Мембранные методы очистки. Гиперфильтрация (обратный осмос). Ультрафильтрация

Эти методы основаны на использовании полупроницаемых мембран – пере­городок, пропускающих малые молекулы растворителя (воды), но непроницае­мых для более крупных молекул растворенных веществ. Если такая мембрана разделяет воду и раствор, со стороны воды возникает осмотическое давление. Оно обусловлено понижением химического потенциала воды в присутствии растворенного вещества. Тенденция системы выровнять химические потенциа­лы во всех частях своего объема и перейти в состояние с более низким уровнем свободной энергии вызывает осмос – диффузионный перенос воды через мем­брану.

Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое давление, возникает обратный ток воды через полупроницаемую мембрану (об­ратный осмос). При этом с противоположной стороны мембраны можно полу­чить очищенную воду (так называемый пермеат). Таким образом, из стоков удаляется часть воды, а в стоках концентрируются ионы раствора и другие за­грязнения. Этот результат достигается как в обратноосмотических (гипер­фильтрационных), так и в ультрафильтрационных установках. Они отлича­ются применяемыми мембранами и рабочим давлением. При гиперфильтрации используют мембраны толщиной 0,1-0,2 мм с порами 0,001 мкм под давлением 6-10 Мпа. Это позволяет задержать загрязнения (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых (0,0001-0,001 мкм) сравнимы с размерами молекул во­ды. При ультрафильтрации размер отделяемых частиц на порядок больше (диа­метр 0,001-0,02 мкм). Мембраны для ультрафильтрации имеют поры 0,005-0,2 мкм и работают под давлением 0,1-0,5 Мпа. Для ультрафильтрации механизм разделения другой. Растворенные вещества задерживаются на мембране потому, что размер молекул этих веществ больше, чем размер пор, или вследствие трения молекул о стенки пор мембраны.

Достоинствами методов обратного осмоса и ультрафильтрации являются: возможность очистки СВ до требований ПДК; возврат до 60 % очищенной во­ды в оборотный цикл; возможность утилизации ценных металлов (если уста­новка обслуживает индивидуальный сток после ванны покрытия); возможность очистки от комплексных ионов.

Недостатками же методов являются: необхо­димость предварительной фильтрации СВ; дефицитность и дороговизна мем­бран; сложность эксплуатации и высокие требования к герметичности установок; высокие капитальные затраты; чувствительность мембран к изменению параметров очищаемых стоков.

Сорбция –

это процесс поглощения вещества из окружающей среды (газо­вой или жидкой) сорбентом (твердым телом или жидкостью). Поглощаемое вещество называется сорбатом. Различают основные разновидности сорбции:

- абсорбцию (поглощение вещества всей массой жидкого сорбента);

- адсорбцию (поглощение вещества поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента).

- Сорбция, сопровождаемая химическим взаимодействием сорбента с поглощае­мым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбентами могут служить различные искусственные и природные порис­тые материалы: зола, коксовая мелочь, торф, силикагель, алюмогель, актив­ные глины и др. Широко применяют активированные угли различных марок. Они имеют пористость 60-75 %, насыпную плотность 260-600 кг/м³ и удельную поверхность 260-600 м²/ г.

Экстракция - извлечение одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей - экстрагентов. В процессе жидкостной экстракции участвуют две взаимно нераство­римые (или ограниченно растворимые) жидкие фазы, между которыми распре­деляется экстрагируемое вещество. В результате получается экстракт - рас­твор извлекаемого компонента в экстрагенте и рафинат - остаточный исход­ный раствор (например, очищенная СВ).

Экстракт и рафинат отделяют друг от друга отстаиванием, центрифугирова­нием или другим способом. Затем экстрагированное вещество извлекают из экстракта (реэкстракцией другим растворителем, выпариванием, дистилляций, химическим осаждением).

Выпаривание. Принципиально возможно отделить загрязнения, содержащиеся в СВ, ее выпариванием. При этом можно получить чистую воду (конденсат) и твердый осадок, занимающий очень малый объем, что снижает затраты на его транспор­тировку и захоронение. Ясно, однако, что такая переработка СВ исключительно энергоемка. Реально метод выпаривания нашел применение в основном в сис­темах обработки концентрированных промывных вод после ванн покрытий, причем целью выпаривания является не получение твердого продукта, а увели­чение концентрации компонентов в промывной воде до их содержания в ванне покрытия. В этом случае промывную воду можно вернуть в ванну покрытия (например, хромирования или никелирования) и сделать технологию нанесения покрытия почти безотходной. Затраты на проведение процесса окупаются за счет экономии возвращаемых химикатов и экономии химикатов на обезврежи­вание стоков.

