УДК 628.316.12
Анализ основных направлений очистки сточных вод от тяжелых металлов
Э.А. Нахиева, С.А. Иларионов
Пермский государственный национальный исследовательский университет
614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15
E-mail: nahieva1992@yandex.ru
Статья посвящена проблеме очистки сточных вод от тяжелых металлов. Разнообразие перерабатываемого сырья, сложность и многостадийность процессов в производстве обуславливают большой выход сточных вод и высокую степень их загрязненности. Представлен сравнительный анализ методов по эффективности очистки, решению вопросов безотходности технологий, ресурсо- и энергосбережению.
Ключевые слова: сточные воды; очистка; тяжелые металлы; реагентные методы; электрохимические методы; мембранные методы
Сточные воды города представляют собой смесь очищенных промышленных сточных вод и хозяйственно-бытовых стоков, которые характеризуются высоким содержанием различных органических компонентов, солей токсичных тяжелых металлов, микробиальных загрязнений, в том числе патогенных микроорганизмов, бактериальных организмов (кокки, палочки, спириллы), яиц гельминтов, вирусов, которые при очистке накапливаются в избыточном активном иле [1].
Источниками загрязнения водных объектов являются сбрасываемые неочищенные и недоочищенные сточные воды предприятий [2]. Если в составе сточных вод предприятий нормативно очищенные воды составляют 3,2 %, то доля
загрязненных сточных вод, сбрасываемых в водные объекты РФ, достигает 84,3 % [3]. Ежегодно в России только при промывке изделий после гальванических и химических покрытий сточные воды металлообрабатывающих заводов выносят не менее 3300 т цинка, 2400 т никеля, 460 т меди, 500 т хрома, 125 т олова, 135 т кадмия. Поэтому вопросы эффективной очистки сточных вод в процессах обработки металлов в настоящее время весьма актуальны [4].
В Пермском крае сброс загрязненных сточных вод за последние три года увеличился. Так, в 2012 г. объем сброса загрязненных сточных вод составил 406,93 млн м3 (на 9,6 млн м3 больше 2011 г.), в том числе без очистки 111,24 млн м3 (больше на 14,3 млн м3) [5]. Сброс большого количества тяжелых металлов объясняется неэффективной работой очистных сооружений, нестабильностью технологических процессов и высокой насыщенностью края предприятиями металлообрабатывающего профиля.
Выбор метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов зависит от концентрации и состава загрязнений, возможности утилизации ценных компонентов и возможности возврата воды в производство, требуемой глубины очистки и других конкретных условий [2]. Для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов применяют различные методы: реагентный; электрохимический; сорбционный; отстаивание; фильтрация; мембранные методы; выпаривание; биологический.
Реагентные методы [4, 6, 7] являются простыми и распространенными, включают в себя процессы нейтрализации, окисления-восстановления, осаждения. При этом ионы тяжелых металлов переводятся в малорастворимые соединения с последующей фильтрацией. В качестве реагентов нашли применение гидроксиды кальция и натрия, сульфид натрия, феррохромовый шлак, сульфат железа (II), пирит [8].
Недостатками реагентных методов являются:
большой расход реагентов;
необходимость в дополнительной доочистке;
получение трудно обезвоживаемого и неутилизируемого осадка;
дополнительное засоление очищаемой воды.
Сорбционные методы [4, 9]. Сорбция является одним из универсальных способов глубокой очистки сточных вод. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: активированные угли, золу, коксовую мелочь, силикагели, алюмогели, активные глины.
Положительные качества сорбции – это регенерация сорбентов, эффективность метода, высокая скорость фильтрования через сорбенты, возможность автоматизации.
Наибольшее распространение получила сорбция на ионообменных смолах, достоинствами которой являются:
возможность возврата в производство до 80 % очищенной воды;
глубокая очистка до остаточного содержания минеральных солей в очищаемой воде 25–40 мг/л;
доступность сильно- и слабокислых катионитов, сильно- и слабоосновных анионитов.
