Методическое пособие 685

9.3. Химические методы очистки сточных вод

Химические методы применяют для очистки сточных вод от растворённых в ней минеральных и органических соединений. К химическим методам очистки относятся нейтрализация, осаждение, окисление и восстановление.

Нейтрализация необходима для очистки сточных вод, содержащих большие количества минеральных кислот и щелочей. Сущность метода нейтрализации состоит в сбалансировании количества кислых и щелочных ионов (H+ и OH−) в воде. В основе метода лежит реакция нейтрализации:

H+ + OH− → H2O.

Практически нейтральными считаются воды с pH 6,5-8,5. Нейтрализацию сточных вод проводят несколькими способами:

1)смешение кислых и щелочных стоков: применяется, когда на одном или соседних предприятиях имеются и кислые, и щелочные стоки, не загрязнённые другими компонентами;

2)добавление реагентов: для нейтрализации кислых стоков используют гашёную и негашёную известь, "известковое молоко", щёлочи, аммиачную воду, соду, известняк, доломит, магнезит, цемент; для нейтрализации щелочных стоков используют минеральные кислоты;

3)фильтрование кислых вод через нейтрализующие материалы.

Вкачестве нейтрализующих материалов используют толчёные магнезит, доломит, известняк, мел, мраморную и цементную крошку, золы и шлаки.

4)абсорбция кислых газов (CO2, SO2, NOX) щелочными стоками и абсорбция аммиака (NH3) кислыми стоками.

Осаждение применяют, главным образом, для удаления из сточных вод тяжёлых металлов, а также соединений фтора и фосфора.

Принцип действия метода осаждения - перевод растворимых в воде веществ в малорастворимые или нерастворимые путём добавления реагентов с последующим выделением продуктов из воды в виде осадков. В основе метода осаждения лежат реакции замещения.

Вкачестве реагентов в процессах осаждения используют NaOH, KOH, Ca(OH)2, CaCO3, Na2CO3, Na2S, золы, шлаки и др., например:

CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2 + Na2SO4;

Pb(NO3)2 + Na2CO3 → PbCO3 + 2NaNO3.

Окисление и восстановление используют для очистки сточных вод от различных растворённых минеральных и органических веществ.

Сущность этих методов состоит в использовании реакций окисления и восстановления для перевода токсичных соединений в менее токсичные или нетоксичные путём добавления в воду различных реагентов с последующим выделением продуктов из воды.

71

Окисление применяют для удаления из сточных вод цианидов, сероводорода, сульфидов, соединений тяжёлых металлов и мышьяка, меркаптанов, фенолов, крезолов и др.

В качестве окислителей используют хлор и его производные, озон, кислород, пероксид водорода, перманганаты, бихроматы, пиролюзит и др., например:

4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+.

Восстановление применяют для удаления из сточных вод легко восстанавливающихся веществ – главным образом, соединений ртути, хрома и мышьяка, а также нитритов, нитратов, сульфатов, хроматов, бихроматов, хлоратов, перхлоратов, броматов, иодатов и т.п.

В качестве восстановителей используют активированный уголь, сульфиды, алюминиевый и железный порошок, соли Fe (II), водород, SO2, гидросульфит и боргидрид натрия, аммиак, ацетат бария, некоторые органические вещества – гидразин и т.п., а также производственные отходы – пиритный огарок и пр., например:

2CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + 6H2O .

9.4. Термические методы очистки сточных вод

Термические методы очищают сточные воды от минеральных солей и органических веществ. К термическим методам очистки относятся

концентрирование и термоокисление.

Концентрирование применяют для удаления из сточных вод растворённых минеральных солей. Концентрирование сточных вод проводят следующими способами:

Испарение – нагревание сточной воды до температуры испарения (кипения) с последующей конденсацией чистых водяных паров.

