Методы очистки сточных вод

Наиболее  часто сточные воды загрязнены минеральными кислотами:- серной H₂S0₄, азотной HN0₃, соляной НС1, а также их смесями. Значительно реже в сточных водах встречаются азотистая HN0_2; фосфорная Н₃Р0₄, сернистая H₂SO₃, сероводородная H₂S, плавиковая HF, хромовая Н₂Сг0₄ кислоты, а также органические кислоты: уксусная, пикриновая, салициловая и др.

Концентрация  кислот в сточных водах обычно не превышает 3%, но иногда достигает большей величины; например, в отдельных производствах органического синтеза содержание серной кислоты в сточных водах составляет 40% и более.

При химической очистке применяют следующие  способы нейтрализации:

а) взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;

б) нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная сода Na₂C0₃, каустическая сода NaOH, аммиачная вода NH4OH);

в) фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк СаСОз, доломит CaC0₃- MgC0₃, магнезит MgC0₃, обожженный магнезит MgO).

Выбор способа  нейтрализации зависит от многих факторов: вида концентрации кислот, загрязняющих производственные сточные воды, расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию, наличия реагентов и т. п. Нейтрализация смешением кислых сточных вод со щелочными. 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 дан или два раза в смену по мере того, как срабатывается щелочной раствор. В связи с этим для щелочных вод часто необходимо устранить регулирующий резервуар, объем которого должен быть достаточным, чтобы принять суточное количество щелочных вод. Из резервуара щелочные воды равномерно выпускают в камеру реакции, где в результате смешения их с кислыми водами происходит взаимная нейтрализация.

Нейтрализация сточных вод добавлением  реагентов. Если промышленных предприятиях имеются только кислые или только щелочные стоки, невозможно обеспечить взаимную нейтрализацию, применяют реагентный метод нейтрализации. Этот метод наиболее широк: используют для нейтрализации кислых сточных вод.

Выбор реагента для нейтрализации кислых стоков зависит от вида кислот и их концентрации, а также от растворимости солей, образующихся в результате химической реакции. Для нейтрализации минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но чаще всего известь в виде пушонки или известкового молока и карбоната кальция или магния в виде суспензии. Эти реагенты сравнительно дешевы и общедоступны, но имеют ряд недостатков: обязательнее устройство усреднителей перед нейтрализационной установкой, затруднительность регулирования дозы реагента по рН нейтрализованной воды, сложность реагентного хозяйства. Скорость реакции между раствором кислоты и твердыми частицами суспензии относитель-невелика и зависит от размеров частиц и растворимости образующегося в результате реакции нейтрализации соединения. Поэтому окончательная активная реакция в жидкой фазе устанавливается не сразу, а по истечении некоторого времени (10-15 мин).

При нейтрализации  производственных сточных вод, содержатьщих серную кислоту, реакция, в зависимости от применяемого реагента протекает по уравнениям:

H₂S0₄ + Са(ОН)₂ = CaS0₄ + 2Н₂0, 

 H₂S0₄ + СаСОз = CaS0₄ + 2Н₂0 + С0₂

Образующийся  в результате нейтрализации сульфат  кальция (гипс) кристаллизуется из разбавленных растворов в виде CaS0₄·H₂0. Растворимость этой соли при температурах 0-40 °С колеблется от 1,76 до 2,11 г/дм³. При более высокой концентрации сульфат кальция выпадает в осадок, поэтому при нейтрализации сильных кислот, кальциевые соли которых труднорастворимы в воде, необходимо устраивать отстойники-шламонакопители. Существенным недостатком метода нейтрализации серной кислоты известью является также образование пересыщенного раствора гипса (коэффициент пересыщения может достигать 4-6), выделение которого из воды может продолжаться несколько суток, что приводит к зарастанию трубопроводов и аппаратуры. Присутствие в сточных водах многих химических производств высокомолекулярных органических соединений усиливает устойчивость пересыщенных растворов гипса, поскольку эти соединения сорбируются на гранях кристаллов сульфата кальция и препятствуют их дальнейшему росту.

Процессы  реагентной нейтрализации производственных сточных вод осуществляются на нейтрализационных установках или станциях, основными элементами которых являются: песколовки; резервуары-усреднители; склады нейтрализующих реагентов; растворные баки для приготовления рабочих растворов реагентов; дозаторы рабочих растворов реагентов; смеситель сточных вод с реагентом; камеры реакции (нейтрализаторы); отстойники для нейтрализованных сточных вод; осадкоуплотнители (перед механическим обезвоживанием обратившихся осадков); сооружения для механического обезвоживания осадков, а при их отсутствии - шламовые площадки; места для складирования обезвоженных осадков; устройства химического контроля процессом нейтрализации.

