Проект рационального водопользования целлюлозно-бумажного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

Факультет «Химический»

Кафедра «Экология и природопользование»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРОВОМУ ПРОЕКТУ

Проект рационального водопользования целлюлозно-бумажного производства

Руководитель, доцент, к.х.н.,

Т.Г. Крупнова

Автор работы

студентка группы Х-434

Е.Н. Гришина

Челябинск 2015

Аннотация

Гришина, Е.Н., Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу промышленная экология. - Челябинск. ЮУрГУ, Хим - 434, 30 с., библиограф. список - 13 наим.

В данном курсовом проекте разработана технологическая схема очистки сточных вод целлюлозно-бумажного производства, а также выполнен укрупненный расчет очистных сооружений водоотведения. Предложены способы утилизации осадков сточных вод.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Влияние ЦБП на состояние водных объектов

1.2 Характеристика сточных вод ЦБП

1.3 Методы очистки производственных сточных вод

1.4 Локальная очистка сильнозагрязненных сточных вод

1.5 Механические методы очистки

1.6 Физико-химические методы очистки

1.7 Применение мембранных технологий в ЦБП

1.8 Использование методов коагуляции в очистке сточных вод ЦБП

1.9 Основные виды коагулянтов

1.10 Роль флокулянтов в очистке сточных вод. Виды и свойства

1.11 Эффективность применения коагулянтов и флокулянтов для очистки сточных вод

1.12 Влияние компонентов сточной воды на эффективность биологической очистке

1.13 Обоснование выбора схемы очистки сточных вод ДПЦ

2. Расчетная часть

Заключение

Библиографический список

Введение

Водоотведение и очистка сточных вод - это обязательное условие охраны водоемов от загрязнения.

Каждое предприятие имеет комплекс подземных самотечных трубопроводов, очистных сооружений с помощью которых осуществляется отвод сточных вод, очистка и обеззараживание их.

Цель данного курсового проекта - проанализировать работу очистных сооружений водоотведения целлюлозно-бумажного комбината.

В рамках поставленной цели решают следующие задачи:

1. обосновать и провести укрупненный расчет очистных сооружений водоотведения;

2. разработать технологическую схему очистки сточных вод древесно-заготовительного цеха;

3. рассчитать разбавление сточных вод при сбросе в водоем;

4. рассмотреть возможность применения оборотной системы водоснабжения

5. предложить способы утилизации осадков сточных вод.

1. Литературный обзор

очистка сточный вода утилизация

Целлюлозно-бумажная промышленность (далее ЦБП) - это наиболее водоемкая отрасль народного хозяйства. Затраты воды на технологические нужды колеблются в широком диапазоне в зависимости от качества и ассортимента продукции.

ЦБП занимает одно из первых мест среди других отраслей по объемам водопотребления и водоотведения. В то же время, доля сточных вод, очищенных согласно установленным нормативам, по отношению к общему объему стоков на ЦБП невелика. Это происходит потому, что сточные воды указанных предприятий имеют сложный и непостоянный состав содержащихся в них загрязнений, а значит технология их очистки до нормируемых показателей при сбросе в водоемы серьезно усложняется.

1.1 Влияние целлюлозно-бумажных предприятий на состояние водных объектов

Целлюлозно-бумажные предприятия - одни из самых крупных природопользователей и потребителей водных ресурсов среди всех отраслей российской промышленности. По водоемкости целлюлозно-бумажные производства занимают 4-е место после предприятий металлургической и химической отраслей и гидроэнергетики: при производстве 1 тонны целлюлозы расходуется 400 - 500 м³ свежей воды. В суммарных сбросах загрязненных сточных вод промышленными предприятиями на долю предприятий деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности приходится более 20 %, а в общей структуре загрязнения водных ресурсов России - 7 % [10].

С учетом того, что на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности традиционно для очистки всех стоков на внеплощадочных очистных сооружениях используется лишь биологическая очистка активным илом, не предназначенная для удаления трудноокисляемых соединений, значительная их часть попадает в природные воды. При этом резко ухудшаются органолептические свойства воды водоема в результате поступления в него органических серосодержащих соединений, лигнина, таллового масла, вода приобретает неприятный запах, который исчезает лишь при разведении в 2 - 5 раз. Лигнин, содержащийся в сточных водах, увеличивает цветность, которая возрастает в 3 - 4 раза по сравнению с природной водой. Содержание взвешенных веществ в водоеме на расстоянии 20 км ниже спуска сточных вод увеличивается в десятки раз. Это приводит к повышению концентраций загрязнений в водных объектах до значений выше ПДК в несколько раз. Высокое содержание органических веществ, не регламентируемых по показателю БПК, приводит к дефициту растворенного в воде кислорода, от чего в свою очередь страдают все водные организмы [4].

Основная причина негативного воздействия на окружающую среду предприятий данной отрасли - использование старых технологий и устаревшего оборудования очистки сточных вод. Этими факторами определяется значительная масса загрязняющих веществ, поступающих с основного производства на очистные сооружения и в природную среду. Большой объем сточных вод, и высокая концентрация в них загрязнений вынуждают использовать громоздкие очистные сооружения, не решающие полностью своих задач. На очистных сооружениях образуется большое количество осадков, некоторая часть которых поступает в накопители, что приводит к их перегрузке и, соответственно, к воздействию на подземные воды.

1.2 Характеристика сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий

Производственные сточные воды образуются при использовании воды в основных технологических процессах, транспортировании сырья, материалов, промывки оборудования, при водяном охлаждении оборудования. Даже на предприятиях одного типа, в зависимости от характера технологического процесса могут образовываться сточные воды различного состава и в различных количествах.

Степень загрязненности сточных вод характеризуется совокупностью физических, химических, биологических и бактериологических показателей. К физико-химическим относятся: температура, запах, вкус, цветность, мутность, общее солесодержание, показатель концентрации водородных ионов (рН), плотный остаток, концентрация взвешенных веществ, щелочность, жесткость, БПК, ХПК, содержание индивидуальных веществ и их групп (лигнин, фенолы, серосоединения, хлорорганические соединения и др.).

