Установки для ионообменной очистки сточных вод

3.13. Выбор схемы ионообменной очистки и обессоливания сточных вод производится в зависимости от назначения установки, состава и расходов сточных вод, требований к качеству очищенной воды.

Очистка и частичное обессоливание сточных вод, имеющих слабокислую или нейтральную реакцию, от ионов 2- и 3-валентных металлов, при отсутствии или малом содержании катионов щелочных металлов, а также аммония, анионов слабых кислот (карбонатов, силикатов, боратов) или допустимости их присутствия в очищенной воде производится по одноступенчатой схеме последовательным фильтрованием через катионит в водородной форме и слабоосновный анионит в гидроксильной форме (рис. 20, а). При наличии в воде, подвергаемой очистке, окислителей (хромат- и бихроматионов), в качестве анионообменника необходимо применять слабоосновные аниониты АН-18-10 П, АН-251 или сильноосновной анионит АВ-17, стойкие к окислительному действию указанных ионов.

Для более глубокой очистки сточных вод от анионов слабых кислот (боратов, силикатов) применяют схему с одноступенчатым Н-катионированием и 2-ступенчатым Н-анионированием (рис. 20,б). На первой ступени анионирование производится с использованием слабоосновных анионитов, на второй ступени используются сильноосновные аниониты.

Для обессоливания и очистки сточных вод при большом содержании катионов щелочных металлов и аммония, а также при наличии ионов 2- и 3-валентных металлов целесообразно применять 2-ступенчатое Н-катионирование (рис. 20, в).

При наличии в обрабатываемой воде большого количества солей угольной кислоты, для предотвращения быстрого истощения емкости сильноосновных анионитов 2-й ступени анионирования из воды, после Н-катионирования, удаляется углекислота в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига с деревянной хордовой насадкой или в других массообменных аппаратах (рис. 20, г).

Рис. 20. Схемы установок очистки и обессоливания сточных вод ионообменным способом

а - одноступенчатая схема для очистки и частичного обессоливания сточных вод; б - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым анионированием; в - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым катионированием и двухступенчатым анионированием; г - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым анионированием и удалением углекислоты дегазацией; д - схема очистки и обессоливания сточных вод с удалением углекислоты дегазацией и фильтрами смешанного действия; е - схема очистки и полного обессоливания сточных вод с двухступенчатым анионированием, удалением углекислоты дегазацией и предочисткой на механических и сорбционных фильтрах; k_I и К_II - Н-катионовые фильтры I и II ступени; А_I и А_II - ОН-анионитовые фильтры I и II ступени; Д - декарбонизатор; ПБ - промежуточный бак; М - механические фильтры; Ф - фильтры смешанного действия (ФСД).

В ряде случаев для стабилизации показателя рН очищенной воды или глубокого обессоливания ее и удаления анионов слабых кислот вместо анионитовых (фильтров второй ступени или после них используют фильтры смешанного действия (ФСД), загружаемые сильнокислотными катионитами и сильноосновными анионитами (рис. 20, д).

Содержание повышенных веществ в воде, поступающей на ионообменные фильтры, не должно превышать 8 мг/л. Величина ХПК не должна быть более 8 мг О/л. В противном случае в схему ионообменной установки включаются сооружения предочистки с механическими и сорбционными фильтрами (рис. 20, е).

В зависимости от конкретных условий возможны и другие компоновки ионообменных установок с включением различного количества ступеней катионирования и анионирования и возможным чередованием их. При наличии в сточных водах сложных смесей катионов большое значение имеет селективное их поглощение катионитами.

Для определения наименее сорбируемых катионов при обмене на сильнокислотном катионите КУ-2 следует принимать во внимание ряд катионов по энергии их вытеснения друг другом

Н⁺ < Na⁺< NH < Mg²⁺< Zn²⁺ < Со²⁺ < Cu²⁺ <Cd²⁺ < Ni²⁺<Cа²⁺ < Sr²⁺ < Pb²⁺ < Ва²⁺.

