ООО "КОМПЕНС"
Напишите нам: zakaz@kompens.ru
Звоните: +7(499) 938-56-00

Адсорбционная очистка воды

Адсорбция является наиболее универсальным и эффективным методом удаления из воды растворенных органических веществ природного и неприродного осаждения. Осо­бенно большое значение приобретает применение сорбционных процессов при подго­товке воды поверхностных водоисточников в условиях значительного их загрязнения органическими токсичными и канцерогенными веществами антропогенного и техноген­ного происхождения, такими как различные детергенты, пестициды, фенолы, нефтепро­дукты, диоксины и др., поступающие в водоемы со сточными водами населенных пунк­тов, промышленных предприятий, а также с атмосферными водами.

Адсорбция обусловлена способностью некоторых твердых веществ, обладающих развитой поверхностью, называемых адсорбентами, удерживать на своей поверхности молекулы органических соединений, извлекаемых из жидкой или газовой сред, в кото­рых они находились. Это явление относится к массопереносу из жидкой или газовой фа­зы на поверхность твердого вещества, с которым органическое соединение имеет срод­ство и энергию которого можно измерить микрокалориметрированием.

В качестве адсорбентов могут использоваться различные природные материалы: цео­литы, глины; искусственные неорганические вещества (активный диоксид алюминия, раз­личные гидроксиды металлов); углеродные материалы: активные угли, волокнистые угле­родные материалы (УВМ), а также синтетические полимерные молекулярные сорбенты.

Поглощающая способность адсорбента по отношению к данному веществу зависит:

  • от доступной площади поверхности материала: у природных адсорбентов удель­ная поверхность относительно мала (от 50 до 200 м2 на 1 г сорбента) и их адсорбцион­ная емкость поэтому незначительна. У искусственных промышленных адсорбентов удельная поверхность может достигать 3000 м2 на 1 г; у активных углей в среднем - 1000-1500 м2 на 1 г.;
  • от размера пор сорбента. Поры адсорбентов подразделяются на три условные группы по величине их эффективного радиуса: 1) макропоры, имеющие эффективный радиус более 100 нм; 2) переходные поры с эффективным радиусом от 100 до 115-116 нм; микропоры с эффективным радиусом менее 1,5 нм;
  • от концентрации извлекаемого органического вещества в растворе;
  • от гидродинамических характеристик обмена, относительной скорости двух фаз, т.е. времени контакта между твердой (сорбент) и жидкой (вода) фазами;
  • от энергии связей, т.е. от сродства поверхности сорбента к поглощаемому веще­ству (сорбату), а следовательно, от природы и строения этого вещества. Это сродство часто зависит от величины pH. Во многих случаях кислая среда способствует адсорб­ции органических веществ активными углями и наоборот - щелочная среда затрудняет сорбцию и способствует десорбции веществ с активных углей.

При определенных условиях между концентрацией органических веществ в рас­творе и их массой, адсорбированной единицей поверхности (или единицей массы ад­сорбента), устанавливается равновесие, которое может быть выражено уравнением Фрейндлиха

x/m=C1/nK

где x/m - масса органических веществ, сорбированных единицей массы сорбента; С - остаточная концентрация органических веществ в растворе в условиях равновесия (равновесная концентрация); К и n- константы, зависящие от природы сорбируемых ве­ществ и типа сорбента.

Наибольшее распространение в качестве сорбентов для извлечения органических веществ из воды получили углеродные материалы, активные угли, поскольку энергия вандерваальсового взаимодействия молекул органических веществ с атомами углерода, образующими поверхность углеродных тел, значительно превышает энергию взаимо­действия этих атомов с молекулами воды. Кроме того, чтобы обеспечить большую удельную поверхность углеродных материалов (700-1500 м2/г) - фактор, определяю­щий качество сорбента, можно использовать относительно недорогие процессы, напри­мер химическую активацию.