По своей природе загрязнения сточных вод подразделяются на органические, минеральные, биологические. Органические загрязнения - это примеси растительного и животного происхождения. Минеральные загрязнения - это кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные кислоты и их соли, минеральные масла и т. д. Биологические и бактериальные загрязнения - это различные микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные.

По степени агрессивности в зависимости от активной реакции воды производственные воды делятся на слабоагрессивные воды (слабокислые с рН = 6 - 6,5 и слабощелочные с рН = 8 - 9) и сильноагрессивные (сильнокислые с рН<6 и сильнощелочные - рН>9) и неагрессивные (с рН=6,5-8) [1].

Сточные воды предприятий ЦБП, поступающие на внеплощадочные очистные сооружения, содержат значительные количества взвешенных и растворенных веществ как органической, так и неорганической природы. Их состав весьма разнообразен. Это обусловлено тем, что в процессе получения целлюлозы около 50% органических веществ древесины переходит в раствор, образуя концентрированные щелока, часть которых (5 - 20 %) может попадать в сток [2].

Из древесно-подготовительного, картонно-бумажного и варочного цехов в сточные воды поступают, соответственно, частицы коры, волокна целлюлозы, частицы наполнителей и пигментов, проклеивающие вещества, лигнин, лигносульфонаты, водорастворимые вещества коры дерева [3].

По характеру загрязнений сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности можно разделить на следующие потоки, участвующие в образовании общего стока, поступающего на внеплощадочные очистные сооружения:

1) коросодержащие - от мокрой окорки древесины и транспортировки;

2) волокно- и каолинсодержащие - от производства всех видов полуфабрикатов, бумаги и картона;

3) щелокосодержащие - от производства полуфабрикатов (целлюлозы, полуцеллюлозы и др.);

4) кислые - кислотных цехов сульфитно-целлюлозного производства, большинства видов бумаги и картона, пергамента;

5) дурнопахнущие - варочных и выпарных цехов с сульфатно-целлюлозного производства;

6) отбельных цехов и приготовления белильных растворов;

7) шлам- и золосодержащие;

8) условно чистые - от охлаждения аппаратуры;

9) общеплощадочные ливневые воды [4].

1.3 Методы очистки производственных сточных вод

Технология очистки сточных вод обычно включает механическую, физико-химическую, химическую и биохимическую очистку, которые предназначены для удаления из воды взвешенных, коллоидных и растворенных органических и неорганических примесей. В зависимости от исходных характеристик сточной воды, требований к качеству очищенной воды использование каждого из этих методов и их комбинация при выборе технологической схемы очистки может быть различной. Механические методы, такие как отстаивание и центрифугирование, используют для удаления из сточной воды грубодисперсных примесей. Для удаления коллоидных и мелкодисперсных нерастворимых примесей применяют как физико-химические методы, основанные на агрегации частиц с использованием коагулянтов и флокулянтов (флокуляция, реагентная флотация, коагуляция), так и безреагентные фильтрационные методы с использованием специальных мембранных материалов (микро- и ультрафильтрация). Для очистки производственных сточных вод от разных видов растворенных органических и неорганических веществ используются физико-химические методы (адсорбция, мембранная сепарация, ионный обмен), химические методы (окисление, восстановление, реагентное осаждение) и биохимические методы [5].

Внутрицеховые системы очистки с помощью ловушек, фильтров и т.д. позволяют очищать стоки в основном от взвешенных веществ. Остальная часть загрязнений поступает на общезаводские очистные сооружения, которые оснащены оборудованием для механической, биологической и химической очистки.

1.4 Локальная очистка сильнозагрязненных сточных вод ЦБП

Сточные воды целлюлозно-бумажных предприятий отличаются сложным и неопределенным составом, что усложняет и удорожает их обезвреживание традиционными методами. Традиционной схемой очистки стоков, используемой большинством целлюлозно-бумажных предприятий, является: 1) смешение всех сточных воды предприятия в один поток и 2) биологическая очистка этого значительного по объему и сложного по составу потока. Такая технология высокозатратна и малоэффективна, что можно объяснить следующими причинами. В составе сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий присутствуют экстрактивные вещества коры древесины, которые попадают в стоки на стадии мокрой окорки в древесно-подготовительном цехе. Эти соединения являются биологически трудноокисляемыми и при биологической очистке практически не разрушаются и попадают в природные водоемы, нанося окружающей среде непоправимый ущерб. Сточные воды древесно-подготовительного цеха называются сильнозагрязненными - их вклад в общий сток предприятия может достигать 30 - 40 % по химическому потреблению кислорода (ХПК) и взвешенным веществам (ВВ) [6].

В Российской Федерации имеется опыт доочистки всего потока сточных вод после стадии биологической очистки с использованием методов коагуляции, однако применение такой системы сопровождается необходимостью обработки очень больших объемов сильно разбавленных сред.

Предлагается использовать метод коагуляции для удаления биорезистентных органических веществ из сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности на стадии локальной очистки без их разбавления при поступлении на внеплощадочные очистные сооружения.

Эффективность очистки для стока древесно-подготовительного цеха должна составлять по ХПК 80 %, по цветности 95 %, по ВВ 95 %; для стока условно чистых вод по ХПК 80 %, по цветности 90 %, по ВВ 90 % [6].

Локальную очистку сточной воды проводят, полученной путем водной экстракции коры ели, сосны, березы, осины, измельченной и высушенной на воздухе. В отфильтрованном экстракте определяют величину ХПК. После этого экстракт разбавляют дистиллированной водой до нужной концентрации загрязнений по ХПК. Коагуляционную обработку проводят при помощи флокулятора, варьируя различные параметры (продолжительность и скорость перемешивания, рН и т. д.). В осветленной воде определяют ХПК и цветность в соответствии с ГОСТ [7].

