способ очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства
Классы МПК: | C02F1/52 флоккуляцией или осаждением взвешенных загрязнений |
Автор(ы): | Рослякова Нина Григорьевна (RU), Вешт Эдуард Геннадьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Рослякова Нина Григорьевна (RU), Вешт Эдуард Геннадьевич (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-04-19 публикация патента:
20.09.2006 |
Изобретение относится к технологии очистки сточных вод, загрязненных взвешенными каменными частицами, и обеспечивает получение продукта, который может быть использован в качестве коагулянта. В способе очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства, включающем коагуляцию и осаждение взвешенных веществ, извлекают часть отстоявшегося каменного шлама, смешивают его с фосфорной кислотой и/или ее растворимыми солями из расчета 5-10 кг на 100 л каменного шлама, выдерживают смесь до прекращения газовыделения и вводят полученный продукт в очищаемую воду в количестве 1-3 мл на 1 л очищаемой воды. В результате увеличивается скорость осаждения взвешенных каменных частиц в процессе очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства, упрощается и удешевляется этот процесс. 2 табл.
Формула изобретения
Способ очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства, включающий коагуляцию и осаждение взвешенных веществ, отличающийся тем, что извлекают часть отстоявшегося каменного шлама, смешивают его с фосфорной кислотой из расчета 5-10 кг на 100 л каменного шлама, выдерживают смесь до прекращения газовыделения и вводят полученный продукт в очищаемую воду в количестве 1-3 мл на 1 л очищаемой воды.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии очистки сточных вод, загрязненных взвешенными каменными частицами.
Известен способ очистки вод, загрязненных неорганическими веществами, путем внесения сорбента, флокулянта, коагулянта и минерального замутнителя; в качестве сорбента и минерального замутнителя вносят смесь гидролизованных грубо- и тонкодисперсных алюмосиликатов в соотношении между ними 1:1-2:1 в количестве 20-900 мг/л, в качестве флокулянта вносят коллоидно-дисперсные алюмосиликаты в количестве 1-100 мг/л, а в качестве коагулянта вносят композицию молекулярно-дисперсных гидроксидов алюминия, кремния, железа, титана, кальция, магния в суммарном количестве 1-80 мг/л, RU 2143403.
Данный способ довольно сложен, поскольку требует наряду с внесением коагулянта также внесение флокулянта, сорбента и минерального замутнителя. Применяемая в качестве коагулянта композиция молекулярно-дисперсных гидроксидов алюминия, кремния, железа, титана, кальция, магния является весьма дорогостоящей и трудноосуществимой.
Известен способ очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства, включающий коагуляцию и осаждение взвешенных веществ.
Согласно этому способу, принятому за прототип настоящего изобретения, в загрязненную воду вводят коагулянт в виде Al2(SO 4)3 и флокулянт (полиакриламид), см. СНиП 20402-84 (копия ссылки прилагается).
Основным недостатком этого способа является малая скорость осаждения взвешенных веществ, представляющих собой мелкодисперсные каменные частицы.
Обрабатываемые камни имеют сложный химический и минералогический состав и представляют собой труднорастворимые соединения алюминия, кальция, титана, железа, кремнезема и других элементов («Химическая энциклопедия», М., 1961, T.1, c.c.847-852, 888-894).
Каждая частица - осколок разрушенного камня - имеет на своей поверхности гидратные, карбонатные поверхностные соединения Al(ОН)3 , Fe(ОН)3, SiO2·nH2О и гидроксильные и карбоксильные группы:
Коагулирующим агентом в способе-прототипе является Al(ОН)3, который образуется при гидролизе Al2 (SO4)3. Однако скорость этого гидролиза чрезвычайно мала и, соответственно, мала скорость осаждения взвешенных каменных частиц. Для ускорения этого процесса в способе-прототипе дополнительно используют флокулянт-полиакриламид. Кроме того, способ-прототип требует постоянного введения новых порций реагентов - Al2(SO4)3 и полиакриламида.
Это существенно удорожает и усложняет процесс, но, тем не менее, не обеспечивает скорости осаждения взвешенных каменных частиц, достаточной для создания замкнутого водооборотного цикла.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи увеличения скорости осаждения взвешенных каменных частиц в процессе очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства, упрощения и удешевления этого процесса.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в способе очистки сточных вод, загрязненных отходами камнерезного производства, включающем коагуляцию и осаждение взвешенных веществ, извлекают часть отстоявшегося каменного шлама, смешивают его с фосфорной кислотой из расчета 5-10 кг на 100 л каменного шлама, выдерживают смесь до прекращения газовыделения и вводят полученный продукт в очищаемую воду в количестве 1-3 мл на 1 л очищаемой воды.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Обработка каменного шлама фосфорнокислыми ингредиентами приводит к разложению карбонатных и гидроксидных поверхностных соединений и замене функциональных групп на фосфорнокислые.
