Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия биосферы. Учебное пособие для студентов направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»
.pdf
31
4.3 Биохимическая и химическая потребности в кислороде в сточной воде
Степень загрязнения сточной воды органическими веществами можно
определить по количеству кислорода, необходимому для окисления органических
веществ под воздействием аэробных микроорганизмов – минерализаторов. Общее
количество кислорода необходимое для этих целей, называется биохимической
потребностью в кислороде (БПК) в мг/л или г/м3. Существуют БПК5, БПК20 и
БПК
полн.
. БПК
полн
= БПК20 (количество кислорода для полной и 20 – суточной
потребности t = 20оС).
По нормам проектирования систем канализации БПК
полн
отстоянной
жидкости принимается равной 40 г/сутки на одного жителя, а не отстоянной – 75
г/сутки.
В процессе биохимического окисления часть органического вещества
расходуется на приросты микроорганизмов – минерализаторов, что БПК20 не
учитывает. При определении БПК20 не учитывают также стойких органических
веществ, не разрушаемых биохимически.
Общее количество кислорода, необходимое для перевода углерода
органических соединений в углекислоту, водорода в воду, азота в аммиак, серы в
серный ангидрид называется химической потребностью в кислороде (ХПК).
Соотношение между БПК20 и ХПК указывает на необходимость применения
биохимической очистки сточных вод. Это нужно знать как при решении вопроса
приёма промышленных сточных вод в городские канализации, так и при
самостоятельной очистки промышленных сточных вод. Для городских сточных
вод БПК20 = 0,86 ХПК, для промышленных – в ряде случаев БПК20 = 0,50ХПК.
БПК5 городской канализации колеблется от 120 до 350 мг/л.
32
4.4 Фазовое состояние веществ, загрязняющих воду, как критерий выбора
методов её очистки
Необходимость очистки воды от загрязнений возникает в том случае, когда
качество воды природных источников не удовлетворяет предъявленным
требованиям. Это определят выбор методов обработки воды.
Наиболее общими и характерными признаками загрязняющих воду веществ
являются формы нахождения их в воде, то есть их фазовое состояние. Это
состояние характеризуется дисперсностью веществ и определяет закономерности,
которым подчиняются процессы, протекающие в водной среде.
Этот принцип позволяет объединить в несколько групп разнообразные по
химическим и физическим характеристикам примеси природных, технических и
сточных вод и обосновать технологические приёмы водообработки:
1. Фазово-дисперсное состояние примесей воды обуславливает их поведение
в процессе водообработки.
2. Каждому фазово-дисперсному состоянию примесей отвечает совокупность
методов воздействия, которые позволяют достичь требуемых показателей воды
(кондиции) изменением этого состояния или без изменения его.
На основе этого принципа всё многообразие загрязнений (примесей)
природных и промышленных вод разделено на 4 группы с общим для каждой
группы набором методов водоочистки, который определяется формой
нахождения примесей в воде.
В основу технологии очистки воды от примесей каждой группы положены
процессы, протекающие под воздействием сил, эффективно влияющих на данную
дисперсную систему. Так, для удаления взвесей, являющихся кинетически
неустойчивыми системами, используют гравитационные и адгезионные силы, для
удаления коллоидных и высокомолекулярных веществ, агрегативно
неустойчивых в воде, адгезионные и адсорбционные. Примеси, находящиеся в
виде молекулярных растворов, удаляют путем ассоциации молекул под влиянием
33
сил межмолекулярного воздействия. Для удаления из воды электролитов
используют силы химических связей, характерные для ионных процессов.
Технология очистки воды включает как процессы, связанные с
корректированием её физических и химических свойств, а также процессы
обеззараживания, т.е. устранения болезнетворных бактерий и микроорганизмов.
Однако, несмотря на принципиальные различия задач этих методов обработки,
они могут быть общими в зависимости от фазово-дисперсного состояния
минеральных, органических и биологических примесей воды.
К первой группе примесей относятся взвешенные в воде вещества (от
высокодисперсных взвесей до крупных частичек ), а также бактериальные взвеси
и другие биологические загрязнения. Удалять эти примеси можно как
безреагентными, так и реагентными методами.
Вторую группу представляют разные типы гидрофобных и гидрофильных
коллоидных систем, высокомолекулярные соединения (ВМС) и поверхностноактивные вещества (ПАВ). Эти вещества способны в зависимости от условий
менять свою агрегативность (размеры частиц). Их можно удалять из воды
различными методами и технологическими приемами. Например, обработкой
воды коагулянтами, флокулянтами, известью, а также Cl2, O3 и другими
окислителями. При этом снижается цветность воды, уничтожаются
микроорганизмы, разрушаются гидрофильные коллоиды, которые проявляют
защитные свойства по отношению к гидрофобным примесям воды. За счет этого
происходит коагуляция коллоидов, ускоряется процесс образования и осаждения
хлопьев.
