15 соединен с емкостью 14 для раствора флокулянта. Выход смесителя 16, соединен с отстойником-флокулятором (далее ОФ) 17, который соединен с емкостью 18 для сбора осветленной воды первой стадии фазового разделения на осветленную воду и осадочную часть. Емкость 18 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 19, соединена с узлом карбонизации, включающим баллон со сжиженным углекислым газом, который через газовый ротаметр 20 и водоструйный насос-эжектор 22, снабженный манометром 21, соединен с контактным реактором 24, представляющим собой емкость, снабженную входным и выходным патрубками и воздушным клапаном с деструктором 23. Реактор 24 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 25 и рН-метром 28, соединен со входом проточного однотрубного смесителя 27, который на входе через насос-дозатор 26 соединен с емкостью для раствора флокулянта 14, а на выходе со вторым ОФ 29, на выходе из которого установлена накопительная емкость 30 для сбора осветленной воды второй стадии фазового разделения. Емкость 30 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 31, соединена с узлом озонирования, включающим генератор озона, который через газовый ротаметр 32, и водоструйный насос-эжектор 34, снабженный манометром 33, соединен с контактным реактором 36 для обработки осветленной воды озоном, снабженным входным и выходным патрубками и воздушным клапаном с деструктором 35. Контактный реактор 36 трубопроводом соединен с узлом обработки воды ультрафиолетом 37.

ОФ 17 и 29 включают камеру флокуляции, патрубки отвода осветленной воды в накопительные емкости соответственно 18 и 30, патрубки отвода сфлокулированной массы осадков в блок обезвоживания осадков. Блок обезвоживания осадков включает емкость сгущения и обработки осадка 39, снабженную верхнеприводной мешалкой и системой подачи в нее раствора флокулянта через насос-дозатор 38, а также лабораторный мешочный фильтр 42, и воздушный компрессор 41. Мешочный фильтр 42 и емкость 39 соединены с емкостью 43 для сбора осветленной воды после обезвоживания, которая трубопроводом с циркуляционным насосом 40 соединена с емкостью для исходной воды 1.

Установка также содержит автоматизированную систему управления (СУ) (не показана) с программным обеспечением, обеспечивающим следующие функции:

- управление работой насосов-дозаторов, газовых расходомеров, верхнеприводной мешалки контактного реактора 11;

- контроль и поддержание заданной величины рН раствора в контактном реакторе 11;

- съем, протоколирование и хранение показателей работы оборудования в ходе экспериментов.

Проточный двухкамерный турбулентный смеситель (6, 9) представляет собой конструкцию, включающую две функциональные камеры: камеру перемешивания и камеру созревания, выполненные в виде металлических труб, одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу, и соединенных между собой фасонными соединительными элементами. Камера перемешивания 45 снабжена встроенными турбулизирующими элементами 46 в виде пластин из нержавеющей стали, стационарно закрепленных на фиксированном расстоянии друг от друга на оси 47, проходящей по всей длине камеры перемешивания, входным патрубком 48 и патрубком для подачи рабочего реагента 49 и выходным патрубком 50, который через фасонный соединительный элемент 51 соединен с входным патрубком 52 камеры созревания 53, снабженной выходным патрубком 54.

Параметры проточного двухкамерного смесителя (диаметр и длина функциональных камер) подбираются исходя из производительности установки. Благодаря своей конструкции проточный двухкамерный смеситель позволяет увеличить время перемешивания и контакта подаваемых реагентов со СВ.

Для удобства эксплуатации проточные двухкамерные смесители 6 и 9 соединены друг с другом через фасонный соединительный элемент 51 и смонтированы на металлической опорной раме 55. Герметизация разъемных соединений смесителя осуществляется посредством фланцевых соединений и уплотнительных прокладок, выполненных из подходящего полимерного материала, например, фторопласта.

Время нахождения смеси жидкостей в камере созревания определяется в зависимости от времени прохождения реакции в смесевой композиции, регулируется за счет изменения диаметра и общей длины камеры, а также за счет регулирования скорости перемещения потока жидких сред с помощью циркуляционных насосов.

Проточный однотрубный смеситель (16, 27) выполнен в виде металлической трубы с входным и выходным патрубками, снабженной турбулизирующими элементами и патрубком подачи рабочего реагента (раствора флокулянта). Предпочтительно использовать однотрубный турбулентный смеситель, описанный в ПМ RU 110738, 2011 г, в котором турбулизируюшие элементы, представляют собой перегородки, закрепленные на внутренней поверхности емкости поочередно на противоположных сторонах, с уклоном в направлении движения потока, таким образом, что проходное сечение между турбулизирующим элементом и внутренней стенкой емкости максимально приближено к проходному сечению входного патрубка, а диаметр емкости превышает диаметр входного и выходного патрубков не менее чем в два раза.

Установка работает следующим образом.

Сточные воды, подлежащие очистке (далее СВ), из емкости 1 с помощью насоса 2 подаются на проточный рН-метр 3, с целью определения водородного показателя исходной воды, и далее поступают в проточный двухкамерный смеситель 6. На основании показаний рН-метров 3 задается доза подачи известкового молока из емкости 4 в проточный двухкамерный смеситель 6, путем регулирования числа оборотов ротора насоса-дозатора 5. В смесителе 6 в процессе нейтрализации СВ до показателя рН 10,5-12 происходит образование нерастворимых гидроксидов металлов, образующих суспензию СВ.

