В сталеплавильном производстве сточные воды образуются при очистке газов конверторов и электроплавильных печей, охлаждении и гидроочистке изложниц, установок непрерывной разливки стали и при обмывке котлов-утилизаторов. При кислородно-конверторной выплавке стали жидкий чугун продувают воздухом, обогащенным кислородом. При этом образуются 1200-1600 м3 отходящих газов на 1т выплавляемой стали. Газ содержит мелкую металлическую пыль, что обуславливает значительное содержание взвешенных веществ в сточной воде от очистки газа – до 7000 мг/л от одной очистки при производстве стали и 15000 мг/л – при выработке полупродукта. Аналогично производят очистку водой газов от электросталеплавильных печей. Количество сточных вод от газоочистки составляет 4,5 - 6,5 м3 на 1т выплавляемой стали. В сточных водах содержится от 200 до 500 мг/л взвешенных веществ.
Для утилизации тепла отходящих газов за многими нагревательными печами и конверторами устанавливают котлы-утилизаторы. В результате их обмывки образуются сточные воды, загрязненные механическими и химическими примесями. Количество стоков от промывки одного котла составляет в среднем 70 м3/час.
В настоящее время на многих металлургических заводах внедряются установки непрерывной разливки стали. Объем сточных вод от одной установки составляет до 300 м3/час. Самостоятельное значение имеют сточные воды ферросплавных заводов и флюсоплавильного производства. Эти предприятия обычно расположены отдельно от собственно металлургических заводов. Сточные воды образуются при очистке газов, разливке и грануляции ферросплавов и производстве электродной массы. Стоки их также характеризуются наличием взвешенных веществ, но состав их имеет некоторую специфику: стоки обладают щелочной реакцией, содержат повышенный сухой остаток и фенолы, цианиды и роданиды, марганец, фтор, хром, мышьяк, ванадий и др. [2].
Прокатное производство
Сточные воды прокатных цехов образуются при охлаждении валков, шеек валков и подшипников, смыве и транспортировке окалины, а также при охлаждении вспомогательных механизмов (пил, ножниц и др.). В трубопрокатном производстве образование сточных вод дополнительно связано с процессом гидравлического испытания труб. Прокатные цехи являются значительными потребителями воды. Количество сточных вод от этих цехов колеблется от 3 до 16 м3 на 1 т прокатанного металла, а в целом объем сточных вод прокатного производства составляет от 30 до 50 % общего их количества от металлургического завода с полным технологическим циклом. Образующиеся в прокатных цехах сточные воды характеризуются значительным содержанием взвешенных веществ в виде крупной, средней и мелкой окалины, количество которой в зависимости от типа станов колеблется в пределах 2 - 4% веса прокатанного металла; наличием некоторого количества масел: в среднем 30 -40 мг/л.
Для охлаждения валков станов холодной прокатки листа и протяжки труб используют специальную эмульсию, содержащую до 5% эмульгированного масла. Эмульсия многократно циркулирует в системе охлаждения стана, а отработанная периодически удаляется из системы. В прокатных цехах образуются эмульсионные стоки двух видов: отработанная концентрированная эмульсия и вода от промывки эмульсионного хозяйства и маслоподвалов цехов [2].
1.2. Влияние выпуска сточных вод металлургических предприятий на состояние водоемов
При сбросе сточных вод металлургических комбинатов, загрязненных различными веществами, в водоеме резко повышается содержание взвешенных веществ. Большая часть загрязняющих веществ осаждается вблизи места сброса. Отложения осадка в водоеме могут достигать нескольких десятков сантиметров, что может являться источником вторичных загрязнений. Одновременно с этим отмечается уменьшение прозрачности воды и появление специфической бурой окраски. В водоеме, в который попадают промышленные стоки металлургических предприятий, могут наблюдаться повышение температуры воды, некоторое увеличение окисляемости, химического и биологического потребления кислорода, снижение количества растворенного кислорода. При сильных загрязнениях на поверхности воды наблюдается наличие маслянистой пленки, а так же появляются токсичные вещества. Поступление в водоемы токсичных веществ, наличие высоких концентраций мелкодисперсной взвеси и нефтепродуктов, может привести к массовой гибели водных организмов и нарушению естественных процессов самоочищения.
