Утилизация и обезвреживание жидких отходов

 

Среди многочисленных жидких отходов на химических и нефтехимических предприятиях преобладают сточные воды, различные углеводородные растворители и загрязненные органические вещества.

Сточные воды загрязнены неорганическими и органическими соединениями, поступающими с заводов соответствующего профиля - основной химической промышленности, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, органического синтеза, красителей и пигментов, лаков и красок, целлюлозно-бумажной промышленности и др. Обобщенная схема образования сточных вод на химических предприятиях представлена на рис. 4.16.

Выбор метода очистки сточных вод зависит, прежде всего, от характера примесей. Наиболее часто употребляемые приемы очистки сточных вод можно объединить в такие группы:

1) для очистки от суспензированных и эмульгированных примесей - отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрифугирование (для грубодисперсных частиц); коагуляция, флотация, электрические методы осаждения (для мелкодисперсных и коллоидных частиц);

2) для очистки от неорганических соединений - дистилляция, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация, реагентное осаждение, методы охлаждения, электрические методы;

3) для очистки от органических соединений - экстракция, абсорбция, флотация, ионообмен, реагентные методы (регенерационные методы); биохимическое окисление, жидкофазное окисление, парофазное окисление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление (деструктивные методы);

4) для очистки от газов и паров - отдувка, нагрев, реагентные методы;

5) для уничтожения вредных веществ - термическое разложение.

Очистку сточных вод от соединений фосфора осуществляют с помощью сульфатов алюминия и железа. Освобождение стоков от соединений азота (аммиака, нитритов и нитратов) производится методами абсорбции и ионообмена (аммиак).

Эффективность различных методов очистки сточных вод показана в табл. 4.7.

 

Таблица 4.7. Эффективность методов очистки сточных вод
Метод очистки	Удаляемые примеси	Степень очистки, %
Биохимическая очистка: одноступенчатая двухступенчатая Отгонка Ионообмен Электродиализ Адсорбция углем Фильтрация Обратный осмос Дистилляция	Органические соединения, нефтепродукты То же Аммиак Азот- и фосфорсодержащие соединения Растворенные вещества Органические соединения Взвешенные вещества Растворенные вещества То же	55-90 93-99 85-95 80-92 10-40 90-98 60-90 65-95 90-98

 

Как видно из таблицы, для очистки сточных вод в большинстве случаев используются типовые процессы химической технологии (или их сочетание), которые изучаются в курсе "Основные процессы и аппараты химической технологии". Поэтому обратим внимание на особенности биохимического и химического окисления примесей в сточной воде.

Метод биологической очистки сточных вод основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использовать в качестве источников питания разнообразные органические соединения, подвергая последние биохимическим превращениям. Использование свойств адаптации бактерий активного ила позволяет успешно решать вопросы биологической очистки стоков воды химических производств, содержащих сложные органические соединения неприродного происхождения.

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических соединений при помощи микроорганизмов называют биохимическим окислением. Окисление органических веществ происходит избирательно, поэтому некоторые соединения разрушаются легко, другие - медленно или совсем не окисляются.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятель­ности которых требуются постоянный приток кислорода и тем­пература 20-40 °С. При изменении кислородного и температур­ного режимов меняются состав и число микроорганизмов, а соответственно и эффективность очистки стоков. В случае анаэробной очистки микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке, биохимические процессы проте­кают без доступа кислорода. Этот метод используют главным образом для обезвреживания осадков.

 

Рис. 4.16. Схема образования сточных вод в химическом производстве

 

Биохимическая очистка с точки зрения организации безот­ходного производства не может считаться универсальной, так как поступающие со сточными водами ценные органические вещества не извлекаются, а перерабатываются в избыточный ил, также требующий обезвреживания. Однако это пока единствен­ный метод, который обеспечивает очистку сточных вод до пока­зателей, позволяющих использовать их в оборотных системах охлаждения. Сооружения биологической очистки химических предприятий могут иметь различные технологические схемы, которые выбирают в зависимости от характеристик посту­пающих в них сточных вод.

За критерий выбора технологической схемы очистных соору­жений принимается обеспечение требований к качеству очи­щенных сточных вод и условие минимизации приведенных за­трат.

Наиболее часто используется схема, приведенная на рис. 4.17. Сточные воды поступают первоначально в усреднительные емкости 1, а затем в смесительную камеру 3. Сюда же поступают хозяйственно-бытовые сточные воды из накопителя 2, а также условно чистая вода. Накопитель хозяйственно-бытовых сточ­ных вод 2 играет роль усреднителя, поскольку эти воды имеют переменный характер загрязнения (разлив продуктов, уборка производственных помещений и т. д.). Смешанный сток посту­пает в аэротенк 4, куда подается воздух. Иловая смесь из аэротенка направляется во вторичный отстойник 5, где очищенная вода отделяется от активного ила и направляется в водоем или на подпитку водооборотных систем (после соответствующей доочистки). Активный ил из вторичных отстойников возвра­щается в аэротенк в виде возвратного ила, а частично в виде избыточного ила направляется на обработку.

Термоокислительные методы обезвреживания сточных вод. В термоокислительных методах обезвреживания органические примеси в сточных водах окисляются кислородом воздуха при повышенной температуре до безвредных продуктов (Н₂О, СО₂). К этим методам относятся: пламенный ("огневой"), жидкофазное окисление, парофазное каталитическое окисление.

