Методы очистки сточных вод

В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокуляцию проводят для  интенсификации процесса образования  хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

При растворении в сточных  водах флокулянты могут находиться как в неионизированном, так и в ионизированном состоянии. Ионизированные флокулянты носят название растворимых полиэлектролитов. В зависимости от состава полярных групп флокулянты бывают:

- неионогенные - полимеры, содержащие неионогенные группы: ОН, -СО (крахмал, оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и др.);

- анионные - полимеры, содержащие анионные группы: -СООН, SO₃H, -OSO₃H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);

- катионные  - полимеры, содержащие катионные  группы: -NH₂,=NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина, ВА-2, ВА-102, ВА-212 и др.);

- амфотерные - полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы: полиакриламид, белки и др.

Скорость  и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются обычно 0,1-10 г/м , а в среднем 0,5-1,0 г/м .

Механизм  действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц; рециркуляции (образование, сетчатой структуры) молекул флокулянта; слипании коллоидных частиц за счет сил Ван-дер-Ваальса. При действии флокулянтов между коллоидными частицами образуются трехмерные структуры, способные к более быстрому и полному отделению от жидкой фазы. Причиной возникновения таких структур является адсорбция макромолекул флокулянта на нескольких частицах с образованием между ними полимерных мостиков. Коллоидные частицы заряжены отрицательно, что способствует процессу взаимной коагуляции с гидроксидом алюминия или железа. При добавлении активированного силиката увеличивается в 2-3 раза скорость осаждения и повышается эффект осветления.

Процесс очистки сточных вод методами коагуляции или флокуляции включает приготовление водных растворов коагулянтов и флокулянтов, их дозирование в обрабатываемую сточную воду, смешение со всем объемом воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из воды.

Растворение коагулянтов в воде осуществляется в растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом интенсивностью 4-5 дм/с на 1 м² площади колосниковой решетки. Применяются также баки с лопастными мешалками для растворения зернистых материалов и с пропеллерными мешалками для растворения кусковых материалов (размером не более 20 мм).

Из растворных баков растворы коагулянтов перекачивают в расходные баки, а оттуда дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций. Коагулянты вводят в обрабатываемую сточную воду обычно в виде 1-10%-ных растворов, а флокулянты - в виде 0.1-1%-ных растворов.

Коагулянты  смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях, продолжительность пребывания воды в которых составляет 1-2 мин. Применяют перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные смесители, а также механические смесители с пропеллерными или лопастными мешалками.

После смешения обрабатываемых сточных вод с коагулянтами начинается процесс образования хлопьев, который происходит в камерах хлопьеобразования. Эти камеры могут быть водоворотные, перегородчатые, вихревые, а также с механическим перемешиванием.

Очистка сточных  вод методом жидкостной экстракции. Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твёрдых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). В основе метода жидкостной экстракции лежит массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Для повышения скорости процесса исходный раствор (сточную воду) и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт – раствор извлекаемого компонента в экстрагенте, и рафинат – остаточно исходный раствор(очищенная сточная вода), из которого с той или иной степени полноты удалён экстрагируемый компонент.

Полученные  жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяют друг от друга отстаивание, центрифугированием или другим механическим способом. После этого производят извлечение экстрагируемого вещества из экстракта с целью возврата экстрагента в процесс экстракции путём реэкстракции другим растворителем, а также выпаривание, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

В процессе очистки  сточных вод от ионов тяжёлых  металлов методом жидкостной экстракции металлы переходят в органическую фазу, а за тем в результате реэкстракции – из органической фазы (экстракт) в водный раствор[27]. Таким образом достигается очистка сточных вод и концентрирование металла, то есть создаются условия для его регенерации (например, электролизом).

Органическая  фаза содержит экстрагент и органическую жидкость – растворитель экстрагента (керосин, бензол, хлороформ, толуол и т.д.). В качестве экстрагентов используют органические кислоты, эфиры, спирты и др., а реэкстрагентов – водные растворы неорганических кислот и оснований. Извлечение металлов из водной в органическую фазу проводят тремя способами [1]:

катионообменной экстракцией – то есть обменом  извлекаемого катиона металла на катион экстрагента;

анионообменной  экстракцией – то есть обменом  металлосодержащего аниона на анион  экстрагента;

координационной экстракцией, при которой образуется кардиационная связь молекулы или иона экстрагента непосредственно с атомом (ионом) реэкстрагируемого металалла.

