RU2092457C1

RU2092457C1 - Method of thickening of flowing sewage sediment

Info

Publication number: RU2092457C1
Application number: RU96104685A
Authority: RU
Inventors: Ю.Г. Ткаченко; С.В. Борткевич; А.Н. Проненко; В.П. Иванин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ГИТЕСТ"
Priority date: 1996-03-11
Filing date: 1996-03-11
Publication date: 1997-10-10

Abstract

FIELD: purification of flowing sewage deposits. SUBSTANCE: membranes that are permeable for water and ions are introduced to the interelectrode space, solutions of acid electrolytes are fed to the space between the electrodes and membranes, and sediment - to the space between the membranes; then sediment is treated by direct current through the solutions of acid electrolytes and membranes with the use of electrochemically insoluble electrodes. EFFECT: facilitated procedure. 1 dwg

Description

Изобретение относится к очистке текучих осадков сточных вод (ОСВ), содержащих значительное количество органических веществ, от взвешенных частиц, минеральных солей и соединений металлов способом обработки осадков однонаправленным (постоянным) током. The invention relates to the purification of fluid wastewater sludge (WWS), containing a significant amount of organic substances, from suspended particles, mineral salts and metal compounds by the method of processing sludge with unidirectional (constant) current.

Известен способ сгущения дисперсной взвеси в воде (метод электрофореза), включающий погружение электродов во взвесь и обработку последней постоянным током при ее непосредственном контакте с электродами /1/. A known method of thickening a dispersed suspension in water (electrophoresis method), including immersing the electrodes in the suspension and processing the latter with direct current when it is in direct contact with the electrodes / 1 /.

Недостаток этого способа заключается в развитии электроосмотического осушения осадка на электродах и поляризация последних, что резко снижает общую электропроводность взвеси и быстро прекращает процесс сгущения осадка, т. е. процесс сгущения не успевает распространиться на весь объем взвеси. The disadvantage of this method is the development of electroosmotic drainage of the precipitate on the electrodes and the polarization of the latter, which sharply reduces the overall electrical conductivity of the suspension and quickly stops the process of thickening the precipitate, i.e., the thickening process does not have time to spread to the entire volume of the suspension.

По этим причинам этот способ нашел ограниченное применение, например, для нанесения тонких покрытий на поверхность проводников с целью их окраски /2/. Возобновление же процесса сгущения взвесей по этому способу (способу электрофореза) возможно только путем непрерывной очистки рабочих электродов от осадка твердой фазы, что не всегда осуществимо технически. Кроме того, при этом способе сгущения не происходит очистки взвеси от минеральных солей и соединений металлов, которые остаются в составе твердой фазы и жидкости. For these reasons, this method has found limited application, for example, for applying thin coatings to the surface of conductors for the purpose of painting them / 2 /. The resumption of the process of thickening suspensions by this method (electrophoresis method) is possible only by continuous cleaning of the working electrodes of the solid phase precipitate, which is not always technically feasible. In addition, this method of thickening does not purify the suspension of mineral salts and metal compounds that remain in the composition of the solid phase and liquid.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявленному способу является способ сгущения текучего осадка сточных вод (ОСВ) (электрохимическая коагуляция), включающая подачу в межэлектродное пространство осадка и обработку последнего постоянным электрическим током /3/. The closest technical solution (prototype) to the claimed method is a method of thickening a fluid sludge of wastewater (WWS) (electrochemical coagulation), including feeding the sludge into the interelectrode space and treating the latter with direct electric current / 3 /.

В этом способе коагуляция дисперсных частиц происходит за счет потери их устойчивости под влиянием электрофореза, поляризационной коагуляции и флокуляции из-за действия гидроокисей металлов, выделяющихся при электрохимическом растворении электродов, непосредственно контактирующих с очищаемой водой. При этом очистка воды от растворенных соединений, в том числе, и металлов, происходит за счет их сорбции образующимися от растворения электродов хлопьями гидроокисей металлов. In this method, the coagulation of dispersed particles occurs due to the loss of their stability under the influence of electrophoresis, polarization coagulation and flocculation due to the action of metal hydroxides released during electrochemical dissolution of electrodes that are in direct contact with purified water. At the same time, water purification from dissolved compounds, including metals, occurs due to their sorption by metal hydroxide flakes formed from dissolution of electrodes.