Песколовки  предусматриваются при наличии в сточных водах тяжелых механических примесей. Резервуары-усреднители для кислых и щелочных сточных вод выполняются из материалов с антикоррозионной защитой. Их объем определяется в зависимости от графика притока сточных вод и колебаний концентраций кислоты или щелочи. При отсутствии таких графиков объем резервуаров определяется по технологическим данным. Поступающие в резервуары стоки перемешиваются воздухом. При наличии на предприятии одновременно кислых и щелочных стоков учитывается их взаимная нейтрализация.

Для перемешивания  реагента сточной водой применяют  гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителю, смешение реагентов с водой достигается за счет энергии потока воды В механических смесителях турбулентность потока усиливается мешалками различных типов.

Из смесителей сточные воды поступают в камеру реакции, где продолжительность контакта колеблется в пределах 5-30 мин.

Для отстаивания  получающейся в результате нейтрализации  осадков применяют отстойники, рассчитанные на пребывание в них сточной воды не менее 2 ч. После отстойников осадок обезвоживается на шламовых площадках с дренажем.

На рис.5 представлена принципиальная схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов [1]. При объемах сточных вод до 30 м³/ч обычно осуществляется периодическая схема очистки, а при больших- смешанная или непрерывная.

Рис. 5. Принципиальная схема реагентной очистки сточных  вод от ионов тяжелых металлов: 1-реактор-нейтрализатор кисло-щелочных стоков, 2-дозатор щелочного агента, 3-дозатор флокулянта, 4-дозатор расвора кислоты, 5-отстойник, 6-механический фильтр, 7-насос, 8-нейтрализатор очищенной воды.

Влажность осадка после отстойников составляет 98-99,5%. Для снижения влажности осадка осуществляется дополнительное отстаивание в шламоуплотнителе в течение 3-5 суток. Влажность осадка после шламоуплотнителя 95-97%. Осадок из шламоуплотнителя подается на узел обезвоживания (вакуум-фильтрация, фильтр-прессования или центрифугирования). Влажность осадка после вакуум-фильтра типа БОУ или БсхОУ составляет 80-85%, после центрифуги типа ОГШ – 72-79%, после фильтра-пресса типа ФПАКМ – 65-70%.

Ферритизация. В последнее время находит применение ферритный метод, как модификация реагентного метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с помощью железосодержащих реагентов.

Очистка сточных  вод методом ферритизации заключается  в сорбции примесей (в т.ч. ионов тяжелых металлов) гидроксидом железа (III), образование ферритов и последующей топохимической реакции захвата сорбированных веществ в кристаллической решеткой феррита [16]. Ферриты тяжелых цветных металлов (Ni, Cu, Zn и др.) в отличие от гидроксидов тех же металлов при обычной температуре практически нерастворимы не только в воде, но и в разбавленных водных растворах сильных минеральных кислот и едких щелочей.

Ферромагнетизм  и химическая инертность ферритов значительно  снижает экологическую опасность твердых отходов гальванического производства.

Основным  реагентом ферритизационной обработки  сточных вод служит гидрат сернокислого закисного железа FeSO₄*7H₂O, являющихся отходом производства двуокиси титана или травления стали.

Главными  преимуществами ферритной очистки  стоков являются:

- возможность  одновременного удаления различных  ионов тяжелых металлов в одну стадию;

- ионы тяжелых  металлов клатратируются в виде  кристаллических химически инертных продуктов;

- наряду с  растворенными тяжелыми металлами  эффективно удаляется диспергированные взвеси и эмульгированные загрязнения;

- процесс  не чувствителен к влиянию  других солей, которые могут  присутствовать в стоках в больших концентрациях.

Аппаратурное  оформление ферритной очистки отличается простотой [1], в основе го лежит принцип магнитного выделения ферритв с клатратированными загрязнениями (в т.ч. ионами тяжелых металлов). Главным рабочим узлом ферритной очистки является резервуар-накопитель, снабженный мешалкой и магнитными клапанами для спуска обработанной воды.

                                            1.3. Физико-химические методы  

Физико-химические методы играют значительную роль при  очистке производственных сточных вод.

Они применяются как  самостоятельно, так и в сочетании  с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди др. методов очистки возрастает.

К физико-химическим методам  очистки сточных вод относят  коагуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

Очистка сточных  вод коагуляцией. Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты - более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае - жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных - гетерокоагуляцией.

Методы коагуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц, их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала.

Для очистки производственных сточных вод применяют различные  минеральные коагулянты: сульфат алюминия, железный купорос, гидроксид железа, хлорид железа, хлорид магния, сульфат магния. Кроме названных коагулянтов для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед  солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды: большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава: способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.

При использовании смесей АI₂(SО₄)₃ и FeCI₃в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев.

Количество коагулянта, необходимое для осуществления  процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава и требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой  хлопья размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность - до 96-99.9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01-1,03т/м³. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1-4 кг/м³; объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10-20% объема обрабатываемой сточной воды. Значительный расход коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и последующего складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемых сточных вод не позволяют в большинстве случаев рекомендовать коагуляцию как метод самостоятельной очистки. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.

Очистка сточных  вод флокуляцией. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.