Wiele krajów świata doświadcza niedoboru, a także stopniowego wyczerpywania się i narastającego zanieczyszczenia źródeł słodkiej wody. Główną przyczyną zanieczyszczenia wód powierzchniowych jest zrzut nieoczyszczonych i niedostatecznie oczyszczonych ścieków bytowych i przemysłowych, co prowadzi do nieprzydatności odbiorników wodnych do potrzeb wodno-użytkowych. Wśród bardzo niebezpiecznych rodzajów ścieków warto wyróżnić ścieki z przemysłu lekkiego, spożywczego i innych, które zawierają wysokie stężenia zawiesin, jonów metali ciężkich, wielkocząsteczkowych związków organicznych, tłuszczów, środków powierzchniowo czynnych i innych zanieczyszczeń.
Różnorodność zanieczyszczeń pod względem stężenia i składu nie pozwala na zastosowanie jednej konkretnej metody do rozwiązania wielu zadań uzdatniania. A nawet przy wyborze optymalnej metody procesy te często nie są wolne od wad, które wyrażają się w długim czasie trwania zachodzących reakcji chemicznych, nadmiernym zużyciu środków chemicznych, niskiej efektywności wykorzystania powierzchni oczyszczalni, dużym zużyciu energii elektrycznej itp. Zatem kwestia zwiększenia efektywności dotychczasowych metod oczyszczania ścieków pozostaje aktualna.
Zasada działania urządzenia elektromagnetycznego z wirową warstwą cząstek ferromagnetycznych
Urządzenie elektromagnetyczne z warstwą wirową cząstek ferromagnetycznych jest urządzeniem składającym się z komory roboczej umieszczonej w induktorze wirującego pola elektromagnetycznego. Komora robocza zawiera cylindryczne cząstki ferromagnetyczne o określonym stosunku długości do średnicy. Napędzane polem elektromagnetycznym cząstki zaczynają poruszać się po skomplikowanych trajektoriach, tworząc tzw. warstwę wirową. Typową konstrukcję tego rodzaju urządzenia przedstawiono na rysunku 1.
Rysunek 1 – Urządzenie z warstwą wirową cząstek ferromagnetycznych: 1 – tuleja ochronna; 2 – induktor wirującego pola elektromagnetycznego; 3 – obudowa wzbudnika; 4 – komora operacyjna wykonana z materiału niemagnetycznego; 5 – cząstki ferromagnetyczne
Przy pozornie prostej konstrukcji, w komorze roboczej urządzenia zachodzi szereg procesów, w których zachodzą czynniki, których kompleksowe działanie korzystnie wpływa na oczyszczanie ścieków:
- wirujące (zewnętrzne) pole magnetyczne;
- liczne interakcje cząstek ferromagnetycznych ze sobą, ścianami komory roboczej i przetwarzanym materiałem;
- wibracje akustyczne;</span
- kawitacja;
- elektroliza.
Gwałtowny ruch cząstek ferromagnetycznych i kawitacja przyspieszają przebieg wielu reakcji fizycznych i chemicznych. Powstawanie wolnego wodoru w wyniku elektrolizy wody znacznie aktywuje reakcje redukcji. Jednocześnie dysocjacja wody na H + i (OH) daje podstawy do twierdzenia, że ten ostatni może odgrywać znaczącą rolę w reakcjach związanych z powstawaniem wytrącających się wodorotlenków metali.
Połączone działanie wszystkich powyższych czynników w jednej przestrzeni roboczej jednocześnie przyspiesza prawie wszystkie reakcje fizykochemiczne i mechaniczno-fizyczne stutysięczne, a tym samym zwiększa wydajność linii technologicznej w takim samym stopniu.
Rysunek 2 przedstawia młyn elektromagnetyczny AVS-100 wyprodukowane przez GlobeCore.
Rysunek 2 –Młyn elektromagnetyczny AVS-100
Oczyszczanie ścieków zawierających sześciowartościowy chrom i inne metale ciężkie
Ścieki z galwanizerni, przemysłu chemicznego, petrochemicznego i innych mogą zawierać chrom, nikiel, cynk, ołów, żelazo, miedź, mangan i inne metale ciężkie.
Istnieje kilka metod i schematów procesów oczyszczania ścieków wymienionych typów za pomocą elektromagnetycznych urządzeń warstwowych wirowych, co pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia środków chemicznych, osiągnięcie pełniejszego oczyszczania i zapewnienie jego ciągłości.
