Очистка сточных вод методом окисления примесей

Химические методы очистки сточных вод

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрали­зацию, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с рас­ходом различных реагентов, поэтому дороги. Их применяют для уда­ления растворимых веществ и в замкнутых системах водоснабже­ния. Химическую очистку проводят иногда как предварительную перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточ­ных вод.

Нейтрализация

Практически нейтральными счита­ются воды, имеющие рН=6,5-8,5.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смеши­ванием кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, аб­сорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией ам­миака кислыми водами.

Нейтрализация смешиванием. Метод применяют, если имеются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешивают в емкости с мешалкой и без мешалки.

Нейтрализация путем добавления реагентов. В качестве реагентов используют NаОН, КОН, Nа₂СО₃, NН₄ОН (аммиачная вода), СаСО₃, МgСО₃, доломит (СаСО₃∙МgСО₃), цемент. Иногда для нейтрализации применяют различные отходы производства. Например, шлаки ста­леплавильного, феррохромового и доменного производств использу­ют для нейтрализации вод, содержащих серную кислоту. Наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция с содержанием активной извести Са(ОН)₂ 5-10 %.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывают, будет ли в процессе об­разовываться осадок или нет. Принципиальная схема установки приведена на рис. 15.

Различают три вида кислотосодержащих сточных вод:

1) воды, содержащие слабые кислоты (Н₂СO₃, СН₃СООН);

2) воды, содержащие сильные кислоты (НС1, НNO₃);

3) воды, со­держащие серную и сернистую кислоты.

Рис. 15. Схема станции реагентной нейтрализации: 1 — песколовки; 2 — усреднители; 3 — склад реагентов; 4 — растворный бак; 5 — дозатор; 6 — смеси­тель; 7 — нейтрализатор; 8 — отстойник; 9 — осадкоуплотнитель; 10 — вакуум-фильтр; 11 — накопитель обезвоженных осадков; 12 — шламовая площадка

Для нейтрализации вод 1 и 2 групп может быть использован любой названный выше реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде. Кальциевые соли серной и сернистой кис­лот (3 тип) плохо растворимы в воде и выпадают в осадок. При нейтрализации вод, содержащих серную кислоту, известковым молоком в осадок выпадает гипс СаSО₄∙2Н₂O. Происходит отложение гипса на стенках трубопрово­дов и их забивка. Для устранения забивки трубопровода необходимо промывать их чистой водой или добавлять в сточные воды специ­альные умягчители, например гексаметафосфат. Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различ­ные кислоты или кислые газы.

Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрали­зующие материалы. В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, извест­няка, твердых отходов (шлак, зола). Процесс ведут в фильтрах-нейтра­лизаторах, которые могут быть го­ризонтальными или вертикальны­ми. Для вертикальных фильтров используют куски известняка или доломита размером 30-80 мм с продолжительностью кон­такта не менее 10 мин.

Нейтрализация кислыми га­зами. Для нейтрализации щелоч­ных сточных вод в последнее вре­мя начинают использовать отходящие газы, содержащие СО₂, SO₂, NO₂, N₂O₃ и др. Применение кислых газов позволяет не только нейт­рализовать сточные воды, но и одновременно производить высоко­эффективную очистку самих газов от вредных компонентов. Это при­мер ресурсосберегающей технологии, позволяющей исключить ис­пользование кислот, создать бессточную схему водопотребления.

Очистка сточных вод методом окисления примесей

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

Такие виды сточных вод встречаются в машиностроительной (цехи гальванических покрытий), горнодобывающей (обогатительные фабрики свинцово-цинковых и медных руд), нефтехимической и целлюлозно-бумажной (цехи варки целлюлозы) промышленностях.

В качестве окислителей используют хлор, гипохлорит кальция, гипохлорит натрия, хлорную известь, диоксид хлора, озон, технический кислород, кислород воздуха. В ряде случаев (для окисления фенолов, крезолов, циансодержащих примесей) могут быть использованы пероксид водорода, оксиды марганца, перманганат и бихромат калия.

Окисление активным хлором – один из самых распространенных способов очистки сточных вод от фенола, крезола, цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана, а также против биологического обрастания сооружений.

Хлор поступает в производство в жидком виде, содержит не менее 99,5 % Cl₂. В состав хлорной извести входят различные вещества: CaCl₂∙Ca(OH)₂∙H₂O; хлорат кальция CaClO₂; гипохлорит кальция Ca(ClO)₂. В зависимости от соотношения указанных веществ хлорная известь выпускается марок А, Б, В. Гипохлорит кальция Ca(ClO)₂ выпускается трех сортов.

При введении в воду хлор гидролизуется с образованием хлорноватистой и соляной кислот: Cl₂ + H₂O ↔ HOCl + HCl. Далее происходит диссоциация хлорноватистой кислоты, степень которой зависит от pH среды. При значениях pH>4 молекулярный хлор в воде практически отсутствует. Образовавшаяся в результате гидролиза хлора хлорноватистая кислота диссоциирует на ион гипохлорита OCl^- и ион водорода H⁺.

