Химические методы очистки

Химические методы применяют для удаления из сточных вод рас­творимых загрязнителей, используя различные реагенты. При взаимо­действии с примесями последние образуют безвредные соединения или малорастворимые осадки, в состав которых переходят элементы вред­ных веществ. Таким образом, изменяются не только физические, но и химические свойства подвергаемых очистке систем, в строго эквива­лентных количествах реагируют, исчезают и возникают различные ве­щества.

Нейтрализация

Нейтрализацию осуществляют для приведения рН сточных вод к 6,5-8,5 т.е. к среде, близкой к нейтральной. Более опасны (химиче­ски активнее) и чаще, в сравнении с щелочными, встречаются кислые стоки. Последние обычно загрязнены минеральными кислотами (сер­ной, азотной, соляной, фосфорной, сероводородной, плавиковой, хро­мовой и др.), их смесями, а также органическими кислотами (уксус­ной, салициловой и пр.).

Все методы нейтрализации основаны на взаимодействии кислоты с основаниями с образованием соли и воды, например:

 

НС1 + NаОН→NaCl+ Н2О

 

Соль, в зависимости от величины ее растворимости, остается в рас­творе или выпадает в осадок.

Применяют следующие способы нейтрализации:

взаимную кислых и щелочных сточных вод их смешением;

реагентную (растворами кислот, негашеной и гашеной известью, кальцинированной Nа₂СОз и каустической NаОН содой, раствором аммиака);

на специальных фильтрах, пропуская сточные воды через нейтрали­зующие материалы (известь, известняк, доломит, магнезит, обожжен­ный магнезит, мел и т.д.).

Окисление

Окисление проводят с целью обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси или соединения, извле­чение которых нецелесообразно. В качестве окислителя используют хлор, гипохлориты натрия и калия (NаСlO и КСlO), диоксид хлора С1О₂, озон, технический кислород и кислород воздуха, пероксид водорода Н₂О₂, перманганат калия КМnО₄. При окислении растворенные ядовитые вещества перехо­дят в нетоксичные соединения, в том числе выпадающие в осадок и удаляемые последующими отстаиванием или фильтрацией.

Наиболее часто используют хлорирование и озонирование сточных вод, являю­щиеся одними из самых распространенных способов их очистки от ядовитых цианидов и ряда других органических и неорганических со­единений. Цианиды в сточных водах образуются на машиностроитель­ных и металлообрабатывающих заводах в гальванических цехах, а так­же при промывке изделий после закалки их в расплаве цианидов. Обычное содержание цианидов в таких сточных водах составляет 20-100 мг/л и более.

При хлорировании вводимый в воду хлор через ряд элементарных стадий реакции превращает цианиды в безвредные диоксид углерода и азот.

Хлорирование в настоящее время является самым распространен­ным среди химических методом обеззараживания воды. Реагент срав­нительно недорог, активен, обладает широким спектром антимикробно­го действия, легко дозируется и контролируется.

Многочисленные данные свидетельствуют, что хлорирование питьевой воды и сточных вод приводит к образованию хлорорганических соединений, в том чис­ле хлораминов. Хлорорганика вызывает высокие уровни мутагенной активности и токсичности, канцерогенные эффекты. Это усугубляется тем, что образующиеся хлорорганические соединения обладают высо­кой стойкостью, вызывая загрязнение водоемов на значительной пло­щади и практически не извлекаясь в процессе водоподготовки.

В связи с изложенным потребление хлора в Европе, США, Япо­нии сокращается. Однако, несмотря на многочисленные недостатки хлора и его соединений, отказ от них полностью в водоподготовке в ближайшее время невозможен, поскольку ни один метод (кроме сереб­рения воды) не обладает необходимым последействием, что весьма важно для сохранения качества воды в распределительных сетях. По­этому какими бы другими методами ни обрабатывали воду (озониро­вание, ультрафиолетовое облучение и т.п.), ее необходимо хлорировать перед подачей в сеть (Гончарук...).

Физико-химические методы

 

Физико-химические методы используют для удаления примесей коллоидных размеров и растворенных. Физико-химические методы пригодны для осаждения токсичных металлов и их солей, удаления масел и суспендированных веществ, осветления стоков со снижением БПК и ХПК.

 

Коагуляция и флокуляция

Будучи в большинстве случаев лиофильными (хорошо смачиваемые, устойчивые к взаимному слипанию) коллоидными системами суспензионного (жидкая дисперсионная среда и твердая дисперсная фаза) и эмульсионного (жидкая дисперсионная среда и жидкая дисперсная фаза ) типов,

Вредные примеси стоков могут быть достаточно кинетически и агрегативно устойчивыми и не осаждаться в течение неопределенно долгого времени. Для нарушения их устойчивости используют реагентные и безреагентные методы, общим свойством которых является сня­тие тем или иным способом заряда с поверхности коллоидной примеси. Развивающаяся при этом потеря агрегативной устойчивости (слияние частиц) ведет к их оседанию, т.е. к очистке стоков.

В практике обработки воды термин «коагуляция» относят к процессам дестабилизации, а термин «флокуляция» означает после­дующее укрупнение нейтральных коллоидов. Как известно, в коллоид­ной химии коагулянты и флокулянты различают как астабилизаторы соответственно неорганических и высокомолекулярных коллоидных систем.