Обычные типы активных углей изготавливают из антрацита, битумного или мягко­го угля, нефтяного угля, торфа, древесины, кокса, скорлупы кокосовых орехов. Актив­ные угли обладают адсорбционной активностью по отношению к широкому спектру ор­ганических веществ. Наиболее трудно сорбируются на углях молекулы с короткой угле­родной цепью (одноатомные спирты и низшие жировые кислоты, особенно те, молеку­лы которых состоят менее чем из трех углеродных атомов) и полярные соединения. Хо­рошо адсорбируются активными углями молекулы с длинной углеродной цепью, арома­тические соединения, замещенные углеводороды.

Из других веществ известно применение неорганических адсорбентов: активного оксида алюминия, силикагеля и других неорганических оксидов, которые могут иметь большие удельные поверхности, но не многие из них сравнимы с активными углями, что делает их весьма специфичными сорбентами.

В последние годы синтезированы и находят применение органические полимерные адсорбенты - макромолекулярные смолы с удельной поверхностью пор от 300 до 500 м2/г. Их адсорбционная способность относительно низка по сравнению с активны­ми углями. Однако эти смолы имеют лучшие кинетические характеристики и легче ре­генерируются благодаря малой энергии связей. Эти смолы могут применяться в некото­рых случаях, например, для защиты ионообменных систем в процессах умягчения, обессоливания и очистки воды, в которой присутствуют неионогенные детергенты, или для извлечения фенольных соединений.

Как было показано выше, из всех перечисленных сорбентов активные угли имеют наибольшее применение в процессах водоподготовки. Промышленностью в настоящее время выпускается два типа активных углей: порошкообразные и гранулированные.

Порошкообразные активные угли (ПАУ) представляют собой частицы размерами от 10 до 50 мкм. Процесс чистки воды с помощью ПАУ называют «углеванием». Углевание час­то сочетают с процессами осветления, непрерывно добавляя в воду уголь вместе с коагулян­тами и флокулянтами. Уголь при этом сорбирует органические примеси, проникает в обра­зующиеся при коагуляции хлопья и затем отделяется от воды вместе с ними фильтровани­ем, в осветлителях с рециркуляцией осадка (турбоциркуляторы) или в осветлителях со взве­шенным слоем осадка (пульсаторы). Осветлители значительно увеличивают время контак­та воды с активным углем, обеспечивая достижение равновесия. При использовании пуль­саторов вместо отстойников экономится 15-20% угля при той же степени очистки воды.

ПАУ могут использоваться также в виде намывного слоя в патронных фильтрах при окончательной доочистке особо чистой воды (при обработке конденсатов, при об­работке воды в электронной промышленности и т.п.). Преимущества применения по­рошкообразных углей заключается в следующем:

  • они в 2-3 раза дешевле гранулированных;
  • при обработке воды в условиях пиковых нагрузок по загрязнениям возможно вве­дение дополнительного количества угля;
  • низкие капитальные затраты при одновременной обработке воды углем и коагу­лянтами; процесс осуществляется в одну стадию флокуляция - осаждение; дополни­тельно требуется установка лишь одного дозатора угля;
  • быстрое протекание процесса адсорбции, поскольку активная поверхность угля легко доступна для извлекаемых из воды загрязняющих веществ (сорбата);
  • применение активного угля вместе с коагуляцией и осветлением повышает ско­рость осаждения образующихся хлопьев, утяжеляя их и увеличивая гидравлическую крупность.

К недостаткам применения порошкообразного угля вместе с коагуляцией можно отнести:

  • невозможность их регенерации при смешивании с гидроксидами (коагулянтами), что обусловливает безвозвратные потери всего вводимого угля. При самостоятельном использовании ПАУ (без коагулянтов) возможна его регенерация с применением техно­логии псевдоожиженного слоя, но и в этом случае потери угля высоки;
  • большие избыточные количества ПАУ, необходимые для глубокой очистки воды.

С учетом этих недостатков ПАУ целесообразно применять при возможности огра­ничения его расхода средними и малыми дозами (менее 20-30 г/м3) в зависимости от конкретных условий.

Группа фирм Сор (Saur) разработала в 1997-2000 годы продукт Карбоплюс. Его концепция основывалась на оптимизации рабочих показателей активированного угля в виде порошка (САР) путем инновационного его введения в контактный реактор с САР с разжиженным активированным углем в размере нескольких граммов на один литр при непрерывном обновлении. Этапы очистки от загрязнения и выведения угля из обраба­тываемой воды протекают в разных сооружениях соответственно контакта, флокуляции и осаждения.

