Сорбция - это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом, жидкостью или газом. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое - сорбитом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого или газообразного сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

При очистке сточных вод в основном используют адсорбционный процесс на развитой твердой поверхности сорбентов.

Адсорбция растворенных веществ - результат перехода молекулы растворенного вещества из раствора на поверхность твердого сорбента под действием силового поля поверхности. В этом случае существует два вида межмолекулярного взаимодействия: молекул растворенного вещества с молекулами поверхности сорбента и молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе (гидратация). Разность этих двух сил межмолекулярного взаимодействия и есть та сила, с которой удерживается извлеченное из раствора вещество на поверхности сорбента.

Чем больше энергия гидратации молекул растворенного вещества, тем большее противодействие испытывают эти молекулы при переходе на поверхность сорбента и тем слабее адсорбируется вещество из раствора. Поэтому сорбционная очистка сточных вод более эффективна при наличии соединений, энергия связи которых с твердой поверхностью сорбента значительно превосходит энергию гидратации.

Адсорбционный метод применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильно токсичными.

Достоинство метода - высокая эффективность при малых концентрациях загрязнений сточных вод, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также возможность рекуперации этих веществ.

Адсорбционная очистка сточных вод наиболее рациональна, если в них содержатся преимущественно ароматические соединения, неэлектролиты или слабые электролиты, красители, непредельные соединения, гидрофобные (например, содержащие хлор или нитрогруппы) алифатические соединения. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод неприменим.

В качестве адсорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: торф, активные глины, золу, шлаки, опилки, коксовую мелочь, алюмогели и др. Эффективными адсорбентами являются активированные угли различных марок. Пористость этих углей составляет 60-75%, а удельная площадь поверхности - 400-900 м 2 /г. Адсорбционные свойства активированных углей зависят от структуры и величины пор. Они должны обладать определенными свойствами: слабо взаимодействовать с молекулами воды и хорошо - с органическими веществами, быть относительно крупнопористыми, чтобы их поверхность была доступна для органических молекул. В зависимости от размера нор активированные угли делятся на крупнопористые, мелкопористые и смешанного типа. Угли должны быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав.

Рис. 5.12.

Активность адсорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сопбента (кг/м 3 , кг/кг).

вода адсорбент

Адсорбция - процесс обратимый, т.е. адсорбированное вещество (адсорбат) может переходить с адсорбента обратно в раствор. Скорости протекания сорбционного (прямого) и десорбционного (обратного) процессов пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности адсорбента. На рис. 5.12 представлена схема одноярусного адсорбера.

Февраль 3, 2005

В настоящее время для очистки промышленных сточных вод используются различные технологии. В наиболее распространенной является реагентная, при которой ионы тяжелых металлов (Cr 3+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ и др.) с помощью щелочного реагента переводятся в практически нерастворимые гид­роксиды этих металлов и выделяются из водной среды отстаиванием и фильтрованием. В качестве щелочных реагентов, вво­димых в очищаемый сток, ис­пользуются сода (кальцинированная или каустическая) или гашеная известь Са(ОН) 2 (известковое молоко).

Реагентный метод очистки сточных вод имеет ряд недостатков.

Во-первых, кон­центрация ионов тяжелых металлов и водородный показатель (рН) в сточных водах постоянно изменяются. Технология корректировки рН весьма инерционна и не может обеспечить своевременное изменение требуемой дозы щелочного реагента. Это обстоятельство приводит к неполному переводу ионов тяжелых металлов в их гидроксиды и проскоку этих ионов за пределы очистных сооружений в составе очищенных сточных вод. Причем концентрации тяжелых металлов при их проскоках в виде ионов могут в десятки раз превышать ПДК. Во-вторых, при применении реагентов возрастает и без того высокое солесодержание очищенных сточных вод, что может служить дополнительным препятствием при повторном их использовании в технологических операциях.

Перевод ионов тяжелых металлов в их гидроксиды сам по себе хороший технологический способ, но реализация его посредством добавления щелочного реагента с последующим отстаиванием и фильтрованием через обычные песчаные фильтры значительно снижает эффективность и надежность Как правило, очищенные сточные воды повторно использоваться не могут из-за низкого их качества.

Проблема обеспечения высококачественной очистки загрязненных сточных вод должна решаться путем упрощения технологической схемы, конструктивного оформления и эксплуатации водоочистных сооружений при одновременном повышении степени очистки, универсальности, надежности, а также экологической безопасности технологического процесса, возможности максимальной и даже полной автоматизации его.

В свете изложенных требований среди известных методов очистки сточных вод гальванических цехов до заданных нормативов (ионообменный, мембранный, сорбционный) наи­более перспективным представляется сорбционный при условии, что применяемый в технологическом процессе очистки адсорбент способен длительное время (месяцами и даже годами) выполнять свои функции водоочистителя, т. е. очищать фильтруемую через него воду от всего комплекса находящихся в ней вредных примесей при восстановлении сорбционной активности адсорбента посредством регенерации, осуществляемой непосредственно в фильтровальном сооружении.

Сорбционный метод очистки природных и сточных вод с использованием активированных углей и цеолитов известен давно. Однако широкого распространения он не нашел вследствие того, что данные адсорбенты являются фильтрующими материалами разового использования. Регенерация активированных углей и цеолитов дорогостоящая и трудоемкая операция и в условиях действующих водоочистных сооружений практически не осуществима, потому что требуются выгрузка материала из фильтра, активация его за пределами водоочистной станции на специальной установке, доставка отрегенерированного материала обратно на водоочистную станцию и загрузка его в фильтровальное сооружение. Если пойти по пути разового использования адсорбентов, то кроме колоссальных затрат на замену материала возникает вероятность экологической опасности, так как для надежного захоронения отработанного загрязненного адсорбента в огромном количестве требуются большие экономические затраты.

Недостатки сорбционного метода очистки сточных вод

Эксплуатационные и экономические недостатки сорбционного метода очистки природных и сточных вод традиционными адсорбентами устраняются при использовании в технологическом процессе водоочистки адсорбента, обладающего высокой поверхностной активностью зерен, позволяющего восстанавливать сорбционную способность посредством технологически не­сложной, непродолжительной по времени регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении. Наиболее эффективной основой для получения адсорбентов с целенаправленно ре­гулированными свойствами могут служить алюмосиликатные минералы, так как в их структуру можно вводить практически любые добавки органического и минерального происхождения, которые будут придавать поверхности зерен требуемые свойства.

Отличительным и положительным свойством этих минералов является «дефектность» их кристаллической решетки и способность к катионному замещению. Слоистая тетраэдооктаэдрическая структура алюмосиликатов позволяет принимать катионы не только в свою кристаллическую решетку, но и в межслоевые и межплоскостные пространства, а также на базальные плоскости частиц минерала. В качестве таких обменных ка­тионов могут служить магний и кальций, которые имеют слабые связи с поверхностью частиц ми­нерала и в водной среде достаточно легко переходят в раствор.

Катионы магния и кальция, как показали многолетние иссле­дования на кафедре «Водоснабжение и водоотведение» Пе­тербургского государственного университета путей сообщения, выполняют основную роль в ходе процесса сорбционного извлечения загрязнений сточных вод, участвуя вначале (посредством химического воздействия) в образовании новых соединений, а затем в создании коллоидных структур этих соединений на по­верхности зерен адсорбента и в межзерновом поровом пространстве. Поэтому при изготовлении алюмосиликатного адсорбента в сырье в качестве активирующей добавки вводят соединения магния и кальция.

Важными технологическими особенностями активированного алюмосиликатного адсорбента являются:

• способность к ионному обмену щелочноземельных и щелочных металлов (Mg 2+ , Ca 2+ , Na +) благодаря «дефектности» кристаллической решетки катионита, из которого изготавливается адсорбент;
• увеличение водородного показателя до 9 в профильтрованной через адсорбент воде;
• возникновение положительного ζ -потенциала на границе раздела «зерно адсорбента – жидкость» при фильтровании воды через слой адсорбента;
• восстановление сорбционной активности активированного алюмосиликатного адсорбента по отношению к ионам тяжелых металлов путем регенерации, проводимой непосредственно в фильтровальном сооружении.

При изготовлении активированного алюмосиликатного адсорбента благодаря природной ионообменной способности алю­мосиликатной основы происходит замещение части трехвалентного алюминия катионами магния и кальция, входящими в состав активатора, а также заполнение «вакансий» в узлах кристаллической решетки и в межслоевом пространстве выше­указанными катионами. В результате такого целенаправленного модифицирования и активирования алюмосиликатного сырья получается гранулированный материал, который при фильтровании воды через зернистый слой образует слабощелочную среду и положительный электрокинетический потенциал. Предпосылкой для создания щелочной среды являются оксиды магния и кальция, образующиеся в структуре адсорбента в процессе его изготовления. Оксиды магния и кальция образуют в воде гидроксиды, повышая таким образом рН за счет избытка анионов ОН – . Катионы тяжелых металлов, попадая в щелочную среду, вступают в реакцию и образуют труднорастворимые гидроксиды по схеме:

Ме 2+ + 2ОН – ® Ме(ОН) 2 ¯;

Ме 3+ + 3ОН – ® Ме(ОН) 3 ¯.

Произведение растворимости гидроксидов тяжелых металлов значительно меньше (в десятки и в сотни раз) произведения растворимости гидроксидов магния и кальция, поэтому равновесие химического взаимодействия смещается в сторону образования труднорастворимых гидроксидов тяжелых металлов. Кроме того из адсорбента в воду диффундируют обменные катионы Mg 2+ и Ca 2+ , также способствующие повышению рН среды за счет избыточных анионов ОН – , связываемых в дальнейшем в гидроксиды тяжелых металлов. Диффузия катионов Mg 2+ и Ca 2+ возможна благодаря непрочности связей с кристаллической решеткой катионита. Таким образом, формируются мицеллы гидроксидов тяжелых металлов с дальнейшим укрупнением их в агрегаты, образованием и ростом коллоидной структуры за счет сил электростатического взаимодействия между положительно заряженной поверхностью зерен адсорбента и отрицательно заряженными мицеллами гидроксидов тяжелых металлов.

В процессе фильтрационного извлечения из воды ионов тяжелых металлов активная часть адсорбента, состоящая из катионов магния и кальция, продуцируя в водную среду, постепенно уносится вместе с фильтратом. Наступает момент, когда очистительные (защитные) функции адсорбента становятся недостаточными, и концентрация выносимых с фильтратом ионов тяжелых металлов превышает установленные ПДК. Требуется активация адсорбента, т. е. восполнение ушедших вместе с водой обменных катионов.

При выборе активатора для восстановления сорбционных свойств адсорбента учитывались три наиболее важных фактора:

1. во-первых, активатор должен растворяться в воде, чтобы активацию проводить раствором непосредственно в фильтровальном сооружении;
2. во-вторых, ионообменный катион в ряду активности катионов должен быть расположен выше, чем кальций и магний;
3. в-третьих, этот катион должен обладать щелочными свойствами и быть легко доступным для практического использования. Всем этим условиям в наибольшей степени отвечает катион натрия Na + в составе кальцинированной соды.