К недостаткам этого способа относятся высокий расход материалов электродов (до 200 г/м³ очищаемой воды), образование на электродах окисных пленок, засорение межэлектродного пространства за счет отложений на электродах осадков частиц дисперсной фазы и агрегатов из гидроокисей, что снижает скорость и эффективность процесса очистки сточных вод и затрудняет широкое использование электрокоагуляторов. Использование же специальных мер по очистке электродов (барботаж воздухом, вращающиеся щетки и т. д.) усложняет и удорожает эксплуатацию установок.The disadvantages of this method include the high consumption of electrode materials (up to 200 g / m ^{3 of} purified water), the formation of oxide films on the electrodes, clogging of the interelectrode space due to deposits of dispersed phase particles and aggregates of hydroxides on the electrodes of sediments, which reduces the speed and efficiency of the cleaning process sewage and complicates the widespread use of electrocoagulators. The use of special measures for cleaning the electrodes (air sparging, rotating brushes, etc.) complicates and increases the cost of operation of the plants.

Кроме того, известный способ очистки позволяет очистить от примесей только воду. В составе же твердой фазы остаются тяжелые металлы, добавляются металлы растворенных электродов, что в дальнейшем затрудняет утилизацию и использование осадков сточных вод, прежде всего коммунальных. In addition, the known cleaning method allows you to clean from impurities only water. As a part of the solid phase, heavy metals remain, metals of dissolved electrodes are added, which further complicates the utilization and use of sewage sludge, especially communal.

Цель изобретения повышение скорости и эффективности сгущения текучего осадка сточных вод за счет очистки последнего от соединений металлов и исключения расхода материала электродов. The purpose of the invention is to increase the speed and efficiency of thickening a fluid sewage sludge by cleaning the latter from metal compounds and eliminating the consumption of electrode material.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу вводят в межэлектродное пространство проницаемые для воды и ионов мембраны, подают в пространство между электродами растворы кислых электролитов, а в пространство между мембранами текучий осадок, и затем обрабатывают осадок постоянным электрическим током через растворы кислых электролитов и мембраны, используя при этом электрохимические нерастворимые электроды. This goal is achieved by the fact that according to the method, membranes that are permeable to water and ions are introduced into the interelectrode space, solutions of acidic electrolytes are introduced into the space between the electrodes, and a fluid precipitate is introduced into the space between the membranes, and then the precipitate is treated with direct electric current through solutions of acidic electrolytes and membranes, using electrochemical insoluble electrodes.

Способ поясняется чертежом. The method is illustrated in the drawing.

Обработку текучего осадка сточных вод (ОСВ) осуществляют подачей последнего в центральную часть "электролитической ячейки" 1, образованной проницаемыми для воды и ионов мембранами 2 и 3. Мембраны 2 и 3 отделяют осадок от электрохимически нерастворимых (инертных) электродов 4 и 5. Электроды 4 и 5 устанавливают в камерах 6 и 7, анодной и катодной, соответственно. Камеры 6 и 7 заполнены растворами кислых электролитов, водой и раствором азотной кислоты, соответственно. Циркуляцию (подачу) анолита и католита в камерах 6 и 7 обеспечивают насосами 8 и 9 через буферные емкости 10 и 11 с водой и раствором азотной кислоты, соответственно. Электроды 4 и 5 подключают к источнику постоянного тока 12. The treatment of a flowing sewage sludge (WWS) is carried out by feeding the latter to the central part of the "electrolytic cell" 1 formed by membranes 2 and 3 permeable to water and ions. Membranes 2 and 3 separate the sludge from electrochemically insoluble (inert) electrodes 4 and 5. Electrodes 4 and 5 are installed in chambers 6 and 7, anode and cathode, respectively. Chambers 6 and 7 are filled with solutions of acidic electrolytes, water and a solution of nitric acid, respectively. The circulation (supply) of anolyte and catholyte in chambers 6 and 7 is provided by pumps 8 and 9 through buffer tanks 10 and 11 with water and a solution of nitric acid, respectively. Electrodes 4 and 5 are connected to a constant current source 12.

После размещения ОСВ в "электролитической ячейке" 1, установки электродов 4 и 5 и заполнения камер 6 и 7 водой и раствором азотной кислоты соответственно обрабатывают ОСВ постоянным током. При этом на нерастворимом аноде электрод 4 в результате окисления воды по реакции:

в растворе камеры 6 появится только избыток H⁺ и раствор станет кислым. В камере 7 катодной будет происходить восстановление воды в соответствии с реакцией:

а среда станет щелочной.After placing the WWS in the "electrolytic cell" 1, installing the electrodes 4 and 5 and filling the chambers 6 and 7 with water and a solution of nitric acid, they respectively treat the WWS with direct current. In this case, on an insoluble anode, electrode 4 as a result of oxidation of water by the reaction:

only excess H ⁺ will appear in the solution of chamber 6 and the solution will become acidic. In the chamber 7 cathode will be the restoration of water in accordance with the reaction:

and the environment will become alkaline.