Происходящие при этом процессы могут быть представлены следующими схемами:
1. 3СаСО 3+2Н3PO4 Са3(PO4)2
+CO2
+Н2О
2. Al(ОН)3+Н3 PO4
AlPO4+3Н2O
3. Fe(ОН)3 +Н3PO4
FePO4+3H2O
4. 3Mg(OH)2 +2Н3PO4 Mg3(PO4)2+3Н2 O
Поверхностные =SiOH, =FeOH, -CaOH и другие гидроксильные группы замещаются на фосфорнокислые (=РО4) функциональные группы.
Новые модифицированные частицы в результате хемосорбционных превращений имеют измененный химический состав поверхности, так как образуются поверхностные соединения: фосфаты кальция, железа, алюминия и других элементов.
Принятые условия реализации способа (комнатная температура, атмосферное давление, рН=2,5-5) позволяют сохранить минералогическую структуру каменных наночастиц.
Получаемые частицы отличаются от взвешенных частиц каменного шлама наличием фосфатных функциональных групп на их поверхности и подобны им по строению. В таком случае в соответствии с принципом Ле Шателье система стремится к интенсивной коагуляции взвешенных частиц, быстрому осаждению и уплотнению осадка.
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Заявленный способ позволяет с большой скоростью очищать воду, загрязненную отходами камнерезного производства; при этом вместо дорогостоящих коагулянтов и флокулянтов используются сами эти отходы и весьма дешевая фосфорная кислота. Полученный в результате очистки воды продукт может быть успешно утилизирован:
- в качестве коагулянта для дальнейшей очистки сточных вод от ряда загрязнителей;
- в качестве сорбента для очистки почвы от соединений тяжелых металлов;
- в качестве ингредиента огнезащитных покрытий.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
Пример 1. Получение продукта из каменного шлама (коагулянта).
В два параллельных горизонтальных отстойника общей емкостью 250 м3 была залита сточная вода, загрязненная отходами камнерезного производства, содержащая 2000 мг/л взвешенных веществ в пересчете на сухое вещество с размерами частиц 1-60 нм.
Первичное осаждение осуществляли в течение 24 часов. В бочку емкостью 200 л поместили 100 л каменного шлама, добавили при периодическом перемешивании 5 кг концентрированной фосфорной кислоты, и выдерживали смесь до полного прекращения газовыделения (48 часов). В результате осажденный каменный шлам имеет следующий химический состав (в мас.%): SiO2 - 26%, Al2 O3 - 28%, Fe2О3 - 8%, MgO - 22%, CaO - 0,2%, остальное - структурная вода и интермицеллярная жидкость, имеющая рН=5, плотность 1,4 г/см3.
После взаимодействия с фосфорной кислотой на поверхности первичных нанометрических частиц каменного шлама образовались фосфорнокислые поверхностные соединения (FePO4, AlPO4, Са(PO4)2 и др.), а поверхностные =Si-OH, =FeOH, -CaOH и другие гидроксильные группы нанометрических первичных частиц замещены при этом на фосфорнокислые (=PO4) функциональные группы.
Пример 2.
То же, что в примере 1, но к 100 л отстоявшегося каменного шлама добавили 7 кг концентрированной фосфорной кислоты. После периодического перемешивания в течение 24 час получили продукт с плотностью 1,4 г/см3 и рН=3.
Пример 3.
То же, что в примере 1, но к 100 л каменного шлама добавили 10 кг концентрированной фосфорной кислоты. Через 24 часа получали продукт с плотностью 1,35 г/см3, рН=2,5.
Пример 4.
То же, что в примере 1, но к 100 л каменного шлама добавили 3 кг концентрированной фосфорной кислоты. Получили продукт с плотностью 1,3 г/см3 и рН=8.
Пример 5.
То же, что в примере 1, но к 100 л каменного шлама добавили 15 кг концентрированной фосфорной кислоты. Плотность полученного продукта 1,4 г/см3, рН=1,5.
Полученные продукты (примеры 1-5) существенно отличаются величиной рН; они затем были использованы в качестве коагулянтов для осветления сточной воды камнерезного производства. Результаты экспериментов по осветлению воды приведены ниже.
Примеры 6-30. Осветление сточной воды.
Осуществлено 25 экспериментов по осветлению сточной воды камнерезного производства с исходной концентрацией взвешенных веществ во всех экспериментах 2000 мг/л продуктами, полученными из каменного шлама (коагулянтами) в соответствии с примерами 1-5. Коагулянты при этом имели градацию рН от 1,5 до 8. Коагулянт с каждым значением рН вводился в очищаемую воду в объеме от 0,5 до 6,0 мл на 1 л очищаемой воды (примеры 6-30). Эксперименты осуществлялись в вертикальном отстойнике емкостью 15 м3, в котором помещалось по 10 м3 очищаемой воды. Концентрация взвешенных веществ до и после осветления воды определялась гравиметрическим методом в соответствии с методикой ПНД 14.1.2.110-97. Скорость осаждения взвешенных частиц определялась путем линейных измерений перемещения фронта осаждаемых частиц. При определении концентрации и скорости осаждения взвешенных веществ в воде в каждом примере для повышения точности результатов осуществлялось 3 измерения и в таблицу 1 занесены средние значения результатов этих измерений.