Вымораживание – охлаждение сточной воды до температуры ниже температуры замерзания чистой воды, в результате чего чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворёнными в нём солями образует отдельную жидкую фазу. Кристаллы льда отделяют от рассола и плавят с получением чистой воды. Вымораживание проводят под вакуумом или посредством специальных холодильных агентов (хладагентов) – аммиака, CO2, бутана, пропана, хладонов (CCl2F2, CCl3F, CClF3) и др.

Кристаллогидратный процесс – перевод молекул воды из свободного состояния в связанное посредством образования кристаллогидратов при добавлении в сточную воду гидратообразующих агентов – пропана, хлора, хладонов, CO2 и др. Полученные кристаллогидраты плавят, выделяя чистую воду в виде паров, которые конденсируют.

72

Термоокислительные методы необходимы для удаления из сточных вод органических веществ путём окисления их до нетоксичных соединений кислородом воздуха при высоких температурах.

Термоокисление сточных вод происходит следующими способами: Парофазное окисление ("огневой" метод): используется для очистки

сточных вод, содержащих большие концентрации органических веществ. Жидкофазное окисление: окисление растворённых в воде органических

веществ кислородом воздуха при температурах 100-350 °С и давлении, обеспечивающем нахождение воды в жидкой фазе – 2-28 МПа.

Термокаталитическое окисление: окисление летучих органических веществ кислородом воздуха в парогазовой фазе в присутствии катализаторов при температурах 260-540 °С. Катализаторами служат Pt, оксиды меди, хрома, цинка, марганца и др.

9.5. Биологические методы очистки сточных вод

Биологические методы применимы для очистки сточных вод от многих растворённых и взвешенных органических соединений и ряда неорганических веществ – сероводорода, сульфитов, сульфидов, аммиака, нитритов и др.

В основе биологической очистки лежит способность и потребность микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические и минеральные соединения в качестве питательных веществ и источника энергии для своего развития и жизнедеятельности. Сложные органические вещества разрушаются до простых неорганических – CO2 и H2O, нитратов, сульфатов, карбонатов и т.п. или участвуют в синтезе биомассы.

Процессы разрушения веществ, протекающие внутри клеток микроорганизмов, представляют строгую последовательность окислительновосстановительных реакций с участием ферментов в качестве катализаторов (метаболизм).

Микроорганизмы окисляют многие органические вещества, но с разной скоростью. Скорость биохимических реакций определяется структурой разрушаемого вещества и активностью ферментов, которая зависит от температуры, pH и присутствия в сточной воде других веществ.

К биологически легко окисляемым соединениям относятся алифатические спирты, альдегиды, сложные эфиры, карбоновые кислоты, углеводы и др. Трудно окисляются высшие спирты, жирные кислоты, нитросоединения и др. Некоторые соединения вообще не подвергаются биохимическому окислению вследствие токсического действия на микроорганизмы – хлороформ, тетрахлорметан, гетероциклические соединения и др.

Биологические методы очистки сточных вод делятся на аэробные и анаэробные.

Аэробные методы основаны на использовании для окисления органических веществ аэробных микроорганизмов – таких, для

73

жизнедеятельности которых необходимо наличие кислорода и температура 1040 °С.

Анаэробные методы очистки - процессы расщепления веществ без доступа кислорода в присутствии анаэробных микроорганизмов. Анаэробные методы применяют преимущественно для обезвреживания осадков сточных вод и называют брожением.

Аэробную очистку сточных вод осуществляют сообществами микроорганизмов, которые культивируют как во взвешенном состоянии (активный ил), так и в закреплённом (биоплёнка). Активный ил культивируется в аэротенках, биоплёнка – в биофильтрах.

Аэробную биологическую очистку сточных вод можно проводить в естественных условиях (поля фильтрации, земледельческие поля орошения, биологические пруды) и в искусственных сооружениях (аэротенки, биофильтры).

