Лекція № 8. Фізико-хімічні методи очистки стічних вод

План

1. Загальні положення

2. Коагуляція і флокуляція

3. Флотація

4. Адсорбція

5. Іонний обмін

6. Екстракція

7. Зворотній осмос і ультрафільтрація

1. Загальні положення

До фізико-хімічних методів очищення стічних вод належать коагу­ляція, флотація, адсорбція, іонний обмін, екстракція, ректифікація, випарювання, дистиляція, зворотний осмос і ультрафільтрація, крис­талізація, десорбція й ін. Ці методи використовують для видалення зі стічних вод тонкодисперсних плаваючих частинок (твердих і рідких), розчинних газів, мінеральних і органічних речовин.

Застосування фізико-хімічних методів для очищення стічних вод порівняно з біохімічними має ряд переваг:

1. можливість видалення зі стічних вод токсичних, біохімічних органічних забруднень, що не окисляються;

2. досягнення більш глибокого і стабільного ступеня очищення;

3. менші розміри споруд;

4. менша чутливість до змін навантажень;

5. можливість повної автоматизації;

6. більш глибока вивченість кінетики деяких процесів, а також питань моделювання, математичного опису й оптимізації, що важливо для правильного вибору і розрахунку апаратури;

7. методи, не пов’язані з контролем за діяльністю живих організмів;

8. можливість рекуперації різних речовин.

Вибір того або іншого методу очищення (або декількох методів) роблять з урахуванням і технологічних вимог, пропонованих до очи­щених виробничих стічних вод з метою подальшого їхнього викорис­тання, а також з урахуванням кількості стічних вод і концентрації забруднень у них, наявності необхідних матеріальних і енергетичних ресурсів і економічності процесу.

2. Коагуляція і флокуляція

Коагуляція - це процес укрупнення дисперсних частинок в результаті їхньої взаємодії й об’єднання в агрегати. В очистці стічних вод її застосовують для прискорення процесу осадження тонкодисперсних домішок і емульсійних речовин.

Коагуляція найбільш ефективна для видалення з води колоїдно-дисперсних частинок, тобто частинок роз­міром 1-100 мкм. Коагуляція може відбуватися самовільно або під впливом хімічних і фізичних процесів. У процесах очищення стічних вод коагуляція відбувається під впливом добавок до них спеціальних речовин - коагулянтів. Коагулянти у воді утворюють пластівці гідро­ксидів металів, що швидко осідають під дією сили ваги. Пластівці мають здатність вловлювати колоїдні і плаваючі частинки. Оскільки колоїдні частинки мають слабкий негативний заряд, а пластівці коагу­лянтів - слабкий позитивний заряд, то між ними виникає взаємне притягання. Для колоїдних частинок характерне утворення на їх по­верхні подвійного електричного шару. Одна частина подвійного елек­тричного шару фіксована на поверхні поділу фаз, а інша створює хмару іонів, тобто одна частина подвійного шару є нерухливою, а інша - рухливою (дифузійний шар). Різниця потенціалів, що виникає між нерухливою і рухливою частинами шару (в об’ємі рідини), називається дзега-потенціалом або електрокінетичним потенціалом, відмінним від термодинамічного потенціалу Е, який являє собою різницю потен­ціалів між поверхнею частинок і рідиною. Дзета-потенціал залежить як від Е, так і від товщини подвійного шару. Його значення визначає величину електростатичних сил відштовхування частинок, які запо­бігають злипанню частинок одна за одною. Малий розмір колоїдних частинок забруднень і негативний заряд, розподілений на поверхні цих частинок, обумовлюють високу стабільність колоїдної системи.

Щоб викликати коагуляцію колоїдних частинок, необхідно знизити величину їхнього дзета-потенціалу до критичного значення додаван­ням іонів, що мають позитивний заряд. Таким чином, при коагуляції відбувається дестабілізація колоїдних частинок внаслідок нейтралізації їхнього електричного заряду. Ефект коагуляції залежить від валентності іона коагулянта, що несе заряд, протилежний знаку заряду частинок. Чим вища валентність, тим ефективніше відбувається коагуляція [27].