Особенно неблагоприятные условия могут создаваться, если промышленные сточные воды металлургических заводов сбрасываются в водохранилище. В таких водоемах, как, правило, замедленное течение и слабое перемешивание, что приводит к резкому ухудшению санитарно - гигиенического состояния такого водного объекта. Поступление в поверхностные водоемы, особенно если эти водоемы маломощные, большого количества загрязненных сточных вод металлургических предприятий может сильно ухудшить санитарный режим на значительном протяжении, что затронет интересы многих водопользователей, находящихся ниже по течению.
Это определяет важность проведения различных технологических мероприятий с целью исключения негативного влияния сбрасываемых промышленных сточных вод металлургических предприятий на санитарные условия водопользования и здоровье населения.
1.3. Очистка оборотной воды в отстойниках - флокулянтах
В настоящее время происходит модернизация многих предприятий черной металлургии. Применение нового высокотехнологичного оборудования обусловило значительное повышение требований к качеству потребляемой воды по содержанию взвешенных веществ и растворенных компонентов, в отдельных операциях требования ужесточаются вплоть до использования «сверхчистой» воды.
Таблица 1.1
Технические требования к качеству оборотных вод
| Водопотребляющий агрегат | Содержание загрязняющих примесей, мг/дм3 | |||
| По требованиям [4] | По требованиям фирм [3] | |||
| взвешенные вещества | нефтепро дукты | взвешенные вещества | нефтепро дукты | |
| Газоочистка доменных печей | – | ≤100; ≤150 | – | |
| Газоочистка конвенторов | – | ≤150; ≤50 | – | |
| Вторичное охлаждение машин непрерывного литья заготовок | 30 – 40 | 10 – 20 | ≤20 | ≤1; ≤1,5; ≤5 |
| Станы горячей прокатки | 50 – 150 | 35 – 60 | ≤10; ≤20; ≤30; ≤50 | ≤1,5; ≤5; ≤8; ≤10 |
| Установки гидросбива окалины | 20 – 50 | 50 – 60 | ≤10; ≤30 | ≤5; ≤8 |
| Термоотделы | 50 – 60 | ≤10; ≤20 | ≤1; ≤2 |
В таблице 1.1 приведены технические требования к качеству оборотной воды по нормативным документам Минчермета СССР [4] и технической литературе, а также по данным фирм – изготовителей металлургического оборудования «SMS Demag», «VAI-Siеmens», «Danieli» и др. Различия в уровне требований внутри одной группы агрегатов отражают особенности их конструкции и назначения, а также технической политики этих фирм [3].
Для достижения качества воды, удовлетворяющего повышенным требованиям, инжиниринговые фирмы стран Евросоюза, Китая, Украины, России начали разрабатывать и внедрять в проекты внецеховых очистных сооружений модифицированные двухступенчатые (отстаивание + фильтрование) и, значительно реже, одноступенчатые (фильтрование) технологии глубокой очистки оборотной воды. Для оборотных циклов станов горячей прокатки, машин непрерывного литья заготовок и термоотделений дополнительно предусматриваются внутрицеховые первичные отстойники – ямы для окалины [3].
Наличие осветлительных фильтров в модифицированных схемах требует создания инфраструктуры для их эксплуатации и переработки получаемых жидких отходов в обезвоженные продукты. Для одноступенчатых схем с фильтрованием необходимо также значительное увеличение объема внутрицеховой ямы - окалины глубиной 10–15 м, что влечет за собой повышение стоимости и сводит на нет их технико-экономические преимущества. В модифицированных схемах в большом количестве применяется сложное и дорогостоящее, преимущественно импортное, оборудование. Таким образом, обеспечение повышенного качества оборотной воды и других современных требований достигается путем значительного усложнения процесса, еще большего увеличения габаритов очистных сооружений, их стоимости и эксплуатационных затрат.
