Взвешенные вещества образуют в воде гетерогенные системы, что обусловлено наличием нерастворимых или малорастворимых соединений. Нерастворимые частицы, состоящие из большого числа атомов или молекул, образуют дисперсную фазу, а вода, в которой они распределены, - дисперсную среду. Фаза представляет собой совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу и физико-химическим свойствам, и отделенных от других частей системы поверхностью раздела. [З].
Существование поверхностей раздела является обязательным признаком гетерогенных систем. Особые свойства и строение пограничных межфазных слоев, обладающих в высокодисперсных системах большой свободной поверхностной энергией, в значительной степени определяют поведение таких систем, их агрегативную и кинетическую устойчивость. Величина межфазной поверхности зависит от размера частиц дисперсной фазы - чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность и тем сильнее влияние поверхностных явлений на свойства системы.
Крупные частицы примесей - тяжелые смолообразные нефтепродукты кинетически неустойчивы, не образуют с водой устойчивых гетерогенных систем, так как быстро оседают на дно под действием гравитационных сил. Скорость седиментации зависит от формы частиц, соотношения силы тяжести, приводящей к их осаждению, и силы трения, препятствующей этому процессу. Водные дисперсии, содержащие частицы размером более 10-3 см, обладают как правило, полной кинетической неустойчивостью. При уменьшении размера частиц до 10-4-10-5 см образуются гетерогенные системы, для которых характерна сравнительно небольшая удельная поверхность дисперсной фазы, слабая интенсивность теплового движения частиц и невысокая кинетическая устойчивость.
Тонкодисперные частички нефти всплывают на поверхность, так как их плотность меньше, чем плотность воды. Скорость движения воды в нефтеловушке изменяется в пределах 0,005-0,01м/с. Для частичек нефти диаметром 80-100 мкм скорость всплывания равна 1-4 мм/с.
Коагуляция применяется для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием сил тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.
Коллоидная система состоит из дисперсионной среды и дисперсной фазы. Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частиц двойного электрического слоя. Одна часть двойного слоя фиксирована на поверхности раздела фаз, а другая создает облако ионов, т. е. одна часть двойного слоя является неподвижной, а другая подвижной (диффузный слой). Разность потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидкости) называется дзета-потенциалом x или электрокинетическим потенциалом. Дзета-потенциал зависит как от термодинамического потенциала Е (разность потенциалов между поверхностью частиц и жидкостью), так и от толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые предохраняют частицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных частиц загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на поверхности этих частиц, обуславливает высокую стабильность коллоидной системы. [I].
Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. При коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда.
В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.
Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК. БПК - это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода, использованного при биохимических процессах окисления органических веществ за определенный промежуток времени (2-20 суток), в мг О2 на 1 мг вещества. ХПК - химическая потребность в кислороде, т. е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержащихся в воде. ХПК также выражается в мг О2 на 1 мг вещества. [I].
Для очистки промышленных сточных вод применяется процесс биохимического окисления, т. е. разрушение органических веществ. Для подачи промышленных сточных вод на биохимические очистные сооружения необходимым условием является отсутствие в них ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов; рН=6,5-7,5; температура сточной воды не должна превышать 35°С; показатель БПК - не более 500 мг/л; взвешенных веществ - не более 100 мг/л; общее содержание солей - не более 10 г/л; нефтепродуктов - не более 25 мг/л; устойчивых ПАВ - не более 20 мг/л. Очистка осуществляется аэробным методом, который основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода в количестве 2-4 мг/л и температура воды 20-35°С. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле.
Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий. Субстрат, которого в активном иле может быть до 40%, представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных твердых остатков. К нему прикрепляются организмы активного ила. Активный ил представляет собой амфотерную коллоидную систему, при рН=4-9, имеющую отрицательный заряд.
Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии. Все реакции биохимического метаболизма управляются по скорости при помощи биокатализаторов-ферментов. Клетки микробов имеют определенный набор ферментов. Некоторые из них постоянно присутствуют, другие синтезируются в клетках вследствие каких-либо изменений в окружающей среде, например, изменения состава или концентрации загрязнений сточных вод.