Технология очистки сточных вод. Учебное пособие

Министерство образования и науки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Учебное пособие

Казань Издательство КНИТУ

2016

УДК 628.3(075) ББК 38.761.2я7

Авторы: А. Б. Ярошевский, С. М. Романова, А. М. Мадякина, И. Г. Шайхиев

Технология очистки сточных вод : учебное пособие / А. Б. Ярошевский [и др.]; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 84 с.

ISBN 978-5-7882-1892-2

Рассмотрены методы очистки сточных вод (использование коагулянтов, ионитов, флотации, окисления, адсорбции при очистке сточных вод) с целью закрепления у студентов теоретических знаний, полученных при изучении дисциплины «Технология очистки сточных вод».

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, профиль Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов».

Подготовлено на кафедре «Инженерная экология».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты: канд. геогр. наук, доц. каф. «Ландшафтная эко-

логия» КФУ В. А. Белоногов

канд. хим. наук, доц. каф. «Общая химия и экология» КНИТУ-КАИ им. А. Н. Туполева

С. А. Мальцева

ISBN 978-5-7882-1892-2 © Ярошевский А. Б., Романова С. М., Мадякина А. М., Шайхиев И. Г., 2016

©Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2016

2

3

Введение

Вода играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. В промышленности воду используют как сырье, источник энергии, в качестве хладагента, растворителя, экстрагента, для транспортировки сырья, материалов и др.

Вследствие антропогенного воздействия природная вода загрязняется различными веществами, что приводит к ухудшению ее качества. Выделим некоторые тенденции в изменении качества природных вод под влиянием хозяйственной деятельности людей:

-снижение рН пресных вод в результате их загрязнения серной

иазотной кислотами при стоках из атмосферы, увеличение содержания в них сульфатов, нитратов, хлоридов и фосфатов;

-увеличение содержания ионов кальция, магния, кремния, железа в подземных и речных водах вследствие вымывания и растворения подкисленными дождевыми водами карбонатных пород;

-повышение содержания в природных водах ионов тяжелых металлов, прежде всего свинца, кадмия, ртути, мышьяка и цинка, а также анионов кислот, таких как фосфаты, нитраты, нитриты и др.;

-увеличение содержания в водах органических биологически стойких соединений (СПАВ, пестицидов, продуктов их распада и других токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ);

-увеличение содержания солей в поверхностных и подземных водах в результате их поступления со сточными водами, из атмосферы

иза счет смыва твердых отходов;

-снижение содержания кислорода в природных водах в результате повышения его расхода на окислительные процессы и, как следствие, эвтрофикация водоемов;

-потенциальная опасность загрязнения природных вод радиоактивными изотопами химических элементов;

-снижение прозрачности воды в водоемах (в загрязненных водоемах размножаются вирусы и бактерии).

Поэтому сточные воды (СВ), образующиеся на производстве, необходимо очищать перед сбросом их в природные водоемы. Методы очистки СВ подразделяют на механические (фильтрование, отстаивание и др.), химические (окисление, восстановление и др.), физикохимические (адсорбция, коагулирование и др.), биологические и термические.

4

1. Очистка сточных вод методом коагулирования

Коагулированием называется процесс обработки воды химическими реагентами, приводящий к агрегации частиц, присутствующих в воде примесей, в результате чего образуются относительно крупные хлопья, легко выделяющиеся из водной среды. Вещества, способные вызвать коагуляцию частиц, называют в общем случае коагуляторами, а в процессах водоподготовки – коагулянтами или гидролизующимися коагулянтами. Последние не только вызывают коагуляцию взвешенных частиц, но и образуют, гидролизуясь, малорастворимые продукты, способные объединяться в крупные хлопья.

Обработка коагулянтами – самый распространенный метод очистки воды от грубодисперсных и коллоидных загрязнений. При очистке промышленных сточных вод коагулирование может с успехом применяться как для интенсификации процесса механической очистки от тонкодисперсной взвеси, так и для обесцвечивания сточных вод, содержащих окрашенные высокомолекулярные вещества.

Важная особенность коагулирования состоит в том, что при правильной организации процесса, помимо решения основной технологической задачи - очистки сточных вод от грубодисперсных и коллоидных загрязняющих веществ, с его помощью можно добиться заметного удаления некоторых истинно растворимых примесей. Одним из важных подготовительных этапов при проектировании очистных сооружений и пусконаладочных работ является пробное коагулирование подлежащих очистке сточных вод, выполняемое в лабораторных условиях.

