Методы и средства очистки воды

Образующиеся на промышленных предприятиях сточные воды (сточные воды, образующиеся в технологических процес­сах, сточные воды с загрязненной территории предприятия) должны перед сбросом в водоемы или городскую канализацию очищаться до нормативного качества. Требования к загрязнен­ности воды вредными веществами при сбросе в водоемы и кана­лизацию различны. При сбросе в канализацию и на городские очистные сооружения они менее жесткие. Содержание вредных веществ в сточных водах определяются установленными для предприятия предельно допустимыми сбросами.

Задача очистки вредных сбросов не менее, а даже более сложна и масштабна, чем очистки промышленных выбросов. В отличие от рассеивания выбросов в атмосфере разбавление и снижение концентраций вредных веществ в водоемах происхо­дит хуже. Поэтому требуется глубокая очистка сточных вод, тем более что водная экосистема очень ранима и чувствительна к за­грязнениям.

Защита водной среды от вредных сбросов осуществляется применением следующих методов и средств:

• рациональным размещением источников сбросов и орга­низацией водозабора и водоотвода;

• разбавлением вредных веществ в водоемах до допустимых концентраций путем организации специально организо­ванных и рассредоточенных выпусков;

• применением средств очистки стоков.

С целью стимулирования предприятий к качественной очи­стке собственных стоков целесообразно организовать водозабор на технологические нужды ниже по течению реки, нежели сброс сточных вод. Если для технологических нужд требуется чистая вода, предприятие будет вынуждено осуществлять высокоэффек­тивную очистку собственных стоков.

Рассредоточенные выпуски стоков осуществляют через тру­бы, проложенные поперек сечения русла реки, тем самым увели­чивая интенсивность перемешивания и кратность разбавления.

Методы очистки сточных вод можно подразделить на меха­нические, физико-химические и биологические.

Для очистки сточных вод от взвешенных частиц (механиче­ских частиц, частиц жиро- масло- и нефтепродуктов) применя­ют процеживание, отстаивание, обработку в поле центробежных сил, фильтрование и флотацию.

Процеживание применяют для удаления из сточной воды крупных и волокнистых включений. Процесс реализуют в верти­кальных и наклонных решетках, ширина прозоров которых 15...20 мм, и волокноуловителях в виде ленточных и барабанных сит. Очистка решеток и волокноулавителей осуществляется вручную или механически.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплытии) примесей с плотностью большей (меньшей) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках, жироуловителях.

Песколовки применяют для отделения частиц металла и песка размером более 250 мкм.

Отстойники применяют для гравитационного выделения из сточных вод более мелких взвешенных частиц или жировых ве­ществ.

Очистка сточных вод в поле центробежных сил реализуется в гидроциклонах. Механизм действия гидроциклонов аналогичен механизму действия газоочистных циклонов.

Фильтрование используют для очистки сточных вод от мел­кодисперсных примесей как на начальной, так и конечной ста­диях очистки. Наиболее часто используют зернистые фильтры из несвязанных или связанных (спеченных) между собой частиц фильтроматериала. В зернистых фильтрах в качестве фильтроматериала используют кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т. п.

Метод флотации заключается в адсорбировании примесей мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены, который удаляют.

Физико-химические методы очистки применяют для удаления из сточной воды растворимых примесей (солей тяжелых метал­лов, цианидов, фторидов и др.), а в ряде случаев и для удаления взвесей. Как правило, физико-химическим методам предшествует стадия очистки от взвешенных веществ. Применяются разнооб­разные физико-химические методы, из которых наиболее распро­странены электрофлотационные, коагуляционные, реагентные (разновидность реагентного метода — нейтрализация), электро­химические, электродиализные, ионообменные.

Электрофлотация находит широкое применение наряду с пневматической флотации для удаления маслопродуктов и мел­кодисперсных взвесей. Осуществляется путем пропускания через сточную воду электрического тока, между парами электродов (железных, стальных, алюминиевых). В результате электролиза воды образуются пузарьки газа, прежде всего легкого водорода, а также кислорода, которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию на поверхность. Электро­флотация осуществляется в электрофлотационных установках.