При обмене на слабокислотном катионите КВ-4 установлен следующий ряд катионов:

Mg²⁺ < Са²⁺ < Ni²⁺ < Со²⁺ < Сu²⁺.

Установлен аналогичный ряд поглощения анионов сильных кислотна сильноосновном и слабоосновном анионитах

Cl^- < NO < SO < CrO .

Анионы слабых кислот по сродству к сильноосновным анионитам образуют следующий ряд: силикаты<бораты<фосфаты.

В случае присутствия в воде нескольких катионов и анионов системы рассчитываются как однокомпонентные по наименее сорбируемым или лимитирующим ионам. Расчетные концентрации ионов принимаются равными концентрациям суммы ионов (катионов и анионов раздельно), а емкость ионитов, равной емкости ионитов но наименее сорбируемым или лимитирующим ионам,присорбции их из индивидуальных растворов.

В ряде случаев ионообменные установки применяются специально с целью извлечения специфичных, отдельных компонентов из сточных вод.

Иониты для очистки и обессоливания сточных вод.

3.14. Для загрузки Н-катионитовых фильтров при очистке сточных вод и их обессоливания в настоящее время преимущественно используются катиониты КУ-1. КУ-2-8, КУ-2-20, КУ-23, KБ-4, КБ-4П-2, КБ-4-10П.

В качестве слабоосновных анионитов могут применяться: АН-2-ФН, АН-18, АН-22, АН-32, АН-221, АН-251. Аниониты промежуточной основности ЭДЭ-10П. Сильноосновные аниониты АВ-17-8, АВ-29-12П.

В табл. 31 дана характеристика некоторых отечественных катионов (ГОСТ 20298-74*), в табл. 32 - некоторых отечественных анионитов (ГОСТ 20301-74*). Выбор ионитов для очистки сточных вод производится в зависимости от условий ведения процесса и требований к качеству очищенной воды.

Таблица31

Таблица 32

Марка анионита	Фракционный состав	Содержание рабочей	Содержание влаги, %	Насыпная плотность	Удельный объем	Полная обменная емкость, г-экв/м	Полная обменная	Допустимая температура
	набухшего ионита, мм	фракции, %		товарного ионита, т/м3	набухшего ионита не более, м3/т	По Cl-ионам	По SO ионам	По SO ионам	емкость в динамических условиях, г-экв/м3	воды при очистке, °С
АН-2ФН	0,4-4,2		2-10	0,65-0,68	3.2			-	1700-1750
АН-18-8	0,4-1,25		30-50	0,68	2,5			-
АН-18П	0,355-1,5		35-60	-	3,5		-	-	-
АН-22	0,315-1,25		30-50	0,79	2,3±0,5		-	-
АН-31	0,4-1.2		2-10	0,7-0,8	3,2		-	-
АН-221	0,315-1,25		40-60	0,83	3,9		-	-
АН-251	0,63-1,6		Не более 50	0,34-0,46	3,0-3,6		-	-	-
ЭДЭ-10П	0,4-1,8		2-10	0,6-0,7	3,45				1020-1160
АВ-17-8	0,355-1,25		40-60	0,74	2,9				670-900
АВ-17-8ЧС	0,4-1,25		-	-	3,3		-	-
АВ-29-12П	0,355-1,5		55-65	-	3,6		-	-

Для выбора ионообменной смолы при удалении из воды того или иного специфического соединения или элемента приводятся обменные емкости ионитов по некоторым компонентам, присутствующим в сточных водах.

В табл. 33 дана динамическая обменная емкость (ДОЕ) ряда катионитов по меди, никелю и цинку; и табл. 34 - ДОЕ сильно- и слабоосновных анионитов по шестивалентному хрому. В табл. 35 приведена рабочая обменная емкость анионита АВ-17 в ОН-форме по анионам сильных кислот при извлечении хроматов. В последующих таблицах даются опытные данные: по емкости некоторых ионитов по фенолу (табл. 36), катионитов КУ-2 и КБ-4П-2 по пиридину (табл. 37), анионитов ЭДЭ-10П и АВ-17 по муравьиной кислоте (табл. 38) и некоторых катионитовпо анилину (табл. 39).