В качестве реагентов используют коагулянт оксихлорид алюминия (ОХА), а также катионный флокулянт для улучшения седиментационных свойств осадка, действие которого связано с увеличением размеров образовавшихся хлопьев, что приводит к росту скорости осаждения и, соответственно, эффективности очистки сточных вод. Рабочая концентрация раствора коагулянта составляет 1 % по Al₂O₃, флокулянта - 0,005 %.

В целом, на основании данных разработана технология локальной очистки стока древесно-подготовительного цеха методом коагуляции, схема которой приведена на рис 1.

Рис. 1. Схема локальной очистки стока древесно-подготовительного цеха [6]. 1 - бункер для сухого флокулянта; 2 - емкость для приготовления 1 %-го раствора флокулянта; 3 - емкость для разбавления флокулянта; 4 - бак для коагулянта; 5 - емкость для приготовления рабочего раствора коагулянта; 6 - емкость для щелочного реагента; 7 - отстойник-осветлитель.

1.5 Механические методы очистки

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки заключается в подготовке сточных вод к биологической, физико-химической или другой более глубокой очистке. Механическая очистка на современных очистных станциях состоит из процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и фильтрования.

В целлюлозно-бумажной промышленности методы механической очистки широко применяют в локальных очистных установках для очистки коро- и волокносодержащих, а также нейтрализованных сточных вод. Повышение технологической эффективности сооружений механической очистки очень важно при создании оборотных систем водного хозяйства промышленных предприятий. Этому требованию удовлетворяют различные новые конструкции тонкослойных отстойников, сетчатых фильтров, фильтров с новыми видами зернистых и синтетических загрузок, гидроциклонов (напорных, безнапорных, многоярусных). Применение этих сооружений позволит сократить в 3…5 раз капитальные затраты и на 20...40 % эксплуатационные расходы, уменьшить в 3…7 раз необходимые площади для строительства по сравнению с применением обычных отстойников [8].

1.6 Физико-химические методы очистки

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди других методов очистки возрастает.

К физико-химическим методам очистки относятся коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диализ, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка, а также методы, связанные с наложением электрического поля - электрокоагуляция, электрофлотация.

Одним из наиболее простых, доступных и дешевых физико-химических методов очистки является коагуляция. Коагуляция - это укрупнение частиц коллоидной степени дисперсности при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. Достаточно часто флокулирование заменяет не только реагентную обработку, но и другие методы очистки. Преимущественное использование этого метода объясняется не только высокоэффективным образованием осадка, но и, в отличие от коагулянтов, отсутствием засоления обрабатываемой воды, поскольку весь флокулянт соединяется и «уходит» с осадком. Особенно эффективно использование флокулянтов при центробежной обработке стоков и осадков [4].

1.7 Применение мембранной технологии в целлюлозно-бумажной промышленности

Внутрицеховые системы очистки с помощью ловушек, фильтров и т.д. позволяют очищать сточные воды в основном от взвешенных веществ. Остальная часть загрязнений поступает на общезаводские очистные сооружения, оснащенные оборудованием для механической, биологической и химической очистки.

Для механической очистки широко применяют отстаивание, фильтрацию и флотацию. Такими методами в основном удаляют взвешенные вещества, причем на контактных осветлителях степень очистки составляет 98 - 99 %. Биологическая очистка, которая осуществляется в аэротенках, позволяет снизить БПК₅ на 88 - 90%.

Химическая очистка после биологической уменьшает цветность воды, БПК. Но при химической очистке происходит образование большого количества осадка, обезвоживание которого представляет определенную трудность. Таким образом, метод химической очистки стоков требует больших капитальных и эксплуатационных затрат, а применяемые реагенты дороги и дефицитны.

Очистка сточных вод ЦБП осуществляется в несколько стадий, однако качество очищенной воды не всегда соответствует нормам на повторное использование ее в производстве.

Для очистки сточных вод ЦБП применяют различные методы, в том числе мембранные. Мембранные методы очищают воду и одновременно концентрируют и извлекают из сточных вод ценные растворенные вещества, также очищают воду от бактерий и взвешенных веществ, органических и неорганических компонентов.

С помощью мембранных процессов очищенную воду можно использовать в замкнутых оборотных схемах производства. В качестве мембран для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации используют различные полимерные и неорганические пористые материалы, которые обладают свойством селективной проницаемости к компонентам растворов.

На рис. 2 показана схема очистки воды после стадии промывки, которая присутствует во всех технологических процессах производства целлюлозы. В этой схеме на мембранный аппарат поступает слабый щелок. Для дальнейшей регенерации и утилизации полученный концентрат объединяют с крепким щелоком, а очищенную воду возвращают в технологический процесс. Использование обратноосмотической очистки воды после стадии промывки целлюлозы позволяет снизить расход свежей воды на 4,5 - 6 м на тонну продукции. В конечном итоге, после использования такой схемы снижается нагрузка на очистные сооружения, так как полностью исключаются поступления слабого щелока в сточные воды предприятия.

Рис. 2. Технологическая схема очистки сточных вод с использованием мембранной установки.

При сульфитном производстве целлюлозы на магниевом основании концентрат после мембранной установки следует нейтрализовать, пропуская его через слой кускового брусита (минерала подкласса гидрооксилов Mg(OH)₂) [Пат. 2141017 РФ].

При упаривании нейтрализованного до рН = 6 + 7 щелока в конденсат попадает на 87 - 96 % меньше диоксида серы и летучих органических кислот. При этом уменьшаются потери серы при утилизации щелока и загрязнение конденсата выпарки, а также снижается нагрузка на очистные сооружения предприятия и, производство становится более экологически чистым, происходит экономия больших объемов воды, тепла и электроэнергии.

Методы обратного осмоса и ультрафильтрации наиболее целесообразно применять при создании локальных установок обработки сточных вод. Такой подход позволяет решить задачу очистки стоков ЦБП. Наибольшая эффективность применения мембранных методов обеспечивается в основном в сочетании с традиционными методами обработки сточных вод.