Более перспективным путем решения указанных задач является не увеличение в технологической цепи количества ступеней очистки, а создание качественно новых процессов и оборудования. В свете такого подхода разработаны аппараты новой конструкции – отстойники - флокуляторы, производство которых организовано в Научно-проектной фирме «ЭКО-ПРОЕКТ». Несмотря на лоббирование некоторыми российскими металлургическими предприятиями и холдингами интересов иностранных фирм, а также их поддержку национальными финансовыми организациями, в последние годы отстойники - флокуляторы все шире применяются в водном хозяйстве предприятий черной металлургии России и Украины. Аппараты используются преимущественно для глубокой одноступенчатой очистки оборотной воды большинства видов металлургических агрегатов, а также в технологиях обработки промышленных и ливневых сточных вод и водоподготовки [3].
Схема остойника - флокулятора показана на рис.1.1. Отстойник имеет концентрически расположенные камеры флокуляции (хлопьеобразования), отстаивания и накопления осадка, параметры и конструктивные особенности которых изменяются в зависимости от технологического процесса очистки 
воды [3].
Рисунок 1.1. Схема остойника - флокулятора
1 – камера флокуляции; 2 – камера отстаивания; 3 – камера уплотнения и первичного уплотнения осадка
Научно-проектная фирма «ЭКО-ПРОЕКТ» разработала и активно внедряет на металлургических предприятиях России и Украины серию компактных высокоэффективных отстойников - флокуляторов, предназначен - ных для очистки оборотной воды технологических агрегатов, промышленно - ливневых сточных вод и водоподготовки. Применение одноступенчатых схем глубокой очистки сточных вод вместо двухступенчатых на отстойниках - флокуляторах в комплексе с новой технологией гравитационного обезвоживания получаемого в них осадка позволяет принципиально улучшить все технико-экономические и экологические показатели водного хозяйства металлургических заводов [3].
На предприятиях черной металлургии имеются благоприятные условия для использования воды в замкнутом цикле. Эти условия создают возможности:
1) последовательного использования воды, когда продувочные воды оборотных систем с высоким требованием к качеству воды могут применяться для подпитки систем оборотного водоснабжения с более низкими требованиями к качеству оборотной воды;
2) работы оборотных систем на беспродувочном режиме при условии стабилизационной обработки воды различных систем;
3) использования в ряде технологических операций значительных количеств осветленной оборотной воды различных систем;
4) достижения необходимого качества оборотной воды известными методами при использовании существующих очистных сооружений.
Очистка производственных сточных вод на металлургических заводах решается самостоятельно для отдельных производств: доменного, сталеплавильного и прокатного производств.
В цехах горячей прокатки металлов сточные воды, загрязненные окалиной и маслом, поступают от охлаждения подшипников и валков, после гидросбива и гидросмыва окалины. Удельные количества загрязненных сточных вод колеблются в широких пределах в зависимости от типа прокатного стана от 2,5 до 24 м3/т прокатываемого металла [5].
Приведенная на рисунке 1.2. рациональная схема последовательно-оборотного водоснабжения непрерывного широкополосного стана горячего проката «2000», предусматривает создание локального оборотного цикла водоснабжения участка охлаждения полосы (для тонколистовых станов) или закалочных машин (для толстолистовых станов) с выводом части воды для повторного использования внутри цеха и позволяет сократить в 2 раза количество сточных вод, выводимых за пределы цеха для вторичной очистки.
Очистка осуществляется в три ступени. В качестве первой ступени применяют первичные отстойники (ямы для окалины) 12.
Для второй ступени используют горизонтальные или радиальные отстойники - 1 с камерой флокуляции циклонного типа, которые обеспечивают эффективное удаление взвешенных веществ, а также создают необходимые
Рисунок 1.2. Схема последовательно-оборотного водоснабжения непрерывного широкополосного стана горячего проката «2000» [5].
условия для протекания и завершения различных химических реакций за счёт укрупнения (флокуляции) гетерогенных примесей при вращательно-поступательном движении сточной воды. Далее насосами 2 вода перекачивается для охлаждения воды в градирню 3. Из нее часть воды в виде аварийных и переливных вод очищается на фильтрах 4 и выводится из оборотной системы.
Основная часть воды после двух ступеней отстаивания до остаточного содержания окалины 40-60 мг/л и масел 15-20 мг/л, охлаждения в градирне направляется на третью ступень очистки в сетчатых фильтрах (микрофильтрах) 5 или в сверхскоростных гравийных (песчаных) фильтрах 13 до остаточного содержания взвесей 5-8 мг/л. Можно использовать электромагнитные фильтры. Из фильтра 5 вода идёт на охлаждение моталок 7, участка охлаждения полосы прокатываемого стального листа 6 и чистовых клетей 9. Из фильтров 13 вода поступает на участок гидросмыва окалины 10.