Недостатки ионообменной очистки:
требуется длительное усреднение сточной воды для сглаживания колебаний в их составе;
необходимость в большом количестве химикатов для регенерации ионитов;
образование дополнительных объемов загрязненных вод после отмывки ионообменных фильтров;
необходимость в больших площадях для размещения технологического оборудования.
Электрохимическая очистка [8, 9]. В технологии очистки сточных вод используются процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляция, гальванокоагуляция, электрофлотация и электролиз. Все эти процессы протекают на электродах при прохождении через водную среду постоянного электрического тока. Наиболее широко используются электролиз и электрокоагуляция для извлечения металлов из высококонцентрированных растворов и очистки сточных вод от примесей тяжелых металлов.
Электрохимические методы обладают рядом преимуществ: простая технологическая схема при эксплуатации оборудования, удобство автоматизации его работы, сокращение производственных площадей, возможность очистки без предварительного разбавления, снижение солесодержания, и уменьшение объема осадка, образующегося в процессе очистки. Недостатком методов является их высокая стоимость [4].
Использование на стадии предочистки отстаивания [9] в горизонтальных или вертикальных отстойниках является одним из самых распространенных методов. Смесь сточной воды и ее осадка поступает в отстойник, в бункере которого накапливается шлам. Вода, очищенная от взвешенных частиц, направляется на сброс в канализацию [10]. Более широкое применение находят тонкослойные отстойные сооружения, в которых процессы осаждения взвеси протекают в слоях небольшой высоты при устойчивом, близком к ламинарному режиму, движении воды. Наличие этих элементов благоприятно для эффективного хлопьеобразования, осаждения и выделения из воды содержащихся в ней примесей.
Метод фильтрации наиболее часто используется во многих технологических схемах очистки сточных вод для снижения содержания взвешенных дисперсных частиц и извлечения ряда загрязнителей. Используется как основной метод для удаления грубодисперсных частиц и является основой для более тонкой очистки сточных вод [9].
В последнее время для очистки и регенерации концентрированных растворов электролитов более перспективными и распространенными являются мембранные методы [11], разновидностью которых является метод обратного осмоса. Сущность метода заключается в продавливании загрязненных сточных вод через полупроницаемые мембраны, которые пропускают воду и задерживают растворенные вещества.
Достоинства мембранных методов:
возврат в производство 95 % очищенной воды;
высокая степень очистки воды от минеральных солей и солей тяжелых металлов;
относительно небольшие габариты установки, что не требует больших производственных площадей;
простота аппаратурного оформления;
снижение расхода химических реагентов на нейтрализацию сточных вод.
Процесс обессоливания методом выпаривания и дистилляции заключается в выпаривании засоленных стоков с последующей конденсацией вторичного водяного пара [6].
Основные достоинства данного метода:
возврат в производство до 90 % очищенной воды;
очистка воды с солесодержанием до 20 мг/л;
получение отходов в виде сухих солей;
отсутствие потребности в дополнительных реагентах для проведения процессов;
отсутствие дополнительных объемов загрязненных сточных вод;
проведение обессоливания воды с различной минерализацией;
простота эксплуатации и организации контроля;
небольшие производственные площади для размещения оборудования.
Основные недостатки метода выпаривания и дистилляции:
потребность в дополнительных затратах пара, электроэнергии и организации оборотного цикла охлаждения оборудования;
тепловое загрязнение окружающей среды.
Достигнуты успехи по разработке и внедрению способов биологической очистки сточных вод, в таблице представлен перечень загрязнений и показана эффективность метода. Микробиологическая трансформация и детоксикация отдельных металлов и их соединений уже достаточно полно изучена, биологическая очистка от них промышленных сточных вод находится на стадии разработки. Микробиологические методы сорбции и осаждения ионов металлов в настоящее время очень перспективны. Для извлечения металлов из растворов могут быть использованы представители различных таксономических групп. Реакция микроорганизмов на тяжелые металлы различна. Одни осуществляют их активный транспорт внутрь клеток, что объясняется ферментными системами микроорганизмов. Другие сорбируют их непосредственной поверхностью клеточной стенки или связывают слоем слизи, покрывающим клетку. В природе встречается большое количество микроорганизмов, которые
Таблица