Как показала практика эксплуатации, обработка активированного алюмосиликатного адсорбента 3−4-процентным раствором кальцинированной соды в циркуляционном режиме в течение 30-35 мин восстанавливает защитные свойства адсорбента независимо от количества проведенных циклов регенерации, т. е. в течение длительного срока эксплуатации. Восстановление сорбционной активности фильтрующей загрузки осуществляется обработкой 3−4-процент­ным раствором кальцинированной соды в режиме циркуляции с интенсивностью 3 л×с/м 2 . Регенерационный раствор используется многократно. Перед восстановлением необходимо промыть фильтрующую загрузку водой с интенсивностью 14 л×с/м 2 .

В 2004 г. в ГУ «Городской ла­бораторный центр государствен­ного санитарно-эпидемиологиче­ского надзора» (С.-Петербург) были проведены исследования (торговая марка «Глинт»). Для исследования эффективности работы адсорбента «Глинт» в качестве исходной пробы использовалась дистиллированная вода, приготовленная с добавлением реактивов, содержащих металлы: сульфаты никеля, кадмия, марганца, цинка, меди и хрома, железо треххлористое, свинец азотнокис­лый. Как показывают результаты исследований, адсорбент «Глинт» обладает способностью значительно снижать концентрации ионов тяжелых металлов в водных растворах (таблица).

Технология очистки промыш­ленных сточных вод с использованием активированного алюмосиликатного адсорбента реализо­вана:

• для гальванического производства на ФГУП «Рязанский приборный завод»,
• для аккумуляторного завода в ЗАО «Электро­тяга» (С.-Петербург),
• ОАО «Завод по выпуску алмазного инструмента» (г. Томилино Московской обл.),
• АО «Муромский радиозавод» (г. Муром),
• ОАО «Ступинский металлургический комбинат» (г. Ступино Московской обл.),
• ОАО «Измеритель» (г. Смоленск)
• и на ряде других предприятий.

Например, в ОАО «Ступинская металлургическая компания» (г. Ступино Московской обл.) с 2000 г. эксплуатируются напорные фильтры производительностью 3500 м 3 /сут, загруженные активированным алюмосиликатным адсорбентом (пять фильтров по 16 м 2). Состав загрязнений, поступающих на фильтры, мг/л: нефтепродуктыдо 20, Cr 3+ до 10, Cu 2+ до 5, Fe 3+ до 10, Al 3+ до 5, Ni 2+ до 10, Zn 2+ до 5, рН 6-7,5. Состав фильтрата соответствует значениям ПДК вредных веществ для водоемов рыбохозяйственного назначения. Регенерация адсорбента производится через 5-7 суток 3-про­центным раствором кальцинированной соды. Износ адсорбента составляет около 5 %в год. Себестоимость очистки 1 м 3 сточных вод (по данным предприя­тия) – 4,5 руб.

На этом и других предприя­тиях используется активированный алюмосиликатный адсорбент со следующими характеристиками (по ГОСТ 51641−2000 «Материалы фильтрующие зернистые. Общие технические указания»): размер зерна 0,63–2 мм, объемная масса 0,95–1 г/см 3 , измельчаемость до 0,5, истираемость до 5, удельная рабочая по­верхность9-12 м 2 /г, минимальное значение рН фильтруемой воды6.

Выводы

Опыт промышленной эксплуатации указанных объектов показывает, что технологический процесс сорбционной очистки сточных вод отличается надежностью и экономичностью при высоком качестве. Как правило, очищенные сточные воды повторно используются на технологические нужды. Переход предприятий на замкнутый цикл водоснабжения улучшит экологическую обстановку в регионе, обеспечит рациональное использование водных ресурсов.

Е. Г. ПЕТРОВ, профессор (Петербургский государственный университет путей сообщения);
Д. С. КИРИЧЕВСКИЙ, директор ЗАО «Квант Минерал» (С.-Петербург)

Сущность метода: сорбционная очистка сточных вод производства - это процесс поглощения частиц загрязнителя различными фильтрующими материалами. Основным критерием при выборе того или иного фильтрующего материала являются сорбционные свойства материала, так как именно от них зависит эффективность очистки сточных вод. Среди критериев выбора фильтрующего материала можно назвать несколько основных свойств материала:

Механическая прочность материала;

Химическая устойчивость материала;

Сорбционные свойства материала.

Сорбционные методы можно условно поделить на две разновидности:

1) сорбция на активированном угле (адсорбционный обмен);

2) сорбция на ионитах (ионный обмен).

Достоинства метода:

1) очистка до ПДК;

2) возможность совместного удаления различных по природе примесей;

3) отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод;

4) возможность возврата очищенной воды.

Недостатки метода:

1) дороговизна и дефицитность сорбентов;

2) громоздкость оборудования;

3) большой расход реагентов для регенерации сорбентов;

4) образование вторичных отходов, требующих дополнительной очистки.

4. Доочистка сточных вод фильтрованием через неподвижный слой сорбента

Двухступенчатая доочистка сточных вод осуществляется последовательно на песчаных и сорбционных фильтрах, которые устанавливаются после других сооружений очистки. Технология очистки предназначена для получения такого качества воды, которое позволяет использовать обеззараженную воду в технологических процессах промышленных предприятий. Доочистке на фильтрах подвергаются все загрязнения, находящиеся в составе сточных вод.

Для доочистки сточных вод использовались активированные угли марок АГ-5 и КАД йодный, выпускаемые промышленностью, а также торфяной активированный уголь (ТАУ).

Характеристика активированных углей, используемых для доочистки сточных вод, приведена в табл.

Характеристика активированных углей

Марка угля	Суммарная пористость, см 3 /г	Удельный объем макропор, см 3 /г	Удельный объем переходных пор, см 3 /г	Удельный объем микропор, см 3 /г	Порозность загрузки	Насыпной вес, г/см 3	Диаметр зерен, мм	Удельная поверхность переходных пор, м 2 /г
КАД йодный

Показатели качества сточных вод (до и после доочистки) приведены в табл.

Показатели качества сточных вод после доочистки на фильтрах

Показатель	Концентрация загрязнений до применения фильтров, мг/л	Концентрация загрязнений после доочистки, мг/л
		на песчаных фильтрах	применение сорбционного фильтра, загруженного углем АГ-5	применение сорбционного фильтра, загруженного углем КАД йодным	применение сорбционного фильтра, загруженного ТАУ углем
Взвешенные вещества			отсутствуют	отсутствуют	отсутствуют
БПК поли
Растворимый кислород

На рис. 6 приведена схема доочистки сточных вод на двухступенчатых фильтрах. реагентный сточный фильтрование

Рис. 6. Схема доочистки сточных вод: 1 – вода после сооружений биологической очистки; 2 – приемный резервуар; 3 – насосная установка; 4 – устройство для перемешивания воды; 5 – распределительная камера; 6 – фильтр, загруженный песком; 7 – приемный резервуар; 8 – насосная установка; 9 – устройство для перемешивания воды; 10 – распределительная камера; 11 – сорбционный фильтр; 12 – промывной насос; 13 – резервуар промывной воды; 14 – сброс очищенной воды

Технологическая схема двухступенчатой доочистки сточных вод включает в себя приемный резервуар 2, насосную установку 3, с помощью которой вода подается в распределительную камеру 5, откуда самотеком поступает на песчаные фильтры 6. Очищенная на песчаных фильтрах вода собирается в приемный резервуар 7, откуда насосной установкой 8 перекачивается в распределительную камеру 10. На сорбционные фильтры 11 вода из распределительной камеры подается снизу вверх. При подаче сточных вод в распределительные камеры 5 и 10 часть воды переливается и отводится по трубопроводам 4 и 9 в приемные резервуары, где происходит перемешивание исходной жидкости. Эффективность очистки воды 96–99 %

Первая ступень фильтра загружена песком с диаметром зерен 1,8 мм и высотой 0,5–1 м. Скорость фильтрования составляет 10 м/ч. Период между регенерацией загрузки фильтра зависит от концентрации веществ и составляет 9–15 ч. Грязеемкость фильтра находится в пределах от 2,6 до 6,6 кг/м 3 . Промывка фильтра производится водой с интенсивностью 18–20 л/см 2 . Продолжительность промывки составляет 7 мин. Объем промывной воды – 4 % от объема очищенной воды. Для фильтров первой ступени можно использовать водовоздушную промывку с интенсивностью подачи воды 12 л/см 2 и интенсивностью подачи воздуха 16–19 л/см 2 . Продолжительность водовоздушной промывки составляет 6 мин.

Сорбционный фильтр загружен сорбентом на высоту 3,2 м, скорость фильтрования воды – 2–2,5 м/ч. Крупность зерен загрузки 1–2 мм. Интенсивность промывки сорбционных фильтров 6–12 л/см 2 . Продолжительность промывки принимается 7–10 мин. и уточняется в процессе эксплуатации фильтров. Фильтроцикл составляет 24 часа. Продолжительность работы сорбционных фильтров до регенерации – от 3 до 4 суток. Регенерация загрузки сорбционных фильтров выполняется тогда, когда ХПК (химическое потребление кислорода) после фильтрования на второй ступени превышает 15 мг/л.

Расчет величины рН сточных вод

Количество кислотных компонентов в стоках составляет:

H 2 SO 4 = 500 мг/л

HCl = 500 мг/л

M (H 2 SO 4) = 2·1,008+32,064+4·15,999 = 98,076 г/моль

M (HCl) = 1,008+35,453 = 36,461 г/моль

[Н + ] = / M = 500 / 98,076 = 5,1 моль/м 3

[Н + ] = / M = 500 / 36,461 = 13,7 моль/м 3

pH = -1g =-1g (([Н + ] H2SO4 + [Н + ] HCl) /Q ст)

где Q ст – производительность стока, Q ст = 2 м³/час

pH = -1g ((5,1 + 13,7) / 2) = - lg 9,4 = - 0,97

Таким образом, рН стоков равен 0,97 что говорит об избытке кислых компонентов (кислот).

1м 3 =1000дм 3 =1000л

1мг/л=1мг/дм 3 =1г/м 3

	Расход реагента в граммах на 1г иона металла,

Среди существующих методов водоочистки сорбционный способ является одним из самых распространенных. Что это такое сорбционная очистка воды , и для чего она нужна? Данная процедура относится к эффективным способам глубокой очистки жидкости, позволяющим убрать вредные примеси и химические соединения посредством связывания частиц на молекулярном уровне. Уникальность такой фильтрации состоит в возможности удалить из воды органику, не поддающуюся отделению другим образом.

Сорбционный метод очистки воды с использованием высокоактивных сорбентов позволяет получить жидкость, в которой почти нет остаточного концентрата. Высокая активность сорбентов делает возможным взаимодействие с веществами, независимо от их концентрации: даже при малых дозах вредных примесей этот способ будет работать.

