CS272001B1 - Způsob chemicko-fyzikální úpravy kapalinových suspenzí a/nebo roztoků - Google Patents

Abstract

Na kapalinové suspenze a/nebo roztoky se působí roztoky reakčnich ’á/nebo koagulačních chemikálií a vznikající vločky se agregují ve vločkovacím prostoru se snižujícím se gradientu rychlosti od 3000 do 10 s" a suspenze je vedena vznášenou vrstvou vloček při současném odtahu kalů do zahušíovacího prostoru. Takto upravená suspenze se vede ■ protiproudně šikmým usazovacím prostorem a zbývající vločky se odlučují hloubkovou filtrací ve vznášené filtrační vrstvě při rychlosti toku i až 10 mm.s” .

Description

Vynález se týká způsobu chemicko-fyzikální úpravy kapalinových suspenzí a/nebo roztoků působením reakčních, redukčně-oxidačních, srážecích, koagulačních a flokulačních chemikálií s jejich následnou agregací do separace schopného stavu některým z postupů gravitačního odlučování a/nebo hloubkovou filtrací.

Dosud užívané rekční postupy probíhají převážně v oddělených prostorách a relativně dlouhou dobu každého z reakčních anebo koagulačních pochodů, což je náročné na prostor i spotřebu energie k dosažení potřebného stupně homogenizace každé z reakčních anebo koagulačních chemikálií, nehledě k tomu, že při nedostatečně rychlé homogenizaci obou směšovaných látek je vyšší spotřeba příslušné reakční anebo koagulační chemikálie z důvodů její pasivace při probíhající reakci. U řady dosud používaných technologií vzniku a separace sraženin a vloček oddělovaných látek z kapalinových směsí nebo suspenzí probíhají všechny postupy ve společné nádrži odstavným způsobem při poměrně vysokých zdržných dobách, což dovoluje zpětný přechod části vysrážených látek do původního stavu (kupříkladu remobilizační pochody při zneškodňování těžkých kovů v komplexní formě) a vyžaduje další reakční a separační stupně pro docílení potřebného stupně snížení obsahu nežádoucích látek v kapalině. Dosud užívané hydroseparační postupy, převážně gravitační usazování či separace ve vznášené vrstvě vloček, jsou při proměnlivé kvalitě a proměnlivém množství každá sama o sobě nedostatečně účinné a dochází k hydraulickému anebo látkovému přetěžování zvoleného separačního postupu, což vede často k nežádoucímu vynášení zneškodňovaných látek ve formě jemné kalové suspenze. Případné spojení usazování či separace ve vznášené kalové vrstvě s následnou hloubkovou filtrací, zejména filtrací v pískové vrstvě, vede k přerušovanému odlučování nežádoucích látek poměrně dlouhodobou regenerací znečistěné filtrační vrstvy, což má za následek vytváření kalových usazenin v zařízeních pro prvotní separaci, které postupně narůstají a je nutno je odstraňovat mechanickým či hydraulickým způsobem omezujícím celkovou výkonnost technologického zařízení jako celku. Výkonová charakteristika každé z používaných hydroseparačních operací je z hlediska obecného použití poměrně strmá a optimálním podmínkám výkonu i vysokému separačnímu účinku vyhovuje převážně v poměrně úzkém rozmezí změn koncentrace vyvločkovaných látek i změn hydraulického zatížení příslušného separačního zařízení.

Nevýhody známých řešení odstraňuje v podstatě vynález, kterým je způsob chemicko-fyzikální úpravy kapalinových suspenzí a/nebo roztoků působením reakčních, redukčně-oxidačních, srážecích, koagulačních a flokulačních chemikálií s jejich následnou agregací do separace schopného stavu některým z postupů gravitačního odlučování a/nebo hloubkovou filtrací, a jeho podstata spočívá v tom, že na kapalinovou suspenzi a/nebo roztok se působí roztoky reakčních a/nebo koagulačních chemikálií, vznikající vločky se agregují ve vločkovacím prostoru při postupně se snižujícím gradientu rychlosti, přičemž vzniklá suspenze je vedena vznášenou vrstvou vloček při současném odvádění kalů do zahušťovacího prostoru a takto upravená suspenze se vede vzestupně protiproudým šikmým usazovacím prostorem, načež se zbývající vločky odlučují hloubkovou filtrací.