Такой процесс, основанный на вступлении в контакт очищаемой воды с большой массой постоянно обновляемого порошкового угля, придает системе усиленную спо­собность адсорбции органических микрозагрязнителей, обеспечивая оптимальный от­клик на загрязнение сырых вод. Реактор обеспечивает пассивную безопасность эффек­тивной по отношению к колебаниям качества обработки воды. Система постоянно по­глощает без эксплуатационного вмешательства все пики пестицидов других адсорбиру­емых микрозагрязнителей. Такое не может быть гарантировано на фильтрах CAG (с гра­нулированным активированным углем) в живой среде или в системах с прямой дозиров­кой САР, где колебаниями качества воды, связанного с загрязнителями типа пестицидов, нельзя управлять в реальном режиме времени.

Такая технология весьма эффективна для удаления из воды органического углеро­да (СОТ). Она предлагает второй этап осветления, благоприятный для удаления взве­шенных частиц (MES) и различных составляющих в коллоидальном состоянии.

Что касается подземных вод, от слабо- до среднемутных, или поверхностных вод со слабым органическим загрязнением, то они все требуют нацеленных очищающих действий по отношению к органическим микрозагрязнителям.

Инновационная идея способа заключается в приведении в жидкое состояние слоя ак­тивированного угля в едином сооружении, работающем в режиме восходящего потока во­ды, обеспечивающего очистку от загрязнения путем адсорбции и отделения при помощи простого осаждения в верхней части. Создание подвижного слоя позволяет осуществлять постоянное обновление активированного угля в контактном реакторе и рабочем режиме, регулярно добавляя новый уголь вместо откачиваемого в соответствующем эквивалент­ном объеме. Непрерывное обновление жидкого слоя активированного угля и значительная его масса, находящаяся в контакте (несколько сотен граммов на один литр), позволяют га­рантировать продолжительный срок получения хороших показателей очистки. Этот спо­соб эксплуатации помогает избежать риска появления микрозагрязнителей при сильных колебаниях уровня загрязнения как по природе, так и по концентрации и дает возможность работать с гидравлическими скоростями в пределах между 8 и 15 м/час. Из­влеченный уголь из жидкого слоя может быть складирован в фильтрующие мешки или фильтрующий контейнер в зависимости от размеров установки и взят обратно поставщи­ком. Извлекаемые объемы очень малы и составляют 0,05% от всего производства.

Гранулированные угли (ГАУ)

Характеристики и свойства ГАУ значительно различаются в зависимости от исход­ного материала, способа получения и активации, назначения.

Частицы ГАУ, выпускаемых в России, могут иметь сферическую, цилиндрическую или неправильную (дробленый уголь) форму. Эффективный размер зерен изменяется от 0,4 до 1,7 мм; коэффициент неоднородности - 1,4-2,2; насыпная плотность 0,29-0,69 кг/дм3; удельная поверхность от 650-750 до 1100-1300 м2/г; зольность от 0,2 до 12%. Эти характеристики приводятся в паспортных данных на активные угли. Их не­обходимо учитывать при выборе типа угля и оборудования для его использования.

При очистке воды ГАУ используется в качестве фильтрующей загрузки. Компакт­ная загрузка из ГАУ может выполнять четыре функции: фильтра, биологической среды, катализатора и адсорбента. Использование ГАУ в качестве фильтра должно сводиться к минимуму предварительным фильтрованием воды через более дешевую песчаную за­грузку. Использование загрузки ГАУ в качестве биологической среды обусловлено тем, что развитая поверхность его представляет идеальные условия для роста бактерий, что может способствовать повышению эффективности очистки воды биохимического окис­ления органических веществ. Однако это явление может и затруднять очистку воды, ес­ли биологические процессы не контролируются. При этом могут протекать анаэробные процессы, вызывающие появление запахов и привкусов воды, а также забивание загруз­ки (при ведении процесса в плотном слое).