Для початку коагуляції частинки повинні наблизитися одна до одної на відстань, при якій між ними діють сили взаємопритягання і хімічної спорідненості. Зближення частинок відбувається в результаті броунів- ського руху, а також при ламінарному або турбулентному русі потоку води.

Дія солей, які коагулюють, є результатом гідролізу, що відбу­вається слідом за розчиненням.

Процес гідролізу коагулянтів і утворення пластівців відбувається за наступними стадіями:

Ме^{3 +} + НОН ↔Ме(ОН)з⁺ ЗH⁺ . (8.4)

Насправді процес гідролізу протікає значно складніше, іон металу утворює ряд проміжних сполук у результаті реакцій з гідроксидами- іонами і полімеризації. Сполуки, що утворюються, мають позитивний заряд і легко адсорбуються негативно зарядженими колоїдними част­ками.

Як коагулянти використовують солі алюмінію, заліза або їхньої суміші. Вибір коагулянта залежить від його сполуки, фізико-хімічних властивостей і вартості, концентрації домішок у воді, від рН і сольової сполуки води.

Як коагулянти використовують сульфат алюмінію Аl₂(S0₄)₃ ∙ 18Н_гО; алюмінат натрію NаАl₂; гідроксохлорид алюмінію Аl₂(ОН)₅Сl; тетра- оксосульфати алюмінію-калію й алюмінію-амонію [квасці - алюмок- лейові КА1(S0₄)₂-12Н₂0 і аміачні NН₄Аl(S0₄)₂ - 12Н₂0]. Найбільш розповсюджений з них сульфат алюмінію, що ефективний в інтервалі значень рН 5-7,5. Він добре розчинний у воді і має відносно низьку вартість. Його застосовують у сухому вигляді або у вигляді 50 %-го розчину. При коагулюванні сульфату алюмінію він взаємодіє з гідро­карбонатами, що є у воді:

A1₂(S0₄)_з + 3Са(НС0₃)₂ ↔ 2АІ(ОН)₃ ↓ +3СаSО₄ + 6С0₂. (8.5)

Алюмінат натрію застосовують у сухому вигляді або у вигляді 45 %-го розчину. Він є лужним реагентом, при рН 9,3-9,8 утворить швидкоосаджені пластівці. Для нейтралізації надлишкової лужності можна використовувати кислоти або димові гази, що містять С0₂:

2NaAl₂ + С0₂ + 3Н₂0 ↔ АІ(ОН)₃ + NaС0₃ (8.6)

У більшості випадків використовують суміш NаАl₂ + А1(S0₄)₃ у співвідношенні (10:1)—(20:1):

6NаАl₂ + Al₂(S0₄)з +12H₂О↔ 8АІ(ОН)₃ + 3Na₂SO₄. (8.7)

Спільне вживання цих солей дає можливість підвищити ефект освіт­лення, збільшити щільність і швидкість осадження пластівців, розши­рити оптимальну область рН і середовища.

Оксихлорид алюмінію має меншу кислотність і тому придатний для очищення слаболужних вод; через високий вміст у ньому водороз­чинного алюмінію прискорюється пластоутворення і осадження коа­гульованої суспензії, яка відбувається за реакцією:

2А1₂(ОН)₅Сl + Са(НСО₃)₂ ↔ 4АІ(ОН)₃ + СаС1₂ + 2СО₂ (8.8)

Із солей заліза як коагулянти використовують сульфати заліза Fе₂(30₄)∙2Н₂0, Fe(S0₄)₃ЗH₂O і FeS0₄ -7Н_гО, а також хлорне залізо FеС1₃. Найбільше освітлення відбувається при використанні солей трьохвалентного заліза. Хлорне залізо застосовують у сухому вигляді або у вигляді 10-15 %-х розчинів. Сульфати використовують у вигляді порошків. Доза коагулянту залежить від рН стічних вод. Для Fе³ + рН дорівнює 6-9, а для Fе²⁺ рН 9,5 і вище. Для підлужування стічних вод використовують NaОН і Са(ОН)₂. Утворення пластівців протікає за реакціями:

FeClз + ЗН₂0 → Fе(ОН)з + ЗНСІ, (8.9)

Fe₂ (S0₄)₃ +6Н₂0→ 2Fе(ОН)₃ + ЗH₂S0₄, (8.10)

при підлужуванні:

2FеС1₃ + ЗСа(ОН)₂ → 2Fе(ОН)₃+ЗСаС1₂, (8.11)

Fе₂(S0₄)₃+ЗСа(0Н)₂ → 2Fе(ОН)₃ +ЗСаS0₄. (8.12)

Солі заліза як коагулянти мають ряд переваг перед солями алю­мінію: краща дія при низьких температурах води; ширша область оптимальних значень рН-середовища; велика міцність і гідравлічна грубість пластівців; можливість використовувати для вод з більш широким діапазоном сольової сполуки; здатність усувати шкідливі запахи і присмаки, обумовлені присутністю сірководню. Однак наявні і недоліки: утворення при реакції катіонів заліза з деякими органічними сполуками сильного зафарбовування розчинних комплексів; сильні кислотні властивості, що підсилюють корозію апаратури; менш роз­винута поверхня пластівців [26].

При використанні сумішей Аl₂(SО₄)₃ і FеСl₃ у співвідношеннях від 1:1 до 1:2 досягається кращий результат коагулювання, ніж при роздільному використанні реагентів. Відбувається прискорення осад­ження пластівців. Крім названих коагулянтів, для обробки стічних вод можуть бути використані різні глини, алюміновмісні відходи вироб­ництва, правильні розчини, пасти, суміші, шлаки, що містять діоксид кремнію.

Оптимальну дозу реагенту встановлюють на підставі пробного коагулювання.

Швидкість коагуляції залежить від концентрації електроліту. У загальному вигляді ця залежність показана на рис. 8.1.

При малих концентраціях електроліту ефективність зіткнень час­тинок, тобто відношення числа зіткнень, що закінчилися злипанням, до загального числа зіткнень, близька до нуля (ψ = 0). У міру росту концентрації швидкість коагуляції збільшується, але не всі зіткнення ефективні - таку коагуляцію називають повільною. При ψ = 1 настає швидка коагуляція, при якій усі зіткнення частинок закінчуються утворенням агрегатів.

Рис. 8.1. Залежність відносної швидкості коагуляції від концентрації електроліту

У полідисперсних системах коагуляція відбувається швидше, ніж у монодисперсних, тому що великі частинки при осіданні захоплюють за собою дрібніші. Форма частинок також впливає на швидкість коагу­ляції. Наприклад, подовжені частинки коагулюють швидше, ніж ку­лясті. Схема установки для очищення вод коагуляцією показана на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема установки для очищення вод коагуляцією:

1 - ємність для приготування розчинів; 2 - дозатор; З - змішувач;

4 - камера; 5 - відстійник

Флокуляція. Це процес агрегації плаваючих частинок при додаванні в стічну воду високомолекулярних сполук, названих флокулянтами.

На відміну від коагуляції, при флокуляції агрегація відбувається не тільки при безпосередньому контакті частинок, але й в результаті взаємодії молекул адсорбованого на частинках флокулянта.

Флокуляцію проводять для інтенсифікації процесу утворення пла­стівців гідроксидів алюмінію і заліза з метою підвищення швидкості їхнього осадження. Використання флокулянтів дозволяє знизити дози коагулянтів, зменшити тривалість процесу коагуляції і підвищити швидкість осадження утворених пластівців.

