1.2.2. Химическая очистка сточных вод

Может применяться как самостоятельный метод перед подачей воды в систему оборотного водоснабжения либо перед спуском в городскую водоотводящую сеть или водоем.

В ряде случаев используется перед биологической или физико-химической очисткой.

Кроме того, химическая обработка находит применение как метод глубокой очистки городских сточных вод с целью их обеззараживания и производственных сточных вод – с целью обесцвечивания либо удаления различных компонентов.

Нейтрализация. Сточные воды некоторых технологических процессов содержат щелочи или кислоты, в кислых водах могут находиться соли тяжелых металлов. Чтобы предупредить коррозию материалов канализационных сооружений, нарушение биохимических процессов в сооружениях биологической очистки, а также для осаждения тяжелых металлов, проводят нейтрализацию сточных вод.

Подвергать нейтрализации нужно воды, имеющие значение рН  6,5 и рН > 8,5. При условии объединения бытовых и производственных сточных вод необходимо учитывать щелочной резерв бытовых.

Чаще в производстве образуются кислые сточные воды, загрязненные минеральными кислотами H₂SO₄, HCl, HNO₃, реже – HNO₂, H₃PO₄, H₂SO₃, H₂S, органическими кислотами.

Применяют следующие способы нейтрализации:

1) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

2) нейтрализация реагентами (негашеная (СаО) и гашеная (Са(ОН)₂) известь, кальцинированная (Na₂CO₃) и каустическая (NaOH) сода, аммиачная вода);

3) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк (СаО₃), доломит (СаСО₃ · MgCO₃), магнезит (MgCO₃), мел);

4) нейтрализация щелочных сточных вод дымовыми газами, содержащими диоксиды углерода, серы, азота и др. Одновременно производят очистку газов.

Окисление. Применяется для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (например, цианиды окисляются до нетоксичных цианатов), соединения, которые невозможно или нецелесообразно извлекать другими методами (сероводород, сульфиды). Такие загрязнения содержатся в сточных водах машиностроительной, горнодобывающей, нефтехимической, целлюлозно-бумажной и других отраслей промышленности.

В качестве окислителей используют хлор, гипохлориты Ca и Na, хлорную известь (содержит 28–38% активного хлора), диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха. В ряде случаев (для окисления фенолов, крезолов, цианидсодержащих примесей) могут применяться пероксид водорода, перманганат и бихромат K.

Кроме того, окисление (хлорирование, озонирование) применяется для обеззараживания городских сточных вод перед выпуском их в водоем и природных сточных вод – в системе водоподготовки.

По сравнению с хлором озон имеет ряд преимуществ. Благодаря высокой окислительной способности он способствует не только обеззараживанию воды, но и деструкции трудноокисляемых органических и неорганических загрязнений. При этом не происходит вторичного загрязнения воды, процесс легко поддается автоматизации.

1.2.3. Физико-химическая очистка сточных вод.

Физико-химические методы применяют как самостоятельные методы очистки, так и в сочетании с механическими, химическими, биохимическими. Эти методы используют для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Коагулирование находит применение при очистке городских сточных вод.

Коагулирование. Производственные и бытовые сточные воды содержат коллоидные частицы, размер которых составляет 0,001–0,1 мкм. Доля загрязнений, относящихся по физико-химическим свойствам к коллоидным, в городских сточных водах достигает 50–60%. Характерной особенностью коллоидных частиц является образование двойного электрического слоя, одна часть которого – неподвижная – соприкасается с поверхностью дисперсной частицы, а другая – диффузная – образована ионным облаком. Разность потенциалов между подвижной и неподвижной частями двойного электрического слоя – электрокинетический потенциал – определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые обеспечивают устойчивость коллоидной системы.

В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия (Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O), алюминат натрия (NaAlO₂), гидроксохлорид алюминия (Al(OH)₂Cl), железосодержащие коагулянты – сульфаты двух- и трехвалентного железа: Fe₂(SO₄)₃ · 2H₂O и FeSO₄ · 7H₂O, а также хлорид железа (FeCl₃). В результате гидролиза солей образуются малорастворимые гидроксиды, которые формируют в воде дисперсную систему с противоположным зарядом, что способствует сближению дисперсных частиц загрязнений и коагулянта. В результате нейтрализуется диффузный слой и снижается величина электрокинетического потенциала. Следовательно, коагуляция – это нарушение агрегативной устойчивости коллоидной системы вследствие уменьшения заряда частиц. В результате коагуляции дисперсная система сточных вод может утратить седиментационную устойчивость и становится доступной для разделительных процессов.