Каталитические свойства ГАУ

Каталитические свойства ГАУ часто используются при дехлорировании воды, об­работанной избыточными дозами хлора. На глубину дехлорирования воды оказывают влияние температура, величина pH и содержание свободного хлора. В зависимости от этих факторов и от допустимой остаточной концентрации хлора обычно используются нагрузки от 5 до 15 объемов воды на 1 объем ГАУ в час. Каталитическое действие ГАУ используют и для разрушения хлораминов в воде.

Адсорбция органических загрязнений из воды является основной функцией актив­ного угля. Для обеспечения требуемой степени очистки необходимо осуществлять эф­фективный контакт воды с углем, что достигается противоточной схемой движения фаз, когда адсорбционная емкость угля является определяющим фактором экономики про­цесса. Существуют два варианта осуществления процесса адсорбции: на подвижной за­грузке и с неподвижным слоем сорбента.

Подвижная загрузка обеспечивает возможность ведения процесса в условиях про­тивотока воды и угля. Основанием компактной загрузки при этом может служить псевдоожиженный слой, что к тому же облегчает вывод активного угля на регенерацию.

При осуществлении процесса адсорбционной очистки воды на неподвижном слое за­грузки применяют обычно 2-3 стальных напорных фильтра, работающих последовательно.

На некоторых водопроводных станциях ГАУ используется в качестве верхнего фильтрующего слоя двухслойных фильтров. Также использование ГАУ при предвари­тельном перхлорировании воды и хорошем ее осветлении перед подачей на фильтры весьма эффективно для снижения цветности и интенсивности запахов воды.

При использовании ГАУ в стальных напорных фильтрах внутренняя поверхность их корпусов должна покрываться антикоррозионной защитой, так как уголь со сталью образуют гальваническую пару, что усиливает коррозию металла.

Активные угли являются дорогостоящим материалом. Поэтому для длительного их использования уголь должен регенерироваться. Регенерация может осуществляться тре­мя методами: регенерация паром, термическая и химическая регенерация.

Метод регенерации паром

Метод регенерации паром ограничивается условием сорбции из воды легко лету­чих веществ.

Термическая регенерация - наиболее широко используемый метод восстановле­ния сорбционной способности активного угля. Он заключается в пиролизе сорбирован­ных органических веществ и их деструкции при нагреве до 800 °С в многоподовых, вра­щающихся барабанных печах или в печах с псевдоожиженным слоем. Для уменьшения степени выгорания угля нагрев производят в контролируемой атмосфере, при опреде­ленном составе газовой среды. К недостаткам метода можно отнести большие капиталь­ные затраты и большие потери угля - 7-10% за каждый цикл.

Химическая регенерация

Химическая регенерация основана на экстракции сорбированных из воды активным углем органических веществ различными растворителями (экстрагентами). Про­цесс производится при температуре около 100 °С и высоких значениях pH (с введением щелочи). Важными технологическими характеристиками экстрагента являются: темпе­ратура кипения, теплота испарения, образование азеотропных смесей с водой, а также температура вспышки его паров, от чего зависит пожаробезопасность установки.

Использование химической регенерации приводит, однако, к образованию элюатов, из которых необходимо рекуперировать растворители, что осуществляется их дистилля­цией. Кубовые осадки, содержащие извлеченные из воды органические вещества, под­вергаются сжиганию, если их невозможно утилизировать.

В технологии водоподготовки активированный уголь применяется в виде порошка при углевании воды, дробленых или недробленых гранул при фильтровании через угольные фильтры. Для очистки воды от загрязнений применяется сухое дозирование порошковых активированных углей, мокрое дозирование (в виде суспензии), фильтро­вание через взвешенный слой активированного угля, фильтрование в стаци­онарных адсорберах с гранулированным активированным углем, фильтро­вание через комбинированные песчано-угольные фильтры.