Таблица 1 | ||||
рН коагулянта | № примера | Объем коагулянта (мл) на 1 л очищаемой воды | Среднее значение концентрации взвешенных веществ в воде после осветления (мг/г) | Скорость осаждения взвешенных веществ в воде (см/мин) |
5 (по примеру 1) | 6 | 0,5 | 180 | 0,1 |
7 | 1,0 | 11 | 2 | |
8 | 2,0 | 6 | 6 | |
9 | 3,0 | 5 | 10 | |
10 | 6,0 | 5 | 10 | |
3 (по примеру 2) | 11 | 0,5 | 160 | 0,2 |
12 | 1,0 | 10 | 3 | |
13 | 2,0 | 5 | 7 | |
14 | 3,0 | 4 | 11 | |
15 | 6,0 | 4 | 11 | |
2,5 (по примеру 3) | 16 | 0,5 | 150 | 0,25 |
17 | 1,0 | 9 | 3,5 | |
18 | 2,0 | 4,5 | 7,5 | |
19 | 3,0 | 4 | 12 | |
20 | 6,0 | 4 | 12 | |
8 (по примеру 3) | 21 | 0,5 | 250 | 0,05 |
22 | 1,0 | 140 | 0,08 | |
23 | 2,0 | 110 | 0,1 | |
24 | 3,0 | 90 | 0,1 | |
25 | 6,0 | 70 | 0,15 | |
1,5 (по примеру 5) | 26 | 0,5 | 150 | 0,25 |
27 | 1,0 | 9 | 3,5 | |
28 | 2,0 | 4 | 12 | |
29 | 3,0 | 4 | 12 | |
30 | 6,0 | 4 | 12 |
Анализ приведенных в таблице 1 результатов показывает, что оптимальные границы значений массы вводимой на 100 л каменного шлама концентрированной фосфорной кислоты лежат в пределах от 5 до 10 кг, что соответствует диапазону рН получаемого коагулянта 5-2,5. При рН свыше 5 (примеры 21-25, рН=8) концентрация взвешенных веществ в воде после осветления недопустимо высокая, а скорость их осаждения весьма низкая. При рН менее 2,5 (пример 26-30, рН=1,5) расход H3PO4 неоправданно высок (15 кг на 100 л), а количественные параметры осаждения взвешенных частиц практически те же, что и при расходе H 3PO4 10 кг на 100 л (рН=2,5).
Из таблицы 1 также видно, что оптимальные границы объема вводимого в очищаемую воду продукта оставляют от 1 до 3 мл на 1 л воды.
Пример 31.
Обработка почвы, загрязненной соединениями свинца, была проведена вторичным продуктом, полученным в результате осаждения взвешенных частиц в соответствии с заявляемым способом.
Добавление продукта в почву и испытание (количественное определение общего свинца и его подвижны форм) было выполнено по методам испытаний РД 52.18.191.89 и ПНД ф. 16.4-97.
Результаты экспериментов.
До обработки почвы общее содержание свинца составляло 108,9 мг/кг. Содержание подвижных форм - 25,2 мг/кг. После обработки почвы продуктом содержание подвижных форм свинца - 0,6 мг/г, т.е. достигнуто уменьшение в 40 раз.
Пример 32.
Для очистки сточных вод, загрязненных неорганическими веществами, в пробу, содержащую водорастворимые соединения меди, никеля, кадмия, свинца, железа вводили тот же продукт, что и в примере 31 из расчета 20-200 мг на 1 л очищаемой воды.
Пробу встряхивали в течение 2-3 мин, отстаивали в течение 1 часа и определяли содержание этих веществ до и после контакта.
Концентрации загрязнителей до и после очистки воды приведены в таблице 2.
Таблица 2 | |||
Исходная концентрация загрязнителей | Концентрация загрязнителей после очистки | Степень очистки | |
Элемент-загрязнитель | Сисх мг/л | Сост мг/л | % |
Cu 2+ | 1,95 | 0,002 | 99,8 |
Ni 2+ | 0,96 | 0,01 | 98,8 |
Cd 2+ | 0,01 | 0,001 | 90,0 |
Pb 2+ | 0,14 | <0,001 | 96,0 |
Fe 3+ | 0,73 | 0,01 | 98,3 |
Способ может быть реализован с использованием несложного оборудования, имеющегося на каждом камнеообрабатывающем предприятии, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».
Класс C02F1/52 флоккуляцией или осаждением взвешенных загрязнений