Redukcję chromu sześciowartościowego do chromu trójwartościowego przeprowadza się w środowisku alkalicznym przy użyciu siarczanu żelaza z jednoczesnym wytrącaniem metali ciężkich w postaci wodorotlenków. Metodę tę stosuje się dla ścieków o stężeniu Cr+6 10–200 mg/l przy kwasowości ścieków pH = 6 do kilku gramów i obecności innych metali ciężkich od 10 do 1000 mg/l (rys. 3).
Wyniki badań schematu przebiegu procesu (rysunek 3) w środowisku przemysłowym przedstawiono w tabeli 1. Zużycie Ca(OH)2 i FeSO4 było zgodne z obliczeniami stechiometrycznymi.
Tabela 1 – Oczyszczanie ścieków metodą redukcji CR+6 w środowisku alkalicznym z równoczesnym wytrącaniem metali ciężkich w warstwowym urządzeniu wirowym (elementy ferromagnetyczne: d = 1,6 mm; m = 175 g; przed oczyszczaniem – рН = 2…3, po oczyszczaniu – рН = 8,5…9)
|
Stan ścieków |
Stan wody uzdatnionej | |||
| pH | Zanieczyszczające metale | Stężenie metali, mg/L | Stężenie metali w wodzie po obróbce w urządzeniu, mg/L |
pH |
|
2–3 |
Cr+6 | 50–100 | 0 | 8,5–9 |
|
Cr+3 |
50–100 | 0 | ||
|
Fe |
do 500 | ślady | ||
|
Ni |
50–100 |
0 |
||
| Mg | do 300 |
ślady |
||
| Pb | 50–100 |
0,09 |
||
| Cu | 50–100 |
ślady |
||
Doświadczenie we wdrażaniu urządzeń z warstwą wirową wykazało, że najbardziej celowe jest stosowanie metody redukcji Cr+6 do Cr+3 w środowisku alkalicznym o zawartości chromu w roztworze nieprzekraczającej 200 mg/L, ponieważ duża ilość chromu i wodorotlenku żelaza wytrąca się przy większej ilości Cr+3. W przypadku dużej ilości chromu zalecana może być redukcja Cr+6 do Cr+3 przy użyciu wodorosiarczynu sodu w środowisku kwaśnym, a następnie wytrącanie Cr+3 w środowisku alkalicznym za pomocą elektromagnetycznego urządzenia do nakładania warstwy wirowej zarówno na pierwszy i drugi etap (Rysunek 4).
Zintensyfikowane i kompletne oczyszczanie ścieków kwaśno-zasadowych z jonów metali ciężkich za pomocą zastosowanego urządzenia następuje dzięki kompleksowemu przetwarzaniu składników w warstwie wirowej w wyniku powstawania wodorotlenków metali, ich wytrącania oraz sorpcji jonów metali ciężkich przez wodorotlenek żelaza , a także za pomocą aktywowanego żelaza koloidalnego, które powstaje w wyniku dyspersji pierwiastków ferromagnetycznych w warstwie wirowej i służy jako dobry środek redukujący. Wraz z jego pojawieniem się w warstwie wirowej zachodzą procesy powstawania wodoru w wyniku elektrolizy wody. Cecha ta prowadzi do wpływu na reakcję reprodukcji Cr+6 i zmniejszenia zużycia siarczanu żelaza, a także do pełnego odtwarzania Cr+6 i innych metali zawartych w ściekach tylko dzięki koloidowi metalu wydzielającego się wodoru.
Rycina 5 przedstawia dane porównawcze szybkości i kompletności redukcji Cr+ 6 w urządzeniu z warstwą wirową oraz w urządzeniu mieszającym z różnymi ilościami środka redukującego [Logvinenko, 1976]. Jak widać z powyższych danych, prawie całkowitą redukcję można osiągnąć w warstwie wirowej, gdy zużycie siarczanu żelaza nie przekracza 30% zużycia stechiometrycznego. Proces redukcji w warstwie wirowej uzyskuje się, gdy czas obróbki składników wynosi 1 sekundę, co umożliwia prowadzenie procesu w sposób ciągły.
