ОЧИЩЕННЯ СТІЧНИХ ВОД

Для виконання всіх зазначених вище вимог стічні води перед скиданням у водойми слід очищати. Всі методи очищення поділяють на три основні групи – механічні й механохімічні, хімічні й фізико-хімічні та біохімічні (див. схему на с. 106).

Систематизація забруднювальних домішок на основі їх дисперсного стану та фізико-хімічних властивостей дає змогу згрупувати всі способи очищення також у чотири групи, як і власне домішки. Вихідні положення цього принципу можна сформулювати так: 1) фазово-дисперсний стан домішок води зумовлює їх поведінку в процесі очищення; 2) кожному фазово-дисперсному стану забруднювальних домішок відповідає сукупність методів, що дає змогу досягти необхідних якісних показників очищеної води шляхом зміни цього стану або без зміни його.

В основу технології очищення води від домішок кожної групи закладені процеси, що відбуваються під дією сил, які найефективніше впливають на дану дисперсну систему. Так, для видалення гетерофазних домішок першої групи рекомендують такі процеси: механічне розділення в гравітаційному полі або під дією відцентрових сил, а також фільтрування крізь пористі завантаження й дрібну сітку; адгезія на високодисперсних і зернистих матеріалах, а також гідроксидах алюмінію або феруму і глинистих мінералах; агрегація флокулянтами; флотація домішок тощо; для патогенних організмів – бактерицидна дія. При цьому комплекс очисних споруд включає відстоювання, фільтрування, мікропроціджування, центрифугування та безреагентну флотацію.

Відстоювання використовують для вилучення зі стічних вод завислих грубодисперсних домішок, наприклад глинистих часточок, концентрацією до 500 мг/л, які можуть мати кольоровість 50 град. Для цього використовують відстійники різних конструкцій: вертикальні, горизонтальні та радіальні. Великі горизонтальні відстійники будують із залізобетону завдовжки до 36 м, завширшки від 6 до 18 м і завглибшки до 5 м. Радіальні відстійники (рис. 7.1) мають діаметр від 18 до 60 м і глибину до 6 м. Тривалість відстоювання становить близько 1,5 год. Горизонтальні відстійники застосовують у разі витрати стічних вод, що становить до 20 тис. м³ на добу, радіальні – понад 20 тис. м³.

Для видалення завислих забруднювальних речовин концентрацією до 50 мг/л, які мають кольоровість до 50 град, використовують повільні фільтри. Попередні фільтри застосовують для видалення завислих домішок концентрацією до 1000 мг/л і кольоровістю до 50 град. Планктон за вмісту понад 1000 кл/см³ і зависі видаляють за допомогою мікрофільтрів. Для видалення грубодисперсних домішок застосовують безперервно діючі центрифуги та гідроциклони. Спливанням очищають стічні води від нафтопродуктів у нафтовловлювачах, від жиру – в жировловлювачах. З цією метою можна також використовувати флотатори і пристрої для диспергування повітря, флотацію із застосуванням реагентів.

Фільтруванням називають процес розділення неоднорідних систем (суспензій) за допомогою пористих перегородок і шарів, які затримують одну (тверду) фазу цих систем і пропускають іншу (рідку). Апарат, у якому здійснюють цей процес, називають фільтром. По різні боки перегородки створюють різницю тиску, під дією якої здійснюється транспортування рідини крізь перегородку і затримання осаду на ній. Цей процес розділення суспензій називають фільтруванням із затриманням осаду. В тому разі, якщо тверді часточки проникають у пори фільтрувальної перегородки, затримуючись у них і утворюючи осад, називають фільтруванням із закупорюванням пор.

Під час фільтрування стічних вод, що містять завислі речовини, крізь шар допоміжних матеріалів (пісок, діатоміт, деревне борошно та ін.) завислі речовини можуть відкладатися на поверхні фільтрувального шару (плівкове фільтрування) або в порах фільтрувального шару, а також можливе одночасне утворення плівки та відкладання завислих речовин у порах завантаження (рис. 7.2). Залежно від швидкості фільтрування зернисті фільтри поділяють на повільні (0,1-0,2 м/год), швидкі (5,5-15 м/год) і надшвидкі (понад 25 м/год). За розміром зерен розрізняють фільтри дрібнозернисті (повільні фільтри з розміром зерен верхнього шару піску 0,5- 0,8 мм) і крупнозернисті (попередні фільтри з розміром верхнього шару піску 1-2 мм). Фільтри, завантажені однорідним шаром фільтрувального матеріалу, називають одношаровими. Фільтри, завантаженні неоднорідним за щільністю й розміром зерен фільтрувальним матеріалом, називають багатошаровими.