Полученная суспензия СВ, поступает в проточный двухкамерный смеситель 9 в который через насос-дозатор 8 из емкости 7 подается 10% водная суспензия глиноземжстого (ГЦ) или высокоглиноземистого цемента (ВГЦ). Смесь активно перемешивается с образованием хлопьев гидросульфоалюмината кальция, и поступает в контактный реактор 11, где выдерживается при перемешивании примерно 2 часа для наиболее полного прохождения процесса образования нерастворимых соединений металлов и сульфатов. При необходимости интенсификации процесса увеличивается число оборотов верхнеприводной мешалки. Из контактного реактора 11 суспензия СВ самотеком поступает в промежуточную накопительную емкость 12 откуда насосом 13 подается в проточный однотрубный смеситель 16 в который дозируется раствор флокулянта заданной концентрации из емкости 14 через насос-дозатор 15. Полученная смесь активно перемешивается, с образованием укрупненных хлопьев, и подается в ОФ 17, в котором происходит процесс фазового разделения сфлокулированных загрязнений в виде осадка и с образованием осветленной воды. Сфлокулированные осадки, накопившиеся в донной части ОФ17, удаляются самотеком, путем открытия соответствующей запорной арматуры, по линии отвода осадка в емкость сгущения и обработки осадка 39, а затем в мешочный фильтр 42. Осветленная вода из ОФ 17 самотеком поступает в промежуточную емкость 18, откуда насосом подается в контактный реактор 24, в который через водоструйный насос - эжектор 22, дозируется углекислый газ (СО₂) с целью доведения показателя рН воды до значения 6,5÷8,5 и очистки СВ от солей жесткости (карбонатов кальция и магния). Количество подаваемого CO₂ регулируется газовым ротаметром (расходомером) 20. Излишки нерастворенного СО₂ из контактного реактора 24 отводятся через воздушный клапан с деструктором 23. Обработанная СО₂ СВ из контактного ректора 24 насосом 25 подается в проточный однотрубный смеситель 27, в который из емкости 14 посредством насоса-дозатора 26 подается раствор флокулянта, где интенсивно перемешивается и затем подается во второй ОФ 29, в котором происходит дополнительное осветление воды и отделение загрязнений в виде осадка. Из ОФ 29 осветленная вода самотеком попадает в накопительную емкость 30, откуда с помощью насоса 31 подается в контактный реактор 36 узла озонирования, в который через водоструйный насос-эжектор 34 подается озон с генератора озона (не показан). Количество подаваемого озона регулируется газовым ротаметром (расходомером) 32. В реакторе 36, присутствующие в СВ нитриты озоном окисляются до нитратов. Образующиеся излишки не растворившегося озона выводятся через воздушный клапан с деструктором 35. Далее очищенная вода, поступает на установку ультрафиолетового обеззараживания 37 и затем собирается в емкости очищенной воды (не показана). Из емкостей 1, 12, 18, 30, и емкости очищенной воды периодически производится отбор пробы воды на анализ, с целью оценки количественно-качественного состава воды на различных этапах работы пилотной установки.

С нижней части аппаратов ОФ 17 и 29 сгущенная часть осадка по трубопроводу сливается в емкость сгущения и обработки осадка 39. В емкость при помощи насоса-дозатора 38 подается раствор флокулянта, который перемешивается с осадочной массой верхнеприводной мешалкой. После перемешивания происходит процесс фазового разделения на осадок и осветленную воду. Осветленная вода по трубопроводу самотеком подается в емкость осветленной воды 43 с последующей перекачкой насосом 40 в емкость исходной воды 1.

Сгущенный осадок из емкости 39 по мере накопления подается в мешочный фильтр 42. Процесс обезвоженного осадка на фильтре 42 основан на продавливании суспензии через фильтровальный элемент давлением сжатого воздуха (2,5-4 атм.), которое создается подачей сжатого воздуха от воздушного компрессора 41. После окончания фильтрации отфильтрованный осадок выгружают из фильтра, определяют его химический состав и влажность. Фильтрат собирают в емкости 43 и возвращают циркуляционным насосом 40 в емкость исходной воды 1.

Показания рН-метров 3, 10, 28, расходомеров 20, 32 и частота оборотов мешалки в контактном реакторе 11 снимаются и систематизируется СУ. Для определения эффективности технологии очистки воды сравнивают степень очистки воды при разной дозировке рабочих реагентов, яри различной интенсивности и времени перемешивания в контактном реакторе 11 и подбирают необходимую дозировку реагентов и время обработки СВ для достижения требуемой степени очистки воды.

Предлагаемая пилотная установка представляет собой портативную модель комплекса сооружений очистки сточных вод. Технологическое оборудование размещено на четырех рамно-модульных секциях сборно-разборного типа.

Производительность предлагаемой пилотной установки составляет 50-60 л/час, основной режим работы установки автоматический. Вспомогательные и отладочные операции выполняются вручную (регулировка запорной арматуры с целью настройки производительности установки по очищенной воде, настройка давления воды в гидравлической системе установки, настройка частоты вращения верхнеприводной мешалки контактного реактора 11, настройка насосов-дозаторов и расходомеров, настройка режима работы фильтра 42, приготовление рабочих растворов).

Предлагаемая установка позволяет провести отработку технологического процесса очистки сточных вод, с достижением степени очистки, соответствующей 1 категории по ГОСТу 17.1.02.04-77 «Показатели состояния и правил таксации рыбохозяйственных водных объектов», применяемым к рыбохозяйственным водоемам.