1.8 Использование методов коагуляции в очистке сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий

В практике очистки сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий преимущественно использовался сульфат алюминия, диапазон эффективных дозировок которого составлял 5…30 г/м3 (в пересчете на оксид алюминия), а эффект очистки - 75…96 % [5].

Коагуляционной очистке подвергались щелокосодержащие сточные воды, образующиеся при получении целлюлозы, и сточные воды, образующиеся при приготовлении бумажной массы. Основным загрязняющим компонентом вышеуказанных видов сточных вод является лигнин и его производные.

В настоящее время коагуляционная очистка применяется лишь на стадии доочистки после биологической очистки на двух ЦБП в России, а именно на Байкальском ЦБК и Селенгинском ЦКК.

1.9 Основные виды коагулянтов

1. Соли железа. В промышленном масштабе из железосодержащих коагулянтов производятся сульфаты и хлориды железа. Соли железа обладают хорошими коагулирующими свойствами в интервале pH 3,5 - 6,5 и 8 - 11. Обесцвечивание воды лучше протекает при pH 3,5 - 5,0. Соли железа рекомендуется применять при очистке мутных жестких вод с высоким значением pH, а также при очистке стоков. Они позволяют устранять запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода, удалять соединения мышьяка, марганца, меди и способствуют окислению органических соединений [9].

По сравнению с солями алюминия соли железа могут применяться при очистке вод с более разнообразным солевым составом и различными значениями pH, оказывают лучшее действие при низких температурах, характеризуются большой прочностью и гидравлической крупностью хлопьев.

В качестве недостатков солей железа как коагулянтов следует отметить повышенные кислотные свойства, что оказывает корродирующее действие на аппаратуру.

2. Соли алюминия:

- сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃·18H₂O - неочищенный технический продукт, выпускаемый в сухом виде с содержанием Al₂O₃ не менее 9 %. Очищенный СА выпускается в сухом виде с содержанием Al₂O₃ не менее 13,5 %. Также в РФ выпускается жидкий СА в виде 23…25 %-ного раствора, использование которого упрощает устройство реагентного хозяйства и транспортировку. При содержании в продукте менее 15 % Al₂O₃ наблюдается слеживание, что приводит к значительным затруднениям при его использовании.

- алюминат натрия NaAlO₂ - в основном используют в качестве добавки для интенсификации процесса коагуляции примесей воды сульфатом алюминия. Изменяя соотношение сульфата алюминия и алюмината натрия можно достичь требуемого значения pH, необходимого для хорошего коагулирования различных вод при любой щелочности. В водах с низким значением pH алюминат натрия применяется в качестве основного реагента коагуляции. Очень важным свойством алюминатных растворов является стойкость, которую оценивают по времени сохранения раствора без заметного выпадения осадка гидроксида алюминия при определенной температуре [4];

- полиоксихлорид алюминия [А1₂(ОН)nСl₆-n]m(SO₄)x производится в виде раствора и кристаллического порошка. В зависимости от товарной формы содержание Al₂O₃ варьируется от 10,0 до 30,0 %. Оксихлорид алюминия имеет ряд преимуществ по сравнению с другими коагулянтами: обладает более высокой коагулирующей способностью, в меньшей степени подвержен влиянию рН и температуры обрабатываемой воды, что позволяет на практике снизить дозировки данного реагента относительно других.

- алюмокалиевые [АlК(SO₄)₂Ч18H₂O] и алюмоаммонийные [Al(NH₄)(SO₄)₂Ч12Н₂О] квасцы выпускаются в сухом виде, менее распространены по сравнению с сульфатом алюминия, несмотря на более низкую стоимость.

Процесс коагуляции солями алюминия рекомендуется проводить при значениях рН=4,5 - 8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увеличивается.

3. Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств. Хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат двухвалентного железа (травление металлов), известковый шлам и др.[9].

Большой эффект при очистке воды дает применение смешанных коагулянтов, представляющих собой смесь солей алюминия и железа или смесь различных солей алюминия, а также различных солей железа и т.д. В этом случае значительно расширяется область оптимальных значений pH благодаря разнообразию продуктов гидролиза и физико-химических свойств последних.

1.9.1 Влияние дозировки коагулянта

Правильно подобранная дозировка коагулянта позволяет повысить эффективность очистки сточной воды, сократит расход реагента и его остаточное содержание в осветленной воде. Дозировку флокулянта поддерживали на уровне 1 г/м³, значение рН исходной воды находилась в интервале 6,97…7,15.

Эффективность очистки по цветности оказалась наилучшей при использовании сульфата алюминия и составила 98 % при дозировке 30 гAl₂O₃/м³. Причем приемлемая степень очистки достигается уже при 20 гAl₂O₃/м3. Применяя ОХА, удалось очистить сточную воду по данному показателю на 90 %, однако, дозировка данного реагента по сравнению с СА оказалась выше в 1,5 раза. Степень очистки по цветности сульфатом железа находится примерно на том же уровне, что и при использовании ОХА, дозировка - 40 гAl2O3/м3. Наименьшую эффективность очистки по цветности из всех представленных в данном разделе коагулянтов имеют АКК - 80…85 % при дозировках 40…70 гAl₂O₃/м³.

Максимальный эффект очистки сточной воды по ХПК составил 80 % при использовании ОХА, при этом дозировка коагулянта составила 30 гAl₂O₃/м³. Применение СА приводит к несколько меньшему эффекту - 70…75 % при дозировках от 25 гAl₂O₃/м³. Обработка стока ДПЦ сульфатом железа III также позволяет удалить до 70 % загрязнений по ХПК, но при несколько больших по сравнению с СА и ОХА дозировках - от 60 гAl₂O₃/м³. Относительно невысокий эффект достигается при использовании АКК - максимальная степень очистки составила 48 % в исследованном интервале дозировок - от 40 до 80 гAl₂O₃/м³.

