Физико-химические методы защиты биосферы. Очистка фильтрационных вод

40000 мг Ог/л ФВ должна подвергаться дальнейшей глубокой очистке де­ структивными методами.

Высокие дозы коагулянтов, необходимые для очистки, приводят к образованию больших количеств твердых высоковлажных отходов, утили­ зация которых значительно осложняет технологию и снижает ее рента­ бельность.

Исследованиями очистки фильтрационных вод, образующихся на стадии метаногенеза, установлено, что при длительности обработки 30 мин применение в качестве коагулянта хлорида железа (III) обеспечивает сни­ жение цветности воды со 150 до 20 °Ц (степень очистки 90 %) и ХПК с 980 до 260 мг О/дм3 (эффективность очистки 85 %). Оптимальная доза коагу­ лянта - 0,45-0,5 г/дм3, pH очищаемой воды - 8 (рис. 3.11). Введение флокулянта (полиакриламида) незначительно влияет на степень очистки, но позволяет в 1,3 раза снизить дозу коагулянта. При использовании сульфата алюминия (0,45-0,5 г/дм3) эффективность очистки по ХПК составляет 70%.

Рис. 3.11. Коагуляционные кривые очистки ФВ

Следует отметить, что применение метода коагуляции требует зна­ чительных капитальных вложений для создания реагентного хозяйства и химического контроля процесса. Использование дорогостоящих реагентов, существующая проблема утилизации образующихся твердых отходов ог­ раничивают использование метода для очистки ФВ.

Для очистки ФВ полигонов целесообразно использовать методы кон­ тактной коагуляции, когда очищаемая вода подается на засыпные фильт­ ры, загруженные материалами, обладающими коагуляционными свойства­ ми, - известью, мраморной крошкой, карбонатом или оксидом магния. В этом случае необходимо регулировать величину pH обрабатываемой воды,

осуществлять периодическую промывку фильтров для предотвращения заиливания и снижения скорости потока.

Учитывая специфику эксплуатации полигона ТБО, для очистки ФВ целесообразно применять физико-химические методы, не требующие зна­ чительных затрат капитальных и трудовых ресурсов, с использованием доступных, дешевых и достаточно эффективных материалов, предпочти­ тельно отходов производств - методов электро- и гальванокоагуляции.

Электрохимическая коагуляция. Достаточно высокое солесодержание ФВ (4000-6000 мг/дм3), электропроводность воды (до 10 mS/см ), на­ личие в воде ионов хлора (1500-2500 мг/дм3), оказывающих депассиви­ рующее действие на материалы анодных участков, позволили предполо­ жить возможность применения методов электро- и гальванокоагуляции для очистки таких вод.

Гальванокоагуляция. Установлена возможность применения метода гальванокоагуляции для очистки ФВ, образующихся на стадии метаногенеза.

При выборе токопроводящих материалов для очистки ФВ целесооб­ разно использовать отходы производств. В качестве анодной составляю­ щей гальванопары используются отходы металлообработки - железные или алюминиевые стружки, в качестве катодного элемента - углеродсо­ держащие материалы или отходы производств (кокс, недожог, образую­ щийся при сжигании отходов целлюлозно-бумажной промышленности, отходы при производстве активных углей). При выборе углеродсодержа­ щих материалов необходимо учитывать не только их катодную способ­ ность, но и сорбционные свойства. В этом случае они будут являться одно­ временно источником микротоков и адсорбентом, концентрирующим на своей поверхности органические соединения.

Для активизации процесса окисления анодных участков в первона­ чальный период pH очищаемой воды поддерживают на уровне 4,0-4,5.

Очистке подвергалась ФВ, состав которой представлен в табл. 3.2. При оптимальном соотношении реагентов недожог и железные опилки - 1:2, эффективность очистки ФВ по ХПК составляла 70-75 %, по цветно­ сти - 80-85 %, содержание ионов металлов в очищенной воде - менее 0,01 мг/л. При использовании в качестве анодной составляющей гальвано­ пары - алюминиевых опилок и оптимальном соотношении элементов галь­ ванопары 1:1эффективность очистки по ХПК составила 60-65 %, по цвет­ ности - 65-68 %.

Повышенное содержание хлорид-ионов в фильтрационной воде тор­ мозит процессы их дальнейшей биохимической доочистки, например в биологических прудах. Удаление их является сложной задачей. При ис­ пользовании алюминиевого скрапа в качестве анодной составляющей

гальванопары происходит значительное снижение концентрации хлоридионов, что можно объяснить образованием гидроксохлоридов алюминия ((А10Н)С12, А1(ОН)2С1) в результате его анодного окисления и совместного соосаждения их в процессе коагуляции взвешенных частиц.