Rysunek 5. Wpływ czasu trwania procesu na proces redukcji sześciowartościowego chromu: 1, 2, 3 — w urządzeniu z mieszadłem mechanicznym o zużyciu FeSO4 równym odpowiednio 50, 80 i 100% stechiometrycznej; 4, 5 — w urządzeniu z warstwą wirową przy zużyciu FeSO4 równym 10 i 30% stechiometrycznego
Proces obróbki przebiega najefektywniej, gdy jako środek chemiczny stosuje się zawiesinę wapienną, która jest aktywowana podczas obróbki w wirowym urządzeniu warstwowym. Efekt aktywujący potwierdzają widma IR CaO mleka wapiennego po obróbce w warstwie wirowej, co wskazuje na strukturalne i fizyczne zmiany właściwości CaO. Pozwala to na osiągnięcie stopnia oczyszczenia do maksymalnego dopuszczalnego stężenia przy zużyciu CaO do 90-100% teoretycznie wymaganego. Jednocześnie intensywne mieszanie środków chemicznych, działanie pola elektromagnetycznego, a także rozdrabnianie otrzymanych związków prowadzi do tego, że wodorotlenki metali otrzymane po urządzeniu warstwy wirowej są bardziej rozproszone w porównaniu z otrzymanymi w urządzeniach mieszających (Tabela 2).
Tabela 2 – Badanie zdolności dyspergowania wodorotlenków metali otrzymanych w urządzeniach do mieszania i wirowania warstw
|
Zdolność dyspersyjna wodorotlenków, mikron |
Stan ilościowy otrzymanych wodorotlenków metali | |
| w urządzeniu mieszającym, % |
w urządzeniu warstwy wirowej, % |
|
|
100–50 |
1.5 | – |
|
50–30 |
28 | – |
| 30–25 | 25.55 |
– |
|
25-30 |
44.95 | – |
|
20–10 |
– |
– |
| 10–5 | – |
0,31 |
|
5–3 |
– | 5.23 |
| 3–2 | – |
28.56 |
|
2–1 |
– |
46.9 |
| 1 | – |
19.0 |
W tabeli 2 przedstawiono dane dotyczące zdolności dyspergowania osadu otrzymanego w środowisku przemysłowym za pomocą wirowego urządzenia warstwowego do oczyszczania ścieków zawierających roztwór soli ołowiu do 675 mg/l, żelaza — 275 mg/l, miedzi — 68 mg/L, a manganu — 480 mg/L (Logvinenko, 1976). Należy zaznaczyć, że wykazana zdolność dyspersji nie doprowadziła do spowolnienia procesu wytrącania; zamiast tego wytrącanie ciał stałych po urządzeniu z warstwą wirową następowało 1,5–2 razy szybciej niż po urządzeniu mieszającym. Klarowanie wody zawierającej wodorotlenki następuje z większą szybkością dzięki połączonej koagulacji chemicznej i polaryzacyjnej oraz flokulacji.
Oczyszczanie ścieków zawierających fenol
Układarki wirowe mogą być skutecznie stosowane do oczyszczania ścieków z produkcji żywic fenolowo-formaldehydowych, zakładów koksochemicznych i drzewno-chemicznych zawierających fenol, metanol, formaldehyd i inne zanieczyszczenia. Oczyszczanie ścieków zawierających fenol odbywa się metodami chemicznymi, które polegają na utlenieniu fenolu (w stężeniu 0,5–10 g/l) w środowisku kwaśnym.
Jako środek utleniający można stosować piroluzyt, dwuchromian potasu lub sodu, ozon, chlorek wapna i nadmanganian potasu. Spośród wymienionych środków chemicznych do usuwania fenolu z urządzenia zaleca się dwuchromian potasu lub sodu przy zużyciu 2,5–3,3 g na 1 g fenolu.
W praktyce zaleca się stosowanie wodnego roztworu utleniacza o stężeniu 50–200 g/L na Na2Cr2O7 w zależności od stężenia fenolu oraz 30–50% roztworu kwasu siarkowego do zakwaszania.
Reaktory z mieszadłami służą do oczyszczania ścieków zawierających fenol, a proces utleniania w nich trwa 3-4 godziny w temperaturze 95-100 ºС.
Zastosowanie wirowego urządzenia warstwowego pozwala w dużym stopniu uprościć przebieg procesu, obniżyć temperaturę reakcji utleniania do 20–40 ºС oraz zminimalizować czas trwania procesu, co umożliwia prowadzenie obróbki w trybie ciągłym. Skład ścieków, które można skutecznie utlenić w urządzeniu z warstwą wirową przedstawiono w tabeli 3.
