Спосіб нейтралізації кислих та лужних водних стоків та установка для його здійснення

1. Спосіб нейтралізації кислих та лужних водних стоків в установці, що містить бакнейтралізатор з циркуляційним контуром, до складу якого входять гідродинамічний кавітаційний реактор, при якому кислі та лужні стоки накопичують в баці-нейтралізаторі, звідки їх подають на змішування до гідродинамічного кавітаційного реактора, після чого повертають до бака-нейтралізатора, де здійснюють вимірювання рН водного середовища, і, в залежності від величини рН, стоки видаляють з баканейтралізатора або піддають повторній обробці в C2 2 81656 1 3 81656 обладнання з точки зору енерговитрат та ресурсу техніки. Операції перемішування при обробці водного середовища хімічними нейтралізаторами широко відомі з рівня техніки. Так, в [патенті Японії JP461713 МПК7: С02F 1/66, опубл. в Бюл. №7, 1994р.] описана методика нейтралізації кислих та лужних стічних вод в установці, оснащеній перемішувальним пристроєм, що перемішує. Згідно цієї те хнології, процес нейтралізації супроводжується безперервним перемішуванням оброблюваного середовища та вимірюванням величини рН, по показникам якої корегують процес - додають той чи інший реагент. Подібна технологія з відповідним нейтралізуючим пристроєм описана в [заявці РСТ №940303 МПК7: С02F 1/66, опубл. в Бюл. №6, 1995р.], де потік кислого водного середовища доводиться до потрібної величини рН в реакторній зоні, де встановлено спеціальний змішувач. Прикладів подібних те хнологій можна навести безліч, і всіх їх буде об'єднувати спільний недолік низька продуктивність через недостатню інтенсивність перемішування компонентів. Більш прогресивними з позиції забезпечення інтенсивного перемішування оброблюваного середовища є технології, у яких в якості перемішуючи х пристроїв застосовують кавітаційні реактори. В кавітаційному реакторі технологічне середовище піддається інтенсивному гідромеханічному впливу. Дія на середовище обумовлена фізикомеханічними ефектами, що виникають при колапсі кавітаційних бульбашок, які генерують в реакторі. Кавітаційні реактори мають значно більшу ерозійну активність у порівнянні з будь-якими механічними перемішуючими пристроями. Ця їх властивість дозволяє інтенсифікувати процес нейтралізації і спростити вирішення проблеми рівномірного диспергування кислотних та лужних середовищ в потоці стічних вод. Підтвердженням сказаного може бути описана в [патенті України №20629 MПK7: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №17, 1998р.] технологія очищення лужних і кислих стоків теплових електростанцій за допомогою установки нейтралізації, обладнаної гідродинамічним кавітаційним змішувачем (реактором). Стоки роздільно надходять до окремих накопичувальних ємностей, після чого оброблюються в циркуляційному контурі кожної ємності, проходячи фазу змішування в кавітаційному реакторі. Результати змішування засвідчують вимірюванням величини рН середовища в ємностях. Після цього, в залежності від величини рН перемішаних кислих та лужних стоків, за допомогою автоматичних клапанів регулюють ступінь відкриття останніх (а значить, і витрати стоків), встановлюючи їх такими, щоб відбулась самонейтралізація. Установка оснащена пристроєм управління витратами реагентів та кислих і лужних стоків, а також численними регулюючими клапанами, що забезпечує її функціонування в автоматичному режимі, і, безумовно, є достоїнством установки. Крім того, наявність кавітаційного реактора примножує 4 переваги цієї установки. Але в той же час зворотною стороною цих переваг є складність конструктивного виконання установки і недостатня якість обробки середовища, обумовлена відносно невисокою інтенсивністю кавітаційної дії на нього з боку реактора. Продуктивність процесу очищення значною мірою залежить від експлуатаційних характеристик кавітаційного реактора, зокрема, ерозійності гідродинамічного кавітаційного поля, а вона, звичайно, є обмеженою. Цей факт є очевидним для спеціалістів, які займаються проблемами очищення водних середовищ. Подібними недоліками характеризується технологія і установка нейтралізації стоків, представлена в [патенті Росії №2129993 MПK7: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №13, 1999р.]