6.4. Физико-химические процессы очистки сточных вод

К физико-химическим процессам очистки сточных вод относят коагуляцию, флокуляцию, флотацию, ионный обмен, обратный осмос, ультрафильтрацию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных твердых и жидких частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с биохимическим имеет ряд преимуществ:

1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений;

2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки;

3) меньшие размеры сооружений;

4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок;

5) возможность полной автоматизации;

6) более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры;

7) методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов;

8) возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них.

6.4.1. Коагуляция и флокуляция загрязнений сточных вод

Частицы примесей со средней и хорошей смачиваемостью, не реагирующие со смачивающими жидкостями, могут образовывать с ними при перемешивании механические смеси, коллоидные растворы и истинные растворы. Истинные растворы отличаются от взвесей - коллоидов и механических смесей размерами частиц, на которые распадается вещество при перемешивании. Истинные растворы содержат вещества в виде молекул, атомов, ионов и других частиц с характерными размерами 10^-9 м и менее. К жидким коллоидным растворам относят высокодисперсные и грубодисперсные смеси с размерами частиц соответственно от 10^-9 до 10^-7 м и от 10^-7 до 10^-5 м. Грубодисперсные жидкие коллоиды с твердой дисперсной частью называют суспензиями, с жидкой - эмульсиями.

Скорость осаждения частиц будет возрастать с увеличением размера частиц. Для ускорения отстаивания используют коагуляцию частиц, т.е. укрупнение их с помощью вводимых в суспензию коагулянтов, в результате чего под действием молекулярных сил сцепления происходит слипание мелких частиц в крупные конгломераты (хлопья, флокулы).

В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1…100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов – слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для коллоидных частиц характерно образование на поверхности частиц двойного электрического слоя. Одна часть двойного слоя фиксирована на поверхности раздела фаз, а другая создает облако ионов, т.е. одна часть двойного слоя является неподвижной, а другая подвижной (диффузный слой). Разность потенциалов, возникающая между неподвижной и подвижной частями слоя (в объеме жидкости) называется дзета-потенциалом ξ или электрокинетическим потенциалом, отличным от термодинамического потенциала Е, который представляет собой разность потенциалов между поверхностью частиц и жидкостью. Дзета-потенциал зависит как от Е, так и от толщины двойного слоя. Его значение определяет величину электростатических сил отталкивания частиц, которые предохраняют частицы от слипания друг с другом. Малый размер коллоидных частиц загрязнений и отрицательный заряд, распределенный на их поверхности, обуславливает высокую стабильность коллоидной системы.

Чтобы вызвать коагуляцию коллоидных частиц, необходимо снизить величину их дзета-потенциала до критического значения добавлением ионов, имеющих положительный заряд. Таким образом, при коагуляции происходит дестабилизация коллоидных частиц вследствие нейтрализации их электрического заряда. Эффект коагуляции зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частиц. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие.

Для начала коагуляции частицы должны приблизиться друг к другу на расстояние, при котором между ними действуют силы притяжения и химические средства. Сближение частиц происходит в результате броуновского движения, а также при ламинарном или турбулентном движении потока воды. Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением.

В качестве коагулянтов используют бентонит, электролиты, растворимые в воде соли алюминия Al₂(SO₄)₃, соли железа FeCl₃ или их смеси, полиакриламид, которые гидролизуясь, образуют хлопьевидные гидраты окислов металлов.

Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды, более широкая область оптимальных значений рН среды, большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃ и хлорного железа FeCl₃ в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Для обработки сточных вод также могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита (рис. 6.2).

= k(n_о – n_x)². (6.21)

При малых концентрациях электролита эффективность соударения частиц, т.е. отношение числа столкновений, окончившихся слипанием, к общему числу столкновений, близка к нулю (ψ = 0). По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения оканчиваются слипанием частиц – такую коагуляцию называют медленной.

При ψ = 0 наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

Скорость быстрой коагуляции для неподвижной среды при броуновском движении частиц по теории Смолуховского равна:

= k(n_о – n_x)². (6.22)

Количество частиц в единице объема воды за время τ для быстрой и медленной коагуляции определяется по формулам:

n_τ = n_o/(1+ τ/T_½); (6.20) n_τ = n_o/[1+ψ(τ/T_½)], (6.23)

где k – константа коагуляции; n_х – число агрегатов частиц; n_o – начальная концентрация частиц; T_Ѕ - время коагуляции, в течение которого количество частиц в единице объема уменьшается вдвое; ψ – коэффициент эффективности столкновений частиц.

В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, т.к. крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные.

Размер хлопьев (в пределах 0,5…3 мм) определяется соотношением между молекулярными силами, удерживающими частицы вместе, и гидродинамическими силами отрыва, стремящихся разрушить агрегаты. Для характеристики хлопьев используют эквивалентный диаметр.

d_э = (6.24)

где  – кинематическая вязкость воды; ρ_х – плотность хлопьев; w_ос – скорость свободного осаждения хлопьев.

Плотность хлопьев определяется с учетом плотности воды ρ_в и твердой фазы ρ_т и объема твердого вещества в единице объема хлопьев δ_т:

ρ_х = ρ_в + δ_т(ρ_т – ρ_в). (6.25)

Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся агрегатов частиц и пластичности. Агломераты частиц, неоднородных по размеру, прочнее, чем однородных. Вследствие выделения газа из воды, а также в результате аэрации и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которое сопровождается уменьшением плотности хлопьев и уменьшением скорости осаждения.

Для хлопьевидных частиц в пределах объемных концентраций взвеси С₀ от 0 до 0,2 кг/м³ скорость осаждения можно рассчитать

. (6.26)

Отношение скорости стесненного осаждения к скорости свободного осаждения частиц равно

, (6.27)

где ₀ и _с - коэффициенты сопротивления частицы при свободном и стесненном осаждении.

Кроме коагулянтов к осветляемой жидкости добавляют небольшие количества флокулянтов, способствующих слипанию агрегативно неустойчивых твердых частиц.

Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрии, эфиры, целлюлозы и др. Активный диоксид кремния (xSiO₂^.yH₂O) является наиболее распространенным неорганическим флокулянтом. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение получил полиакриламид (ПАА). При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу дисперсионных частиц. Оптимальная доза ПАА для очистки промышленных сточных вод колеблется в пределах 0,4…1 г/м³.

Механизм действия флокулянтов основан на явлении адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц, на образовании сетчатой структуры молекул флокулянта, на слипании коллоидных частиц за счет сил Ван–дер–Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы.

Эффективность любого флокулянта рассчитывают по формуле

_ф = (6.28)

где w_сф и w – скорость осаждения сфлокулированного и несфлокулированного шлама, мм/с; q – расход флокулянта на 1 т твердого вещества, г.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией (рис. 6.3) состоит из стадий:

1. дозирование;

2. смешение реагентов со сточной водой;

3. хлопьеобразование;

4. осаждение хлопьев.

Вода Коагулянт

Рис. 6.3. Схема процессов коагуляции и флокуляции:

1 – емкость для приготовления раствора; 2 – дозатор; 3 – смеситель;

4 – камера хлопьеобразования; 5 – отстойник.