Основные пути и методы очистки сточных вод

Различают два основных пути очистки сточных вод: разбавление и очистка их от загрязнений. Разбавление не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной экологобезопасный путь - очистка сточных вод от загрязнений.

Методы очистки производственных и хозяйственно-бытовых вод можно подразделить на следующие группы: механические, физико-химические, химические, биологические и термические. По своей сути эти методы могут быть рекуперационными и деструктивными. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод всех ценных веществ и последующую их переработку, а деструктивные — раз­рушение загрязняющих веществ путем их окисления или восстановления, в результате чего образуются газы или осадки.

Кроме обязательной механической очистки, в комплекс очистных сооружений входят сооружения других групп очистки, вплоть до глубокой. Перед сбросом в водоем очищенные сточные волы подвергаются обеззараживанию (хлором, озоном, пероксидом водорода и др.). Если в процессе очистки образуется осадок (или биомасса), его направляют в сооружения по обработке осадка. После этого обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться. Очищенные сточные воды могут сбрасываться в водоемы (что нежелательно), направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий и на орошение технических сельскохозяйственных культур.

Поскольку в течение суток состав сточных вод и их объем (в результате залповых выбросов) могут существенно изменяться, перед подачей сточных вод на механическую очистку их могут направлять в специальные устройства — усреднители. Последние либо интенсивно перемешивают отдельные потоки, либо дифференцируют поток сточных вод.

Количество производственных сточных вод определяется в зависимости от производительности предприятия по укрупненным нормам водопотребления и водоотведения для различных отраслей про­мышленности.

Норма водопотребления — количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное на основании научно обоснованного расчета или передового опыта.

Норма водоотведения — это количество сточных вод. отводимых от промышленного предприятия в водоем, при целесообразной норме водопотребления. В укрупненную норму водопотребления входят все расходы воды на предприятии. Нормы водопотребления и водоотведения выражаются в кубометрах воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Эти нормы расхода производственных сточных вод применяют при проектировании вновь строящихся и реконструкции действующих систем водоотведения промышленных предприятий. Укрупненные нормы позволяют дать оценку рациональности использования воды на любом действующем предприятии.

Механическая очистка.Этого метода достаточно только при промышленном оборотном водоснабжении отдельных производств. В основном он служит лишь для подготовки сточных вод к обработке другими методами. При этом загрязненные воды осветляются на 30—60%, что существенно облегчает дальнейшие стадии очистки.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей, для чего используют гидромеханические процессы (периодические и непрерыв­ные) процеживания и отстаивания (гравитационное и центробежное), а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Процеживание и отстаивание. Процеживание производится через решетки или сита в зависимости от величины и гидравлических свойств выделяемых частиц.

Решетки бывают подвижные и неподвижные. При очистке малых и средних количеств сточных вод используют неподвижные решетки. В зависимости от способа очистки решеток от налипших загрязнений различают простые решетки (очистка ручным способом) и механические (очистка при помощи различных приспособлений). Для извлечения из сточных вод ценных продуктов, находящихся в нерастворенном состоянии, используются барабанные и дисковые сита.

Для улавливания из сточных вод примесей минерального прохождения, главным образом песка геометрической крупности 0,15 мм и выше, применяют песколовки, которые по направлению движения воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением воды.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием силы тяжести частицы, плотность которых больше, чем плотность воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседают на дно. В соответствии с закономерностями гидравлики потока песчинки уносятся вместе с водой только при определенной скорости течения. При снижении этой скорости крупицы песка оседают на дно резервуара, а вода течет дальше.

Песколовки делятся на горизонтальные, в которых вода движется в горизонтальном направлении; вертикальные, в которых вода движется вертикально вверх, круглые с винтовым поступательно-вращательным движением воды.

В последнем типе песколовок происходят процессы, аналогичные явлениям, наблюдаемым в чайной чашке при перемешивании налитого в чашку чая: чаинки собираются в центре чашки. При круговом движении воды в круглой песколовке крупные частицы песка аналогичным образом собираются в ее центре. Через устроенное в центре песколовки отверстие они попадают в специальную камеру.

При механической очистке из производственных сточных вод путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90% нерастворимых механических примесей различного характера (песок, глинистые частицы, окалина и другие), а из бытовых — до 60%.

В целях очистки сточных вод от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания, который в данном случае основан на способности самопроизвольного разделения воды и нефтепродуктов. Частицы последних под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму, и их размеры находятся в диапазоне от 2 до 3-10² мкм. В основе процесса отстаивания лежит принцип выделения нефтепродуктов под действием разности плотностей воды и частиц масла. Содержание нефтепродуктов в стоках находится в широких пределах и составляет в среднем 100 мг/дм³.