. Як і у вищезазначеному випадку, стоки піддають попередньому гідродинамічному змішуванню в кавітаційному реакторі кожного циркуляційного контуру до досягнення усереднених значень рН в кожній накопичувальній ємності, і в залежності від цих значень корегують процес відповідною подачею кислих чи лужних стоків в об'ємах, необхідних для нейтралізації. Всі операції технологічного процесу регулюються пристроєм управління. Не зважаючи на автоматизоване управління та наявність кавітаційного реактору, продуктивність процесу обробки стоків є недостатньою, а енерговитрати досить значними. Крім цього, процес є довготривалим у часі і супроводжується істотними витратами реагентів. Уникнути перевитрат реагентів дозволяє технологія та установка оброблення стоків, описані в [патенті України №43705 MПK7: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №11, 2001р.]. До складу установки входить ємність з реагентом, бакнейтралізатор з циркуляційним контуром, який включає насос та встановлений в його напірній магістралі гідродинамічний кавітаційний змішувач. Зменшення витрат реагентів досягається завдяки сполученню ємності, в якій міститься реагент, зі змішувачем. В процесі надходження оброблюваного водного потоку до змішувача в останній постійно подається відповідний реагент. Режим кавітації змішувача обумовлює можливість засмоктування ("ежектування") в його вакуумні порожнини реагенту - вапняного молока, кислоти, лугу або навіть газоподібного. Завдяки утворенню в кавітаційному змішувачі розвиненої поверхні контакту фаз, реакційна здатність реагентів підвищується. Такі умови дозволяють добирати найбільш ефективні реагенти відповідно до виду забруднювачів певних стоків. Але описана технологія не вирізняється високою продуктивністю, адже розрахувати точну порцію реагенту, що постійно "ежектується" в порожнину кавітаційного змішувача, яка була б достатньою для повної нейтралізації об'єму оброблюваної рідини, є вкрай проблематично. Тому воду, що очищується, потрібно багаторазово пропускати через змішувач для досягнення бажаного результату. А це, в свою чергу, позначається на енерговитратах та тривалості процесу. Підсумовуючи вищенаведене, можна дійти висновку, що існуючі способи нейтралізації кислих 5 81656 та лужних технологічних середовищ та пристосоване до цього обладнання є недостатньо ефективними. І головною причиною цього є визначальна роль кавітаційного реактору (з його обмеженими властивостями), в якому по-суті і здійснюється нейтралізація. Продуктивність процесу перебуває у прямому взаємозв'язку з робочими характеристиками реактора, зокрема, з ерозійною активністю його кавітаційного поля. За прототип винаходу прийнятий спосіб нейтралізації кислих та лужних водних стоків в установці, що містить бак-нейтралізатор з циркуляційним контуром, до складу якого входять гідродинамічний кавітаційний реактор, при якому кислі та лужні стоки накопичують в бацінейтралізаторі, звідки їх подають на змішування до гідродинамічного кавітаційного реактору, після чого повертають до баку-нейтралізатору, де здійснюють вимірювання рН водного середовища, і, в залежності від величини рН, стоки видаляють з баку-нейтралізатору або піддають повторному обробленню в циркуляційному контурі до досягнення стану повної нейтралізації [Патент України №23755, MПK7: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №4, 1998р.]. За прототип винаходу прийнята також установка для нейтралізації кислих та лужних водних стоків, яка містить магістралі подачі кислих та лужних стоків, щонайменше, одну ємність з реагентом, бак-нейтралізатор з циркуляційним контуром, до складу якого входить насос зі засмоктуючою та напірною магістралями та гідродинамічний кавітаційний реактор, встановлений в напірній магістралі ([Патент України №23755, MПK7: C02F 1/66, опубл. в Бюл. №4, 1998р.]