Таблица 33

Таблица 34

Таблица 35

Состав сточной воды, мг-экв/л	РОЕ. г-экв/м3	Использование
Сг (VI)	SO	Cl-	NO		по	по Сг (VI)	РОЕ по Сг (VI), %
0,8- 1,1	0,8- 1,1	0,4- 0,5	-	2-2,7	660- 900	270- 436	41-48
1,2- 1,3	1,2- 1,4	0,3- 0,4	4,8- 5,3	7,5-8,4	600- 925	108- 144	16-18
1,2- 1,3	1,3-1,4	0,3- 0,4	0,4	3,1-3,5	835- 1095	328- 348	32-39
1,2- 1,4	1,2	0,3	0,2	2,9-3,1	760- 860	336- 376

Таблица 36

Таблица 37

Таблица 38

Таблица 39

Ионообменные аппараты

3.15. Процессы ионообменной очистки и обессоливания сточных вод могут осуществляться в различных аппаратах: ионообменных фильтрах с обработкой воды в плотном слое; фильтрах для работы с псевдоожиженным слоем ионитов; пульсационных колоннах, «паучках».

Наиболее распространено применение серийно выпускаемых таганрогским заводом «Красный котельщик» и Бийским котельным заводом ионообменных фильтров для фильтрования воды в плотном слое. Для очистки и обессоливания сточных вод используются стандартные Н-катионитовые фильтры - первой ступени, вертикальные, параллельно-точные. Их характеристики приведены в табл. 40.

Таблица40

Фильтры смешанного действия имеются двух видов: с внутренней регенерацией и с выносной регенерацией. Наибольшее применение в практике очистки и обессоливания сточных вод находят ФСД с внутренней регенерацией. Их характеристика приведена в табл. 41.

Важным моментом в проектировании ионообменных установок является расчет потери напора в загрузке ионитовых фильтров. В табл. 42 приведены данные о потере напора в зависимости от крупности зерен ионита, высоты слоя и скорости фильтрования.

Таблица41

Таблица42

3.16. Технологические данные для расчета Н-катионитовых фильтров

Скорость фильтрования, м/ч 10-15

Скорость регенерации, м/ч 1,0-1,8

Направление потока при фильтрации,

регенерации и отмывке сверху вниз

Интенсивность взрыхления катионита

перед регенерацией, л/(с ^. м²) 3

Время взрыхления, мин 5-7

Скорость отмывки катионита после

регенерации, м/ч 6-10

Регенерационный раствор 7-10%-ные растворы НС1 или H₂SO₄

ДОЕ КУ-2 по сумме ионов 2- и

3-валентных металлов 15-19 кг (830-1050 г-экв) на 1 м³ набухшей смолы

КУ-23 8-10,5 кг/м³ (450-580 г-экв/м³)

Ориентировочный годовой износ катионита 10 %

3.17. Технологические данные для расчета анионитовых фильтров

Скорость фильтрования, м/ч 10-15

Скорость регенерации, м/ч 1,5-2

Направление потока при фильтрации,

регенерации и отмывке сверху вниз

Интенсивность взрыхления анионита

перед регенерацией. л/(с ^. м²) 3-4

Время взрыхления загрузки, мин. 5-7

Скорость отмывки после регенерации, м/ч 5-6

Регенерационный раствор 3-4 % NaOH

ДОЕ анионитов по анионам сильных

кислот, г-экв на 1 м³ набухшей смолы АН-2ФН-800-1000;

АН-22-900-1000;

AН-31-1000-1200

Ориентировочный годовойизнос 15-20%

Способы защиты ионообменных установок

3.18. Сточные воды, поступающие на установку, могут иметь кислую или щелочную реакцию, содержать компоненты, обладающие агрессивными свойствами по отношению к бетону или металлам. Кроме того, при обессоливании вода, поступающая из Н-катионитовых фильтров в анионитовые, имеет кислую реакцию, а обессоленная вода по отношению к бетону или металлам также обладает коррозионными свойствами. Агрессивны и применяемые для регенерации ионитов растворы и образующиеся элюаты. Эти обстоятельства необходимо учитывать при проектировании ионообменных установок. Необходима защита от коррозии внутренних поверхностей всех емкостей для приготовления и дозирования регенерирующих реагентов, сбора и хранения элюатов и промывных вод; внутренних поверхностей фильтров, декарбонизаторов, всех деталей внутри фильтра, обвязки трубопроводов, арматуры, соприкасающейся с водой и растворами в установке.

