Лекция №7. Физико-химическая очистка сточных вод

План лекции:

1. Коагуляция и флокуляция.

2. Сорбция.

3. Флотация.

4. Экстракция.

5. Ионный обмен.

Физико-химические методы играют существенную роль при обработке производственных сточных вод. Физико-химическая очистка сточных вод включает множество различных способов, которые могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, биологическими и химическими методами очистки. Она обеспечивает удаление как твердых взвешенных частиц, так и растворенных примесей. Рассмотрим основные методы физико-химической очистки.

1. Коагуляция и флокуляция.

Коагуляция (реагентный метод) – дестабилизация коллоидных систем загрязнений (процесс укрупнения дисперсных частиц за счет их взаимодействия и объединения в агрегаты). Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме жидкости.

Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспенизии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001 – 0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1 – 10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки из сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более. Мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются.

Для осаждения мельчайших взвешенных и коллоидных частиц к воде добавляют реагенты – раствор коагулянта (чаще всего применяют соли алюминия и железа - сернокислый алюминий Аl2(SО4)3 и хлор-

ное железо FeCl3, а также соли магния, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств). В результате реакции коагулянта с солями, содержащимися в воде, образуются хлопья, которые при осаждении увлекают за собой взвеси и коллоидные вещества. Хлопья затем удаляются отстаиванием из нижней части аппарата.

Приготовление и дозирование коагулянтов производят в виде растворов или суспензий. Растворение коагулянтов осуществляют в баках. Затем концентрированные расходы коагулянтов перемешивают с водой в специальных смесителях различного типа. В камерах хлопьеобразования происходит образование хлопьев коагулянта.

Для интенсификации образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа и снижения расхода коагулянтов используют флокулянты. Флокуляция – разновидность коагуляции, процесс агрегации дисперсных частиц под действием высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В процессе флокуляции мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием флокулянтов образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. В качестве флокулянтов используют природные и синтетические органические полимеры, чаще всего полиакриламид, а также крахмал, поливиниловый спирт, диоксид кремния.

Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности.

2. Сорбция.

Сорбция – это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью.

Различают три вида сорбции:

- абсорбция – поглощение вещества всей массой жидкого сорбента;

- адсорбция – поглощение вещества поверхностным слоемтвердого или жидкого сорбента;

- хемосорбция – сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом.

Сорбция представляет собой один из наиболее эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно и совместно с биологической очисткой. Преимуществами метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей, а также высокая эффективность очистки, особенно слабоконцентрированных сточных вод. Метод сорбции применяется для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ (фенол, мышьяк, сероводород) с их последующей утилизацией и использованием очищенных сточных вод в системах оборотного водоснабжения.

Сорбционная очистка рекомендуется для сточных вод, загрязненных ароматическими соединениями, слабыми электролитами или неэлектролитами, красителями, непредельными соединениями, гидрофобными алифатичесикми соединениями. Метод сорбционной очистки сточных вод не рекомендуется применять для выделения из сточных вод только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов.

Адсорбцию осуществляют следующими способами:

- к сточной воде добавляют сорбент в размельченном виде, полученную смесь перемешивают, затем отстаивают и фильтруют;

- сточные воды непрерывно пропускают через фильтр, загруженный сорбентом.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы:

активированные угли, цеолиты (алюмосиликаты), золу, шлак, коксовую мелочь, торф, опилки. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Пористость углей составляет 60 – 75%, а удельная площадь поверхности – 400 – 900 м2/г. Адсорбционные свойства активированных углей в значительной мере зависят от структуры пор, их величины, распределения по размерам. Макропоры и переходные поры играют, как правило, роль транспортирующих каналов, а сорбционная способность активированных углей определяется в основном микропористой структурой (микропоры имеют размер менее 0,004 мкм). Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3, кг/кг).

Адсорбция используется для глубокой очистки вод замкнутого водопотребления и доочистки сточных вод от органических веществ, в том числе и от биологически жестких. Аппараты для сорбционной очистки сточных вод классифицируются по разным признакам:

- по организации процесса – периодического и непрерывного действия;

- по гидродинамическому режиму – аппараты вытеснения, смешения и промежуточного типа;

- по состоянию слоя сорбента – с неподвижным, движущимся, пульсирующим, перемешиваемыми

циркулирующим слоем;

- по организации контакта взаимодействующих фаз – с непрерывным и ступенчатым контактом;

- по организации направления движения фаз – с прямоточным, противоточным и ступенчатым контактом;

- по конструкции – колонные и емкостные;

- по способу подвода энергии – без подвода энергии извне (гравитационное движение фаз) и с подводом энергии извне (принудительное движение твердой и жидкой фаз).

3. Флотация.

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно воздуха и жидкости. Флотация основана на всплывании дисперсных частиц вместе с пузырьками воздуха. Метод применяется для очистки сточных вод, содержащих ПАВ, нефть и нефтепродукты, жиры, масла, волокнистые частицы. Процесс очистки состоит в образовании комплексов «частицы – пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего загрязнения, и последующего удаления этого слоя с поверхности.

Существуют различные способы флотационной обработки производственных сточных вод.

А) Флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и эрлифтные флотационные установки). Сущность метода состоит в создании пересыщенного раствора воздуха в сточной воде, при выделении которого образуются макропузырьки, позволяющие удалять сильнодиспергированные загрязнения. Количество воздуха, выделяющегося из раствора и необходимого для обеспечения эффективной флотации, составляет 1 – 5% от объема обрабатываемой воды.

Вакуумная флотация используется для очистки сточных вод, если концентрация загрязнений в них не превышает 250 мг/л. Способ характеризуется достаточно низкими энергозатратами на проведение процесса флотации, а также высокой стабильностью всплывающих агрегатов «чатица – пузырек воздуха» (вероятность их разрушения минимальна). Недостатками способа кроме указанного выше ограничения по концентрации загрязнений в сточных водах является достаточно высокая сложность создания и эксплуатации вакуумных систем.

