способ очистки кислых шахтных и технологических сточных вод и установка для его реализации

Формула изобретения

1. Способ очистки кислых шахтных и технологических сточных вод, включающий подачу кислых шахтных или технологических сточных вод и углеродсодержащего сорбента в натрий-форме в рабочую емкость, перемешивание полученной смеси до ее нейтрализации, разделение прореагировавшей смеси на твердую и жидкую фазы, утилизацию твердой фазы и использование очищенной жидкой фазы в качестве оборотной технологической воды, отличающийся тем, что углеродсодержащий сорбент в натрий-форме получают путем перемешивания и выдержки смеси, включающей бурый уголь, гидроксид натрия и оборотную технологическую воду, в реакторах с мешалками, а прореагировавшую смесь перед разделением на твердую и жидкую фазы выводят из рабочей емкости непрерывно.

2. Установка для очистки кислых шахтных и технологических сточных вод, включающая загрузочное устройство с бункерами и дозаторами, рабочую емкость с перемешивающим устройством, соединенный с ней блок разделения с установленным в нем фильтрующим устройством и мерную емкость, отличающаяся тем, что она снабжена соединенным с загрузочным устройством и рабочей емкостью устройством получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, выполненным в виде соединенных между собой реакторов с мешалками, и центрифугой, размещенной в блоке разделения, при этом мерная емкость соединена с блоком разделения и с устройством получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, а рабочая емкость выполнена в виде реактора, соединенного с реакторами устройства получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме.

Описание изобретения к патенту

Настоящая группа изобретений относится к обработке промышленных сточных вод, в частности к нейтрализации и очистке кислых шахтных и технологических сточных вод от тяжелых металлов и органических примесей.

Количество сточных и сбросных вод, в том числе содержащих вредные неорганические и органические соединения, возрастает из года в год. Сброс кислых шахтных или рудничных вод, а также кислых технологических сточных вод многих производств, содержащих минеральные кислоты и катионы металлов, в том числе тяжелых и радиоактивных в природные водоемы, приводит к тяжелым нарушениям гидробиологического режима водоемов, токсичность этих металлов по отношению к живым организмам чрезвычайно высока.

Известен способ очистки технологического раствора, загрязненного красителями и тяжелыми металлами, описанный в патенте РФ №2220101, опубл. 27.12.2003, в котором загрязненный красителями и тяжелыми металлами технологический раствор смешивают с растворимой натрий-формой углеродсодержащего сорбента (с углеродсодержащим сорбентом в натрий-форме) до ее нейтрализации, разделяют прореагировавшую смесь на твердую и жидкую фазы, утилизируют твердую фазу и используют очищенную жидкую фазу в качестве оборотной технологической воды (патент РФ №2220101, опубл. 27.12.2003).

Недостатком данного способа является его ограниченное предназначение - использование для выделения красителей и тяжелых металлов из технологических растворов непосредственно в месте их образования, невозможность обеспечить непрерывность очистки и, как следствие, малая производительность.

В основу изобретения положена задача - разработать способ нейтрализации и очистки кислых шахтных и технологических сточных вод, выделения из них тяжелых металлов и органических примесей с применением природного углеродсодержащего сорбента - его растворимой натрий-формы.

Задача решается тем, что способ очистки кислых шахтных и технологических сточных вод включает подачу в рабочую емкость кислых шахтных или технологических сточных вод и углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, перемешивание полученной смеси до ее нейтрализации, разделение прореагировавшей смеси на твердую и жидкую фазы, утилизацию твердой фазы и использование очищенной жидкой фазы в качестве оборотной технологической воды, причем углеродсодержащий сорбент в натрий-форме получают путем перемешивания и выдержки смеси, включающей бурый уголь, гидроксид натрия и оборотную технологическую воду, в реакторах с мешалками, а прореагировавшую смесь сточных вод углеродсодержащего сорбента перед разделением на твердую и жидкую фазы выводят из рабочей емкости непрерывно.

Признак получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме путем перемешивания и выдержки смеси, включающей бурый уголь, гидроксид натрия и оборотную технологическую воду, в реакторах с мешалками позволяет вести непрерывно процесс очистки кислых шахтных и технологических сточных вод в промышленных объемах, а совместно с признаком, касающимся непрерывного выведения из рабочей емкости прореагировавшей смеси перед разделением ее на твердую и жидкую фазы, позволяет обеспечить высокую производительность очистки кислых шахтных и технологических сточных вод.

Данный способ основывается на том, что переход катионов металлов в нерастворимую форму (в виде нерастворимых солей, гидроксидов и/или гидроксокомплексов металлов) происходит одновременно со стадией сорбции.

