6. Физико-химические методы очистки сточных вод

Физико-химические методы играют существенную роль при обработке производственных сточных вод. К ним относятся коагуляция и флокуляция, сорбция, ионный обмен, экстракция, различные электрохимические методы, мембранные методы (обратный осмос, ультрафильтрация) и др. Эти методы используют как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, биологическими и химическими методами очистки. Наиболее эффективное применение физико-химических методов достигается в локальных системах очистки сточных вод промышленных предприятий.

Коагуляция и флокуляция

Коагуляция — это процесс укрупнения дисперсных частиц за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией. Вещества, способные вызвать коагуляцию частиц, называются в общем случае коагуляторами, а в водоподготовке — коагулянтами, или гидролизующимися коагулянтами. Последние не только вызывают коагуляцию частиц загрязнений, но и образуют, гидролизуясь, малорастворимые продукты, способные объединяться в крупные хлопья.

Гетерокоагуляция. При очистке производственных сточных вод в основном применяется процесс гетерокоагуляции, который можно определить как взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц сточных вод с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов. Наиболее часто в практике очистки сточных вод применяются соли алюминия и железа, которые, гидролизуясь, образуют малорастворимые гидрооксиды алюминия и железа, обладающие развитой хлопьевидной поверхностью, на которой сорбируются мелкодисперсные и коллоидные примеси, оседающие затем на дно отстойника и образующие осадок.

Флокуляция. Флокуляцией называется процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. Флокулянты используют для расширения оптимальных диапазонов коагуляции (по рН и температуре), а также для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода коагулянтов, в результате чего повышаются надежность работы и пропускная способность очистных сооружений.

Флокулянты в зависимости от полярных групп, входящих в их состав, подразделяются:

• на неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные группы: — ОН, =СО (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

• анионные — полимеры, содержащие анионные группы: —СООН, —SО₃H, — OSO₃H (активная кремневая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

• катионные — полимеры, содержащие катионные группы: —NH₂, =NH (полиэтиленамин, сополимеры винилпиридина и др.);

• амфотерные — полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид [C₃H₅ON], белки и др.

Технология коагуляционной и флокуляционной очистки сточных вод и используемое оборудование. Количество коагулянта, необходимого для очистки сточных вод, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально. Эффективность процесса флокуляции и его скорость зависят от следующих факторов: состав сточных вод и их температура, интенсивность перемешивания и последовательность введения коагулянтов и фло-кулянтов. Процесс очистки сточных вод указанными методами состоит из следующих технологических операций: приготовление водных растворов коагулянтов или флокулянтов, дозирование, смешение с объемом сточной воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из сточной воды.

Сорбция

Сорбция — это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью, называемыми сорбентами. Поглощаемое вещество называется сорбатом. При абсорбции вещества (абсорбата) поглощение последнего происходит во всем объеме жидкого или твердого абсорбента. Абсорбция обусловлена как процессом диффузии абсорбента в абсорбат, так и процессами растворения. Под адсорбцией понимают процесс поглощения веществ (адсорбатов), находящихся в газах и жидкостях, происходящий на поверхности твердых тел (адсорбентов). Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией.

Сорбционная очистка рекомендуется для сточных вод, загрязненных ароматическими соединениями, слабыми электролитами или неэлектролитами, красителями, непредельными соединениями, гидрофобными алифатическими соединениями. Указанные методы позволяют извлечь из сточных вод ценные компоненты с их дальнейшей утилизацией, а очищенную воду использовать в системах оборотного водоснабжения предприятия. Сорбционная очистка применяется в качестве самостоятельного метода или совместно с методом биологической очистки.

В качестве сорбентов применяются различные материалы: активированные угли различных марок, силикагели, алюмогели, зола, коксовая мелочь, торф, шлаки, активные глины и др. Характерной особенностью перечисленных сорбентов является их пористость.

Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³ или кг/кг).

Флотация

Флотация используется для очистки производственных сточных вод от поверхностно-активных веществ, нефти и нефтепродуктов, масел, а также от различных волокнистых материалов. Процесс очистки заключается в образовании комплексов «частицы — пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего загрязнения, и последующего удаления этого слоя с поверхности. Эффект прилипания пузырька воздуха к поверхности частицы достигается только в том случае, если жидкость плохо ее смачивает.

