[1]Изобретение относится к области водоподготовки и очистке сточных вод, образующихся в горнодобывающей промышленности, на металлургических и других промышленных производствах, для очистки природных подземных вод высокой минерализации, солевых растворов и рассолов от ионов металлов, сульфат- и нитрит-ионов, предназначена для проведения испытаний и отработки эффективности технологий очистки сточных вод и установок водоочистки.
[2]Вопрос выбора методов и технологий очистки воды является первостепенным при проектировании очистных сооружений и производства различных комплексов и оборудования для очистки воды. Проведение опытных испытаний на пилотных установках предоставляет возможность с минимальными затратами получить подтверждение дееспособности выбранной технологии очистки воды.
[3]Сточные воды горнодобывающей промышленности характеризуются химическим загрязнением и высокой минерализацией. Преимущественно имеют кислую среду, высокое содержание сульфат-иона (в т.ч. свободной серной кислоты), ионов железа и других металлов. Производственные стоки металлургических производств также имеют кислую среду и содержат большое количество взвешенных частиц, а также соединения кальция, магния в виде сульфатов и хлоридов. Такие сточные воды интенсивно коррозируют водоотливные установки и поэтому до отвода в поверхностные водотоки и водоемы, сточные воды подвергаются очистке.
[4]Эффективным методом очистки сульфатсодержащих сточных вод является метод, предусматривающий совместное применение щелочных реагентов и флокулянтов. Использование этого метода объясняется не только относительно высокой скоростью образования осадка, но отсутствием заслоения обрабатываемой воды, поскольку весь флокулянт извлекается с осадком, в отличие от коагулянта (Аксенов В.И., Ладыгичев М.Г., Ничкова И.И. и др. Водное хозяйство промышленных предприятий. Справочное издание. Книга 1. - М.: Теплотехник. 2005, с. 322-323).
[5]Известен способ очистки сульфатсодержащих сточных вод, предусматривающий совместное применение известкового молока и водной суспензии глиноземистого цемента (ГЦ) с последующей обработкой флокулянтом и отделением загрязнений, в виде образовавшихся хлопьев, отстаиванием (SU 872462, C02F 1/58, 1981 г, RU 2559489, C02F 1/66, C02F 1/158, 2015 г). Преимуществом использования ГЦ является его доступность, удобство транспортировки и хранения. Кроме того, основным действующим компонентом ГЦ является трехкальциевый гидроалюминат (3СаО⋅Al2O3 6Н2О), который при взаимодействии с растворимыми сульфат-ионами образует труднорастворимое комплексное соединение гидросульфоалюминат кальция:;
[6]
[7]Для полноты использования ГЦ необходимо освежать его поверхность с целью обеспечения эффективного взаимодействия с жидкой фазой, что достигается проведением процесса в шаровой или другой мельнице либо использование турбулентных смесителей специальной конструкции.
[8]Для реализации указанных способов используются специальные установки, которые, наряду с реагентной обработкой сточных вод и отделением загрязнений в виде осадка, предусматривают стадии дополнительной очистки и обеззараживания осветленной воды разными методами.
[9]Известна установка для подготовки воды питьевого качества из попутно добываемых из скважин пластовых вод, которая основана на последовательном осветлении исходной воды (RU 71112, C02F 1/24, C02F 9/08, 2008 г.). Установка содержит емкости для известкового и содового растворов и для хлопьеобразущих реагентов (флокулянта), флотатор, отстойник, соединенный с флотатором, в верхнюю часть которого поступает исходная вода, известковый и содовый растворы, установка также содержит контактный осветлитель с гравийной загрузкой, который с одной стороны, через трубопровод, имеющий штуцеры для подачи хлопьеобразующих реагентов, соединен с отстойником, с другой стороны контактный осветлитель соединен через насос высокого давления с мембранными блоками обратного осмоса.
[10]Данная установка обеспечивает очистку подземных вод до питьевого качества. К недостаткам данной установки можно отнести то, что предварительная очистка сточных вод не удовлетворяет требованиям к методу обратного осмоса, что приводит к низкой производительности установки, так как требует частой замены мембран.
