Очистка производственных сточных вод предназначается для удаления загрязняющих примесей, извлечения содержащихся ценных веществ и обеззараживания воды перед спуском в водоем. В зависимости от характера и степени изменения свойств примесей различают регенеративные и деструктивные методы очистки сточных вод.
Удаление примесей из сточных вод при использовании регенеративных методов очистки идет без изменения химического строения примесей. Эти методы наиболее эффективны по технико-экономическим показателям и перспективны для применения в системах оборотного водоснабжения и для создания бессточных технологических процессов. К регенеративным методам относятся экстракция, эвапорация, ионный обмен и др.
Деструктивные методы очистки сточных вод основаны на глубоком изменении химического строения примесей, что способствует переходу их в менее сложные или нетоксичные соединения. К деструктивным методам относятся биологические и многие химические способы очистка.
Механические методы очистки сточных вод рассчитаны на удаление грубодиспергированных веществ. К ним относятся извлечение крупных примесей с помощью решеток или сеток, отстаивание воды, фильтрование, центрифугирование. Для некоторых видов сточных вод бывает достаточным применение этих методов для того, чтобы они удовлетворяли требованиям, предъявляемым к воде, поступающей в сеть оборотного водоснабжения или в водоем.
Коагулирование. Этот метод используется для выделения из сточных вод взвешенных и коллоидных примесей. Коагулянт необходимо выбирать так, чтобы знак заряда его коллоидных частиц был противоположен знаку заряда частиц примесей. Вследствие малой агрегативной устойчивости взвешенных веществ доза коагулянта для их удаления будет меньше, чем для коагулирования коллоидных примесей. При коагулировании удаляются примеси, обуславливающие мутность, цветность, снижаются ХПК и БПК.
Перспективным методом очистки производственных сточных вод от коллоидных и эмульгированных примесей служит электрокоагуляция. Этот метод относится к безреагентным, является более технологичным, не требует больших производственных площадей.
Флотация. Применяется для удаления из сточных вод эмульгированных или суспендированных примесей. Сущность флотации в образовании агрегатов «пузырек газа – извлекаемая примесь», которые всплывают на поверхность. Пузырьки воздуха гидрофобны и поэтому гидрофобные частицы примесей вытесняют с поверхности раздела молекулы воды, образуя новые агрегаты «частица примеси – пузырек воздуха». Если пузырек воздуха полностью покроется частицами примеси, то последующие частицы будут прилипать уже на однородную поверхность. Формирующийся пенный слой удаляется механически.
Для более эффективной флотации размер извлекаемых частиц должен находиться в пределах 20-100 нм для суспензий и 100-300 нм для эмульсий. Воздух поступает в воду в тонкодиспегированном состоянии с диаметром пузырьков 15 – 30 нм.
Экстракция. Метод основан на извлечении органических примесей с малой растворимостью в воде с помощью органических растворителей-экстрагентов, в которых эти соединения хорошо растворимы. Для улучшения массообмена экстрагент дозируется в очищаемую воду в тонкодисперсном состоянии. В результате экстракции примесь распределяется между экстрагентом и водой. Процесс осуществляется в несколько стадий, т.к. однократная экстракция не позволяет достаточно полно удалить примеси.
После экстрагирования растворенное вещество извлекается из экстрагента перегонкой.
Пароциркуляционный метод (эвапорация). Метод применяется для удаления из сточных вод веществ, летучих с водяным паром. Он основан на образовании некоторыми органическими соединениями азеотропной смеси с водяным паром. Сущность метода заключается в том, что подлежащая очистке вода, нагретая до 100оС, поступает в колонку с насадкой, которая позволяет увеличить поверхность контакта пара с водой. Навстречу стекающей воде подается водяной пар с температурой 102-103оС и в газовую фазу переходят вещества, летучие с водяным паром.
Сорбционный метод. Сущность метода заключается в концентрировании примесей на поверхности твердого сорбента. Используется для очистки сточных вод от растворенных веществ, находящихся в виде молекул и ионов. Неоспоримое преимущество его в том, что он обладает высокой эффективностью при малой концентрации примесей, когда использование других методов экономически нецелесообразно или вообще невозможно.
