Очистка сточных вод

Для создания оборотных систем водоснабжения, достижения допустимой по нормам ПДС концентрации загрязнений промышленные сточные воды подвергаются очистке. Требуемое качество очистки достигается использованием механических, химических, физико-хими-ческих, биологических, термических методов.

Указанные методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные.

Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ.

При деструктивных методах вещества, загрязняющие воды, подвергаются разрушению путем окисления или восстановления. Продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Выбор метода очистки и конструктивное оформление процесса производятся с учетом следующих факторов:

q санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных вод с учетом дальнейшего их использования;

q количества сточных вод;

q наличия у предприятия необходимых энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, реагенты и т.д.), а также необходимой площади для сооружения очистных установок;

q требуемой эффективности процесса обезвреживания.

Очистка сточных вод от нерастворимых загрязнений (суспензий, эмульсий) может предусматривать:

1) удаление грубодисперсных примесей:

· отстаиванием;

· фильтрацией;

· флотацией;

· центробежным фильтрованием и отстаиванием;

2) удаление мелкодисперсных примесей:

· коагуляцией;

· флокуляцией;

· электрокоагуляцией;

· электрофлотацией.

Растворимые примеси выделяются из сточных вод следующими методами:

1) минеральные примеси:

· дистилляцией;

· ионным обменом;

· обратным осмосом;

· электродиализом;

· вымораживанием;

· реагентными методами;

2) органические примеси:

· экстракцией;

· ректификацией;

· адсорбцией;

· обратным осмосом и ультрафильтрацией;

· биохимическими методами;

· методами жидкофазного, парофазного, электрохимического и радиационного окисления;

3) растворенные газы:

· отводкой;

· нагревом;

· реагентными методами.

Для удаления и устранения как нерастворимых, так и растворимых примесей как вынужденная мера используются:

· закачка в скважины и в глубины морей;

· захоронение;

· термическое уничтожение.

Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители.

Простейшие песколовки - резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением глубиной до 1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с.

Отстойники по конструктивному исполнению делятся на горизонтальные, вертикальные, радиальные, трубчатые, с наклонными пластинами. Схема простейшего горизонтального отстойника показана на рис. 22.

Сточная 1 3 Очищенная вода

вода 2 1- входной лоток;

2- отстойная камера;

3- выходной лоток;

4 4- приямок.

Шлам

Рис. 22. Горизонтальный отстойник

Осветлители применяют для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют, в частности, осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускают воду, предварительно обработанную коагулянтом.

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено. Разделение производят при помощи пористых перегородок, пропускающих жидкость и задерживающих диспергированную фазу. Процесс идет под действием:

а) гидростатического давления столба жидкости;

б) повышенного давления перед перегородкой;

в) вакуума после перегородки.

Схема фильтровального устройства:

Р₁

Суспензия

Осадок

Фильтровальная

Р₂ перегородка

Фильтрат

Рис. 23. Распределение слоев жидкости в фильтре

Процесс фильтрации может осуществляться:

а) при постоянной разности давлений перед и после фильтровальной перегородки; при этом скорость процесса уменьшается в связи с увеличением сопротивления слоя осадка возрастающей толщины;

б) при постоянной скорости фильтрации; при этом вследствие увеличивающегося сопротивления слоя осадка увеличивается разность давлений до и после перегородки;

в) при переменных значениях скорости фильтрации и разности давлений.

В настоящее время применяются следующие фильтровальные аппараты:

1 - фильтры с перегородками из металлических перфорированных листов (сеток) или тканей;

2 - фильтры с зернистым слоем (медленные и скоростные);

3 - микрофильтры (с сетками с отверстиями диаметром от 40 до 70 мкм);

4 - магнитные фильтры для удаления мелких ферромагнитных частиц.

Простейший скоростной контактный фильтр выглядит следующим образом (рис. 24):

1 2

Промывная 3

вода

1- корпус;

Коагулянт 2- система удаления промыв-

6 ных вод;

Сточная 3- система подачи сточных

вода 5 вод;

4- система подачи промывных

Очищенная вода 4 вод;

5- пористый дренаж;

Промывная вода 6- фильтрующий материал.

Рис. 24. Схема скоростного контактного фильтра

Сточную воду подают внутрь фильтра, где она проходит через фильтрующий материал и дренаж и удаляется из фильтра. После засорения фильтрующего материала проводят его промывку подачей промывных вод снизу вверх.