[11]Известна установка для очистки подземных вод, включающая подводящую магистраль исходной воды, установленные по ходу технологического процесса последовательно, блок реагентных емкостей для окислителя, коагулянта и флокулянта, блок нейтрализации, блок осветления, линию отвода осветленной воды, систему отстойников, блок фильтрации с системой регенерации, емкость готового продукта, возвратно-циркуляционную линию и линию отвода шлама (осадка) из блока осветления. В данной установке вводы коагулянта и флокулянта установлены в реакторе-осветлителе, один конец возвратно-циркуляционной линии соединен с магистралью исходной воды перед точкой соединения ее с емкостью окислителем, а другой конец соединен с линией отвода осветленной воды, блок фильтрации содержит соединенные последовательно фильтры, заполненные, соответственно, природным материалом, обладающим слабоосновными свойствами, и инертным природным материалом. В качестве реактора-осветлителя используют реактор-осветлитель в контактной среде. Линия отвода шлама от блока осветления снабжена шламоотделителем, из которого выход воды, освобожденной от шлама, соединен с емкостью исходной воды, а линия отвода регенерационных растворов блока фильтрации так же соединена с емкостью исходной воды (RU 2187462, C02F 1/64, C02F 9/04, 2002 г.). Недостатком данной установки является низкая производительность, вызванная необходимостью частой регенерации фильтров и, как следствие, увеличением количества промывных вод.
[12]Кроме того, общим недостатком указанных выше установок является невозможность их использования для очистки сточных вод горнорудной промышленности и металлургических предприятий, содержащих высокие концентрации ионов тяжелых металлов и сульфат- и нитрит- ионов, а также большой расход реагентов, связанный с отсутствием автоматизированного контроля технологического процесса.
[13]Известна установка для очистки производственных сточных вод металлургических предприятий, которая содержит подводящую магистраль и, установленные по ходу технологического процесса, приемный резервуар, блок нейтрализации, включающий узел приготовления известкового молока и емкость-смеситель, узел приготовления раствора флокулянта, однотрубный смеситель-турбулизатор, блок осветления, который включает два отстойника-осветлителя, узел приготовления содового раствора, однотрубный смеситель-турбулизатор, блок фильтрации, включающий фильтр ультратонкой очистки и узел мембранной очистки, блок шламоотделения, возвратно-циркуляционную линию, систему трубопроводов и подающих насосов, расходомеры и запорно-регулирующую арматуру (RU 110738, C02F 9/10, 2011 г.).
[14]Недостатком известной установки является отсутствие автоматизированного контроля технологического процесса, за счет этого большой расход реагентов и недостаточная степень очистки сточных вод, в частности, от нитрит- ионов.
[15]Наиболее близкой по конструкции и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является установка для очистки шахтных и карьерных вод, содержащая установленные по ходу технологического процесса блок нейтрализации (обработка известковым молоком), блок флокулирования и осаждения загрязнений, блок доочистки и обеззараживания осветленной воды ультрафиолетом, блок подготовки и обезвоживания осадков, возвратно-циркуляционную линию, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, циркуляционные и подающие насосы, два рН-метра, установленные на подводящем трубопроводе до входа в блок нейтрализации и на выходе из него, устройства автоматического дозирования растворов рабочих реагентов и систему автоматизированного контроля и управления технологическим процессом. (RU 149277, C02F 9/04, 2013 г.).
[16]Достоинствами указанной установки являются: контроль и управление процессом в автоматическом режиме, снижение количества применяемых реагентов за счет контроля кислотности поступающих на очистку и нейтрализованных СВ, обеспечение полноты смешения реагентов с СВ благодаря использованию турбулентного смесителя, специальной конструкции. К недостаткам данной установки можно отнести недостаточную степень очистки от нитрит-ионов, и повышенную щелочность очищенных сточных вод (показатель рН более 8,5), что недопустимо для сброса в водоемы рыбохозяйственного назначения.
[17]Задачей изобретения является обеспечение возможности отработки технологии очистки сточных вод, позволяющей повысить степень очистки и снизить щелочность очищенных вод.