Флотація ґрунтується на різній змочуваності мінералів (домішок) водою. Суть процесу полягає в специфічній взаємодії завислих речовин з бульбашками тонкодиспергованого у воді повітря з наступним утворенням на поверхні води шару піни з вилученими домішками. Оптимальні розміри домішок становлять 10~⁵-10~³ м. Тонкодисперсні часточки розміром менш як 5-10 мкм флотуються дуже важко, тому їх необхідно попередньо укрупняти, наприклад, за допомогою коагуляції або флокуляції. Флотаційне очищення стічних вод здійснюють в апаратах двох типів, які відрізняються способом диспергування повітря: турбіною насосного типу (рис. 7.3) і напірною флотацією з добавлянням коагулянту. В установках першого типу повітря розпилюється біля дна. Бульбашки спливають і виносять із собою домішки забруднень. Піну із забрудненнями знімають з поверхні. В установках напірного типу аерація води здійснюється під тиском. Флотацією очищають стічні води від твердих завислих речовин, нафтопродуктів, масел та інших емульгованих речовин, а також від окремих йонів розчинених речовин.

Адгезію на високодисперсних і зернистих матеріалах, а також на гідроксидах алюмінію й феруму застосовують під час фільтрування крізь намивний шар допоміжної речовини для видалення зі стічних вод тонко-дисперсних завислих сполук феруму й мангану (за потреби глибокого їх видалення). Для цього використовують діатомітові та інші намивні фільтри. Завислі речовини з вмістом до 150 мг/л і кольоровістю до 150 град видаляють фільтруванням з використанням явища контактної коагуляції та застосуванням установок для приготування й дозування розчинів реагентів, контактних прояснювачів або контактних фільтрів.

Патогенні бактерії та спори видаляють обробкою високодисперсними глинистими мінералами з наступним відстоюванням та фільтруванням. Для здійснення цих процесів застосовують установки для приготування і дозування суспензії глинистих мінералів, змішувачі, відстійники та фільтри. Під час обробки води коагулянтами з наступним видаленням зависей відстоюванням і фільтруванням очищають стічні води з необмеженою кількістю й кольоровістю завислих речовин, а також від патогенних бактерій і спор. Для цього використовують установки для приготування й дозування розчинів реагентів, змішувачі, камери утворення пластівців, прояснювачі або відстійники та фільтри.

Агрегацію за допомогою флокулянтів використовують для обробки води коагулянтами із застосуванням флокулянтів з подальшим відстоюванням та фільтруванням. При цьому очищають води з необмеженим вмістом завислих речовин і кольоровістю в обладнанні, описаному вище.

Рис. 7.3. Схема механічної флотаційної машини з відцентровим імпелером:

1 – імпелер; 2 – вал; З – обсадна труба

Видалення домішок другої групи (колоїдно-розчинні, високомолекулярні речовини тощо) здійснюють із застосуванням діалізу, ультрафільтрації, окиснення хлором і озоном, коагуляції колоїдних домішок, адсорбції на гідроксидах алюмінію або феруму, на високодисперсних глинистих матеріалах, а також електрофорезу та електродіалізу. Для видалення завислих колоїдно-дисперсних речовин застосовують ультрафільтрацію крізь крупнопористі мембрани. При видаленні колоїдних і високомолекулярних сполук, що зумовлюють окиснюваність і кольоровість води (35- 200 град), а також забруднення її вірусами, здійснюють окиснення хлором, озоном та іншими сполуками із застосуванням хлораторних і озонаторних установок.