Dále je podstatou vynálezu, že na kapalinovou suspenzi a/nebo roztok se působí reakčními a/nebo koagulačními chemikáliemi při snižujícím se gradientu rychlosti v rozmezí G = 3000 s¹ až G = 10 s^-^ po dobu 10 až 60 minut při teplotách v rozmezí od + 1 do + 40 °C.

Dále je podstatou vynálezu, že separace vzniklé suspenze se provádí ve vznášené vrstvě vloček při rychlosti vzestupného proudu v rozmezí od 0,5 do 10 mm.s”¹ a koncentraci vznášené vločkové vrstvy od 0,1 do 20 g.l a při současném odvádění kalů do zahušťovacího prostoru je přerušovaně a/nebo plynule odtahováno 1 až 15 % upravované kapaliny.

Dále je podstatou vynálezu, že hloubková filtrace se provádí vzestupným tokem upravené suspenze plovoucí filtrační vrstvou při rychlosti 1 až 10 mm.s^-''·.

Průtočný způsob vzniku a separace agregátů vloček zneškodňovaných látek podle vynálezu s postupným, krátkodobým vysokoturbulentním směšováním reakčních nebo koagulačních

CS 272 001 Bl látek tak, že upravovaná kapalina protéká alespoň jedním homogenizačním stupněm se vstupem alespoň jedné reakční a/nebo koagulační chemikálie v roztoku nebo v suspenzi umožňuje účinné zneškodnění nežádoucích látek a jejich následné vysrážení či vyvločkování do vloček optimálních separačních vlastností při průtoku nosné kapaliny vločkovacim prostorem s řízeným míšením vločkující suspenze při postupně se snižující turbulenci toku. Vločky sraženin a koagulačních aglomerátů tímto postupem dosahují vyšší hmotnosti a tím i vyšší sedimentační rychlosti bez jejich rozrušování při přetoku z vločkovacího do separačního stupně, protože vločkování probíhá v sestupném proudu s přímým napojením na vzestupný tok prostorem vznášené vločkové vrstvy v difuzorovém prostoru s rovnoměrným prouděním nosné kapaliny, které podporuje zvýšení separační účinnosti a zvýšení aglomeračního účinku vznášené vrstvy na oddělované suspendované vločky z proudu nosné kapaliny, jehož část je spolu s přírůstkem kalových částic v horní úrovni vznášené vločkové vrstvy odtahována do vedlejšího zahušťovacího prostoru. Zahušťování kalů probíhá působením tíže a řízeného odtahu odsazené kalové vody, přičemž odvodem 2 až 15¾ kalové vody se zahušťováku zpět do homogenizačního systému přes plnicí systém technologického zařízení tvořeného čerpací jímkou a plnicím čerpadlem umožňuje dosažení optimálních podmínek separace kalu. Nosná kapalina, zbavená převážného množství vloček a postupující vzestupným proudem, je vedena soustavou paralelních šikmých omezených prostorů, kde dochází k dodatečnému gravitačnímu odloučení vloček a jejich úlomků, přičemž tyto částice klesají zpět do vznášené kalové vrstvy a jsou s ní odtahovány do zahušťovacího prostoru.