[18]Для решения указанной задачи предлагается пилотная установка для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, -сульфат и -нитрит ионов, содержащая установленные по ходу технологического процесса, емкость для исходной воды, блок реагентных емкостей, снабженных мешалками и устройствами автоматического дозирования, включающий емкости для известкового молока и водного раствора флокулянта, блок реагентной обработки, включающий два проточных турбулентных смесителя, из которых один посредством трубопровода соединен с емкостью для известкового молока, а второй с емкостью для раствора флокулянта, блок флокулирования и осаждения загрязнений, включающий отстойник-флокулятор и емкость для сбора осветленной воды, блок отделения и обезвоживания осадка, узел ультрафиолетового обеззараживания очищенной воды, систему трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, рН-метры, один из которых установлен на трубопроводе, подающем сточные воду на очистку, циркуляционные и дозирующие насосы, расходомеры и автоматизированную систему управления технологическим процессом, в которой, согласно предлагаемому техническому решению, блок реагентных емкостей дополнительно включает емкость для водной суспензии глиноземистого цемента, а блок реагентной обработки дополнительно включает проточный турбулентный смеситель, трубопроводом соединенный с емкостью для суспензии глиноземистого цемента, и контактный реактор, снабженный перемешивающим устройством, при этом вход дополнительного проточного турбулентного смесителя также соединен с выходом проточного турбулентного смесителя, соединенного с емкостью для известкового молока, а выход соединен с контактным реактором трубопроводом на котором установлен второй рН-метр, установка дополнительно содержит узел озонирования, расположенный после блока флокулирования и осаждения загрязнений, а блок флокулирования и осаждения загрязнений дополнительно включает узел карбонизации, расположенный после емкости для сбора осветленной воды, и второй отстойник-флокулятор с емкостью для сбора осветленной воды, а также проточный турбулентный смеситель, вход которого трубопроводом соединен с емкостью для раствора флокулянта и выходом узла карбонизации, а выход со вторым отстойником-флокулятором, а на отводящем из узла карбонизации трубопроводе установлен дополнительный рН-метр.
[19]Причем проточные турбулентные смесители, соединенные с емкостями для известкового молока и суспензии глиноземистого цемента, имеют одинаковую конструкцию, включающую две последовательно расположенные функциональные камеры: камеру перемешивания, снабженную турбулизирующими элементами и патрубком для подачи рабочего реагента, и камеру созревания, длина которой равна или приближена к длине камеры перемешивания, каждая камера выполнена в виде трубы, снабженной входным и выходным патрубками (далее проточный двухкамерный смеситель).
[20]Камеры перемешивания и созревания могут быть расположены параллельно друг другу и соединены между собой фасонными соединительными элементами.
[21]Проточные турбулентные смесители, соединенные с емкостью для раствора флокулянта, представляют собой корпус в виде трубы, снабженный входным и выходным патрубками, патрубком для подачи рабочего реагента и встроенными турбулизирующими элементами (далее проточный однотрубный смеситель).
[22]Узел карбонизации включает емкость со сжиженным углекислым газом и контактный реактор, представляющий собой емкость, снабженную входным и выходным патрубками и газоотводящим клапаном.
[23]Узел озонирования включает генератор озона и контактный реактор, представляющий собой емкость, снабженную входным и выходным патрубками и газоотводящим клапаном.
[24]Блок отделения осадка включает емкость для сгущения и обработки осадка, оборудованную мешалкой и системой подачи в нее раствора флокулянта, и фильтрующее устройство мешочного типа
[25]Совокупность указанных выше признаков, предложенных в заявляемом устройстве, а именно: наличие новых конструктивных элементов, их нового взаимного расположения и новых взаимосвязей, позволяет решить поставленные задачи.
[26]Предлагаемая установка поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена общая схема предлагаемой установки, на фиг. 2 - проточный двухкамерный смеситель (вид сверху), на фиг. 3 - проточный двухкамерный смеситель (вид с торца).