Сточные воды от охлаждения подшипников и валков, а также после гидросмыва окалины загрязнены окалиной и маслом. Вода с участка охлаждения полосы и моталок, пройдя ёмкость гидроциклонного типа 8 и освободившись от основной массы окалины, насосами 2 перекачивается через фильтр 5 на начало участка охлаждения полосы, а через фильтры 13 на черновые клети 11 и начало полосы прокатываемого металла. Вся сточная вода собирается в ёмкости для окалины 12 на первичное отстаивание и далее после вторичного отстаивания и охлаждения повторно используется внутри системы [5].
1.4. Сорбционная очистка с применением углеродных волокнистых сорбентов
Сорбционная очистка применяется для повышения глубины очистки от органических загрязнений и удаления побочных продуктов озонирования на заключительном этапе обработки воды [6].
К преимуществам сорбционного метода относятся: возможность удаления загрязнений практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости и отсутствие вторичных загрязнений.
В настоящее время для сорбции из водных растворов различных веществ используют в основном гранулированные активированные угли (ГАУ) и порошкообразные (ПАУ) угли, обладающие высокой кинетикой сорбции в отличии от ГАУ [6].
В последнее время разработано множество гидрофобных материалов, которые успешно используются для очистки нефтесодержащих сточных вод. Это древесное волокно «Капок», хлопковое волокно с добавкой воска, материал, приготовленный из хитина, намытые на синтетические волокна порошкообразные материалы [6].
В последнее десятилетие появились новые высокоэффективные сорбенты – углеводородные волокнистые материалы (УВС).
Активированные углеродные и ионообменные волокна являются сорбентами нового поколения и еще не нашли широкого массового применения.
Углеводородный волокнистый активированный материал – это материал черного цвета, без запаха, нерастворимый в воде и органических растворителях, устойчив к действию кислот и щелочей, не плавок, не взрывоопасен, не токсичен.
Структура углеродных волокнистых материалов представляет собой совокупность элементарных волокон толщиной от 1 до 5 мкм, в которых на стадии активации вытравливаются поры размером в пределах от 0,5 … 50 нм. Благодаря такой структуре процесс установления адсорбционного равновесия в УВС протекает на порядок быстрее, чем в обычных активированных углях [6].
Термическая, химическая, радиационная стойкость углеродных волокон, а также вибро - и ударопрочность волокнистых материалов дает возможность использования их в более жестких режимах эксплуатации, где сорбенты не применимы.
Высокие кинетические и адсорбционные свойства волокнистых сорбентов обеспечивают получение требуемой степени очистки водных потоков в малой, по сравнению с зернистыми сорбентами, длине слоя.
Наряду с высокой эффективностью удаления растворимых органических веществ и кинетикой сорбционного процесса, УВС имеет более низкую зольность (менее 0,5%) по сравнению с ГАУ (10 – 15%) и низкий коэффициент пыления, что исключает вымывание неорганических примесей и пыли в очищенную воду, повышает надежность и ресурс всей системы водоподготовки в целом.
УВС пока еще несколько дороги, но простая электрическая регенерация (нагревательным элементом может служить сам материал) делает эти сорбенты более перспективными, чем активированные угли [6].
1.5 Отстаивание и фильтрация.
Отстаивание и фильтрация – это механические методы очистки промстоков, которые применяются для выделения из сточных вод нерастворимых минеральных и органических примесей. Основная задача данных методов, как предварительного этапа – подготовка стоков к другим более глубоким методам очистки.
1.5.1 Гравитационное разделение
Отстаивание – это самый простой, дешевый и наименее энергоемкий способ очистки стоков от механических примесей, плотность которых отличается от плотности воды. Под действием силы тяжести нерастворимые частицы загрязняющих веществ оседают на дно отстойных сооружений.
Для задержания тяжелых нерастворимых примесей, применяются песколовки различных конструкций. Применение их в схемах очистки производственных сточных вод улучшает работу последующих очистных сооружений и облегчает их эксплуатацию.