Účelným spojením vločkovacího a dvou gravitačních separačních stupňů s případným proměnlivým odtahem odsazené kalové vody přes zahušťovací prostor je dosaženo podstatně vyšší separační účinnosti a při proměnlivosti koncentrace znečišťujících látek anebo při proměnlivosti hydraulického zatížení zařízení.pro uskutečnění uvedeného postupu vzniku a separace vloček dle vynálezu. Pravidelným periodickým krátkodobým odtahem zahušťovaného kalu vznikají v zahušťovacím prostoru hydraulické rázy umožňující zvyšování koncentrace odtahovaného kalu bez použití mechanických prostředků. Postupnou dvoustupňovou gravitační separací vyvločkovaných látek je dosahováno vyššího separačního účinku, než při použití kteréhokoliv ze známých postupů samostatně. Spojením separace ve vznášené vločkové vrstvě, zejména v kalové vrstvě o vyšší koncentraci vznášených vloček s řízeným odtahem přebytku kalu do zahušťovacího prostoru, s gravitačním usazováním nízkokoncentrovaných kalů v šikmém omezeném prostoru je v souhrnu dosahováno výrazného zvýšení celkového separačního účinku prvého separačního stupně tvořícího jednotný systém s následující hloubkovou separací zbytkových nečistot ve formě jemných vloček a jejich úlomků v plovoucí filtrační vrstvě, která tvoří v podstatě druhý separační stupeň. První separační stupeň pracuje v průtočném režimu, čímž vznášení vločkové vrstvy probíhá v ustálených nastavených hydraulických podmínkách nenarušených periodickým provozem filtrace nosné kapaliny v plovoucí filtrační vrstvě s relativně krátkou periodou praní znečistěné filtrační vrstvy zpětným tokem vyčištěné kapaliny, přičemž tato kapalina s vynášenými nečistotatmi je účelně odváděna z prostoru pod expandovanou filtrační vrstvou, ale nad hladinou vznášené vločkové vrstvy a doba praní znečistěné filtrační vrstvy je ve vztahu k době filstrace nepatrná a činí méně než 1 %, zpravidla méně než 0,1 % doby filtrace.

Způsob vzniku a separace vysrážených či vyvločkovaných znečisťujících látek z kapalinové suspenze spojující operace pro postupnou homogenizaci reakčních a/nebo koagulačních látek se znečisťujícími látkami v nosné kapalině podle vynálezu realizovaný ve společném účelně členěném prostoru tvoří technologickou jednotku s krátkodobým zdržením protékajících látek a dovoluje hmotnou realizaci všech technologických postupů s minimálními nároky na prostor, zastavěnou plochu a na spotřebu energie v porovnání s dosud užívanými postupy při současně širším použití zařízení pro uskutečnění uvedené technologie a postupů pro různé druhy kapalinových suspenzí a roztoků, což následně dovoluje zavést výrobu komplexního zařízení vyráběného progresivními výrobními postupy, čímž vznikají následné finanční i energetické úspory při současném snížení pracnosti výrobku. Provo

CS 271 001 Bl zování technologie postupného vzniku a separace zneškodňovaných látek doplněné jednoduchou ovládací technikou omezenou na řízení odkalu zahušťovaného přebytečného kalu a samočinné řízení funkce filtru s plovoucí filtrační vrstvou, je nenáročné na pracnost obsluhy i údržby. V porovnání s dosud vyráběnými zařízeními dovoluje zařízení pro technologii dle vynálezu snížení zastavěné plochy o 25 až 50 %, snížení zastavěného prostoru o 30 až 40 spotřebu energie o 20 až 35 %, snížení pracnosti obsluhy až o 80 %, snížení nákladů na reakční anebo koagulační chemikálie o 20 až 30 %, spotřebu materiálu pro výrobu zařízení, převážně konstrukční oceli o 40 %, jak bylo prokázáno výrobou prototypů technologického zařízení' a jejich zkušebním provozem v různých oblastech aplikace technologie úpravy podpovrchových nebo povrchových vod na pitnou či užitkovou vodu nebo při čistění odpadních vod zejmén průmyslových vod s převažujícím anorganickým znečištěním i vod doěisťovaným po biologickém čistění splaškových vod na kvalitu užitkové vody pro zemědělské a průmyslové závody, což se promítá ve snížení odběrů vody z veřejných zdrojů.

Příkladné uspořádání jednotlivých reakčních i separačních postupů podle vynálezu je znázorněno na výkrese, který představuje materiálově i bilančně uzavřený okruh chemickofyzikální úpravy kapalinových suspenzí a roztoků, zvláště okruh likvidace znečištěných odpadních vod podle vynálezu.