Для задержания оседающих и плавающих примесей применяют отстойники, которые по направлению движения воды подразделяются на горизонтальные и вертикальные. К отстойникам с горизонтальным движением воды относятся также радиальные. Фильтрование — удаление взвешенного вещества из воды путем пропускания ее через слой пористого материала или через сетки с изменяющимся размером отверстий. С помощью этого метода очищают сточные воды, содержащие тонкодисперсные примеси в небольшой концентрации. Его применяют также после физико-химических и биологических методов очистки, поскольку некоторые из них сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений.

Окисление и восстановление как метод очистки применяется для обезвреживания промышленных сточных вод от цианидов, сероводорода, сульфидов, соединений ртути, мышьяка, хрома. В процессе окис­ления токсичные загрязнения переходят в менее токсичные. В качестве окислителей обычно используют хлор Сl₂, диоксид хлора СlO₂, гипохлориты натрия NaClO и кальция Са(С10)₂, перманганат калия КМпO₄, дихромат калия К₂Сг₂O₇, пероксид водорода Н₂O₂ и др.

При хлорировании водных растворов цианидов, отличающихся весьма высокой токсичностью, процесс проводят в щелочной среде (рН > 9). Вначале цианиды переходят в цианаты:

CN^- + 2OН^- + Сl₂ →CNO^-+2Cl -+Н₂O, а последние превращаются в молекулярный азот и диоксид углерода:

2CNO^- + 4OH^- + 3C1₂→CO₂↑ +6C1^- + N₂↑ + Н₂О.

Аналогично протекает окисление цианидов в присутствии производных хлора — гипохлоритов натрия и кальция.

Озон, в силу своей высокой окислительной способности, уже при нормальной температуре разрушает многие органические компоненты сточных вод. Благодаря озонированию одновременно происходят обесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом.

Эффективность озонирования существенно повышается, а следовательно, сокращается и длительность процесса очистки, если совместно использовать ультразвук и озон или УФ-облучение и озон.

Подобно хлору, озон энергично реагирует с цианидами в слабощелочной среде:

CN^-+ O₃→ CNO-+ O₂↑,

а последние превращаются в молекулярный азот и диоксид углерода

2CN^- + H₂О + 3О₃→ 2HCO₃ + 3О₂↑+N₂.

Методы восстановительной очистки сточных вод применимы в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества, в частности, соединения ртути, хрома и мышьяка. При этом соединения ртути восстанавливают до металлической ртути, которую отделяют от воды отстаиванием или фильтрацией. Восстановителями служат сероводород, алюминиевая пудра, железный порошок, сульфид железа. Для восстановления шестивалентного хрома (Сl₂О) используют сульфат железа (II), диоксид серы, водород, отходы органических веществ, например, газетную бумагу.

Ионы тяжелых металлов: цинка, меди, ртути, кобальта, кадмия, никеля, мышьяка, свинца и хрома можно удалить из промышленных сточных вод, переводя их в малорастворимые соединения с последую­щим отделением осадка от воды. Осаждение проводят в виде гидроксидов, карбонатов или сульфидов, характеризующихся низкими значениями произведений растворимости. В качестве реагентов-окислителей применяют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфид натрия. При добавлении к сточной воде Са(ОН)₂ или NaOH образуются гидроксиды соответствующих тяжелых металлов:

Ме*⁺ + n(ОН)^- →Ме(ОН)

Физико-химическая очистка сточных вод.Метод используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ. Применяется как само­стоятельный метод, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химической очистки расширяется, причем онf наиболее эффективнf при локальной очистке сточных вод промышленных предприятий.

Коагуляция — процесс укрупнения дисперсных частиц загрязняющих веществ в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Укрупнение происходит под влиянием добавляемых коагулянтов, чаще всего солей алюминия и железа: сульфата алюминия, гидроксохлорида алюминия и хлорида железа. Их расход составляет 0,1—5 кг на кубометр сточных вод. Коагулянты в воде гидролизуют с образованием хлопьев гидроксидов металлов:

Ме³⁺ + ЗНОН^- →Ме(ОН)₃↓+ ЗН⁺,

которые медленно оседают, захватывая тонкодиспергированные (взвешенные) частицы загрязняющих веществ.

