Во многих странах мира наблюдается недостаток, постепенное исчерпание и растущее загрязнение источников пресной воды. Основной причиной загрязнения поверхностных вод является сброс неочищенных и недостаточно очищенных бытовых и промышленных сточных вод, что приводит к непригодности водоемов-приемников для потребностей водоиспользования. Среди особо опасных стоит выделить сточные воды легкой, пищевой и других отраслей промышленности, которые содержат высокие концентрации взвешенных веществ, ионов тяжелых металлов, высокомолекулярных органических соединений, жиров, поверхностно-активных веществ и других загрязнителей.

Именно разнообразие загрязнений по концентрации и составу не позволяет применять какой-либо один метод для решения многих задач очистки. И даже в случае подбора оптимального метода процессы зачастую не лишены недостатков, которые выражаются в большой длительности протекающих химических реакций, перерасходе реагентов, малоэффективном использовании площадей под очистные сооружения, большом расходе электроэнергии и др. Поэтому вопрос повышения эффективности существующих методов очистки сточных вод остается актуальным.

Принцип действия электромагнитного аппарата с вихревым слоем ферромагнитных частиц

Электромагнитный аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц — это устройство, состоящее из рабочей камеры, которая помещена в индуктор вращающегося электромагнитного поля. В рабочей камере находятся цилиндрические ферромагнитные частицы с определенным соотношением длины и диаметра. В результате воздействия электромагнитного поля частицы начинают движение по сложным траекториям, образуя так называемый вихревой слой. Типичная конструкция такого аппарата приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц: 1 – защитная втулка; 2 – индуктор вращающегося электромагнитного поля; 3 – корпус индуктора; 4 – рабочая камера из немагнитного материала; 5 – ферромагнитные частицы

При всей кажущейся простоте конструкции в рабочей камере аппарата протекает ряд процессов и имеют место факторы, комплексное воздействие которых благоприятно сказывается на обработке сточных вод:

• вращающееся (внешнее) магнитное поле;
• многочисленные взаимодействия ферромагнитных частиц друг с другом, со стенками рабочей камеры и обрабатываемым материалом;
• акустические колебания;
• кавитация;
• электролиз.

Быстрое перемещение ферромагнитных частиц и кавитация ускоряют ход многих физико-химических реакций. Образование свободного водорода в результате электролиза воды значительно активирует реакции восстановления. В то же время диссоциация воды на Н⁺ и (ОН)^— дает основание утверждать, что последний может играть немалую роль в реакциях образования гидроокисей металлов, которые выпадают в осадок.

Совмещение в одном рабочем пространстве действий всех перечисленных факторов одновременно в сотни и тысячи раз ускоряет практически все физико-химические и механофизические реакции и, следовательно, во столько же раз повышает производительность технологической линии.

На рисунке 2 приведен аппарат вихревого слоя типа AVS-100 производства компании GlobeCore.

Рисунок 2 – Аппарат вихревого слоя типа AVS-100

Очистка сточных вод от шестивалентного хрома и других тяжелых металлов

Cточные воды гальванических цехов, химических, нефтехимических и других отраслей промышленности в своем составе могут содержать хром, никель, цинк, свинец, железо, медь, марганец и другие тяжелые металлы.

Для очистки перечисленных сточных вод существует несколько способов и технологических схем с использованием электромагнитных аппаратов с вихревым слоем, что позволяет существенно сократить расход реагентов, добиться более полной очистки и перевести ее на непрерывный режим.

Восстановление шестивалентного хрома до трехвалентного проводится в щелочной среде с использованием сернокислого железа с одновременным осаждением тяжелых металлов в виде гидроокисей. Этот метод внедрен на сточных водах, которые имеют концентрацию Сr⁺⁶ 10–200 мг/л при кислотности сточных вод рН=6 до нескольких граммов и присутствии других тяжелых металлов от 10 до 1000 мг/л (рисунок 3).