В качестве коагулянтов для очистки сточных вод используют соли алюминия и железа: сульфат натрия (жидкий или сухой), жидкий хлорид алюминия, алюминат натрия, смесь сульфата натрия с гашеной известью или сульфата двухвалент­ного железа с известью и др. Дозы коагулянтов устанавливаются опытным путем в зависимости от качества обрабатываемой воды и требуемой степени очистки.

Методы обработки сточных вод с применением флокулянтов зна­чительно ускоряют процессы агрегации осаждающихся частиц.

Флокулянты классифицируют по составу (неорганические, органи­ческие), способу получения (синтетические, природные), агрегатному состоянию (твердые и жидкие органические флокулянты), электриче­скому заряду (анионные, катионные, неионогенные).

Флокулянты вводят в стоки после коагулянтов.

 

Экстракция

— процесс распределения растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами с преимущественным его переходом в одну из них в соответствии с коэффициентом распределения. Жидкость, из которой извлекают (экстрагируют) вещество, называется рафинатом, а жидкость, в которую это вещество переходит, — экстрагентом (растворителем, экстрагирующей фазой).

Используют для извлечения органических веществ (фенолов, спиртов, жиров и т.д.), применяя органические экстрагенты, малорастворимые в воде (бензол, бутилацетат, четыреххлористый углерод).

 

Сорбция

— очистка основана на процессах адсорбции из сточных вод растворенных и взвешенных в них примесей твердыми адсорбентами.

 

Ионный обмен

— основан на частном случае адсорбции — обменной адсорбции. На поверхности адсорбента, приводимой в контакт с раствором электролита, уже адсорбирован другой электролит, что приводит к обмену ионов между поверхностным слоем адсорбента и жидкости. При этом адсорбент, поглощая определенное количество каких-либо ионов, одновременно выделяет в раствор эквивалентное количество других ионов того же знака, вытесненных с поверхности. (для удаления ионов тяжелых цветных металлов).

Мембранные методы

— основаны на процессах массопереноса через полунепроницаемые перегородки, в результате которых происходит отделение примесей от растворителей или дисперсионной среды.

Диализ—растворенное вещество проходит через мембрану, а более крупные коллоидные частицы не способны проникать через полунепроницаемую перегородку и остаются в виде очищенного коллоидного раствора (материал перегородки: бычий пузырь, пергамент, целлофан).

Баромембранные методы в которых массоперенос осуществляется под влиянием градиента ( вектор показывающий направление изменения давления) давления. Осмотическое давление возникает, когда между чистым растворителем (водой) и раствором (например сахара) устанавливают полупроницаемую мембрану, которая пропускает растворитель, но задерживает растворенное вещество.

Флотация

Применяется при очистке сточных вод от нефти, нефтепродуктов, ПАВ и т.д. Сущность процесса состоит в насыщении стоков воздухом, к пузырькам которого прилипают частицы твердых веществ, вместе с ними всплывающие на поверхность.

 

Биологические методы

Метод биологической очистки заключается в мине­рализации органических заг­рязнений сточных вод при по­мощи аэробных биохимичес­ких процессов.

После биологической очистки вода становится про­зрачной, незагнивающей, со­держащей растворенный кислород и нитраты. Есть не­сколько типов биологических устройств по очистке сточ­ных вод: биофильтры, аэротенки и биологические пру­ды.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого мате­риала, покрытого тонкой бак­териальной пленкой. Эта пленка является действую­щим началом в биофильтрах. Благодаря ей интенсивно протекают процессы биохи­мического окисления.

Аэротенки — это железо­бетонные резервуары, обыч­но больших размеров, через которые медленно протекают подвергающиеся аэрации сточные воды, смешанные с активным илом.

Очищающее начало аэротенков — активный ил из бактерий и микроскопичес­ких животных. Источниками питания и бурного развития организмов активного ила служат загрязнения сточных вод органическими веществами и из­быток кислорода, поступающего в сооружение потоком подавае­мого воздуха.

Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют фермен­ты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быс­тро оседает, отделяясь от очищенной воды. Мельчайшие животные (инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и др.), пожирая бакте­рии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Следует отметить, что уже через несколько минут после контак­та ила со сточной водой обычно концентрация в ней органических веществ снижается более чем наполовину. В целом содержание ор­ганического вещества в стоках в результате прохождения через аэротенки сокращается на 90%.

В естественных условиях для биологической доочистки сточных вод используют биологические пруды и поля орошения или поля фильтрации.

Биологические пруды — это неглубокие земляные резервуары, обычно 0,5—1 м, в которых происходят те же процессы, что и при самоочищении водоемов. Они работают при температуре не менее 6°С. Обычно их устраивают в виде 4—5 серий на местности, имеющей уклон. Располагают ступенями так, что вода из верхнего пруда самоте­ком направляется в нижерасположенный.

Поля фильтрации предназ­начены только для биологической доочистки (очистки) сточных вод. При просачивании жидкости через почву в ней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, способствующие развитию в почвенных порах микробиологической пленки. На полях орошения одновременно с очисткой вод производится выращивание кормовых сельскохозяйственных культур или трав.

 

 

Ни один из методов очистки самостоя­тельно не обеспечивает выполнения современных требований: очистка до ПДК (зачастую на уровне 0,1-0,01 мг/л), возврат 90-95% воды в оборотный цикл, невысокая стоимость, малогабаритность установ­ки, утилизация ценных компонентов. Задача очистки стоков обычно решается совокупностью методов, дополняющих друг друга. При этом примеси выделяются в газообразную, твердую или жидкую фазу или разрушаются.