Методи очищення води
Методи очищення води . Чисті стічні води - це води, які в процесі участі в технології виробництва практично не забруднюються і скидання яких без очистки не викликає порушень нормативів якості води водного об'єкта. Нормативи єдині і затверджені Правилами охорони вод від забруднення стічними водами.
Забруднені стічні води - це води, які в процесі використання забруднюються різними компонентами і скидаються без очищення, а також стічні води, що проходять очистку, ступінь якої нижче норм, встановлених місцевими органами по охороні навколишнього середовища. Скидання цих вод викликає порушення нормативів якості води у водному об'єкті.
Практично завжди очищення промислових стоків - це комплекс методів. Найбільш широко використовується комбінація механічного очищення, нейтралізації промислових стоків, або реагентної очистки, та біохімічної очистки. Ці операції здійснюються практично у всіх комплексах очисних споруд, в тому числі і на станціях аерації при очищенні побутових (каналізаційних) стоків. Розглянемо їх детальніше.
1. Механічна очистка стоків
Сюди відносяться відстій стічних вод у спеціальних відстійниках, в яких відбувається осідання зважених часток на дно відстійників; збір нафтопродуктів та інших нерозчинних у воді рідин з поверхні стоків пристроями типу механічних рук і, нарешті, фільтрація вод через шар піску приблизно 1,5-метрової товщини.
2. Хімічна, або реагентному, очищення
а) Один з видів обробки стічних вод - реакції нейтралізації. Нейтралізація - хімічна реакція, яка веде до знищення кислотних властивостей розчину за допомогою лугів, а лужних властивостей розчину - за допомогою кислот. Оскільки хімічна природа відходів може бути різною, то для нейтралізації одного виду відходів необхідно зменшити кислотні властивості, а для іншого виду відходів - лужні властивості. Про ступінь кислотності або лужності розчину судять за величиною водневого показника рН. Значення величини рН розчинів різних речовин коливається від 0 до 14. Невеликі значення рН свідчать про наявність кислотного середовища.
Щоб контролювати реакцію нейтралізації, треба знати, яка кількість кислоти або лугу треба додати в розчин для отримання необхідного значення рН. Для цього використовують метод титрування, за обсягом витраченого титранту обчислюючи кількість визначається речовини.
Найпростішу систему очищення на основі реакції нейтралізації можна представити у вигляді подрібненого вапняку, на який вилили розчин кислоти, а осад зібрали у відстійник.
б) Реакції окислення-відновлення. Будь-яка реакція окислення-відновлення є одночасне окислення одних компонентів і відновлення інших.Найбільш поширені окислювачі та відновники:
Окислювачі |
Відновлювачі |
Кисень або повітря |
Хлорит |
Озон |
Сульфат Fe 2+ |
Хлор, гіпохлорит |
Гідросульфіт |
Перекис водню |
Діоксид сірки |
Перманганат калію |
Сірководень |
Одним з найважливіших окислювальних агентів є хлор, тому більшість хімічних операцій зі стічними водами починається з хлорування, щоб високотоксичний хлор до кінця реагентної обробки повністю віддалявся з води. Окислювально-відновні реакції використовуються для перетворення токсичних речовин в нешкідливі.
3. Біохімічна очистка
а) Аеробна біохімічна очистка - мінералізація органічної речовини промислових або побутових стоків, яка відбувається в результаті його окислення за сприяння аеробних мікроорганізмів (мінералізаторів) у процесі використання ними цієї речовини в якості джерела живлення в умовах інтенсивного споживання мікроорганізмами розчиненого у воді кисню:
З 6 Н 12 Про 6 + 6 O 2 = 6СО 2 + 6 H 2 O.