Понятие адсорбции и ее эффективность

Термин «адсорбция» означает процесс поглощения загрязнителей в воде поверхностью твердых тел. В его основе лежит принцип пропускания молекул таких примесей через особую пленку, окружающую адсорбент, и их притягивание к его поверхности. Вышеназванный процесс происходит, если жидкость для очистки перемешивается.

Наибольшего эффекта такой способ позволяет добиться при малой концентрации вредных веществ, что наблюдается в случае сильной очистки. Все, что не осело на предыдущих фильтрах, удаляется сорбцией, при этом на выходе получается чистая вода.

Скорость процесса и его эффективность зависят от ряда факторов:

• Структуры сорбента.
• Температуры.
• Концентрации загрязнителя и его состава.
• Активности реакции среды.

При современных установках лучшим вариантом сорбента, эффективно очищающим воду, признается активированный уголь разных типов. Чем больше данное вещество имеет микропор, тем выше качество очистки воды методом угольной сорбции.

Специалисты компании «Русватер» помогут подобрать оптимальный вариант фильтрующих установок, работающих по принципу сорбции, что даст возможность организовать эффективную водоподготовку и очистку воды от различных примесей, независимо от ее назначения.

Фильтрация воды через активированный уголь должна исключать попадание на сорбент жидкости с растворенными взвесями и коллоидными частицами, так как они портят поверхность угля, экранируя его поры. Сорбент, пришедший в негодность из-за такого воздействия, восстанавливают либо меняют.

Для дехлорирования воды применяются сорбционные фильтры на основе активированного угля, делающие воду лучше, а также позволяющие очистить ее от азотистых включений. Совместное использование сорбции и озонирования в разы усиливает действенность очистки с одновременным повышением возможностей активированного угля. При использовании в роли сорбента природных минералов с Ca и Mg, а также окислов алюминия, из воды удаляются соединения фосфора.

Для чего нужна сорбция и где она используется?

Фильтрация воды углем с помощью сорбционных установок различного типа применяется для глубокой очистки жидкости в замкнутых системах, включая очистку канализационных стоков от органики.

Среди существующих методик тонкой очистки сорбция признается одним из наиболее эффективных способов, позволяющим удалить из воды органические вещества без значительных затрат. Технология пользуется популярностью в случаях необходимости очистить стоки от красителей, а также убрать иные гидрофобные соединения.

Данный способ не подходит, если в стоках присутствуют только неорганические загрязнители либо растворенная в них органика имеет низкомолекулярную структуру. Сорбция может применяться в комплексе с биологической очисткой или выступать самостоятельным средством.

Сорбционная очистка воды позволяет освободить жидкость от привкуса сероводорода и хлора и убрать неприятные запахи. Эффективность использования активированного угля в роли сорбента объясняется его структурой: фильтрацию выполняют имеющиеся микропоры. Получают активированный уголь из древесины, торфа, продуктов животного происхождения либо ореховых скорлупок. Нанесение на поверхность активированного угля частиц ионов серебра защищает материал от поражения разного рода микроорганизмами.

В большинстве случаев активированный уголь применяют для очистки воды от органики и для проведения процесса водоподготовки перед обратным осмосом. Сорбция позволяет эффективно убрать из воды хлор, улучшив ее качества. При этом таким методом хлор удаляется также для подготовки технической воды, применяемой для гигиенических целей.

Наши системы угольной очистки

Не менее востребованы сорбционные фильтры в общей системе обезжелезивания. Сорбционная очистка воды от железа необходима для удаления его твердых частиц после окисления до нерастворимых оксидов.

Системы сорбционной очистки могут быть разными. Выбор конкретного варианта происходит после проведения анализа воды и установления содержащихся в ней примесей. Такая работа должна проводиться профессионалами, поэтому наши специалисты всегда готовы помочь вам в этом.

Описание презентации Сорбционные методы очистки воды Физико-химические методы водоподготовки 1 по слайдам

Сорбционные методы очистки воды Физико-химические методы водоподготовки 1 Лекция

Роль адсорбционных методов очистки воды Физико-химические методы водоподготовки Очистка воды сводится, как правило, к переводу содержащихся в ней загрязняющих веществ в твердую (реже в газовую) фазу. Перевод в твердую фазу веществ, присутствующих в воде в ионной форме, достигается путем их перевода в малорастворимые соединения (химическое осаждение) или путем соосаждения (коагуляции). Однако, если в воде присутствуют растворенные вещества в молекулярной форме (особенно, если они являются неполярными или слабополярными), для их удаления требуется использовать иные методы, среди которых наиболее перспективным оказывается адсорбция. Адсорбция – поглощение молекул растворенного в воде вещества твердым нерастворимым телом – адсорбентом. Поглощение происходит за счет физической сорбции или хемосорбции на развитой поверхности адсорбента. Физическая сорбция основана на силах межмолекулярного взаимодействия. Хемосорбция основана на поглощении с образованием химических соединений на поверхности твердого тела с участием химических реакций. Адсорбенты – твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью (до 1000 м 2 /г) за счет высокой пористости.

Структура активированных углей Физико-химические методы водоподготовки Наиболее распространенные адсорбенты – активные (активированные) угли разных марок. Активные угли представляют собой пористые углеродные тела, зерненые или порошкообразные, имеющие большую площадь поверхности. Неоднородная масса, состоящая из кристаллитов графита и аморфного углерода, определяет своеобразную пористую структуру активных углей, а также их адсорбционные и физико-механические свойства. Пористая структура активных углей характеризуется наличием развитой системы пор, которые классифицируются по размерам следующим образом: Микропоры – наиболее мелкая разновидность пор, соизмеримая с размерами адсорбируемых молекул. Удельная поверхность микропор достигает 800– 1000 м 2 /г. Мезопоры – поры, для которых характерно послойное заполнение поверхности адсорбируемыми молекулами, завершающееся их наполнением по механизму капиллярной конденсации. Удельная поверхность мезопор достигает 100– 200 м 2 /г. Макропоры – самая крупная разновидность пор, удельная поверхность которых обычно не превышает 0, 2– 0, 5 м 2 /г. Макропоры в процессе сорбции не заполняются, но выполняют роль транспортных каналов для доставки вещества к поверхности адсорбирующих его пор. В соответствии с нормами Международного союза чистой и прикладной химии ИЮПАК, поры с диаметром меньше 0, 4 нм называются субмикропорами, поры с диаметром от 0, 4 до 2, 0 нм – микропоры, поры с диаметром от 1 до 50 нм – мезопоры и более 50 нм – макропоры. — микропоры – с размером до 20 A, — мезопоры – с размером 20– 500 A, — макропоры – с размером более 500 A.

Роль адсорбционных методов очистки воды Физико-химические методы водоподготовки. Адсорбционные свойства активных углей оцениваются количеством модельного вещества, сорбированного единицей массы угля при определенных условиях, а также временем защитного действия единицы объема угля до полного его насыщения. В основном адсорбционные свойства углей определяются микропорами, составляющими до 90% всей поверхности активного угля. На ней и протекают процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов углерода с молекулами адсорбируемых веществ. Мезо- и макропоры выполняют в основном транспортную роль. Большой объем крупных пор приводит к уменьшению плотности адсорбента и его емкости. Лучше сорбируются вещества в молекулярной форме, хуже – в ионной. Способность органических веществ к сорбции возрастает в ряду: гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения. Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы и температуры.

Механизмы адсорбции на углях Физико-химические методы водоподготовки. Для адсорбции в микропорах (удельный объем 0, 2 -0, 6 см 3 /г и 800 -1000 м 2 /г), соизмеримых по размерам с адсорбируемыми молекулами, характерен главным образом механизм объемного заполнения. Аналогично происходит адсорбция также в супермикропорах (удельный объем 0, 15 -0, 2 см 3 /г) — промежуточные области между микропорами и мезопорами. В этой области свойства микропор постепенно вырождаются, свойства мезопор проявляются. Механизм адсорбции в мезопорах заключается в последовательном образовании адсорбционных слоев (полимолекулярная адсорбция), которое завершается заполнением пор по механизму капиллярной конденсации. У обычных активных углей удельный объем мезопор составляет 0, 02 -0, 10 см 3 /г, удельная поверхность 20 -70 м 2 /г; однако у некоторых активных углей (например, осветляющих) эти показатели могут достигать соответственно 0, 7 см 3 /г и 200 -450 м 2 /г. Макропоры (удельный объем и поверхность соответственно 0, 2 -0, 8 см 3 /г и 0, 5 -2, 0 м 2 /г) служат транспортными каналами, подводящими молекулы поглощаемых веществ к адсорбционному пространству гранул активированного угля. Микро- и мезопоры составляют наибольшую часть поверхности активированных углей, соответственно, именно они вносят наибольший вклад в их адсорбционные свойства.

Механизмы адсорбции на углях Физико-химические методы водоподготовки. Микропоры особенно хорошо подходят для адсорбции молекул небольшого размера, а мезопоры — для адсорбции более крупных органических молекул. Определяющее влияние на структуру пор активированных углей оказывают исходное сырье, из которого их получают. Активные угли на основе скорлупы кокоса характеризуются большей долей микропор, а активированные угли на основе каменного угля — большей долей мезопор. Большая доля макропор характерна для активированных углей на основе древесины. В активном угле как правило существуют все разновидности пор, и дифференциальная кривая распределения их объема по размерам имеет 2 -3 максимума. В зависимости от степени развития супермикропор различают активные угли с узким распределением (эти поры практически отсутствуют) и широким (существенно развиты).

Механизмы адсорбции на углях Физико-химические методы водоподготовки. В порах активного угля существует межмолекулярное притяжение, которое приводит к возникновению адсорбционных сил (Ван-дер-Вальсовые силы), которые по своей природе сродни силе гравитации с той лишь разницей, что действуют они на молекулярном, а не на астрономическом уровне. Эти силы вызывают реакцию, подобную реакции осаждения, при которой адсорбируемые вещества могут быть удалены из водных или газовых потоков. Молекулы удаляемых загрязнителей удерживаются на поверхности активированного угля межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Таким образом, активированные угли удаляют загрязнители из очищаемых веществ (в отличие, например, от обесцвечивания, когда молекулы цветных примесей не удаляются, а химически превращаются в бесцветные молекулы). Химические реакции также могут возникать между адсорбируемыми веществами и поверхностью активированного угля. Эти процессы называются химической адсорбцией или хемосорбцией, однако в основном процесс физической адсорбции происходит при взаимодействии активированного угля и адсорбируемого вещества. Хемосорбция широко применяется в промышленности для очистки газов, дегазации, разделения металлов, а также в научных исследованиях. Физическая адсорбция обратима, то есть адсорбируемые вещества могут быть отделены от поверхности и возвращены в их первоначальное состояние при определенных условиях. При хемосорбции, адсорбируемое вещество связано с поверхностью посредством химических связей, изменяя его химические свойства. Хемосорбция не обратима. Некоторые вещества слабо адсорбируются на поверхности обычных активированных углей. К числу таких веществ относятся аммиак, диоксид серы, пары ртути, сероводород, формальдегид, хлор и цианистый водород. Для эффективного удаления таких веществ используются активные угли, импрегнированные специальными химическими реагентами. Импрегнированные активированные угли используются в специализированных областях применения воздухо- и водоочистки, в респираторах, для военных целей, в атомной промышленности и др.

