51. Химические и физико-химические методы очистки сточных вод (регентные методы, экстракция, коагуляция, флокуляция, ионный обмен, ультрафильтрация).

Химические методы очистки сточных вод (нейтрализация, окисление, реагентные методы)

Химическая очистка сточных вод производится перед их по­дачей в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в водоём или городскую канализационную сеть. Кроме того, указанный метод применяется для предварительной очистки сточных вод перед био­логической или физико-химической очисткой, а также в системах ло­кальной очистки производственных сточных вод. Химическая обработка также находит применение и как метод глубокой очистки сточных вод с целью их дезинфекции или обесцвечивания.

Чаще всего сточные воды загрязнены следующими минеральными кислотами - серной H₂S0₄, соляной HC1, азотной HN0₃, а также их смеся­ми. Кроме того, сточные воды могут содержать в своем составе такие ки­слоты, как азотистую HNO₂, фосфорную Н₃РО₄, сернистую H₂SO₃, серо­водородную H₂S, плавиковую HF, уксусную СН₃СООН, угольную Н₂СО₃ и др. Обычно концентрация кислот в сточных водах не превышает 3 %, но встречаются и более концентрированные смеси.

Различают следующие способы нейтрализации сточных вод.

1. Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

2. Реагентная нейтрализация, при которой используются такие веще­ствах, как растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, аммиачная вода NH₄OH, кальцинированная (Na₂CO₃) и каустическая (NaOH) сода;

3. Фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, извест­няк СаСО₃, магнезит MgCO₃, и др.).

В последнее время для нейтрализации щелочных сточных вод предложено использовать дымовые газы, со­держащие в своем составе СО₂, SO₂, NO₂, N₂O₃ и др. При этом одновременно нейтрализуют сточные воды и про­исходит достаточно эффективная очистка отходящих газов от вредных газов.

Нейтрализация смешением

Взаимную нейтрализацию кислых и щелочных сточных вод осущест­вляют путем их смешения в стехиометрическом соотношении, которое производят в устройстве, называемом нейтрализатор смешения. Нейтра­лизатор представляет собой ёмкость, снабженную мешалкой для пере­мешивания кислых и щелочных стоков.

Перемешивание указанных стоков в нейтрализаторе возможно также путем барботирования воздуха. Нейтрализованную воду используют в оборотных системах водоснабжения, а полученные осадки обезвоживают.

Реагентная нейтрализация

Реагенты для нейтрализации кислых сточных вод выбирают в зави­симости от вида кислот и их концентрации. Кроме того, учитывают, об­разуется ли в процессе реакции нейтрализации осадок. Для нейтрализа­ции минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего следующие: известь в виде пушонки или известкового молока, а также карбонаты кальция или магния в виде суспензии.

Экстракция- процесс извлечения вещества из вод­ного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с во­дой. Процессы жидкостной экстракции используются для выделения из сточных вод ценных органических веществ, фенолов и жир­ных кислот), а также тяжёлых цветных металлов (меди, никеля, цинка, кадмия, ртути и др.).

Экстрагент - это органическое вещество, образующее с извлекае­мым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в ор­ганическую фазу. Могут служить органич кислоты, спирты, эфиры, кетоны. Достоинствами экстракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами, простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.

Реагентные методы выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и нерастворимых соединений

Известно, что вещества условно можно разделить на растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые.

Рассмотрим, следуя Л. Полингу, основные классы нерастворимых веществ. К ним в первую очередь относятся все гидрооксиды, за исклю­чением гидрооксидов щелочных металлов, аммония и бария, причём Са(0Н)₂ и Sr(0H)₂ - малорастворимы. Все средние карбонаты и фосфаты нерастворимы, за исключением соответствующих соединений щелочных металлов и аммония. Все сульфиды, за исключением сульфидов щелоч­ных и щелочноземельных металлов, нерастворимы.

Для очистки производственных сточных вод от соединений тяжёлых металлов, в первую очередь, от соединений Си, Ni, Co, Zn, Pb, Cd, Hg их осаждают в виде соответствующих гидрооксидов, сульфатов либо карбо­натов. Для выделения из кислых сточных вод тяжёлых металлов и железа используются те же реагенты, что и при нейтрализации.

К преимуществам реагентного метода следует отнести высокую эф­фективность очистки (снижение концентрации до одного ПДК), а также простоту эксплуатации оборудования. Основные недостатки метода - это образование значительного количества трудноперерабатываемого шлама, а также существенный расход реагентов и связанная с этим необходи­мость организации реагентного хозяйства. Кроме того, очищенная этим методом вода содержит значительное количество солей и может быть ис­пользована в оборотных системах водоснабжения лишь после дополни­тельной очистки (умягчения).