Для защиты от коррозии внутреннюю поверхность корпуса фильтров и емкостей либо гуммируют, либо покрывают кислотостойкими смолами и лаками. Нижние распределительные устройства трубчатого типа, крепежные детали внутри корпуса фильтра и другую арматуру изготовляют из нержавеющей стали. Верхние распределительные устройства выполняются из полиэтилена. Нижние распределительные устройства типа «ложное дно» изготовляют из полимерных материалов: доски из пресс-материала АГ-40, щелевые колпаки из сополимера стирола СНП-2.

Пример расчета ионообменной установки по доочистке и обессоливанию сточных вод цеха гальванических покрытий

3.19. Назначение ионообменной установки. На ионообменную установку подаются промывные кислотно-щелочные сточные воды цеха в смеси с хромосодержащими (после их предочистки электрокоагуляцией) и циансодержащими (после каталитического окисления цианидов кислородом) сточными водами.

Смесь сточных вод перед подачей на ионообменную установку подвергается отстаиванию для выделения труднорастворимых соединений, образующихся в результате взаимодействия компонентов при смешении указанных категорий стоков. Результатом ионообменной обработки сточных вод является организация системы оборотного технического водоснабжения цеха, получение обессоленной воды.

Расход воды на собственные нужды установки после ее запуска и вывода на режим принимается 10-15 % ее производительности.

Характеристика обрабатываемых сточных вод. Количество сточных вод с учетом пополнения воды на потери и на собственные нужды установки на данном объекте составляет 820 м³/cyт, в среднем 51 м³/ч при непрерывной 2-сменной работе. Основные показатели смеси сточных вод, поступающихна ионообменную установку, приведены в табл. 43.

Таблица 43

Солесодержание поступающих сточныхвод ~570 мг/л (7,7- 7,8 мг-экв/л), рН = 6,5-7.

В состав установки входят; усреднитель сточных вод, отстойник, механические фильтры, сорбционные фильтры, Н-катионитовые фильтры, ОН-анионитовые фильтры, узел приготовления регенерирующих растворов, емкости для сбора обессоленной воды алюатов от регенерации ионитов и промывочных вод, узел обезвреживания элюатов.

Описание технологической схемы ионообменной очистки и подготовки воды

Сточные воды после усреднения и отделения ГДП в отстойнике поступают в сборник, из которого насосом подаются последовательно на механические, сорбционные, катионитовые и анионитовые фильтры. Обессоленная вода поступает в сборник, из которого направляется затем потребителям.

Расчет ионообменной установки. Накопитель-усреднитель сточных вод рассчитывается из условия 3-4-часового усреднения по соответствующему разделу СНиП 2.04.03-85 при максимальном расходе сточных вод. Емкость его принимается равной 150-200 м³. Отстойник (вертикальный или тонкослойный) рассчитывается согласно пп. 6.57-6,70 СНиП 2.04.03-85.

Исходные данные для расчета: средний часовой расход сточных вод q_w = 51м³; концентрация взвешенных частиц образующихся из труднорастворимых соединений (фосфатов и гидроксидов металлов) 250-300 мг/л (в расчете на сухое вещество); гидравлическая крупность частиц U₀ = 0,2 мм/с; сборник осветленной воды рассчитывается на 20-30 минутный расход сточных вод и подпиточной воды. Его емкость составит 17-25 м³.

Механические фильтры проектируются согласно соответствующему разделу СНиПа, на производительность 51 м³/ч; скорость фильтрования принимается 8-10 м/ч.