Песколовки устанавливают на очистных сооружениях для задержания минеральных частиц крупностью свыше 0,2 - 0,25 мм при пропускной способности очистных станций более 100 м3/сут. Наибольшее применение находят песколовки с горизонтальным прямолинейным движением воды, горизонтальные с круговым движением воды, тангенциальные круглой формы с подводом воды по касательной, аэрируемые. Число песколовок или отделений песколовок принимают не менее двух, причем все песколовки или отделения должны быть рабочими. При механизированном сгребании песка кроме рабочих песколовок предусматривают и резервную [7].
Для очистки промышленных стоков от твердых веществ на предприятиях применяются отстойники. Они являются надежными и распространенными сооружениями.
Главная задача при проектировании отстойников – обеспечение осаждения в них основной массы взвеси содержащейся в обрабатываемой воде.
В практике водоподготовки для выделения из воды взвешенных веществ перед поступлением ее на фильтры применяют горизонтальные, вертикальные и радиальные отстойники, названные так по направлению в них потока воды.
Содержание взвешенных веществ в воде после отстойников не должно превышать 8 - 15 мг/л.
Горизонтальные отстойники (рис. 1.3) представляют собой прямоугольные резервуары, выполняемые обычно из железобетона и оборудованные водораспределительными и водосборными устройствами, трубопроводами для подвода осветляемой воды и отвода осветленной и устройствами для периодического удаления, выпавшего осадка.
Рисунок 1.3. Схемы движения воды в горизонтальных отстойниках:
а) одноэтажном прямоточном (разрез); б) двухэтажном прямоточном (разрез); в) двухэтажном с поворотом потока (разрез); г) одноэтажном с поворотом потока (план); 1 – подвод воды; 2 - отвод осадка; 3, 4 - соответственно распределительный и сборный водосливы; 5 - отвод отстоянной воды; 6 – водомеры [7].
Горизонтальные отстойники часто совмещают с камерами хлопьеобразования, примыкающими к ним или встроенными в них. Их можно проектировать одноэтажными и двухэтажными с торцевым или рассредоточенным по площади сбором осветленной воды, без поворота или с поворотом потока воды в горизонтальной или вертикальной плоскости.
Преимущество двухэтажных отстойников заключается в значительно меньших площадях застройки, расходе бетона на их строительство, а большой недостаток их – необходимость в дополнительном подъеме воды. Кроме того, требуются особые гидрогеологические условия площадки, позволяющие производить большие заглубления [7].
Общим недостатком отстойников можно считать их большие габаритные размеры.
Вертикальные отстойники применяются для осветления промышленных стоков, которые содержат грубодисперсные взвеси, при обработке небольших объемов сточных вод – до 10000 м3 в сутки.
Данный отстойник – это круглый или квадратный в плане железобетонный резервуар с коническим или пирамидальным днищем. Вертикальные отстойники имеют большую глубину (до 7 м), но меньшую в сравнении с горизонтальными отстойниками занимаемую площадь. Диаметр вертикальных отстойников может быть от 4 м до 9 м. достоинством этих отстойников является простата конструкции и эксплуатации. К недостаткам можно отнести большую глубину сооружений, низкую эффективность, трудность механизации удаления осадка.
Радиальные отстойники (рис. 1.4) – это разновидность горизонтальных отстойников, которые применяют в качестве первичных или вторичных. Они представляют собой круглые в плане железобетонные резервуары диаметром до 60 м (иногда и до 100м) относительно небольшой глубины проточной части от 1,5 м до 5 м., очищаемая вода в которых движется по радиусу от центра к периферии. Наибольшее распространение получили отстойники с центральным впуском жидкости.
Радиальные отстойники оборудуются подвижными фермами, выпавший осадок перемещается к приямку скребками, закрепленными на этой ферме и удаляется с помощью насосов или под действием гидростатического давления.
Рисунок 1.4. Радиальный отстойник:
1 - труба для подачи воды; 2 - скребки; 3 - распределительная чаша; 4 – водослив; 5 – отвод осадка
Осветленная вода собирается в кольцевой периферийный желоб и отводится. Продолжительность отстаивания составляет 1,5 ч. Радиальный отстойник обеспечивает хороший эффект осветления (60% и более).