Биологическая очистка

Проводится в основном на городских очистных сооружениях и заключается в биохимическом разрушении (минерализации) мик­роорганизмами органических веществ – растворенных и эмульгированных. Бактерии используют эти вещества как источник питания и энергии. Но целый ряд органических веществ практически не усваивается микроорганизмами. К ним, в частности, относятся дихлорэтан, циклоалканы, тетрахлорбензол, гексахлорбензол, многие другие производные бензола, многие соединения с длинной углеродной цепью (числом атомов углерода более 10).

Биологическое окисление – широко применяемый на практике метод очистки производственных сточных вод, позволяющий очистить их от многих органических примесей. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т. д.

Всю совокупность сооружений биологической очистки целесообразно разделить на три группы по признаку расположения в них активной биомассы:

1) когда активная биомасса находится в воде в свободном (взвешенном) состоянии;

2) когда активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки;

3) когда сочетаются оба варианта расположения биомассы.

Первую группу сооружений составляют: аэротенки, циркуляционные окислительные каналы, окситенки;

вторую – биофильтры;

третью – погружные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями.

В производственных сточных водах встречается до 30 видов бактерий. Эти бактерии усваивают нефть, парафины, нафтены, фенолы и другие соединения.

Самыми важными факторами формирования биоценоза илов очистных сооружений являются состав обрабатываемой воды и величина нагрузки на ил (биопленку).

Действие других факторов – температуры, перемешивания, концентрации растворенного кислорода – практически не изменяет качественного состава илов, но влияет на количественное соотношение различных групп микроорганизмов.

Важнейшим свойством активного ила является его способность к оседанию.

Свойство оседания описывается величиной илового индекса, представляющего собой объем в мл, занимаемый 1 г ила в его естественном состоянии после 30-минутного отстаивания. Илы с индексом до 120 мл/г оседают хорошо, с индексом 120…150 мл/г – удовлетворительно, а при индексе свыше 150 мл/г – плохо. Плохая оседаемость ила влечет за собой повышенный вынос его с очищенной водой и, следовательно, ухудшение качества их очистки.

Аэротенки – емкостные проточных сооружениях со свободно плавающим в объеме обрабатываемой воды активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности.

Окситенки – сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или же воздух, обогащенный кислородом.

Биофильтры – в этих сооружениях биоразлагаемые органические вещества жидких отходов сорбируются и окисляются в аэробных условиях популяций гетеротрофных факультативных бактерий, образующих биологическую пленку на поверхности насадки (загрузочного материала, субстрата). Пропускная способность биофильтра определяется площадью поверхности, занятой биопленкой, и возможностью свободного доступа кислорода воздуха к ней. Биофильтры с объемной загрузкой подразделяются на капельные с малой пропускной способностью 0,9…9 м³/(м².сут), высоконагружаемые с большой пропускной способностью 9…40 м³/(м².сут) (рис. 5.8) и башенные. Биофильтры с плоскостной загрузкой делятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой блочной и мягкой.

Для биологической очистки производственных сточных вод могут быть применены методы очистки в естественных, используемые для обработки бытовых и городских сточных вод, в том числе и почвенные.

Химические, физические и биологические свойства почвы как перерабатывающей среды для отходов также используют в некоторых методах биохимической очистки сточных вод в естественных условиях. По масштабам применимости метод почвенной очистки значительно уступает методам искусственной биологический очистки и, кроме того, очистка на полях орошения и фильтрации использовалась до сего времени только для бытовых и городских (смешанных) сточных вод, а не для чисто производственных.

Сооружения почвенной очистки сточных вод по мощности разделяют на малые, средние и крупные с расчетной пропускной способностью 0,5…25 и 25…700, 1400…10000 и 17000…80000, 100000…280000 м³/сут.

Малые, сооружения имеют много разновидностей: площадки подземного орошения (ППО), площадки подземной фильтрации (ППФ), фильтрующие колодцы (ФК), фильтрующие траншеи с естественным или искусственным слоем грунта (ФТ) и песчано-гравийные фильтры (ПГФ). Малыми сооружениями могут считаться и небольшие поля подземного орошения или подземной фильтрации. Самыми крупными сооружениями являются коммунальные поля орошения (КПО), земледельческие поля орошения (ЗПО) и поля наземной фильтрации (ПНФ).

Земельные участки, предназначенные только для очистки стоков, называются полями фильтрации.

Биологические пруды – искусственно созданные водоемы, в которых для очистки сточных вод используются естественные процессы.

Эти пруды могут применяться как для очистки, так и для глубокой очистки сточных вод, прошедших биологическую очистку. Это последнее назначение биологических прудов имеет преимущественное распространение.