Поля фильтрации и орошения представляют собой специально подготовленные земельные участки, на которые сбрасываются сточные воды, прошедшие предварительную механическую и(или) физико-химическую очистку. Сточные воды фильтруются через слой почвы, оставляя в нём взвешенные и коллоидные частицы, которые вместе с почвенными микроорганизмами образуют биоплёнку. Образовавшаяся биоплёнка адсорбирует и поглощает растворённые в сточных водах органические вещества, разрушая их до простых минеральных соединений. Кроме микроорганизмов, в процессах разрушения принимают участие воздух, солнце, корни растений.

Земельные участки, используемые только для очистки сточных вод, называются полями фильтрации. Если на земельных участках одновременно с очисткой сточных вод происходит выращивание сельскохозяйственных культур (технических и кормовых), то их называют земледельческими полями орошения

(ЗПО).

Вбиологических прудах очистка сточных вод происходит за счёт процессов самоочищения водной среды, а именно в результате комплексного воздействия водных микроорганизмов, водорослей, воздуха, солнца и донных отложений.

Биологические пруды представляют собой искусственно созданные неглубокие водоёмы, в которых создаются самые благоприятные условия для протекания процессов самоочищения: малая глубина, обеспечивающая прогрев

иинсоляцию; высокая биомасса водорослей, насыщающих воду кислородом; обилие бактерий и простейших; насыщенность донных отложений червями, личинками насекомых, моллюсками и пр.

Ваэротенках очистка сточных вод происходит через их смешивание с активным илом в условиях интенсивной аэрации.

Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары (бассейны) прямоугольного сечения глубиной от 3 до 6 м, оборудованные устройствами

74

для принудительной аэрации. Как правило, аэротенк разделён на 2 части: собственно аэротенк (75 % от общего объёма аэротенка) и регенератор (25 %). В собственно аэротенке протекает основной процесс биохимического окисления, в регенераторе осуществляется регенерация активного ила.

Процесс биохимического окисления веществ, протекающий в аэротенке, состоит из следующих этапов:

1 – адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц;

2 – окисление микроорганизмами растворённых и адсорбированных активным илом органических соединений;

3 – доокисление трудноокисляемых веществ и нитрификация;

4 – регенерация активного ила.

В биофильтрах очистка сточных вод происходит за счёт их контакта с микроорганизмами биоплёнки. Биофильтры - аэрируемые негерметичные ёмкостные сооружения (резервуары) из кирпича, бетона или железобетона, заполненные крупнозернистыми материалами, через которые фильтруются сточные воды, поступающие сверху по всей площади фильтра. Просачиваясь сквозь загрузку биофильтра, сточные воды оставляют на её поверхности органические вещества, которые образуют биоплёнку, где растут и развиваются микроорганизмы. При контакте сточной воды с биоплёнкой происходит адсорбция загрязняющих воду веществ и их биохимическое окисление.

Анаэробные методы применяют для очистки очень концентрированных сточных вод, содержащих органические вещества, а также для переработки твёрдых отходов с высокой концентрацией органических веществ – стоков пищевых, целлюлозно-бумажных, текстильных, кожевенных и других производств, отходов животноводства и сельского хозяйства, канализационного ила и осадков промышленных сточных вод, прошедших аэробную биологическую очистку.

Процессы биохимического разрушения сложных органических веществ в анаэробных условиях при участии ферментов называются бродильными процессами или брожением. В зависимости от конечного продукта различают несколько видов брожения: пропионовокислое, маслянокислое, молочнокислое, спиртовое, ацетонобутиловое, метановое и др. Для очистки сточных вод используют метановое брожение.

Метановое брожение происходит при разрушении микроорганизмами органических масс, содержащих большое количество углеводов и белков. В результате образуется так называемый биогаз: смесь метана (CH4) – 60-75 %, углекислого газа (CO2) – 20–35 % и незначительного количества других газов –

H2S, N2, O2, H2, CO.