Радиальные отстойники применяют, главным образом, для выделения из сточных вод как оседающих, так и всплывающих частиц при больших расходах (более 20000 м3/сут) [8].
Радиальные отстойники по сравнению с горизонтальными имеют такие преимущества как: простота и надежность эксплуатации, экономичность, возможность строительства сооружений большой производительности. Наличие подвижной фермы со скребками можно отнести к недостаткам даных отстойников.
Во ВНИПИЧерметэнергоочистка разработана конструкция отстойника с расположенной в центре камерой флокуляции, который предназначен для очистки сточных вод прокатного производства. В этих отстойниках очищаемая вода подводится тангенциально в камеру флокуляции, в которую вводятся коагулянты и флокулянты [8].
Тонкослойные отстойники (рис. 1.5)– сооружения прямоугольной или круглой формы, отстойная зона которых разделена на тонкиеслои пластинами (полками) небольшой глубины (до 150 мм) или набором пакетов трубок небольшого диаметра (25 – 50 мм). Наклон элементов в отстойниках непрерывного действия составляет 45о – 60о
Рисунок 1.5. Тонкослойные модули в отстойниках
Тонкослойное отстаивание применяется в случае необходимости сокращения объема очистных сооружений при ограниченности выделенных под них площадей и необходимости повышения эффективности существующих отстойников [8].
1.5.2 Фильтация
В производственной сфере часто требуется максимально очистить оборотные и сточные воды от твердых и взвешенных веществ, для этого применяются различные методики фильтрации.
В отличие от осаждения или флотации при фильтрации не требуется никакой разницы в плотности между частицами и жидкостью, разделение осуществляется из-за разницы давлений по обе стороны фильтра, которая способствует перемещению воды через фильтр, а твердые частицы задерживаются фильтрующим слоем.
Методики фильтрации могут быть разделены на медленную и быструю. Медленная фильтрация применяется в основном при подготовке питьевой воды. В очистке сточных вод по экономическим и производственно – технологическим причинам применяется быстрая фильтрация, т.е. фильтрация со скоростью более 2 м/ч [9].
Также можно разделить фильтрацию на объёмную и поверхностную, т.е. фильтр действует на поверхности (высота фильтрующего слоя - до 30 см) или в глубине фильтрующей массы в пористых пространствах (обычная высота фильтрующего слоя 1,0 – 2,5 м).
Фильтрацией можно достичь содержания твердых веществ в отводящем потоке от 5 до 5 мг/л. При поверхностной фильтрации из сточных вод удаляются преимущественно частицы размером > 10 мкм. Объёмные фильтры могут удалять из сточных вод очень мелкие частицы < 10 мкм [9].
Фильтры нашли широкое применение для доочистки производственных сточных вод, содержащих мелкодисперсную взвесь, эмульгированные масла, смолы и нефтепродукты, после отстаивания, флотации, биологической очистки, перед выпуском их в водные объекты или подачей на повторное использование.
Применяются открытые безнапорные и закрытые напорные фильтры.
В качестве примера можно привести фильтр АКХ.
В основу двухпоточных скорых фильтров АКХ положен принцип двухстороннего фильтрования воды с отводом фильтрата трубчатой дренажной системой, расположенной в толще фильтрующего слоя [7].
Фильтрование основной массы осветляемой воды, осуществляемое снизу вверх, сначала через слой крупного, а затем через все более мелкий песок, обеспечивает повышение грязеемкости и производительности фильтра при сокращении расхода воды на промывку. В нижней части такого фильтра располагают трубчатую распределительную систему. Над ней помещают гравийные поддерживающие слои, на которые укладывают слой песка.
2
Рисунок 1.6 Схема устройства фильтра АКХ:
1 – нижний дренаж; 2 – желоб; 3 – дренаж внутри загрузки; 4 – трубопровод [7].
Часть воды из отстойника подают в сборный карман фильтра, откуда она поступает по желобам на верхнюю часть загрузки. Основная же масса воды через распределительную систему поступает в нижнюю часть фильтрующего слоя.
