Современные проблемы экологии, энерго- и ресурсосбережения в биотехнологии. Лабораторный практикум

При центрифугировании очищаемые сточные воды разделяют на осадок и фугат (жидкую фазу). В осадительных центрифугах разделение гетерогенных систем происходит по принципу осаждения, в фильтрующих – по принципу фильтрования.

Фильтрование – это процесс прохождения суспензии через пористый материал, пропускающий воду и задерживающий твердые при-

11

меси. Если размеры частиц, загрязняющих сточные воды, больше размеров пор фильтрующего материала, то частицы останутся на поверхности фильтрующей основы. Подобный тип фильтрования называют поверхностным, осадочным или опорным. Если частицы, загрязняющие сточные воды, способны проходить внутрь фильтрующего материала, то процесс их удаления из сточных вод называют фильтрованием в объеме, или объемным фильтрованием.

Поверхностное фильтрование осуществляют при очистке сточных вод на керамических, сетчатых или тканевых фильтрах под давлением или вакуумом. При этом на фильтре задерживают все частицы, размеры которых превышают размеры его пор. В результате на фильтре образуется слой осадка, формирующий дополнительный фильтрующий слой.

Фильтрование, так же как и отстаивание, применяют для осветления сточных вод, т.е. для удаления из сточных вод находящихся в них взвешенных минеральных и органических веществ. Для обеспечения необходимой эффективности процесса очистки сточных вод фильтрующий материал должен иметь достаточно малые размеры пор [7].

Цель работы

Ознакомиться с механическими методами очистки сточных вод.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Весы лабораторные общего назначения 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 300 г; металлический шпатель; сушильный электрический шкаф СЭШ-3М; электрическая плитка; штатив лабораторный химический; эксикатор с оксидом кальция; бумажный, тканевый и ватный фильтры; три воронки диаметром 10 или 15 см; три стакана вместимостью 100 мл; пипетатор; мерный цилиндр вместимостью 50 мл; три пипетки вместимостью 10 мл; четыре фарфоровые чашки.

Последовательность выполнения работы

Мерным цилиндром отобрать по 50 мл сточной воды, содержащей нерастворимые примеси, и профильтровать через бумажный, тканевый

12

и ватный фильтры в стаканы вместимостью 100 мл. Затем определить сухой остаток в исходной сточной воде и в каждом фильтрате.

Для этого четыре фарфоровые чашки высушить в сушильном шкафу при температуре 105 ° С до постоянной массы, охладить в эксикаторе с оксидом кальция и взвесить на лабораторных весах.

В первую подготовленную фарфоровую чашку внести пипеткой 15 мл пробы сточной воды, профильтрованной через бумажный фильтр, во вторую – пробу сточной воды, профильтрованной через тканевый фильтр, а в третью – пробу сточной воды, профильтрованной через ватный фильтр. В четвертую подготовленную фарфоровую чашку внести пипеткой 15 мл пробы исходной сточной воды. Воду выпарить на электрической плитке. Затем перенести фарфоровые чашки в сушильный шкаф и высушить до постоянной массы при температуре 105 ° С, охладить в эксикаторе с оксидом кальция и взвесить на лабораторных весах.

Содержание сухого остатка в исходной сточной воде и в сточных водах, очищенных с помощью различных фильтров, вычислить по формуле (2.1).

На основании полученных данных рассчитать степень очистки для каждого из исследованных фильтров по формуле (2.2) [7].

Получаемые результаты

Содержание сухого остатка вычислить по формуле

где m2 – масса сухого остатка исходной сточной воды, г; m3 – масса сухого остатка после фильтрации, г [7].

13

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.Каковы назначение и сущность механической очистки сточных вод?

2.Какие сооружения применяют для механической очистки сточных вод?

3.Какова роль решеток и сит в процессе очистки сточных вод?

4.Какова роль песколовок в процессе очистки сточных вод?

5.Какова сущность процесса отстаивания?

6.Какие существуют разновидности отстойников?

7.Для каких целей используют первичные отстойники?

8.Для чего применяют вторичные отстойники?

9.Каковы назначение и область применения проточных первичных отстойников с кратковременным хранением осадка?

10.Каковы назначение и область применения проточных вторичных отстойников с кратковременным хранением осадка?

11.Каковы назначение и область применения проточных первичных отстойников с длительным хранением и сбраживанием осадка, септиков и двухъярусных отстойников?

12.Каковы назначение и область применения контактных (непроточных) отстойников?

13.Каковы назначение и область применения осветлителей?

14.Каковы назначение и область применения уплотнителей?

15.Какие виды очистки воды при помощи центробежных сил Вы знаете?