Коагуляцію застосовують для видалення зі стічних вод найдрібніших колоїднодисперсних глинистих часточок, білкових речовин та інших високомолекулярних сполук. Коагуляцію здійснюють шляхом введення в очищувану воду незначної кількості електролітів – Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ та деяких інших сполук, які називають коагулянтами. Фізико-хімічна суть цього процесу в спрощеному вигляді полягає в тому, що коагулянт, гідролізуючись, утворює позитивно заряджені аквагідроксокомплекси алюмінію і феруму, які адсорбуються на поверхні від'ємно заряджених колоїдних домішок і нейтралізують їхній заряд. Чим більший заряд аквагідроксокомплексів, утворених під час гідролізу коагулянтів, тим менші їх витрати на коагуляцію. В результаті збільшення розмірів часточок під час адсорбції вони осідають у відстійниках під дією сили гравітації. Одночасно йде процес адсорбції на поверхні осаду домішок органічних забарвлених речовин, внаслідок чого вода знебарвлюється.

Адсорбцію застосовують переважно для видалення з води органічних сполук. Цей метод, як правило, використовують у комбінації з іншими, зокрема для початкового виділення грубодисперсних домішок механічними методами і коагуляцією. Потім молекулярно-розчинені домішки органічних речовин видаляють шляхом адсорбції на активованому вугіллі, яке крім речовин, що погіршують смак і запах води, сорбує також гербіциди, інсектициди, віруси тощо. Відпрацьоване активоване вугілля регенерують відгонкою адсорбованих домішок парою, якщо вони використовуються, або деструктивною регенерацією, якщо адсорбовані домішки знешкоджуються.

Застосування принципу завислого (киплячого) шару адсорбенту для сорбції забруднювальних органічних речовин дає змогу вирішити завдання безперервної заміни адсорбенту в установці (рис. 7.4), спрощує регенерацію відпрацьованого вугілля. Крім того, при цьому можна запобігти замулюванню шару адсорбенту і застосовувати дрібні фракції активованого вугілля (0,2-0,5 мм), що дає змогу значно скоротити час досягнення адсорбційної рівноваги. Адсорбцію можна здійснювати як в одному адсорбері, так і в блоці з двох або трьох послідовно з'єднаних апаратів.

Рис. 7.4. Схема адсорбера із завислим (киплячим) шаром активованого вугілля:

1 – виносний вуглеущільнювач; 2 – центральна труба для подавання води на очищення; 3 – кільцева труба для виведення забруднень; 4 – розподільні ґратки; 5 – дифузор

Процес дифузії крізь пористу перегородку під дією градієнта концентрації солі з розчину з більшою в розчин з меншою концентрацією називають діалізом. Щоб здійснити перенесення йонів з менш концентрованого в більш концентрований розчин, тобто проти градієнта концентрації, потрібно прикласти різницю потенціалів. Електродіаліз – це перенесення йонів електроліту крізь селективні йонообмінні мембрани під дією постійного електричного струму. Швидкість перенесення визначається силою електричного струму.

Електродіалізний апарат (рис. 7.5) почергово розділяється на камери аніоно- і катіонообмінни-ми мембранами. Відстань між ними становить 0,5-1,5 мм. Крізь йонообмінні мембрани мігрують аніони, крізь катіонообмінні – катіони. Останні переміщуються в напрямку електричного струму, тоді як аніони – в протилежному напрямку, тобто катіони рухаються до катода, а аніони – до анода. В одній камері здійснюється знесолювання розчину, в іншій – його концентрування. В промислових апаратах між електродами вміщують 250-500 комірок, які складаються з розсольних і дилюатних камер. На кінцях апарата розміщені електроди, на які подають постійний електричний струм.

Виділення з води молекулярно-розчинних домішок і газів, що належать за фазово-дисперсним станом до третьої групи, здійснюють десорбцією газів і відгонкою летких органічних сполук (феноли та ін.) у процесі аерації з використанням розбризкувальних басейнів, аераторів і дегазаторів різних типів. Для цього використовують також евапорацію паро-циркуляційним методом або азеотропну відгонку. Доочищення від гідрогенсульфіду (0,3-0,5 мг/л) після аерації, а також від летких органічних сполук у разі низької ефективності хлорування на вуглецювання здійснюють окисненням із застосуванням хлору, озону, перманганату калію та інших окисників. За допомогою окиснення озоном можна очистити стічну воду від тетраетилсвинцю за наявності каталізатора – силікагелю.