Нерастворимые соли металлов углеродсодержащего сорбента образуются непосредственно в процессе нейтрализации и выделения металлов из кислых шахтных и технологических сточных вод путем осаждения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме (растворимой щелочной) при интенсивном перемешивании. Выделение сорбента проводят фильтрованием и центрифугированием, отработанный углеродсодержащий сорбент, содержащий металлы, направляют на стадию термического окисления, а маточный раствор (очищенные кислые шахтные и технологические сточные воды) после фильтрования используют как оборотную технологическую воду при приготовлении углеродсодержащего сорбента.

Наиболее близкой к заявленной установке является установка для выделения красителей и/или тяжелых металлов из технологического раствора по патенту РФ №2220101, опубл. 27.12.2003, которая включает загрузочное устройство с бункерами и дозаторами, соединенное с рабочей емкостью, включающей перемешивающее устройство и сливные патрубки, соединенные с рабочей емкостью входной патрубок, служащий для ввода технологического раствора, сливную секцию (блок разделения) с установленным в ней фильтрующим устройством и кольцевые сборники (мерную емкость) с выходными патрубками.

Недостатком известной установки является ее предназначение только для локальной очистки технологического раствора от красителей и тяжелых металлов, отсюда ее секционная конструкция и, как следствие, невысокая производительность.

В основу изобретения положена задача - разработать высокопроизводительную установку для непрерывной очистки кислых шахтных и технологических сточных вод от тяжелых металлов и органических примесей.

Задача решается тем, что предлагаемая установка для очистки кислых шахтных и технологических сточных вод включает загрузочное устройство с бункерами и дозаторами, рабочую емкость, включающую перемешивающее устройство, соединенный с ней блок разделения с установленным в нем фильтрующим устройством и мерную емкость, причем установка снабжена соединенным с загрузочным устройством и рабочей емкостью устройством получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, выполненным в виде соединенных между собой реакторов с мешалками, и центрифугой, размещенной в блоке разделения, при этом мерная емкость соединена с блоком разделения и с устройством получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, а рабочая емкость выполнена в виде реактора, соединенного с реакторами устройства получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме.

Признак, касающийся введения в установку устройства получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, соединенного с загрузочным устройством и рабочей емкостью, позволяет предварительно получать порции углеродсодержащего сорбента в натрий-форме через заданные промежутки времени, определенные опытным путем. А выполнение его в виде соединенных между собой реакторов с мешалками обеспечивает непрерывность подачи полученных порций углеродсодержащего сорбента в натрий-форме в рабочую емкость, т.к. реакторы работают парами и пока в одну пару подают реакционную смесь, включающую бурый уголь, гидроксид натрия и оборотную технологическую воду, в другой паре реакторов эту смесь перемешивают и выдерживают в течение заданного времени, определенного опытным путем, например 30 минут, а после окончания выдержки полученный углеродсодержащий сорбент в натрий-форме с помощью дозирующих насосов направляют в реактор рабочей емкости. Этот цикл повторяют непрерывно.

Размещение центрифуги в блоке разделения дополнительно к вакуум-фильтру позволяет обеспечить снижение влажности твердой фазы (отработанного углеродсодержащего сорбента) и достичь ее значения менее 30%, что важно для утилизации отработанного сорбента методом термического окисления.

Выполнение рабочей емкости в виде реактора с перемешивающим устройством, соединенного с реакторами устройства получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, непрерывно подаваемого в рабочую емкость, позволяет непрерывно выводить из реактора прореагировавшую смесь, обеспечивая непрерывность технологического процесса очистки кислых шахтных и технологических сточных вод.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид установки для очистки кислых шахтных и технологических сточных вод.

Установка включает загрузочное устройство подготовки сырья для получения углеродсодержащего сорбента с бункером 1, являющимся накопителем измельченного бурого угля, и дозатором 2. Загрузочное устройство также включает накапливающий твердый гидроксид натрия бункер 3 с дозатором 4. Дозаторы 2 и 4 выполнены в виде шлюзовых питателей.

Загрузочное устройство через шлюзовые питатели 2 и 4 соединено с устройством получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме, выполненным в виде соединенных между собой 4-6 эмалированных реакторов 5 с мешалками, которое, в свою очередь, через дозирующие насосы 6 и 7 соединено с рабочей емкостью, выполненной в виде реакторов 8 непрерывного действия с перемешивающим устройством, в которых происходит очистка и нейтрализация кислой шахтной воды и технологических сточных вод. Предусмотрен вариант установки с использованием в качестве сырья раствора гидроксида натрия, который может направляться в реакторы 5 устройства получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме из дополнительного бункера 9.

