Лекция 6.

При создании замкнутых систем водоснабжения и сбросе в водоемы промышленных и бытовых сточных вод, они подвергаются очистки до необходимого качества механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами.

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гид­ромеханические процессы:

- процеживание сточной жидкости на решетках и сетках для выделения крупных примесей и посторонних предметов;

- улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;

- отстаивание воды для удаления нерастворяющихся, тонущих и плавающих органических и неорганических примесей, не задерживаемых решетками и песколовками;

- удаление твердых взвешенных частиц в гидроциклонах;

- фильтрование через различные фильтры для улавливания тонко­дисперсных взвесей.

Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц.

Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два и более одновременно работающих отделения. Вода движется с одного конца отстойника к другому (рисунок 4.10).

1 – входной лоток; 2 – отстойная камера; 3 – выходной лоток; 4 – приямок

Рисунок 4.10 – Отстойник горизонтальный

Глубина отстойников равна 1,5…4 м, длина 8…12 м, а ширина коридора 3…6 м. Равномерное распределение сточной воды достигается при помощи поперечного лотка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15000 м³/сут. Эффективность отстаивания достигает 60 %. Продолжительность отстаивания – 1…3 ч.

Процесс отстаивания используют и для очистки производственных сточных вод от нефти, масел, смол, жиров и др. Очистка от всплывающих примесей аналогична осаждению твердых частиц. Различие заключается в том, что плотность всплывающих частиц меньше, чем плотность воды. Для улавливания частичек нефти используют нефтеловушки. Для улавливания жиров применяют жироловушки.

Всплывание нефти на поверхность воды происходит в отстойной камере. При помощи скребкового транспорта нефть подают к нефтесборным трубам, через которые она удаляется. Скорость движения воды в нефтеловушке изменяется в пределах 0,005…0,01 м/с. Для частичек нефти диаметром 80…100 мкм скорость всплывания равна 1…4 мм/с. При этом всплывает 96…98% нефти. Горизонтальные нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секций – 2…3 м, глубина отстаиваемого слоя воды – 1,2…1,5 м; продолжительность отстаивания не менее 2 ч (рисунок 4.11).

а – горизонтальная: 1 – корпус; 2 – гидроэлеватор; 3 – слой нефти; 4 – нефтесборная труба; 5 – нефтеудерживающая перегородка; 6 – скребковый транспортер;

б – тонкослойная: 1 – вывод очищенной воды; 2 – нефтесборная труба; 3 – перегородка; 4 – плавающий пенопласт; 5 – слой нефти; 6 – ввод сточной воды; 7 – секция из гофрированных пластин; 8 – осадок

Рисунок 4.11 – Нефтеловушки

К физико-химическим методам очистки сточных вод относятся коагуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен, экстракция, ректификация, выпаривание, дистилляция (испарение), гиперфильтрация (обратный осмос), ультрафильтрация, кристаллизация, а также методы, связанные с наложением электрического поля – электрокоагуляция, электрофлотация, электролиз и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных твердых и жидких частиц, растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Коагуляция – это процесс слипания частиц коллоидной системы в результате их взаимодействия под действием молекулярных сил сцепления при перемешивании или направленном перемещении во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией. При очистке сточных вод коагуляцию применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Она наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размером 1...100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов.

Флокуляция – один из видов коагуляции, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых коллоидно-дисперсных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются (метод пенной флотации), а также для удаления растворенных веществ (метод пенной сепарации). Ее используют также для выделения активного ила после биохимической очистки. Флотация может быть использована вместе с флокуляцией.

Адсорбционный метод применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика, и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей. Достоинство метода – высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.

Ионообменная очистка применяется для извлечения и утилизации из сточных вод тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим её использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. Иониты практически не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, являются катионитами, отрицательные ионы – анионитами. Катиониты обладают кислотными свойствами, а аниониты – основными свойствами. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными. Иониты подразделяются на природные и искусственные или синтетические. По своей природе они бывают неорганические (минеральные) и органические. Ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам – ионообменным смолам с развитой поверхностью, представляющим собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка (каркас) называется матрицей, а обменивающиеся ионы – противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженными ионами, называемыми фиксированными или анкерными ионами. При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде (R), а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RS0₃H. Здесь R – матрица, Н – противоион, S0₃ – анкерный ион. Сильноосновные иониты содержат четвертичные аммониевые основания (R₃NOH).

Жидкостную экстракцию применяют при относительно высоком содержании в сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (фенолы, органические кислоты, масла).

Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на растворении находящегося в сточной воде загрязнителя органическими растворителями – экстрагентами, т. е. на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей соответственно его растворимости в них. Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий:

1) смешение сточной воды с экстрагентом – при этом образуются две жидкие фазы: экстракт, содержащий извлекаемое вещество и экстрагент, и рафинат, содержащий сточную воду и экстрагент;

2) разделение экстракта и рафината;

3) регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Мембранный метод очистки сточных вод основан на свойствах пористых тел пропускать одни вещества и не пропускать другие. Способы мембранного разделения, используемые в технологии очистки воды, условно делятся на диализ, электродиализ, микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос. В соответствии с видом переноса вещества мембранные методы можно разделить на диффузионные, электрические и гидродинамические.

