Физико-химические методы очистки производственных сточных вод
Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами.
К физико-химическим методам очистки относятся:
коагуляция
флокуляция
сорбция
флотация
экстракция
ионный обмен
гиперфильтрация
диализ
эвапорация
выпаривание
испарение
кристаллизация
магнитная обработка воды
методы, связанные с наложением электрического поля: электрокоагуляция, электрофотация.
Коагуляция – это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсной среды (в нашем случае – жидкости) слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.
В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные (0,1-10 мкм) и коллоидные частицы (0,01-0,1 мкм) в результате механической очистки практически не удаляются.
Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно-устойчивую систему. Для их очистки применяют методы коагуляции; агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляют из сточных вод механическими методами.
Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.
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.
В качестве коагулянтов используют соли алюминия, соли железа, а также смеси солей Al2(SO4)3 и FeCl3 в соотношении от 1:1 до 1:2 и алюминийсодержащие отходы, травильные растворы, шлаки, пасты и смеси. Доза коагулянта подбирается в зависимости от содержания твердых примесей.
Для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения используют флокулянты. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагулирования и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.
Наиболее
распространенным неорганическим
флокулянтом является активная кремниевая
кислота (xSiO2´yH2O)
из синтетических органических флокулянтов
наибольшее распространение в нашей
стране получил полиакрил-амид
(а
также используют поливиниловый спирт,
полиакрилонитрил, полиакрилат натрия).
Дозу полиакриламида при вводе перед отстойниками или осветлителями со взвешенным осадком принимают равной от 0,4 до 1,5 мг/дм3; дозу кремниевой кислоты – 2-3 мг/ дм3.
Приготовление и дозирование коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках (не менее 2-х). Для перемешивания подают сжатый воздух через перфорированные труб с отверстиями размером 3-4 мм. Для опорожнения баков и сброса осадка предусматривают трубопроводы Æ не менее 150 мм.
Концентрированные растворы коагулянтов перемешивают с водой в расходных баках лопастными мешалками, воздухом или циркуляционными насосами.
Для смешивания сточных вод с коагулянтом применяют смесители: дырчатые, перегородчатые, вертикальные и с лопастными мешалками.
Для обеспечения образования хлопьев коагулянта используют камеры: перегородчатые, вихревые, водоворотные и с мешалками.
Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и др. отраслей промышленности.
Эффективность коагуляционной очистки зависит от факторов:
вида коллоидных частиц;
их концентрации;
степени дисперсности частиц;
наличия в сточных водах электролитов и др. примесей;
величины электрокинетического потенциала.
В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы.
Флотация – выделение из сточных вод примесей путем введения флотореагента, обволакивающего частички примесей и удаляемого из воды вместе с ними. Процесс флотации заключается в молекулярном слипании частиц примесей и пузырьков воздуха, диспергированных в воде, и всплывании комплексов «пузырек – частица» на поверхность воды, при этом происходит концентрирование частиц в образовавшемся пенном слое.
Прилипание частицы, находящейся в сточной воде, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью.
Для интенсификации образования агрегатов пузырек-часттица в воду добавляют различные реагенты: собиратели, пенообразователи, регуляторы, которые увеличивают гидрофобизацию поверхности частиц, дисперсность и устойчивость газовых пузырьков. В качестве реагента используют соли железа и алюминия, флокулянты ВПК-101, ПЭИ, ППС, ППА. Для создания оптимальной рН среды используют известь, едкий натр и кислоты.
Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Флотационные установки используют для удаления из сточных вод масел, нефтепродуктов, жиров, смол, гидроксидов, ПАВ и других органических веществ, твердых частиц с гидравлической крупностью менее 0,01 мм/с, полимеров, волокнистых материалов, а также для разделения иловых смесей.
В зависимости от метода насыщения воды пузырьками воздуха различают следующие способы флотационной очистки сточных вод:
флотация с выделением пузырьков воздуха из раствора, вследствие изменения давления (вакуумная, напорная, эрлифтная);
флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерная, безнапорная, пневматическая);
барботажная (подача газа через пористые или перфорированные элементы);
электрофлотация;
химическая и биологическая флотация.