Рисунок 3  — Технологическая схема восстановления Сr⁺⁶ в щелочной среде с одновременным осаждением тяжелых металлов и нейтрализацией сточных вод: 1 – емкость раствора извести; 2 – емкость сернокислого железа; 3 – емкость накопления и усреднения сточных вод; 4 – электромагнитный аппарат с вихревым слоем; 5 – прибор для дозировки раствора извести; 6 – прибор для дозировки сернокислого железа; 7 – насос для сточных вод

Результаты испытаний технологической схемы (рисунок 3) в про­мышленных условиях представлены в таблице 1. Расход Са(ОН)₂ и FeSO₄ соответствовали стехиометрическому расчету.

Таблица 1 — Очистка сточных вод путем восстановления Cr⁶⁺ в щелочной среде с одновременным осаждением тяжелых металлов в аппарате вихревого слоя (ферромагнитные элементы: d = 1,6 мм; m = 175 г; до очистки – рН = 2…3, после очистки – рН = 8,5…9)

Состояние сточных вод			Состояние очищенных вод
рН	Металлы-загрязнители	Концентрация металлов, мг/л	Концентрация металлов в воде после обработки в аппарате, мг/л	рН
2–3	Cr+6	50–100	0	8,5–9
	Cr+3	50–100	0
	Fe	до 500	следы
	Ni	50–100	0
	Mg	до 300	следы
	Pb	50–100	0,09
	Cu	50–100	следы

Опыт внедрения аппаратов вихревого слоя показал, что наиболее целесобразно применять метод восстановления Сr⁺⁶ к Сr⁺³ в щелочной среде при количестве хрома в растворе не более 200 мг/л, так как при большем количестве Сr⁺³ образуется большое количество осадка гидроокиси хрома и железа. При большом количестве хрома может быть рекомендовано восстановление Сr⁺⁶ к Сr⁺³ бисульфитом натрия в кислой среде с последующим осаждением Сr⁺³ в щелочной среде с использованием электромагнитного аппарата вихревого слоя как на первой, так и на второй стадии (рисунок 4).

Рисунок 4. Технологическая схема восстановления Сr⁺⁶ в кислой среде с последующим осаждением в виде гидроокиси: 1 – емкость накопления и усреднения сточных вод; 2 – насос для сточных вод; 3 – емкость бисульфита натрия; 4 – емкость раствора извести; 5 – электромагнитный аппарат с вихревым слоем

Интенсификация и полнота очистки кислотно-щелочных сточных вод  от ионов тяжелых металлов с использованием аппарата проходит за счет комплексной обработки компонентов в вихревом слое вследствие образования гидроксидов металлов, их осаждения и сорбции ионов тяжелых металлов гидроксидом железа, а также активированным коллоидным железом, которое образуется за счет диспергирования ферромагнитных элементов в вихре­вом слое и является хорошим восстановителем. Одновременно с появлением его в вихревом слое идут процессы образования водорода за счет электролиза воды. Указанная особенность приводит к влиянию на реакцию воспроизведения Сr⁺⁶ и до сокращения расхода сернокислого железа, а также к полному воспроизведению Сr⁺⁶ и других металлов в сточных водах только за счет коллоидного металла выделения водорода.

На рисунке 5 представлены сравнительные данные относительно скорости и полноты восстановления Сr⁺⁶ в аппарате вихревого слоя и в аппарате с мешалкой при разном количестве восстановителя [Д.Д. Логвиненко, 1976]. Как видно из приведенных данных, в вихроевом слое практически полное восстановление достигается уже при расходе сернокислого железа не более 30 % от стехиометрического. Процесс восстановления в вихревом слое достигается при длительности обработки компонентов 1 с, что обеспечивает возможность проведения непрерывного процесса.