Для третьей группы примесей, являющихся молекулярными растворами,
наиболее эффективные процессы очистки – аэрирования, окисления, адсорбции.
Для четвертой группы примесей – электролитов технология очистки
сводится к связыванию реагентами ионов в малорастворимые и
малодиссоциированные соединения. При выборе реагентов необходимо исходить
из произведения растворимости (ПР) образующихся соединений. При малых
значениях ПР полнота очистки возрастает, особенно при избытке иона осадителя.
34
При наличии в воде посторонних солей, увеличивающих ионную силу раствора и
уменьшающих, вследствие этого, коэффициенты активности реагирующих ионов,
происходит ухудшение осаждения, растворимость осадков увеличивается.
При проектировании водоочистных станций использование данного
принципа классификации помогает определить главные элементы очистных
сооружений, компоновать их, а также подбирать реагенты и процессы, которые
должны в них протекать. При разработке технологического процесса очистки
следует также учитывать характеристику водоема, в который сбрасываются
сточные воды, требования к составу примесей.
В технологии очистки природных вод используются многообразные
технологические приемы и методы улучшения качества воды. Выбор
рациональной схемы обработки воды представляет значительные трудности. Это
объясняется:
1) недостаточно продуманной технологической схемой;
2) изменением состава водоема за время, прошедшее до осуществления
проекта, в результате сбрасывания сточных вод новыми промышленными
предприятиями;
3) нарушением условий эксплуатации водоема в связи с развитием водного
транспорта работами по осушению болот, развитием торфяных разработок.
Такие нарушения усложняют условия эксплуатации не только новых, но и
давно работающих очистных сооружений.
Для лучшей ориентации при выборе метода очистки воды до требуемой
чистоты имеются таблицы, содержащие данные об:
1) используемых процессах и технологических методах обработки воды;
2) условиях их применения в зависимости от качественных показателях
очищаемой воды;
3) о применяемых реагентах и их расходах;
4) компоновке очистных сооружений;
5) степени очистки воды;
6) ориентировочной стоимости процессов.
35
ТЕМА 5 ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
5.1 Методы очистки воды, исходя из деления примесей воды по их
фазовому состоянию
5.2 Коагулирование примесей воды. Флокулянты
5.3 Методы обессоливания и опреснения воды
5.4 Ионообменный метод опреснения и обессоливание воды
5.5 Опреснение воды электродиализом
5.1 Методы очистки воды, исходя из деления примесей воды по их фазовому
состоянию
Для удаления из воды гетерофазных примесей I группы рекомендуются
следующие процессы: 1) механическое разделение в гравитационном поле или
под действием центробежных сил; 2) фильтрование через пористые загрузки и
мелкие сетки; 3) адгезия на высокодисперсных и зернистых материалах, а также
на гидроксидах алюминия или железа и глинистых минералах; 4) адгезия
флокулянтами; 5) флотация примесей и другое. Для патогенных микроорганизмов
– бактерицидное воздействие.
Комплекс очистных сооружений включает этом случае все необходимые
типовые элементы: смесители, камеры хлопьеобразования, отстойники
(осветлители), фильтры, контактные осветлители или контактные фильтры.
Для устранения микрогетерофазных примесей II группы более эффективны
процессы окисления органических коллоидных веществ и ВМС и адгезия их на
гидроксидах алюминия и железа, агрегация флокулянтами катионного типа и
другие, для вирусов – вирусоцидное воздействие. Как и в случае примесей I
группы комплекс очистных сооружений состоит из типовых элементов,
используемых в двух- или одноступенчатой схемах очистки воды.
Для удаления молекулярно-растворенных веществ, входящих в III группу,
применяют следующие процессы: 1) окисление органических веществ; 2)
адсорбцию на активированном угле и других сорбентах; 3) экстракцию
36
органическими растворителями; 4) отгонку паром – эвапорацию. Методы
удаления таких примесей специфичны и поэтому здесь используется аппаратура
специального назначения.
Для удаления электролитов (IV группа) лучше использовать ионные
процессы: 1) перевод в малодиссоциированные (нейтрализация,
комплексообразование) или малорастворимое соединение; 2) фиксация на
твердой фазе ионитов (H – Na – катионирование; ОН-- анионирование); 3)
сепарация изменением фазового состояния воды с переводом её в газообразное
состояние (дистилляция) или в твердую фазу (вымораживание,
гидратообразование); 4) перераспределение ионов в жидкой фазе (экстракция,
обратный осмос); 5) подвижность ионов в электрическом поле и др.