Процесс метанового брожения условно протекает в 3 стадии: 1 – гидролиз и(или) гидратация органических соединений;

2 – распад сложных органических веществ до простых – жирных и карбоновых кислот, спиртов, альдегидов, кетонов;

75

3 – ферментация простых органических веществ с образованием метана, CO и CO2, водорода, H2O, сероводорода и т.п. и последующее взаимодействие продуктов предыдущих реакций между собой также с выделением метана.

Процессы метанового брожения происходят в специальных сооружениях, именуемых метантенками: герметично закрытые (для обеспечения анаэробных условий) резервуары, оборудованные приспособлениями для ввода несброженного и отвода сброженного осадка, подогрева содержимого, отвода биогаза и устройствами для перемешивания. Образующийся в метантенках биогаз сжигают с получением тепла, которое используют для нагрева воды, отопления и т.п.

10.ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ, ВЕРТИКАЛЬНЫЕ

ИРАДИКАЛЬНЫЕ ОТСТОЙНИКИ

Горизонтальные отстойники

Прямоугольные резервуары, имеющие два и более одновременно работающих отделения (рис. 10.1, а). Вода движется с одного конца отстойника к другому.

Глубина отстойников равна Н = 1,5-4 м, длина 8-12 м, а ширина коридора 3-6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м3/сутки. Эффективность отстаивания достигает 60 %.

В отстойнике каждая частица движется с потоком воды со скоростью и под действием силы тяжести вниз. Таким образом, скорость перемещения каждой частицы будет представлять равнодействующую двух этих скоростей. В отстойнике успеют осесть только те частицы, траектория которых пересекает дно отстойника в пределах его длины. Горизонтальную скорость движения воды в отстойнике принимают не более 0,01 м/с. Продолжительность отстаивания 1-3 ч.

Вертикальные отстойники

Схема вертикального отстойника одной из конструкций показана на рис. 10.1, б. Отстойник представляет собой цилиндрический резервуар с коническим днищем. Сточную воду подводят по центральной трубе. Поступая внутрь отстойника, вода движется снизу вверх к желобу. Для лучшего ее распределения и предотвращения образования мути трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Таким образом, осаждение происходит в восходящем потоке, скорость которого равна 0,5-0,6 м/с. Высота зоны осаждения — 4-5 м. Каждая частица движется с водой вверх со скоростью v и под действием силы тяжести вниз woc. Поэтому различные частицы будут занимать различное положение в отстойнике. При w > v будут быстро оседать, при woc < v — уноситься вверх. Эффективность осаждения вертикальных отстойников ниже на 10-20 %, чем в горизонтальных.

76

Радиальные отстойники

Круглые в плане резервуары (рис.10.1, в). Вода в них движется от центра к периферии. При этом минимальная скорость наблюдается у периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод свыше 20 000 м3/сут. Глубина проточной части отстойника — 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно используют отстойники диаметром 16-60 м. Эффективность их осаждения составляет 60 %.

Эффективность отстаивания можно повысить за счёт увеличения скорости осаждения, увеличив размеры частиц коагуляцией и флокуляцией или уменьшив вязкость сточной воды путем нагревания. Можно увеличить площадь отстаивания и проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. В последнем случае используют трубчатые и пластинчатые отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое время (4-10 мин), что позволяет уменьшить размеры отстойников.

Рис. 10.1. Отстойники: а — горизонтальный:

1 — входной лоток, 2 — отстойная камера, 3 — выходной лоток, 4 — приямок; б — вертикальный:

1 — цилиндрическая часть, 2 — центральная труба, 3 — желоб, 4 — коническая часть; в — радиальный:

1 — корпус, 2 — желоб, 3 — распределительное устройство, 4 — успокоительная камера,

5— скребковый механизм;

г— трубчатый;

д— с наклонными пластинами:

1 — корпус, 2 — пластины, 3 — шламоприемник

77

Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки диаметром 25-50 мм и длиной 0,6-1 м. Трубки можно устанавливать с малым (до 5°) и большим (45-60°) наклоном. Трубчатый отстойник с небольшим наклоном (рис. 10.1, г) работает периодически.