Под действием поля электрического тока ионы, входящие в состав анолита, католита, а также ОСВ начнут перемещаться: анионы, имеющие отрицательный заряд в сторону анода (электрода 4), а катионы, обладающие положительным зарядом к катоду (электрод 5). При этом используются для воды и ионов мембраны 2 и 3, они проницаемы и для заряженных органических молекул, которые часто являются комплексообразователями для тяжелых металлов (мембраны непроницаемы для взвешенных частиц). Миграция ионов в поле электрического тока приводит к тому, что анионы накапливаются в анолите, а катионы в католите и удерживаются там за счет действия электрического поля. При этом для снижения миграции OH^- ионов из католита и предотвращения подщелачивания ОСВ, что может снизить растворимость соединений металлов и тем самым уменьшить очистку ОСВ от них, а также для предотвращения образования осадков гидроксидов металлов в катодной камере 7 и на самом катоде 5 гидроксиды металлов переводятся в хорошо растворимые соли азотной кислоты, а OH^- ионы, образующиеся на катоде 5, связываются H⁺ ионами азотной кислоты, образуя воду по реакции: OH^-+H⁺ H₂O. В то же время H⁺ ионы из анолита свободно мигрируют из анодной камеры 6 через мембрану 2 и под действием электрического поля перемещаются в сторону катода 5 через ОСВ в центральной части "электролитической ячейки" 1. Присутствие H⁺ в ОСВ способствует переводу металлов, поглощенных органическими взвесями, в жидкую фазу, что ведет к очистке твердой фазы от металлов, которые в дальнейшем мигрируют в анолит и католит в ионной форме.Under the influence of the electric current field, the ions that make up the anolyte, catholyte, and also the OCW will begin to move: anions having a negative charge towards the anode (electrode 4), and cations having a positive charge to the cathode (electrode 5). In this case, membranes 2 and 3 are used for water and ions, they are permeable to charged organic molecules, which are often complexing agents for heavy metals (membranes are impermeable to suspended particles). The migration of ions in the electric current field causes the anions to accumulate in the anolyte, and the cations in the catholyte and are retained there due to the action of the electric field. At the same time, to reduce the migration of OH ^- ions from catholyte and to prevent alkalization of the WWS, which can reduce the solubility of metal compounds and thereby reduce the treatment of WWS from them, as well as to prevent the formation of precipitation of metal hydroxides in the cathode chamber 7 and on the cathode 5 itself, metal hydroxides are transferred into soluble salts of nitric acid, and OH ^- ions formed on cathode 5 are bound by H ⁺ ions of nitric acid, forming water by the reaction: OH ^- + H ⁺ H ₂ O. At the same time, H ⁺ ions from the anolyte freely migrate from anode chamber 6 Erez membrane 2 and the electric field move toward the cathode 5 via the OSV in the central part "electrolytic cell" is 1. The presence of H ⁺ in SALT promotes translation of metals absorbed organic suspensions, in liquid phase, which leads to the purification of metals from solids, which subsequently migrate to anolyte and catholyte in ionic form.

Увеличение концентрации солей металлов в анолите и католите в процессе электрообработки ОСВ может со временем привести к их выпадению в осадок. Для предотвращения этого растворы электролитов в камерах 6 и 7 сменяются свежими из буферных емкостей 10 и 11 с помощью насосов 8 и 9. An increase in the concentration of metal salts in the anolyte and catholyte during the process of WWS electric treatment can eventually lead to their precipitation. To prevent this, electrolyte solutions in chambers 6 and 7 are replaced with fresh ones from buffer tanks 10 and 11 using pumps 8 and 9.