Tabela 3 — Charakterystyka ścieków z różnych zakładów produkcyjnych, w których do utleniania fenolu stosowane są urządzenia z warstwą wirową
| Zanieczyszczenia | Ilość zanieczyszczeń w ściekach z różnych obiektów produkcyjnych, g/L | ||
| Synteza żywic fenolowo-formaldehydowych | Synteza żywicy epoksydowej |
Synteza difenylolopropanu |
|
|
H2O4 |
– | – | 10 |
| Fenol | 0.5–5 | 0.3–0.5 |
10 |
|
Formaldehyd |
2–12 | – | – |
| Difenylolopropan | 3–5 | 1.5 |
3.3 |
|
Metanol |
0.8–10 | 6.0 |
– |
Ścieki poddawane oczyszczaniu za pomocą urządzenia do układania warstwy wirowej w procesie ciągłym powinny:
- być uśrednione pod względem składu i stężenia zanieczyszczeń;
- być wolne od zanieczyszczeń mechanicznych;
- nie zawierają żywic i produktów ropopochodnych.
Oczyszczanie ścieków za pomocą schematu blokowego procesu (Rysunek 6) przeprowadza się w następującej kolejności.
Ścieki wpływają do zbiornika zbiorczego i wyrównawczego 1 gdzie jest uśredniona, a gdzie stężenie jest wyrównane. Jeśli ilość kwasu w ściekach jest niewystarczająca, wymagana ilość kwasu siarkowego jest dostarczana ze zbiornika 2 za pomocą dozownika 5. Ścieki przepompowywane są ze zbiornika zbiorczego i wyrównawczego do elektromagnetycznego urządzenia warstwowego wirowego w ilości do 15 m3/h. Jako elementy ferromagnetyczne wykorzystuje cylindryczne cząstki o średnicy 1,2–1,8 mm w stosunku l/d = 10 w ilości 150–200 g. Czas pracy takich elementów wynosi 4–6 godzin, po czym elementy są wymieniane lub uzupełniane za pomocą automatycznego dozownika. Równocześnie do urządzenia podawany jest środek utleniający, gdzie składniki intensywnie mieszają się, a reakcja utleniania fenolu i innych substancji organicznych (metanol, formaldehyd itp.) przebiega do momentu powstania wody i gazu węglowego.
Po usunięciu fenolu ścieki poddawane są redukcji sześciowartościowego chromu, który powstaje podczas utleniania fenolu, a także neutralizacji w innym urządzeniu z warstwą wirową (oznaczenie 8, rys. 6). Siarczan żelaza służy do redukcji Cr+6 do Cr+3, a mleko wapienne do neutralizacji.
Oczyszczanie ścieków zawierających cyjanki
Zastosowanie elektromagnetycznych urządzeń z warstwą wirową do oczyszczania ścieków cyjankowych umożliwia prowadzenie utleniania cyjanków do cyjanianów, gdy jednocześnie powstają nietoksyczne węglany i amoniak. Proces odbywa się w środowisku alkalicznym o pH = 9–10. Wapno, sodę stosuje się jako środek alkaliczny w postaci 5-10% roztworu wodnego, a 5-10% roztwór chlorku wapna z podchlorynem wapnia lub chlorem stosuje się jako środek utleniający.
Resztkowa ilość cyjanku po zabiegu wynosi 0,005–0,09 mg/L przy początkowym stężeniu 30–350 mg/L.
Ważnymi czynnikami wpływającymi na jakość oczyszczania ścieków przy zastosowaniu wirowego urządzenia warstwowego są:
- dobór optymalnego schematu i metody leczenia;
- dobór i rozmieszczenie urządzeń procesowych;
- wybór trybów leczenia;
- monitorowanie i kontrola parametrów leczenia;
- prawidłowe korzystanie z urządzeń;
- uśrednianie ścieków itp.
Efektywne wykorzystanie urządzeń warstwy wirowej i oczyszczanie ścieków zależy od stopnia ich uśrednienia pod względem składu i stężenia zanieczyszczeń, które następuje w ciągu 1,5–2 godzin uśredniania.
Zalety urządzeń warstwy wirowej
Elektromagnetyczne urządzenia warstwy wirowej mogą być skutecznie wykorzystywane w schematach blokowych procesu oczyszczania ścieków metodą chemiczną przy zamkniętym wykorzystaniu wody w przedsiębiorstwach bez odprowadzania jej do zbiorników wodnych. Stosowane są w schematach blokowych procesów w zakładach uzdatniania oraz do realizacji następujących procesów:
- redukcja chromu sześciowartościowego (Cr+6) do chromu trójwartościowego (Cr+3);
- wytrącanie metali ciężkich (Cr+3, nikiel, cynk, ołów, miedź, kobalt, żelazo, mangan itp.);
- neutralizacja ścieków kwaśno-zasadowych;
- utlenianie (fenol, cyjan, produkty ropopochodne).
Aparat warstwy wirowej ...