Однако решающим является следующее обстоятельство. Как известно, коллоидные частицы загрязняющих веществ имеют слабый отрицательный заряд. При добавлении к сточной воде электролита-коагулянта положительно заряженные ионы металлов (А1³⁺ или Fe³⁺) нейтрализуют электрический заряд коллоидных частиц, что приводит к дестабилизации коллоидной системы и агрегированию высокодис­персных частиц в более крупные конгломераты — взвеси.

Флокуляция — процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. При этом процесс образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа интенсифицируется для повышения скорости их осаждения. Таким образом, введение флокулянтов в сточные воды позволяет, с одной стороны, снизить массу используемых коагулянтов, а с другой — уменьшить продолжительность процесса хлопьеобразования и повысить скорость их осаждения. Применяют природные (крахмал, декстрин) и синтетические (полиакриламид, активный диоксид кремния) флокулянты.

Перспективным методом очистки сточных вод от хрома и других тяжелых металлов, а также от цианидов является электрокоагуляция — процесс образования нерастворимых гидроксидов при прохождении сточных вод через электрокоагулятор. Этот аппарат оснащен блоком электродов, изготавливаемых, как правило, из стали или сплавов алюминия. На электроды подается постоянный ток 3-15 вольт. Под влиянием электрического поля, с одной стороны, дисперсные системы сточных вод становятся менее устойчивыми, а с другой — они коагулируют с трудно растворимыми гидрооксидантами железа или алюминия, которые возникают и переходят в воду с электродов. Далее сточные воды поступают в отстойник, где в течение 30—45 мин образуются агрегаты размером до 500—1000 мкм, которые в дальнейшем выпадают в осадок.

Флотация применяется для очистки производственных сточных вод от нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются: нефти, нефтепродуктов, масел, жиров, волокнистых частиц. Процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц примеси к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости и удалении образовавшегося пенного слоя.

Возможность образования флотационного комплекса «частица-пузырек», скорость процесса образования и прочность связи, продолжительность существования комплекса зависят от природы частиц, а также от характера взаимодействия реагентов с их поверхностью и от способности частиц смачиваться водой.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) как реагенты-собиратели, адсорбируясь на частицах, снижают их смачиваемость, т. е. делают гидрофобными. В качестве реагентов-собирателей используют жирные кислоты и их соли, меркаптаны, амины, ксантогенаты, алкилсульфаты и др.

Эффект разделения флотацией зависит от размера и количества пузырьков воздуха. Оптимальный размер пузырьков находится в интервале 15-30 мкм. Размер частиц зависит от плотности материала и составляет 0,2-1,5 мм.

Различают следующие методы флотационной обработки сточной воды: перенасыщение сточной воды воздухом и механическую. Флотацию за счет перенасыщения сточной воды воздухом подразделяют на вакуумную и напорную. При вакуумной флотации сточную воду предварительно насыщают воздухом при атмосферном давлении в аэрационной камере, а затем направляют во флотационную камеру, где вакуум-насосом поддерживается разрежение 30-40 кПа (225-300 мм рт. ст.). Выделяющиеся в верхнюю часть камеры пузырьки воздуха выносят загрязнения на поверхность воды. Процесс флотации длится около 20 мин. Концентрация взвешенных частиц не должна превышать 300 мг/л.

Напорная флотация протекает в две стадии: насыщение сточной воды воздухом под избыточным давлением и последующее резкое снижение давления до атмосферного. Напорные флотационные установки позволяют обрабатывать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений до 5 г/дм³ при производительности от 5 до 2000 м³/ч. Всплывающая масса непрерывно удаляется механизмом сгребания пены в сборники.

Для механической флотации используют импеллеры (турбины насосного типа), форсунки и пористые пластины. Перечисленные приспособления служат для формирования пузырьков воздуха в обрабатываемой сточной воде.

Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если эти вещества биологически не разлагаются или являются очень токсичными при небольшой их концентрации. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ПАВ, красителей, ароматических нитросоединений и др. Достоинствами метода являются высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т. е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность очистки достигает 80—95%.

В качестве адсорбентов чаще всего используют активные угли, синтетические сорбенты (силикагели, алюмогели) и некоторые отходы производства (зола, шлаки, опилки и др.). Адсорбционная способность активных углей является следствием сильно развитой поверхности и пористости. Удельная поверхность их может достигать 1000 м /г.

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием ее через слой адсорбента в специальных аппаратах - адсорберах. Адсорбированные вещества из углей извлекают перегретым водяным паром (200—-300°С), либо нагретым инертным газом (120-140°С). После десорбции пары конденсируются, и вещество извлекают из конденсата. В том случае, когда адсорбированные вещества не представляют ценности, проводят деструктивную регенерацию адсорбента химическими реагентами (обрабатывая его сильными окислителями, например, хлором, озоном) или нагреванием его до 700-800°С в бескислородной среде.