. Недоліком відомої технології є недостатня продуктивність, обумовлена обмеженою швидкістю масопереносу в об'ємі кавітаційного реактору. Через це процес нейтралізації займає досить багато часу. Незважаючи на те, що технологічний процес характеризується порівняно невисокою продуктивністю, він все ж забезпечує е фективне очищення стоків і мінімізує надходження залишків кислот та лугів в навколишнє середовище. Технологія спрямована на вирішення проблеми нейтралізації стоків, але при цьому не враховується той факт, що токсичні речовини накопичені не тільки в рідкій фазі оброблюваного середовища, а і присутні в повітряному об'ємі бака-нейтралізатора над рівнем забруднених стоків. Процес нейтралізації супроводжується активним газовиділенням, крім того незаповнений повітряний простір бака-нейтралізатора насичений токсичними випарами кислот та лугів. Це агресивне середовище є вкрай шкідливим, але відома технологія не передбачає ніяких операцій для його знешкодження. До недоліків відомої установки слід також віднести недосконалість її конструктивного виконання та обмеженість технологічних властивостей. Причиною першого недоліку є обмеженість експлуатаційних можливостей гідродинамічного кавітаційного реактора, яка виражається в недостатньо високій інтенсивності кумулятивного 6 механізму кавітаційного перемішування оброблюваного середовища. Причиною другого недоліку є те, що установка не розрахована на усунення негативної дії токсичних випарів, які скупчуються в баці-нейтралізаторі над поверхнею оброблюваної рідини. В основу винаходу поставлена задача підвищення ефективності та екологічної безпечності способу нейтралізації кислих та лужних водних стоків шляхом додаткового гідромеханічного аераційного впливу на них в процесі кавітації та використання в якості джерела живлення струменевого реактора паро-газового середовища, зосередженого над поверхнею стоків у баці-нейтралізаторі, в результаті чого процес перемішування оброблюваного середовища, що відбувається в об'ємі кавітаційного реактора під дією кінетичної енергії кумулятивних мікроструменів, ініційованих колапсом бульбашок, інтенсифікується газовим потоком, що надходить зі струменевого аератора, підвищуючи турбулентність середовища і прискорюючи цим швидкість реакції нейтралізації та скорочуючи технологічний цикл обробки стоків, крім того, виключається надходження в навколишнє середовище токсичних паро-газових речовин. В основу винаходу поставлена також задача створення високопродуктивної, екологічно безпечної установки для нейтралізації кислих та лужних водних стоків шляхом удосконалення її конструктивного виконання, зокрема, оснащення циркуляційного контур у стр уменевим аератором та сполученням лінії всмоктування останнього з повітряною камерою бака-нейтралізатора, в результаті чого процес перемішування оброблюваного середовища, що відбувається в об'ємі кавітаційного реактора під дією кінетичної енергії кумулятивних мікроструменів, ініційованих колапсом бульбашок, інтенсифікується газовим потоком, що надходить зі струменевого аератора, підвищуючи турбулентність середовища і прискорюючи цим швидкість реакції нейтралізації та скорочуючи технологічний цикл обробки стоків, крім того, виключається надходження в навколишнє середовище токсичних паро-газових речовин. Поставлена задача досягається за рахунок того, що в способі нейтралізації кислих та лужних водних стоків в установці, що містить бакнейтралізатор з циркуляційним контуром, до складу якого входять гідродинамічний кавітаційний реактор, при якому кислі та лужні стоки накопичують в баці-нейтралізаторі, звідки їх подають на змішування до гідродинамічного кавітаційного реактору, після чого повертають до баку-нейтралізатору, де здійснюють вимірювання рН водного середовища, і, в залежності