Выбор марки адсорбционного материала заключается в подборе параметров его по­ристой структуры в зависимости от размеров молекул адсорбируемых веществ. Например, когда в воде присутствует одно вещество с низкой молекулярной массой (фе­нол, азот аммонийный, азот нитритный), то данные вещества, имеющие относительно низкую молекулярную массу и размер молекул τ = 0,63 нм, лучше всего сорбируются в микропорах (τ< 0,63-0,7 нм) и супермикропорах (0,6-0,7 < х < 1,5-1,6 нм). Для этого случая пригодны активированные угли, имеющие требуемую структуру пор, типа АГ-3 и МАУ-100; когда в воде находятся нефтепродукты, СПАВ, гуминовые кислоты (по от­дельности или смесь), то данные вещества, имеющие более крупные размеры молекул (т > 1,8 нм), лучше всего сорбируются в мезопорах (1,5-1,6< т < 100-200 нм). В этом случае пригодны активированные угли и сорбенты, имеющие требуемую структуру пор, например мезопористый сорбент СГН-30; когда в воде присутствует смесь низко- и вы­сокомолекулярных соединений (нефтепродукты, СПАВ, фенол, азот аммонийный, азот нитритный), то данные вещества, имеющие различные размеры молекул, наиболее пол­но будут сорбироваться на адсорбентах, имеющих хорошо развитую структуру микро- пор и мезопор (таких как АГ-3, МАУ-100).

Для сорбционной очистки воды при постоянном присутствии в воде опасных для здоровья примесей чаще всего проектируют стационарные адсорберы с неподвижным слоем адсорбента.

В качестве загрузки сорбционного фильтра чаще всего применяют гранулирован­ный активированный уголь АГ-3.

Осветлительно-сорбционный фильтр с плавающей загрузкой

1 - трубопровод подачи исходной воды; 2 - осветлительный слой плавающей загрузки; 3- комбинированный осветлительно-сорбционный слой; 4 - система для ввода сорбента; 5 - поддерживающий слой плавающей загруз­ки; 6 - удерживающая решетка; 7 - ввод реа­гентов; 8 - отвод промывной воды

Фильтрование осуществляется при восходящем потоке обрабатываемой воды. Фильтроцикл прекращается, когда начинается «проскок» в фильтрат контролируемого показателя качества воды конисх=1). Средняя продолжительность фильтроцикла обычно составляет 12-14 часов, после чего осуществляется промывка обратным током чистой воды в течение 3-4 мин с интенсивностью 12-15 л/(см2). Плавающая загрузка при промывке расширяется (до 40-50%), зерна адсорбционного материала под действи­ем силы тяжести движутся вниз и через систему запорно-регулирующей арматуры от­водятся из корпуса фильтра в специальную емкость.

В НИИ ВОДГЕО (д.т.н. В.Н. Швецов) разработан биотехнологический метод очистки природных и сточных вод от загрязнений природного и антропогенного характера, получивший название биосорбция. Принцип работы биосорбера заключается в совмещении в пространстве и во времени процессов сорбции загрязнений с их биологическим окислением.

Механизм этого процесса протекает через стадии: адсорбция загрязнений из воды в микропористой структуре сорбента, биохимическая модификация адсорбированных трудноокисляемых веществ в биоразлагаемую форму экзоферментами, иммобилизован­ными в этой же структуре, десорбцию биоразлагаемых модифицированных продуктов на поверхность частиц сорбента, биологическое окисление биоразлагаемых продуктов микроорганизмами биопленки на поверхности частиц сорбента. Этот процесс обеспе­чивает постоянную биологическую регенерацию сорбента и частично исключает необ­ходимость его периодической термической регенерации или замены.

Использование биосорберов на начальной или финишной стадиях очистки позво­ляет снизить уровень природных загрязнений и удалить такие специфические загрязне­ния из воды, как нефтепродукты, СПАВ, хлорорганические и фосфорорганические со­единения. Одним из ограничивающих параметров применения биосорберов для очист­ки природных вод является мутность поступающей из них воды (более 30-50 мг/л).

Конструктивно биосорберы представляют собой одну или несколько вертикальных колонн, снабженных водосборной и водораспределительными система­ми. Водораспределительная система биосорбера соединена с аэрационной колонной. В зависимости от местных условий биосорбер может работать как однопроходное со­оружение или может быть снабжен циркуляционным контуром с насосом.

Принципиальная схема биосорбера

1 - биосорбер, 2 - аэрационная ка­мера; 3 - отвод очищенной воды; 4 - циркуляционный насос.

