Очистка сточных вод

При создание замкнутых водооборотных систем, как уже отмечалось, очистка сточных вод является важным, но далеко не решающим фактором. Главное — многократное использование воды без очистки или с частичной очисткой в зависимости от требований к качеству воды для различных технологических операций. При локальной очистке всегда стремятся извлечь и переработать в полезные продукты вещества, загрязняющие сточные воды.

Сточные воды многих производств, кроме растворимых неорганических и органических веществ, содержат коллоидные примеси, а также взвешенные грубодисперсные и мелкодисперсные примеси, плотность которых может быть больше или меньше плотности воды. Концентрация примесей различна.

Имеется несколько путей уменьшения количества загрязненных сточных вод, среди них следующие:

1. разработка и внедрение безводных технологических процессов;

2. усовершенствование существующих процессов;

3. разработка и внедрение совершенного оборудования;

4. внедрение аппаратов воздушного охлаждения;

5. повторное использование очищенных сточных вод в оборотных и замкнутых системах.

Методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. В деструктивных методах вещества, загрязняющие воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Выбор метода очистки и конструктивное оформление процесса производятся с учетом следующих факторов:

― санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных вод с учетом дальнейшего их использования;

― количества сточных вод;

― наличия у предприятия необходимых для процесса обезвреживания энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, реагенты, сорбенты), а также необходимой площади для сооружения очистных установок;

― эффективности процесса обезвреживания.

Очистка сточных вод — обработка СВ с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. освобождение СВ от загрязнения — это сложное производство, в нем как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).

Классификация методов

Все существующие методы переработки (очистки, регенерации) промышленных и сельскохозяйственных сточных вод можно разделить на три большие группы:

• методы, основанные на выделение примесей без изменения последних, например отстаивание или фильтрация – физические или механические методы;

• методы, основанные на превращение примесей в другие формы или состояния. Эта самая большая группа включает такие методы, как коагуляция, флотация, кристаллизация, образование малорастворимых соединений, окисление или восстановление; сюда же относятся мембранные процессы, ионный обмен, экстракция и т.д.

• биохимические методы (аэробные и анаэробные).

По способу очистки СВ можно разделить на механические, химические, физико-химические, биохимические и термические. В большинстве случаев используется комплекс этих методов. Когда они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания СВ называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из СВ путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, навозоуловителями различных конструкций, поверхностные загрязнения — нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из промышленных СВ до 95 % нерастворимых примесей, многие из которых как ценные примеси используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в СВ добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков (нейтрализация, окисление и восстановление). Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %.

Нейтрализация путем смешения кислых и щелочных вод, не загрязненных другими компонентами.

Нейтрализация путем добавления реагентов. Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой СВ, при этом учитывают будет ли в процессе образовываться осадок или нет. Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, KOH, Na₂CO₃, NH₄OH (аммиачная вода), CaCO₃, MgCO₃, доломит (CaCO₃∙MgCO₃), цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Сa(OH)₂ 5-10 %. Соду и гидроксид натрия следует использовать, если они являются отходами производства.

Различают три вида кислотосодержащих сточных вод:

1) воды, содержащие слабые кислоты (H₂CO₃, CH₃COOH);

2) воды, содержащие сильные кислоты (HCl, HNO₃). Для их нейтрализации может быть использован любой вышеназванный реагент. Соли этих кислот хорошо растворимы в воде;

3) воды, содержащие серную и сернистую кислоты. Кальциевые соли этих кислот плохо растворимы в воде и выпадают в осадок.

Известь для нейтрализации вводят в СВ в виде гидроксида кальция (известкового молока; «мокрое» дозирование) или в виде сухого порошка («сухое» дозирование). При нейтрализации СВ, содержащих серную кислоту, известковым молоком в осадок выпадает гипс CaSO₄∙2H₂O.

Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы. Проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита, известняка, твердых отходов (шлак, зола). Процесс ведут в фильтрах-нейтрализатора, которые могут быть горизонтальными или вертикальными.

Нейтрализация кислыми газами. Для нейтрализации щелочных СВ используют различные кислоты или кислые газы, в последнее время используют отходящие газы, содержащие CO₂, SO₂, NO₂, N₂O₃ и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать СВ, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов.

Использование для нейтрализации щелочных СВ диоксида углерода имеет ряд преимуществ по сравнения с применением серной или соляной кислот, позволяет снизить стоимость процесса нейтрализации. Вследствие плохой растворимости СО₂ уменьшается опасность переокисления нейтрализованных растворов. Образующиеся карбонаты находят большее применением по сравнению с сульфатами или хлоридами, кроме того коррозионные и токсичные воздействия СО₃^2- ионов в воде меньше, чем ионов SO₄^2– и Сl₃^–.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является примером ресурсосберегающей технологии, позволяющей исключить использованием кислот, создать бессточную схему водопотребления, при этом ликвидируется сброс СВ, сокращается потребление свежей воды, экономится тепловая энергия на подогрев свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых компонентов (CO₂, SO₂ и др.) и пыли.

Окисление и восстановление. Для очистки СВ используют окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориды кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др.

В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в СВ, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые удаляют из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только в тех случаях, когда вещества, загрязняющие СВ, нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами, например, очистка от цианидов, растворенных соединений мышьяка и др.