16.Каковы особенности процесса фильтрования?

17.Каковы особенности объемного фильтрования?

18.Каковы особенности поверхностного фильтрования?

14

Лабораторная работа № 3 ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Химическую очистку проводят с использованием реагентов, которые взаимодействуют с различными вредными примесями, загрязняющими сточные воды.

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление, осаждение. Химическую очистку иногда проводят перед биологической очисткой сточных вод или после биологической очистки для более полной доочистки сточных вод.

Нейтрализация позволяет уменьшить или полностью уничтожить кислотные свойства сточных вод с помощью щелочей, а щелочные – с помощью кислот. Практически нейтральными считают сточные воды, имеющие рН от 6,5 до 8,5.

В зависимости от объема и концентрации сточных вод, режима их поступления, наличия и стоимости используемых реагентов нейтрализацию проводят смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением чистых химических веществ или их растворов, либо пропусканием кислых сточных вод через нейтрализующие фильтрующие материалы. Количество осадков, образующихся при нейтрализации, зависит от концентрации и химического состава сточных вод, а также от вида и расхода используемых реагентов.

Осаждение – перевод растворимых в воде соединений в нерастворимые при добавлении различных реагентов (гидроксидов кальция и натрия, сульфида натрия и других веществ) с последующим удалением образовавшихся осадков – применяют для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов.

Реакции окисления-восстановления – это одновременное окисление одних химических соединений и восстановление других.

Для химической очистки сточных вод применяют различные окислители и восстановители:

– окислители – кислород или воздух, озон, хлор, перманганат калия, причем окислительная способность перманганата зависит от величины кислотности раствора;

15

– восстановители – сульфат железа (II), оксид серы (IV), сероводород.

Пероксид водорода может проявлять свойства окислителя или восстановителя: в кислой среде более отчетливо выражена окислительная функция, в щелочной – восстановительная [4]. Использование пероксида водорода для деструкции и окисления органических загрязнений сточных вод не приводит к образованию вторичных продуктов, пероксид водорода просто вводится в воду и позволяет обрабатывать ее в широком диапазоне температур и рН [5].

Окислительно-восстановительные реакции применяют для превращения токсичных веществ в безвредные, а также для извлечения из сточных вод ценных компонентов [7].

Сильные окислители (чаще всего хлор или озон) в основном применяют для обеззараживания сточных вод.

Хлорирование проводят жидким или газообразным хлором, гипосульфитом натрия или диоксидом хлора. Данный способ применяют для очистки сточных вод от различных органических и неорганических примесей (например, нефти и нефтепродуктов, цианидов и других веществ).

Для извлечения остаточных примесей вредных соединений, которые при обработке воды хлорированием могут привести к образованию веществ, обладающих токсичными свойствами, широко применяют процеживание через песчаные или щебеночные фильтры, адсорбцию (например, на активированных углях), мембранную фильтрацию.

Озонирование является более предпочтительным методом очистки сточных вод, чем хлорирование, поскольку озон обладает более сильным бактерицидным действием, действует быстрее хлора, хорошо устраняет запахи и привкусы. Недостатками данного метода очистки сточных вод являются более высокая стоимость озона по сравнению с хлором и возможность образования токсичных продуктов озонирования ряда органических соединений [5].

Методы восстановительной очистки применяют для сточных вод, содержащих легко восстанавливающиеся вещества, например соединения ртути, хрома и мышьяка [7].

16

Цель работы

Изучение процесса очистки сточных вод методом нейтрализации.

Аппаратура, лабораторная посуда, материалы, реактивы

Коническая колба для титрования вместимостью 100 мл; шесть плоскодонных колб вместимостью 100 мл; мерный цилиндр вместимостью 50 мл; бюретка вместимостью 25 мл; 0,1 М раствор HCl; раствор метилового красного; пипетатор; три пипетки вместимостью 5 мл; девять пипеток вместимостью 10 мл; штатив лабораторный химический; шесть воронок диаметром 10 или 15 см; шесть стаканов вместимостью 100 мл; 0,05 М раствор серной кислоты, 0,33 М раствор фосфорной кислоты и 0,1 М раствор уксусной кислоты; фильтровальная бумага «синяя лента».

Последовательность выполнения работы

Для определения концентрации щелочи в исходной сточной воде в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл прилить 10 мл сточной воды и оттитровать 0,1 М раствором HCl в присутствии индикатора метилового красного до изменения окраски раствора.