Существуют различные способы флотационной обработки производственных сточных вод:

1) флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки). Сущность этого метода состоит в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной воде, при выделении которого образуются микропузырки, позволяющие удалять сильнодиспергированные загрязнения;

2) флотация с механическим диспергированием воздуха (импеллерные, безнапорные и пневматические флотационные установки);

3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

4) электрофлотация;

5) пенная сепарация (пенная флотация). Используется для очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ. При реализации этого метода протекают процессы селективной адсорбции загрязняющих воду веществ на поверхности газовых пузырьков, и происходит концентрирование указанных веществ в слое пены;

6) химическая, биологическая и ионная флотация. Способ химической флотации основан на протекании реакций с выделением газов, например таких, как 02, С02, Cl2 и другие, пузырьки которых прилипают к загрязняющим частицам и выносят их в пенный слой. Пена, содержащая загрязняющие частицы, удаляется с поверхности воды в шламоприемник.

Биологическую флотацию используют для уплотнения осадков из первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод на основе воздействия микроорганизмов.

Процесс ионной флотации используется для выделения из сточных вод таких металлов, как Mo, W, Re, V и др. Сущность этого процесса заключается в том, что в сточные воды вводятся поверхностно-активные вещества (собиратели), которые обеспечивают флотируемым металлам водоотталкивание и сродство к пузырькам воздуха, которые выносят загрязнения в слой пены. Пену удаляют из флотационной камеры и извлекают из нее сконцентрированные ионы удаляемых металлов.

Различают однокамерные и двухкамерные флотационные установки. В однокамерных установках одновременное насыщение жидкости воздухом и всплывание загрязнений происходят в одном отделении (камере). В двухкамерных установках в первом отделении образуются пузырьки воздуха и агрегаты «частица—пузырек воздуха», а во втором — всплывание загрязнений на поверхность жидкости и осветление последней.

Экстракция

Жидкостная экстракция — это 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 (например, фенолов и жирных кислот), а также тяжелых цветных металлов (меди, никеля, цинка, кадмия, ртути и др.).

Экстрагент — это органическое вещество, образующее с извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в органическую фазу. Экстрагентами служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др.

Разбавителем называется органическая жидкость, не смешивающаяся с водой и служащая растворителем экстрагента (керосин, бензол, ксилол, уайт-спирит и др.).

Органическая и водная фазы после проведения экстракционной стадии называются соответственно экстрактом и рафинатом. Загрязняющие компоненты выделяются из экстракта двумя путями: либо ректификацией, либо реэкстракцией, в результате которых обычно достигается и регенерация экстрагента. В качестве реэкстрагирующих растворов (реэкстрагентов) используют водные растворы кислот, солей и оснований. Водный раствор после реэкстракции называется реэкстрактом.

Для выделения загрязняющих органических веществ из сточных вод можно использовать следующие методы жидкостной экстракции, которые различаются по схемам контакта экстрагента и сточной воды: перекрестно-точные, ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные.

Ионный обмен

Гетерогенный ионный обмен, или ионообменная сорбция, представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой 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: тяжелые цветные металлы (медь, никель, цинк, свинец, кадмий и др.), хром, ПАВ, цианистые соединения и радиоактивные вещества. При этом достигается высокая степень очистки сточной воды (до уровня ПДК), а также обеспечивается возможность ее повторного использования в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. Кроме того, иониты используются для обессоливания воды в процессе водоподготовки.

Различают неорганические (минеральные) и органические иониты. По знаку заряда обменивающихся ионов все иониты подразделяются на катиониты, проявляющие кислотные свойства, и аниониты, обладающие основными свойствами. Ионитами могут быть как природные вещества, так и вещества, полученные искусственно (синтетические).

К природным неорганическим ионитам относятся цеолиты, глинистые материалы, полевые шпаты, слюды и др.

К природным органическим ионитам относятся гуминовые кислоты углей и почв, обладающие слабокислотными свойствами.

Наибольшее значение для очистки сточных вод и процессов водоподготовки в настоящее время имеют синтетические иониты, к которым относятся ионообменные смолы.

Регенерация ионитов. Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т. е. возможность восстановления обменной емкости после насыщения, что достигается проведением реакции ионного обмена в обратном направлении. Этот процесс называется регенерацией. Регенерационные растворы называются элюатами. В их состав входят катионы или анионы, извлеченные ионитами из сточных вод.

Электрохимическая очистка сточных вод

Методы электрохимической очистки сточных вод используются для выделения из них различных растворимых и диспергированных примесей, как органических, так и неорганических.

Анодное окисление и катодное восстановление. Процессы электрохимического окисления-восстановления проводят в электролизере.

В процессах анодного окисления вещества, находящиеся в сточных водах, либо полностью распадаются, либо образуются менее токсичные вещества, которые удаляют другими методами. Таким методом сточные воды очищают от цианидов, роданидов, нитросоединений, формальдегида, сульфидов, меркаптанов и ряда других веществ.