Кроме того, образующиеся флокулы гидроксидов металлов обладают развитой поверхностью и сорбируют многие дисперсные загрязнения сточных вод. При этом могут извлекаться вещества, не участвовавшие в процессе коагуляции.

Таким образом, процесс коагулирования загрязнений сточных вод многостадийный. На первом этапе в смесителе раствор коагулянта распределяется в объеме воды. Далее в камере хлопьеобразования вследствие медленного и продолжительного перемешивания происходит столкновение дисперсных частиц. С повышением интенсивности перемешивания сначала наблюдается увеличение размеров хлопьев в связи с ускорением коагуляции, а затем происходит разрушение рыхлых и образование более компактных агрегатов. На последней стадии при отстаивании или флотации происходит отделение сформировавшихся хлопьев.

Следует отметить, что в результате коагулирования и последующего отделения осадков из сточных вод могут быть удалены не только взвешенные вещества и коллоидные соединения, но и некоторая часть растворенных загрязнений.

Во-первых, как отмечалось выше, они сорбируются на поверхности флокул гидроксидов.

Во-вторых, соединения фосфора, например, находящиеся в растворенном состоянии, в процессе коагулирования образуют слаборастворимые фосфаты алюминия, железа или кальция и выпадают в осадок.

В-третьих, в результате сорбции и соосаждения гидроксидов удаляются тяжелые металлы. Полнота их удаления зависит от свойств металлов и значения рН сточной воды.

Для интенсификации процессов отделения скоагулированных загрязнений применяют флокулянты. Это, как правило, высокомолекулярные соединения неионогенной (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил), анионной (лигносульфонаты, полиакрилат и альгинат натрия), катионной (полиэтиленимин) либо амфотерной (полиакриламид, белки) природы. Механизм действия флокулянтов заключается в адсорбции молекул флокулянта одновременно на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков, в результате чего образуются трехмерные структуры. Они способствуют более быстрому формированию флокул, обладающих хорошими седиментационными свойствами.

В технологии коагулирования используют разные схемы, обеспечивающие наилучшие результаты очистки сточных вод в конкретных условиях:

1) раствор коагулянта подают в очищаемую воду в начале смесителя;

2) часть ранее скоагулированных и отделенных примесей возвращают в место подачи коагулянта. Рециркуляция способствует ускорению процесса и образованию более плотных хлопьев;

3) реагенты вводят в небольшой объем очищаемой воды, которую затем быстро смешивают с остальной водой. Это способствует более быстрому началу формирования хлопьев при повышенных концентрациях коагулянта в отдельной части потока сточных вод. В результате такой обработки образуются крупные и плотные хлопья, что повышает степень осветления воды;

4) реагенты добавляют к очищаемой воде несколькими порциями или последовательно вводят различные коагулянты. В этом случае получаются полидисперсные агрегаты коагулянта, увеличивается период существования положительно заряженных комплексов, в результате чего интенсифицируется процесс коагуляции;

5) периоды подачи увеличенных доз коагулянта чередуют с периодами полного прекращения коагулирования. В результате такой обработки происходят колебания рН, что в ряде случаев благоприятно влияет на зарождение центров коагуляции в сточных водах со сложной структурой загрязнений.

Сорбция. В технологии очистки сточных вод в основном используют адсорбционный процесс на развитой твердой поверхности сорбентов. Сорбция растворенного вещества из раствора на поверхность сорбента происходит в том случае, если силы взаимодействия молекул растворенного вещества с молекулами поверхности сорбента превосходят силы межмолекулярного взаимодействия растворенного вещества и растворителя.

Сорбционная очистка может применяться самостоятельно или совместно с другими методами предварительной и глубокой очистки сточных вод. Достоинствами сорбционной очистки является возможность выделения ценных растворенных веществ из многокомпонентных смесей и высокая эффективность при малых концентрациях загрязнений сточных вод.