[27]Установка содержит установленные по ходу технологического процесса и соединенные между собой трубопроводной обвязкой емкость для исходной сточной воды 1, которая трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 2 для подачи сточных вод на очистку и рН метром 3 соединена со входом проточного двухкамерного смесителя 6, который патрубком для подачи рабочего реагента соединен через автоматическое дозирующее устройство (далее насос-дозатор) 5 с емкостью 4 для известкового молока (10% суспензия Са(ОН)2), оборудованной верхнеприводной мешалкой. Выход двухкамерного проточного смесителя 6 соединен со входом проточного двухкамерного смесителя 9, который патрубком для подачи рабочего реагента соединен с емкостью 7 для суспензии глиноземистого цемента (ГЦ или ВГЦ) через насос-дозатор 8. На выходящем из смесителя 9 трубопроводе установлен рН-метр 10, затем контактный реактор 11, снабженный верхнеприводной мешалкой, и накопительная емкость 12. Накопительная емкость 12 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 13, соединена со входом проточного однотрубного смесителя 16, который через насос-дозатор 15 соединен с емкостью 14 для раствора флокулянта. Выход смесителя 16, соединен с отстойником-флокулятором (далее ОФ) 17, который соединен с емкостью 18 для сбора осветленной воды первой стадии фазового разделения на осветленную воду и осадочную часть. Емкость 18 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 19, соединена с узлом карбонизации, включающим баллон со сжиженным углекислым газом, который через газовый ротаметр 20 и водоструйный насос-эжектор 22, снабженный манометром 21, соединен с контактным реактором 24, представляющим собой емкость, снабженную входным и выходным патрубками и воздушным клапаном с деструктором 23. Реактор 24 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 25 и рН-метром 28, соединен со входом проточного однотрубного смесителя 27, который на входе через насос-дозатор 26 соединен с емкостью для раствора флокулянта 14, а на выходе со вторым ОФ 29, на выходе из которого установлена накопительная емкость 30 для сбора осветленной воды второй стадии фазового разделения. Емкость 30 трубопроводом, снабженным циркуляционным насосом 31, соединена с узлом озонирования, включающим генератор озона, который через газовый ротаметр 32, и водоструйный насос-эжектор 34, снабженный манометром 33, соединен с контактным реактором 36 для обработки осветленной воды озоном, снабженным входным и выходным патрубками и воздушным клапаном с деструктором 35. Контактный реактор 36 трубопроводом соединен с узлом обработки воды ультрафиолетом 37.
[28]ОФ 17 и 29 включают камеру флокуляции, патрубки отвода осветленной воды в накопительные емкости соответственно 18 и 30, патрубки отвода сфлокулированной массы осадков в блок обезвоживания осадков. Блок обезвоживания осадков включает емкость сгущения и обработки осадка 39, снабженную верхнеприводной мешалкой и системой подачи в нее раствора флокулянта через насос-дозатор 38, а также лабораторный мешочный фильтр 42, и воздушный компрессор 41. Мешочный фильтр 42 и емкость 39 соединены с емкостью 43 для сбора осветленной воды после обезвоживания, которая трубопроводом с циркуляционным насосом 40 соединена с емкостью для исходной воды 1.
[29]Установка также содержит автоматизированную систему управления (СУ) (не показана) с программным обеспечением, обеспечивающим следующие функции:
[30]- управление работой насосов-дозаторов, газовых расходомеров, верхнеприводной мешалки контактного реактора 11;
[31]- контроль и поддержание заданной величины рН раствора в контактном реакторе 11;
[32]- съем, протоколирование и хранение показателей работы оборудования в ходе экспериментов.
[33]Проточный двухкамерный турбулентный смеситель (6, 9) представляет собой конструкцию, включающую две функциональные камеры: камеру перемешивания и камеру созревания, выполненные в виде металлических труб, одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу, и соединенных между собой фасонными соединительными элементами. Камера перемешивания 45 снабжена встроенными турбулизирующими элементами 46 в виде пластин из нержавеющей стали, стационарно закрепленных на фиксированном расстоянии друг от друга на оси 47, проходящей по всей длине камеры перемешивания, входным патрубком 48 и патрубком для подачи рабочего реагента 49 и выходным патрубком 50, который через фасонный соединительный элемент 51 соединен с входным патрубком 52 камеры созревания 53, снабженной выходным патрубком 54.