Surové znečištěné vody natékají vstupním potrubím £ do jímky 2, která slouží současně pro vyrovnávání nátokových nerovností. Z jímky 2 je znečistěná voda dopravována čerpadlem 2 do alespoň jednoho směšovače £ k homogenizaci s roztoky reakčních chemikálií dávkovaných z alespoň jednoho zásobníku K vlastní reakci dochází vlivem vysoké turbulence v homogenizačním prostoru prakticky okamžitě. Destabilizované částice nečistot nebo produkty reakce umožňují tvorbu mikrovloček a jejich nárůst během vločkování ve vločkovači £ v sestupném a/nebo postupném proudu při řízeném snižování intenzity míchání vločkující tekutiny při průtoku otvory děrovaných desek a nebo mříží, anebo při obtékání desek tak, že turbolence vyjádřená gradientem rychlosti je plynule snižována z hodnoty kolem 500 až na hodnotu 10 s^-^. kdy suspenze vločkových agregátů vstupuje vzestupným tokem do vznášené vrstvy vloček 1_ udržující se prakticky na konstantní hladině v difuzorovém prostoru čiříce 2. Průtokem vrstvou vloček jsou mechanicky anebo sorpčně zachycovány ve vrstvě jemnější vločky. Přebytečný kal z narůstající vznášené vrstvy přepadá do prostoru zahušíováku 12 odděleného kalu, zatímco předčištěná kapalina stoupá do usazovacího prostoru usazováku £, kde případně stržené vločky jsou vlivem snížení jejich objemové koncentrace oddělovány sedimentací a klesají zpět do vločkové vrstvy čiřiče 2· Voda zbavená převážného množství vyvločkovaných znečišťujících látek protéká dále přes filtrační vrstvu hloubkového filtru £, kde dochází k zachycení nejjemnějších vloček a jejich úlomků. Po průtoku filtrační vrstvou stoupá upravená voda do zásobního prostoru zásobníku 10 prací vody a po jeho zaplnění odtéká dále přes sorpční filtrační vrstvu sorpčního filtru 11 nebo pomocí obtoku 15 sorpční filtrace odtéká výstupním potrubím 19 upravené vody ke spotřebiči.

Zahuštěný odloučený kal ze zahušťováku 12 je periodicky odpouštěn do odvodňovacího filtru 12, z něhož od těká kalová voda výstupním potrubím 17 kalové vody zpět do jímky 2 a odvodněný kal je periodicky odváděn výstupním potrubím 18 kalu k dalšímu využití anebo k trvalé ukládce.

Jakmile znečistění plovoucí filtrační vrstvy hloubkového filtru 2 dosáhne nastavené hodnoty tlakové ztráty, je potrubím 14 prací vody a sběrným potrubím 20 zahájeno protiproudové praní filtrační vrstvy, při němž rychlost prací vody ze zásobního prostoru zásobníku 10 prací vody je alespoň 5 krát vyšší než průtok vzestupného proudu při filtraci, čímž nastane roztažení vrstvy filtračního materiálu a dojde k intenzivnímu pohybu a rotaci částic plovoucí filtrační vrstvy hloubkového filtru 2, který způsobí jejich účinné a rychlé očištění během 20 až 60 sekund. Po zastavení odtahu prací vody částice filtrační vrstvy se rychle vrátí do původní polohy, zatímco kalové částice se pohybují se4

CS 272 001 Bl trvačností ke dnu filtračního prostoru hloubkového filtru 2 ^a jsdu při následujícím praní odtaženy sběrným potrubím 20 do jímky 2· Případně narůstající kalová vrstva u dna prostoru čiřiče 7 nebo vločkovače 6, zvláště po odstavení průtoku vody, je rovněž do jímky 2 odkalována odkalovacím potrubím 16, 16'. Odkalované nečistoty po opětném uvedení do provozu spolu s nově nateklou znečištěnou vodou prochází znovu reakčními a separačními operacemi, aby byly odděleny přes zahušťovací a odvodňovací operace v zahušťováku 12 a v odvodnovacím filtru 13.

Optimálních podmínek separace vloček v čiřiči 2 se ve vznášené vrstvě vloček dosahuje při vyšším zahuštění vznášené vrstvy, které je úměrné průtočné rychlosti, hmotnosti částic a dalším fyzikálním parametrům kalových vloček a proto je účelné na počátku procesu separace odpouštět zahuštěný kal ze zahušťováku 12 přepadovým potrubím 21 do jímky 2, aby byl cirkulován zpět do vločkovače £ k separaci ve vznášené vrstvě v čiřiči 2, přičemž kalové částice účinně napomáhají tvorbě rozměrných agregátů vloček při průtoku směšovačem £ a vločkovačem £.