Похожая картина наблюдается и с удалением взвешенных веществ: АКК проявляет наименьший эффект, а остальные коагулянты удаляют до 90…95 % ВВ, однако, при различных дозировках. По минимальной дозировке, при которой достигается указанный выше эффект, коагулянты можно расположить в следующий ряд: СА - ОХА - СЖ III - АКК.

Таким образом следует, что использовать для очистки сточной воды ДПЦ алюмокалиевых квасцев нецелесообразно ввиду низкой эффективности и больших дозировок реагента. Эффективность очистки сульфатом железа находится на одном уровне с СА и ОХА, однако также требует повышенных дозировок. Наиболее эффективными являются сульфат и оксихлорид алюминия, причем первый - по показателю цветность, а второй - по ХПК [4].

1.10 Роль флокулянтов в очистке сточных вод. Виды и свойства флокулянтов

Расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре) способствуют флокулянты, повышающие плотность и прочность образующихся хлопьев, снижающие расход коагулянтов, повышающие надежность работы и пропускную способность очистных сооружений.

К флокулянтам относятся природные и синтетические водорастворимые органические полимеры. В нашей стране традиционно использовались полиакриламид и активная кремниевая кислота.

При растворении в сточных водах флокулянты могут находиться в неионизированном и ионизированном состоянии. Последние носят название растворимых полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:

Неионогенные - полимеры, содержащие неионогенные группы: - ОН, >СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

Анионные - полимеры, содержащие анионные группы: - СООН, - SO3H, OSO3H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.) Для получения анионных флокулянтов широко применяют метод щелочного гидролиза полиакриламида.

Катионные - полимеры, содержащие катионные группы: - NH2, = NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.) Для очистки воды одним из наиболее эффективных катионных флокулянтов является полиэтиленимин ПЭИ, получаемый полимеризацией этиленимина в присутствии инициирующих агентов;

Амфотерные - полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др. [11].

Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются обычно 0,1-10 г/м3, а в среднем 0,5 - 1 г/м3.

В твердом состоянии флокулянты представляют собой аморфные или кристаллические вещества. Большинство из них не имеет определенной температуры плавления (стеклования) и при повышении температуры постепенно размягчается, а затем разлагается.

Флокулянты легко разрушаются при механическом перемешивании и измельчении, продавливании вязких растворов через капиллярные отверстия, при освещении, а также под воздействием различных химических реагентов. Наряду с разрушением происходит сшивание флокулянтов и образование полимеров с большей молекулярной массой.

Широко известен полиакриламид (ПАА) -- высокомолекулярное соединение с молекулярной массой примерно 0,5·10⁶ - 6·10⁶. Полиакриламид обычно получают полимеризацией водных растворов акриламида в окислительно-восстановительной среде в присутствии инициирующих агентов, например персульфата аммония или калия. На основе ПАА созданы различные композиции флокулянтов [4].

1.10.1. Влияние дозировки флокулянта

Для эффективной очистки стока ДПЦ при использовании большинства из исследуемых коагулянтов требуется введение на стадии хлопьеобразования флокулянта. В противном случае результативность очистки серьезно уменьшается вследствие снижения эффективности процесса образования осадка в результате ухудшения седиментационных свойств образующихся хлопьев. Из всех представленных в данной работе коагулянтов только оксихлорид алюминия можно в некоторых случаях использовать в качестве единственного реагента в системе локальной очистки сточной воды ДПЦ, однако и в данном случае возникают сомнения в отношении показателя эффективности осветления воды и структурирования осадка.

В дальнейшем исследования по изучению влияния дозировки флокулянта на эффективность очистки сточной воды проводились лишь при использовании оксихлорида алюминия на стоке ДПЦ.

Степень очистки по цветности и ХПК практически не зависят от дозировки флокулянта, а эффективность очистки по ВВ с ростом дозировки флокулянта свыше 0,2 г/м³ падает. Наилучший эффект при этом наблюдается в интервале дозировок 0…0,2 г/м³.

1.11 Эффективность применения коагулянтов и флокулянтов для очистки сточных вод

По некоторым экономическим причинам, а также ввиду ограниченного ассортимента коагулянтов до 80-х годов ХХ века в нашей стране для очистки любых промышленных сточных вод использовались сульфаты алюминия и железа и хлорид железа. При этом для корректировки рН применяли известь, а для увеличения размера хлопьев - полиакриламид.

В целом, применение сульфатов алюминия и железа для очистки сточных вод позволяет повысить производительность очистных сооружений в 2 и более раз, извлекать из сточных вод дисперсные загрязнения, осаждать и извлекать растворенные вещества. В большинстве случаев вследствие использования больших доз коагулянтов требует осуществления корректировки рН очищаемой сточной воды щелочными реагентами: гидроксидом натрия и известью. Известь в виде известкового молока является наиболее распространенным щелочным реагентом, что объясняется ее низкой стоимостью и довольно высокой осаждающей способностью по отношению к растворенным загрязнениям сточных вод.

Для повышения скорости осаждения скоагулированных загрязнений ранее применялся в основном полиакриламид, действие которого связано с увеличением размеров хлопьев, что и приводит к росту скорости осаждения и, соответственно, эффективности очистки сточной воды.

Осветление сточной воды после коагуляционной обработки осуществляется с помощью отстаивания.

С появлением высокоосновных минеральных коагулянтов ситуация в области очистки сточных вод меняется: использование основных хлоридов и сульфатов алюминия, самыми распространенным среди которых является оксихлорид алюминия, позволяет повысить эффективность коагуляционной очистки и во многих случаях отказаться от корректировки рН очищаемых стоков [12].

Оксихлорид алюминия чаще является более эффективным реагентом, чем сульфаты алюминия и железа для очистки сточных вод от различных видов загрязнений, и требуется в меньших дозировках. При этом дозировка ОХА, так же как и других коагулянтов, увеличивается с ростом загрязненности исходной сточной воды. При высоких дозировках в некоторых случаях необходима корректировка величины рН обрабатываемой сточной воды.