Преимущество рассматриваемой ниже методики пробного коагулирования состоит в ее простоте, доступности и универсальности, позволяющей получать сравнительные данные по эффективности очистки отличных друг от друга по составу сточных вод различными коагулянтами, флокулянтами и вспомогательными реагентами.

В качестве коагулянтов наиболее часто применяют соли алюминия А12(SО4)3 и железа FeCl3. При добавлении коагулянта к очищенному раствору происходит гидролиз соли алюминия или железа

A12(SO4)3 + 6Н2О 2А1(ОН)3 + 3H2SО4;

FeCl3 + 3Н2О Fe(OH)3 + 3HC1.

5

Образующиеся гидроксиды имеют развитую поверхность и способны адсорбировать на ней примеси, присутствующие в очищаемом растворе. Обычно процесс коагуляции проводят совместно с известкованием (добавлением Са(ОН)2), что позволяет уменьшить отрицательное действие образующихся при гидролизе кислот и способствует поддержанию необходимых высоких значений рН. Однако, как показали проведенные эксперименты, добавка коагулянта к суспензии, образующейся после обработки сточных вод известковым молоком, практически не сказывается на эффективности удаления растворимых фторидов и скорости осаждения твердых частиц.

Сущность очистки воды коагуляцией состоит в гидролизе коагулянтов, протекающем с образованием коллоидных гидроксидов алюминия и железа. Последние адсорбируют различные окрашенные примеси воды и обесцвечивают ее. При очистке воды коагуляцией происходит также и ее осветление, благодаря удалению мелких взвешенных частичек (мути), захватываемых оседающими хлопьями гидроксидов алюминия или ионами трехвалентного железа в результате прилипания и ортокинетической коагуляции.

Ортокинетической коагуляцией называется удаление мелких частичек из раствора вследствие захвата их крупными оседающими частичками. Этот процесс можно также назвать гравитационной коагуляцией.

Коагулянты представляют собой соли сильных кислот и слабых оснований. При введении в воду они гидролизуются, образуя основания и кислоты. Например, гидролиз сульфата алюминия протекает с образованием промежуточных соединений - основных солей

A12(SО4)3 + 2Н2О 2A1(OH)SO4 + H2SO4;

2A1(OH)SО4 + 2Н2О [Al(OH)2]2SO4 + H2SО4; [Al(OH)2]2SО4 + 2H2О 2A1(OH)3 + H2SO4.

Суммарный процесс гидролиза следующий

A12(SО4)3 + 6H2О 2А1(ОН)3 + 3H2SO4.

Аналогично протекает гидролиз хлорида железа трехвалентного. Методика пробного коагулирования может служить важным

этапом научных исследований, имеющих целью изучение влияния

6

мг-экв/л; 28 и 53 - эквивалентные массы извести и соды соответственно. Ориентировочная доза флокулянтов может быть равна 10-20 % от дозы коагулянта. Добавки порошкообразного активированного угля

и замутнителя составляют порядка 1000 мг на 1 л обрабатываемой сточной воды.

Экспериментальное определение оптимальных условий коагулирования в большинстве случаев сводится к установлению оптимальной области рН при коагулировании и оптимальной дозы коагулянта и (или) флокулянта, а также добавок активированного угля и замутнителя.

Для оценки полученных результатов используются как методы аналитического контроля качества воды (рН, цветность, мутность или прозрачность, содержание растворенного алюминия и др.), так и данные визуальных наблюдений за процессом образования и осаждения хлопьев. Для оценки полученных результатов важное значение имеет определение скорости осаждения и объема полученного осадка.

Сущность метода заключается в варьировании условиями коагулирования по одному или нескольким параметрам и в сравнительной оценке полученных результатов.

Лабораторная работа 1

Определение оптимальных условий коагулирования при очистке производственных сточных вод

Цель работы: овладение методикой пробного коагулирования, позволяющей выявлять оптимальные условия ведения процесса при очистке производственных сточных вод.