Було встановлено, що органічні речовини відмерлих організмів руйнуються під дією бактерій, якщо для останніх створені відповідні умови, т. Е. Своєчасно подається кисень і середовище-носій виявляється сприятливою для розвитку мікроорганізмів. Як середовище-носія був обраний піщаний шар товщиною 1,5 м. Доступ кисню забезпечується за допомогою вентиляції або шляхом природної тяги. Стічні води зливаються на грунт тільки протягом 6 годин, а решта 18 годин відводяться на біохімічні процеси. Культура мікробів розвивається у верхніх шарах піску.
Цей метод очищення, названий методом крапельної фільтрації, вперше використаний в минулому столітті (1866) в Лондоні. Метод дозволяє при використанні 1 га піщаного ґрунту очистити 1,038 · 10 6 л / с . стічних вод, отже, Лондону в 1866р. для очищення 1,57 · 10 9 л / с. стічних вод необхідно було мати 810 га відповідних земель. Це занадто велика площа.
Удосконалення методу крапельного фільтра - перполяціонний фільтр - розбризкування стічних вод на пласт щебеню. Найбільш широко система з перполяціонним фільтром стала застосовуватися, коли були досягнуті успіхи в галузі отримання пластмас із заданими властивостями.У сучасних системах очищення накопичення бактеріального матеріалу здійснюється на пластмасових дисках, змонтованих на обертається осі.Диски наполовину занурені у стічні води, у міру їх обертання бактерії періодично забезпечуються живильним середовищем і киснем. Зараз метод крапельного фільтра використовують тільки за умови дешевої землі і м'якого клімату.
Найбільш універсальним способом обробки стічних вод є обробка активним мулом. Стічні води змішують з мулом, що утворився в результаті попереднього окислення вод, тому спосіб і отримав таку назву.
Як відомо, мул являє собою величезну популяцію різних бактерій, грибків та іншої флори, додавання якої до стічних вод призводить до швидкого встановлення рівноваги, що сприяє розкладанню органічних речовин, в результаті якого утворюються СО 2 і Н 2 О. По суті автори нового способу обробки змінили природний біологічний цикл таким чином, що швидкість споживання поживної речовини (тобто, швидкість розкладання органічної речовини) збільшилася на кілька порядків. Подальше вдосконалення цього способу пов'язано з розробкою методів належного догляду та харчування використовуваної популяції мікроорганізмів.
Активний мул являє собою аморфний колоїд з поверхнею 100 м 2 / г сухої речовини, має вигляд буро-жовтих дрібних пластівців розміром 3-150 мкм, зважених у воді. B 1 г сухого мулу міститься від 10 8 до 10 12 штук бактерій. При цьому певний вид бактерій здатний окислювати певні речовини.
Бактерії, що входять до складу активного мулу, здатні переробляти тільки ті стічні води, з яких сформувався цей активний мул. Тому, якщо до складу очищаються промислових стоків будуть введені нові речовини, наприклад при зміні технології виробництва, то буде потрібно час, щоб бактерії, здатні окислити саме ці речовини, розмножилися в достатній кількості і змогли забезпечити найкращу очищення.
Іноді навіть доводиться завозити на знову створюване підприємство активний мул з іншого підприємства, де очищаються аналогічні за складом води і де в активному мулі поширені потрібні види бактерій.
Зазвичай концентрацію активного мулу підтримують рівної 2-4 г / л. У ході очищення активний мул час від часу виводять з очисних споруд, так як його кількість зростає. Частина його при цьому використовується в якості цінного добрива, якщо немає важких металів, частина стабілізують, т. Е. Обробляють надлишком кисню для видалення всілякої органіки, запобігаючи таким чином гниття. Частина надходить на анаеробне розкладання. Апаратура для аеробного біохімічної очистки являє собою так званий аеротенк, або оксітенк (рис. 4.5).
б) Анаеробна біохімічна очистка. У випадку, якщо БПК набагато вище норми, а також для видалення надлишку активного мулу та відходів сільськогосподарських продуктів застосовують анаеробну біохімічну очистку в метантенках (реактор з мішалкою і теплообмінником). При цьому джерелом кисню у воді служать групи кисневмісних аніонів: NO ; S Про ; CO .