Реакторы 8 рабочей емкости через насос 10 соединены с емкостью 11, наполняемой кислыми шахтными или технологическими сточными водами. В зависимости от производительности очистки рабочая емкость может быть выполнена в виде одного или нескольких реакторов с перемешивающим устройством. Для увеличения производительности очистки обычно ставят два реактора с перемешивающими устройствами.

Реакторы 8 рабочей емкости через промежуточную емкость 12 соединены с блоком разделения 13, который, для разделения твердой и жидкой фаз, содержит центрифугу 14, соединенную с ней емкость 15, с которой через насос 16 соединено фильтрующее устройство в виде вакуум-фильтра 17. Через вакуум-фильтр 17 блок разделения 13 соединен с емкостью 18 для очищенной воды, которая через насос 19 соединена с мерной емкостью 20. Вакуум-фильтр 17 также соединен с бункером 21, где накапливается отделенный твердый остаток, который затем поступает на сжигание в котлоагрегат 22 с топкой кипящего слоя для утилизации твердого осадка методом термического окисления. Бункер 23 предназначен для твердого теплоносителя. Котлоагрегат 22 соединен с системой циклонов 24 для улавливания золы в бункер 25.

Изобретение реализуют следующим образом. Измельченный бурый уголь (фракция 0-10 мм) подают в бункер 1 загрузочного устройства, откуда с помощью шлюзового питателя 2 направляют реакторы 5, в которых получают углеродсодержащий сорбент в натрий-форме. В эти же реакторы из бункера 3 с помощью шлюзового питателя 4 подают необходимое количество твердого гидроксида натрия. Предусмотрен и вариант с использованием в качестве сырья раствора гидроксида натрия, который может направляться в реакторы из дополнительной емкости 9. Вода, используемая на этой стадии процесса, является оборотной очищенной шахтной или технологической водой и поступает в реакторы 5 из мерной емкости 20.

Смесь (реакционную массу), включающую бурый уголь, гидроксид натрия и оборотную технологическую воду, перемешивают в реакторах 5 в течение 30 минут. После окончания выдержки полученный углеродсодержащий сорбент с помощью дозирующих насосов 6 и 7 направляют в реакторы 8 рабочей емкости, куда одновременно из емкости 11 через насос 10 поступают предназначенные для очистки кислые шахтные или технологические сточные воды. В этих реакторах они очищаются от токсичных компонентов, которые при взаимодействии с углеродсодержащим сорбентом в натрий-форме выпадают в осадок. Прореагировавшая смесь непрерывно выводится из реакторов 8, проходит промежуточную емкость 12 и оттуда поступает для разделения твердой и жидкой фаз на центрифугу 14 блока разделения 13. Фугат, представляющий собой воду с небольшим количеством взвеси тонкодисперсных твердых частиц, направляют в емкость 15 блока разделения 13 и с помощью насоса 16 подают на вакуум-фильтр 17, где завершается отделение осадка. Из вакуум-фильтра 17 часть очищенной воды поступает в емкость 18, откуда по мере необходимости ее закачивают в мерную емкость 20 с помощью насоса 19 для использования в устройстве получения углеродсодержащего сорбента в натрий-форме. Основное количество воды сбрасывается в водоем. Твердый остаток, отделенный на центрифуге 14 и вакуум-фильтре 17, поступает в бункер 21, откуда направляется на сжигание в котлоагрегат 22 с топкой кипящего слоя. Твердый теплоноситель направляется в котлоагрегат 22 из бункера 23. Продукты сгорания проходят систему циклонов 24, где улавливается зола, которая собирается в бункере 25.

Изобретение опробовано в шахтных условиях при очистке кислых шахтных вод, имеющих рН 2,7-3.

Для очистки шахтных вод Кизеловского бассейна были испытаны шесть углеродсодержащих сорбентов, полученных из бурых углей Березовского месторождения, Канско-Ачинского бассейна и Тюльганского месторождения Южно-Уральского бассейна. Испытания по очистке воды с помощью углеродсодержащего сорбентов проводил на шахтных водах шахты «Центральная» ПО "Челябинскуголь».

В примере №1 в качестве углеродсодержащего сорбента использован щелочной экстракт (раствор гуматов) бурого угля (А ^d - 7%) Березовского месторождения, отделенный от твердого остатка. В примере №2 использована суспензия угля Березовского месторождения в растворе щелочи. В примерах №3 и №4 использована суспензия бурого угля (А^d - 4,9%) Тюльганского месторождения и отсева бурого угля Тюльганского месторождения с повышенной зольностью (А^d - 22,6%), соответственно аналогично примеру №2. В примерах №5 и №6 использована суспензия углей с большим количеством угля.