В технологии очистки сточных вод от растворенных и тонкодис-пергированных примесей чаще всего используют процессы обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа. Обратный осмос применяют для обессоливания воды в системах водоподготовки, в системах локальной обработки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и для очистки природных и сточных вод. В основе этих способов лежит явление осмоса – самопроизволь­ного перехода растворителя (воды) в раствор через полупроницаемую мембрану (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Схема разделения органических и неорганических веществ

Для очистки сточных вод от различных растворимых и дисперги­рованных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при прохождении через сточную воду постоянного электрического тока (рисунок 4.13).

1 – корпус; 2 – анод; 3 – катод; 4 – диафрагма

Рисунок 4.13 – Схема электролизера

Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой технологической схеме очистки без использования химических реагентов. Основной недостаток этих методов – большой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно. При прохождении сточной воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, поляризация час­тиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Они применяются для удаления растворимых веществ и в замкнутых системах водоснабжения. Химическая очистка проводится иногда как предварительная перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточных вод.

Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуются. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН = 6,5…8,5.

Нейтрализация проводится путем смешивания кислых и щелочных сточных вод, добавления реагентов, фильтрования кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбции кислых газов щелочными водами или абсорбции аммиака кислыми водами.

Нейтрализация смешиванием применяется, если на одном предприятии или на соседних предприятиях имеются кислые и щелочные воды, не загрязненные другими компонентами. Кислые и щелочные воды смешиваются в емкости с мешалкой и без мешалки (рисунок 4.14). В последнем случае перемешивание ведётся воздухом при его скорости в линии подачи 20…40 м/с.

1 – емкость; 2 – распределитель воздуха

Рисунок 4.14 – Нейтрализатор смешения

При переменной концентрации сточных вод в схеме предусматривают установку усреднителя или обеспечивают автоматическое регулирование подачи в камеру смешивания. При избытке кислых или щелочных сточных вод добавляют соответствующие реагенты. Нейтрализованную воду используют в производстве, а осадок обезвоживают на шламовых площадках или вакуум-фильтрах.

Для очистки сточных вод используют окисление и восстановление.

В качестве окислителей используются газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит и др. В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций переходят в менее токсичные, которые удаляются из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды, нецелесообразно или нельзя извлечь другими-способами, например, очистка от цианидов, растворенных соединений мышьяка и др.

Методы восстановительной очистки сточных вод применяют в тех случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка.

Биохимический метод применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать некоторые вещества для питания в процессе жизнедеятельности. Органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20…40 °С. При изменении кислородного и температурного режима состав и число микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы очистки протекают без доступа кислорода; их используют, главным образом, для обезвреживания осадков.

Аэробные процессы биохимической очистки могут протекать в природных условиях и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки (рисунок 4.15) и биофильтры разной конструкции.

1 – первичный отстойник; 2 – предаэратор; 3 – аэротенк; 4 – регенератор; 5 – вторичный отстойник

Рисунок 4.15 – Схема установки для биологической очистки

Термическими методами обезвреживаются сточные воды, содер­жащие минеральные соли кальция, магния, натрия и др., а также органические вещества. Такие сточные воды могут быть обезврежены: концентрированием сточных вод с последующим выделением растворенных веществ; окислением органических веществ в присутствии катализатора; жидкофазным окислением органических веществ; огневым обезвреживанием.

Концентрирование сточных вод в основном используется для обезвреживания минеральных сточных вод. Он позволяет выделять из стоков соли с получением условно чистой воды, пригодной для оборотного водоснабжения. Процесс разделения минеральных веществ и воды может быть проведен в две стадии: стадия концентрирования и стадия выделения сухих веществ.

Концентрирование сточных вод может быть проведено выпариванием (испарением), вымораживанием и кристаллизацией.

Рекомендуемые методы обезвреживания сточных вод представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Рекомендуемые методы обезвреживания сточных вод

Метод очистки выбирают с учетом санитарных и технологических требований к качеству очищенных вод, количества сточных вод, наличия необходимых энергетических и материальных ресурсов, эффективности процесса обезвреживания.

Контрольные вопросы.

1. Схема очистки городских сточных вод.

2. Очистка бытовых и промышленных сточных вод механическим способом.

3. Очистка бытовых и промышленных сточных вод физико-химическим способом.

4. Очистка бытовых и промышленных сточных вод химическим способом.

5. Очистка бытовых и промышленных сточных вод биологическим способом.

6. Очистка бытовых и промышленных сточных вод термическим способом.

Лекция 6.