Химические методы очистки

Нейтрализация является важным химическим способом общего процесса регуляции величин рН, доведения реакции сточной жидкости до нейтральной (рН 7). Для нейтрализации кислых вод используют как растворимые, так и слабо растворимые в воде реагенты. К первым относятся: известь, едкий натр, сода; ко вторым - оксид и гидроксид магния, карбонаты кальция и магния.

Осаждение ионов металлов. Как правило, кислые СВ, образовавшиеся в процессах обработки металлов, содержат ионы железа и ИТМ. В этих случаях нейтрализация сопровождается реакциями химического осаждения металлов в виде труднорастворимых гидроксидов. При нейтрализации кислых СВ реагенты расходуются как на снижение концентрации в них Н⁺- ионов, так и на образование гидроксидов тяжелых металлов.

Значения рН, соответствующих началу и окончанию осаждения гидроксидов тяжелых металлов в водных растворах приведены в табл.

Величины рН осаждения гидроксидов металлов

Катион	Начало осаждения	Полное осаждение
железо(2)	7,5	9,7
железо(3)	2,3	4,1
цинк(2)	6,4	8,0
хром(3)	4,9	6,8
никель(2)	7,7	9,5
алюминий(3)	4,0	5,2
кадмий(2)	8,2	9,7
свинец(2)	7,8	9,3

Электрохимический метод извлечения растворенных электролитов (примесей 4-Б группы по классификации Кульского) основан на использовании электродиализа и электроосмоса. Упрощенная схема установки для электрохимической очистки сточных вод представляет собой емкость, разделенную мембранными перегородками на три камеры (катодную, рабочую и анодную) с погруженными в крайние камеры электродами 1 и 2 (рис.).

Рис. Схема электрохимического извлечения растворенных электролитов

После заполнения ванны водой и включения постоянного тока наблюдается перенос ионов в крайние камеры (катионов – к катоду, а анионов - к аноду) и опреснения воды в средней камере.

При этом на катоде образуется свободный водород, на аноде - кислород, т.е. подкисление анодной жидкости и подщелачивание катодной.

Камеры являются проточными и соединяются последовательно. Для мембран используются химически и механически стойкие материалы: перхлорвиниловая ткань, микропористый винипласт. Материалом для катода служит нержавеющая сталь, для анода - магнетит.

Биохимические методы очистки сточных вод

Биологические методы очистки сточных вод заключаются в разложении и минерализации аэробным или анаэробным путем коллоидных и растворенных органических веществ, которые не могут быть изъяты механическим путем.

Городские сточные воды является благоприятной средой для жизнедеятельности различных групп микроорганизмов, потому что в них находятся все необходимые питательные вещества - белки, жиры, углеводы - и многочисленные неорганические соединения. Для нормальной жизнедеятельности клетки необходимы такие элементы: N, А1, Вг, V, Н, Fе, И, К, Со, О, Sі, Мn, Мg, Сu, S, Р, С, F, Zn. Все они есть в городских сточных водах.

Огромное количество микробов в городских сточных водах предопределяет постоянное разложение различных компонентов этих вод. Соответственно в сточных водах остаются соединения с небольшим энергетическим запасом. В результате жизнедеятельности микробов в сточную жидкость выделяются водород и другие соединения. Если водород не изымать из сточной жидкости, то реакция разложения закончится сама. Но в сточных водах есть акцептор водорода - кислород, источником поступления которого может быть диффузия его из атмосферы, фотосинтетическая деятельность водорослей и высшей водной растительности (биологические фильтры, биологические пруды), а также разложение нитратов, нитритов и сульфатов. В результате реакции кислорода с водородом образуется перекись водорода, которая в свою очередь восстанавливается до воды.

Процессы бактериальной деятельности непрерывно изменяют окислительно-восстановительный потенциал сточных вод. При восстановительных процессах на анаэробных очистных сооружениях окислительно-восстановительный потенциал падает, достигая отрицательных величин. На аэробных очистных сооружениях, когда количество бактерий значительно уменьшается, происходит повышение окислительного потенциала, и он достигает позитивных величин. Важно знать, что вне бактериальной жизнедеятельности, например, в тех водах, где она является полностью подавленной, окислительно-восстановительный потенциал сточных вод не изменяется. На очистных сооружениях окислитель, как правило, вводится из внешней среды. Таким окислителем является кислород, что не исключает возможности окисления одних компонентов сточных вод за счет других.

При достаточной концентрации растворенного кислорода органические вещества из минимально окисленного состояния переходят в максимально окисленное. В результате этого процесса органические вещества, содержащие углерод, превращаются в углекислоту и воду, содержащие серу - на сульфаты, содержащие азот – на нитраты. Окисляются не только органические компоненты, но и неорганические. Происходит окисление солей железа (П) в соли железа (Ш), ионов двухвалентного марганца в диоксид марганца и тому подобное. В этом направлении процессы протекают при наличии и сточной воде растворенного кислорода. Активными участниками процессов являются микробы. Это аэробные биохимические процессы.

Аэробные биохимические процессы происходят в городских сточных водах в определенной последовательности в зависимости от величины окисленности компонентов. Вещества, содержащие углерод, имеют низшую степень окисленности по сравнению с солями аммония. Поэтому в аэробном процессе сначала окисляются органические вещества, содержащие углерод, до углекислоты и воды, и лишь потом начинается окисление солей аммония до нитритов и нитратов.

Анаэробные биохимические процессы используются для переработки твердой фазы городских сточных вод; для этих процессов характерно сбраживание при очень высокой концентрации органического вещества. Общая направленность биохимических процессов заключается в разложении органических веществ с образованием жирных кислот и со следующим разложением их на водород, углекислоту, метан и другие соединения. Скорость разложения органических веществ в анаэробных условиях значительно меньше, чем в аэробных. При разложении одной молекулы глюкозы в анаэробных и аэробных условиях реакции протекают с различным термическим эффектом.

Аэробное разложение

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О (+ 674 кал)

Анаэробное разложение.

С₆Н₁₂О₆ = 3СО₂ + 3СН₄ (+ 27 кал)

Показатели окислительной способности сооружений биохимической очистки

Виды очистных сооружений	Количество кислорода, г на 1 м3 очистных сооружений за сутки
Сооружения естественной биологической очистки
Поля орошения Поля фильтрации Биологические пруды	0,5 - 1,0 2,0 - 36,0 12,5
Сооружения искусственной биологической очистки
Контактные фильтры Аэротенки Аэрофильтры Аэрокоагуляторы	72 1000 1000 4500

Как видно из таблицы, окислительная способность сооружений искусственной биологической очистки значительно выше, чем сооружений естественной биологической очистки.

Интенсификация процессов биологической очистки приводит не только к увеличению их окислительной способности, но и к значительному уменьшению площади, которую занимают эти сооружения. При объемах сточных вод 5000 м³/сут площадь, которую занимают поля орошения, составляет 150-200 га, поля фильтрации - 30-50 га, биологические фильтры - 2-3 га, аэротенки -1 га.