Испытания по очистке воды с помощью гель-сорбентов проводили на двух партиях шахтных вод шахты «Центральная» ПО "Челябинскуголь"

Полученные результаты представлены в виде таблиц.

Результаты очистки шахтной воды от катионов металлов растворимой натрий-формой углеродсодержащего сорбента представлены в таблице 1.

Таблица 1
№ п/п		Элемент	Исходная вода	Пример-1		Пример-2		Пример-3		Пример-4		ДК, мг/л
			Концентрация, мг/л	Концентрация, мг/л	Степень извлечения, %	Концентрация, мг/л	Степень извлечения, %	Концентрация, мг/л	Степень извлечения, %	Концентрация, мг/л	Степень извлечения, %
1		Mg	318,7	16,5	95	49,3	85	8,2	97	8,2	97
2		Al	233,4	0,04	100	0,49	100	0,6	10	1,3	99	0,5
3		V	0,04	0	100	0	100	0	100	0	100	0,1
4		Cr	0,03	0	100	0	100	0,02	33	0,02	33	0,5
5		Mn	54,5	0,06	100	0,06	100	0,02	100	0	100	0,1
6		Fe	3786	0,2	100	0,20	100	0,19	100	0,08	100	0,3
7		Co	1,7	0	100	0	100	0	100	0	100	0,1
8		Ni	27,1	0	100	0	100	0	100	0,07	100	0,1
9		Cu	0,06	0,03	50	0,04	33	0	100	0,01	83	1,0
10		Zn	1,19	0,13	89	0	100	0	100	0,02	98	5,0
11		Y	1,22	0	100	0	100	0	100	0	100
12		Zr	0,03	0	100	0	100	0	100	0	100
13		Yb	0,12	0	100	0	100	0	100	0	100
14	Th		0,08	0	100	0	100	0	100	0	100
15	U		0,08	0	100	0	100	0	100	0	100

Содержание металлов в смесях определяли методом масс-спектрометрии для элементного и изотопного анализа с ионизацией в индуктивно связанной плазме на приборе - PlasmaQuad.

Состав шахтной воды до и после очистки растворимой натрий-формой углеродсодержащего сорбента представлены в таблице 2.

Таблица 2
№ п/п	Номенклатура показателей, единицы измерений	Исходная шахтная вода	Пример-5	Пример-6
1	Сульфаты, мг/л	5917	5038	4344
2	Общая жесткость мг-экв/л	3396,4	36,96	39,71
3	Железо общее, мг/л	5773	0,67	0,37
4	Алюминий, мг/л	319	0,78	0,23

Результаты очистки воды от нефтяных примесей и тяжелых металлов растворимой натрий-формой углеродсодержащего сорбента представлены в таблице 3.

Таблица 3
Вода	солярка	Al	Mn	Co	Ni	Zn	Pb	Y	U
Концентрация, мг/л
Исходная	25	233,4	54,5	1,7	27,1	1,19	9,35	1,22	0,08
После очистки	2	0,04	0,06	0	0	0,13	0	0	0

Изобретение позволяет производить очистку больших объемов промышленных сточных вод с высокой скоростью путем введения в кислые шахтные или технологические сточные воды углеродсодержащего сорбента в натрий-форме при интенсивном перемешивании. В результате нейтрализации этих вод образуется нерастворимый осадок с одновременной сорбцией тяжелых металлов и/или органических примесей, который отделяется в составе отработанного сорбента от очищенного раствора путем фильтрования и центрифугирования.

Образовавшийся осадок после его накопления направляется непосредственно или после подсушивания на сжигание в теплоэнергетических установках предприятия. В ходе сжигания происходит полная минерализация.

Твердый остаток (шлам, влажность - 30%) целесообразно шихтовать с исходным углем в соотношении 3:1. Полученная смесь характеризуется теплотой сгорания на рабочую массу ˜2000 ккал/кг и представляет собой высокозольное топливо для сжигания. Образовавшиеся при этом золошлаковые остатки в зависимости от их состава могут складироваться, либо отправляться на дальнейшую переработку.

Изобретение позволяет проводить очистку и снижать жесткость воды, эффективно выделять как тяжелые и радиоактивные металлы, так и нефтепродукты и красители при достижении высокой степени очистки (˜70-100%), что расширяет технологические возможности изобретения, а также позволяет возвращать очищенную воду на технологические нужды, что снижает сброс технологических сточных вод в водоемы.

Использование природного углеродсодержащего сорбента позволяет значительно сократить время процесса очистки воды при высокой степени очистки и получить осадок с относительно низкой влажностью <30%, содержащий катионы металлов и органическую часть. Указанные свойства отработанного сорбента дают возможность проводить его утилизацию методом термического окисления, что значительно снижает площадь очистных сооружений.