Postupné odstranění znečisťujících látek reakcí s vhodnými roztoky chemikálií a postupné odlučování vzniklých vloček v průtočném systému operací vede k optimálnímu krátkodobému průběhu jednotlivých fází technologie separace znečišťujících látek a zamezuje zpětnému uvolňování vysrážených látek do upravované kapaliny. Výsledný stupeň odstranění znečišťujících látek při postupu dle vynálezu je proto vyšší než při tradičním uspořádání technologie separace znečišťujících látek, zvláště při likvidaci znečištění v odpadních vodách z galvanotechnických provozů.

Příklad 1: separace trvalého kolidního znečištění vod z odlučovačů prachu v pískovém hospodářství slévárny

Předmětné vody obsahují 0,1 až 100 g.l”^ suspendovaných látek, převážně látek anorganického charakteru, z nichž více než třetina se neodloučí ani po více než 24 hodinové sedimentaci .

Vody jsou homogenizovány nejprve s anorganickým koagulantem,kupříkladu s roztokem chloridu železitého, při vysokoturbulentním režimu vyvolaném prouděním nosné kapaliny potrubní clonou, přičemž během 2 až 5 sekund dojde k dokonalé homogenizaci vzájemně reagujících látek a k destabilizaci elektrické dvojvrstvy částic. Postupným snižováním turbulence toku směsi, vyjádřené gradientem rychlosti, jehož hodnota v okamžiku homogenizace se pohybuje v rozmezí 300 až 3000 s^-^, zpravidla však 800 až 1000 s^-^ a po vstupu směsi vody a destabilizovaných částic je gradient rychlosti řízené snižován z hodnoty kolem G = 300 s^-^ na hodnotu G = 10 s^-^ a usměrněným prouděním v době vzniku vloček a jejich aglomerace do vloček o sedimentační rychlosti kolem 0,6 až 4 mm.s¹ je při průtoku vznášenou vrstvou dosahováno koncentrace částic v kalovém mraku kolem 1 až 6 g.l^ . Aktivním stykem vloček navzájem při mírně turbulentním toku jsou zachycovány jemné vločky a jejich úlomky na rozměrnějších aglomerátech, které v úrovni hladiny vločkového mraku jsou odtahovány přes hranu do kalového zahušťovacího prostoru jednak působením gravitačních sil, jednak řízeným odtahem odsazené kalové vody z vrcholu zahušťovacího prostoru, čímž je účelně udržována hladina vločkového mraku vznášené vrstvy prakticky v konstantní poloze odpovídající daným hydraulickým podmínkám.

Uvedeným postupem je ze systému odvedeno alespoň 50 % kalových částic, zpravidla 70 až 90 %. Kapalina zbavená převážného podílu suspendovaných látek protéká vzestupně šikmým omezeným prostorem, kde působením tíže jsou odlučovány vynášené částice s výjimkou jemných a velmi jemných vloček a jejich úlomků s účinností separace kolem 50 až 85 %, takže do následující hloubkové filtrace v plovoucí vrstvě vstupuje minimální množství suspendovaných látek, které zpravidla bývá v rozmezí 15 až 50 mg. ¹ při povrchovém hydraulickém zatížení v rozmezí 0,6 až 4 mm.s^-''· . Hloubkovou filtrací ve vrstvě o tloušťce 400 - 700 mm s kalovou kapacitou od 1 do 2,5 kg.m jsou prakticky odstraněny veškeré

CS 272 001 Bl částice suspendovaných látek a zbytkové znečištění dosahuje 3 až 10 mg./ ¹ , přičemž vyčištěná kapalina je téměř průhledná s mírným zabarvením po rozpuštěném Fe. Energetické nároky technologie dle vynálezu jsou zhruba 20 až 60 W.m , pracnost obsluhy je omezena pouze na přípravu roztoků chloridu železitého a na průběžnou kontrolu zásoby chemikálií a na funkci čerpadla a dávkovačích čerpadel.