Дренажное устройство выполняют из пористобетонных сборных плит. На нем размещают 2 - 4 слоя фильтрующего материала одного гранулометрического состава.

Общая высота слоя загрузки равняется 1,5 - 2 метрам. Скорость фильтрования 12...20 м/ч.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. Описание элементарного процесса давалось в главе 6. Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

а) с выделением воздуха из растворов (созданием пересыщенного раствора воздуха в сточной жидкости);

б) с механическим диспергированием воздуха в сточную воду (с помощью вращающихся у дна аппарата турбинок-импеллеров в виде дисков с обращенными вверх лопатками, на которые подается поток воздуха);

в) с подачей воздуха через пористые материалы (рис. 25).

Сточная вода в устройство, изображенное на рисунке 25, подается сверху, а воздух в виде пузырьков - через пористые колпачки. Образующаяся пена с твердыми частицами переливается в кольцевой желоб и удаляется из него. Осветленную воду выводят через регулятор уровня.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, селективность выделения примесей.

Шлам Очищенная вода

3 4

1 - флотационная камера;

Сточная 2 - пористые колпачки;

вода 3 - желоб;

4 - регулятор уровня

2

Рис. 25. Схема флотационной установки

Центробежное фильтрование осуществляется вращением суспензии в перфорированном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью. Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или с помощью специального ножевого съема. Центробежное фильтрование наиболее эффективно в тех случаях, когда требуется получить продукт с наименьшей влажностью и требуется промывка осадка.

Для обеспечения процесса используются фильтрующие центрифуги: периодического и непрерывного действия; горизонтальные, вертикальные и наклонные.

Центробежное отстаивание складывается из двух стадий:

а) осаждение твердых частиц на внутренних стенках вращающегося ротора;

б) уплотнение образовавшегося осадка.

Аппараты - отстойные центрифуги.

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц размером 1...100 мкм. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести.

Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Поскольку коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия (сульфат алюминия Al₂(SO4)₃·18H₂O), соли железа (сульфат железа, например, Fe₂(SO4)₃·2H₂O), или их смеси.

Флокуляция - это процесс укрупнения взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений (флокулянтов). В отличие от коагуляции при флокуляции укрупнение частиц происходит не только при непосредственном их контакте, но и в результате взаимодействия концентрирующихся на их поверхностях молекул флокулянта.

К природным флокулянтам относятся крахмал, эфиры, целлюлозы, активный диоксид кремния xSiO₂·yH₂O. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение имеет полиакриламид (ПАА).

Использование флокулянтов позволяет интенсифицировать процесс коагуляции.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий:

1) дозирование и смешение реагентов со сточной водой;

2) хлопьеобразование;

3) осаждение хлопьев.

Технологическая схема очистки сточных вод коагуляцией изображена на рис. 26.

Коагулянт

Вода 2 3 4

1

Сточная вода Очищенная

вода

Осадок

Рис. 26. Схема установки для очистки вод коагуляцией:

1 - емкость для приготовления раствора; 2 - дозатор;

3 - смеситель; 4 - камера хлопьеобразования; 5 - отстойник

Электрокоагуляция- коагуляция при прохождении сточной воды в электрическом поле через межэлектродное пространство. В этом случае проводится электролиз сточной воды с использованием растворимых стальных или алюминиевых анодов. Под действием электрического тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия. Встречаясь с гидроксильными группами, катионы образуют гидроксилы металлов в виде хлопьев, и начинается интенсивная коагуляция.

Достоинства метода: компактность установок и простота управления, отсутствие потребности в реагентах, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки. Недостатком является повышенный расход металла (на электродах) и электроэнергии.

NaCl для увеличения Н₂О

электропроводности +

сточной воды -

2 3

Сточная вода

4

1

Очищенная

5 вода

Осадок 6

Рис. 27. Схема электрокоагуляционной установки:

1 - усреднитель; 2 - блок для приготовления раствора;3 - источник постоянного тока;

4 - электрокоагулятор; 5 - отстойник; 6 - аппарат для обезвоживания осадка

Электрофлотация - очистка сточных вод от взвешенных частиц при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, на катоде - водорода.