[34]Параметры проточного двухкамерного смесителя (диаметр и длина функциональных камер) подбираются исходя из производительности установки. Благодаря своей конструкции проточный двухкамерный смеситель позволяет увеличить время перемешивания и контакта подаваемых реагентов со СВ.
[35]Для удобства эксплуатации проточные двухкамерные смесители 6 и 9 соединены друг с другом через фасонный соединительный элемент 51 и смонтированы на металлической опорной раме 55. Герметизация разъемных соединений смесителя осуществляется посредством фланцевых соединений и уплотнительных прокладок, выполненных из подходящего полимерного материала, например, фторопласта.
[36]Время нахождения смеси жидкостей в камере созревания определяется в зависимости от времени прохождения реакции в смесевой композиции, регулируется за счет изменения диаметра и общей длины камеры, а также за счет регулирования скорости перемещения потока жидких сред с помощью циркуляционных насосов.
[37]Проточный однотрубный смеситель (16, 27) выполнен в виде металлической трубы с входным и выходным патрубками, снабженной турбулизирующими элементами и патрубком подачи рабочего реагента (раствора флокулянта). Предпочтительно использовать однотрубный турбулентный смеситель, описанный в ПМ RU 110738, 2011 г, в котором турбулизируюшие элементы, представляют собой перегородки, закрепленные на внутренней поверхности емкости поочередно на противоположных сторонах, с уклоном в направлении движения потока, таким образом, что проходное сечение между турбулизирующим элементом и внутренней стенкой емкости максимально приближено к проходному сечению входного патрубка, а диаметр емкости превышает диаметр входного и выходного патрубков не менее чем в два раза.
[38]Установка работает следующим образом.
[39]Сточные воды, подлежащие очистке (далее СВ), из емкости 1 с помощью насоса 2 подаются на проточный рН-метр 3, с целью определения водородного показателя исходной воды, и далее поступают в проточный двухкамерный смеситель 6. На основании показаний рН-метров 3 задается доза подачи известкового молока из емкости 4 в проточный двухкамерный смеситель 6, путем регулирования числа оборотов ротора насоса-дозатора 5. В смесителе 6 в процессе нейтрализации СВ до показателя рН 10,5-12 происходит образование нерастворимых гидроксидов металлов, образующих суспензию СВ.
[40]Полученная суспензия СВ, поступает в проточный двухкамерный смеситель 9 в который через насос-дозатор 8 из емкости 7 подается 10% водная суспензия глиноземжстого (ГЦ) или высокоглиноземистого цемента (ВГЦ). Смесь активно перемешивается с образованием хлопьев гидросульфоалюмината кальция, и поступает в контактный реактор 11, где выдерживается при перемешивании примерно 2 часа для наиболее полного прохождения процесса образования нерастворимых соединений металлов и сульфатов. При необходимости интенсификации процесса увеличивается число оборотов верхнеприводной мешалки. Из контактного реактора 11 суспензия СВ самотеком поступает в промежуточную накопительную емкость 12 откуда насосом 13 подается в проточный однотрубный смеситель 16 в который дозируется раствор флокулянта заданной концентрации из емкости 14 через насос-дозатор 15. Полученная смесь активно перемешивается, с образованием укрупненных хлопьев, и подается в ОФ 17, в котором происходит процесс фазового разделения сфлокулированных загрязнений в виде осадка и с образованием осветленной воды. Сфлокулированные осадки, накопившиеся в донной части ОФ17, удаляются самотеком, путем открытия соответствующей запорной арматуры, по линии отвода осадка в емкость сгущения и обработки осадка 39, а затем в мешочный фильтр 42. Осветленная вода из ОФ 17 самотеком поступает в промежуточную емкость 18, откуда насосом подается в контактный реактор 24, в который через водоструйный насос - эжектор 22, дозируется углекислый газ (СО2) с целью доведения показателя рН воды до значения 6,5÷8,5 и очистки СВ от солей жесткости (карбонатов