Качество очистки зависит от природы сорбента и примесей, от площади поверхности сорбента и условий проведения процесса (статический или динамический). Сорбция в статических условиях заключается в контактировании воды с определенным количеством сорбента в течение некоторого времени и последующим отделением отработанного сорбента. При динамических условиях (многоступенчатая схема) новая порция сорбента приводится в контакт с уже частично очищенной водой, что позволяет достичь практически полного извлечения примесей.
Метод ионного обмена. Используется для очистки сточных вод, содержащих растворенные примеси в виде ионов. Катионы металлов обмениваются на катионитовых фильтрах. Анионы – на сильноосновных анионитах. Обмен крупных органических ионов, содержащихся в сточных водах, осуществляется на крупнопористых ионитах.
Особую группу полимерных ионообменных материалов составляют электоронообменники (редокситы) – окислительно-восстановительные иониты. Они используются для удаления из воды кислорода, галогенов, извлечения благородных металлов, перевода ионов металлов из одной степени окисления в другую. Действие их основано на существовании в структуре ионита активных групп, обладающих окислительными или восстановительными свойствами.
Электродиализ. Метод ранее использовался для опреснения воды, а в последние годы применяется для очистки производственных сточных вод. Основное назначение электродиализных установок – извлечение из обрабатываемой воды ионизированных примесей.
Гиперфильтрация (обратный осмос). В последние годы данный метод стал широко использоваться для очистки производственных сточных вод от растворенных примесей. Преимущества его заключаются в том, что процесс достаточно прост и экономичен. Качество очистки воды настолько высокое, что она без дополнительной обработки может использоваться в водообороте предприятия.
Наряду с гиперфильтрацией для очистки производственных сточных вод от высокомолекулярных веществ применяется метод ультрафильтрации, при которой обработка воды ведется с использованием мембран с большим размером пор.
Химические методы. Основаны на осуществлении химических реакций, в результате которых образуются труднорастворимые соединения, происходит окисление или восстановление примесей, превращение токсичных соединений в нетоксичные. В сточных водах многих производств часто содержатся высокотоксичные соединения: цианиды, соли тяжелых металлов, некоторые органические вещества. Предварительное удаление таких веществ из сточных вод является необходимым.
Сжигание органических примесей. Термический (или огневой) метод обезвреживания применяется для обработки промышленных отходов и высококонцентрированных производственных сточных вод, содержащих органические и минеральные примеси. Возможность применения этого метода определяется свойствами примесей. Серьезной проблемой, возникающей при термической обработке, является очистка отходящих газов. Успешно используется обезвреживание огневым методом в циклонных реакторах. Работа их основана на том, что концентрированные промышленные стоки в тонкодисперсном состоянии подаются в зону огневого факела. Вода испаряется, горючие органические примеси сгорают с образованием нетоксичных газов, а неорганические компоненты выводятся из реактора в виде расплава.
Дезактивация. При современных масштабах техногенного воздействия на окружающую среду вопрос дезактивации воды становится крайне актуальным. Выбор метода дезактивации зависит от активности обрабатываемых вод и химических свойств элемента. По степени активности различают низко-, средне- и высокоактивные воды. Высокоактивные воды концентрируют упариванием, обрабатывают специальными реагентами и выдерживают в особых емкостях до полной дезактивации. Для дезактивации средне- и низкоактивных вод используются методы, используемые для обычной очистки сточных вод (осаждение, Коагулирование с последующим отстаиванием, сорбция, ионный обмен) с некоторыми особенностями. Дезактивация низкоактивных вод может проводиться биологическими методами, основанными на способности микроорганизмов активного ила, биопленки, планктона аккумулировать радиоактивные изотопы. Степень удаления на биофильтрах может достигать 75-95 %.
Общим и существенным недостатком всех методов дезактивации является образование высокоактивных отходов, которые подлежат дополнительной обработке или захоронению.
Обеззараживание. Наиболее распространенным методом обеззараживания воды является обработка газообразным хлором или его кислородными соединениями. При обычных условиях хлор – ядовитый газ с резким запахом, зеленовато-желтого цвета. При -34,6оС и нормальном давлении хлор сжижается. Хлор является очень активным элементом. Он взаимодействует почти со всеми металлами и многими неметаллами. Непосредственно с кислородом хлор не соединяется, но известны его оксиды (Cl2O, ClO2, ClO3, Cl2O7) и кислородсодержащие кислоты (HClO, HClO2, HClO3, HClO4).