Наличие поля электрического тока в ОСВ в процессе его электрообработки вызывает в этой водонасыщенной дисперсной системе ряд сложных физико-химических процессов, ведущих к сгущению ОСВ, в частности, коагуляцию частиц твердой фазы из-за развития электрофореза, а также возникновение явления электроосмоса. Электроосмотическое движение воды направлено от анода 4 в сторону катода 5 при отрицательном заряде твердой фазы и имеет обратное направление в случае положительного заряда. Поэтому для исключения осушения ОСВ и разрыва вследствие этого электрической цепи на контакте ОСВ с мембранами 2 и 3 вода (или раствор электролита) должны непрерывно поступать из камер 6 и 7 через мембраны 2 и 3 к месту контакта либо за счет развития электроосмоса в самой мембране, либо в результате капиллярного подпитывания сгущенного ОСВ, что обеспечивается проницаемыми для воды мембранами. Этим достигается непрерывность электрической цепи и сгущение ОСВ может происходить не только в зоне, например, анода (или катода) в виде тонкого слоя, но и во времени распространиться на весь обрабатываемый электрическим током объем ОСВ. Кроме того, образующийся на мембране со стороны ОСВ тонкий слой воды является своеобразной смазкой и препятствует налипанию сгущенного ОСВ на мембрану, что облегчает удаление сгущенного ОСВ из ячейки (или аппарата) после окончания процесса. The presence of an electric current field in the WWS during its electrical treatment causes a number of complex physicochemical processes in this water-saturated dispersed system leading to the thickening of the TSW, in particular, the coagulation of solid particles due to the development of electrophoresis, as well as the occurrence of the phenomenon of electroosmosis. The electroosmotic movement of water is directed from the anode 4 towards the cathode 5 with a negative charge of the solid phase and has the opposite direction in the case of a positive charge. Therefore, to exclude drainage of the WWS and rupture due to this, the electric circuit at the WWS contact with the membranes 2 and 3, water (or the electrolyte solution) must continuously flow from the chambers 6 and 7 through the membranes 2 and 3 to the point of contact or due to the development of electroosmosis in the membrane itself, or as a result of capillary feeding of the condensed WWS, which is ensured by water-permeable membranes. This ensures the continuity of the electric circuit and the thickening of the WWS can occur not only in the zone, for example, of the anode (or cathode) in the form of a thin layer, but also spread over time over the entire volume of the TSB processed by electric current. In addition, a thin layer of water formed on the membrane from the side of the WWS is a kind of lubricant and prevents the condensed WWS from sticking to the membrane, which facilitates the removal of the condensed WWS from the cell (or apparatus) after the process.