від величини рН, стоки видаляють з бакунейтралізатору або піддають повторному обробленню в циркуляційному контурі до досягнення стану повної нейтралізації, згідно до винаходу, змішувані в гідродинамічному кавітаційному реакторі стоки додатково піддають гідромеханічній обробці в струменевому аераторі, при цьому для живлення струменевого аератора 7 81656 використовують паро-газове середовище, зосереджене в баці-нейтралізаторі над поверхнею оброблюваних стоків. Задача досягається також за рахунок того, що в установці для нейтралізації кислих та лужних водних стоків, яка містить магістралі подачі кислих та лужних стоків, щонайменше, одну ємність з реагентом, бак-нейтралізатор з циркуляційним контуром, до складу якого входить насос зі всмоктувального та напірною магістралями та гідродинамічний кавітаційний реактор, встановлений в напірній магістралі, згідно до винаходу, циркуляційний контур додатково містить струменевий аератор, лінія всмоктування якого сполучена з паро-газовим середовищем баканейтралізатора. При цьому струменевий аератор по напірній магістралі встановлений паралельно гідродинамічному кавітаційному реактору, а по всмоктувальній магістралі послідовно з гідродинамічним кавітаційним реактором. Ознаки, які відрізняють запропонований винахід від ознак подібних технологій та відповідних їм установок, описаних згідно відомого рівня техніки, обумовлюють досягнення вищевказаного технічного результату, який має місце при реалізації винаходу. Сам по собі гідродинамічний кавітаційний реактор забезпечує інтенсивне змішування компонентів оброблюваного середовища за рахунок реалізації в ньому кавітаційних ефектів, які приводять до колапсу утворених в рідкому середовищі бульбашок і утворенню миттєвого потужного імпульсу у вигляді ударної хвилі. Цей ефект обумовлює перемішування оброблюваних речовин та подрібнення твердих включень. При колапсі бульбашок енергія радіального руху рідини трансформується в кінетичну енергію рідкого кумулятивного мікроструменя, який вилітає з бульбашки з надзвичайно високою швидкістю реалізується кумулятивний механізм кавітаційного перемішування. При оснащенні установки струменевим аератором інтенсивність перемішування (а, значить, і швидкість нейтралізації) підвищується ще більше завдяки потоку повітряних бульбашок, що надходить з аератора до кавітаційного реактора в процесі роботи останнього. Додатковий потік бульбашок підвищує турбулентність середовища, а реакційна здатність реагентів підвищується. Такі умови сприяють зменшенню витрати реагентів для забезпечення реакції нейтралізації, оскільки вони здійснюються більш повно і за короткий термін. Особливості підключення струменевого реактора в загальну схему установки (паралельно кавітаційному реактору по напірній магістралі і послідовно з ним по засмоктуючій магістралі) забезпечують найбільш ефективну і продуктивну форму експлуатації обох гідродинамічних пристроїв. На представленому кресленні зображена запропонована установка нейтралізації. Вона містить магістралі 1, 2 подачі лужних та кислих стоків та ємності 3 з реагентами (лужними та кислотними). На практиці здебільше використовується лише ємність з лужним 8 реагентом, тому що стоки теплових електростанцій мають переважно кислу реакцію. Бак-нейтралізатор 4 має циркуляційний контур, до складу якого входить насос 5 зі засмоктуючою 6 та напірною 7 магістралями, а також гідродинамічний кавітаційний реактор 8, який встановлений в напірній магістралі 7. До складу циркуляційного контуру входить також струменевий аератор 9, лінія всмоктування 10 якого сполучена з повітряним середовищем баку-нейтралізатору 4. Магістралі 1, 2 подачі стоків та ємності 3 сполучаються з баком-нейтралізатором 4 через запірні клапани 11. Регулювання надходження оброблюваного середовища по засмоктуючій магістралі 6 здійснюється запірним клапаном 12, по напірній магістралі 7 - запірними клапанами 13, а по відвідній магістралі 14 - запірним