Основные варианты использования сорбционных методов очистки воды Физико-химические методы водоподготовки. Адсорбционные методы могут быть реализованы двумя основными способами: 1) Фильтрация через слой гранулированного активированного угля, 2) Дозирование в обрабатываемую воду порошкообразного активированного угля (углевание воды), 3) Фильтрация через волокнистый материал, содержащий активированный уголь. По форме и размеру частиц активные угли могут быть порошкообразными, зернеными (дроблеными и гранулированными), а также волокнистыми. Порошкообразные имеют размер частиц менее 0, 1 мм, зерненые – от 0, 5 до 5 мм, волокнистые – диаметр менее 0, 1 мм, а длину несколько сантиметров. Порошкообразные активные угли используют для очистки воды однократно на водопроводных станциях, вводя их во время или после коагуляции. Гранулированные угли применяются для очистки воды фильтрацией в аппаратах со сплошным слоем сорбента (механические фильтры). В зависимости от типа угли могут регенерироваться острым паром или реагентами. Однако из-за сложности организации такого процесса, больших потерь угля и невозможности полной его регенерации (только на 40– 70%) обычно уголь при очистке воды используют однократно. Волокнистые активные угли имеют наибольшую эффективную площадь поверхности и могут при-меняться в фильтрах воды специальной конструкции. Они нашли применение в бытовых фильтрах. Для оценки качества зерненых активных углей, используемых в качестве загрузки в различные типы адсорберов, важное значение имеют физико-механические характеристики, такие как: фракционный состав (зернение), насыпная плотность, механическая прочность.

Основные характеристики активированных углей Физико-химические методы водоподготовки. Гранулометрический размер (гранулометрия) — размер основной части гранул активного угля. Единица измерения: миллиметры (мм), mesh USS (американская) и mesh BSS (английская). Насыпная плотность — масса материала, заполняющего единицу объема под действием собственного веса. Единица измерения — грамм на сантиметр кубический (г/см 3). Площадь поверхности — площадь поверхности твердого тела отнесенная к его массе. Единица измерения — квадратный метр к грамму угля (м 2 /г). Твердость (или прочность) — все производители и потребители активированного угля пользуются значительно различающимися методиками определения прочности. Большинство методик основаны на следующем принципе: проба активированного угля подвергается воздействию механической нагрузки, а мерой прочности служит количество образующихся при разрушении угля мелкой фракции или измельчение среднего размера. За меру прочности принимают количество не разрушенного угля в процентах (%). Влажность — количество влаги, содержащееся в активном угле. Единица измерения – проценты (%).

Основные характеристики активированных углей Физико-химические методы водоподготовки р. Н водной вытяжки — значение р. Н водного раствора после кипячения в нем навески активного угля. Защитное действие — измерение времени адсорбции углем определенного газа до начала пропускания минимальных концентраций газа слоем активированного угля. Данный тест применяют для углей используемых для очистки воздуха. Чаще всего активный уголь тестируется по бензолу или четыреххлористому углероду (он же тетрахлорметан CCl 4). СТС адсорбция (адсорбция по четыреххлористому углероду) — через объем активированного угля пропускают четыреххлористый углерод, насыщение происходит до постоянной массы, далее получают количество адсорбированного пара, отнесенное к навеске угля в процентах (%). Йодный индекс (адсорбция йода, йодное число) — количество йода в миллиграммах, которое может адсорбировать 1 грамм активированного угля, в порошкообразной форме из разбавленного водного раствора. Единица измерения – мг/г. Адсорбция по метиленовому голубому — количество миллиграммов метиленового голубого, поглощаемое одним граммом активированного угля из водного раствора. Единица измерения – мг/г. Обесцвечивание мелассы (мелассовое число или индекс, показатель по мелассе) — количество активированного угля в миллиграммах необходимое для 50 %-го осветления стандартного раствора мелассы.

Производство активированных углей Физико-химические методы водоподготовки Для производства активированного угля используют печи различного типа и конструкции. Наибольшее распространение получили: многополочные, шахтные, горизонтальные и вертикальные роторные печи, а также реакторы с кипящем слоем. Основные свойства активных углей и прежде всего пористая структура определяются видом исходного углеродсодержащего сырья и способом его переработки. Сначала углеродсодержащее сырье измельчают до размера частиц 3 -5 см, затем подвергают карбонизации (пиролизу) — обжигу при высокой температуре в инертной атмосфере без доступа воздуха для удаления летучих веществ. На стадии карбонизации формируется каркас будущего активного угля — первичная пористость и прочность. Однако, полученный карбонизированный уголь (карбонизат) обладает плохими адсорбционными свойствами, поскольку размеры его пор невелики и внутренняя площадь поверхности очень мала. Поэтому карбонизат подвергают активации для получения специфической структуры пор и улучшения адсорбционных свойств. Сущность процесса активации состоит во вскрытии пор, находящихся в углеродном материале в закрытом состоянии. Основной принцип активирования состоит в том, что углеродсодержащий материал подвергается селективной термической обработке в соответствующих условиях, в результате которой образуются многочисленные поры, щели и трещины и увеличивается площадь поверхности пор на единицу массы. В технике используются химические и парогазовые способы активирования. Различают два вида активирования: химическое активирование и активирование газами.

Химическое активирование Физико-химические методы водоподготовки При химическом активировании используют главным образом некарбонизованные исходные материалы, к которым относятся торф и древесные опилки. Можно также использовать шламовые отходы осветляющих процессов. Превращение такого сырья в активный уголь происходит под действием дегидротирующих агентов при высоких температурах. В этом случае кислород и водород избирательно и полностью удаляются из углеродсодержащего материала, при этом происходит одновременно карбонизация и активация (обычно при температурах ниже 650°С). Карбонизованные материалы отличаются пониженным содержанием кислорода и водорода, поэтому они активируются неорганическими агентами не так легко, как некарбонизованные. В качестве активирующих агентов в технике в основном используются фосфорная кислота, хлорид цинка и сульфид калия. Активирование фосфорной кислотой может осуществляться по следующей схеме: тонкоизмельченное сырье смешивается с раствором фосфорной кислоты, смесь осуша-ется и нагревается во вращающейся печи до 400 -600°С. Известны процессы, которые проводятся при более высокой температуре (до 1100°С). Для получения широкопористых углей, используемых преимущественно для осветления, требуется значительно большее количество фосфорной кислоты, чем в производстве углей для очистки газа и водопод-готовки.

Химическое активирование Физико-химические методы водоподготовки При активировании хлоридом цинка 0, 4– 5 частей в виде концентрированного раствора смешивают с 1 частью сырья, смесь нагревают до 600– 700°С. Преимуществами данного способа активирования несомненно является сравнительно короткое время активирования исходных материалов, большой выход углеродного остатка, хорошие адсорбционные свойства активного угля. Обычно при химическом активировании получают мягкие и порошкообразные продукты. Смешивание углеродсодержащего сырья с углеродсодержащим связующим (например, древесных опилок с сульфонатом лигния) и активирующим агентом и последующее формование позволяют получить прочный активный уголь. Химическое активирование углей во вращающейся печи в течение 3 часов с применением в качестве активирующих добавок фосфорной кислоты и хлорида цинка позволяет получить формованные продукты, не уступающие по прочности углям, активированным водяным паром.

Активирование водяным паром и газами Физико-химические методы водоподготовки При обработке углеродсодержащих веществ окисляющими газами в соответствующих условия часть углерода выгорает и удаляется с летучими компонентами и внутренняя поверхность увеличивается. В качестве окисляющих агентов используются преимущественно водяной пар, диоксид углерода и кислород или воздух. При использовании кислорода следует соблюдать осторожность, поскольку он реагирует с углеродом в 100 раз быстрее диоксида углерода. При взаимодействии углерода с водяным паром или диоксидом углерода одновременно протекают следующие реакции: Поскольку это эндотермические реакции, необходим подвод теплоты. При этом решающее значение имеет хороший теплообмен между реактивирующим газом и частицами угля. Это требование выполняется за счет постоянного движения частиц угля в процессе активирования во вращающихся печах или реакторах с кипящем слоем. При использовании водяного пара для обеспечения эффективной скорости реакции необходима температура около 800°С, а при использовании диоксида углерода — 900°С. Если теплота подводится в основном активирующим газом, его температура должна быть еще выше.

Активирующие печи Физико-химические методы водоподготовки Активирование углеродсодержащих материалов окисляющими газами производится с достаточной скоростью только при температурах 600 -1000°С. Как уже отмечалось, реакция твердого материала с активирующими газами, которые используются в производстве (обычно это водяной пар и диоксид углерода), является эндотермической. Соответственно необходим постоянный подвод тепла. С другой стороны, последующее сгорание этих газов сопровождается выделением энергии. Таким образом, реакторы, используемые в технике для газового активирования, должны обладать следующими условиями: 1) нагревание реакционного материала до высокой температуры; 2) хороший контакт между углеродсодержащим веществом и активирующими газами; 3) подвод теплоты, необходимой для реакции; 4) возможно меньший расход тепловой энергии реакционного газа. Данным условиям соответствуют следующие виды печей, применяемых в производстве: вращающиеся, шахтные, многополочные, реакторы с кипящим и движущимся слоем.

Вращающиеся печи Физико-химические методы водоподготовки. Вращающиеся печи можно использовать для активирования тонкодисперсных и зерненых или формованных продуктов. Контакт между углеродсодержащим материалом и активирующими газами можно улучшить с помощью перемешивающих устройств. Время активирования зависит от угла наклона печи, а также от наличия внутренних перегородок и размера опорных колец. Активируемый материал и газ можно подавать в одном направлении или в противотоке. Кроме этого, различают две конструкции: печи с внутренним и внешним обогревом. Вращающиеся печи с внутренним обогревом снабжены в верхней части, где загружается углеродный материал, горелкой, питаемой жидким топливом или газом. Внутренняя поверхность печи выложена огнеупорным кирпичом. Вращающаяся печь: 1 – подъемные лопатки по длине печи; 2 – кладка печи; 3 – горелка.

Шахтные печи Физико-химические методы водоподготовки Шахтные печи состоят в основном из камер, расположенных вертикально одна над другой, стенки которых выложены кладкой из огнеупорного кирпича. Сверху загружается активируемый материал, снизу подается водяной пар. Использование насадок или направляющих устройств позволяет увеличить реакционную поверхность и улучшить перемешивание. Шахтная печь: 1 – канал для подвода реакционных газов; 2 – огневой канал. Шахтные печи используют для активирования кускового угля, который затем перерабатывается в зерненый или порошкообразный.