С целью интенсификации процесса осветления сточных вод, обработанных коагулянтами, используют флокулянты, позволяющие ускорить процесс осаждения скоагулированных загрязнений и уменьшить содержание взвешенных веществ в очищенной сточной воде. Выбор типа флокулянта определяется зарядом скоагулированных частиц, величиной рН, наличием растворенных примесей. Заряд гидроксидов алюминия, образующихся при гидролизе коагулянтов, меняется в зависимости от рН сточной воды. В слабокислой среде при рН меньше 7 хлопья заряжены положительно, в щелочной - отрицательно. В случае доминирующей роли электростатических взаимодействий анионные или неионные флокулянты теоретически должны быть более эффективными, когда хлопья коагулянта заряжены положительно или нейтрально, то есть в слабокислой среде. В слабощелочной среде, когда заряд гидроксида алюминия становится отрицательным, большей эффективностью должны обладать катионные флокулянты. На практике же применяют флокулянты, имеющие разный знак и величину заряда, что свидетельствует о более сложном механизме флокуляции скоагулированных загрязнений и влиянии других факторов.

Выбор флокулянтов и эффективность очистки сточных вод, содержащих растворенные органические примеси, будет определяться их природой и концентрацией. При этом требуются высокие дозировки флокулянтов, что удорожает очистку сточных вод. В этом случае в качестве альтернативных реагентов могут быть предложены композиционные коагулирующе-флокулирующие составы или коагулянты в сочетании с флокулянтами.

Использование композиционного коагулянта, состоящего из смеси сульфата алюминия и оксихлорида алюминия, для очистки слабозагрязненных сточных вод от взвешенных веществ позволяет сократить расход коагулянта в два и более раз. Высокая эффективность композиций ОХА и СА определяется более высокой скоростью гидролиза и меньшей по сравнению с исходными солями растворимостью образующихся хлоридсульфатных гидрокомплексов. Причем оксихлорсульфаты алюминия, полученные путем синтеза, а не простым смешением исходных компонентов, имеют более высокую эффективность [5].

В большинстве случаев композиционные реагенты обладают более высокой эффективностью по сравнению с исходными компонентами. Их применение позволяет упростить технологию очистки, расширить области их эффективного использования и решить проблему обезвреживания сильнозагрязненных сточных вод.

1.12 Влияние компонентов сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий на эффективность биологической очистки

Структура загрязнений сточных вод, обусловленная внутренней энергией, не доступной для биоценозов, не может быть разрушена биологическими и механическими методами, использующими собственный запас энергии системы. Сточные воды с такой структурой загрязнений относятся к категориям трудноокисляемых.

Растворимые ионогенные органические вещества (РИОВ), гидрофобная часть которых состоит из конденсированных фенольных ядер (кислотные красители, сульфонаты и лигносульфонаты, гуматы и др.) лишь частично разрушаются при биологической очистке воды. Вследствие наличия в структуре ионогенных групп, эти вещества характеризуются высокой гидрофильностью и низкой адсорбционной способностью на неполярных сорбентах. Вместе с тем ионогенные группы РИОВ способствуют образованию нерастворимых полиядерных комплексов с катионами поливалентных металлов, что позволяет удалять их из воды коагуляцией.

Биологическая очистка не предназначена для обезвреживания стоков, содержащих биологически трудноокисляемые соединения. Наличие таких соединений приводит к снижению активности микроорганизмов активного ила вследствие сорбции их на поверхности последних.

Серьезными недостатками существующей схемы очистки являются следующие:

1) необходимость смешения всех стоков предприятия и подача на стадию биологической очистки большого объема сточных вод, что приводит к увеличению затрат на осуществление процесса;

2) трудноокисляемые соединения практически не разрушаются на стадии биологической очистки и вместе с биологически очищенной водой попадают в воды природных водоемов;

3) наличие в биологически очищаемом стоке биорезистентных веществ, приводит к снижению жизненной активности микроорганизмов активного ила и, как следствие, к уменьшению эффективности работы очистных сооружений в целом.

К трудноокисляемым соединениям следует отнести и экстрактивные вещества, которые переходят в растворенное состояние в процессе мокрой окорки древесины в древесно-подготовительном цехе (ДПЦ). Их вклад в значение ХПК данного стока может достигать 50%. Таннины, в частности, окрашивают сточные воды, а также имеют тенденцию поглощать свет и тепло. Кроме того они негативно влияют на микроорганизмы.

Сток ДПЦ является сильнозагрязненным. Так, на примере стоков Архангельского ЦБК, его вклад в удельный сброс загрязняющих веществ по ХПК составляет 36 %, а по взвешенным веществам 49 %.

Основываясь на вышесказанном, можно сделать следующие выводы:

1) применяемый традиционно метод биологической очистки сточных вод не предназначен для очистки сильнозагрязненного стока ДПЦ;

2) сток ДПЦ целесообразно очищать отдельно от других стоков до стадии смешения и подачи на биологическую очистку;

3) необходимо найти эффективный и малозатратный метод удаления экстрактивных и взвешенных веществ, внедрение которого позволит существенно повысить эффективность биологической очистки, вследствие удаления загрязнений потенциально ингибирующих работу микроорганизмов активного ила, а значит и эффективность биологической очистки в целом.

1.13 Обоснование выбора схемы очистки сточных вод древесно-подготовительного цеха

Для поддержания оптимального значения рН в сток ДПЦ из установки 1 в трубопровод подается щелочной реагент. Коагулянт ОХА с концентрацией 17% по Al₂O₃ поступает на станцию приготовления и дозирования рабочего 1 %-ного раствора коагулянта. Далее 1%-ный рабочий раствор коагулянта подается в смеситель 2, где происходит его смешение со сточной водой. После смешения обработанный сток подается в осветлитель-отстойник 5. Осветлитель представляет из себя отстойник со взвешенным слоем осадка, оборудованный тонкослойными блоками. Это позволяет обеспечить коагуляционно-флокуляционную обработку вод с тонкослойным отстаиванием и сгущением осадка в одном аппарате, интенсифицировать процесс осветления воды осаждением и повысить эффективность очистки воды.