Видалення фенолів та інших органічних сполук із стічних вод здійснюють за допомогою екстракції. Екстракція ґрунтується на неоднаковому розподілі компонентів розчину між двома фазами, які утворюються при застосуванні органічної речовини – екстрагента (триетиламін, діетилметиламін, дипропіламін та ін.). Схема очищення води амінами наведена на рис. 7.6. Процес відбувається в протитечійному екстракційному апараті 7, де солона вода контактує з розчинником, який переміщується згори вниз. Екстракт, що містить прісну воду, спрямовується через систему теплообмінників 2 і нагрівник 3 у сепаратор гравітаційного типу 4, де в результаті підвищення температури і зміни розчинності відбувається розділення фаз. Відокремлений розчинник через теплообмінник 2 і холодильник 7 повертається в цикл, а опріснена вода і рафінад із залишками амінів прямують на вилучення розчинника в десорбційні апарати 5 і 6.

Ефективним методом видалення органічних домішок з води є біохімічний. Методи біологічного очищення ґрунтуються на застосуванні різних мікроорганізмів. Розрізняють аеробний процес, який здійснюється за наявності кисню, і анаеробний – без доступу кисню. Анаеробне очищення застосовують як перший ступінь для підготовки до наступного аеробного очищення стічних вод з високою концентрацією органічних забруднень.

Рис. 7.5. Схема багатокамерного електродіалізатора:

В – камери для води; Р – камери для розсолу; 1 – анод; 2 – катод; З – аніоноактивна мембрана; 4 – катіоноактивна мембрана

Біологічне аеробне очищення здійснюють у біофільтрах, аеротенках, на зрошувальних полях та в біологічних ставках. Біофільтри будують у вигляді залізобетонних резервуарів діаметром до ЗО м і заввишки: низькі – 1,5-2 м, високі – 2-4 м і баштові – 10-20 м. На дірчасте днище резервуара накладають щебінь, гальку, керамзит або ґратчасті блоки з пластмаси. На поверхні укладених матеріалів поселяють мікроорганізми, які живляться органічними домішками стічних вод. Мікроорганізми перетворюють органічні речовини на неорганічні (переважно на вуглекислий газ і воду або метан, аміак та ін.). Біофільтри доцільно застосовувати в районах з теплим кліматам для стічних вод з БСК не більш як 400- 500 мг О₂/л.

Аеротенки являють собою резервуари завдовжки до 100 м і більше, завширшки до 10 м і завглибшки до 5 м. В аеротенки постійно нагнітають повітря. Стічні води очищають методом «чистих культур» або за допомогою активного мулу. «Чиста культура» – це вирощені популяції мікроорганізмів, які живляться певними речовинами (наприклад, фенолом, роданідами і ціанідами з концентрацією до 100 мг/л і більше). Активний мул – це співтовариство різноманітних бактерій, які живляться органічними домішками стічних вод. У мулі залежно від виду виробництва розвиваються певні групи мікроорганізмів . Проте певна частина їх є спільною для всіх видів мулу: завжди присутні неспороносні бактерії роду псевдомонас, сарцини, а також інші бактерії й мікрококи. Для очищення стічних вод харчових виробництв використовують також різні водорості, нафтохімічної промисловості – мікроорганізми з роду нокардія і культури дріжджів. Приріст активного мулу періодично виводять з апарата і після знезаражувальної обробки його можна використовувати як добриво.

Поля зрошення, поля фільтрації та біологічні ставки належать до ґрунтових методів біологічного очищення. На полях зрошення одночасно з очищенням стічних вод вирощують різні культури рослин. Якщо на ділянках не вирощують рослини, а тільки очищають стічні води, їх називають полями фільтрації. Цей спосіб знайшов обмежене застосування, оскільки потребує рівні ділянки ґрунтів з доброю фільтрувальною здатністю.

Біологічні ставки облаштовують каскадом по 3-5 водойм завглибшки 1-1,5 м. Оскільки процеси біологічного очищення відбуваються повільно, вода в ставках має перебувати не менш як 20 діб. Біологічні ставки частіше використовують після попереднього очищення іншими методами, як буфер перед водоймою, в яку скидають очищену воду.