Для подготовки фильтра к работе в следующем фильтроцикле загрузка после опорожнения фильтра отмывается противотоком воды [13-15 л/(с ^. м²)] в течение 7-8 мин. Отмывочная вода подается в усреднитель сточных вод перед отстаиванием. Необходимая площадь фильтрования должна быть в праделах

м².

Количество фильтров принимается в соответствии с их характеристиками. Рекомендуется применять 2 рабочих фильтра диаметром 2 м и площадью 3,14 м² каждый.

Сорбционные фильтры проектируются согласно CНиП 2.04.03-85 пп. 6.283-6.289. Фильтры рассчитываются на производительность 51 м³/ч, скорость фильтрования 8-10 м/ч, интенсивность взрыхления активированного угля 3-4 л/(с×м²), высота загрузки 2,2-2,8 м. Необходимая площадь фильтрования 5,1-6,4 м². Количество фильтров определяется в соответствии с основными их характеристиками. Загрузка - уголь БАУ, АГ-3, АГ-5, АР-3. Рекомендуется принять 2 рабочих фильтра диаметром 2 м и сечением 3,14 м² каждый. Возможно совмещение механической и сорбционной предочистки в одном 2-слойном фильтре.

Н-катионитовые фильтры рассчитываются на производительность 51 м³/ч. Содержание катионов металлов 7,7 г-экв/м³ при эксплуатации (см. табл. 42) и 8,3 г-экв/м³ при запуске (работа без оборота).

Объем катионита W_hat, м³, в водород-катионитовых фильтрах определяется по формуле

, (120)

где

. (121)

Подставив цифровое обозначение в формулы (120) и (121), получим

W_hat = 13,26 м³;

= 0,8×1000 - 0,5×4×1,7 = 796,7 800 г-экв/м³.

Площадь катионитовых фильтров определяется по формуле

F_к = W_k/H_k, (122)

F_к = = 6,63 - 4,42 м².

Предлагается к установке один рабочий и один резервный фильтр диаметром 2,6 м и сечением 5,3 м² каждый. При этом скорость фильтрования составит 51/5,3 = 9,6 м/ч (скорость фильтрования должна быть в пределах 8-15 м/ч).

Длительность рабочего цикла фильтрапринята 2 сут по 16 ч. Она может быть рассчитана по формуле

. (123)

Подставив цифровое обозначение в формулу (123), получим

t_f = = 32 ч.

Регенерация катионитовых фильтров производится 7- 10 %-ным раствором соляной кислоты в количестве 2,5-3 г-экв на 1 г-экв сорбированных катионов (на 1 г-экв РОЕ катионита). Расход реагента на регенерацию одного фильтра в одном цикле определяется по формуле

. (124)

Подставив цифровые обозначения, получим

P_к = 3744 кг.

При повторном использовании части элюатов на регенерацию расход кислоты может быть сокращен на 30-40 %.

Расход воды на регенерацию катионитовых фильтров.

На взрыхление смолы при интенсивности 3 л/(с ^. м²) в течение 20 мин

5,3^.3^.60^.20^.0,001 = 19 м³;

на приготовление 10 %-ной соляной кислоты

= 11,6 м³;

на после регенерационную отмывку - 3-4 объема на 1 объем ионита, т.е. 13,25 ^. 3,5 = 46,4 м³.

Общий объем воды на одни фильтр в цикле 77,1 м³, средний часовой расход 77,1/32 = 2,4 м³.

Анионитовые фильтры. Загрузка - слабоосновный анионит АН-31, производительность 51 м³/ч. На анионитовые фильтры поступает Н-катионированная вода с содержанием анионов сильных кислот 7,4 г-экв/м (см. табл. 43).

Объем анионита W_an, м³, определяется по формуле (120), где вместо , и ставятся величины и - концентрации суммы анионов в обрабатываемой и анионированной воде.

Рабочая емкость анионита рассчитывается по формуле (121), где а для слабоосновных анионитов = 0,9; = 1120; q_an = 3-4 м³; K_ion = 0,8; = 0,9 ^. 1120-0,8 ^. 4 ^. 1,7 = 1000; П_reg - число регенерации анионитовых фильтров в сутки (принимается 1 раз в 3 сут.)