Для улучшения седиментационных свойств образующегося осадка, непосредственно перед осветлителем-отстойником, в трубопровод вводится флокулянт. На станции 4 происходит его растворение, созревание и отбор.

Далее осветленная вода поступает в камерно-лучевой смеситель 6, куда добавляют азот и фосфор. После смесителя вода проходит биологическую очистку в EGSB-реакторе 7 и подается на ульрофильтрацию 8.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет С_НДС и требуемой эффективности очистки

Расчет кратности основного разбавления

Расчет кратности основного разбавления n₀ в реке производится по методу В. А. Фролова - И. Д. Родзиллера и определяется по формуле (1):

n₀ = . (1)

где Q - расчетный расход водотока, м³/с;

г - коэффициент смешения, показывающий, какая часть речного расхода смешивается со сточными водами в максимально загрязненной струе расчетного раствора:

г = , (2)

где l - расстояние от выпуска до расчетного створа по фарватеру, м;

б - коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке.

Для определения коэффициента смешения г требуется определить коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке б (4) и коэффициент турбулентной диффузии D, рассчитываемый по следующей формуле (3):

D = (3)

где Vср - средняя скорость течения реки, м³/с;

Нср - средняя глубина реки, м.

Находим D:

D = = 0, 00065 м²/с.

Определяем б:

б = 1·1,01 = 0,213 (4)

где о - коэффициент, учитывающий место расположение выпуска (для берегового выпуска о = 1; ц - коэффициент извилистости русла.

Принимаем расстояние от выпуска до расчетного створа = 500 м.

Рассчитываем коэффициент смешения по формуле (2):

г = = 0,174.

Таким образом, определяем кратность основного разбавления:

n₀ = = 5,26.

Определение концентраций, допустимых к сбросу в водный объект, С_НДС

Основная расчетная формула для определения С_НДС без учета неконсервативности вещества имеет вид:

С_НДС = n(С_ПДК - С_Ф) + С_Ф (5)

где С_ПДК - предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества в воде водотока, г/м³;

С_Ф - фоновая концентрация загрязняющего вещества (г/м³) выше выпуска сточных вод, определяемая с действующими методическими документациями по проведению расчетов фоновых концентраций химических веществ в воде водотоков;

n - кратность общего разбавления сточных вод в водотоке, равная произведению кратности начального разведения n_н на кратность основного разбавления n_о (основное разбавление, возникающее при перемещении воды от места выпуска к расчетному створу).

Принимаем n = n_о = 1,44.

1) Взвешенные вещества

Для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения, а также для водоснабжения пищевых предприятий при сбросе сточных вод, производстве работ на водном объекте и в прибрежной зоне содержание взвешенных веществ в контрольном створе (пункте) не должно увеличиваться по сравнению естественными условиями более чем на 0,25 мг/дм³ [приложение СанПиН]

С_НДС = С_Ф + 0,25 = 14,6 + 0,25 = 14,85 г/м³

2) ХПК

Химическое потребление кислорода не должно превышать 15 мг О₂/дм³[приложение СанПиН].

С_НДС = 15 г/м³.

3) Эффективность очистки веществ, %:

Э_о = ((С_{сточ.вод} - С_ндс)/С_{сточ.вод})·100% (6)

Таблица 1. С_НДС и требуемая эффективность очистки

Вещество	Ссточ.вод, мг/л	СФ, мг/л	СПДК, мг/л	СНДС, мг/л	Э, %
Взвешенные вещества	259 - 1522	14,6	-	14,85	98
ХПК	1426 - 4346	0	30	15	99
рН	4,55 - 7,15	-	6,5 - 8,5	-

2.2 Расчет материального баланса очистки оксихлоридом алюминия

Таблица 2. Исходные данные для расчета материального баланса очистки оксихлоридом алюминия.

Показатель	Величина
расход сточной воды, Gс.в., м3/ч	250
концентрация взвешенных веществ в сточной воде, CВВ, кг/м3	1,52
концентрация сухих веществ растворенных в сточной воде, ССВ, кг/м3	0,42
концентрация взвешенных веществ в осветленной воде, C0ВВ, кг/м3	0,074
концентрация сухих веществ растворенных в осветленной воде, С0СВ, кг/м3	0,15
расход оксихлорида алюминия, GОХА, кгAl2O3/м3	0,04
расход флокулянта, Gфл, кг/м3	0,0003
расход щелочного реагента GNaOH, кг/м3	0,04
концентрация раствора коагулянта, Хк, %	1
концентрация раствора щелочного реагента, Хщ, %	10
концентрация сухих веществ в осадке, COC кг/м3	32

a) Рассчитываем расход коагулянта по безводному оксихлориду алюминия:

G₁ = G_CA (8)

где GСА - расход раствора коагулянта, кг/м³;

М1 - молекулярная масса безводного сульфата алюминия, г/дм³;

М₂ - молекулярная масса оксида алюминия, г/дм³.

G₁ = 0,03 · = 0,10 кг/м³

Часовой расход коагулянта по массе рассчитывают по формуле:

G_k = G₁ · G_с.в., (9)

где G₁ - расход коагулянта по безводному сульфату алюминия, кг/м³;

Gс.в - часовой расход сточной воды, м³/ч.

G_k = 0,10 · 250 = 25 кг/ч

Часовой объемный расход коагулянта рассчитываем по формуле:

V_K = , (10)

где Gк - часовой расход коагулянта по массе, кг/ч;

Хк - концентрация раствора коагулянта, %.

