Основные методы очистки сточных вод

Условно можно выделить несколько групп мероприятий, применяемых для предотвращения загрязнения гидросферы: совершенствование технологии использования воды, сокращение ее потребления, очистка сточных вод,устройство на водозаборе водоохранных зон, применение обоснованной технологии использования минеральных удобрений, ядохимикатов. Очистка сточных вод - основной способ охраны вод от загрязнения - вынужденное и дорогостоящее мероприятие.

Методы очистки сточных вод можно разделить на две группы: деструктивные и регенеративные. В основе деструктивных методов лежат процессы разрушения загрязняющих веществ. Продукты распада удаляются из воды в виде газов, осадков или остаются в воде обезвреженными. Чаще всего это происходит при использовании естественных или искусственных окислительных процессов. Регенеративные методы - это не только очистка сточных вод, но и утилизация ценных веществ, содержащихся в сточных водах.

Также различают гидромеханические, химические, термические, электрохимические, физико-химические, биохимические методы очистки сточных вод.

Гидромеханические методы, применяют для извлечения из сточных вод нерастворимых грубодисперсных примесей путем отстаивания, процеживания, фильтрования, центрифугирования. С этой целью используют различные конструкции. Решетки и сита препятствуют попаданию крупных отходов в очистные сооружения. С помощью песколовки и отстойников из сточных вод выделяют частицы диаметром более 100 мкм (шлаки, песок, частицы органического происхождения). Для очистки сточных вод от механических примесей применяют гидроциклоны Под действием центробежных сил взвесь из сточных вод выделяется с большой скоростью, что позволяет в сотни раз уменьшить затраты на строительство очистных сооружений и их размеры по сравнению с отстойниками. Кроме того, обезвоживается осадок сточных вод. Недостатками являются большая энергоемкость и быстрый износ стенок аппарата.

Фильтрование обеспечивает удаление крупных (более 100 мкм) включений на первых стадиях очистки и их доочистку от микропримесей (5-10 мкм) - на последних стадиях. В качестве фильтрующих перегородок используются перфорированные листы, металлические сетки, ткань, пористая керамика и др. Размер задерживаемых частиц определяется размерами пор (отверстий) фильтрующего материала. В процессе фильтрования задерживаемые примеси накапливаются на поверхности фильтра или постепенно закупоривают поры. Регенерация фильтрующих материалов обеспечивается путем их промывки, продувки после снятия осадка. Разработано множество конструкций фильтров, в которых в качестве фильтрующего материала используются ткань и подобные материалы: барабанные и ленточные вакуум-фильтры, фильтр-прессы и др. Движущей силой процесса фильтрования в них является вакуум или вакуум и давление. Наиболее широко рассматриваемые фильтры используются в процессе обезвоживания осадка после отстойников.

Используются также засыпные фильтры, в которых функцию фильтрующей перегородки выполняет слой загрузки толщиной в несколько метров. Задержание частиц происходит в объеме фильтрующего материала. Регенерацию фильтров проводят путем промывки.

Разработаны конструкции фильтров с плавающей загрузкой, которая фракционируется (распределяется в группы по

величине частиц) по высоте фильтра по мере заполнения его водой, что обеспечивает формирование многослойного фильтра с размерами гранул от 0,25 мм в нижнем слое и до 10-15 мм - в верхнем. В качестве плавающей загрузки используется вспененный полистирол.

Основные методы химической очистки - нейтрализация, окисление, восстановление. Нейтрализация используется для доведения реакции кислых и щелочных сточных вод до "нейтральной" (рН = 6,5-8,5) с целью предупреждения коррозии оборудования, нарушения биохимических процессов при биологической очистке. Нейтрализацию производят путем смешения кислых и щелочных сточных вод; добавления реагентов (растворов кислот, соды, аммиачной воды и др.); фильтрования в фильтрах-нейтрализаторах, заполненных известью, магнезитом, доломитом и др.; дымовыми (кислотными) газами газообразных отходов теплоэнергетических установок (С0₂, S0₂, NOJ.