В основі метанового бродіння лежить здатність спільнот певних мікроорганізмів в ході життєдіяльності спочатку у фазі кислого водневого бродіння за допомогою бактерій гідролізувати складні органічні сполуки до більш простих, а потім за допомогою метаноутворюючих бактерій перетворювати їх на метан і у вугільну кислоту.
Процес окислення-відновлення - це перехід електронів від субстрату-донора до кінцевого акцептору. Для аеробного реакції кінцевим акцептором є кисень, а при ферментації (анаеробної очистки) - органічна сполука, що утворюється в результаті «простого переміщення» водню з однієї органічної молекули в іншу:
З 6 Н 12 Про 6 = ЗСН 3 СООН + 15 ккал;
2СН 3 СООН = 2СН 4 + 2СО 2 .
Утворений газ складається з метану (65%) і СОз (33%) і може бути використаний для нагріву до 45-55 ° С в самому метантенке, де відбувається анаеробне бродіння. Зброджений осад має високу вологість (95-98%), його ущільнюють, сушать, потім використовують як добриво або, якщо є токсичні домішки, спалюють;
Однак не всякі стічні і природні води можуть бути очищені біохімічними методами. Норми на вміст шкідливих речовин у стічних та природних водах, що надходять на біологічні очисні споруди, за деякими металам наступні: А1 3+ - 5 мг / л; F е 3+ - 5 мг / л; З r 6+ - 0,1 мг / л; Mg 2+ - 1000 мг / л.
Не всі органічні речовини розкладаються на станціях біохімічної очистки. Так, практично не руйнується бензин, барвники, мазут та ін. Ефективність біохімічної очистки на самих сучасних установках становить 90% по органічним речовинам і лише 20-40% - по неорганічним, т. Е. Практично не знижується солевміст. Не можуть бути очищені води, що містять більше 1000 мг / л фенолів, 300-500 мг / л спиртів, 25 мг / л нафтопродуктів, т. Е. Для багатьох випадків ці методи не ефективні. В середньому ефективність анаеробного методу складає близько 40%.Порівняльна оцінка очищення стічних вод різними методами представлена в табл. 4.2.
Процеси анаеробної очистки проводять у спеціальних метантенках при температурі 30-55 ° С, що виділяється метан СН 4 може бути використаний для нагріву метантенка.
Наприклад, у США при анаеробної очистки стічних вод тваринницького комплексу (500 голів свиней) за рахунок спалювання метану після анаеробної очистки комплекс не тільки забезпечує себе електроенергією, але іноді в літній час може навіть продавати її. Утворюються після анаеробної очистки стічні води можуть бути використані для вирощування спеціальних одноклітинних водоростей типу хлорели, які в подальшому можуть бути використані на корм худобі. Цикл виявляється замкнутим.
Необхідно шукати такі способи ліквідації відходів, які дають можливість отримувати корисні продукти, наприклад, дріжджі для випічки хлібо-булочних виробів і для виробництва етилового спирту або для перетворення відходів, що утворюються при переробці деревної пульпи, в корисний продукт.
4. Знезараження води
Останньою стадією підготовки води для питних та інших потреб є її знезараження, т. Е. Рятування від хвороботворних мікроорганізмів, так як добре відомо, що через воду можуть поширюватися такі страшні захворювання, як холера, черевний тиф, інфекційний гепатит та ін. Багато років знезараження води здійснювали за допомогою обробки її хлором. Однак стало відомо, що поліхлоровані біфеніли є отрутами, їх знаходять в основному в жирах. Окисляючись, вони утворюють абсолютні отрути - діоксини. Летальна доза діоксину в організмі для свиней, які є тест-об'єктами, - 10 мкг / кг їх ваги. Але цю дозу можна набрати і поступово. Це привело вчених до висновку, що хлорування може бути шкідливим. У багатьох країнах в 80-і роки перейшли до обробки води фторированием, але виявилося, що воно теж шкідливо. Тому в усьому світі і в Росії теж віддають перевагу обробці води озонуванням.
