Лекция 14. Очистка и обезвреживание сточных вод

План лекции:

1. Классификация методов очистки сточных вод

2. Основные технологические принципы и назначение механических методов очистки сточных вод: процеживания, фильтрования, гидроциклонирования и технические средства их осуществления

3. Химические и физико-химические способы очистки вод

4. Биологические способы очистки сточных вод

Требования к качеству очищенных вод диктуется условиями их дальнейшего применения. Если они возвращаются в производственный цикл, то степень их очистки определяется технологическими требованиями самого производства. (Например, для производства радиодеталей, печатных плат, спиртных напитков, пива, хороших газированных вод и т.д. требуется очистка природных вод, т.к. они для этого считаются грязными). Если же очищенные воды сбрасываются в окружающую среду, то необходимая степень их очистки определяется нормативами ПДК, ПДС и экологическими требованиями.

Выбор методов очистки зависит от состава сточных вод. Загрязнители сточных вод делятся на физические, биологические и химические. В свою очередь химические загрязнители делятся на:

- биологически нестойкие органические соединения;

- малотоксичные неорганические соли;

- нефтепродукты;

- биогенные соединения;

- вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы и биологически жесткие неразлагающиеся органические вещества.

Очистка сточных вод осуществляется: механическими, физико-химическими, химическими и биологическими методами.

Механическая очистка применяется для выделения из сточной воды нерастворенных минеральных и органических примесей. Назначение механической очистки в основном заключается в подготовке производственных сточных вод к биологической, физико-химической и другой более тонкой очистке. Как правило, механическая очистка обеспечивает выделение взвешенных веществ из вод до 90-95% и снижение органических загрязнений на 20-25%.

Продукт, который получается при удалении взвешенных веществ из сточных вод, называется осадок.

Основные методы удаления взвешенных веществ: процеживание, отстаивание, фильтрация, центрифугирование.

Процеживание. Основными аппаратами для процеживания являются решетки. Решетки устанавливают на очистных станциях при поступлении на них сточных вод самотеком. Не применять решетки на очистных станциях допускается в случае подачи вод насосами с установленными перед ними решетками с прозорами 16 мм или менее. Решетки делятся:

1) с ручной или механизированной выгрузкой осадка

2) вертикальные и наклонные

3) решетки-дробилки

Здесь необходимо отметить, что решетки ставятся для извлечения из сточных вод крупных частиц размером более 10 мм. Все более мелкие частицы движутся со сточной водой на предварительное отстаивание.

Отстаивание. Метод отстаивания подразделяется на 2 группы:

1) осветление в поле гравитационных сил

2) осветление в поле центробежных сил.

Для осветления в поле гравитационных сил используют песколовки и отстойники.

Песколовки. Задерживают 40-50% взвешенных веществ с определенной гидравлической крупностью. Но здесь возникло новое понятие как гидравлическая крупность. Ею называется скорость оседания взвешенных частиц в поле гравитационных сил. Измеряется в мм/сек и определяется по формуле:

U = H/τ (H/h)ⁿ

Где Н – глубина проточной части отстойника; τ – продолжительность отстаивания частиц в цилиндре с высотой столба воды h = 500 мм при температуре 20 С; n - показатель степени, определяемый по специальным таблицам. Он еще называется коэффициентом гравитационной коагуляции. При обычных условиях без добавки коагулянтов он изменяется от 0, 5 до 2. При использовании коагулянтов он равен 0, 35-0, 75.

Исходя из этих показателей, можно рассчитать рабочую продолжительность протока t₁ = H(U – w), где w – вертикальная составляющая турбулентного потока.

Расчетная длина сооружения определяется по формуле L = t v, где v – скорость потока.

Песколовки подразделяются на:

1) вертикальные; 2) горизонтальные с прямолинейным или круговым движением воды; 3) аэрируемые; 4) тангенциальные.

Отстойники. Все аппараты отстойники делятся на 2 типа: периодического и непрерывного действия.

Типы аппаратов отстойников непрерывного действия:

1) вертикальные, 2) горизонтальные, 3) радиальные.

Необходимая площадь отстойника рассчитывается по формуле

S = Qc /k t U.

Где Qc – суточная производительность отстойника, t – суточная продолжительность работы отстойника, U – гидравлическая крупность частиц,

к – коэффициент объемного использования площади отстойника равен отношению среднего фактического времени пребывания воды в отстойнике к расчетному. Для вертикальных отстойников этот коэффициент равен 0, 4-0, 5, а для радиальных и горизонтальных – 0, 71-0, 8.

Фильтрование. Существует два способа фильтрации: 1)фильтрация через слой зернистой загрузки, 2) через фильтровальную перегородку

Первый способ фильтрации заключается в следующем: через слой зернистой загрузки пропускается вода, содержащая взвешенные частицы. При этом происходит отложение взвешенных частиц в порах фильтрующего материала и отложение на поверхности этого материала.

Механизм удержания взвешенных веществ заключается в молекулярном (прилипании) и кулоновском электрическом взаимодействия. Эффект очистки взвешенных частиц определяется соотношением сил сцепления и отрыва от фильтрующего материала.

По скорости фильтрации фильтры делятся на медленные (со скоростью фильтрации менее 0, 5 м/час), скорые (от 2 до 15 м/час) и сверхскорые фильтры (более 25 м/час).

Гидроциклоны. Принцип действия гидроциклонов основан на сепарации частиц твердой фазы во вращающемся потоке жидкости. Величина скорости сепарирования частицы в поле гидроциклона может превышать скорость оседания эквивалентных частиц в поле гравитации в сотни раз.

К основным преимуществам гидроциклонов следует отнести: 1)высокую удельную производительность по обрабатываемой суспензии 2)сравнительно низкие расходы на строительство и эксплуатацию установок 3)отсутствие вращающихся механизмов, предназначенных для генерирования центробежной силы; центробежное поле создается за счет тангенциального ввода сточных вод 4)возможность создания компактных автоматизированных установок.

Химическая очистка производственных сточных вод может применяться как самостоятельный метод перед подачей производственных сточных вод в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоем или городскую канализационную сеть. Применение химической очистки в ряде случаев целесообразно перед биологической или физико-химической очисткой. Химическая обработка находит применение также и как метод глубокой очистки производственных сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов. К химическим методам очистки относятся: нейтрализация, осаждение, окисление и электрохимическая обработка.

Нейтрализация. Производственные сточные воды от технологических процессов многих отраслей промышленности содержат щелочи и кислоты. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделить из этих вод. Поэтому с целью предупреждения коррозии материалов канализационных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов кислые и щелочные стоки подвергают нейтрализации.

Реакция нейтрализации – это химическая реакция между веществами, имеющими свойства кислоты и основания, которая приводит к потере характерных свойств обоих соединений. Наиболее типичная реакция нейтрализации в водных растворах происходит между гидратированными ионами водорода и ионами гидроксида, содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях:

Н⁺ + ОН^- = Н₂О.

В результате рН среды приближается к 7.

При химической очистке применяются следующие способы нейтрализации:

1) взаимная нейтрализация кислых и щелочных вод

2) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂ , кальцинированная сода Na₂CO₃, каустическая сода NaOH, аммиак NH₄OH).

3) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит СаСО₃.МgСО₃, магнезит МgСО₃, мел СаСО₃ (96-99%).

4) в последнее время предложен способ нейтрализации щелочных вод дымовыми газами, содержащими СО₂, SО₂, NO₂ и др.

Окисление. Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси, например, цианиды КСN, или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды).

В узком смысле окисление – реакция соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком – всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживания сточных вод в качестве окислителя используют хлор, гипохлорит кальция или натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха.

Окисление активным хлором. Окисление ядовитых цианид-ионов СN^- осуществляется путем перевода их в нетоксичные цианаты СNO-, которые затем гидролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов:

CN^- + 2OH^- -2e = CNO^- + OH; CNO^- + 2H₂O = NH₄⁺ + CO₃ ^2-

Применение хлора здесь не надо путать с хлорированием сточных вод с целью их обеззараживания.

Электрохимические методы очистки основаны на электролизе производственных сточных вод. Основу составляют два процесса анодное окисление и катодное восстановление.

Осаждение. При этой операции получают нерастворимые осадки, которые затем могут быть захоронены либо использованы, например, в металлургической или другой промышленности.

К физико-химическим методам очистки относятся: коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, ультрафильтрация, эвапорация, термоокисление, выпаривание, испарение, кристаллизация, высаливание, вымораживание, магнитная обработка, а также методы, связанные с наложением электрического поля – электрокоагуляция, электрофлотация, электродиализ и другие.

Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей дисперсной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением общего их числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.

Для очистки сточных вод применяют следующие коагулянты:

1. Соли алюминия: сульфат алюминия (глинозем) Al₂(SO₄)₃ *18H₂O, алюминат натрия NaAlO₂, оксихлорид алюминия Al₂(OH)₂Cl, полихлорид алюминия [Al₂(OH)nCl 6-n]m(SO₄)x где 1< n< 5m< 10, алюмокалиевые [AlK(SO₄)₂ *18H₂O] и алюмоаммонийные [Al(NH₄)(SO₄)₂ *12H₂O] квасцы.

2. Соли железа: сульфат двухвалентного железа FeSO₄ * 7H₂O, гидроксид железа, хлорид железа FeCl₃ *6H₂O, сульфат трехвалентного железа Fe₂(SO₄)₃ *9H₂O;

3. Соли магния. Хлорид магния MgCl₂ *6H₂O, сульфат магния MgSO₄ * 7H₂O.

4. Известь.

5. Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств, содержащие перечисленные выше реагенты.

Количество коагулянта зависит от его вида, расхода, состава и требуемой очистки воды и определяется экспериментально.

Однако коагуляция, идущая с применением неорганических коагулянтов, имеет ряд недостатков, к которым относятся: неуправляемость процесса и малая эффективность работы аппаратуры, связанная с медленным гидролизом коагулянтов и малой скоростью хлопьеобразования. Поэтому стали применять процесс флокуляции. Процесс этот открыт Анри в 1903 году.

Флокуляцией называется процесс, при котором мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых неорганических и органических веществ – флокулянтов образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

Флокулянты – линейные органические полимеры с очень высокой молекулярной массой. Схема образования агрегата при флокуляции носит название мостиковая модель. Механизм флокуляции следующий: 1)закрепление концов макромолекул на поверхности частиц, 2)адсорбция сегментов молекул на вакантных участках частиц. Наиболее эффективно процесс идет, когда размеры частиц соизмеримы с размером молекул. В других случаях эффективность флокуляции уменьшается.

Типы флокулянтов.

1. Неорганические флокулянты – активная кремниевая кислота или жидкое стекло mNa₂O * nSiO₂. m, n модули жидкого стекла (чаще всего равны 2 и 5)

2. Вещества получаемые из растительного сырья – крахмал, эфиры.

3. Синтетические органические флокулянты – полиакриаламид, полиэтиленамин.

Коагуляция и флокуляция происходит в специальных камерах смешения, после которых осуществляются те или иные механические методы очистки.

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называется сорбентом, а поглощаемое – сорбатом. Различают поглощение вещества всей массой жидкого сорбента (абсорбция) и поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента (адсорбция). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, селикагели, алюмогели, активные глины. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/т) и она колеблется в пределах от 1 до 50 кг/т.

Процесс сорбции может осуществляться в статических условиях, при которых частица жидкости не перемещается относительно частицы сорбента (аппараты с перемешивающими устройствами), а также в динамических условиях, при которых частица жидкости перемещается относительно сорбента. Поэтому различают статическую и динамическую активность сорбента. При этом динамическая активность составляет 45-90% относительно статической.

Сорбционная очистка может быть регенеративной, когда извлеченные вещества утилизируются или десорбируются, или деструктивной, когда извлеченные вещества уничтожаются. В зависимости от назначения сорбционной очистки применяются различные методы регенерации сорбента или его уничтожения.

Еще к одному из видов сорбции относится ионный обмен. Ионообменная сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита.

Очистка сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси, ПАВ, радиоактивные вещества, очищать сточную воду до ПДК с последующим использованием ее в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

По знаку обменивающихся ионов иониты делятся на катиониты и аниониты. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам, которые подразделяются на следующие виды:

1) сильнокислотные катиониты, содержащие сульфогруппы SO₃H и сильноосновные аниониты, содержащие четвертичные аммониевые основания;

2) слабокислотные катиониты, содержащие карбоксильные СООН и фенольные группы, диссоциирующие при рН> 7, а также слабоосновные аниониты, содержащие первичные NH₂ и вторичные NН аминогруппы, диссоциирующие при рН < 7,

3) иониты смешанного типа, проявляющие свойства смеси сильных и слабых кислот или оснований.

Иониты характеризуются полной и рабочей емкостью. Полная емкость – количество ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до полного насыщения, а рабочая емкость – количество находящихся в воде ионов, которое может поглотить 1 кг ионита до начала проскока в фильтрат.

Если катиониты находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет проходить по реакциям:

Ме⁺ + Н(К) = Ме(К) + Н⁺

Ме⁺ + Na(К) = Ме(К) + Na⁺

Где Ме⁺ - катион, находящийся в сточной воде, (К) – сложный комплекс катионита.

Регенерация катионитов осуществляется промывкой кислотой (при Н-катионите) или раствором хлористого натрия (при Na-катионите)

2Ме(К) + Н₂SО₄ = 2Н(К) + МеSО₄

Ме(К) + NaCl = Na(K) + MeCl

Поскольку в сточных водах, как правило, содержится несколько катионов, большое значение имеет селективность их поглощения. Для каждого вида катионита установлены ряды катионов по энергии их вытеснения.

Слабоосновные аниониты поглощают анионы сильных кислот

2(А)ОН + Н₂SО₄ = (А)₂SО₄ + 2Н₂О

Регенерация слабоосновных анионитов достигается фильтрованием через слой анионита 2-4%-ных водных растворов NaOH, Na₂CO₃, NH₄OH

Флотация процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы-пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.

Экстракция. При относительно высоком содержании в производственных сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (например, фенолы и жирные кислоты), эффективным методом очистки является экстракция органическими растворителями – экстрагентами. Этот метод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Отношение взаимно уравновешивающихся концентраций в двух несмешивающихся растворителях при достижении равновесия является постоянным и называется коэффициентом распределения

Кр = С_э/С_воды = const.

После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в сточной воде. После экстракции вода и насыщенный экстрагент разделяются. Затем сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после этого используется вновь в технологическом процессе очистки.

Электродиализ – процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока, применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под действием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду, проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь в направлении анода проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер ионы обоих знаков выводятся в один ряд камер.

Обратный осмос (гиперфильтрация) – непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полунепроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы или ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое, составляет при концентрации солей 2-5 г/л 0, 1-1 МПа и при концентрации солей 20-30 г/л - 5-10 МПа.

Биологические методы очистки сточных вод. Биологическое окисление широко применяемый на практике метод очистки сточных вод, позволяющий очистить от многих органических соединений. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд высокоорганизованных организмов, водорослей и грибов, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям, число которых варьируется от 10⁶ до 10¹⁴ клеток на 1 г сухой биомассы. Число родов бактерий может достигать 5-10, число видов – несколько десятков и даже сотен.

Различают очистку в естественных и искусственных условиях. К методам биологической очистки сточных вод в естественных условиях относятся: почвенная очистка, биологические пруды, биоплато. Методы биологической очистки сточных вод в искусственных условиях: биофильтры, аэротенки, окситенки, погружные биофильтры, биотенки-биофильтры, анаэробные биофильтры.