Ионный обмен применяется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианидов и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать собственные ионы на другие ионы в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов, те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами. отрицательные ионы — анионитами. Иониты — бывают неорганические и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно. К неорганическим природным ионитам относятся глинистые материалы, цеолиты, полевые шпаты, слюды, к неорганическим синтетическим - пермутиты. Наибольшее значение для очистки сточных
вод приобрели ионообменные смолы - органические искусственные
иониты. Они представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы - противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными, или анкерными. Полимерные углеводородные цепи, являющиеся основой матрицы, связаны (сшиты) между собой поперечными связями, что придает прочность каркасу.

Экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение. Для каждого вещества существует концентрационный предел рентабельности извлечения его из сточных вод. В общем случае для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3-4 г/дм³ их рациональнее извлекать экстракцией, чем адсорбцией. При концентрации меньше 1 г/дм³ экст­ракцию следует применять только в особых случаях.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий. Первая стадия - интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостями образуются две жидкие фазы. Одна фаза - экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, другая — рафинат — сточную воду и экстрагент. Вторая стадия — разделение экстракта и рафината; третья стадия - регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Для экстракции фенолов из сточных вод используются простые и сложные эфиры. Подсмольные воды коксования углей очищаются экстракцией фенсольваном или трикрезилфосфатом.

Основными аппаратами установок являются смесители, где сточные воды перемешиваются с экстрагентом, и отстойники. В смесителях происходит извлечение экстрагентом токсичных примесей, а в отстойниках - расслоение очищенной воды и экстрагента с растворенными примесями. Последний затем поступает на регенерацию с раздельным выделением в чистом виде экстрагента и токсичных ингредиентов. Эффективность экстракционных методов очистки сточных вод достигает 0,8-0,95.

Обратный осмос заключается в фильтровании растворов неорганических или органических веществ через полупроницаемые (молекулы воды проходят, молекулы растворенных веществ — нет) перегородки (мембраны). Так, если осмотическое давление морской воды составляет 20-25 атмосфер (2,0-2,5 МПа), то для ее опреснения, т. е. для продавливания через мембраны чистого растворителя (воды), следует приложить давление 6-7 МПа. В обратноосмотических аппаратах образуются два потока — опресненная вода и рассол.

Ультрафильтрация основана на разделении растворов фильтрованием через мембраны с диаметром пор 5-200 нм, в то время как при обратном осмосе используются мембраны с диаметром пор до 1 нм. Для ультрафильтрационной очистки от крупных органических или неорганических молекул используют давление 0,1-0,5 МПа. В качестве материала мембран используются ацетат целлюлоза, полиамиды и другие полимеры.

Электрохимическая очистка применяется для очистки сточных вод
от различных растворимых диспергированных примесей; к ней относятся: 1) разложение нежелательных примесей за счет анодного окисления и катодного восстановления; 2) удаление растворенных неорганических соединений с использованием полупроницаемых мембран (электродиализ); 3) разложение примесей путем электролиза с использованием растворимых анодов и получение нерастворимых соединений, выпадающих в осадок. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока.

Перегонка и ректификация. Первый метод состоит в разделении и последующем удалении через открытую жидкую поверхность соединений, имеющих разную температуру кипения. В целях очистки сточных вод применяют простую перегонку, перегонку с водяным паром, перегонку с инертным носителем, азеотропную перегонку, ректификацию в присутствии перегретого пара и азеотропную ректификацию.

Простая перегонка осуществляется путем постепенного испарения сточной воды. Метод применяется для удаления соединений, которые имеют температуру кипения ниже температуры кипения воды (ацетон, спирты и т. д.).

Перегонку с водяным паром (эвапорацию) или другим инертным носителем применяют для удаления легколетучих соединений (аммиака, аминов, фенолов). Перегонку производят в периодически действующих аппаратах или непрерывно действующих дистилляционных колоннах.

Азеотропная перегонка основана на способности ряда органических соединений образовывать друг с другом или с водой нераздельно кипящие смеси, имеющие температуру кипения ниже температуры кипения воды. В этом случае извлекаемое соединение вместе с дистиллятом поступает на дальнейшую переработку.

Ректификация используется для разделения жидких смесей путем многократного массообмена между паровой и жидкой фазами, движущимися противотоком друг к другу. При этом жидкость при движении по колонне сверху вниз обогащается высококипящими соединениями, а пар, движущийся вверх, — низкокипящими.