Очищенную воду собирают и отводят в коллектор дренажными трубами, расположенными на 500÷600 мм ниже поверхности песка. Промывную воду собирают и отводят в сборный канал и трубопровод сточной воды желобами (рис. 1.6). Фильтр загружают отмытым кварцевым песком крупностью 0,5÷1,6мм или другим зернистым материалом. Поддерживающие слои гравия укладывают так же, как и в однопоточных скорых фильтрах.
Расчетная скорость фильтрования для фильтров АКХ, составляющая 10÷12м/ч при нормальном и 12 ÷ 15 м/ч при форсированном режимах, представляет собой сумму скоростей потоков воды через нижний и верхний слои зернистой загрузки. Во время работы фильтра скорость фильтрования через нижний слой загрузки увеличивается, а через верхний слой в связи с малой грязеемкостью его уменьшается. К концу фильтроцикла скорость фильтрования через нижний слой достигает 80 % суммарной скорости [7].
1.6 Флотация
Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии пограничных слоев [10].
Для очистки сточных вод флотация применяется в качестве метода выделения мелких твердых частиц, коллоидных взвесей, некоторых растворенных веществ. В основе процесса лежит индивидуальная способность различных соединений к смачиванию и их поведение на границе раздела фаз жидкость – газ.
Флотация позволяет очистить воду от взвесей, не подвергающихся осаждению, так как они имеют близкую к воде плотность. Флотационный процесс применяют для удаления из воды ПАВ, нефтепродуктов, волокнистых загрязнителей, жиров и т. п., а также некоторых растворенных веществ (пенная сепарация).
Преимущества флотационной очистки стоков [10].
· Относительно небольшие затраты в процессе эксплуатации.
· Простота оборудования.
· Возможность выделения определенных загрязнителей.
· Скорость процесса флотационной очистки от некоторых взвесей выше скорости оседания.
· Возможность удаления таких загрязнителей как нефтепродукты.
· Содержанием воды в шламе после флотации не очень высоко.
Минусы флотационного процесса [10].
· Применение ограничено по виду загрязняющих веществ, так как флотация зависит от их гидрофобности.
· Часто приходится использовать реагенты для повышения гидрофобности загрязняющих веществ и устойчивости полученной пены.
· Необходима точная настройка оборудования, подающего воздух для получения пузырьков газа (воздуха) определенного размера.
Напорные, вакуумные, безнапорные, электрофлотационные установки применяют при очистке сточных вод с содержанием взвешенных веществ свыше 100 ÷ 150мг/л (с учетом твердой фазы, образующейся при добавлении коагулянтов). При меньшем содержании взвесей для фракционирования в пену ПАВ, нефтепродуктов и др. и для пенной сепарации применяют установки импеллерные, пневматические и с диспергированием воздуха через пористые материалы. Для осуществления процесса разделения фаз применяют прямоугольные и круглые флотокамеры. Объем флотокамер складывается из объемов рабочей зоны (глубина 1,0 ÷ 3,0 м), зоны формирования и накопления пены (глубина 0,2 ÷ 1,0 м), зоны осадка (глубина 0,5 ÷ 1,0 м). Гидравлическая нагрузка принимается ─ 3 ÷ 6 м3/(м2·ч) Число флотокамер должно быть не менее двух, все камеры рабочие. Для повышения степени задержания взвешенных веществ используют коагулянты и флокулянты [11].
Флотационная активность частиц в основном зависит от гидративности их поверхности; чем они гидрофобнее, тем лучше флотируются. Однако в промстоках, в частности в маслосодержащих сточных водах прокатного производства, содержатся тонкодисперсные илистые частицы, частицы окиси металла (окалина), масла в виде устойчивых эмульсий и другие загрязнения, обладающие высокой гидрофильностью поверхности. Для удаления этих частиц из сточных вод методом пенной флотации необходимо предварительное изменение их первоначальных поверхностных свойств с помощью флотационных реагентов [12].