До четвертої групи забруднювальних домішок належать електроліти, що становлять гомогенні системи. Для їх видалення з води застосовують гіперфільтрацію (зворотний осмос), трансформацію йонів у малорозчинні та малодисоційовані сполуки, сепарацію йонів при різних фазових станах води, фіксацію йонів на твердій фазі йонітів (йонний обмін), електродіаліз та вилучення йонів металів мікробами.

Процес розділення розчинів, що полягає у фільтруванні рідини крізь напівпроникні мембрани, які пропускають розчинник (воду) і затримують розчинені речовини (гідратовані йони та молекули органічних сполук), називають зворотним осмосом. Фільтрування води під тиском, вищим за осмотичний, крізь непроникні для йонів мембрани застосовують для стічних вод із вмістом солей 20-35 г/л. Схема утворення зворотного осмосу зображена на рис. 7.7. Осмотичний тиск розчинів навіть у разі невисокої мінералізації досить значний. Так, для морської води з вмістом солі 3,5 % він становить 2,5 МПа. Робочий тиск в установках для опріснення визначається вмістом солей у розчинах і для морської води його підтримують у межах 4-5 МПа.

Трансформацію йонів у малорозчинні сполуки шляхом утворення гідроксидів, карбонатів або летких сполук використовують у хімічних методах очищення. За допомогою хімічних методів здійснюють пом'якшення води з видаленням солей твердості содово-вапняковим та фосфатним методами, видалення кольорових і важких металів, силіцію, заліза, мангану та ін.

За допомогою електролізу із стічних вод вилучають кольорові, благородні та інші метали (мідь, цинк, нікель, хром, золото, срібло тощо). Електролітичний метод очищення застосовують також для видалення ціанистих і хромовмісних сполук. Ціанисті сполуки окиснюються на аноді, а потім гідролізуються до карбонатів і амонію. Хромовмісні сполуки відновлюються до хромітів з утворенням нерозчинного осаду хроміту феруму або до хрому (III), який осаджують лугом у вигляді гідроксиду хрому (III).

Йонообмінний метод полягає у видаленні зі стічних вод йонів розчинених солей за допомогою йонітів, здатних обмінювати свої йони на йони, що містяться у воді. Розрізняють процеси катіонного і аніонного обміну. Відповідно йоніти називають катіонітами та аніонітами. Як катіоніти застосовують сульфовугілля або високомолекулярні смоли, що містять активні групи з йонами Н⁺ чи NH₄⁺. Схема Na-катіонітового фільтра зображена на рис. 7.8. Катіонітові фільтри випускають різних діаметрів і з різною висотою завантаження катіонітів, які розраховані на робочий тиск 0,6 МПа і робочу температуру до 60 °С.

Рис. 7.8. Схема Na-катіонітового фільтра:

1 – корпус; 2 – збірна лійка; З – шар катіоніту; 4 – колектор і дренажні труби

В основі катіонного процесу пом'якшення води лежать реакції обміну йонів натрію і водню – катіонів на йони Са²⁺ і Mg²⁺ – солей твердості, розчинених у воді. Обмін йонів натрію називають Na-катіону-ванням, а йонів гідрогену – Н-катіонуванням:

Na₂[Kaт] + Ca(HCO₃)₂ D Са[Кат] + 2NaHCO₃;

Na₂[Kaт] + MgSO₄ D Mg[Kaт] + Na₂SO₄;

Н₂[Кат] + MgCl₂ D Mg[Kaт] + 2HC1;

Н₂[Кат] + Na₂SO₄ D Na₂[Kaт] + H₂SO₄.

Так само видаляють з води йони інших металів.

Аніоніти – високомолекулярні речовини, що містять активні групи з аніонами ОН^-, або . Пропускаючи крізь шар аніоніту воду, заздалегідь звільнену від катіонів, видаляють з неї аніони:

[Ан]ОН + НСl D[Ан]Сl + Н₂О;

2[Ан]ОН + H₂SO₄ D[Aн]₂SO₄ + 2Н₂О.

З наведених реакцій випливає, що йонообмінний спосіб може забезпечити пом'якшення і знесолювання води, тобто повне видалення з води солей. Реакції йонообміну обернені і для відновлення обмінної здатності йонітів здійснюють процес їх регенерації. Регенерацію Na-катіонітів здійснюють за допомогою розчинів мінеральних кислот. Аніоніти регенерують розчинами лугів, гідрогенкарбонату або карбонату натрію.