В практике применяется свободный хлор, соли хлорноватистой кислоты (гипохлориты) и диоксид хлора (ClO2). При растворении хлора в воде происходит гидролиз с образованием двух кислот: хлорноватистой и соляной. В зависимости от рН основными устойчивыми составляющими водных растворов хлора являются Cl2, HClO, ClO¯ (гипохлорит-ион).
Обеззараживающее действие хлора проявляется в хлорировании и окислении органических веществ, содержащихся в воде.
Механизм бактерицидного действия хлора и его кислородсодержащих соединений заключается во взаимодействии с молекулярными структурами клетки микроорганизма, в первую очередь с ферментами. Потеря биохимической активности фермента может происходить в результате реакций окисления, хлорирования и замещения. Изменения в структуре ферментов ведут к нарушению обменных процессов в клетке и, в итоге, к ее гибели.
Кроме хлора для обеззараживания воды применяются соли хлорноватистой кислоты – гипохлориты кальция и натрия и хлорная известь, содержащая гипохлорит и хлорид кальция.
Хлорная известь представляет собой белый гигроскопичный порошок с характерным запахом. Разлагается под действием диоксида углерода, влаги, воздуха и света.
Хлорную известь получают хлорированием на холоду известкового молока. При растворении хлорной извести происходит взаимодействие с водой с образованием хлорноватистой кислоты. Техническая хлорная известь должна содержать не менее 32-35 % активного хлора.
В последние годы вместо хлорной извести применяют гипохлорит кальция, в котором содержание активного хлора достигает 50-60 %.
Для обеззараживания воды на локальных установках и в полевых условиях применяются органические хлорамины. Это соединения, в которых один или оба атома водорода в аминогруппе — NH2 замещены атомами хлора. В соответствии с этим различают моно- и дихлорамины. Гидролиз хлораминов в воде происходит значительно медленнее, чем других хлорсодержащих реагентов. Поэтому, активный хлор сохраняется в воде более длительное время. В зависимости от рН в результате гидролиза образуется хлорноватистая кислота или гипохлорит-ион, чем и обусловлено бактерицидное действие хлораминов.
Время контакта хлора с водой, необходимое для обеззараживания воды, составляет 30 минут. Количество введенного хлора должно быть таким, чтобы после окисления примесей в воде остался некоторый избыток активного хлора – остаточный хлор. Его наличие в воде повышает бактерицидный эффект.
Влияние различных видов излучений на микроорганизмы имеет важное экологическое значение, и степень этого влияния определяется длинной волны.
Инфракрасное излучение оказывает тепловое воздействие.
Важное значение имеют световые волны для фотосинтезирующих микроорганизмов, которые не могут развиваться в его отсутствие.
Излучения определенной длины волны видимой части спектра необходимы для жизнедеятельности пигментообразующих бактерий.
Изменение интенсивности освещенности сопровождается перемещением микроорганизмов, находящихся в воде во взвешенном состоянии (фотодинамический эффект). Фотопозитивные (светолюбивые) виды перемещаются в верхние слои. Фотонегативные формы сосредотачиваются в донных отложениях.
К числу наиболее значимых, по своему влиянию на микроорганизмы, относится ультрафиолетовое излучение. Так, на прямом солнечном свету отмирание микробов происходит в тонком слое воды через 20-30 минут. Малые дозы облучения способствуют некоторой стимуляции жизнедеятельности микроорганизмов. Более высокие – прекращают их размножение. Большие дозы – вызывают отмирание микроорганизмов. Ультрафиолетовое излучение с длинной волны от 200 до 300 нм обладает наиболее сильным бактерицидным действием. Это явление можно объяснить образованием свободных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью. Инициированные ими реакции ведут к нарушению биохимических процессов обмена веществ. В присутствии кислорода эффект облучения усиливается, что приводит к гибели большого числа микроорганизмов. На этом основании различные источники УФ-излучения определенной длины волны с успехом используются для обеззараживания воды хозяйственно-питьевого и технологического назначения.