Рисунок 5. Влияние длительности обработки на процесс восстановления шестивалентного хрома: 1, 2, 3 – в аппарате с механической мешалкой при расходе FeSO₄ 50, 80 і 100 % от стехиометрического соответственно; 4, 5 – в аппарате с вихревым слоем при расходе FeSO₄ 10 і 30 % от стехиометрического

Наиболее эффективно процесс очистки происходит при применении в качестве реагента суспензии извести, которая активируется при обработке в аппарате вихревого слоя. Активирующее действии подтверждается ИК-спектрами CaO известкового молока после обработки в вихревом слое, что свидетельствует о структурных и физических изменениях свойств CaO. Это позволяет добиться степени очистки до ПДК при расходе CaO до 90–100 % теоретически необходимого. В это же время интенсивное перемешивание реагентов, действие электромагнитного поля, а также измельчение полученных соединений приводит к тому, что полученные после аппарата вихревого слоя гидроокиси металлов более дисперсны в сравнении с полученными в аппаратах с мешалкой (таблица 2).

Таблица 2 — Исследование дисперсности гидроокисей металлов, полученных в аппарате с мешалкой и аппарате вихревого слоя

Дисперсность гидроокисей, мкм	Количественное состояние гидроокисей металлов, полученных
	в аппарате с мешалкой, %	в аппарате вихревого слоя, %
100–50	1,5	–
50–30	28	–
30–25	25,55	–
25–30	44,95	–
20–10	–	–
10–5	–	0,31
5–3	–	5,23
3–2	–	28,56
2–1	–	46,9
1	–	19,0

В таблице 2  представлены данные о дисперсности осадка, который был получен в промышленных условиях с использованием аппарата вихревого слоя для очистки сточных вод, которые имели в своем составе раствор солей свинца до 675 мг/л, железа – 275 мг/л, меди – 68 мг/л, марганца – 480 мг/л (Д.Д. Логвиненко, 1976). При этом стоит отметить, что приведенная дисперсность не привела к снижению процесса осаждения, а наоборот, осаждение твердой фазы после аппарата вихревого слоя происходило в 1,5–2 раза быстрее, чем после аппарата с мешалкой. Осветление воды от гидроксидов проходит с большей скоростью за счет совместной химической и поляризационной коагуляции и флокуляции.

Очистка сточных вод от фенола

Аппараты вихревого слоя эффективно могут применяться  для очистки сточных вод производства фенолформальдегидных смол, коксохимических и лесохимических предприятий, которые в своем составе содержат фенол, метанол, формальдегид и другие загрязняющие вещества. Очистка сточных вод от фенола проводится реагентными методами, которые состоят в окислении фенола (при концентрации 0,5–10 г/л) в кислой среде.

В качестве окислителя могут использоваться пиролюзит, бихро­мат калия или натрия, озон, хлорная известь, перманганат калия. Из пере­численных реагентов для удаления фенола в аппарат рекомендуется бихромат калия или натрия при расходе 2,5–3,3 г на 1 г фенола. На практике рекомендуется использовать водный раствор окислителя концентрацией 50–200 г/л на Na₂Cr₂O₇ в зависимости от концентрации фенола, а для подкисления – 30–50 %-раствор серной кислоты.

Для очистки сточных вод от фенола используются реакторы с мешалками, в которых процесс окисления происходит за 3–4 часа при темпе­ратуре 95–100 ºС. Использование аппарата вихревого слоя позволяет существенно упростить технологическую схему, снизить температуру реакции окислен­ия до 20–40 ºС и уменьшить длительность процесса до минимума, что обеспечивает возможность проведения очистки в непрерывном  режиме. Состав сточных вод, которые могут эффективно окисляться в аппарате вихревого слоя, приведен в таблице 3.

Таблица 3 — Характеристика сточных вод разных производств, на которых для окисления фенола используются аппараты вихревого слоя

Загрязняющие вещества	Количество загрязняющих веществ в сточных водах разных производств, г/л
	Синтез фенолформальдегидных смол	Синтез эпоксидной смолы	Синтез дифенилолпропана
Н2О4	–	–	10
Фенол	0,5–5	0,3–0,5	10
Формальдегид	2–12	–	–
Дифенилолпропан	3–5	1,5	3,3
Метанол	0,8–10	6,0	–

Сточные воды, которые подвергаются очистке с использованием аппарата вихревого слоя в непрерывном процессе, должны быть:

• усреднены  по составу и концентрации загрязняющих веществ;
• очищены от механических примесей;
• не иметь в своем составе смол и нефтепродуктов.