Сначала проводят отстаивание, затем промывку трубок от осадка. Для успешного проведения процесса необходимо равномерное распределение воды по трубкам и ламинарный режим движения. Такие отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных частиц при расходах 100-10 000 м3/сут. Гидравлическая нагрузка у отстойников 6-10 м3/ч на 1 м2 входного сечения трубок. Эффективность очистки 80-83 %.

В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое пространство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость промывки трубок. Отстойники этого типа могут быть изготовлены из пластмассовых блоков, которые устанавливаются в корпусах обычных отстойников. Гидравлическая нагрузка отстойников с большим наклоном труб от 2,4 до 7,2 м3/ч на 1 м2 входного сечения труб.

Пластинчатые отстойники. Имеют в корпусе ряд параллельно установленных наклонных пластин (рис. 10.1, д). Вода движется между пластинами, а осадок сползает вниз в шламоприемник. Могут быть прямоточные отстойники, в которых направление движения воды и осадка совпадают; противоточные — вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно движению осадка. Наиболее распространены противоточные отстойники.

Осветлители. Применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют, в частности, осветлители с взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

Принципиальная схема осветлителя показана на рис. 10.2.

Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им частицы взвеси поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока — сечение I-I. Выше этого сечения образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется осветленная вода. При этом наблюдается процесс прилипания частиц взвеси к хлопьям коагулянта. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная сода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую очистку.

78

Рис. 10.2. Блок осветлителя:

1- осветлитель; 2 - желоб; 3 - осадкоуплотнитель

Образование и уплотнение осадка в осадкоуплотнителе происходит в условиях непрерывного поступления взвеси. При этом протекают следующие процессы:

1)стесненное осаждение частиц, образование сплошной пространственной структуры из этих частиц с постепенным уменьшением ее объема в результате сжатия пустот между частицами;

2)уплотнение хлопьевидных частиц осадка, сопровождающееся удалением воды, заключенной в ячейках хлопьев;

3)сжатие хлопьев.

Третий процесс протекает медленнее двух других и поэтому лимитирует процесс уплотнения осадка в целом.

11. АДСОРБЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут:

1)при интенсивном перемешивании адсорбента с водой;

2)при фильтровании воды через неподвижный или движущийся слой адсорбента;

3)в псевдоожиженном слое на установках периодического и непрерывного действия.

Установки при перемешивании адсорбента с водой. При смешивании адсорбента с водой используют активный уголь в виде частиц 0.1 мм и меньше. Процесс проводят в одну или несколько ступеней.

Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства.

Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от ch до с, затем адсорбент отделяют отстаиванием или

79

фильтрованием, а сточную воду направляют во вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент. По окончании процесса адсорбции во второй ступени концентрация загрязнений в воде уменьшается от с1 до с2 и т. д. Схема такой установки показана на рис. 11.1, а.

В противоточной схеме адсорбент вводят однократно в последнюю ступень, и он движется навстречу сточной воде (рис.11.1, б). По этой схеме процесс очистки ведут непрерывно при значительно меньшем расходе адсорбента, чем по схеме с последовательным введением сорбента. Однако эта установка дороже и сложнее в эксплуатации.

Рис. 11.1. Схемы адсорбционных установок а — с последовательным введением адсорбента: 1 — смесители, 2 — отстойники;

б — с противоточным введением адсорбента:

1 — смесители, 2 — отстойники, 3 — приемники адсорбента, 4 — насосы; в — непрерывного действия:

1 — усреднитель, 2 — насос, 3 — фильтр, 4-6 — колонны, 7 — емкость

Установки с неподвижным слоем адсорбента. В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2-4 до 5-6 м3/(м2.ч). Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером в пределах 1,5-5 мм. При более мелких зернах возрастает сопротивление фильтрованию жидкости. Уголь вкладывают на слой гравия,

80