клапаном 15. Роботу запропонованого способу можна продемонструвати описом функціонування установки, призначеної для його реалізації. Кислі та лужні стоки по магістралям подачі 1, 2 надходять до баку-нейтралізатору 4. Процес наповнення баку відбувається при закритому напірному клапані 12. Після заповнення баку нейтралізатору 4 до потрібного ступеню закривають запірний клапан 15 відповідної магістралі 14, відкривають запірні клапани 12 і 13 засмоктуючої 6 та напірної 7 магістралей циркуляційного контуру і включають насос 5. Оброблюване середовище, яке засмоктується насосом 5 до гідродинамічного кавітаційного реактору 8, починає інтенсивно руха тись по циркуляційному контур у. В процесі проходження середовища через реактор 8 в ньому відбувається не тільки інтенсивне перемішування вмісту баканейтралізатора 4, а й подрібнення нерозчинного осаду (кальцій, магній, залізо тощо), який може призвести до забивання циркуляційного контуру або відповідної магістралі. Процес перемішування підсилюється потоком газових бульбашок, які подаються до кавітаційного реактору 8 зі струменевого аератору 9. Ці газові бульбашки генеруються в аераторі 9 з паро-газового середовища, яке засмоктується аератором з бакунейтралізатору 4 через лінію всмоктування 10. Після такого інтенсивного сумісного впливу гідродинамічного кавітаційного реактора та струменевого аератору на оброблюване середовище в баці-нейтралізаторі 4 вимірюють величину РН. Якщо результати вимірювання відповідають стану повної нейтралізації стоків, констатують наявність процесу самонейтралізації і оброблені стоки видаляють з баку-нейтралізатору 4 через відвідну магістраль 14. Для цього відкривають запірний клапан 15 і закривають запірний клапан 13 напірної магістралі 7. В цьому режимі насос 5 виконує функцію перекачування рідини, а не циркуляції. У випадку, коли заміряна величина рН в бацінейтралізаторі 4 засвідчує наявність в середовищі кислоти чи лугу, до баку-нейтралізатору 4 додають певну кількість відповідного реагенту з ємності 3, або ж кислих чи лужних стоків з магістралей 1 або 2 і процес перемішування повторюють. 9 81656 Приклад Після промивання поверхні нагріву котлів теплової електростанції кислі та лужні стоки в об'ємах 15м 3 по магістралям подачі 1 та 2 при відкритих запірних клапанах 11 і закритому 12 направляють до баку-нейтралізатору 4, об'єм якого становить 20м 3. Після надходження стоків до бакунейтралізатору 4 приблизно четверта частина його об'єму лишається незаповненою. (В незаповненому рідинним середовищем об'ємі накопичуються паро-газові випари, які в подальшому використовуються як джерело живлення струменевого аератора 9). Для змішування стоків закривають запірний клапан 15, відкривають запірні клапани 12 і 13 і вмикають насос 5. Насос 5 починає функціонувати в режимі засмоктування, при якому рідина зазнає інтенсивного перемішування в циркуляційному контурі під дією гідродинамічного кавітаційного реактора 8 та струменевого аератора 9. Протягом всього технологічного циклу роботи установки паро-газове середовище бака-нейтралізатора 4 постійно переганяється через аератор 9. Після перемішування стоків вимірювання рН середовища в баці-нейтралізаторі 4 становило рН=10, що засвідчило завищений вміст в ньому кислоти. Для доведення оброблюваного середовища до стану повної нейтралізації, при якому рН=7, в бак-нейтралізатор 4 з ємності З додають лужний розчин із розрахунку співвідношення реагуючих компонентів, при яких забезпечується вказана величина рН середовища. Після цього повністю нейтралізовані стоки видаляють з баку-нейтралізатору 4 по відвідній магістралі 14 і готують установку до наступного робочого циклу. Запропонований винахід можна віднести до ряду високопродуктивних, екологічно чистих технологій, впровадження яких дозволяє не тільки ефективно очищувати агресивні промислові стоки, а і забезпечити високу рентабельність цього процесу при порівняно невисоких енерговитратах. 10