Очистка от растворенных неорганических веществ
Хорошо освоенным и широко применяемым методом обессоливания является дистилляция (как и в природе, испарение воды). Для обессоливания морской воды используются установки мощностью от 15 до 40 тыс.м3/сут. Основной их недостаток - большой расход энергии: лучшие из них расходуют не менее 0,02 Гкал на l м3 получаемой воды.
В южных странах для опреснения солёных вод, в основном для питьевых целей, используют солнечную энергию.
В отдельных случаях для удаления солей применяют вымораживание. Известно, что при медленном охлаждении соленой воды из неё в первую очередь вымораживаются кристаллы льда, практически не содержащие солей.
Весьма перспективными и уже получившими широкое распространение методами удаления солей являются мембранные: электродиализ и обратный осмос. Электродиализ основан на направленном переносе ионов диссоцированных солей в поле постоянного тока через селективные мембраны из естественных или синтетических материалов. Метод позволяет разделять не только сточные воды на обессоленную (чистую) воду и концентрированный раствор солей, но и раствор солей на кислоты, щёлочи и другие составляющие. За рубежом метод электродиализа широко применяется для обессоливания воды. Обычно мощность установок составляет 150-250 м3/сут, однако уже действуют установки производительностью 20 и даже 400 тыс. м3/сут.
Обратный осмос. Процесс разделения водных растворов путем их фильтрации через полупроницаемые мембраны под действием давления, много выше осмотического. Метод имеет существенные преимущества перед другими: меньшие энергозатраты, простота изготовления, монтажа и эксплуатации установок и их малые габариты и т.д.
Во всех странах мира широкое распространение получило обессоливание воды с применением ионитов, ионный обмен. Несмотря на значительные успехи в развитии методов химического обессоливания воды и дистилляции ионный обмен до сих пор остается основным методом приготовления глубокообессоленной воды для АЭС и ТЭС с паровыми котлами высокого, сверхвысокого и критического давления, а также для получения ультрачистой и обессоленной воды для химической, электронной и некоторые других отраслей промышленности.
Появление таких методов обессоливания воды, как электродиализ и обратный осмос, не ослабил интереса к ионообменному обессоливанию. Надо полагать, что на ближайшие 10-15 лет этот метод будет самым распространенным и экономически наиболее предпочтительным методом глубокого обессоливания воды со средней степенью минерализации (содержание солей до 2 г/л).
Основными недостатками общепринятых технологических схем ионообменной очистки является значительное количество солей, образующихся при регенерации ионообменных фильтров (к извлекаемым из очищаемой воды солям прибавляется в 2-4 раза большее количество солей от регенерации ионообменных смол). Большой расход воды на собственные нужды (20-60% от номинальной производительности) и необходимость предварительного освобождения воды от органических веществ, необратимо сорбирующихся на ионообменных смолах и снижающих их обменную ёмкость, существенно ухудшают показатели процесса очистки. Поэтому среди методов обессоливания ионный обмен следует рассматривать не как способ удаления солей, а как сугубо специфический технологический прием для получения глубоко обессоленной воды и извлечения некоторых ценных или высокотоксичных элементов.
Экономический анализ показывает, что при использовании дистилляционного опреснения целесообразно применение высокопроизводительных станций (мощностью несколько десятков тыс.м3/сут) и сильноминерализованных вод (более 10 г/л).
Мембранные методы обессоливания в настоящее время экономичны при опреснении вод с содержанием солей до 15 г/л.
Электродиализ и обратный осмос позволяют получать воду относительно низкой стоимости на установках малой и средней (до нескольких тыс.м3/сут) производительности. В ряде случаев хорошие результаты достигаются при комбинации методов: дистилляции и электродиализа или обратного осмоса, ионного обмена или обратного осмоса и электродиализа и др.
В большинстве случаев используется комплекс этих методов.
Очистка сточных вод от органических веществ
Основным методом очистки сточных вод от органических примесей является биологическое окисление (аэробное, в присутствии свободного, растворённого кислорода и анаэробное, в отсутствие свободного кислорода). Процесс биохимической очистки по своей сути – природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в водоёмах и очистных сооружениях, так и в сосудах для определения БПК. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (таких, как водоросли и грибы), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество принято называть активным илом. Последний содержит от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы (около 3000 мг микроорганизмов на литр сточной воды).
Аэробный процесс. Для жизнедеятельности живых организмов необходимо поддерживать соответствующие условия:
- температура процесса 20-30 оС;
- рН среды 6,5-7,5;
- соотношение биогенных элементов БПКп: N: Р не более 100:5:1;
- кислородный режим - не ниже 2 мгО2/л;
- содержание токсичных веществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/л, соединений бериллия, титана, шестивалентного хрома и оксида углерода 0,01 мг/л, соединений висмута, ванадия, кадмия и никеля 0,1мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/л и т.д.
Биохимическая (аэробная) очистка, сточных вод проводится в специальных сооружениях: аэротенках, окситенках, биофильтрах, биологических прудах и т.д. На аэробную очистку направляются сточные воды с содержанием органических веществ (по БПК) до 5000 мгО2/л; конечная их концентрация - до 10 мг О2/л. Принципиальные схемы широко распространённых одно- и трехкоридорных аэротенков представлена на слайде 19.
Время пребывания сточных вод в аэротенке в смеси с активным илом колеблется от 6 до 10 ч. После отстаивания иловой смеси часть активного ила возвращается в аэротенк, а основная его часть поступает на переработку в метантенки или на иловые поля. Очищенная сточная вода направляется на доочистку или непосредственно в водоёмы.
Рассмотрим более подробно основные методы уменьшения потребления воды. В сельском хозяйстве это совершенствование систем.
Внедрение современных дождевальных систем, которые расходуют в 5-6 раз меньше воды.
Капельное орошение - уменьшает потери воды при орошении на 84%.
Выращивание новых гибридных сортов, требующих меньше влаги.
Гидроизоляция дна и стенок каналов.
Удобрения с отдачей влаги.
Экономия воды в промышленности, прежде всего, связана с
внедрение новых технологий, требующих меньше воды и введение замкнутых систем водопользования.
Настоятельная необходимость и целесообразность создания замкнутых систем производственного водоснабжения, являющихся основой рационального водопользования, обусловлены тремя основными факторами:
дефицитом пресной воды;
исчерпанием обезвреживающей способности;
экономическими преимуществами.
Если стоимость 90%-ной степени очистки сточных вод принять за единицу, то очистка на 99% обойдется примерно в 10 раз дороже, а очистка на 99,9%, которая часто и требуется для достижения ПДКрх, будет дороже в 100 раз.
В результате локальная очистка сточных вод с целью их повторного использования в производстве в большинстве случаев оказывается значительно дешевле их полной очистки в соответствии с требованиями санитарных норм.
В целом, рецикл оказывается, более выгоден, чем прямоточная система водоснабжения.
Рассмотрим основные принципы создания водооборотных систем. Вопросом первостепенной важности при создании замкнутых водооборотных систем является разработка научно-обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. Необходимо предусмотреть возможность каскадного использования воды. Вода после одной технологической операции, по возможности, должна использоваться на другой операции. При этом к воде, находящейся в обороте предъявляется ряд требований:
1. Не должно ухудшаться качество получаемого продукта;
2. Должна обеспечиваться безаварийная работа оборудования;
оно не должно разрушаться вследствие коррозии, на стенках не должны появляться отложения и т.д.;
3. Вода должна не влиять на здоровье обслуживающего персонала за счёт изменения токсикологических или эпидемиологических характеристик воды.