Коагуляция — это физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под дейст­вием сил молекулярного притяжения. В результате коагулирова­ния устраняется мутность воды. В качестве веществ-коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества, прежде всего суль­фат алюминия, а также неочищенный сернокислый глинозем, алюминат натрия, хлорное железо, сульфат железа и др., для ин­тенсификации процесса хлопьеобразования применяют синтети­ческие высокомолекулярные вещества-флокулянты, основным из которых является полиакриламид. Коагуляция осуществляет­ся посредством перемешивания воды с коагулянтами в хлопье-образующих камерах, откуда вода направляется в отстойники, где хлопья отделяются отстаиванием.

Сущность реагентного метода заключается в обработке сточ­ных вод химическими веществами-реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые соединения, уда­ляемые затем одним из описанных выше методов удаления взве­сей и осветления воды. Этот метод находит применение для очи­стки сточных вод от солей металлов, цианидов, хрома, фторидов и т. д. Например, для удаления цианидов используют различные реагенты-окислители, прежде всего содержащие активный хлор: хлорная известь, гипохлориты кальция или натрия, хлорная вода. Для очистки от шестивалентного хрома применяют на­триевые соли сернистой кислоты (Na₂SO₃, NaHSCh,), гидросуль­фит Na₂S₂O₅. Для очистки фторсодержащих сточных вод приме­няют гидроокиси кальция (известковое молоко), хлорид каль­ция. В результате химической реакции с токсичными соединениями фтора образуется плохорастворимый фторид кальция (CaF₂), который можно удалить из воды, например от­стаиванием.

Разновидностью реагентного метода является процесс ней­трализации сточных вод. Согласно действующим нормативным документам, сбросы сточных вод в системы канализации насе­ленных пунктов и в водные объекты допустимы только в случа­ях, если они характеризуются величиной рН = 6,5...8,5. В том случае, если рН сточных вод соответствует кислой (рН < 6,5) или щелочной (рН > 8,5) реакции, сточные воды подлежат ней­трализации, под которой понимают снижение концентрации в них свободных Н⁺ или ОН~-ионов до установленных в указан­ном интервале значений рН. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых в воде щелочных реа­гентов (оксида кальция, гидрооксида натрия, кальция, магния и др.). Нейтрализация щелочных стоков — добавлением минераль­ных кислот — серной, соляной и др. В процессе нейтрализации важно добавить ровно столько реагента, чтобы осуществить ней­трализацию, не изменив при этом показатель рН в противопо­ложную сторону. Т. к. кислые стоки чаще всего образуются в процессах гальванообработки, то они содержат ионы железа и тяжелых металлов. Поэтому при нейтрализации таких стоков од­новременно идет процесс превращения ионов металлов в труд­норастворимые гидрооксиды, выпадающие в осадок. Реагентная очистка осуществляется в емкостях, снабженных устройствами перемешивания.

Сущность ионообменной очистки сточных вод заключается в пропускании сточных вод через ионообменные смолы, которые различаются на катионитовые — имеющие подвижные и способные к обмену катионы (чаще всего водорода Н⁺), и анионитовые — имеющие подвижные и способные к обмену анионы (чаше всего гидроксильную группу ОН"). При прохождении сточной воды подвижные ионы смолы заменяются на ионы со­ответствующего знака токсичных примесей. Например, катион тяжелого металла заменяет катион водорода, а токсичный анион соли металла — анион ОН", происходит сорбирование токсич­ных ионов смолой. Регенерация (восстановление сорбирующей способности при насыщении смолы токсичными ионами) осу­ществляется промывкой кислотой (катионитовая смола) или ще­лочью (анионитовая смола). При этом токсичные ионы замеща­ются соответствующими катионами или ионами (Н⁺, ОН"), а токсичные примеси выделяются в концентрированном виде как щелочные или кислые стоки, которые взаимно нейтрализуются и подвергаются реагентной очистке или утилизации.

В электрокоагуляционных установках может быть реализо­ван метод электрохимической очистки сточных вод. Таким ме­тодом можно очищать от ионов тяжелых металлов, цианидов. При электролизе железный (стальной) анод растворяется с об­разованием двухвалентных катионов железа Fe²⁺, который вос­станавливает очень токсичный шестивалентный хром до менее токсичного трехвалентного. В результате электрохимических процессов на катоде происходит также восстановление шести­валентного хрома до двухвалентного. Последний, так же как ионы железа, реагирует с гидрооксильной группой ОН" с обра­зованием нерастворимых гидроокисей хрома и железа [Сг(ОН)₃ Fe(OH)₂], которые затем удаляются как взвеси, например от­стаиванием.