Физико-химические очистки воды (коагуляция, флокуляция, флотация, экстракция)

Коагуляция- это процесс укрупнения дисперсных частиц за счёт их взаимодействия и объединения в агрегаты. Мелкие (первичные) частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнород­ных - гетерокоагуляцией. Вещества, способные вызвать коагуляцию час­тиц, называют в общем случае коагуляторами, а в водоподготовке - коа­гулянтами.

Коагуляция происходит с участием химических реагентов - коагулянтов (солей алюминия и железа): Основным для процесса коагуляции является образование алюминия гидроксида. АL(ОН)3 образует в воде коллоидный раствор, который придает ей перелив цветов и быстро коагулирует, образуя хлопья во всей толще воды. Они имеют заряд, противоположный заряду коллоидных частиц гуминовых веществ, которые содержатся в природной воде. Благодаря этому коллоидные частицы коагулянта нейтрализуют заряд коллоидных гуминовых частиц воды. Они устраняют взаимное отталкивание, нарушают кинетическое равновесие коллоидного раствора. Частички объединяются и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулянта адсорбируют коллоидные и мелкие взвешенные частицы и выпадают на дно, механически захватывая с собой крупную взвесь.

Процесс коагуляции на водопроводах состоит из следующих операций: растворение коагулянта, дозирование, смешение с коагулируемой водой и создание оптимальных условий для образования хлопьев. Коагуляция только подготавливает воду для дальнейшей обработки - осветления и обесцвечивания, и в этом смысле не являются самостоятельным процессом водоподготовки. В ряде случаев в схеме обработки воды коагуляция может отсутствовать.

Флокуляция-процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами.

Механизм действия флокулянтов основан на явлении адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; образование сетчатой структуры молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению жидкой фазы. В технологии очистки сточных вод  флокулянты обычно применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению оптимальных областей коагуляции (по рН и температуре), повышают плотность и прочность образующихся хлопьев, снижают расход коагулянтов, повышают надежность работы и производительность сооружений очистки сточных вод.

Ионообмен- процесс взаимодействия раствора с твёрдой фазой (ионитом), обладающей свойством обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе.Ионообменная очистка сточных вод позволяет извлекать и утилизи­ровать следующие загрязняющие вещества: медь, никель, цинк, свинец, кадмий, хром, ПАВ, радиоактивные вещества. При этом достигается высокая степень очистки сточной воды (до уровня ПДК), а также обеспечивается возмож­ность её повторного использования в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

Мембранные методы: - обратный осмос и ультрафильтрация. Обратный осмос - самопроизвольный перехода растворителя через полупрони­цаемую перегородку в раствор. Процесс обратного осмоса используется как в системах водоподготовки различных предприятий, так и для очи­стки сточных вод. Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов под давлением через полупроницаемые мембраны, пропус­кающие растворитель и полностью или частично задерживающие моле­кулы либо ионы растворённых веществ.

На рисунке Обратный осмос  изображен тот же сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной. С одной стороны налит раствор высокой концентрации, с другой — раствор низкой концентрации.

Вода переходит через мембрану в более концентрированный раствор, стремясь уравнять концентрации по обе стороны мембраны.  Подействуя внешним давлением на более концентрированный раствор , направление хода воды через мембрану изменилось на противоположное. Теперь переход воды через мембрану не зависит от концентрации растворов — она просто продавливается через мембрану внешним давлением.

В результате концентрация раствора изначально имевшего большую концентрацию начинает увеличиваться, а концентрация раствора изначально имевшего меньшую концентрацию начинает уменьшаться. Пропускная способность мембраны при этом не изменяется, через нее по-прежнему проходит только вода, но уже в обратном направлении.

Ультрафильтрация- это процесс мембранного разделения и концентрирования растворов. Этот процесс проте­кает под действием разности давлений ("до" и "после" мембраны)рас­творов высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений.

Процесс ультрафильтрации в отличие от обратного осмоса исполь­зуют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворён­ных компонентов больше молекулярной массы растворителя. Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений (ра­бочего и атмосферного) по обе стороны мембраны.Отличие обратного осмоса и ультрафильтрации от обычного процес­са фильтрования заключается в следующем: при обычной фильтрации продукт откладывается на поверхности фильтра в виде осадка, а при об­ратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из ко­торых обогащен растворенным веществом.