Химическое окисление сточных вод применяется, как правило, для обезвреживания токсичных примесей, которые невозможно извлечь из сточных вод другими известными методами, (цианиды, соединения мышьяка, меркаптаны, фенолы, нефтепродукты, ПАВ, пестициды и др.). Для этого используются различные окислители - газообразный хлор, хлорная известь, озон, кислород, перманганат калия, бихромат калия и др. Процесс очистки проводят в абсорберах, если используется газообразный окислитель, и в смесителях, контактных аппаратах, если реагенты находятся в растворенном состоянии.

Химическое восстановление применяют для очистки от легко растворимых соединений ртути, хрома, мышьяка. В качестве восстановителей используют диоксид серы, железный порошок, активированный уголь, отходы органических веществ и др. Восстановленный металл (например, ртуть) затем отделяется от воды методами отстаивания, фильтрования или флотацией.

Физико-химические методы очистки сточных вод многообразны. Это коагуляция, флотация, адсорбционная очистка, ионный обмен, экстракция, обратный осмос и ультрафильтрация, перегонка иректификация, кристаллизация.

Кристаллизация используется для выделения из водных растворов растворенных веществ в виде твердой фазы. Процесс осуществляется в кристаллизаторах путем уменьшения растворимости выделяемого вещества за счет снижения температуры раствора или удаления части растворителя. Отделение от исходного раствора и промывку осадка производят фильтрами и в центрифугах.

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты под действием сил молекулярного притяжения. К сточным водам добавляют вещества-коагулянты - соли алюминия и железа (сульфаты и хлориды), образующие гидроксиды и основные соли в виде коллоидных частиц, которые сорбируют хлопьевидной поверхностью взвешенные мелкодисперсные и коллоидные загрязнения, бактерии, ионы тяжелых металлов. Агрегаты отделяются от жидкой фазы осаждением. На коагуляцию влияет рН, анионный состав воды, температура, природа и концентрация коагулянта. Доза коагулянта составляет от 50 до 700 мг/л. Для интенсификации процесса добавляют флокулянты - специальные высокомолекулярные вещества, растворимые в воде (чаще синтетические - полиакриламид (ПАА)).

Флотация применяется для удаления из сточных вод нерастворимых примесей (смол, нефтепродуктов, гидрокси-дов, ПАВ и др.), которые плохо отстаиваются. Процесс заключается в слипании коллоидных и более крупных дисперсных примесей с пузырьками воздуха и всплывании их на поверхность с образованием пены, в которой концентрируются примеси. Степень очистки достигает 85-95 %.

Адсорбционный метод используется для глубокой очистки сточных вод от ПАВ, пестицидов, фенолов и др. Адсорбционный метод следует применять для извлечения ценных продуктов с целью их регенерации; удаления токсичных веществ, препятствующих биологической очистке; в системах оборотного водоснабжения. Эффективность очистки - 80-95%.

Экстракция -очистка сточных вод при относительно высоком содержании масел, фенолов, ионов металлов и других загрязнителей с помощью жидкого экстрагента - жидкости, не смешивающейся с водой, в которой извлекаемые компоненты растворяются лучше, чем в воде. В качестве экстрагентов используются простые и сложные эфиры, спирты, тетрахлорметан (СС1₄), бензол, толуол и др. Процесс очистки включает: смешение сточной воды с экстрагентом, разделение образующихся жидких фаз, регенерацию экстра-гента из экстракта и рафината. Экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент, рафинат - сточную воду и экстрагент. Экстракция позволяет получать высокую степень очистки (80-97%).

Ионный обмен применяется для глубокой очистки вод (в т. ч. повторно используемых в замкнутых системах водоснабжения) от ряда органических (фенолов, ПАВ и др.) и неорганических (цианидов, мышьяка, тяжелых металлов и др.) веществ. При этом методе очистки раствор взаимодействует с твердым веществом - ионитом, способным обменивать свои ионы на ионы вредных веществ.