Реакторы кипящего слоя Физико-химические методы водоподготовки В реакторах кипящего слоя активируемые продукты и газы основательно перемешиваются. При этом значительно сокращается время активирования. Простая конструкция реактора с кипящим слоем представляет собой герметичную цилиндрическую или прямоугольную реакционную камеру, снабженную внизу перфорированной распределительной решеткой, через которую поступают реакционные газы. Процесс может быть непрерывным или периодическим. Известны многоступенчатые реакторы, состоящие из вертикально и горизонтально расположенных камер с переходами между ними, а также реакторы, состоящие из большого числа отделений, разделенных перегородками. Они предназначены для активирования мелкозерненого и в отдельных случаях формованного угля. Процесс можно усовершенствовать за счет обогрева внутреннего объема реактора теплотой, полученной при сгорании и образующихся в процессе активирования водяным паром. Другая возможность для дополнительного подвода теплоты и повышения производительности заключается во внешнем обогреве реактора. Реактор с псевдоожиженным слоем для газового активирования: 1 – «спокойный» объем; 2 – уровень псевдоожиженного слоя; 3 – внешний обогрев; 4 – теплообменник; 5 – распределительная решетка; 6 – реактор. На рисунке показана схема печи, в которую нагретые активирующие газы подаются со скоростью, обеспечивающей неподвижность нижнего слоя и псевдоожижение верхнего слоя шихты. Это создает возможность мягкого активирования различного сырья.

Адсорбционные методы дезодорации воды Физико-химические методы водоподготовки Неполярные адсорбенты широко используются в практике подготовки питьевых вод для извлечения из них органических веществ, обусловливающих привкусы и запахи. При адсорбции из растворов органических примесей предпочтение отдается активированным углям, поскольку вода (растворитель), характеризующаяся большим по- верхностным натяжением на границе раздела фаз с поверхностью зерен угля, ничтожно мало адсорбируется. Доза угля при статической адсорбции определяется по формуле: где С 0 и С ф — соответственно концентрации адсорбируемого вещества до и после адсорбции, Т — удельная адсорбция в мг/л в точке, соответствующей С ф. Скорость адсорбции органических веществ из воды зависит от структуры угля, удельной поверхности гранул (зерен), условий массообмена с обрабатываемой водой и р. Н воды. Если в растворе присутствуют одновременно несколько веществ, адсорбция протекает по закону вытеснения. По мере увеличения числа удаляемых из воды веществ, доля адсорбции каждого из них уменьшается. Степень адсорбируемости различных веществ из воды оценивается величиной уменьшения свободной энергии ΔF адс

Зависимость ΔF адс от классов органических веществ при адсорбции на угле КАД йод из водных растворов Физико-химические методы водоподготовки Наряду с углеванием (статические условия) дезодорацию воды на станциях различной производительности производят на стационарных адсорберах в динамических условиях — путем фильтрования исходной воды через слой гранулированного угля с диаметром зерен 1 -2 мм и толщиной до 2, 0 м. Различают динамическую емкость загрузки Е д (мг-экв/г) адсорбера (до начала проскока адсорбируемого вещества в фильтрат) и полную Е полн. (мг-экв/г) после прекращения извлечения адсорбируемого вещества из воды. №№ п/п Вещества ΔF адс 1 фенол 5, 07 2 бензолсульфонол 4, 83 3 хлоральгидрат 3, 26 4 муравьиная кислота 4, 21 5 щавелевая кислота 3, 22 6 нафталин 5, 85 7 хлороформ 4, 83 8 дихлорэтан 4,

Параметры процесса углевания воды Физико-химические методы водоподготовки При отсутствии пахнущих веществ биологического происхождения при адсорбции на углях различных марок (БАУ, КАД и др.), отличающихся величиной пор, интенсивность запаха воды существенно уменьшается с увеличением дозы активных углей от 2 до 20 —35 мг/л при р. Н = 4 -12 и температуре воды от +6 до +35°С. Основную роль в адсорбционной способности углей играют микропоры с радиусом (1, 1 -2, 5)· 10 -7 мм с удельной поверхностью до 1000 м 2 /ч. При углевании воды должны применяться легко смачивающиеся водой угли. Преимущество такого метода заключается в небольших требуемых капитальных затратах, а недостатки — в непроизводитель- ном расходе дорогостоящего адсорбента и в сложности эксплуатации. Нужно учитывать, что мелкий угольный порошок с воздухом образовывает взрывчатую смесь, а объем помещения для его хранения необходим в размерах 2 -4, 5 м 3 /т.

Параметры процесса углевания воды Физико-химические методы водоподготовки В зависимости от адсорбционной способности активных углей и интенсивности загрязнения воды веществами, придающими ей неприятные привкусы и запахи, расходы углей могут колебаться в весьма широких пределах — от десятой доли миллиграмма до 1000 мг/л. Наиболее используемые дозы угля при углевании природных вод находятся в пределах 3 -15 мг/л. Так, при дезодорации воды, загрязненной веществами, создающими привкусы и запахи биологического происхождения, их полное устранение с помощью угля марки ОУ-А щ достигалось при дозах 10 -12 мг/л. На практике процесс углевания включает в себя операции замачивание пылевидного угля, создание угольной суспензии с содержанием угля до 2, 5 -5% и ее дозирование в обрабатываемую воду. Активированный уголь вводят за 10 -15 минут до ввода других реагентов. Требуемое время контакта адсорбента с обрабатываемой водой — не менее 15 -20 минут. На начальной стадии обработки воды с первичным ее хлорированием порошкообразный сорбент вводят до или после ввода хлора в зависимости от взаимодействия хлора с веществами, создающими привкусы и запахи.

Сорбционные материалы и их свойства Физико-химические методы водоподготовки

Сорбционные материалы и их свойства Физико-химические методы водоподготовки. В технологии водоподготовки активированный уголь применяется в виде порошка при углевании воды, дробленных или недробленых гранул при фильтровании через угольные фильтры. Для очистки воды от загрязнений применяется сухое дозирование порошковых активированных углей, мокрое дозирование (в виде суспензии), фильтрование через взвешенный слой активированного угля, фильтрование в стационарных адсорберах с гранулированным активированным углем, фильтрование через комбинированные, песчано-угольные фильтры. Выбор марки адсорбционного материала заключается в подборе параметров его пористой структуры в зависимости от размеров молекул адсорбируемых веществ. Если в воде присутствует одно вещество с низкой молекулярной массой, например, фенол, азот аммонийный, азот нитритный, то данные вещества, имеющие относительно низкую молекулярную массу и размер молекул т = 0, 63 нм, лучше всего сорбируются в микропорах (т < 0, 63 -0, 7 нм) и супермикропорах (0, 6 -0, 7 < т < 1, 5 -1, 6 нм). Для этого случая пригодны активированные угли, имеющие требуемую структуру пор, типа АГ-3 и МАУ-100. Если в воде находятся нефтепродукты, СПАВ, гуминовые кислоты (по отдельности или смесь), то данные вещества, имеющие более крупные размеры молекул (т ~ 1, 8 нм), лучше всего сорбируются в мезопорах (1, 5 -1, 6 < т < 100 -200 нм). В этом случае пригодны активированные угли и сорбенты, имеющие требуемую структуру пор, например, мезопористый сорбент СГН-30. Если в воде присутствует смесь низко- и высокомолекулярных соединений (нефтепродукты, СПАВ, азот аммонийный, азот нитритный), то данные вещества, имеющие различные размеры молекул наиболее полно будут сорбироваться на адсорбентах, имеющих хорошо развитую структуру микропор и мезопор (таких как АГ-3, МАУ-100).

Конструкции адсорберов и основы их расчета Физико-химические методы водоподготовки Конструкция адсорбера со взвешенным слоем адсорбента 1 — противоток очищаемой воды и адсорбента (вода движется снизу вверх, а адсорбент сверху вниз); 2 — сбор очищенной воды; 3 — отвод очищенной воды: 4 — подача исходной воды; 5 — подача адсорбента; б — отвод угольной пульпы; 7 — система распределения очищаемой воды Конструкция стационарного адсорбера 1 — слой активированного угля; 2 — поддерживающий слой; 3 -трубопровод исходной воды 4 — трубопровод для отвода фильтрата; 5 — корпус фильтра; 6 — дренажная система; 7 — отражатель

Конструкции адсорберов и основы их расчета Физико-химические методы водоподготовки Высоту требуемого слоя угольной загрузки определяют по формуле: где Vр. ф. — расчетная скорость фильтрования, принимаемая равной 10 -15 м/ч; τ у — время прохождения воды через слой угля, принимаемое равным 10 -15 мин в зависимости от сорбционных свойств угля, концентрации и вида загрязнений воды и других факторов и уточняемое технологическими изысканиями. Длительность работы адсорбционного слоя фильтра до появления в профильтро-ванном потоке адсорбируемого вещества с концентрацией С пр, превышающей предельно допустимую, τ пр и длина слоя адсорбента L связаны в классическом уравнении динамики сорбции, предложенным для расчетов Шиловым Н. А. : где τ пр — время до «проскока» — время защитного действия слоя адсорбента, мин; L — высота слоя адсорбента, см; τ 0 , и k — константы: τ 0 =h/ν — характеризует простран-ство и время, необходимые для формирования и проведения массообменного процесса; k = A 0 /(C 0 *ν) — коэффициент защитного действия, мин/см; ν — скорость потока жид-кости, см/мин; A 0 — предельная динамическая емкость адсорбента при данной исход-ной концентрации С о; h — «мертвый» слой, математическая функция, характеризую щая неиспользованную длину слоя адсорбента, см.

Расчеты параметров адсорбции Физико-химические методы водоподготовки. Процесс адсорбции, проходящий в динамических условиях, состоит из периода формирования фронта адсорбции, характеризующегося переменной: скоростью его продвижения и периода его параллельного переноса при неизменной: скорости. Зависимость защитного действия слоя τ пр от его длины L графически описывается кривой ОАВ (рис.). Стадия, отвечающая формированию фронта адсорбции, отвечает кривой ОА. Начиная от значений, выраженных участком OL 0 , защитное действие слоя фильтра зависит от его длины (второй период динамического адсорбционного процесса). Величины k, τ 0 , и L 0 определяются графически: k = tg ﮮ BHL, L 0 = OL 0 , τ 0 = OD и h =ОН. Регенерацию сорбционной загрузки фильтра производят 5 %-ным раствором Na. OH или путем прокаливания угля при температуре 700 —750°С в отсутствие воздуха. Зависимость времени защитного действия от толщины слоя адсорбента Доза сорбента для каждого вещества определяется по формуле: где С i k — требуемая конечная концентрация вещества, мг/л; а — максимальное количество адсорбированного вещества, мг/мг, определяемое по изотермам адсорбции. На основании аналитических данных можно принять следующие значения величины а: для веществ, обуславливающих цветность воды — 0, 046 град/мг; для легкоокисляемой органики (перманганатной окисляемости) — 0, 0086 мг 0 2 /мг; для трудноокисляемой органики (ХПК) — 0, 02 мг 0 2 /мг; для азота аммонийного (NН 4) — 0, 00066 мг/мг; для фенолов — 0, 002 мг/мг; для пестицидов — 0, 04 мг/мг; для хлороформа — О, 16 мг/мг.