Установки для этой стадии могут дополнять основные очистные
сооружения. Иногда молекулярные и ионные примеси можно удалять
параллельно с выделением гетерофазных загрязнений в типичной для них
аппаратуре.
5.2 Коагулирование примесей воды. Флокулянты
Коагуляцией примесей воды называется процесс укрупнения коллоидных и
взвешенных частичек дисперсной системы, происходящей в результате их
взаимодействия и объединения в агрегаты. Завершается этот процесс отделением
агрегатов слипшихся частичек от жидкой фазы осаждением. Диспергированные,
коллоидные и взвешенные частички примесей природных вод в большинстве
случаев имеют одинаковые заряды. Это обуславливает возникновение
межмолекулярных сил отталкивания и высокую агрегативную устойчивость.
Поскольку в технологии очистки воды предусматривается частичное или
полное удаление примесей, агрегативную устойчивость частичек стремятся
снизить, а заряд их устранить или понизить до очень малых значений. Этого
достигают добавлением к воде сульфатов алюминия, Fe (II), Fe (III), AlCl3, FeCl3,
NaAlO2, оксихлорида алюминия и других веществ. Эти вещества являются
37
коагулянтами, они либо нарушают агрегативную устойчивость системы, либо
образует, вследствие гидролиза, коллоиды, сорбирующие примеси из воды.
Коллоидные примеси, находящиеся в природной воде, позволяют
рассматривать её, как гетерофазную систему, в которой вода является
дисперсионной средой, а масса коллоидных частичек – дисперсионной фазой. Эти
частички представляют собой очень мелкие агрегаты кристаллического или
аморфного строения. Благодаря огромной удельной поверхности коллоидных
частичек они обладают весьма значительной поверхностной энергией, а
следовательно, и высокой адсорбционной емкостью. Это обстоятельство имеет
большое значение, поскольку основной процесс обработки воды –
коагулирование – связан с адсорбцией на коллоидных частичках примесей,
содержащихся в воде.
При очистке воды коагуляция коллоидов протекает под влиянием сложной
смеси электролитов, находящихся в воде, и под влиянием ионов, вносимых в воду
вместе с коагулянтом. Так в случае применения Al2(SO4)
3,
в воду вносят
значительное количество ионов SO
4
2-
.
Если в качестве коагулянта используется
FeCl3, в очищаемой воде повышается содержание ионов Cl-. Наличие смеси
электролитов усложняет коагуляцию, поскольку при этом эффекты влияния
отдельных коагулирующих ионов усиливается или ослабляются.
Используемые в технологии очистки воды коагулянты чаще всего являются
солями слабых оснований и сильных кислот [Al2(SO4)3; FeCl3 и др.]. При
растворении они гидролизуются. Взаимодействие с гидроксильными ионами,
содержащимися в воде, в результате электролитической диссоциации последней
эти соли образуют малорастворимые основания. В воде накапливаются ионы
водорода и раствор приобретает кислую реакцию.
Полнота гидролиза имеет большое значение, как для самой коагуляции, так
и для качества очищаемой воды, поскольку наличие ионов алюминия в
очищенной питьевой воде недопустимо. Гидролиз соли слабого основания и
сильной кислоты протекает по уравнению:
MeAn + n H2O ↔ Me(OH)n + nHAn (16)
38
Или в ионной форме:
Men+ + n H2O ↔ Me(OH)n + nH+, (17)
где Меn+ – катион; An- – анион соли.
Скорость гидролиза можно описать уравнением:
V = Kг[ Men+] [ H2O ]
n
(18)
где V – скорость гидролиза;
Кг – константа гидролиза;
[Men+] – концентрация катионов в растворе коагулянта;
[H2O] – концентрация воды в растворе.
Из уравнения следует, что скорость гидролиза пропорциональна
концентрации катионов коагулянта. Поскольку применяющиеся концентрации
растворов коагулянта незначительны, можно считать, что скорость гидролиза
коагулянта прямо пропорциональна его концентрации. С повышением
температуры на каждые 100С скорость гидролиза возрастает примерно в 2-4 раза
(правило Вант Гоффа).
Константу гидролиза можно вычислить по уравнению 19:
Кг = [Me(OH)n] [H+] / [Men+] = K [ H+]
n
(19)
Необходимым условием для более полного протекания гидролиза является
удаление из сферы реакции образующихся Fe(OH)3 или Al(OH)3, а также
связывание ионов Н+ в малодиссоциированные молекулы. Гидролиз усиливается с
разбавлением коагулянта.