При очистке ФВ методом ГК значительно снижаются:

• жесткость за счет образования нерастворимых карбонатных и гидроксидных соединений кальция и магния;

• содержание фосфат-ионов за счет образования фосфатов и пиро­ фосфатов алюминия, ионов (А1Р2О7У”, (FeHPC>4) ;

•содержание хлорид-ионов;

•содержание ионов тяжелых металлов в результате их адсорбции на поверхности свежеобразованных гидроксидов железа или алюминия.

Значительное снижение ХПК ФВ можно объяснить как коагуляцией органических коллоидных примесей, так и адсорбцией их в объеме пор уг­ леродсодержащего материала. Характеристика химического состава ФВ, очищенной методом гальванокоагуляции, представлена в табл. 3.2.

Микротоки, образующиеся в поле гальванопары, губительно дейст­ вуют на патогенную микрофлору сточных вод, обеспечивая глубокое их обеззараживание. При воздействии электрических полей нарушается транспорт ионов через мембрану клеток, происходит необратимое агреги­ рование микроорганизмов. При очистке ФВ методом гальванокоагуляции значительно снижается содержание микроорганизмов (колииндекс снижа­ ется с 25 000 до 2000).

Таблица 3.2

Характеристика химического состава фильтрационной воды, очищенной методом гальванокоагуляции

Метод гальванокоагуляции может быть использован на стадии предочистки ФВ, образующихся в фазе активного и стабильного метаногенеза, для удаления высокомолекулярных и коллоидных примесей, ионов тя­ желых металлов и хлоридов. При разработке технологической схемы очи­ стки рекомендуется использовать коагулятор колонного типа, работающий

врежиме заполнения (см. рис. 3.7) или вибрационного типа (см. рис. 3.9).

Взависимости от состава фильтрата возможны многовариантные схемы очистки:

• гальванокоагуляция с применением в качестве токопроводящих материалов железного или алюминиевого скрапа и недожога или другого углеродсодержащего отхода с доочисткой в биологических прудах;

• очистка воды в двух последовательно работающих гальвано­ коагуляторах с загрузками из алюминиевого скрапа и недожога и железно­ го скрапа и недожога соответственно с последующей доочисткой.

Электрокоагуляция. Для очистки ФВ полигонов ТБО от высокомо­ лекулярных окрашенных соединений применяют диафрагменные электро­ лизеры с засыпными железными анодами. Принципиальная технологиче­ ская схема процесса представлена на рис. 3.12. ФВ накапливаются в прудунакопителе 7, где происходит их усреднение, затем подаются в диафраг­ менный электролизер 2 двумя параллельными потоками, из которого по­ ступают в камеру смешения католита и анолита 3, где происходит образо­ вание мелкодисперсного осадка и коагулирование ФВ. В камере осадок удаляется, а очищенная вода подается на скорые песчаные фильтры для доочистки 4. Эффективность очистки ФВ по ХПК составляет 85-90 %.

Очищенная

лизацию

Рис. 3.12. Принципиальная технологическая схема очистки ФВ в диафрагменном элек­ тролизере: 1-- сборник-усреднитель; 2 - диафрагменный электролизер; 3 - камера сме­ шения; 4 - фильтр

Для повышения эффективности очистки и снижения энергозатрат предложена технологическая схема (Патент РФ. Авторы А.М. Порохняк, Ю.И. Волков, В.С. Логинов), сочетающая процессы гальвано- и электро­ коагуляции в одном аппарате. Принципиальная схема очистки представле­ на на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Принципиальная схема очистки ФВ: 1 - сборник-усреднитель; 2 - камера смешения ФВ с углем; 3 ,4 - диафрагменный электролизер; 5 - емкость анолита; 6 - ка­ мера смешения анолита и католита; 7 - камера доочистки

В накопитель-усреднитель 1 подается образованный в электролизере мелкодисперсный осадок и протекает предочистка ФВ. Частично очищен­ ные ФВ в камере смешения 2 смешивают со свежим тонко измельченным углем и параллельными потоками подают в диафрагменный электролизер с засыпным анодом из металлической стружки. Одновременно на корпус подается напряжение 6-24 В, сила тока 1-4 А. При этом с параллельно идущим процессом гальванокоагуляции протекает электрокоагуляция. Длительность процесса 5-15 мин. После отстаивания анолита 3 в емкости 5 его смешивают с католитом 4 в емкости 6. В результате смешения про­ текает дополнительная коагуляция и образуется мелкодисперсный осадок, который подают на стадию предочистки в усреднитель 7. Очищенная вода поступает в емкость 7 на доочистку. В емкость предложено барботировать образующиеся в анодной камере газы, обладающие окислительной спо­ собностью (хлор, кислород). При этом происходит дополнительное обезза­ раживание ФВ. Очищенная вода может поступать в открытые водоемы. Установлено, что предложенная схема обеспечивает глубокую очистку ФВ, качество воды соответствует требованиям, предъявляемым к ней при спуске в водоем хозяйственно-бытового назначения.