Сумма Cl₂, HOCl, OCl^- называется свободным «активным» хлором. В присутствии аммонийных соединений в воде образуется хлорамин NH₂Cl и дихлорамин NHCl₂.

Процесс хлорирования проводят в хлораторах периодического и непрерывного действия, напорных и вакуумных. Трубопроводы установки изготавливают из антикоррозионных материалов. Жидкий хлор перед подачей в установку испаряют.

При обезвреживании цианидов процесс проводят в щелочной среде pH=9. Цианиды можно окислить до элементарного азота и диоксида углерода по уравнениям:

CN^- + 2OH^- + Cl₂ → CNO^- + 2Cl^- + H₂O,

2CNO^- + 4OH^- + 3Cl₂ → CO₂ + 6Cl^- + N₂ + 2H₂O.

Окисление ионов CN^- может осуществляться путем перевода их в цианаты CNO^-, которые затем гидролизуются с образованием ионов аммония и карбонатов:

CN^- + OCl^- → CNO^- + Cl^-,

CNO^- + 2H₂O → NH₄⁺ + CO₃^2-.

Пероксид водорода разлагает нитриты, нитрилы, альдегиды, фенолы, сульфаты. Одновременно происходит обесцвечивание сточных вод. Процесс обесцвечивания ускоряется в присутствии катализаторов FeSO₄ и CuSO₄. Промышленность выпускает 85-95 % пероксид водорода и пергидроль, содержащий 30 % H₂O₂. Пероксид водорода в кислой и щелочной средах разлагается по следующим схемам

2H⁺ + H₂O₂ + 2e → 2H₂O,

2OH^- + H₂O₂ + 2e → 2H₂O + 2O^2-.

В кислой среде более отчетливо выражена окислительная функция, а в щелочной – восстановительная. В кислой среде пероксид водорода переводит соли двухвалентного железа в соли трехвалентного, азотистую кислоту – в азотную, сульфиды – в сульфаты. Цианиды в цианаты окисляются в щелочной среде.

Окисление кислородом воздуха проводят для удаления из сточных вод железа, окисления сульфидных стоков целлюлозных, нефтеперерабатывающих, нефтехимических заводов. Соединения двухвалентного железа окисляются в трехвалентные и, затем, в виде гидроксида трехвалентного железа удаляются. Процесс проводят при аэрировании воздуха через сточные воды в башне с насадкой. Образующийся гидроксид железа отстаивается, а затем отфильтровывается.

При окислении сульфидных стоков процесс окисления гидросульфидной и сульфидной серы протекает через ряд стадий при изменении валентности серы с -2 до +6. Принципиальная схема установки окисления сульфидов приведена на рис. 16.

Рис. 16. Схема установки окисления сульфидов:

1 – приемный резервуар; 2 – насос; 3 – теплообменник; 4 – окислительная колонна; 5 – воздухораспределительное устройство; 6 – сепаратор; 7 – холодильник

Окисление пиролюзитом. Пиролюзит является природным материалом, состоящим, в основном из диоксида марганца, формула MnO₂∙H₂O. Сточные воды фильтруют через этот материал с целью окисления трехвалентного мышьяка в пятивалентный.

H₃AsO₃ + MnO₂ + H₂SO₄ = H₃AsO₄ + MnSO₄ + H₂O.

Повышение температуры способствует увеличению степени окисления, поэтому окисление пиролюзитом проводят при температуре 70-80 ^оС.

Озонирование. Окисление озоном позволяет одновременно обесцветить сточные воды, устранить запахи и привкусы, провести обеззараживание. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, красителей, канцерогенных веществ, ароматических углеводородов, пестицидов и др. Кроме того, соединения металлов окисляются озоном до высшей валентности.

CN^- + O₃ → CNO^- + O₂,

MnSO₄ + O₃ + 2H₂O → H₂MnO₃ + O₂ + H₂SO₄,

2H₂MnO₃ + 3O₃ → 2HMnO₄ + 3O₂ + H₂O

Озон подают в сточные воды в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной смеси, в которой его содержание составляет 3 %. Установки для очистки сточных вод состоят из аппаратов для очистки и осушки воздуха, озонаторов, камер контакта сточных вод с озоном, оборудования для утилизации остаточного озона. В обрабатываемую воду озон вводят различными способами: барботирование воздуха, содержащего озон, через слой воды; смешение воды с озоновоздушной смесью в инжекторах или роторно-механических смесителях, в абсорберах различной конструкции.

Процесс озонирования интенсифицируется, если одновременно с озоном использовать ультразвук или УФ-облучение. Например, в последнем случае окисление ускоряется до 10000 раз.