Катодное восстановление металлов используют для выделения из сточных вод следующих ионов тяжелых металлов: Pb²⁺, Sn²⁺, Hg²⁺, Cu²⁺ и др.

Электрокоагуляция. Электрокоагуляционные методы очистки сточных вод используются в отечественной практике для выделения хрома. При реализации этого метода протекают следующие физико-химические процессы: электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

Электрофлотация. Метод электрофлотационной очистки сточных вод основан на переносе загрязняющих частиц из объема жидкости на ее поверхность пузырьками газов, образующихся при электролизе сточных вод. Устройства, в которых протекает этот процесс, называются электрофлотаторами. На катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Основные флотационные процессы протекают с участием водорода. Методами электрофлотации очищают сточные воды нефтеперерабатывающих заводов, целлюлозно-бумажных комбинатов и других предприятий.

Электродиализ. Электродиализом называется процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для очистки сточных вод методом электродиализа используют электрически активные ионитовые мембраны. Электролиз используют для опреснения соленых вод, а также для очистки промышленных сточных вод и отработанных технологических растворов.

Гальванокоагуляционная очистка сточных вод. В настоящее время для очистки кислых сточных вод от ионов тяжелых металлов и доочистки нейтрализованных стоков на ряде заводов используется метод гальванокоагуляции, основанный на использовании эффекта гальванического элемента железо—кокс и железо—медь, помещенного в очищаемый раствор.

Применение методов обратного осмоса и ультрафильтрации

Обратный осмос и ультрафильтрация — это мембранные методы разделения жидких систем, к которым относятся также диализ и электродиализ. При использовании любого из перечисленных методов процесс разделения осуществляют следующим образом. Разделяемый раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из компонентов. В ряде случаев процессы проходят настолько полно, что продукт практически не содержит примесей, задерживаемых мембраной.

Термическая обработка сточных вод

Концентрирование сточных вод. Метод концентрирования сточных вод применяется для выделения из них минеральных солей, а очищенная вода используется в оборотных системах водоснабжения. Выделение минеральных солей проводят в две стадии: на первой стадии получают концентрированный раствор, а на второй — выделяют из него твердые вещества. Концентрируют растворы испарением (выпариванием) вымораживанием либо используют кристаллогидратные методы.

Выделение веществ из концентрированных растворов. Для выделения веществ из концентрированных растворов используют методы сушки и кристаллизации. Сушка — это удаление влаги из твердых материалов, главным образом путем ее испарения. Кристаллизация — это выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов (концентрированных сточных вод). При кристаллизации из концентрированных сточных вод выделяются соли магния, кальция, натрия и др. Процесс сушки используют для выделения из сточных вод сухих продуктов.

Термоокислительные методы. Используются для удаления из сточных вод органических примесей.

Метод жидкофазного окисления характерен тем, что органические загрязнения удаляют из сточных вод путем окисления кислородом под давлением 2...28 МПа и температуре 100...200 °С. В результате окисления органических загрязнений образуются нетоксичные вещества, что является несомненным достоинством метода.

При использовании метода парофазного каталитического окисления сточные воды, загрязненные летучими органическими веществами, подают в выпарной аппарат, где при температуре около 300 °С образуются пары воды и органических веществ. Эти пары вместе с горячим воздухом подают в выпарной аппарат, загруженный катализатором (медно-хромовым, цинк-хромовым и др.), в котором происходит процесс гетерогенного каталитического окисления кислородом воздуха органических паров. Степень обезвреживания достигает 99,8 %.

Огневой метод — это универсальный метод термической очистки сточных вод. При использовании этого метода распыленная сточная вода вводится в нагретые до 900...1000 °С продукты горения топлива. Органические примеси при этом сгорают, а минеральные примеси в зависимости от температуры их плавления выводятся из печи в твердом или расплавленном состоянии или уносятся с дымовыми газами.

Рекомендуемая литература

1. Системы защиты среды обитания / Д.А. Кривошеин, В.П. Дмитренко, Н.В. Федотова (учебное пособие в 2-х томах, 2014, Москва, Академия)

2. Техника и технология защиты воздушной среды / В.В. Юшин, В.Л. Лапин и др. (2005, Москва, Высшая школа)

3. Процессы и аппараты защиты окружающей среды / Ю.П. Сидоров, Е.В. Тимошенкова (МИИТ)

4. Практическая экология при эксплуатации ВСНТ / Ю.П. Сидоров, Т.В. Гаранина (МИИТ)

5. Защита атмосферы от выбросов пыли на предприятиях железнодорожного транспорта / Ю.П. Сидоров, Е.В. Тимошенкова, Т.В. Гаранина (МИИТ)

1