Расчеты параметров адсорбции Физико-химические методы водоподготовки. Суммарную дозу сорбента определяют по формуле: где k η — коэффициент, учитывающий степень использования равновесной статической адсорбционной емкости гранул сорбента, принимаемый равным 1, 2 -1, 3. Массу сорбента, вводимого в ОСФ, определяют по формуле: где Д Ʃ — суммарная доза сорбента, мг/л; Q в — расход воды; Т раб — продолжительность фильтроцикла, ч. Фильтрование осуществляется при восходящем потоке обрабатываемой воды. Фильтроцикл прекращается, когда начинается «проскок» в фильтрат контролируемого показателя качества воды. Средняя продолжительность фильтроцикла обычно составляет 12 -14 часов, после чего осуществляется промывка загрузки обратным током чистой воды в течение 3 -4 мин с интенсивностью 12 -15 л/ (с·м 2). Плавающая загрузка при промывке расширяется (до 40 -50%). Зерна адсорбционного материала под действием силы тяжести движутся вниз и через систему запорно-регулирующей арматуры отводятся из корпуса фильтра в специальную емкость.

Физико-химические методы водоподготовки Проблема возникновения запаха водопроводной воды и технология дозирования порошкообразных активированных углей на водопроводных станциях Санкт-Петербурга

Физико-химические методы водоподготовки Стандарты качества питьевой воды в Японии № Показатель Стандартное значение 1 Общее микробное число Не более 100 КОЕ в 1 мл 2 Общие колиформные бактерии Не должны обнаруживаться 3 Хлороформ Не более 0, 06 мг/л 4 Алюминий Не более 0, 2 мг/л 5 Железо Не более 0, 3 мг/л 6 Геосмин Не более 0, 00001 мг/л 7 2 -метилизоборнеол (MIB) Не более 0, 00001 мг/л 8 Общий органический углерод (TOC) Не более 5 мг/л 9 Значение p. H 5, 8 – 8, 6 10 Цветность Не более 5 градусов

Физико-химические методы водоподготовки Кинетика сорбции одорантов углями разных марок Y 1 — 2 -изопропил-3 -метоксипиразин, Y 2 — 2 -изобутил-3 -метоксипиразин, Y 3 -2 -метилизоборнеол, Y 4 -2, 4, 6 -трихлоранизол, Y 5 — геосмин Silcarbon TH 90 G ОУ-А Carbopal MB 4 Эбадайя LG 20 S Silcarbon TH 90 G

Кинетика сорбции одорантов углями разных марок Y 1 — 2 -изопропил-3 -метоксипиразин, Y 2 — 2 -изобутил-3 -метоксипиразин, Y 3 -2 -метилизоборнеол, Y 4 -2, 4, 6 -трихлоранизол, Y 5 — геосмин Физико-химические методы водоподготовки Hydraffin SC 14 FF УСВР

Результаты пилотных испытаний по изучению влияния активированного угля на параметры фильтрации в процессе контактной коагуляции 12 -13. 05 г. Физико-химические методы водоподготовки

Изменение мутности фильтратов и прирост потерь напора в течение фильтроциклов Физико-химические методы водоподготовки

Установка для приготовления и дозирования растворов из сухого материала KD 440 фирмы ALLDOS Физико-химические методы водоподготовки Характеристика ПАУ Hydraffin S

Результаты производственных испытаний и аналитических определений проб воды сырой и очищенной воды ВВС в период опытно-промышленной эксплуатации установки дозирования ПАУ 08. 2005 – 06. 09. 2005 г. Физико-химические методы водоподготовки. Продолжительность фильтроцикла (интервал между промывками) блока очистки во время проведения производственных испытаний в среднем составлял 12 часов, как и без использования ПАУ. При этом средний показатель мутности фильтрата имел значение 0, 26 мг/дм 3, цветности – 5, 2 град. , окисляемости — 2, 9 мг/дм 3, р. Н – 6, 5, а содержания остаточного алюминия в воде — 0, 09 мг/дм 3, что полностью соответствует требованиям Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 10. По результатам аналитического сопровождения опытно-промышленной эксплуатации установки дозирования ПАУ, выполненным в НИЦЭБ РАН, следует, что содержание нефтепродуктов в очищенной воде в период дозирования ПАУ ОУ-А снижалось по сравнению с их содержанием в сырой воде в 2, 4 раза, в период дозирования ПАУ Hydraffin SC 14 FF – в 2, 1 раза. Перманганатная окисляемость очищенной воды при использовании ПАУ ОУ-А снижалась на 64, 4 % по сравнению с ее значением в сырой воде, при дозировании ПАУ Hydraffin SC 14 FF– на 64, 0 %, в то время как в период без дозирования ПАУ этот показатель составлял 56, 3 %. Бактериологические показатели фильтрата за весь цикл проведения испытаний не превысили существующих нормативов.

Результаты производственных испытаний и аналитических определений проб воды сырой и очищенной воды ВВС в период опытно-промышленной эксплуатации установки дозирования ПАУ 08. 2005 – 06. 09. 2005 г. Физико-химические методы водоподготовки. Дата доза ПАУ ОУ-А äî çà Hydraffin SC 14 FF мг/л 1 подъем 2 МО% удаления 1 подъем 2 МО 01. авг—8, 803, 8056, 820, 03 —-02. авг—7, 203, 2055, 560, 04 —-03. авг—8, 203, 2060, 980, 110, 01 —-04. авг—8, 503, 7056, 470, 01 —-05. авг—9, 104, 2053, 850, 01 —-08. авг—7, 203, 4052, 780, 04 —-09. авг 3, 00 -0, 220, 089, 403, 3064, 890, 03 ——10. авг 5, 00 -0, 340, 058, 803, 1064, 770, 02 ——11. авг 5, 00 -0, 540, 147, 502, 8062, 670, 02 ——12. авг 5, 00 -0, 180, 067, 002, 6062, 860, 04 —— 15. авг 7, 00*)-0, 070, 848, 302, 7067, 470, 05 —— 16. авг 7, 00*)-0, 070, 267, 202, 6063, 890, 04 ——17. авг 7, 00 -0, 380, 097, 502, 6065, 330, 05 —— 18. авг 7, 00*)-0, 097, 002, 4065, 710, 02 —— 19. авг 7, 00*)-0, 310, 268, 202, 8065, 850, 03 —— 22. авг 5, 00*)-0, 080, 138, 502, 8067, 060, 080, 01 —- 23. авг 5, 00*)-0, 340, 117, 402, 8062, 160, 120, 01 —- 24. авг 3, 00*)-0, 060, 018, 202, 8065, 850, 060, 01 —- 25. авг 3, 00*)—7, 502, 8062, 670, 01 ——26. авг—-8, 303, 5057, 830, 03 ——29. авг-3, 000, 150, 087, 702, 7064, 940, 150, 080, 377, 007, 804, 1030. авг-3, 000, 040, 067, 702, 8063, 640, 060, 223, 507, 803, 7031. авг-5, 000, 090, 028, 502, 9065, 880, 090, 020, 596, 008, 003, 8001. сен-5, 000, 050, 017, 403, 0059, 460, 050, 010, 237, 407, 903, 7002. сен-7, 000, 040, 018, 202, 9064, 630, 040, 010, 577, 608, 003, 5005. сен—0, 147, 408, 404, 4006. сен—0, 577, 608, 403, 90 0, 180, 147, 912, 8464, 790, 050, 030, 406, 307, 903, 76 0, 220, 187, 922, 7864, 880, 050, 01 —- 0, 070, 047, 902, 8663, 710, 070, 040, 406, 307, 903, 76 —8, 173, 5856, 07 —0, 367, 508, 404, 15 **) Ï ÀÓ í å äî çèðî âàëñÿ Ср. знач. за период дозирования Hydraffin SC 14 FF общий органический углерод по данным ЦИКВ Изменение содержания нефтепродуктов и перманганатной окисляемости в процессе использования ПАУ на ВВС нефтепродукты по данным ЦИКВ *) Ï åðåõî ä í à í î âóþ ï àðòèþ Ï ÀÓ Î Ó-À (ï ðî èçâî äñòâî Î ÀÎ «Ñî ðáåí ò», ã. Ï åðì ü) хлороформ по данным ЦИКВ Ср. знач. за период без дозирования ПАУ нефтепродукты по данным НИЦЭБ РАНперманганатная окисляемость по данным ЦИКВ Ср. знач. за период дозирования ПАУСр. знач. за период дозирования ОУ-А

Виды антропогенных загрязнений и их основные свойства Физико-химические методы водоподготовки

Состав и производительность водопроводных очистных сооружений ЮВС Станция имеет собственный водозабор. Существует возможность приема сырой воды на очистные сооружения от насосной станции 1 -го подъема Северной водопроводной станции. В состав станции входит: Два насосных отделения 1 -го подъема, проектной производительностью: 1 н. о. – 745 т. м 3 /сут. 2 н. о. – 625 т. м 3 /сут. Основной технологический процесс обработки воды осуществляется на пяти параллельно работающих блоках: двух блоках фильтровально-отстойных сооружениях (ФОС-1 и ФОС-2) и трех блоках контактных осветлителей (БКО-1, БКО-2, БКО-3). Параметр Единица измерения ФОС-1 ФОС-2 БКО-1 БКО-2 БКО-3 К-6 Проектная производительность тыс. м 3 /сут. 180 260 310 250 350 Год ввода в эксплуатацию 1933 1947 1966 1980 1990 11. 2010 *) Приведенная производительность 99 99 230 182 184 — Четыре насосных отделения 2 -го подъема, проектной производительностью: 2 н. о. – 220 т. м 3 /сут. 3 н. о. – 350 т. м 3 /сут. 4 н. о. – 430 т. м 3 /сут. 5 н. о. – 550 т. м 3 /сут. *) На полную мощность блок К-6 выведен в мае 2011 г. Восемь резервуаров чистой воды общим объемом 113 000 м

Технология обработки воды на ЮВС Основные реагентные и безреагентные технологические процессы, применяемые при обработке воды: Сорбция органических загрязняющих веществ с использованием порошкообразного активированного угля Двухступенчатое обеззараживание (первичное хлораммонирование воды с использованием гипохлорита натрия и сульфата аммония, обработка воды на УФ-установках перед подачей воды потребителю) Коагуляция загрязняющих веществ Флокуляция твердофазных частиц Обработка воды реализуется на очистных сооружениях, работающих по одноступенчатой (Блоки контактных осветлителей, БКО) или по двухступенчатой (фильтроотстойные сооружения, ФОС) схемам: Одноступенчатая схема (БКО) включает в себя: очистку от механических примесей на барабанных сетках; перемешивание реагентов в смесителях — сужающих устройствах; контактную коагуляцию в среде песчаной загрузке на контактных осветлителях, совмещенную с фильтрацией Двухступенчатая схема (ФОС) включает в себя: перемешивание воды с реагентами в каналах-смесителях коридорного типа; отстаивание в горизонтальных отстойниках; фильтрование на скорых фильтрах через зернистую загрузку (кварцевый песок).