Наиболее широко в процессах очистки сточных вод используется напорная флотация. Установка для напорной флотации включает:
сборные (приемные) емкости для сбора сточных вод;
насосы;
эжекторы или компрессоры;
напорный резервуар (сатуратор) для насыщения воды воздухом;
флотационную камеру;
оборудованием для сбора и удаления пены с загрязнениями.
Для повышения эффективности очистки предусматривают предварительную коагуляцию воды. Установку дополняют смесителями, камерами хлопьеобразования и др.
В сатураторе (рис.7.16.) происходит растворение воздуха при давлении 0,3-0,5 МПа. Сатуратор напорной флотации (рис.7.16) рассчитывают на продолжительность насыщения воды воздухом, равную 1-3 мин. Воздух под давлением 0,3-0,5 МПа подают в количестве 3-5% от объема очищаемой воды. Во флотационной камере, которая работает при атмосферном давлении, происходит выделение растворенного воздуха и осуществляется процесс флотации. Таким образом, образование пузырьков газа происходит вследствие уменьшения растворимости воздуха в воде при снижении давления. При этом выделение газа из воды происходит непосредственно на частице. Эффективность очистки флотацией = 85-95%.
Флотаторы представляют собой отстойники радиального типа с встроенной флотационной камерой. Камера имеет механизм для сгребания пены.
Напорная флотация применяется для очистки сточных вод от нефти, нефтепродуктов, жиров, масел, ПАВ, волокнистых веществ.
Флотация с механическим диспергированием воздуха основана на том, что при перемещении струи воздуха в воде в ней создается интенсивное вихревое движение, под воздействием которого воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Энергичное перемешивание сточной воды во флотационных импеллерных установках создает в ней большое число мелких вихревых потоков, что позволяет получить пузырьки определенной величины.
В безнапорных установках диспергирование воздуха происходит за счет вихревых потоков, создаваемых рабочим колесом центробежного насоса. Схема флотации аналогична напорной, но в ней отсутствует сатуратор, что и является преимуществом безнапорной флотации. Безнапорные флотационные установки применяют для очистки сточных вод от жира и шерсти.
Пневматические флотационные установки применяют при очистке сточных вод, содержащих растворенные примеси, которые агрессивны к механизмам (насосам, импеллерам и др.), имеющим движущиеся части. Измельчение пузырьков воздуха достигается путем впуска воздуха во флотационную камеру через сопла, которые располагаются на воздухораспределительных трубках, укладываемых на дно флотационной камеры на расстоянии 0,25-0,3 м друг от друга.
Экстракция – метод очистки производственных сточных вод, основанный на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них.
Установки жидкостной экстракции применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла; органические кислоты, ионы металлов и др. В качестве экстрагентов используют органические растворители (бензол, тетрахлоридметан, бутилацетат и др.).
Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. 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 сточных вод с экстрактом (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.
Чтобы снизить содержание растворенных примесей до концентраций, ниже ПДК, необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточные воды. при выборе растворителя следует учитывать: его селективность, физико-химические свойства, стоимость и способы регенерации.
Требования: экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточных вод. Скорость подачи экстрагента в сточные воды должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте и в воде kр = СЭ/Св. Коэффициент распределения устанавливается опытным путем и зависит от природы компонентов системы, наличия примесей в воде и экстрагенте и температуры.
Схема многоступенчатой приточной экстракции.
Схема многоступенчатой экстракционной установки представляет собой батарею смесителей и отстойников каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. Свежий экстрагент и сточная вода поступают с противоположной стороны. В первой ступени сточные воды с небольшим содержанием примесей перемешивается со свежим экстрагентом, а в последней ступени исходная сточная вода смешивается с экстрагентом, который уже содержит значительное количество извлекаемого вещества. Такое движение потоков способствует созданию большой движущей силы процесса экстракци и эффективнй чистке сточных вод.
Вода и экстрагент движутся навстречу друг другу, экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с водяной фазой предыдущей ступени.
Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды разделяют на:
перекрестноточные
ступенчато-противоточные
непрерывно-противоточные
Прямоток в процессах экстракции не применяется.
Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.