Лекция № 6. Химическая очистка воды.

План лекции:

1. Нейтрализация сточных вод.

2. Окислительный метод очистки сточных вод:

2.1. хлорирование;

2.2. озонирование;

2.3. ультрафиолетовое облучение.

3. Восстановительный метод очистки сточных вод.

Химическую и физико-химическую очистку обычно применяют для производственных сточных вод на локальных канализационных очистных сооружениях предприятий. При локальной очистке производственных сточных вод в большинстве случаев предпочтение отдается химическим методам.  Химическую очистку применяют в случаях, когда выделение примесей возможно только в результате химической реакции между примесью и реагентом.

Химическая очистка производственных сточных вод может применяться:

- как самостоятельный метод перед их подачей в систему оборотного водоснабжения;

- перед спуском их в водоем или в городскую водоотводящую сеть;

- для предварительной очистки сточных вод перед биологической или физико-химической очисткой;

- в качестве метода глубокой очистки сточных вод с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения из них различных компонентов.

К основным химическим способам очистки относятся нейтрализация, окисление, восстановление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка.

1. Нейтрализация сточных вод. 

Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных вод, содержащих кислоты и щелочи. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять из этих вод.

Нейтрализацию осуществляют в следующих целях:

- для предотвращения коррозии материалов канализационных сетей и очистных сооружений;

- во избежание нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и в водоемах;

- для осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов.

Практически нейтральными считаются смеси с рН = 6,5 – 8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации необходимо сточные воды с рН менее 6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водоема, а также щелочной резерв городских сточных вод.

Наибольшую опасность представляют кислые стоки, которые к тому же встречаются значительно чаще, чем щелочные. Чаще всего сточные воды загрязнены минеральными кислотами: серной, соляной, азотной, а также их смесями. Обычно концентрация кислот в сточных водах не превышает 3%, но встречаются и более концентрированные смеси.

Существуют следующие способы нейтрализации сточных вод.

1) Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод.  Режимы сброса сточных вод, содержащих кислоту и отработанную щелочь, как правило, различны. Кислые воды обычно сбрасываются в канализацию равномерно в течение суток и имеют постоянную концентрацию. Щелочные воды сбрасываются периодически по мере того, как сбрасывается щелочной раствор. В связи с этим для щелочных вод часто необходимо устраивать регулирующий резервуар. Из резервуара эти воды равномерно выпускают в камеру реакции, где в результате смешения их с кислыми сточными водами происходит взаимная нейтрализация. Данный метод широко используют на предприятиях химической промышленности.

2) Нейтрализация реагентами (используется гашеная Са(ОН)₂ и негашеная СаО известь, кальцинированная Nа₂СО₃ и каустическая NаОН сода). Известь для нейтрализации применяют в виде известкового молока 5%-й концентрации или в виде порошка. Реагентный метод применяют в случае, если на промышленных предприятиях имеются только кислые или только щелочные сточные воды, либо если невозможно обеспечить взаимную нейтрализацию.

Этот метод наиболее широко используют для нейтрализации кислых вод. Поскольку в кислых и щелочных производственных сточных водах практически всегда присутствуют ионы металлов, то дозу реагента определяют с учетом выделения в осадок солей тяжелых металлов. Процессы реагентной нейтрализации производственных сточных вод осуществляются на нейтрализационных установках или станциях.

Время контакта сточных вод и реагента должно быть не менее 5 мин. Для кислых сточных вод, содержащих растворенные ионы тяжелых металлов, это время должно быть не менее 30 мин.

3) Нейтрализация кислых сточных вод путем фильтрования через нейтрализующие материалы (известь, известняк, мел, магнезит, доломит). Нейтрализацию соляно-, азотно-, а также сернокислых сточных вод при концентрации серной кислоты не более 1,5 г/л осуществляют на непрерывно действующих фильтрах с вертикальным движением нейтрализуемых вод. При концентрации кислоты более 1,5 г/л количество образующегося сульфата кальция превышает его растворимость (2 г/л), и он начинает выпадать в осадок, в результате чего нейтрализация прекращается.

Применение таких фильтров возможно при условии отсутствия в кислых сточных водах растворенных солей тяжелых металлов, поскольку при рН >7 они будут выпадать в осадок в виде труднорастворимых соединений, которые полностью забивают поры фильтра.

Основные параметры процесса нейтрализации:

- крупность фракций материала загрузки - 3 … 8 см;

- расчетная скорость фильтрования зависит от вида загрузочного материала, но не более 5 м/ч;

- продолжительность контакта не менее 10 мин.

4) Нейтрализация щелочных сточных вод дымовыми газами. Применение для нейтрализации сточных вод отходящих газов, содержащих диоксиды углерода, серы и азота и другие кислые газы, позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно осуществлять высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов. Нейтрализация производится в колонной абсорбционной аппаратуре.

Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов:

- вида и концентрации кислот в производственных сточных водах;

- расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию;

- наличия реагентов, местных условий и т.п.

На рис. 1 показан нейтрализатор щелочных сточных вод дымовыми газами.

2. Окислительный метод очистки сточных вод. 

Окислительный метод применяется при водоподготовке и для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсические примеси (цианиды, фенолы), а также для извлечения из сточных вод веществ, которые нельзя или нецелесообразно извлекать другими методами.

Метод применяется в следующих отраслях промышленности:

- машиностроительной (в цехах гальванических покрытий);

- горнодобывающей (на обогатительных фабриках);

- нефтехимической (на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах);

- целлюлозно-бумажной и других.

Обеззараживание является заключительным этапом обработки городских сточных вод. Выпуск в водные объекты даже биологически очищенных сточных вод неизбежно связан с угрозой внесения в них патогенных бактерий и вирусов – возбудителей кишечных инфекций. Из практики очистки сточных вод известно, что при первичном отстаивании количество бактерий группы кишечной палочки сокращается на 30 – 40%, а после вторичных отстойников – на 90 – 95%. Следовательно, для полного освобождения сточных вод от патогенных бактерий и вирусов необходимо применение специальных методов обеззараживания.

Для обеззараживания (дезинфекции) сточных вод применяют хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое облучение. Реагентами (окислителями) являются хлор, озон, технический кислород и кислород воздуха.

2.1. Хлорирование.

Хлорирование является наиболее распространенным методом обеззараживания и имеет высокую эффективность в отношении патогенных бактерий. В качестве обеззараживающего агента используют газообразный хлор и его производные (хлорная известь, гипохлорит кальция и натрия, хлорная известь, диоксид хлора).

Хлорирование применяют также для удаления из сточных вод фенолов, цианидов, сероводорода и других соединений, для борьбы с биологическими обрастаниями сооружений. Хлор поступает на производство в жидком виде с содержанием не менее 99,5%.

Хлорноватистая кислота НСlО обладает такой же окислительной способностью, как и хлор. Однако ее окислительные свойства проявляются только в кислой среде.  Кроме того, хлорноватистая кислота является нестабильным продуктом – со временем и на свету она разлагается.

Широкое применение получили соли хлорноватистой кислоты. Гипохлорит кальция Са(СlО)₂ выпускается трех сортов с концентрацией активного хлора от 32 до 35%. Наиболее устойчива соль гипохлорита натрия NаОСl*5Н₂О.

Оксид хлора (IV) СlО₂ – газ зеленовато-желтого цвета, хорошо растворим в воде, сильный окислитель. При взаимодействии его с водой не протекают реакции хлорирования, что исключает образование хлорорганических веществ. В последнее время проводятся широкие разработки по выяснению условий замены хлора на оксид хлора в качестве окислителя. На ряде российских заводов внедрены передовые технологии с использованием оксида хлора.

У метода хлорирования сточных вод есть серьезные недостатки, а также гигиенические и экологические ограничения.

А) Продолжительное время контакта хлора с водой для достижения обеззараживающего эффекта и высокие исходные концентрации активного хлора. Хлор, добавленный к сточной воде, должен быть тщательно перемешан с ней, а затем находиться в контакте со сточной водой не менее чем 30 минут, после чего количество остаточного хлора должно быть не менее 1,5 мг/л.  Для достижения этой величины исходная доза активного хлора составляет, в соответствии с требованиями СНиП, десятки мг/л.

Для снижения Coli-форм на 99,9% требуются следующие дозы хлора, мг/л:

- после механической очистки – 10;

- после химической очистки – 3 – 10;

- после полной и неполной биологической очистки – 3 и 5;

- после фильтрования на песчаных фильтрах – 2 – 5.

Установка для хлорирования газообразным хлором имеет хлораторную, смеситель, контактные резервуары. 

Б) Отсутствие необходимой эпидемической безопасности в отношении вирусов при дозе остаточного хлора 1,5 мг/л.

В) Высокая степень токсичности хлора. Хлор является высокотоксичным газом, с ним достаточно трудно работать.

Г) высокая взрывоопасность складов жидкого хлора.

Д) Образование в природной воде при контакте с хлором хлорорганических соединений в токсичных для биоты водного объекта и человека концентрациях. При попадании в воду происходит гидролиз хлора с образованием соляной кислоты. Биологически очищенные городские сточные воды, имеющие уровень БПК 15 – 20 мг/л, несут достаточное количество органических соединений различных классов, способных к окислению. С некоторыми органическими веществами, которые присутствуют в растворе, хлор может вступать в реакции хлорирования.