Очищаемая вода поступает в аэрационную камеру 2, где происходит ее насыщение кислородом воздуха, затем поток жидкости поступает в нижнюю водораспределитель­ную систему биосорбера 1, равномерно распределяется по площади сооружения и под­нимается вверх со скоростью, обеспечивающей псевдоожижение загрузочного материа­ла. Это создает оптимальные условия для интенсивного протекания процессов развития иммобилизованных микроорганизмов и биологического окисления органических за­грязнений. Развитая поверхность гранулированного активированного угля способству­ет увеличению биомассы микроорганизмов в сооружении, что, в свою очередь, обеспе­чивает высокую производительность установки и стабильность работы. Время обработ­ки воды на биосорберах составляет 15-25 минут.

Пройдя сквозь взвешенный слой, поток жидкости достигает водосборного устрой­ства, собирается с поверхности сооружения и отводится (в зависимости от местных ус­ловий) к циркуляционному насосу или на последующие стадии очистки.

Перспективным является применение биосорберов большой высоты, что позволя­ет отказаться от необходимости использования циркуляционных насосов. В этом случае биосорберы, установленные в голове существующих сооружений водоподготовки, ра­ботают без рециркуляции.

Основу технологического расчета биосорбера составляет определение требуемого количества активированного угля угля), т, на базе экспериментально определенной удельной скорости окисления по заданным лимитирующим показателям (окисляемость, азот аммонийный или другие лимитирующие компоненты) в зависимости от требова­ний, предъявляемых к качеству очищенной воды.

Pугля=(Lex-Len)*Q/(r*1000)

где Q- расход сточных вод, м3/ч; r - удельная скорость окисления, определяется экспе­риментально, мг/г угля в сут; Lex - концентрация загрязнений (окисляемость, азота ам­монийного и др. специфических компонентов) в исходной воде, мг/л; Len - концентра­ция загрязнений (окисляемость азота аммонийного и других специфических компонен­тов) в очищенной воде, мг/л.

С учетом этих данных определяются основные конструктивные параметры соору­жения (объем, высота, площадь реактора).

Основным условием эффективного протекания биосорбционных процессов являет­ся хороший массообмен, который обеспечивается созданием однородного, устойчивого псевдоожиженного слоя загрузки. Качественной характеристикой псевдоожиженного слоя является его степень расширения. Результаты исследований, проведенных в НИИ ВОДГЕО, показали, что оптимальная степень расширения слоя угля составляет 40-45%. Зная степень расширения и выбрав марку применяемого типа угля, определяют ско­рость восходящего потока. Количество угля, скорость потока и его степень расширения являются исходными расчета высоты и диаметра биосорбционной колонны. Конструк­ция аэрационной противоточной колонны рассчитывается исходя из потерь напора в биосорбционной колонне и скорости противотока (нисходящее движение воды), прини­маемой 0,1м/с. Потери напора в биосорбционной колонне складываются из потерь на­пора в слое угля и общих потерь напора в узлах сооружения.

Применение биосорберов позволяет:

  • получить гарантированное качество очистки как от традиционных загрязнений (окисляемость, цветность и др.), так и специфических (нефтепродукты, хлорорганичес- кие и фосфорорганические вещества, в том числе железо, марганец);
  • обезопасить очистные сооружения и потребителя в моменты залповых поступле­ний различных видов токсичных и канцерогенных веществ;
  • снизить нагрузку на сооружения водоподготовки в паводковый период;
  • уменьшить расход реагентов, используемых на последующих стадиях обработки;
  • снизить расход хлорсодержащего реагента, используемого на стадии обеззараживания.

Вернуться к списку

ПОСЛЕДНИЕ СТАТЬИ

Искрогаситель ИГС-55
Искрогаситель ИГС-115
Искрогаситель ИГС-45 
Искрогаситель ИГС-120
Искрогаситель ИГС-65
Искрогаситель ИГС-130
Искрогаситель ИГС-80
Искрогасители на дымоход
Сильфонный компенсатор ГОСТ
Уровнемеры для резервуаров
Уровнемеры для емкостей
Подбор сильфонных компенсаторов
Установка сильфонных компенсаторов
Предварительная растяжка сильфонных компенсаторов
Производство сильфонных компенсаторов