Схема однокамерной электрофлотационной установки для небольшого расхода сточных вод имеет следующий вид (рис. 28):

Шлам

1 Очищенная 1- корпус;

вода 2- электроды.

Сточная вода 2

Осадок

Рис. 28. Схема электрофлотационной установки

Дистилляция- процесс испарения жидкости с ее поверхности. Он осуществляется при наличии близкорасположенных поверхностей испарения и конденсации. Молекулярнаядистилляция осуществляется при отсутствии кипения жидкости.

Ионный обменпредставляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойством обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Твердая фаза (ионит) практически нерастворима в воде.

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца и т.д.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Иониты выпускают в виде порошка (размер частиц 0,04...0,07 мм), зерен (0,3...2,0 мм), волокнистого материала, листов и плиток.

Рассмотрим режим работы ионообменной установки периодического действия (рис. 29).

Промывная вода Сточная вода

1 - колонна;

5 2 - решетка;

4 3 - слой ионита;

Раствор 4...6 - распределители;

3 7 - емкость с регенериру-

ющим раствором;

6 8 - насос.

2

8 7

1

Промывная вода Очищенная вода

Регенерирующий раствор

Рис. 29. Схема ионообменной установки

Сточная вода поступает внутрь аппарата 1, проходит слой ионита 3 и выходит через распределитель 6. Далее подают промывную воду, а затем регенерирующий раствор, восстанавливающий ионообменные свойства ионита.

Таким образом, цикл работы аппарата состоит из следующих стадий:

1) ионообмен;

2) отмывка ионита от механических примесей;

3) регенерация ионита;

4) отмывка ионита от регенерирующего раствора.

Обратный осмос и ультрафильтрация- процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя. При ультрафильтрации размеры отделяемых частиц могут быть на порядок больше.

1-насос высокого давления;

2-модуль обратного осмоса; Сточная вода

3-мембрана;

4-выпускной клапан 2 3 4

1 Концентрат

Очищенная вода

Рис. 30. Схема установки обратного осмоса:

Используя обратный осмос и ультрафильтрацию, можно концентрировать и разделять растворенные совместно в сточной воде органические и неорганические вещества, например, по схеме:

Сточная вода

Концентрат, содержащий

Ультрафильтрация органические вещества

Вода, содержащая

неорганические Концентрат, содержащий

вещества Обратный осмос неорганические вещества

Обессоленная вода

(в производство)

Рис. 31. Схема совместного использования обратного осмоса

и ультрафильтрации

В процессе ультрафильтрации отделяют органические вещества, а в процессе обратного осмоса получают концентрат неорганических веществ и чистую воду.

Электродиализ- процесс очистки сточных вод, основанный на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны проницаемых мембран.

Вымораживание - процесс, заключающийся в том, что при температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворенными в нем солями размещается в пространстве между этими кристаллами. Процесс проводят либо под вакуумом, либо с использованием специального хладагента (аммиак, СО₂, пропан, бутан и т.д.) при контактном вымораживании.

Реагентные методы очистки сточных вод связаны с расходом различных химических веществ, поэтому они отличаются высокой стоимостью. К ним относятся нейтрализация, окисление и восстановление.

Одним из самых перспективных методов очистки сточных вод в настоящее время является озонирование. Это единственный универсальный метод, позволяющий эффективно воздействовать на большое число загрязнителей естественного и искусственного происхождения с одновременным обеззараживанием. Озон подают в сточную воду в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной смеси. Чрезвычайно высокая окислительная способность озона позволяет окислять фенолы, нефтепродукты, сероводород, соединения мышьяка, ПАВ, цианиды, красители, канцерогенные ароматические углеводороды, пестициды и т.д. Блок-схема одноступенчатой установки для озонирования сточных вод показана на рис. 32.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий:

1 - интенсивное смешение сточной воды с органическим растворителем (экстрагентом), образование двух жидких фаз - экстракта (извлекаемое вещество + экстрагент) и рафината (сточная вода + экстрагент);

2 - разделение экстракта и рафината;

3 - регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

На рис. 33 представлена схема непрерывной экстракции с выделением (регенерацией) экстрагента из экстракта и рафината.

Воздух 1- смеситель;

2- насос;

5 3- реактор;

4- сборник;

5- озонаторная ус-

Реагенты тановка;

Сточная вода 3 6- блок очистки

отходящих газов;

1

5 4

Воздух Очищенная вода

Рис. 32. Схема озонаторной установки барботажного типа

Экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Она может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение.