кальция и магния). Количество подаваемого CO2 регулируется газовым ротаметром (расходомером) 20. Излишки нерастворенного СО2 из контактного реактора 24 отводятся через воздушный клапан с деструктором 23. Обработанная СО2 СВ из контактного ректора 24 насосом 25 подается в проточный однотрубный смеситель 27, в который из емкости 14 посредством насоса-дозатора 26 подается раствор флокулянта, где интенсивно перемешивается и затем подается во второй ОФ 29, в котором происходит дополнительное осветление воды и отделение загрязнений в виде осадка. Из ОФ 29 осветленная вода самотеком попадает в накопительную емкость 30, откуда с помощью насоса 31 подается в контактный реактор 36 узла озонирования, в который через водоструйный насос-эжектор 34 подается озон с генератора озона (не показан). Количество подаваемого озона регулируется газовым ротаметром (расходомером) 32. В реакторе 36, присутствующие в СВ нитриты озоном окисляются до нитратов. Образующиеся излишки не растворившегося озона выводятся через воздушный клапан с деструктором 35. Далее очищенная вода, поступает на установку ультрафиолетового обеззараживания 37 и затем собирается в емкости очищенной воды (не показана). Из емкостей 1, 12, 18, 30, и емкости очищенной воды периодически производится отбор пробы воды на анализ, с целью оценки количественно-качественного состава воды на различных этапах работы пилотной установки.
[41]С нижней части аппаратов ОФ 17 и 29 сгущенная часть осадка по трубопроводу сливается в емкость сгущения и обработки осадка 39. В емкость при помощи насоса-дозатора 38 подается раствор флокулянта, который перемешивается с осадочной массой верхнеприводной мешалкой. После перемешивания происходит процесс фазового разделения на осадок и осветленную воду. Осветленная вода по трубопроводу самотеком подается в емкость осветленной воды 43 с последующей перекачкой насосом 40 в емкость исходной воды 1.
[42]Сгущенный осадок из емкости 39 по мере накопления подается в мешочный фильтр 42. Процесс обезвоженного осадка на фильтре 42 основан на продавливании суспензии через фильтровальный элемент давлением сжатого воздуха (2,5-4 атм.), которое создается подачей сжатого воздуха от воздушного компрессора 41. После окончания фильтрации отфильтрованный осадок выгружают из фильтра, определяют его химический состав и влажность. Фильтрат собирают в емкости 43 и возвращают циркуляционным насосом 40 в емкость исходной воды 1.
[43]Показания рН-метров 3, 10, 28, расходомеров 20, 32 и частота оборотов мешалки в контактном реакторе 11 снимаются и систематизируется СУ. Для определения эффективности технологии очистки воды сравнивают степень очистки воды при разной дозировке рабочих реагентов, яри различной интенсивности и времени перемешивания в контактном реакторе 11 и подбирают необходимую дозировку реагентов и время обработки СВ для достижения требуемой степени очистки воды.
[44]Предлагаемая пилотная установка представляет собой портативную модель комплекса сооружений очистки сточных вод. Технологическое оборудование размещено на четырех рамно-модульных секциях сборно-разборного типа.
[45]Производительность предлагаемой пилотной установки составляет 50-60 л/час, основной режим работы установки автоматический. Вспомогательные и отладочные операции выполняются вручную (регулировка запорной арматуры с целью настройки производительности установки по очищенной воде, настройка давления воды в гидравлической системе установки, настройка частоты вращения верхнеприводной мешалки контактного реактора 11, настройка насосов-дозаторов и расходомеров, настройка режима работы фильтра 42, приготовление рабочих растворов).
[46]Предлагаемая установка позволяет провести отработку технологического процесса очистки сточных вод, с достижением степени очистки, соответствующей 1 категории по ГОСТу 17.1.02.04-77 «Показатели состояния и правил таксации рыбохозяйственных водных объектов», применяемым к рыбохозяйственным водоемам.