Затем в 6 колб вместимостью 100 мл мерным цилиндром внести по 50 мл щелочной сточной воды. В первые 2 колбы со сточной водой пипетками добавить 5 и 10 мл 0,05 М раствора серной кислоты, в следующие 2 колбы – 5 и 10 мл 0,33 М раствора фосфорной кислоты, в последние 2 колбы – 5 и 10 мл раствора 0,1 М уксусной кислоты.

Если в процессе нейтрализации образуется осадок, то его необходимо отфильтровать через складчатый фильтр «синяя лента», а очищенную воду проанализировать на остаточное содержание щелочи. Для этого пипеткой перенести аликвотную часть исследуемой сточной воды объемом 10 мл в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл и оттитровать 0,1 М раствором соляной кислоты в присутствии индикатора метилового красного до изменения окраски раствора с красной на желтую.

Степень очистки сточной воды для каждого варианта нейтрализации вычислить по формуле (3.1) [7].

17

Получаемые результаты

Степень очистки сточной воды вычислить по формуле

где V1 – объем раствора HCl, пошедшего на титрование исходной сточной воды, мл;

V2 – объем раствора HCl, пошедшего на титрование очищенной сточной воды, мл [7].

Содержание отчета

Содержание отчета приведено в приложении.

Контрольные вопросы

1.Для чего проводят химическую очистку сточных вод?

2.Какие виды химической очистки сточных вод Вы знаете?

3.Каковы особенности процесса нейтрализации?

4.Какими способами проводят нейтрализацию сточных вод? От чего зависит выбор способа нейтрализации?

5.Что такое осаждение? Какие виды реагентов применяют в химической очистке сточных вод?

6.Какие редокс-методы применяют в очистке сточных вод?

7.Какие окислители и восстановители применяют для химической очистки сточных вод?

8.Перечислите преимущества использования пероксида водорода для очистки сточных вод.

9.Каким образом и для чего проводят хлорирование сточных вод?

10.Какие способы доочистки применяют после очистки сточной воды хлорированием?

11.Каковы достоинства и недостатки метода озонирования сточных вод?

12.Каковы достоинства и недостатки химической очистки сточных вод?

18

Лабораторная работа № 4 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

Физико-химическая очистка позволяет удалить из сточных вод тонкодисперсные взвешенные твердые и жидкие частицы, минеральные и органические вещества, растворимые газы. Для физикохимической очистки сточных вод используют коагуляцию, флокуляцию, флотацию и другие методы.

Коагуляция – это процесс очистки сточных вод путем укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты – хлопья, обладающие способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их, происходящий при добавлении к сточным водам специальных реагентов – коагулянтов (солей аммония, железа, меди, шламовых отходов и т.п.). Выбор коагулянта зависит от его химического состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, рН и солевого состава воды. Коагуляция может происходить самопроизвольно, либо под влиянием химических и физических процессов.

Коагуляция ускоряет процесс осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ при очистке сточных вод, прошедших сооружения механической очистки и представляющих собой агрегативно устойчивые системы. При введении коагулянтов агрегатная устойчивость сточных вод нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц (хлопья), которые удаляются из очищаемых сточных вод механическими методами. При проведении коагуляции образуется рыхлый хлопьевидный осадок, интенсивность образования которого может составлять до 10–20 % объема обрабатываемой сточной воды. Эффективность очистки сточных вод коагуляцией может достигать 90–95 %.

Коагуляцию широко используют для очистки сточных вод на предприятиях химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, цел- люлозно-бумажной, легкой и текстильной промышленности [6].

19

Флокуляция – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений – природных или синтетических флокулянтов. Природными флокулянтами являются кремневая кислота, крахмал, пектин, эфиры целлюлозы и др. Самый распространенный синтетический флокулянт – полиакриламид.

При флокуляции агрегация происходит при непосредственном контакте взвешенных частиц, а также в результате взаимодействия молекул адсорбированного на взвешенных частицах флокулянта.

Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагулирования и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Механизм флокуляции основан на адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет действия Ван-дер-Ваальсовых сил.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий:

–дозирование и смешение реагентов со сточной водой (происходит гидролиз реагентов с образованием мицелл, их агрегирование в золи (до 0,1 мкм), появление опалесценции);

–хлопьеобразование (идет построение цепочечных структур, образование большого числа мелких хлопьев, их агрегация). Продолжительность данной стадии составляет около получаса;

–осаждение хлопьев. Продолжительность данной стадии составляет более получаса [7].

Флотация – это процесс очистки, который заключается в образовании в толще сточных вод пузырьков газа, чаще всего воздуха, прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной воды и удаление образовавшегося слоя пены, обогащенной продуктом (шламом).

Достоинствами очистки сточных вод флотацией являются постоян-

ство процесса и высокая пропускная способность установок, избира-

20