Электродиализный метод очистки используют для удаления из малоконцентрированных сточных минеральных солей (в том числе солей тяжелых металлов), а также при переработке высо­коконцентрированных сточных вод (отработанных технологиче­ских растворов) с целью выделения из них ценных продуктов для последующего использования. Электродиализом называют процесс переноса ионов через мембрану под действием прило­женного к ней электрического поля. Для очистки сточных вод используют электрохимически активные ионитовые мембраны. Наиболее распространены гетерогенные ионитовые мембраны, представляющие собой тонкие пленки, изготовленные из раз­мельченной в порошок ионообменной смолы. В зависимости от того, из какой смолы сделана мембрана, различают катионитовые и анионитовые мембраны. Первые способны пропус­кать через себя лишь катионы вредных примесей, а вторые — анионы.

Суть процесса электродиализа ясна из представленной на рис. 3.92 схемы элекродиализного опреснения воды. Процесс осуществляется в многокамерных аппаратах, в которых плоские мембраны расположены параллельно. Обессоливаемая вода по­ступает в четные камеры, а через нечетные циркулирует рассол. Под действием электрического поля катионы двигаются к катоду (отрицательному электроду I), а анионы — к аноду II. Из нечет­ных камер ни анионы, ни катионы в соседние камеры не прони­кают, т. к. на пути их движения расположены препятствия в виде непроницаемых для катионов анионитовых мембран со стороны катода и непроницаемых для анионов катионитовых мембран со стороны анода. В результате соли переносятся током из четных камер в нечетные, вода в четных камерах опресняется, а в нечетных рассольных камерах концентрируются отделяемые соли. В настоящее время распространены электродиализные ус­тановки типа ЭДУ, имеющие от 100 до 300 камер.

Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные ор­ганические соединения в качестве источника питания в процес­сах своей жизнедеятельности. При этом органические соедине­ния окисляются до воды и углекислого газа. Биологическим пу­тем очищаются многие виды органических соединений городских и производственных сточных вод. Бактерии находятся в активном иле, представляющем собой темно-коричневую или черную жид­кую массу, обладающую землистым запахом. С биологической точки зрения активный ил — это скопление аэробных бактерий в виде зоогелей. Кроме микробов в иле могут присутствовать про­стейшие (в аэротенках), в биопленке (биофильтры) — черви, ли­чинки насекомых, водные клещи. При очистке многих видов сточных вод используют бактерии рода Pseudomonas — грамотри-цательные палочки.

Биологическую очистку ведут или в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или в специальных сооружениях: аэротенках, биофильтрах. Аэротенки представляют собой открытые резервуары с системой коридоров, через которые медленно протекают сточные воды, смешанные с активным илом. Эффект биологической очистки обеспечивается постоянным перемешиванием сточных вод с активным илом и непрерывной подачей воздуха через систему аэрации аэротенка. Активный ил затем отделяется от воды в отстойниках и вновь направляется в аэротенк. Биологический фильтр — это очистное сооружение, заполненное загрузочным материалом, через кото­рый фильтруется сточная вода и на поверхности которого разви­вается биологическая пленка, состоящая из прикрепленных форм микроорганизмов.

Крупные промышленные предприятия имеют различные производства (механообрабатывающее, гальваническое, литей­ное, окрасочное, кузнечное и т. д.), которые дают различный состав загрязнения сточных вод. Поэтому водоочистные соору­жения таких предприятий выполнены следующим образом. От­дельные производства имеют свои локальные очистные соору­жения, аппаратурное обеспечение которых учитывает специфи­ку загрязнения и полностью или частично удаляет их, затем все локальные стоки направляются в емкости-усреднители, а из них в централизованную систему, где производится дальнейшая очистка стоков до достижения концентрации вредных веществ уровня предельно допустимых значений, установленных для предприятия. Возможны и иные варианты системы водоочист­ки в зависимости от конкретных условий на предприятии.

Как видно, методов и средств аппаратного обеспечения очи­стки сточных вод много и они разнообразны, причем очистка от одного и того же загрязнения может быть обеспечена различны­ми методами, выбор которого зависит от опыта разработчика, эксплуатационных, финансовых и других требований и возмож­ностей.