Наиболее широкое распространение в процессах очистки сточных вод и сгущения осадков получила напорная флотация. Преимущество этого способа перед другими основано на том, что выделение пузырьков происходит непосредственно на частицах загрязнений, находящихся в сточной воде. Образующиеся флотокомплексы «частица – пузырек газа (воздуха)» затем всплывают, образуя пенный слой. В этих случаях не требуется обеспечивать столкновение частиц с пузырьками для образования флотокомплекса, обуславливающее перевод частиц в пену. Обычно при флотационной очистке сточных вод приходится иметь дело с очень тонкими частицами, вероятность столкновения которых с пузырьками очень низкая. Мелкие частицы относятся в сторону пузырьков, омывающимися потоками, тем в большей степени, чем меньше масса частицы. В аппаратах напорной флотации пузырьки на порядок меньше (0,2 мм), чем в механических, пневмомеханических, пневматических флотомашинах (где порядок – 1 – 3 мм), а, следовательно, в них при меньшей аэрированности обеспечивается значительно большая поверхность раздела газ – жидкость.
Скорость всплывания таких флотокомплексов мала и составляет примерно 1 – 3 мм/с., что приводит к более значительному времени пребывания разделяемой суспензии во флотационном аппарате. Увеличиваются также его габариты. Другим существенным недостатком этого способа флотации является то, что насыщение газом (воздухом) сточных вод ограничено давлением, при котором происходит растворение газа (воздуха) в воде, и температурой воды. В случае очистки стоков с повышенной температурой (40 – 60 °C) резко уменьшается растворимость воздуха и эффект очистки падает в несколько раз.
Установки для напорной флотации просты и удобны в эксплуатации. Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с концентрацией взвесей до 4 – 5 г/л.
Процесс осуществляется в две стадии:
1) насыщение воды воздухом под давлением;
2) выделение растворенного газа под атмосферным давлением
Рисунок 1.7. Схема многокамерной флотационной установки с рециркуляцией:
1 – сточная вода; 2 – насосы; 3 – шлам; 4 – пеносъемник; 5 – гидроциклон; 6 – флота ционная камера; 7 – система аэрации; 8 – напорный бак; 9 – очищенная вода [10].
Исходная грязная сточная вода 1 поступает в приемный резервуар, откуда ее перекачивают насосом 2, в гидроциклон 5. Затем комплексы с малой подъемной силой вместе с потоком воды попадают в первый блок тонкослойного осветления флотационной камеры 6, где в стесненных условиях происходит коалесценция пузырьков воздуха, подаваемых с помощью системы аэрации 7, и, вследствие этого, увеличение подъемной силы этих комплексов. Воздух растворяется в воде при повышенном давлении 0,15–0,4 МПа.
Далее очищаемая вода попадает во второй и последующие блоки тонкослойного осветления. В каждом блоке из воды интенсивно выделяются пузырьки воздуха, причем непосредственно на частицах (каплях) примесей. Образующиеся флотокомплексы частица – пузырек всплывают, образуя пенный слой, который удаляется пеносъемным устройством 4. Очищенная вода 9 выводится из верхней части флотатора. Напорный бак 8 обеспечивает рециркуляцию процесса, т.к. через него вода насосом 2 снова поступает во флотатор.
В качестве рабочей жидкости используют природную или очищенную сточную воду. При этом объем рабочей жидкости значительно превышает объем очищаемой сточной воды. Улучшение флотации в этом случае происходит из-за сохранения хлопьев загрязнений и более быстрого всплывания их. Недостатком схемы является большой расход энергии на перекачивание рабочей жидкости [12].
Эффективность работы флотатора зависит от соответствия устройства и конфигурации поставленным задачам. В связи с этим расчет флотатора должен производиться с учетом таких показателей, как:
· объемы поступающих сточных вод;
· состав стоков;
· концентрация загрязняющих веществ.
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Задачей данной работы является расчет сооружений для очистки дебалансных стоков прокатных цехов, сбрасываемых в прудок – осветлитель на реке Вязовка. Основными загрязняющими веществами являются взвешенные вещества и нефтепродукты (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Основные загрязняющие вещества в дебалансных водах
| Загрязняющее вещество | Норматив допустимого сброса, мг/ дм3 | Концентрация загрязняющих веществ после горизонтального отстойника прокатного производства, мг/ дм3 (по данным за 2016г) | |
| Среднее годовое | Максимально разовое | ||
| взвешенные вещества | 12,35 | ||
| нефтепродукты | 0,3 | 9,96 | 113,3 |
2.1 Система оборотного водоснабжения прокатных цехов АО «ЕВРАЗ НТМК»
2.1.1 Существующее положение
В оборотном цикле прокатны