Более полному гидролизу подвержены коагулянты, образующие
гидроксиды с меньшей константой диссоциации или меньшим произведением
растворимости (ПР). (ПР
Al(OH)3
= 1,9•10
-33
; ПР
Fe(OH)2
= 6,3•10
-16
; ПР
Fe(OH)3
=3,8 •10
-38
)
39
Исходя из этих данных видно, что гидролиз солей железа (Fe3+) должен
протекать полнее, чем солей алюминия и значительно полнее, чем солей железа
(Fe2+).
Как следует из уравнения, с увеличением степени гидролиза рН раствора
должна уменьшаться. Любое повышение рН раствора обеспечивает полный
гидролиз введенного в воду коагулянта. Для быстрого и полного гидролиза
коагулянтов необходим некоторый щелочной резерв воды, т.е. наличие в ней
определенного количества ионов
3
, которые связывают ионы [H+]:
H+ + HCO
3
-
= H2 O + CO
2
(20)
Благодаря наличию в воде буферной системы НСО
3
-
– Н2СО3 с рН≈ 7, рН
воды при гидролизе коагулянтов в большинстве случаев изменяется
незначительно.
По уравнению гидролиза коагулянтов можно вычислить концентрацию
ионов НСО
3
-
, необходимую для нейтрализации кислоты, образующейся при
нейтрализации коагулянта. Из суммарной реакции гидролиза Al2(SO4)3 в
присутствии ионов НСО
3-,
следует,что на каждые 342 мг Al2(SO4)3 расходуется 6
мг-экв НСО
3
–
.
Al2(SO4)3+3Ca(HCO3)2 +6H2O = 2Al(OH)3+3CaSO4+6H2CO
3
(21)
В тех случаях, когда концентрация ионов НСО
3
-
, содержащихся в воде,
недостаточна для полного гидролиза коагулянта, щелочность воды повышают
введением известкового молока или раствора Na2CO
3.
В первом случае ионы [Н
+
]
связываются [OH-] , во втором случае – НСО
3
-.
Применять карбонат натрия можно
только для очистки воды, используемой для технических целей. Зная щелочность
обрабатываемой воды и дозу введенного коагулянта, можно вычислить
количество (дозу) извести или соды, необходимое для гидролиза и обеспечения
резервной остаточной щелочности, равной 1мг-экв/л. Таким образом, степень
40
гидролиза коагулянтов повышается с разбавлением раствора, повышением его
температуры и рН.
Осаждение Аl(ОН)3 начинается при рН=3 и становится полным при рН=7.
Дальнейшее повышение рН ведет к растворению осадка, заметному при рН=9.
Аl(ОН)3 можно также получить гидролизом NaAlO2. Раствор в этом случае
подщелачивается, поэтому при коагуляции в кислых и нейтральных средах,
содержащееся небольшое количество НСО
3
-
, для нейтрализации ионов Н+ можно
применять смесь Al2(SO4)3 и NaAlО2. В этом случае накапливающиеся ионы Н
+
будут нейтрализовываться ионами ОН-, образующими при гидролизе NaAlО2.
Процесс искусственного осветления воды, согласно современным
представлениям, протекает следующим образом. При добавлении к очищаемой
воде раствора коагулянтов Al2(SO4)3 или FeCl3 в течение первых 30-180 сек.
происходит гидролиз добавленных солей и образуются коллоидные гидроксиды
Al или Fe, имеющие огромные активные поверхности. Коллоидные примеси,
содержащиеся в воде, адсорбируются на поверхности гидроксидов.
При адсорбции следует различать два процесса: собственно адсорбцию и
фиксацию (закрепление) адсорбированных коллоидов на поверхности. В первом
случае главную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия. Адсорбция
коллоидных частичек зависит от их дисперсности: она тем больше, чем выше
дисперсность и чем меньше устойчивость частичек.
Причины фиксации могут быть различными. Чаще всего необходимость
процесса адсорбции гуминов и других коллоидных загрязнений воды на Аl(ОН)
3
вызывается образованием особого рода поверхностных соединений – лаков.
Большее значение в процессе фиксации адсорбированных коллоидов имеет их
коагуляция вследствие разноимённости зарядов адсорбированных частичек и
поверхности адсорбента. Наличие заряда у адсорбирующихся коллоидных
частичек влияет на их адсорбируемость.
Коагуляция частичек Аl(ОН)3 и Fe(ОН)3, а также связанное с этим
выделение их из воды совместно с адсорбированными на их поверхности
коллоидными примесями происходит под действием растворенных в воде
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]