В результате образуются вторичные хлорорганические продукты, которые обладают высокой степенью токсичности, мутагенностью и канцерогенностью, способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и в конечном счете попадать в организм человека.  Это вызывает необходимость дехлорирования сточной воды перед выпуском в водоемы. Поэтому в последнее время наблюдается тенденция к отказу от обеззараживания воды хлором и применение альтернативных методов.

2.2. Озонирование.

Озонирование применяется для очистки сточных вод от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др., а также для обесцвечивания и обеззараживания питьевой воды, устранения запахов и привкусов.

Озон является одним из самых сильных окислителей. Его получают в генераторах из кислорода воздуха под воздействием электрического разряда. Для окисления озоновоздушную смесь вводят в воду, в которой озон диссоциирует. Озон является дезинфицирующим веществом, его используют для нормализации микробиологического состава воды.

К преимуществам метода озонирования относятся:

А) Озон обладает высокой бактерицидной активностью и обеспечивает надежное обеззараживание воды даже по отношению к спорообразующим бактериям. Благодаря сильной окислительной способности озон разрушает клеточные мембраны и стенки. Обработка сточных вод озоном на заключительном этапе позволяет получить более высокую степень очистки и обезвредить различные токсичные соединения.

Б) Озон не образует в воде соединений, подобных хлорорганическим. После осуществления реакции с использованием озона образуется кислород, и вода не загрязняется побочными веществами.

В) Озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта. При обработке воды озоном патогенные микроорганизмы погибают в тысячи раз быстрее, чем при ее хлорировании.

Однако широкое внедрение озонирования в практику обработки воды сдерживает его высокая стоимость и энергоемкость процесса получения озона. Не следует исключать и опасность негативного воздействияозона на организм человека.

2.3. Ультрафиолетовое облучение.

Ультрафиолетовое облучение успешно внедряется в практику обеззараживания сточных вод в последние 10 лет. Первая установка была создана в 1982 г. в Канаде. В России установки начали применять с 1991 г. С 2000 г. действуют установки на Зеленоградской станции аэрации (Московская область), городских очистных сооружениях канализации Самары, Тольятти и др. городов.

Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами относится к физическим (безреагентным) методам. При этом используют бактерицидные ртутно-кварцевые лампы высокого или низкого давления.

К достоинствам метода можно отнести:

А) Широкий спектр антимикробного действия. Ультрафиолетовые лучи оказывают выраженное биоцидное действие в отношении различных микроорганизмов, включая бактерии, вирусы и грибы. УФ-облучение действует не только на бактериальную флору, но и бактериальные споры.

Б) Отсутствие опасности передозировки. Данный способ не требует введения в воду химических реагентов. Бактерицидный эффект ультрафиолетовых лучей не сопровождается образованием опасных продуктов трансформации химических веществ в воде.

В) Незначительное время контакта ультрафиолетовых лучей со сточными водами (относится к технологическим достоинствам метода). Бактерицидное облучение действует почти мгновенно и, следовательно, вода, прошедшая через установку, может сразу же поступать в водоем.

Г) Ускорение процесса окисления примесей в промышленных стоках в 100 – 10000 раз.

Д) Отсутствие токсического влияния на водные организмы.

Е) Сохранение органолептических свойств воды.

Однако должная гигиеническая эффективность и надежность обеззараживания обеспечиваются лишь при определенном качестве сточных вод.

Процесс очистки может быть существенно ускорен при совместном применении озона и ультрафиолетового облучения сточных вод.

3. Восстановительный метод очистки сточных вод.

Восстановительный метод применяют для очистки сточных вод от соединений металлов (ртути, хрома, мышьяка, меди), нитритов, нитратов, сульфатов и др. Для каждого вещества используется свой методвосстановления и соответствующие реагенты – восстановители. В настоящее время имеется большое разнообразие методов восстановления.

Вопросы к самоконтролю:

1. Нейтрализация сточных вод.

2. Окислительный метод очистки сточных вод.

3. Хлорирование.

4. Озонирование.

5. Ультрафиолетовое облучение.

6. Восстановительный метод очистки сточных вод.

Список литературы

а) основная

Мамонтова Р.П.Санитарная гидротехника. Москва: Моркнига, 2012. - 496 с.

Демидова А.Г. Основы санитарной гидротехники: Учебное пособие для студентов вузов.-Калининград: КТИРПХ, -1988, 76 с.

б) дополнительная

Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод/ учебник для вузов: М.:-Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006.- 704 с.

Калицун В.И. Основы водоснабжения и канализации. Учебное пособие для техникумов. Изд. 2-е перераб. и дополн. Москва: Стройиздат, 1977.

Николадзе Г.И. Водоснабжение. Учебное пособие для техникумов. Изд. 3-е перер. и доп.- М.:Стройиздат.- 1989.- 596 с.