Обратный осмос и улътрафильтрация заключаются в фильтровании под давлением, превышающим осмотическое, растворов в разделительной ячейке через полупроницаемые мембраны из пористого стекла, металлической фольги или полимерных материалов. Мембраны частично или полностью задерживают частицы (молекулы или ионы) растворенного вещества. При обратном осмосе размеры отделяющихся частиц не превышают размеры молекул растворителя, а при ультрафильтрации они на порядок больше, но не более 0,5 мкм. Обратный осмос широко используется для обессоливания воды в системах водоподготовки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), очистки городских и некоторых промышленных сточных вод, образующихся при металлообработке, нанесении гальванических покрытий (CN^-; _Сгз+ _Ni2+. _Cu2+. _Zn2_{+ и др} )

Термические методы очистки. Для очистки минерализованных сточных вод используют термическое концентрирование выпариванием в специальных выпарных или вымораживающих установках с последующей стадией выделения сухих веществ. Для очистки сточных вод применяют также термоокислительные методы, в которых помимо нагревания (выше 100 °С) используют окисление (например, сжигание) загрязнителей в присутствии катализатора или без него.

Биохимические методы очистки сточных вод применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания, превращая их в Н₂0, С0₂ и др. и увеличивая свою биомассу. Скорость биохимических превращений определяют белки-ферменты, выполняющие роль биокатализаторов. Биораз-лагаемость сточных вод характеризуется биохимическим показателем (БП), который определяется отношением БПК_п/ ХПК. Промышленные сточные воды имеют низкий БП (0,05-0,3), а бытовые - свыше 0,5.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных микроорганизмов, которым необходим постоянный приток кислорода и температура 20-40 "С. При аэробной очистке микроорганизмы (скопления бактерий, простейших, червей, плесневых грибов, дрожжей, личинок насекомых и др.) культивируются в активном иле (коллоиде, 40 % массы которого составляет отмершая часть организмов) или биопленке (слизистые обрастания толщиной 1-3 мм коричневого цвета). Аэробные процессы могут протекать как в естественных условиях, так и в искусственных сооружениях (биофильтры, аэротенки). Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары, через которые протекает смесь сточной воды и активного ила. Ил с небольшим содержанием тяжелых металлов можно сбраживать в метантенках.

Биофильтры - это сооружения, корпус которых вмещает пористые материалы с большой площадью поверхности (железобетон, гравий, керамзит и др.), покрытые биопленкой.

В естественных условиях биохимическая очистка осуществляется на полях фильтрации, в биологических прудах и др. Большое значение имеет почвенная биологическая очистка -минерализация под действием микроорганизмов и обеззараживание за счет освобождения от патогенной микрофлоры. Поля фильтрации - специальные земельные участки, которые используют для очистки сточных вод и на которых не возделывают сельскохозяйственные культуры.

Биологические пруды представляют собой искусственные водоемы площадью 0,5-1,0 га и глубиной 0,5-1,5 м, которые разбиваются на несколько секций. Вода поступает в них постепенно, по мере очистки. Различают пруды с естественной и искусственной аэрацией. Пруды с естественной аэрацией хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами. Очистка происходит за 7-60 сут. Пруды с искусственной аэрацией отличаются дополнительной искусственной подачей воздуха. При этом время очистки сокращается до 1-3-х сут. Благоприятное воздействие на процесс очистки оказывают водные растения (уруть, камыш, элодея и др.). Иногда в последних секциях прудов разводят рыбу (если отсутствуют токсичные вещества).

Анаэробные методы используются для предварительной очистки концентрированных сточных вод без доступа кислорода под действием анаэробных бактерий в процессах метанового брожения.

Метановое брожение осуществляется в метантенках (рис. 4.15) при температуре 30-35 °С или 52-55 °С с образованием биогазов с большой теплотворной способностью (23 МДж/кг), содержащих 63-66 % метана и используемых как энергоноситель. Осадок подвергают тепловой обработке и обезвоживают.

. Загрязнения удаляются в три этапа: первичная (механическая) очистка - для удаления крупных твердых отходов; вторичная (биохимическая) - для удаления растворенных органических веществ, после биохимической очистки показатель БПК сточных вод значительно сокращается (до 90 %); третичная - для удаления соединений азота и фосфора и остаточной органики. Затем воду хлорируют или озонируют для обеззараживания и сбрасывают в водоем. Применяют также увеличение расхода воды (разбавление) для повышения ассимилирующей способности водотока, аэрацию в водотоке.