Термические методы. На химических предприятиях образуются сточные воды, содержащие различные минеральные соли (кальция, магния, натрия и др.), а также широкий спектр органических веществ. Такие воды могут быть обезврежены термическими методами: концентрированием сточных вод с последующим выделением растворенных веществ; огневым обезвреживанием.
Метод концентрирования используют для обезвреживания минеральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения.
Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: концентрирования и выделения сухих веществ.
Во многих случаях вторая стадия заменяется захоронением концентрированных растворов. Концентрированные сточные воды можно непосредственно направлять на выделение сухого продукта, например, в распылительную сушилку.
Концентрирование сточных вод может быть проведено в испарительных (выпаривание при нагреве) или вымораживающих (холодильных) установках. Процесс вымораживания заключается в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы чистого льда, а рассол с растворенными в нем солями размещается в ячейках между этими кристаллами. Температура замерзания рассола всегда ниже температуры замерзания чистой воды и зависит от концентрации растворенных солей. Если снижение температуры в процессе замораживания идет медленно, то образуются сравнительно крупные игольчатые кристаллы с небольшим включением рассола, что способствует при оттаивании получению менее минерализованной воды.
Для выделения веществ из концентрированных растворов используют методы кристаллизации и сушки. Кристаллизация с применением погружного горения является наиболее эффективным приемом испарения жидкости, повышения концентрации солей в растворах и последующей кристаллизации их. Погружное горение — это сжигание газообразного топлива в специально сконструированной горелке под поверхностью жидкости. Тепло передается непосредственно от теплоносителя к жидкости, причем степень использования тепла, выделяющегося при горении, составляет около 90%. Горячий газ, выходя из сопла горелки, разбивается на огромное количество мельчайших пузырьков; таким образом, обеспечивается максимально развитая поверхность теплопередачи. Газы, охлаждаясь, выходят из раствора при температуре, близкой к температуре жидкости. Водяной пар, полученный при испарении, отводится с поверхности жидкости.
Сушку чаще всего осуществляют в распылительных сушилках. В таких сушилках (камерах) суспензию или коллоидный раствор разбрызгивают до капель размером 10-50 мкм, которые падают в объеме сушилки в потоке горячего воздуха или топливных газов. Поверхность соприкосновения капель материала с воздухом достигает 300 000 м2 на 1 м3 материала. В этих условиях скорость сушки значительно увеличивается, а ее продолжительность снижается до сотых долей секунды.
Для отделения высушенного материала от газового потока применяют циклоны, рукавные фильтры, электрофильтры. Начальная температура газов зависит от свойств материала и колеблется в пределах 80-1000°С. На выходе из сушильной камеры она составляет 40-130°С.
Сущность огневого обезвреживания сточных вод заключается в распылении их непосредственно в топочные газы, нагретые, до 900-1100°С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают до нетоксичных соединений (чаще всего, до диоксида углерода и водяных паров).. Находящиеся в воде минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы, которые улавливают в циклонах или фильтрах. Данный метод целесообразен для обезвреживания небольшого объема сточных вод, содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка которых другими методами невозможна или неэффективна. Кроме того, огневой метод предпочтителен, если имеются горючие отходы, которые можно использовать как топливо. Для сжигания промышленных стоков применяют печи различных конструкций, но предпочтение отдают циклонным печам. Благодаря вихревому характеру газового потока создается интенсивный тепло- и массообмен между каплями сточной воды и газообразными продуктами. Такие печи работают при больших удельных нагрузках. Смесь воздуха и природного газа, вводимая тангенциально в печь, совершает вращательное движение, перемещаясь вдоль оси цилиндра о спирали. Сточную воду распыляют форсунками и сжигают. Недостаток таких печей - большой вынос минеральных солей с газовым потоком, если сточные воды помимо органических веществ содержат минеральные компоненты.
Биохимические методы. Эти методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, аммиака, сульфидов, нитритов и т.д.) веществ. Процесс очистки основан на способности определенных микроорганизмов использовать указанные вещества для питания: органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Микроорганизмы частично разрушают их, превращая в СО2, Н2О, нитрат- и сульфат-ионы, частично используют для образования собственной биомассы. Процесс биохимической очистки по своей сути - природный, его характер одинаков для процессов, протекающих как в природных водоемах, так и в очистных сооружениях.
Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и более высокоорганизованных организмов (водорослей, грибов), связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями. Это сообщество называют активным илом, он содержит от 106 до 1014 клеток на 1 г сухой биомассы (около 3 г микроорганизмов на 1 литр сточной воды). Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод.
Аэробный процесс. Для его осуществления используются группы микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимы постоянный приток кислорода (2 мгО2/дм3), температура 20-30°С, рН среды 6,5-7,5, соотношение биогенных элементов БПК: N: Р не более 100: 5: 1. Ограничением метода является содержание токсичных веществ не выше: тетраэтилсвинца 0,001 мг/ дм3, соединений бериллия, гитана, Сr6+ и оксида углерода 0,01 мг/ дм3, соединений висмута, ванадия, кадмия и никеля 0,1 мг/л, сульфата меди 0,2 мг/л, цианистого калия 2 мг/ дм3.
Аэробная очистка сточных вод проводится в специальных сооружениях: биологических прудах, аэротенках, окситенках, биофильтрах.
Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3—5 ступеней. Процесс очистки сточных вод реализуется по следующей схеме: бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, а также кислород из воздуха. Водоросли, в свою очередь, потребляют оксид углерода, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не менее 6 °С, в связи с чем в зимнее время пруды не эксплуатируются.
Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Глубина прудов с естественной поверхностной аэрацией, как правило, не превышает 1 м. При искусственной аэрации прудов с помощью механических аэраторов или продувки воздуха через толщу воды их глубина увеличивается до 3 м. Применение искусственной аэрации ускоряет процессы очистки воды. Следует указать и недостатки прудов: низкую окислительную способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.
Сооружения для искусственной биологической очистки по признаку расположения в них активной биомассы можно разделить на две группы:
• активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);
• активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).
Аэротенки - представляют собой железобетонные резервуары, прямоугольные в плане, разделенные перегородками на отдельные коридоры.
Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (чаще механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник, откуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий ее жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного активного ила снова возвращается в аэротенк.
Биофильтры находят применение при суточных расходах производственных сточных вод до 20-30 тыс. м3 в сутки. Биофильтры представляют собой резервуары круглой или прямоугольной формы в плане, которые заполняются загрузочным материалом. По характеру загрузки биофильтры разделяют на две категории: с объемной и плоскостной загрузкой. Объемный материал, состоящий из гравия, керамзита, шлака с крупностью фракций 15-80 мм, засыпается слоем высотой 2-4 м.
Плоскостной материал выполняется в виде жестких (кольцевых, трубчатых элементов из пластмасс, керамики, металла) и мягких (рулонная ткань) блоков, которые монтируются в теле биофильтра слоем толщиной 8 м.
Анаэробный процесс. Здесь происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствие молекулярного кислорода за счет химически связанного кислорода в таких соединениях, как SO42-, SO32-, СО32-. Процесс протекает в две стадии: на первой образуются органические кислоты, на второй стадии образовавшиеся кислоты преобразуются в метан и углекислый газ: органические соединения + О2 + кислотообразующие бактерии → летучие кислоты + СН4 + СО2 + Н2 + новые клетки + другие продукты → летучие кислоты + О2 + метанобразующие бактерии → СН4 + СО2+ новые клетки.
Основной процесс проводится в метантенках. В них перерабатывается активный ил и концентрированные сточные воды (обычно БПК > 5000), содержащие органические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в ходе метанового брожения. Указанное брожение в естественных условиях протекает на болотах.
Основная цель анаэробной очистки — уменьшение объема активного ила или количества органических веществ в сточной воде, получение метана (до 0,35 м3 при нормальных условиях на 1 кг ХПК) и хорошо фильтрующего и без запаха осадка. Осадки после фильтрации могут быть использованы в качестве удобрения в растениеводстве (если содержание в них тяжелых металлов ниже ПДК). Получаемый в метантенках газ содержит до 75 % (об.) метана (остальное - СО2 и воздух) и используется в качестве горючего.
В то же время анаэробный процесс весьма чувствителен к залповым выбросам, что приводит к выходу из «строя» микрофлоры. На ее восстановление может быть потрачено от 1 до 6 месяцев. В связи с образованием метана этот процесс взрыво- и пожароопасен.
Биологическая очистка загрязненных вод может быть, помимо биологических прудов, осуществлена в естественных условиях, для чего используют специально подготовленные участки земли (поля орошения и фильтрации). В этих случаях для освобождения сточных вод от загрязняющих примесей используется очищающая способность самой почвы. Фильтруясь сквозь слой почвы, вода оставляет в ней взвешенные, коллоидные и растворенные примеси. Микроорганизмы почвы окисляют органические загрязняющие вещества, превращая их в простейшие минеральные соединения - диоксид углерода, воду, соли.
Поля орошения используются одновременно для очистки сточных вод и выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, а также для посадки кустарников и деревьев. Поля фильтрации используются только для очистки сточных вод.
Земледельческие поля орошения (ЗПО) располагают на местности, имеющей уклон, ступенями для того, чтобы вода самотеком переливалась с одного участка на другой. Устройство ЗПО позволяет решать проблемы охраны окружающей среды, благоустройства города и развитие пригородного сельского хозяйства.
После биологической очистки сточных вод на искусственных сооружениях общее содержание в них бактерий уменьшается на 90-95%, а при очистке на ЗПО - на 99%. Для полного обеззараживания сточных вод их необходимо подвергнуть химическому обеззараживанию (хлором, озоном, пероксидом водорода, ультрафиолетом, ультразвуком).
Очистка ионизирующим излучением. В последние годы развивается новый безреагентный метод очистки сточных вод путем деструкции содержащихся органических примесей. Гамма-излучение от радиоактивных изотопов кобальта, цезия, йода и др.) производит такое же действие, как и сильнейшие окислители (озон, хлор, пероксид водорода и др.). Иногда вместо изотопов сейчас применяют пучки электронов, генерируемых ускорителями с энергией электронов 5-6 МэВ. При ионизирующем излучении нарушается агрегативная устойчивость коллоидных систем (радиационная коагуляция), разрушаются и окисляются практически все органические и некоторые неорганические вещества (радиационная деструкция) с образованием простейших соединений, гибнет или инактивируется широкий круг вирусов и микроорганизмов (радиационное обеззараживание). Еще больший эффект дает сочетание сорбционного реактора (фильтра) с облучением пучком ускоренных электронов.
Современные работы по внедрению и эксплуатации электроннолучевой технологии показали, что достаточной для очистки сточных вод является энергия электронов, равная 1,0-2,5 МэВ. Мощность ускорителя, равная 80 кВт, создает ток пучка, равный 50 мА, а его производительность составляет 700 —1000 м3/ч.