Установка приготовления и дозирования порошкообразного активированного угля (ПАУ)

БЛОК К-6 Южной водопроводной станции Санкт-Петербурга главный технологический корпус, включающий блок осветления, блок фильтрации, озонаторную

Общая характеристика комплекса очистных сооружений К-6 для производства питьевой воды Новый комплекс К-6 Южной водопроводной станции рассчитан на производство номинального суточного объёма воды, равного 350 000 м 3 /сутки при режиме работы 24 часа Комплекс производит питьевую воду требуемого качества при любом расходе с производительностью от 20% до 125% от номинальной Качество очищенной воды соответствует — Российским стандартам питьевой воды: Нормы Сан. Пин — Европейским стандартам питьевой воды: Стандарт ЕЕС В новом комплексе использованы новые современные технологии и оборудование — предварительное озонирование — фильтры с двухслойной загрузкой песок/активированный гранулированный уголь — обезвоживание осадка

Двухслойные скорые фильтры с загрузкой (песок / гранулированный активированный уголь) На блоке К-6 Южной водопроводной станции используется высокоэффективная система сорбционной доочистки воды с применением 1200 тонн АУ и производительностью по очищаемой воде до 350 тыс. тон в сутки. За последние два года, кафедрой ХТМИСТ с партнерами выполнено и находятся в стадии заключения 6 контрактов, связанных с процессами сорбционной очистки воды на объектах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» .

Основные параметры фильтровальных сооружений Проектный расход 370 000 м 3 /сут. = 15 417 м 3 /час = 4, 28 м 3 /сек Макс. расход 462 500 м 3 /сут. = 19 217 м 3 /час = 5, 35 м 3 /сек Количество фильтров 20 Площадь фильтрации одного фильтра 105, 6 м 2 Общая площадь фильтрации (20 фильтров) 2112 м 2 Песчаный слой — глубина песчаного слоя 0, 6 м — коэффициент однородности 1, 4 — полезный диаметр зерен песка 0, 5 -0, 6 — объем песка на 1 фильтр 63, 36 м 3 — общий объем песка (20 фильтров) 1267, 2 м 3 Слой гранулированного активированного угля — глубина слоя ГАУ 1, 2 м — коэффициент однородности 1, 4 — полезный размер 0, 9 -1, 1 мм — объем ГАУ на 1 фильтр 126, 72 м 3 — общий объем ГАУ (20 фильтров) 2534 м 3 Расчетные значения скорости фильтрации: Скорость фильтрации проектном расходе 7, 3 м/час Скорость фильтрации проектном расходе при одном неработающем фильтре 7, 7 м/час Скорость фильтрации при максимальном расходе 9, 1 м/час Скорость фильтрации при максимальном расходе при одном неработающем фильтре 9, 6 м/часОбратная промывка фильтров Расход воды для обратной промывки 20 м/час – 35 м/час Скорость промывки воздухом 30 – 50 м/час Обратная промывка фильтров производится в две ступени: Первая ступень – Воздушная промывка в течение 2 -3 мин. Расход подаваемого сжатого воздуха составляет от 30 до 50 м 3 /час на 1 м 2 фильтрующего слоя. Вторая ступень – Обратная промывка водой со скоростью от 20 до 35 м 3 /м 2 /час в зависимости от температуры сырой воды. Продолжительность обратной промывки составляет приблизительно 15 -20 минут. Продолжительность фильтроцикла между обратными промывками составляет приблизительно 24 -48 часов. Объем воды для обратной промывки на один фильтр: Объем воды для обратной промывки при 20 м/час (105, 6 × 20 / 60) = 704 м 3 Макс. объем воды для обратной промывки при 35 м/час (105, 6 × 35 × 15 / 60) = 924 м 3 Средний объем воды для обратной промывки — 814 м 3 , допускается 800 м

Отличительные особенности технологического решения, использованного при очистке воды на блоке К-6 — отказ от предварительного хлорирования воды, что позволяет еще более снизить содержание в питьевой воде хлорорганических соединений (в настоящее время этот показатель более чем в три раза ниже нормативных требований за счет использования технологии аммонирования воды), — предварительное озонирование воды с малыми дозами озона, обеспечивающее поверхностное окисление гуминовых соединений и улучшение последующей их коагуляции, — отстаивание воды после коагуляции в тонкослойном пластинчатом отстойнике-осветлителе, обеспечивающем более эффективное удаление взвешенных веществ по сравнению с традиционными отстойниками, — фильтрация воды на двухслойных фильтрах, загруженных гранулированным активированным углем и кварцевым песком, обеспечивающая дополнительное удаление растворенных органических соединений, в том числе, нефтепродуктов.

Средние показатели качества воды, очищенной в ноябре 2011 г. на блоке К-6 и на других блоках ЮВС Показатель качества Нева Блок К-6 Остальные блоки ЮВС (суммарно) Эффективность очистки, % Блок К-6 Остальные блоки ЮВС (суммарно) Мутность, мг/дм 3 2, 26 0, 28 0, 58 87, 6 74, 3 Цветность, град. 37, 4 3, 55 5, 88 90, 5 84, 3 Окисляемость, мг/дм 3 7, 17 2, 03 2, 61 76, 8 70, 2 остат. алюминий, мг/дм 3 0, 06 0, 21 97, 6 *) 92, 8 *) р. Н 6, 62 6, 63 *) Рассчитано, исходя из количества вводимого коагулянта.

Бункеры хранения отработанного активированного угля Отработанный активированный уголь выводится из фильтров при помощи передвижной системы эдукторов, с использованием воды в качестве движущей силы. Уголь транспортируется в виде разжиженной пульпы в два дренажных силоса, расположенных в блоке обработки осадка. Отработанный уголь выводят из каждого фильтра и заменяют чистым, хранящимся на станции очистки воды. Полный цикл процесса реактивации продолжается приблизительно месяц, и включает в себя разгрузку одного из фильтров, наполнение контейнеров, транспортировку отработанного угля, реактивацию угля, обратную транспортировку на станцию очистки в больших пластиковых мешках и хранение до следующего цикла.

Хранение гранулированного активированного угля на блоке К-6 Хранилище свежего гранулированного активированного угля расположено рядом с корпусом переработки осадка. Там же находятся силосы для складирования отработанного активированного угля. Оба хранилища расположены на уровне первого этажа. Свежий или регенерированный уголь, упакованный в пластиковые мешки, прибывает на сооружения в трейлере и хранится в корпусе обработки осадка. Площадь для хранения нового или восстановленного активизированного угля определена из расчета хранения 126 м 3 угля плюс 5% запас на потери перегрузке. Для загрузки одного фильтра необходимы 126 м 3 активированного угля. Бункеры для отработанного активированного угля Емкость бункера (эффективная) 62 м 3 Диаметр бункера 4 м Высота бункера 7. 5 м Расстояние под бункером для подвоза контейнеров 3 м Материал бункера Волокнит (стеклопластик) Количество бункеров

Гранулированный уголь транспортируется в фильтры с помощью эжектора

Система загрузки активированного угля в фильтровальные сооружения блока К-6 Эжекторная система гидравлического транспорта свежего и регенерированного угля к фильтрам Основные расчетные данные: Объем активированного угля в одном фильтре 126. 72 м 3 Линейная скорость в трубопроводе разбавленной пульпы 1. 5 – 2. 0 м/сек Плотность пульпы 0. 12 кг угля / л воды Падение давления Около 5 мбар / 1 м трубопровода Расход активированного угля 9 м 3 /час Расчетное время транспортировки угля к одному фильтру 14 час Эжекторная система: Производитель: Koerting, Hannover Тип: Передвижной струйный эжектор для транспорта твердых частиц Кол-во единиц: 1 Вес: 38 кг Эжекторная система гидравлического транспорта отработанного угля от фильтров Линейная скорость в трубопроводе разбавленной пульпы 1. 5 – 2. 0 м/сек Плотность пульпы 0. 12 кг угля / л воды Падение давления Около 5 мбар / 1 м трубопровода Расход активированного угля 15 м 3 /час Расчетное время транспортировки угля от одного фильтра 8. 5 час Эжекторная система: Производитель Koerting, Hannover Тип Жестко закрепленный струйный эжектор для транспорта твердых частиц Кол-во единиц 1 Вес 38 кг Оба напорных трубопровода для транспортировки ГАУ проложены параллельно другу: из галереи фильтров, между блоком фильтров и реагентным хозяйством, и заканчивается в блоке обработки осадка. Транспортировка отработанного ГАУ с отдельного фильтра осуществляется при помощи технической движущей воды, которая нагнетается насосом транспортировки ГАУ, расположенном в насосной станции технической воды. Вода распределяется по галерее фильтров на каждый фильтр (фильтры соединяются через гибкие шланги с переносным эжектором ГАУ), и затем, через эжектор и наружный трубопровод транспортировки отработанного ГАУ уголь подается в бункеры отработанного ГАУ.

Характеристика ГАУ Filtrasorb TL 830 ГАУ марки Filtrasorb TL 830 является углем повышенной прочности, обеспечиваемой использованием специальных связующих при его изготовлении. Особая технология изготовления обусловливает относительно высокую цену ГАУ Filtrasorb TL 830 Важной особенностью блока К-6, обусловливающей эффективность его работы является необходимость поддержания на требуемом уровне сорбционной способности ГАУ, используемого в качестве загрузки (совместно с кварцевым песком) в скорых фильтрах блока. Плотность насыпная, не более 430 г/дм 3. Плотность сухого продукта (истинная плотность), 1, 2 г/см 3. Влажность, не более 2, 0 %. Зольность общая, не более 10, 0 %. Размер гранул d экв. = 0, 9 -1, 1 мм Прочность механическая (на истирание), не менее 75 %. Пористость (объем пор) общая, не менее 1, 0 см 3 /г. Удельная площадь поверхности по ВЕТ, 950 м 2 /г Осветляющая способность по метиленовому голубому – не менее 200 мг/г Адсорбционная активность по йоду, не менее 1000 мг/г. Сорбционные характеристики ГАУ Filtrasorb TL-

Исследования состояния ГАУ Filtrasorb TL 830 в процессе его эксплуатации на блоке К-6 По данным организации-поставщика технологии срок работы ГАУ Filtrasorb TL 830 до реактивации составляет 3 года. По истечении этого срока поставщик технологии (фирма TAHAL, Израиль) рекомендует выполнять реактивацию ГАУ. В результате работ, выполненных специалистами кафедры «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» установлено, что состояние ГАУ Filtrasorb TL 830, загруженного в скорые фильтры блока, существенно отличается от первоначального состояния свежего угля. Установлено снижение сорбционной активности ГАУ в процессе его эксплуатации на блоке К-6 ЮВС. Скорость снижения сорбционной активности ГАУ Filtrasorb TL 830 в условиях его эксплуатации на блоке К-6 ЮВС составляет: — по метиленовому голубому – 4, 25 мг/г в месяц, — по йоду – 25 мг/г в месяц, — по перманганатной окисляемости – 0, 0175 мг/г в месяц. Выполненные работы показали, что к лету 2013 г. сорбционная активность ГАУ, загруженного в скорые фильтры блока К-6, составит менее 25 % от начальных значений. Снижение сорбционной активности ГАУ Filtrasorb TL 830 до значений, составляющих менее 20 % от первоначальной сорбционной активности угля, приведет к его безвозвратной потере, поскольку проведение реактивации и дальнейшая эксплуатация угля станут невозможными. В этом случае потребуется полная замена отработанного сорбента свежим, что, как показано ниже, приведет к экономическому ущербу для предприятия ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» .