Б) Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с начальной концентрацией загрязнений 4 – 5 г/л и более. Очищенная вода насыщается в сатураторе воздухом под избыточным давлением 0,3 – 0,5 МПа. Продолжительность насыщения – 1 – 3 мин. Количество растворяющегося в сатураторе воздуха составляет 3 – 5% от объема обрабатываемой воды. Насыщенная воздухом вода направляется во флотационную камеру, где из нее выделяются пузырьки воздуха, которые взаимодействуют с загрязнителями и переводят их в слой пены на поверхности воды. Образующаяся пена удаляется в пеносборник. Продолжительность флотации составляет около 20 мин.

Напорная флотация позволяет регулировать степень пересыщения в соответствии с требуемой эффективностью очистки сточных вод. Флотаторы могут представлять собой отстойники радиального типа со встроенной флотационной камерой, имеющей механизм для сгребания пены.

В) Флотация с механическим диспергированием воздуха создается в импеллерных установках. В них интенсивное перемешивание сточной воды производится импеллером, расположенным на дне камеры, который диспергирует засасываемую струю воздуха на отдельные пузырьки определенного размера. Перемешанные в импеллере вода и воздух выбрасываются через статор. Решетки, расположенные вокруг статора, способствуют более мелкому диспергированию воздуха в воде. Пена, содержащая флотируемые частицы, удаляется лопастным пеноснимателем.

Г) Флотация с подачей воздуха через пористые материалы отличается простотой аппаратурного оформления и относительно малыми расходами энергии. Воздух во флотационную камеру подается через мелкопористые фильтросные пластины, трубы, насадки и другие барботажные устройства, уложенные на дне камеры. Величина отверстий находится в пределах 4 – 20 мкм, давление воздуха 0,1 – 0,2 МПа, продолжительность флотации 20 – 30 мин. Недостатком этого метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудность подбора мелкопористых материалов.

4. Экстракция.

Экстракция – метод избирательного растворения. Это процесс разделения примесей в смеси двух нерастворимых жидкостей (экстрагента и сточной воды). Метод применяется при высоком (не менее 3 г/л) содержании в сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (фенолы, масла, жирные кислоты), а также для выделения тяжелых цветных металлов.

В качестве экстрагентов используют углеводороды, спирты, водные растворы неорганических кислот и щелочей и др. Например, для выделения фенола сточную воду смешивают с бензолом (растворителем).

Процесс протекает в такой последовательности:

- в сточную воду вводят экстрагент;

- после достижения равновесия концентрация вещества в экстрагенте значительно превышает остаточную концентрацию в сточной воде;

- производят отделение и утилизацию загрязняющего вещества.

Экстрагент после этого вновь используется в технологическом процессе очистки. Для успешного протекания процесса экстракции экстрагент должен иметь следующие свойства:

- хорошую экстрагирующую способность (высокий коэффициент распределения);

- селективность (способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу);

- малую растворимость в воде;

- плотность, значительно отличающуюся от плотности воды;

- низкую степень токсичности, взрыво- и пожароопасности;

- низкую стоимость и др.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют противоточные многоступенчатые установки. В этих установках практически полностью используется емкость экстрагента. Различают горизонтальные, вертикальные и центробежные смесительно- отстойные экстракторы. Каждая ступень имеет смесительную и отстойную камеры. Смеситель представляет собой вертикальный цилиндр, имеющий сферическое днище и гладкую внутреннюю поверхность или отражательные перегородки на стенках. Более компактны смесительно-отстойные экстракторы ящичного типа.

5. Ионный обмен.

Ионный обмен является одним из основных способов умягчения, опреснения и обессоливания вод, а также способом рекуперации растворенных ионных компонентов. Ионный обмен (ионообменная сорбция) – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита). Это извлечение из сточных вод загрязнений с помощью ионитовых фильтров. Иониты подразделяются на природные и искусственные (синтетические). Они заполняются синтетической ионообменной смолой, цеолитами. Метод позволяет извлекать из сточных вод ценные примеси, такие как соединения мышьяка, фосфора, хром, ПАВ, радиоактивные вещества, тяжелые цветные металлы. Метод применяется для очистки сточных вод предприятий металлургической, химической, машиностроительной и других отраслей промышленности.

Сточные воды, содержащие катионы металлов, проходят через фильтры, при этом происходит обмен ионами, находящимися в растворе и на поверхности твердой фазы. Металлы задерживаются в фильтре.

Важнейшим свойством ионитов является их поглотительная способность. Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т. е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации. Различают ионообменные установки периодического и непрерывного действия. Установки периодического действия – это различные ионитные фильтры и колонны, а также устройства для перемещения жидкостей (насосы), емкости для хранения и контрольно-измерительная аппаратура.

По обмениваемому иону фильтры делят на катионитные, анионитные и фильтры смешанного действия, по технологическому применению – на фильтры различных ступеней. По способу проведения регенерации различают параллельно-точную, противоточную и ступенчатую регенерацию. Цикл работы периодических установок включает: ионный обмен, взрыхление слоя ионита, регенерацию ионита и его отмывку от регенерирующего раствора.

Установки для непрерывного ионообмена обладают более высокой производительностью, они более компактны и экономичны как по расходам реагентов, так и по энергозатратам.

Метод эффективен, экологичен, но не нашел широкого применения из-за дефицита ионообменных смол и необходимости регенерации ионитов.

Вопросы к самоконтролю:

1. Коагуляция и флокуляция.

2. Сорбция.

3. Флотация.

4. Экстракция.

5. Ионный обмен.

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.