Активность окислителя определяется величиной окислительного потенциала. Первое место занимает как окислитель фтор, однако, из-за высокой агрессивности он может быть использован на практике. Хлор и вещества, содержащие активный хлор, являются наиболее распространенными окислиителями. их используют для очистки СВ от сероводорода, гидросульфида, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов и др. При введении хлора в воду образуется хлорноватистая [оксохлорат (I) водорода] и соляная (хлороводородная) кислоты

Cl₂ + H₂O = HOCl + HCl.

Далее происходит диссоциация хлорноватистой кислоты, степень которой зависит от рН среды, при рН 4 молекулярный хлор практически отсутствует

HOCl ↔ H⁺ + OCl^­–.

Сумма Cl₂+HOCl+OCl^­– называется свободным активным хлором. В присутствии аммонийных соединений в воде образуется хлорноватистая кислота, хлорамин NH₂Cl и дихлорамин NHCl₂. Хлор в виде хлорамина называется связанным активным хлором.

Пероксид водорода может быть использован для окисления нитритов, альдегидов, фенолов, цианидов, серосодержащих отходов, активных красителей. Промышленность выпускает 85-95 %-ный пероксид водорода и пергидроль, содержащий 30 % Н₂О₂.

Кислород воздухом используется при очистке воды от железа для окисления соединений двухвалентного железа в трехвалентное с последующим отделением от воды гидроксида железа.

4Fe²⁺ + O₂ + 2H₂O = 4Fe³⁺ + 4OH^–, Fe³⁺ + 3H₂O = Fe(OH)₃ + 3H⁺.

Окисление проводят при азрировании воздухом через СВ в башнях с хордовой насадкой. Образующийся гидроксид железа, отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают. Использование колонн с кусковой насадкой или кольцами Рашига нецелесообразно, так как происходит зарастание насадки.

Окисление пиролюзитом проводят фильтрацией СВ через этот материал или в аппаратах с мешалкой. Пиролюзит является природным материалом, состоящим в основном из диоксида марганца. Его используют для окисления трехвалентного мышьяка в пятивалентный

H₃AsO₃ + MnO₂ + H₂SO₄ = H₃AsO₄ + MnSO₄ + H₂O.

Озонирование одновременно обеспечивает обесцвечивание воды, устранение привкуса и запахов и обеззараживает. Озонированием можно очищать СВ от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др. При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обеззараживание воды; бактерии гибнут в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором. Растворимость озона в воде зависит от рН и содержания в воде растворимых веществ. Небольшое содержание кислот и нейтральных солей увеличивает растворимость озона. Присутствие щелочей снижает его растворимость.

Действие озона в процессах окисления может происходить в трех различных направлениях: непосредственное окисление с участием одного атома кислорода; присоединение целой молекулы озона к окисляемому веществу с образованием озонидов; каталитическое усиление окисляющего воздействия кислорода, присутствующего в озонированном воздухе.

Очистка восстановлением сточных вод применяют в тех случаях, когда они содержат легко восстановляемые вещества. Эти методов широко используют для удаления из СВ соединений ртути, хрома, мышьяка.

В процессе очистки неорганические соединения ртути восстанавливают до металлической ртути, которую отделяют от воды отстаиванием, фильтрованием или флотацией. Органические соединения ртути сначала окисляют с разрушением соединения, затем катионы ртути восстанавливают до металлической ртути. Для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид железа, боргидрид натрия, гидросульфит натрия, гидразин, железный порошок, сероводород, алюминиевую пудру и др.

Мышьяк в СВ находится в виде кислородсодержащих молекул, а также в виде анионитов тиосолей AsS₂^–, AsS₃^3–. Наиболее распространненым способом удаления мышьяка из СВ является осаждение его в виде труднорастворимых соединений. При больших концентрациях мышьяка (до 110 г/л) метод очистки основан на восстановлении мышьяковой кислоты до мышьяковистой диоксидом серы.

Метод очистки СВ от веществ, содержащих шестивалентный хром, основан на восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в виде гидроксида в щелочной среде. В качестве восстановителей могут быть использованы активный уголь, сульфат железа (закисного), бисульфат натрия, водород, диоксид серы, отходы органических веществ (напрмер, газетная бумага), пиритный огарок и др. На практике для восстановления наиболее часто используют растворы гидросульфита (бисульфита) натрия

4H₂CrO₄ + 6NaHSO₃ + 3H₂SO₄ → 2Cr₂(SO₄)₃ + 3Na₂SO₄ + 10H₂O.

Реакция протекает при рН 3-4 и избытке серной кислоты. Для осаждения трехвалентного хрома применяют щелочные реагенты Ca(OH)₂, NaOH и др. (оптимальное значение для осаждения 8-9,5)

Cr³⁺ + 3OH^– = Cr(OH)₃.

Хорошие результаты получаются при использование в качестве восстановителя сульфата железа FeSO₄. Процесс можно проводить как в кислой, так и в щелочной среде

2CrO₃ + 6FeSO₄ + 6H₂SO₄ = 3Fe₂(SO₄)₃ + Cr₂(SO₄)₃ + 6H₂O,

2CrO₃ + 6FeSO₄ + 6Ca(OH)₂ + 6H₂O = 2Cr(OH)₃ + 6Fe₂(OH)₃ + 6CaSO₄.