 

Рис. 4.17. Схема биологической очистки сточных вод химических производств: 1 - усреднительные емкости; 2 - накопитель хозяйственно-бытовых сточных вод; 3 -смесительная камера; 4 - аэротенк; 5 - вторичный отстойник

 

Выбор метода обезвреживания зависит от объема сточных вод, их состава и теплотворной способности, экономичности процесса и требований к очищенным стокам. По теплотворной способности загрязненные стоки делятся на сточные воды, способные гореть самостоятельно за счет содержащихся в них органических веществ, и воды, термоокислительное обезвреживание которых возможно только с вводом топлива (при теплотворной способности стоков ниже 8400 кДж/кг).

Огневой метод обезвреживания сточных вод является универсальным и характеризуется высокой степенью очистки сточных вод (98-99,9%). В этом методе сточная вода вводится в распыленном состоянии в высокотемпературные продукты сгорания топлива (900-1000 °С). Вода испаряется, а органические примеси сгорают, образуя продукты полного сгорания (СС>2, Н2О). Минеральные примеси при этом образуют твердые или расплавленные частицы, которые удаляются из камеры печи.

Недостатком метода является высокий расход топлива на испарение воды и перегрев пара до 900-1000 °С. В связи с этим огневой метод рекомендуется использовать в следующих случаях:

1) при большом количестве сточных вод, содержащих высокотоксичные органические примеси, обезвреживание которых другими методами невозможно или экономически невыгодно;

2) при наличии горючих вторичных энергоресурсов, которые могут быть использованы вместо топлива.

В огневом методе используются печи различных типов: камерные, шахтные, циклонные, с псевдоожиженным слоем. Наиболее эффективны циклонные печи (рис. 4.18), в которых благодаря вихревому характеру газового потока интенсифицируется тепло- и массообмен между каплями сточной воды и горячими продуктами сгорания топлива. В этих печах сравнительно просто решается вопрос о выгрузке плава солей. Недостатком циклонных печей является большой унос солевой массы потоком газа.

На рис. 4.19 представлена схема установки огневого обезвреживания сточных вод, включающая циклонный реактор 2, парогенератор (котел-утилизатор) 3 и струйный аппарат 4. Продукты сгорания из реактора поступают в камеру охлаждения парогенератора. Наличие эжектора позволяет исключить дымосос. Циркуляционный насос 5 используется для подачи раствора минеральных веществ из емкости 6 в реактор 2 и в струйный аппарат 4. Пройдя каплеотделитель 7, очищенные газы поступают в дымовую трубу 8 и из нее в атмосферу. На некоторых установках используют для утилизации тепла водогрейные котлы, водоаммиачные абсорбционные холодильные машины и циклоны для сухой очистки газа от каплеуноса.

Установка по огневому обезвреживанию сточных вод характеризуется следующими показателями:

Производительность по сточным водам, м³/ч..............................................2,5

Расход природного газа, м³/ч......................................................................... 600

Удельный расход газа, м³/ч............................................................................ 240

Удельная нагрузка циклонной печи по сточным водам, т/(м³·ч)...............1,18

Тепловое напряжение циклонной печи, МВт/м³..........................................2,46

Температура продуктов сгорания на выходе из циклона, °С..................900-1000

В процессе обезвреживания сточных вод, содержащих органические соединения серы, хлора, нитросоединения, образуются SO₂, SO₃, P₂O₅, HC1, С1₂, (NО) _х. Вещества эти могут взаимодействовать с образованием новых, более токсичных соединений, что необходимо иметь в виду при удалении отходящих газов в окружающую среду.

 

Рис. 4.18. Схема установки для сжигания горючих жидких отходов: 1 - воздуходувка; 2 - питающее устройство; 3 –печь
Рис. 4.19. Схема установки огневого обезвреживания сточных вод: 1 - нагнетательный насос; 2 - циклонный реактор; 3 - парогенератор (котел-утилизатор); 4 - струйный аппарат; 5 - циркуляционный насос; 6 - емкость; 7 - каплеотделитель; 8 - дымовая труба

 

Рис. 4.20. Схема установки жидкофазного окисления: 1 - сборник; 2 - насос; 3 - теплообменник; 4 - печь; 5 - реактор; 6 - сепаратор

 

Метод жидкофазного окисления основан на окислении органических веществ, растворенных в сточной воде, кислородом воздуха при температуре 100-350 °С и давлении 2-28 МПа. Повышение давления ускоряет процесс и глубину окисления вследствие увеличения растворимости в воде кислорода. Жидкофазное окисление осуществляется как на катализаторах, так и без них. В качестве катализаторов используются металлы (Pt, Pd, Cu, Zn, Mn), нанесенные на оксид алюминия или активированный уголь.

Принципиальная схема установки жидкофазного окисления органических соединений, содержащихся в сточной воде, показана на рис. 4.20.

Загрязненная вода из сборника 1 насосом 2 подается в систему обезвреживания горючих соединений. Вода нагревается в теплообменнике 3 и в печи 4, в которой сжигается природный газ. После отделения воды в сепараторе 6 газы выбрасываются, а очищенная вода охлаждается в теплообменнике 3, нагревая загрязненный поток.

В методе парофазного каталитического окисления используется гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха летучих органических соединений, находящихся в сточных водах. Процесс окисления интенсивно протекает в присутствии медно-хромовых, медно-цинковых, медно-марганцевых катализаторов. При высокой температуре (350-400 °С) большинство органических веществ подвергается полному окислению (98,5-99,9%).

Применение парофазного окисления наиболее целесообразно в случае вывода технологического потока в виде пара, направляемого в конденсаторы (из выпарных аппаратов, ректификационных колонн, сушильных камер и т. д.). В данном процессе могут быть использованы конструкции реакторов, характерные для гетерогенно-каталитических процессов.