V_K = = 25 кг/ч = 0,025 м³/ч

б) Рассчитываем расход флокулянта:

Часовой расход флокулянта по массе рассчитывают по формуле:

G_Ф = G_фл · G_с.в., (11)

где Gфл - расход флокулянта, кг/м³;

Gс.в - часовой расход сточной воды, м³/ч.

G_Ф = 0,0003 · 250 = 0,075 кг/ч

Часовой объемный расход флокулянта рассчитываем по формуле:

V_Ф = , (12)

где Gф - часовой расход флокулянта по массе, кг/ч;

Хф - концентрация раствора флокулянта, %.

V_Ф = = 7,5 кг/ч = 0,0075 м³/ч

в) Рассчитываем расход щелочного реагента:

Часовой расход щелочного реагента по массе рассчитывают по формуле:

G_щ = G_NaOH · G_с.в., (13)

где G_NaOH - расход щелочного реагента, кг/м³;

Gс.в - часовой расход сточной воды, м³/ч.

G_щ = 0,04 · 250 = 10 кг/ч

Часовой объемный расход щелочного реагента рассчитываем по формуле:

V_щ = , (14)

где Gщ - часовой расход щелочного реагента по массе, кг/ч;

Хщ - концентрация раствора щелочного реагента, %.

V_щ = = 1 кг/ч = 0,001 м³/ч

г) Система уравнений:

Уравнение общего материального баланса имеет вид:

G_с.в. + V_K + V_Ф + V_щ = V_о + V_о.с. (15)

250 + 0,025 + 0,0075 + 0,001 = V_о + V_о.с.

250,034 = V_о + V_о.с. (15ґ)

где Vo - объем осветленной сточной воды, м³/ч;

Voc - объем осадка, м³/ч.

Уравнение баланса по сухим веществам имеет вид:

G_BB + G_CB + G_k + G_Ф + G_щ = V_о · + V_о · + V_о · G_NaOH + C_OC · V_о.с. (16)

где G_ВВ - расход взвешенных веществ в сточной воде, кг/ч;

G_СВ - расход сухих веществ растворенных в сточной воде, %.

230,04 + 136,08 + 25 + 0,075 + 10 = V_о · 0,15 + V_о · 0,074 + 0,04 + 32 · V_о.с.

401,2 = 0,264 · V_о + 32 · V_о.с. (16ґ)

Для расчета материальных балансов решаем систему из двух уравнений 15ґ и 16ґ.

Таблица 3. Материальный баланс общий

Приход, м3/ч	Расход, м3/ч
Поток	Количество	Поток	Количество
Сточная вода	250	Осветленная вода	239,47
Коагулянт	0,025	Осадок	10,56
Флокулянт	0,0075
Щелочь	0,001
Итого	250,034	Итого	250,03

Таблица 4. Материальный баланс по сухим веществам

Приход, кг/ч	Расход, кг/ч
Поток	Количество	Поток	Количество
Со сточной водой	292,12	С осветленной водой	63,22
С коагулянтом	25	С осадком	337,92
С флокулянтом	0,075
Со щелочью	10
Итого	327,2	Итого	401,14

2.3 Расчет и подбор оборудования для очистки стока древесно-подготовительного цеха

Подбор накопительного бака для коагулянта оксихлорида алюминия

Рассчитываем емкость производительностью 0,025 м³/ч

Принимаем односменный запас емкости ф=8 ч

Рассчитываем объем жидкости:

V=0,025 · 8=0,2 м³

Принимаем коэффициент заполнения емкости ц=0,9

V=0,2/0,9 = 0,22 м³

Подбор накопительного бака для щелочного реагента при использовании оксихлорида алюминия.

Рассчитываем емкость производительностью 0,001 м³/ч

Принимаем односменный запас емкости ф=8 ч

Рассчитываем объем жидкости:

V=0,001 · 8 = 0,008 м³

Принимаем коэффициент заполнения емкости ц=0,9

V=0,008/0,9 = 0,009 м³

Подбор отстойника-осветлителя

Осветлитель с отсутствующей нижней дренажной решеткой и перфорированными трубами. Равномерное распределение потоков воды по сечению осветлителя осуществляется постепенным увеличением площади сечения нижней части аппарата. Осадкоуплотнитель имеет центральное расположение.

Для расчета и проектирования осветлителей необходимы исходные данные о показателях качества очищаемой воды.

Содержание взвеси в осветляемой воде М=1,522 г/дм³. Скорость восходящего потока в зоне осветления и коэффициент распределения между зоной осветления и осадкоуплотнителем Кр принимаем 1,0 мм/с зимой и 1,1 мм/с летом и 0,6 соответственно [4].

Площадь зоны осветлителя:

F_oc = (17)

Площадь осадкоуплотнителя:

F_ш = (18)

где б - коэффициент снижения скорости движения воды в осадкоуплотнителе по сравнению со скоростью в защитной зоне осветлителя, принимаемый равным 0,9;

Q - производительность осветлителя, м³/ч;

н_о - скорость движения воды в осветлителе, мм/с.

F_oc = = 41,67 м² - зимой

F_oc = = 37,88 м² - летом

F_ш = = 30,86 м² - зимой

F_ш = = 28,06 м² - летом

Высота контактной среды 2 м, из них 1 м высота в верхней зоне осветлителя, имеющей вертикальные стенки. Расположенная ниже зона имеет наклонные стенки (угол наклона 25 - 35°). Высота от верха контактной среды до поверхности в осветлителе 2 м. Для сбора осветленной воды используются желоба, расположенные друг от друга на расстоянии не более 3 м. Сбор осветленной воды из осадкоуплотнителя производится дырчатыми трубами с затопленными отверстиями. Трубы располагаются на 300 мм ниже уровня воды в осветлителе и не менее чем на 1,5 м выше верха шламоотводных окон. Скорость движения воды в отверстиях труб 1,5 м/с, а в трубах - не более 0,5 м/с; диаметр отверстий 15 - 20 мм.