Пример осуществления способа. Проводилось сгущение текучего ОСВ после метантенка, представлявшего собой концентрированную суспензию сложного состава, включающую органическую часть, а также содержащую 3 твердой фазы и 97 воды и минеральные составляющие в виде ионов, кислотных остатков и металлов, находящихся как в жидкой фазе, так и в поглощенном состоянии на частицах органической природы. Электрообработка ОСВ производилась в устройстве, аналогичном показанному на чертеже. В качестве электродов использовался платинированный титан, а мембранами служил тентовый брезент. В анодную камеру заливалась водопроводная вода, содержащая 263 мг/л прокаленного остатка, а электролитом в катодной камере служил 5-й раствор азотной кислоты на водопроводной воде. ОСВ размещался в центральной части ячейки. Объем испытуемой пробы ОСВ составлял 1,2 дм³, а ее длина равнялась 15,5 см. Электрообработка ОСВ производилась выпрямленным током плотностью 3 мА/см² при напряженности электрического поля 1,16 В/см. В процессе электрообработки наблюдалось сгущение ОСВ, начавшееся у анодной мембраны непосредственно после включения тока и с равномерной скоростью 1 см/12 мин закончившееся у катодной мембраны через три часа после начала электрообработки. Сгущенный осадок сточных вод (ОСВ) легко отделился от мембран, не оставив на них никакого следа, и далее был помещен на сито для свободного оттока из него воды. По истечении 15 мин была замерена влажность сгущенного ОСВ, которая оказалась равной 86,1 что свидетельствовало о сгущении ОСВ по сравнению с исходным в 4 раза. Далее ОСВ был помещен в герметичный стеклянный сосуд, где вследствие самопроизвольной отдачи воды сгущенный ОСВ потерял еще 1,5 воды за 24 ч и его влажность таким образом снизилась до 84,6 Следовательно, снятие электрического поля не только не привело к разжижению ОСВ, но, напротив, произошло его дальнейшее самопроизвольное сгущение. Это указывает на необратимость процесса сгущения ОСВ, проведенного по предлагаемому способу. По окончании эксперимента растворы в анодной и катодной камерах были прозрачными, что говорит об отсутствии в них коллоидных частиц, а в самих камерах и на электродах не наблюдалось выпадение осадков. Было также проведено определение прокаленного осадка в анолите и католите. При этом в расчете на 1 дм³ ОСВ в анолит было извлечено 3,233 г, а в католит 5,002 г минеральных веществ (суммарно 8,235 г), что указывает на выраженный процесс очистки ОСТ от соединений металлов. Уместно подчеркнуть, что общее значение pH до после опыта в ОСВ осталось неизменным и равным 6,7 единицы. Необходимо отметить и то, что по сравнению с практически используемым способом сгущения ОСВ до 85-ной влажности с помощью флокулянтов стоимость электроэнергии при сгущении ОСВ до такой же влажности по предложенному способу оказалось на 20 ниже стоимости флокулянтов.An example implementation of the method. The flowing WWS was thickened after the digester, which was a concentrated suspension of complex composition, including the organic part, as well as containing 3 solid phases and 97 water and mineral components in the form of ions, acid residues and metals, both in the liquid phase and in the absorbed state on particles of organic nature. Electrical treatment of the WWS was carried out in a device similar to that shown in the drawing. Platinum titanium was used as electrodes, and tarpaulins served as membranes. Tap water containing 263 mg / l of calcined residue was poured into the anode chamber, and the 5th solution of nitric acid in tap water served as the electrolyte in the cathode chamber. WWS was located in the central part of the cell. The volume of the tested WWS sample was 1.2 dm ³ , and its length was 15.5 cm. The WWS was electrically treated with a rectified current with a density of 3 mA / cm ² at an electric field strength of 1.16 V / cm. In the process of electric processing, a thickening of the WWS was observed, which began at the anode membrane immediately after turning on the current and ended at the cathode membrane with a uniform velocity of 1 cm / 12 min three hours after the start of electric processing. The thickened sewage sludge (WWS) easily separated from the membranes without leaving any trace on them, and then was placed on a sieve for free outflow of water from it. After 15 minutes, the moisture content of the condensed WWS was measured, which turned out to be 86.1, which indicated that the WWS was condensed 4 times in comparison with the initial one. Further, the WWS was placed in a sealed glass vessel, where as a result of spontaneous return of water, the condensed WWS lost another 1.5 water in 24 hours and its humidity thus decreased to 84.6 Therefore, the removal of the electric field not only did not lead to the dilution of the WWS, but, on the contrary, its further spontaneous condensation occurred. This indicates the irreversibility of the process of thickening WWS, carried out by the proposed method. At the end of the experiment, the solutions in the anode and cathode chambers were transparent, which indicates the absence of colloidal particles in them, and precipitation was not observed in the chambers themselves and on the electrodes. A calcined precipitate was also determined in anolyte and catholyte. At the same time, based on 1 dm ^{3 of} WWS, 3.233 g were extracted into the anolyte, and 5.002 g of mineral substances (a total of 8.235 g) were extracted into the anolyte, which indicates a pronounced process of purification of OST from metal compounds. It is appropriate to emphasize that the total pH before the experiment in WWS remained unchanged and equal to 6.7 units. It should be noted that, in comparison with the practically used method of thickening WWS to 85 humidity using flocculants, the cost of electricity when thickening WWS to the same humidity by the proposed method turned out to be 20 lower than the cost of flocculants.

Литература:
1. Григоров О.Н. Электрокинетические явления. Курс лекций. Изд-во ЛГУ, 1973 г. с. 197. Глава X. Техническое применение электрокинетических явлений.Literature:
1. Grigorov O.N. Electrokinetic phenomena. Lecture course. Leningrad State University Publishing House, 1973 197. Chapter X. Technical application of electrokinetic phenomena.

2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М. Химия, 1982 г. с. 230. 2. Frolov Yu.G. The course of colloid chemistry. M. Chemistry, 1982. 230.

3. Краснобородько И.Г. Светашова Е.С. Электрохимическая очистка сточных вод. Учебное пособие. Л. 1978 г. с. 52, 57, 58 прототип. 3. Krasnoborodko I. G. Svetashova E.S. Electrochemical wastewater treatment. Tutorial. L. 1978, p. 52, 57, 58 prototype.

Claims

A method of thickening a flowing sewage sludge, including feeding a sludge into the interelectrode space and treating the latter with direct electric current, characterized in that membranes that are permeable to water and ions are introduced into the interelectrode space, solutions of acidic electrolytes are introduced into the space between the electrodes and membranes, and between membranes precipitate and then treat the precipitate with a constant electric current through solutions of acidic electrolytes and membranes, using electrochemically insoluble ktrody.