К недостаткам схемы можно отнести большие затраты мелкоизмельченного порошкообразного угля (до 15 кг/м3) на очистку, необходимость периодической очистки сборника-усреднителя от мелкодисперсного осад­ ка и проблемы его утилизации.

Вопросы и задания к главе 3

3.1.Какие свойства коллоидных систем определяют их агрегатив­ ную устойчивость в сточных и природных водах?

3.2.Напишите формулу мицеллы гумата железа (III), если проти­

воионами в дисперсной системе являются ионы железа (П1).

3.3.На каких физико-химических процессах основан метод коагу­

ляции ?

3.4.Какие коагулянты используются в водоочистке?

3.5.Какие факторы влияют на эффективность очистки методом

реагентной коагуляции?

3.6.Что понимают под термином «оптимальная доза коагулянта»? Определите ориентировочную дозу коагулянта - глинозема, необходимую для осветления воды, имеющую цветность 150 °Ц.

3.7.Как экспериментально определить дозу коагулянта и щелочно­ го реагента?

3.8.Рассчитайте дозу добавляемого щелочного реагента (в пере­ счете на оксид кальция), если доза коагулянта (сульфата алюминия) со­ ставляет 70 мг/л.

3.9.Объясните, почему введение флокулянта - полиакриаламида, приводит к повышению эффективности очистки?

3.10.На чем основан принцип метода электрокоагуляции сточных

вод?

3.11.На чем основан принцип метода гальванокоагуляции сточных

вод?

3.12.Какие материалы используются в качестве составляющих гальванопары при очистке сточных вод? Какими факторами обусловлен выбор гальванопар?

3.13.Какие процессы протекают на анодных и катодных участках гальванопары?

3.14.От каких факторов зависит полнота анодного окисления ме­

талла?

3.15.Под влиянием каких факторов можно повысить ЭДС обра­ зующихся микрогальванических элементов?

3.16.Рассчитайте ЭДС гальванопары железо - кокс при величине pH, равной 7,5. Как можно повысить величину ЭДС? Назовите особенно­ сти кинетики процесса гальванокоагуляции.

3.17.Введение каких ионов в раствор будет приводить к депассива­ ции анодных участков в гальванопаре алюминий - кокс?

3.18.Рассмотрите основные технологические схемы и аппаратуру,

применяемую для обработки воды реагентной коагуляцией и флокуляци­ ей.

3.19.Рассмотрите особенности аппаратурного оформления процесса электрокоагуляции.

3.20.Рассмотрите особенности аппаратурного оформления процесса

гальванокоагуляции.

3.21. Какими причинами, на Ваш взгляд, ограничивается примене­ ние метода реагентной коагуляции для очистки фильтрационных вод поли­ гонов ТБО, находящихся на стадии рекультивации и постэксплуатации ?

3.22.Чем обусловлен выбор методов электрохимической очистки фильтрационных вод?

3.23.Рассмотрите особенности гальванокоагуляции фильтрацион­

ных вод.

3.24.Рассмотрите особенности электрокоагуляции фильтрационных

вод.

МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ вод

ОТ РАСТВОРЕННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ (НА ПРИМЕРЕ ОЧИСТКИ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД)

4.1 Озонирование как метод очистки и обеззараживания сточных вод

В практике очистки сточных вод озонирование применяется для обесцвечивания стоков, удаления взвешенных и коллоидных веществ, окисления и разрушения сложных органоминеральных комплексов, на­ пример комплексных ионов металлов с органическими лигандами, токсич­ ных ионов, биорезистентных примесей, хлорорганических и фосфорорганических пестицидов, для обеззараживания воды. Метод применяют на различных стадиях обработки воды: доочистки биологически очищенных сточных вод, предварительной очистки для разрушения биорезистентных примесей, глубокой очистки и обеззараживания перед выпуском сточных вод в водоемы или использованием для технологических нужд.

Широкое применение озона для очистки воды объясняется особен­ ностью его свойств и различными механизмами воздействий на примеси сточных вод.