W_an = 14 м³.

По аналогии с Н-катионитовыми фильтрами принимается один рабочий и один резервный анионитовые фильтры с объемом загрузки 13,25 м³, сечением 5,3 м² и диаметром 2,6 м. Площадь фильтрования анионитовых фильтров может быть проверена по формулам

F_an = 16q_w/n_regt_fv_f; (125)

t_f = 16/n_reg—t₁-t₂-t₃. (126)

Регенерация анионита производится 4 %-ным раствором гидроксида натрия в количестве 2,5 экв на 1 экв рабочей обменной емкости. Расход 100 %-нoгo гидроксида натрия рассчитывается по формуле (124)

Pb = 1325 кг,

где 40 - эквивалентная масса гидроксида натрия.

Расход реагента может быть сокращен на 30-40 % при повторном использовании части элюатов.

Расход воды на регенерацию анионитовых фильтров:

на взрыхление смолы

5,3 ^. 3^.60^.20^.0,001 = 19,1 м³;

на приготовление 4 %-ного раствора гидроксида натрия 1325/40 = 33,1 м³;

на после регенерационную отмывку фильтра 13,25×5 = 66,2 м³. Общий расход воды на регенерацию составил 118,4 м³, а продолжительность регенерации 33,1/5,3×2 = 3,12 ч, продолжительность отмывки 66,2/5,3×6 = 2,08 ч продолжительность работы фильтра между регенерациями

-0,33-3,12-2,08 = 48,48-5,53 = 42,95 ч (43 ч).

Площадь фильтрования

F_a = (16×51)/(0,33×43×12) = 4,79 м².

что укладывается в сечение выбранного фильтра 5,3 м², диаметром 2,6 м.

Часовой расход воды на регенерацию составит 118,4/43 = 2,75 м³/ч.

Часть отмывочной воды может использоваться для приготовления регенерационного раствора. Общий расход очищенной воды на собственные нужды ионообменной установки(на взрыхление, регенерацию, отмывку ионитов всех фильтров) без учета повторного использования составит 2,4+2,75 = 5,15 м³/ч, или 10% производительности установки.

Выбор оборудования

3.20. Для ионообменной установки выбирается серийно выпускаемое оборудование заводского изготовления в кислотостойком исполнении. Выбор ионообменных фильтров производится с учетом непрерывной работы и возможности регенерации одного из них без прекращения работы всей установки.

В табл. 44 приводится техническая характеристика ионообменной установки и технологические показатели эксплуатации механических, сорбционных (табл.45) и ионообменных (табл. 46) фильтров,а также перечень и расход основных материалов для загрузки фильтров (табл. 47) и реагентов на их регенерацию (табл. 48).

Таблица 44

Таблица 45

Таблица 46

Таблица 47

Элюаты от регенерации катионитовых и анионитовых фильтров подвергаются реагентной обработке вместе с отработанными концентрированными технологическими растворами. Количество сбрасываемых кислых элюатов от регенерации катионитовых фильтров 5,8 м³/сут. Количество сбрасываемых щелочных элюатов от регенерации анионитовых фильтров 11 м³/сут. Сброс кислоты с элюатами 10,59 кг×экв/сут.

Сброс щелочей с элюатами 7,24 кг-экв/сут. Избыток кислот составляет 3,35 кг-экв/суч. Расход активного СаО на нейтрализацию избытка кислоты 3,35 кг-экв/сут, или 3,35^.28 = 93,8 кг/сут. В расчете на товарную 50 %-ную известь с учетом 5 % избытка расход ее составит 197 кг/сут.

При дозировании 5 %-ного по активному СаО известкового молока расход ее составит приблизительно 2 м³/сут.

Таблица 48

* Расчет расхода реагентов произведен на соляную кислоту 31 %-ную; гидроксид натрия 100 %-ный; известь гашеную 50 %-ную по активному СaО.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: