Физико-химические методы очистки сточных вод.

Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ. Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, причем они наиболее эффективны при локальной очистке сточных вод промышленных предприятий.

Коагуляция – процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия с коагулянтами, которые в воде образуют хлопья гидроксидов металлов. Хлопья, обладая способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их, быстро оседают под действием силы тяжести на дно резервуара. В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси.

Зачастую процессу коагуляции сопутствует флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. При этом процесс образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа интенсифицируется для повышения скорости их осаждения. Таким образом, введение флокулянтов в сточные воды позволяет, с одной стороны, снизить массу используемых коагулянтов, а с другой – уменьшить продолжительность процесса хлопьеобразования и повысить скорость их осаждения.

Коагуляция наиболее эффективна для удаления из сточных вод эмульгированных веществ и тонкодисперсных частиц размером 1…100 мкм. Эффективность очистки может достигать 0,9…0,95.

Наибольшее применение в качестве коагулянтов получили сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия и хлорид железа. Их расход составляет 0,1…5 кг на кубометр сточных вод.

Электрокоагуляционный метод очистки. Весьма перспективным методом очистки сточных вод гальванических и травильных отделений от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианов является электрокоагуляция – процесс образования нерастворимых гидроксидов в сточных водах при их прокачке через электрокоагулятор.

Установка (рис. 3.10) работает следующим образом. Поступающие на очистку сточные воды подвергаются предварительной очистке от грубых механических примесей в приемных емкостях 1…4, откуда сточные воды подаются на усреднитель 5, где исключается влияние волновых высококонцентрированных сбросов сточных вод. После усреднения сточные воды направляются в электрокоагулятор 6, при этом расход воды регулируется автоматически. Электрокоагулятор оснащен блоком электродов, как правило, выполняемых из стали или сплавов алюминия. На электроды подается постоянный ток напряжением 3…15 В, при этом номинальная токовая нагрузка лежит в пределах 250…4000 А. Под влиянием электрического поля, с одной стороны, дисперсные системы сточных вод становятся менее устойчивыми, а с другой – они коагулируют с трудно растворимыми гидроксидами железа или алюминия, возникающими и переходящими в воду с электродов. Затем сточная вода поступает в отстойник 8, где в течение 30…45 мин образуются агрегаты размером до 500…1000 мкм, которые выпадают в осадок. Осадок направляют в илонакопитель 7, а надосадочную жидкость в случае содержания в ней взвешенных веществ не выше ПДК сбрасывают в канализацию или направляют на повторное использование.

Рис. 3.10 Схема электрокоагуляционной очистки сточных вод

Если в сточной воде содержатся поверхностно-активные вещества (ПАВ), то осуществляют пенопогашение с помощью пара, в остальных случаях пенопогашение не применяется.

Осадок из илонакопителя направляют на обезвоживающую установку 9 и уплотнитель 10. Далее его утилизируют или направляют на захоронение.

Несмотря на повышенный расход электроэнергии, электрокоагуляционный метод очистки сточных вод позволяет перейти на оборотное водоснабжение, так как в результате действия электрического поля вода практически полностью очищается от бактерий. Это приводит к увеличению сроков службы воды, а также исключает возможность появления у обслуживающего персонала экзем, грибковых и других заболеваний кожи, неизбежно возникающих при соприкосновении с бактериально загрязненной водой.

Флотация применяется для очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые частицы. Сам процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости и удаление образовавшегося пенного слоя.

Различают следующие методы флотационной обработки сточной воды: перенасыщение сточной воды воздухом, механическую и электрофлотацию.

Флотацию за счет перенасыщения сточной воды воздухом подразделяют на вакуумную и напорную. При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 30…40 кПа (225…300 мм рт. ст.). Выделяющиеся в верхнюю часть камеры пузырьки воздуха выносят загрязнения на поверхность воды. Процесс флотации длится около 20 мин. Концентрация взвешенных частиц не должна превышать 300 мг/л.

Напорная флотация протекает в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под избыточным давлением и последующее резкое снижение давления до атмосферного. Напорные флотационные установки (рис. 6.13) позволяют обрабатывать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений до 5 г/л при производительности от 5 до 2000 м3/ч. Давление в напорной емкости поддерживают в пределах 0,17…0,39 МПа, время пребывания сточной воды в напорной емкости 14 мин, а во флотационной камере 10…20 мин. Объем подаваемого воздуха составляет 1,5…5% объема очищаемой воды. В ряде случаев сточную воду насыщают кислородом или озоном. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмом для сгребания пены в пеносборник.

Для механической флотации используют импеллеры (турбины насосного типа), форсунки и пористые пластины.

Суть метода электрофлотации состоит в том, что в процессе электролиза воды выделяющиеся на электродах пузырьки газов (водорода и кислорода) сталкиваются со взвешенными частицами, прилипают к ним и «флотируют» их на поверхность жидкости. Основную роль в процессе флотации частиц выполняют, как правило, пузырьки водорода, выделяющиеся с поверхности катода. Эффективность процесса флотационной очистки связана с числом и размером пузырьков. Поскольку размер отрывающихся пузырьков зависит не только от краевого угла, но и от кривизны поверхности электродов, последние изготовляют в виде проволочной сетки. При этом на размер пузырьков влияет толщина проволоки: с ее увеличением размеры пузырьков, как правило, возрастают. Число пузырьков зависит от плотности тока и материала электродов. Электрофлотацию можно осуществлять либо с применением диафрагмы, либо без нее. Во избежание перемешивания газов и образования гремучей смеси (2/3 водорода и 1/3 кислорода) предпочтение отдается диафрагменному варианту, тем более, что при этом можно уменьшить расстояние между электродами.

Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если эти вещества биологически не разлагаются или являются сильно токсичными при небольшой их концентрации. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 0,8…0,95.

В качестве адсорбентов используют активированные угли, синтетические вещества и некоторые отходы производства (золу, шлаки и т.д.).

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием воды через слой адсорбента.

Ионный обмен – обмен ионами, находящимися в растворе и присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита), позволяет извлекать и утилизировать из сточных вод ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть) и радиоактивные вещества. При этом сточная вода может быть очищена до предельно допустимых концентраций вредных веществ и использоваться в технологических процессах или системах оборотного водообеспечения .

Иониты, которые способны поглощать из воды положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы – анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые – основными. Иониты бывают неорганическими (минеральными) и органическими, природного происхождения или полученными искусственно. Наиболее распространены синтетические ионообменные смолы, представляющие синтетические полимеры с сетчатой структурой. Они отличаются высокой поглотительной способностью, механической прочностью, химической устойчивостью и большой гидрофильностью. Применение ионитов позволяет обеспечить высокую эффективность очистки, а также выделять из сточных вод металлы в виде относительно чистых и концентрированных солей.

Экстракция – способ разделения и извлечения из жидкости компонентов смеси. С помощью жидкостной экстракции очищают сточные воды от фенолов, масел, жирных кислот и др. Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. В общем случае экстракция выгоднее адсорбции при концентрациях примесей выше 3…4 г/л.

Очистка сточных вод экстракцией (рис. 3.11) состоит из трех стадий.

Рис. 3.11 Схемы экстракционных установок:

а – схема многоступенчатой противоточной экстракции (1–3 – смесители; 1¢–3¢ – отстойники);

б – схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента из экстракта и рафината (1 – система для удаления экстрагента из рафината; 2 – колонна; 3 – система для удаления экстрагента из экстракта)

Первая – интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем), в результате чего образуются две жидкие фазы: экстракт, который содержит извлекаемое вещество и экстрагент, и рафинат, который содержит сточную воду и экстрагент. Вторая стадия – разделение экстракта и рафината и заключительная стадия – регенерация экстрагента из экстракта и рафината. Для экстракции из сточных вод фенолов применяют простые и сложные эфиры, а нефтепродуктов – бензол. Эффективность экстракционных методов очистки сточных вод достигает 0,8…0,95.

Процессы анодного окисления и катодного восстановления, а также электродиализ применяют для очистки сточных вод от различных растворимых диспергированных примесей электрохимическими методами. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. В процессе электрохимического окисления вещества (цианиды, амины, альдегиды, нитросоединения и т.д.), находящиеся в сточных водах, полностью разлагаются, образуя CO2, NH3 и воду или более простые и нетоксичные вещества, которые можно удалять другими методами. При катодном восстановлении из сточных вод удаляются ионы тяжелых металлов, которые осаждаются на катоде и могут быть рекуперированы.

Для удаления солей из сточных вод широко используют метод электродиализа (рис. 3.12), который осуществляют в электролитической ванне, разделенной на три отделения двумя диафрагмами. В крайних отделениях размещают электроды. При этом можно получать кислоты и щелочи и вновь использовать их в производстве. Метод электродиализа перспективен для очистки сточных вод не только от растворенных солей, но и от ионов тяжелых металлов (Cr⁺⁶,Cu⁺² и т.д.) и фтора. Так, технико-экономическая оценка показала, что извлечение 1 кг фтора электродиализом обходится примерно в 5 раз дешевле реагентного метода. Электродиализ дает хорошие результаты и

Рис. 3.12 Схемы электрохимически неактивных (а) и электрохимически активных (б) диафрагм для очистки сточных вод методом электродиализа:

1 – анод; 2 – катод; 3 – анодная диафрагма; 4 – катодная диафрагма; 5 – анионопроницаемая диафрагма; 6 – катионопроницаемая диафрагма

при очистке сточных вод от радиоактивных загрязнителей, особенно от изотопов Sr, ¹³⁷Cs, ¹³⁸I. Недостаток метода состоит в необходимости предварительной очистки сточных вод от взвешенных частиц, которые засоряют диафрагмы.