В качестве адсорбентов используют природные материалы (торф, активные глины), отходы некоторых производств (зола, силикагели, коксовая мелочь), активные угли и синтетические сорбенты.

Эффективными сорбентами являются активные угли различных марок. Пористость этих углей составляет 60–75%, а удельная поверхность – 400–900 м²/г. Адсорбционные свойства активных углей зависят от структуры пор, их величины. Макропоры (0,1–2,0 мкм) и переходные (0,004–0,1 мкм) поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов. Сорбционную же активность углей определяют микропоры (размером менее 0,004 мкм).

В настоящее время достаточно широко применяются синтетические пористые материалы на основе стирола и дивинилбензола – полисорбы. От активных углей они отличаются несколько меньшей энергией связи извлекаемых загрязнений с поверхностью, однако легче поддаются регенерации растворителями. Это особенно важно для последующей утилизации ценных веществ.

Процесс сорбции может проходить в статических, динамических условиях либо в псевдоожиженном слое.

1. Сорбция в статических условиях осуществляется путем интенсивного перемешивания сточной воды с сорбентом и последующего отделения сорбента отстаиванием, фильтрованием или другими методами. Уменьшить расход сорбента вследствие более полного использования его сорбционной емкости можно, применяя противоточные сорбционные установки. В противоточной схеме сорбент вводят только на последней ступени, а затем после отделения его от очищаемой воды сорбент последовательно подают на предыдущие ступени.

2. Процесс сорбции в динамических условиях осуществляют путем фильтрования сточных вод через слой плотно уложенного сорбента. Скорость фильтрования в зависимости от концентрации загрязне-

ний составляет 1–12 м/ч, крупность зерен сорбента – 0,8–5 мм. При движении жидкости снизу вверх происходит равномерное заполнение всего сечения аппарата, вытесняются пузырьки воздуха или газов, попадающие в слой сорбента вместе с водой.

3. Процесс с псевдоожиженным слоем сорбента целесообразно использовать при относительно высоком содержании в сточной воде мелкодисперсных частиц. Псевдоожижение слоя наступает при повышении скорости потока сточной воды, проходящей снизу вверх через поперечное сечение сооружения, до величины, равной гидравлической крупности зерен сорбента.

Сорбенты, применяемые для очистки сточных вод, могут быть нерегенерируемыми и регенерируемыми. В последнем случае, если извлеченные вещества утилизируют, то для регенерации сорбента используют экстрагирование органическими растворителями, отгонку с водяным паром, испарение и др. Если сорбционная очистка деструктивная, то извлеченные сорбцией вещества уничтожаются термическими или окислительными методами.

Флотация. При очистке сточных вод методом флотации образуются комплексы «частицы – пузырьки», которые всплывают, и образовавшийся пенный слой удаляется с поверхности жидкости. Такое явление наблюдается для частиц, которые не смачиваются или плохо смачиваются жидкостью, следовательно, методом флотации могут очищаться сточные воды, содержащие ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы.

В зависимости от способа получения диспергированной газовой фазы различают флотацию с подачей воздуха через пористые материалы (барботаж), с выделением воздуха из раствора, с механическим диспергированием воздуха.

1. Барботаж является одним из наиболее распространенных методов получения диспергированной газовой фазы в очистных сооружениях. Газ, проходя через поры фильтросного устройства, погруженного в воду, образует поток пузырьков, диаметр которых определяется диаметром пор и поверхностным натяжением на границе раздела фаз «вода – газ».

2. Флотация с выделением воздуха из пересыщенного раствора позволяет получить самые мелкие пузырьки, поэтому ее применяют для очистки сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений. Пересыщенный раствор газа в воде может быть получен или предварительным насыщением, или в результате протекания химических, электрохимических, микробиологических и других процессов, сопровождающихся образованием газообразных продуктов.

3. Для механического диспергирования газовой фазы используют различные устройства, движущиеся части которых попеременно то погружаются в жидкость, то выходят из нее. Размер частиц газовой дисперсии зависит от интенсивности перемешивания, продолжительности, температуры, межфазного поверхностного натяжения.