Пути сохранения функционального состояния скорых фильтров блока К-6 В ходе выполнения работ специалистами кафедры «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» рассмотрены три варианта сохранения функционального состояния скорых фильтров блока К-6: 1) Проведение последовательной реактивации ГАУ путем поэтапной выгрузки из действующих скорых фильтров и проведения его реактивации на специализированном промышленном предприятии. При этом должно быть обеспечено сохранение производительности блока К-6 по обрабатываемой воде (одновременно необходимо выгрузить и реактивировать ГАУ только из одного скорого фильтра). 2) Перегрузка фильтровальных сооружений кварцевым песком (переход к использованию однослойной загрузки и к отказу от использования сорбционного метода очистки воды). При этом должно быть обеспечено сохранение производительности блока К-6 по обрабатываемой воде (одновременно необходимо перегружать ГАУ только в одном скором фильтре). 3) Перегрузка верхнего слоя фильтровальных сооружений (ГАУ) свежим гранулированным углем Filtrasorb TL 830. При этом должно быть обеспечено сохранение производительности блока К-6 по обрабатываемой воде (одновременно необходимо заменять ГАУ на кварцевый песок только в одном скором фильтре).

Процесс реактивации включает четыре термических стадии: * Высушивание при 100°C: удаление воды. * Термическое выпаривание при 100 -250°C: физическая десорбция адсорбированной летучей органики. * Образование карбонизата при 200 -750°C: пиролиз нелетучей органики и карбонизация пиролизата. * Газификация карбонизата при 800 -1000°C: газификация пиролизата путем контролируемой реакции с водяным паром, двуокисью углерода или кислородом. Реактивация — возврат отработанного угля в производство с активностью, достаточной для использования в процессе, для которого он исходно предназначался. Реактивация = Возврат в производство путем термической реактивации Регенерация = Многократное использование путем обработки паром или методом химической регенерации в месте применения. Реактивация активированного угля состоит из: Выгрузки угля из адсорбера Обработки в специальной печи при высоких температурах Восполнения потерь Перезагрузки угля в фильтры

Сводные технико-экономические результаты вариантов организации работы фильтровальных сооружений блока К-6 после выработки сорбционного ресурса ГАУ По данным организации-поставщика технологии срок работы ГАУ Filtrasorb TL 830 до реактивации составляет 3 года. По истечении этого срока поставщик технологии (фирма TAHAL, Израиль) рекомендует выполнять реактивацию ГАУ. вариант организации работы фильтровальных сооружений размер капитальных затрат, тыс. руб. ожидаемое увеличение эксплуатационных затрат, тыс. руб. ожидаемое увеличение себестоимости очищаемой воды, руб. /м 3 уровень риска *) Перегрузка верхнего слоя скорых фильтров свежим ГАУ 114 203, 61 **) — 0, 36 **) 2 Перегрузка верхнего слоя скорых фильтров кварцевым песком 23 919 634 158 865 0, 45 9 Перегрузка верхнего слоя скорых фильтров реактивированным ГАУ 68 163 800, 6 — 0, 15 3 Примечания: *) Уровень риска оценен по сравнительной 10 -бальной шкале (0 – отсутствие риска, 10 – сильнейший, недопустимый риск), **) Представлен минимальный размер показателя приобретении ГАУ в ООО НПП «Полихим» . При приобретении ГАУ у других поставщиков размер показателя будет выше.

Информация об ООО «НПП «Полихим» НПП «Полихим» – одно из ведущих предприятий по изготовлению модифицированных углеродных сорбентов на Северо-Западе России. В составе предприятия имеются следующие подразделения: 1. Цех по производству углеродных сорбентов 2. Цех по изготовлению оборудования из пластика 3. Участок по антикоррозионной защите стального оборудования 4. Проектный отдел 5. Конструкторский отдел 6. Сметный отдел 7. Исследовательская лаборатория 8. Участок монтажа и пуско-наладки Годовой выпуск продукции в настоящее время составляет 600 т/год при номинальной производительности электропечей. Эти же печи могут быть использованы для проведения реактивации активированных углей. ← Электропечь ЭВП-300 в производственном здании ООО НПП «Полихим» Э лектропечь ЭВП-300 М в производственном здании ООО НПП «Полихим» →Предприятие имеет собственное производство и выпускает гранулированные активированные угли для тонкой очистки воды под марками МАУ-200, МАУ-3 ПТ, МАУ-6 А. Технология получения активных углей данных марок была разработана при непосредственном участии Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), в частности, кафедры «Химической технологии материалов и изделий сорбционной техники» .

Проведение пробной реактивации ГАУ Filtrasorb TL 830 на производственных мощностях ООО «НПП «Полихим» Гранулированные активированные угли могут быть легко регенерированы в ООО НПП «Полихим» наиболее распространенным стандартным методом (паром) Проведение процесса реактивации угля паром в электропечи ЭВП-300 Реактивированный уголь (в результате проведения реактивации в печи ЭВП-300). В соответствии с условиями договора между ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга и СПб. ГТИ (ТУ) на производственной площадке ООО НПП «Полихим» в сентябре-ноябре 2012 г. выполнена опытно-промышленная реактивация отработанного ГАУ Filtrasorb TL-830 в количестве 0, 5 т.

Результаты проведения пробной реактивации ГАУ Filtrasorb TL 830 на производственных мощностях ООО «НПП «Полихим» Реактивация отработанного ГАУ Filtrasorb TL-830 из скорых фильтров блока К-6 ЮВС позволяет восстановить параметры структуры ГАУ и даже улучшить эти параметры (при двухкратной реактивации) не только по сравнению с параметрами отработанного материала, но и по сравнению с параметрами исходного свежего образца угля Filtrasorb TL-830 Ws – суммарный объем пор, Vми – объем микропор, Vме – объем мезопор. Образец Ws, см 3 /г Vми, см 3 /г Vме, см 3 /г TL-830 (лот 8613 E 008), исходный (свежий уголь) 0, 467 0, 374 0, 093 Образец отработанного TL-830 (14. 08. 12) 0, 433 0, 359 0, 074 Образец реактивированного TL-830 (14. 08. 12) 0, 508 0, 462 0, 046 Партия отработанного TL-830 (13. 09. 12) 0, 403 0, 355 0, 048 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), однократная реактивация 0, 446 0, 420 0, 026 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), двухкратная реактивация 0, 547 0, 499 0, 048 Полученные результаты объясняются тем, что производитель ГАУ (Chemviron Carbon) с целью обеспечения продолжительного общего срока эксплуатации ГАУ Filtrasorb TL-830, основанного на использовании многократных процессов его реактивации, выпускает недоактивированный продукт, закладывая тем самым возможность сохранения его сорбционных и эксплуатационных свойств при многократной реактивации.

Параметры пористой структуры образцов ГАУ Filtrasorb TL-830 до и после реактивации Наблюдаемое снижение механической прочности ГАУ в процессе реактивации связано с удалением незначительной доли связующего компонента, происходящим в процессе реактивации. Тем не менее, механическая прочность реактивированных образцов ГАУ Filtrasorb TL-830, составляющая 78 -80 %, незначительно отличается от механической прочности исходного угля (84 -85 %), что обеспечивает возможность его дальнейшей эксплуатации без какого-либо снижения эксплуатационных характеристик. Wо – измеренный объем сорбционного пространства, Ео – энергия адсорбции по бензолу. В процессе реактивации восстанавливается и даже повышается по сравнению с образцом свежего ГАУ сорбционная активность по метиленовому голубому и значение йодного числа. образец W 0 , см 3 /г Е 0 , к. Дж/моль ЙЧ, мг/г Сорбционная активность по МГ, мг/г Мех. прочность, % TL-830 (лот 8613 E 008), исходный (свежий уголь) 0, 378 25, 4 927 198 84 Образец отработанного TL-830 (14. 08. 12) 0, 369 20, 8 759 98 80 Образец реактивированного TL-830 (14. 08. 12) 0, 476 25, 6 1080 213 78 Партия отработанного TL-830 (13. 09. 12) 0, 369 20, 2 689 94 85 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), однократная реактивация 0, 444 22, 7 1016 211 80 Партия реактивированного TL-830 (13. 09. 12), двухкратная реактивация 0, 509 26,

Выводы по результатам выполненных исследований Оптимальным решением по организации работы фильтровальных сооружений блока К-6 после выработки сорбционного ресурса ГАУ является проведение реактивации угля в сторонней организации с последующей его загрузкой в скорые фильтры блока и повторным использованием. В качестве сторонней организации для проведения реактивации отработанного угля из скорых фильтров блока К-6 рекомендуется ООО НПП «Полихим» . Данная организация отличается 1) высоким качеством выполнения производственного процесса реактивации ГАУ, установленного проведением пробной реактивации партии ГАУ Filtrasorb TL-830, отобранного из действующих скорых фильтров блока К-6, 2) наименьшей стоимостью реактивации среди российских предприятий аналогичного профиля, 3) наиболее близким расположением по отношению к Южной водопроводной станции Санкт-Петербурга. Размер затрат на комплекс мероприятий по реактивации отработанного ГАУ из скорых фильтров блока К-6 и перегрузке фильтров реактивированным углем составляет приблизительно 68 млн. руб. , что почти в 2 раза ниже размера капитальных затрат на замену отработанного ГАУ свежим углем. Осуществление комплекса мероприятий по реактивации отработанного ГАУ из скорых фильтров блока К-6 и перегрузке фильтров реактивированным углем будет сопровождаться наименее значительным увеличением себестоимости очищенной на блоке К-6 воды, составляющим 15 коп на 1 м 3 , что в 2 раза меньше, чем аналогичный показатель, достигаемый при замене отработанного ГАУ свежим углем и в 3 раза меньше, чем при замене отработанного ГАУ кварцевым песком. Замена отработанного ГАУ из скорых фильтров блока К-6 кварцевым песком не рекомендуется ввиду неизбежного резкого ухудшения качества очистки воды на блоке К-6 и связанного с этим экономического и материального ущерба для ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» .