Příklad 2: úprava povrchových vod pro zásobování průmyslového podniku

Předmětné vody obsahují Fe² a Mn do 5 mg./ koloidni látky do 300 mg,/^-1 v nichž obsah anorganických látek se pohybuje od 40 do 85 %. Vody pro provzdušnění rozstřikem ve skrápěné věži jsou homogenizovány s vápennou vodou ve směšovači, kde gradient rychlosti je v rozmezí 800 až 1600 sl po dobu 5 s, načež v dalším směšovači je směs míšena s roztokem síranu hlinitého v průměrné dávce podle vstupního znečistění vody od 20 do 80 mg.Z prakticky při stejných podmínkách turbulence, přičemž souběžně je dávkován roztok chlornanu v množství od 3 do 20 mg.1·'’ řízeném tak, aby na výstupu čisté vody z úpravny vody byl obsah aktivního chloru menší než 0,1 mg./^-! . Po smísení vod s reakčními látkami je voda zavedena do vločkovacího prostoru, kde od vstupu je na ní působeno hydraulickým odporem vločkovacího prostoru tak aby gradient rychlosti byl postupně snižován z počáteční hodnoty v rozmezí 100 až 300 s”l na konečnou hodnotu 10 až 20 s^-^ v místě změny sestupného toku vločkovacím prostorem na vzestupný tok prostorem vznášené vločkové vrstvy. Vzestupný tok mění vlivem tvaru difuzorového prostoru průtočnou rychlost z průměrné hodnoty 4 až 8 mm.s¹ na rychlost 1 až 1,5 mm.s^-1 v úrovni přepadu přebytečného kalu do zahušťovacího prostoru, přičemž přepadem kalu je odváděno 5 až 12 % celkového objemu upravované vody zpět do čerpací jímky, snížením průtočné rychlosti v důsledku řízeného odtahu kalové vody a rozšíření průtočné plochy usazovacího prostoru je snížena průtočná rychlost v usazovacím prostoru o 5 až 20 % vzestupné rychlosti v úrovni přepadu vločkového mraku. Na protékající vodu je působeno tvarem lamelové vestavby usazovacího prostoru tak, že proud vody je rozdělen do řady laminárních proudů stoupajících šikmo vzhůru, přičemž působením tíže jsou odlučovány jemné vločky nebo úlomky vloček a jsou zavedeny zpět do kalové vrstvy. Předčištěná voda obsahující asi 10 až 35 mg./^-^ vyvločkovaných nečistot je zavedena přepadem do prostoru hloubkové filtrace v plovoucí filtrační vrstvě, v níž působením souhrnného tlakového spádu celého systému v rozmezí 10 000 až 100 000 Pa dochází k odlučování zbytkových částic v pórovém prostoru vrstvy tak, že na výstupu čisté vody činí obsah suspendovaných částic méně jak 3 mg./''’ .

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Způsob chemicko-fyzikální úpravy kapalinových suspenzí a/nebo roztoků působením reakčních, redukčně-oxidačních, srážecích, koagulačních a flokulačních chemikálií a jejich následnou agregací do separace schopného stavu některým z postupů gravitačního » odlučování a/nebo hloubkovou filtrací, vyznačující se tím, že na kapalinovou suspenzi a/nebo roztok se působí roztoky reakčních a/nebo koagulačních chemikálií, vznikající vloč- ' ky se agregují ve vločkovacím prostoru při postupně se snižujícím gradientu rychlosti, přičemž vzniklá suspenze je vedena vznášenou vrstvou vloček při současném odvádění kalů do zahušfovací ho prostoru a takto upravená suspenze se vede vzestupně .protiproudým usazovacím prostorem, načež se zbývající vločky odlučují hloubkovou filtrací.
2. 2. Způsob dle bodu 1, vyznačující se tím, že na kapalinovou suspenzi a/nebo roztok se působí reakčními a/nebo koagulačními chemikáliemi při snižujícím se gradientu rychlosti v rozmezí G = 3000 s až G = 10 s po dobu 10 až 60 minut při teplotách v rozmezí od +1 do +40 °C.

   CS 272 001 Bl
3. 3. Způsob dle bodu la 2, vyznačující se tím, že separace vzniklé suspenze se provádí ve vznášené vrstvě vloček při rychlosti vzestupného proudu v rozmezí od 0,5 do 10 mm.s~l a koncentraci vznášené vločkové vrstvy od 0,1 do 20 g.l”l a při současném odvádění kalů do zahušťovacího prostoru je přerušovaně a/nebo plynule odtahováno 1 až 15 % upravované kapaliny.
4. 4. Způsob dle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že hloubková filtrace se provádí vzestupným tokem upravené suspenze plovoucí filtrační vrstvou při rychlosti 1 až 10 mm.s