4,1.1. Свойства озона и механизмы его воздействия на органические примеси сточных вод

При нормальной температуре и давлении озон представляет собой газ бледно-фиолетового цвета. Основные физико-химические свойства озона представлены в табл. 4.1. Озон является токсичным газом. ПДК озо­ на в воздухе промышленных помещений составляет 0,2 мг/м3. Озон взры­ воопасен.

Являясь аллотропной модификацией кислорода, озон нестабилен и быстро разлагается с образованием молекулы и атома кислорода. На кине­ тику разложения влияет множество факторов: температура, pH, наличие ионов металлов, окислителей и др.

Высокий окислительно-восстановительный потенциал озона обу­ словливает его активность к различным по природе примесям сточных вод, в том числе к микроорганизмам. При диспергировании озона в воду проте­ кает два основных процесса - окисление и обеззараживание. Кроме того, происходит значительное обогащение воды кислородом.

Окисляющее действие озона может проявляться в следующих фор­ мах: прямое окисление, окисление радикалами, озрнолиз, катализ.

C„H2w+,OH + п Оз = пСС>2 + (п +1) Н20.

При окислении сероводородсодержащих вод в зависимости от дозы озона протекают следующие химические реакции:

H2S + 0 3 = S + H20; 3H2S + 0 3 = 3S + Н20; 3H2S + 0 3 = 3H2S04.

Озон эффективно воздействует на сероводород при pH 5-9. Цианиды в щелочной среде в присутствии озона окисляются до циа-

натов (CN- -> CNO-), а при глубокой очистке воды до С 02, N 03~ и N2. При переходе озона из газовой фазы в жидкость и его саморазложе­

нии образуются активные радикалы (ОН- и др.), перекисные соединения, способные к окислению органических веществ.

Озонолизу подвергаются органические соединения с кратными свя­ зями. Под действием полярных дипольных молекул озона происходит раз­ рыв этих связей с образованием неустойчивых озонидов, которые разлага­ ются чаще всего на альдегиды и кетоны, способные к прямому окислению:

При совместном действии озонолиза и окисления образующимися радикалами способны разрушаться комплексные соединения ионов метал­ лов с органическими лигандами.

Большой практический интерес представляет способность озона воз­ действовать на ароматические соединения. Например, при взаимодействии озона с бензолом в результате гидролитического расщепления образующе­ гося триозонида получают глиоксаль и щавелевую кислоту. Для более полного окисления органических веществ озоном используют катализато­ ры, например ионы меди, кобальта, силикагель.

Озон подвергает деструкции коллоидные и высокомолекулярные со­ единения.

Каталитическое воздействие озонирования состоит в усилении им окисляющей способности кислорода.

Озон является сильным бактерицидным и вирулицидным агентом.

Он оказывает непосредственное влияние на цитоплазму и ядро клетки, де­ зактивируя энзимы. Вирусы уничтожаются при полном окислении белка и нуклеиновых кислот. Устойчивый бактерицидный эффект наблюдается в широком интервале pH 5,6-9,8.

Эффективность очистки сточных вод методом озонирования зависит от дозы озона, времени контакта воды с озоновоздушной смесью, темпера­ туры и величины pH очищаемой воды. Доза озона определяется экспери­ ментально.

В промышленном масштабе озон получают при электрическом ко­ ронном разряде, который образуется в узком слое воздуха или кислорода между электродами высокого напряжения (5-29 кВ) при атмосферном дав­ лении. Производительность озонатора в зависимости от его типа и конст­ рукции может изменяться от 10 г до 10 кг озона в час. Промышленные озонаторы состоят из пакета трубчатых элементов, выполненных из стек­ ла, внутренняя поверхность которых покрыта металлической амальгамой. Ее слой является электродом высокого напряжения, а стекло - диэлектри­ ческим барьером. Производительность озонатора и расход электроэнергии на получение озона зависят от влагосодержания воздуха, концентрации кислорода, температуры и конструкции озонатора.

Процесс получения озона из воздуха состоит из следующих опера­ ций: забора и охлаждения воздуха, его осушки, очистки от пыли фильтра­ цией, генерации озона.

Озонирование сточных вод представляет собой процесс абсорбции, сопровождающийся химической реакцией в жидкой фазе. В схемах уста­ новок озонирования сточных вод применяют абсорберы различных типов: барботажные, насадочные (например насадка из колец Рашига), инжектор­ ные, механические (роторные механические смесители). Наибольшее рас­ пространение в практике водоочистки получили барботажные контактные