Очистка сточных вод с использованием технологической схемы (рисунок 6) проводится в такой последовательности.

Рисунок 6. Технологическая схема удаления фенола из сточных промышленных вод с использованием аппарата вихревого слоя: 1 – сборник-усреднитель сточных вод; 2 – емкость для H₂SO₄; 3 – емкость для окислителя; 4,8 – аппарат вихревого слоя; 5, 6 – дозирующие устройства; 7 – насос

Сточные воды поступают в сборник- усреднитель 1, где проходит их усреднение и выравнивание концентрации. При недостаточном количестве кислоты в сточных водах из емкости 2 дозирующим устройством  5 подается необходимое количество серной кислоты. Из сборника-усреднителя сточные воды насосом подаются в электромагнитный аппарат вихревого слоя в количестве до 15 м³/ч. В качестве ферромагнитных элементов в нем используются цилиндрические частички диаметром 1,2–1,8 мм в отношении l/d = 10 в количестве 150-200 г. Длительность работы таких элементов составляет 4–6 часов, после чего элементы заменяются  или проводится их дозагрузка c помощью автоматического дозирующего устройства. В аппарат одновременно подается окислитель, где проходит интенсивное перемешивание компо­нентов, а также реакция окисления фенола и других органических веществ (метанола, формальдегида и др.) до образования воды и углеродного газа.

После удаления фенола сточные воды подлежат восстановлению шестивалентного хрома, который образуется в процессе окисления фенола, а также нейтрализации в другом аппарате вихревого слоя (обозначение 8, рисунок 6). Для восстановления Cr⁺⁶ к Cr⁺³ используется сернокислое железо, а нейтрализации – известковое молоко.

Очистка сточных вод от соединений цианидов

Применение электромагнитных аппаратов с вихревым слоем для очистки цианистых сточных вод позволяет проводить окисление цианидов до цианатов при одновременном образовании нетоксичных карбонатов и аммиака. Процесс проходит в щелочной среде при рН = 9–10. В качестве щелочного реагента используется известь, сода в виде 5–10 %-го водного раствора, а окислителя – 5–10 %-й раствор хлорной извести гипохлорита кальция или хлора. Остаточное количество цианидов после очистки – 0,005–0,09 мг/л при начальной концентрации 30–350 мг/л.

Важными факторами, которые влияют на качество очистки сточных вод при использовании аппарата вихревого слоя, являются:

• выбор оптимальной схемы и метода очистки;
• подбор и компоновка технологического оборудования;
• выбор режи­мов процесса очистки;
• контроль и регулирование параметров очистки;
• правильная эксплуатация аппаратов;
• усреднение сточных вод и т.д.

Эффективное использование аппаратов вихревого слоя и очистки сточных вод зависит от степени их усреднения  по составу и концентрации загрязняющих веществ, которая принимается в пределах 1,5–2-часового усреднения.

Преимущества аппаратов вихревого слоя

Электромагнитные аппараты с вихревым слоем могут эффективно использоваться в технологических схемах очистки сточных вод реагентным методом при замкнутом использовании воды на предприятиях без сбрасывания их в водоемы. Они применяются в технологических схемах очистных сооружений и используются для проведения таких процессов:

• восстановление шестивалентного хрома (Cr⁺⁶) к трехвалентному (Cr⁺³);
• осаждение тяжелых металлов (Cr+3, никеля,  цинка, свинца, меди, кобальта, железа, марганца и др.);
• нейтрализации кислотно-щелочных стоков;
• окисления (фенола, циана, нефтепродуктов).