Необходимое оборудование и реактивы:

фотоэлектроколориметр ФЭК-М; цилиндры мерные емкостью 0,5 л - 6 шт.;

пипетка емкостью 100 мл для отбора проб воды; колбы емкостью 100 мл для отбора проб воды - 6 шт.; 1 H раствор едкого натра;

1 Н раствор серной кислоты;

10 %-ный сернокислый алюминий (Al2(SO4)3 18Н2О);

смешанный индикатор, который представляет собой спиртовой раствор, содержащий 0,25 % метиленового красного и 0,17 % метиленового голубого;

8

стандартный раствор для построения бихроматно-кобальтовой шкалы цветности.

Для приготовления 100 мл стандартного раствора, имеющего цветность 1000 (Ц), смешивают 35 мл раствора А, 20 мл раствора Б и 45 мл раствора В.

-реактив А: в дистиллированной воде растворяют 0,50 г

K2Cr2O7 при добавлении 2 мл концентрированной серной кислоты и доводят объем дистиллированной водой до 1 л;

-реактив Б: в дистиллированной воде растворяют 10 г

CоSO4 7Н2О, добавляют 1 мл концентрированной серной кислоты и доводят объем дистиллированной водой до 0,5 л;

- реактив В: в дистиллированной воде растворяют 20 мл концентрированной серной кислоты и доводят объем дистиллированной водой до 1 л.

Ход работы

Прежде чем приступить к выполнению основной части работы, необходимо построить градуировочную шкалу цветности. Для этого готовят эталонные растворы путем разбавления исходного стандартного раствора дистиллированной водой в 2, 4; 8, 16; 32; 64 раз.

По приготовленной серии эталонных растворов строят шкалу цветности D f (Ц ) , выражающую зависимость оптической плотно-

сти окрашенного раствора от его цветности. В качестве нулевого раствора используют дистиллированную воду. Измерения оптической плотности проводят на фотоэлектроколориметре ФЭК-М с синим светофильтром, имеющим область максимального пропускания

400-480 нм.

Задание 1. Установление оптимальной области рН сточной воды, при которой происходит эффективная очистка.

В шесть цилиндров наливают по 500 мл исследуемой сточной воды, цветность которой предварительно замеряют на фотоэлектроколориметре. В цилиндры 1 и 2 растворы кислоты и щелочи не добавляют, а измеряют рН. Для создания различных рН в цилиндр 3 вводят необходимое количество 1 Н раствора H2SO4 до установления рН=2-4, в цилиндр 4 - необходимое количество 1Н раствора H2SO4 до установления рН=6-8, а в цилиндры 5 и 6 – 1 Н раствор NaOH до установления рН=8-10 и рН=10-11, соответственно. После введения реагентов

9

содержимое цилиндров перемешивают чистыми палочками. Затем во все цилиндры, кроме первого, вводят одинаковую дозу коагулянта, вычисляемую по формулам (1.2) и (1.3).

В дальнейшем рассчитывают объем 10 %-ного раствора Al2(SO4)3 18Н2О, который должен быть добавлен в каждый цилиндр. Результаты заносят в табл. 1.1.

Таблица 1.1

После введения коагулянта содержимое всех цилиндров перемешивают в течение двух минут. По окончании перемешивания палочки вынимают, цилиндры оставляют в покое на 30-40 мин. и ведут наблюдение за образованием и оседанием хлопьев. После этого производят визуально измерение объемов осадка и отбирают пробы для определения цветности и рН. Результаты заносят в табл. 1.1.

Интервал времени между отбором первой и последней проб желательно сократить до минимума, после каждого отбора проб необходимо промывать пипетку дистиллированной водой.

Определение оптической плотности проводят с синим светофильтром в тех же кюветах, которые использовались для построения градуировочной кривой. Цветность анализируемых проб находят по градуировочной кривой; в случае если оптическая плотность анализируемой пробы выходит за пределы калибровочного графика, для определения цветности используют экстраполяцию или производят разбавление анализируемой пробы дистиллированной водой в нужном соотношении.

Полученные результаты заносят в табл. 1.1. Строят графики зависимости эффекта осветления ( Эо ) и относительного объема осад-

ка ( Ао ) от рН. Для построения этих графиков по оси абсцисс отклады-

вают значение рН, а по оси ординат – зависимые от него указанные величины.

Эффективность осветления ( Эо ) определяют по формуле

10