Біологічне очищення не може забезпечити знесолення стічних вод. Як відомо, вода питної якості повинна містити не більше 1000 мг / л солей, з них: хлоридів - 350 мг / л, сульфатів - 500 мг / л. Необхідну в технічних цілях прісну воду отримують методами виділення солей зі стічних та природних вод.
5. Спеціальні методи очищення води
Існує багато спеціальних методів виділення солей з природних і стічних вод.
а) Дистиляція (випарювання) - добре освоєний і широко вживаний метод. Потужність випарних установок становить 15-30 тис. М 3 на добу.Одні з найпотужніших випарних установок розташовуються на підприємствах атомної енергетики, де необхідно опріснення морської води, наприклад, у м Шевченко (реактор на швидких нейтронах). Основним недоліком цього способу є велика витрата енергії - 0,020 Гкал / т.Геоопреснітельние установки невеликі за потужністю (<20 м 3 / с.), а вартість опріснення велика.
б) Виморожування. При повільному охолодженні солоної води з неї в першу чергу виділяються кристалики льоду, практично не містять солей.У порівнянні з дистиляцією виморожування має енергетичні, технологічні, конструкційні переваги.
в) Мембранний метод. Це електродіаліз і гіперфільтрація, або зворотний осмос. Електродіаліз - сучасний метод демінералізації і концентрування розчинів. Заснований на направленому перенесення іонів дисоційованому солей в поле постійного струму через іонселективного мембрану з природного або синтетичного матеріалу. Схема електродіаліз представлена на рис. 4.6. За кордоном цей метод отримав широке поширення для знесолення морської води. Наприклад, установка в Лівії на 20 тис. М 3 / с., у США - на 400 тис. м 3 .
Метод зворотного осмосу - це процес розділення водних розчинів шляхом їх фільтрування через напівпроникну мембрану під дією тиску вище осмотичного (до 6-8 МПа).
Процес характеризується невеликими енерговитратами. За кордоном освоєно виробництво установок продуктивністю до 1 тис. М 3 / с. У нас працюють установки меншої потужності, але є розробки та проекти на великі потужності. Основні труднощі цих методів - у створенні напівпроникних мембран і тиску.
г) Іонний обмін. Метод широко застосовується у всіх країнах світу. До теперішнього часу цей метод є основним для приготування глибоко знесоленої води для АЕС і ТЕС з котлами надвисокого і критичного тиску. Крім того, метод іонного обміну широко використовується в водооборотних циклах на підприємствах для концентрування та вилучення із стічних вод цінних компонентів (наприклад, важких металів).
Основний недолік загальноприйнятих технологічних схем іонного обміну - надлишок розчинів солей після регенерації іонообмінних фільтрів.Великий витрата води на власні потреби (20-60% від продуктивності). Існує необхідність видалення органічних речовин, щоб уникнути отруєння іонітами. Тому іонний обмін з великим припущенням можна назвати методом знесолення стічних вод, скоріше це технологічний прийом отримання води високого ступеня очищення.
Дуже широке застосування цей метод знайшов у практиці пом'якшення води, т. Е. Рятування її від солей постійної жорсткості.
6. Видалення залишкових органічних речовин
Після біохімічної очистки можуть залишитися органічні речовини, погано засвоювані мікроорганізмами. Кращий спосіб їх видалення - адсорбція активованим вугіллям, який потім регенерується при нагріванні.
Зазвичай стічні води пропускають через колонки з активованим вугіллям, де забезпечений контакт з ним протягом 20- 40 хв. Це дуже ефективний метод, що дозволяє очистити стічні води до БПК <1 МГО 2 / л (менше норми по ГОСТ). Апаратура для застосування цього методу досить проста.
Адсорбція активованим вугіллям ефективна для більшості органічних сполук і використовується для очищення побутових стоків, рідких відходів перегонки нафти, фенолів та інших ароматичних сполук.