Cточная вода

Очищенная 1 Рафинат 2 Экстракт Извлеченный

вода компонент

3

Рис. 33. Схема непрерывной экстракции

1 - система для удаления экстрагента из рафината; 2 - экстракционная колонна;

3 - система для удаления экстрагента из экстракта.

При содержании в сточной воде нескольких примесей сначала извлекают экстракцией один из компонентов - наиболее ценный или токсичный, а затем, если это необходимо, другой и т.д. При этом для каждого компонента используется свой экстрагент.

Ректификация- многократное испарение сточных вод в многоступенчатой установке, обеспечивающей контакт между жидкой и паровой фазами, движущимися относительно друг друга. При взаимодействии фаз между ними происходит массообмен и перераспределение компонентов.

Адсорбция - процесс поглощения вещества из раствора поверхностным слоем твердого тела-адсорбента. Молекулы растворенного вещества переходят из раствора на поверхность твердого адсорбента под действием силового поля поверхности. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, возможность рекуперации извлеченных веществ.

Наиболее универсальными адсорбентами для сточных вод являются активированные угли.

Процесс адсорбционной очистки сточных вод ведут:

а) при интенсивном перемешивании адсорбента с водой;

б) при фильтровании воды через слой адсорбента;

в) в псевдоожиженном слое адсорбента.

Схема процесса адсорбции:

Пар

Сточная

вода Очищенная

вода

4 5 6 7

1 2 3

Регенерат

Рис. 34. Блок-схема процесса адсорбции

1 - усреднитель; 2 - насос; 3 - фильтр; 4...6 - адсорбционные колонны;

7 - сборная емкость.

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических веществ. Процесс основан на способности некоторых микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности: органические вещества являются для микроорганизмов источником углерода.

Процессы биохимической очистки осуществляются либо в природных условиях, либо в искусственных сооружениях.

В естественных условиях очистка происходит:

а) на полях орошения;

б) на полях фильтрации;

в) в биологических прудах.

Поля орошения - специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно для очистки сточных вод и для агрокультурных целей. Очистка сточных вод в этих условиях происходит под действием почвенной микрофлоры, солнечной радиации, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений.

Если на полях не выращиваются сельскохозяйственные культуры и если они предназначены только для биологической очистки сточных вод, то они называются полями фильтрации.

Биологические пруды представляют собой каскад прудов, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или биологически очищенная сточная вода. Пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточной воды в комплексе с другими очистными сооружениями.

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах.

Аэротенки - железобетонные аэрируемые резервуары - открытые бассейны, оборудованные устройствами принудительной аэрации.

Биофильтры - это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая насадка (загрузка) и предусмотрены устройства для распределения сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов.

В качестве загрузки используются щебень, гравий, шлак, керамзит и т.п. материалы.

В некоторых случаях при пневматической аэрации сточных вод вместо воздуха используют технический кислород. Такие процессы проводят в закрытых аппаратах, которые называют окситенками.

В качестве первой ступени очистки промышленных сточных вод, содержащих органические вещества с очень высокими концентрациями, применяют анаэробный метод обезвреживания, осуществляемый в герметически закрытых резервуарах - метантенках.

Метод жидкофазного окисления основан на окислении органических веществ, растворенных в сточной воде, кислородом при температурах 100...350 ⁰С и давлениях 2...28 МПа.

Метод парофазного каталитического окисления заключается в окислении кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в промышленных сточных водах, в паровой фазе в присутствии катализатора (медно-хромового, цинк-хромового и др.).

В процессе электрохимического окисления вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием СО₂, NH₃ и воды, или образуются другие нетоксичные вещества. Процесс протекает на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока.

Присутствие в сточной воде растворенных газов затрудняет ее очистку, усиливает коррозию трубопроводов и аппаратуры. Растворенные газы из воды удаляют дегазацией, которую осуществляют аэрационными, термическими и химическими (реагентными) методами.

Термическое уничтожение примесейсточных вод как крайняя мера является наиболее эффективным и универсальным методом. Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы, нагретые до 900...1000 ⁰С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают. Содержащиеся в воде минеральные вещества образуют твердые оплавленные частицы, которые улавливают в пылеулавливающих аппаратах.