Для очищення стічних вод використовують природні і синтетичні флокулянти. До природних флокулянтів відносять крохмаль, декстрин ефіри, целюлози й ін. Активний діоксид кремнію хSі₂O-уН20 є най­більш розповсюдженим неорганічним флокулянтом. Із синтетичних, органічних флокулянтів найбільше застосування в нашій країні одер­жав поліакриламід [СН₂-СН-СОNН₃]п, технічний (ПАА) і гідролізований поліакриламід (ГПАА). Технічний поліакриламід ПАА одер­жують при взаємодії акрилонітрилу із сірчаною кислотою з наступною полімеризацією акриламіду. Гідролізований поліакриламід одержують омиленням технічного ПАА лугом.

При виборі сполуки і дози флокулянта враховують властивості його макромолекул і природу дисперсних частинок. Оптимальна доза ПАА для очищення промислових стічних вод коливається в межах 0,4-1 г/м³. ПАА діє в широкому діапазоні рН середовища. Однак швидкість осадження сфлокульованих пластівців при рН > 9 зменшується.

Механізм дії флокулянтів заснований на наступних явищах:

• адсорбції молекул флокулянта на поверхні колоїдних частинок ретикуляції (утворення сітчастої структури) молекул флокулянта;

• злипанні колоїдних частинок за рахунок сил Ван дер Вальса.

При дії флокулянтів між колоїдними частинками утворюються три­вимірні структури, здатні до більш швидкого і повного відділення від рідкої фази. Причиною виникнення таких структур є адсорбція макро­молекул флокулянта на декількох частинках з утворенням між ними полімерних містків. Колоїдні частинки заряджені негативно, що сприяє процесу взаємної коагуляції з гідроксидом алюмінію або заліза. При додаванні активованого силікату в 2-3 рази збільшується швидкість осадження і підвищується ефект освітлення.

Поліакриламід випускається у вигляді 7-9 %-го гелю, який твердне при температурі нижче 273 °К. При додаванні ПАА до води її в’язкість різко зростає.

Процес очищення стічних вод коагуляцією і флокуляцією скла­дається з наступних стадій: дозування і змішування реагентів зі стічною водою; пластівцеутворення й осадження.

Для змішування коагулянтів з водою застосовують гідравлічні і механічні змішувачі. У гідравлічних змішувачах змішування відбу­вається внаслідок зміни напряму руху і швидкості потоку води. Схема одного зі змішувачів показана на рис. 8.3.

У механічних змішувачах-апаратах зі змішувачем процес перемі­шування повинен бути рівномірним і повільним, щоб частки при зближенні утворювали пластівці, що не руйнувалися б при обертанні змішувача.

Після змішування стічних вод з реагентами воду спрямовують у камери пластівцеутворення. Використовують перегородчасті, вихрові і з механічними змішувачами камери. Утворення пластівців у камерах відбувається за 10-30 хв.

Вона являє собою резервуар, розділений перегородками на ряд послідовни коридорів, через які проходить вода. Швидкість води в коридорах приймають за 0,2-0,3 м/с.

Рис. 8.3. Апарати для коагуляції: а - перегородчастий змішувач: 1 - ко­ридор; 2 - перегородка; З - вікно; б - перегородчаста камера для утворення пластівців: 1 - коридор; 2 - перего­родки; 3 - вікно; в - коагулятор-освіт- лювач: 1 - корпус; 2 - жолоб; 3 - отвір для видалення освітленої води; 4 - повітровідділювач; 5 - центральна труба; б - розподільні труби

Осадження пластівців відбувається у відстійниках і освітлювачах, конструкції яких описані у сьомому розділі. Часто стадії змішування, коагулювання й осадження проводять в одному апараті.

Стічна вода, змішана з коагулянтом, по трубі надходить у повітро- розподілювач. Потім вода рухається по центральній трубі до роз­подільних труб, що закінчуються соплами для розподілу й обертання води в кільцевій зоні, куди вводять флокулянт. Пластівці коагулянта утворюються в кільцевій зоні.

Плаваючі з пластівцями частки осідають на дно і видаляються з апарата. Освітлена вода через отвір потрапляє в жолоб, звідкіля її направляють на використання.