Катионообменая  экстракция в общем виде описывается уравнением:

Me^z+_вод. + zHR_орг. = MeR_{z орг} + zH⁺ ,

где Me – металл валентностью z; R – кислотный остаток органической кислоты.

Наиболее  широко применяются следующие катионообменные  экстрагенты: алифатические кислоты типа RCOOH с числом углеродов атомов в радикале от 7 до 9 и нафтеновые кислоты, которые получают из сырой нефти.

Катиобменнае  экстракция может протекать по двум механизмам:

- с образованием  простых органических солей металлов,

- с образованием  внутрикомплексных соединений экстрагента  с ионами металлов.

В процессах анионообменной экстракции используют первичные, вторичные и третичные амины. При обработке кислотой соли аминов могут обменивать анион кислоты на металлосодержащие анионы. К нейтральным экстрагентам относятся спирты, кетоны, простые и сложные эфиры и др. При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов – наиболее ценной или токсичной, а затем, если это необходимо, другой и т.д.

Для очистки  сточных вод наиболее часто применяют  ступенчато-противоточный и непрерывно-противоточный  методы экстракции.

При ступенчато-противоточной  экстракции применяются установки, каждая ступень которых состоит из смесителя и сепаратора для отстойного разделения водной и органической жидкостей. Свежий экстрагент и сточная вода поступают из противоположных сторон и по ступеням перемещяются на встречу друг другу, так что на последней ступени почти чистая вода встречается со свежим экстрагентом, а неочищенная сточная вода контактирует с концентрированным раствором экстрагируемого вещества в экстрагенте. Разделение проводят в трёхкамерных отстойниках: смесь поступает в среднюю камеру, где она расслаивается. Лёгкая жидкость перетекает в боковую камеру по переточному патрубку в верхней части перегородки, тяжёлая – в другую боковую камеру через нижний переточный патрубок.

При непрерывных  противоточных экстракции применяют  колонны различных конструкций, в которых вода и экстрагент перемещаются на встречу друг другу и разделяются на выходе из колонны.

Процесс экстракции осуществляется в одном аппарате, при этом экстрагент выполняет роль не накопителя целевого продукта, а переносчика ионов из одной секции аппарата в другую, что требует меньшей разовой загрузки экстрагента и меньшей его концентрации. Экстракция производится в аппаратах различной конструкции: распылительных, насадочных, тарельчатых колонках, а также в центробежных экстракторах. Наиболее эффективны центробежные экстракторы, отличающиеся высокой производительностью и уникальными возможностями для разделения фаз.

Продолжительность прерывания воды в камере 15-20 мин.

Ионнообменная очистка. Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, кадмия и т.д.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений. Этот метод очистки позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды.

Ионный обмен  представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней, и другие ионы, присутствующие в растворе (сточной воде). Вещества, составляющие твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не растворимы в воде.

Ионный обмен  происходит в эквивалентных отношениях и в большинстве случаев является обратимым. Реакция ионного обмена протекает в следствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов (А и Б). В общем виде эти реакции можно представить следующим образом:

R_mB + mA = mRA + B.

Реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов: гидродинамического режима жидкости, концентрации обменивающихся ионов, структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов.

Иониты бывают неорганические и органические. Это  могут быть природные или синтетические вещества.

Иониты выпускают  в виде порошка, зёрен, волокнистого материала, листов и плиток. Крупно зернистые иониты предназначены для работы в фильтрах со слоями значительной высоты, порошкообразные - со слоями высотой 3-10 мм [1].

Ионообменные  смолы могут применяться как  в плотном неподвижном слое в  установках периодического действия, так и в псевдосжиженном или движущемся слое в аппаратах непрерывного действия.

Ионообменную  очистку сточных вод обычно осуществляют путём их последовательного фильтрования через катиониты и аниониты (иногда применяют иониты в солевой форме).

Принципиально возможны три варианта ионообменной очистки сточных вод гальванических производств:

- очистка  сточных вод, образующихся в  отдельных технологических процессах – локальная очистка;

- очистка  общего стока гальванического  цеха или участка;

- очистка  сточных вод, подвергнутых предварительному  обезвреживанию химических реагентов для удаления из них минеральных солей.

На рис. 4. представлена принципиальная схема очистки кисло-щелочных сточных вод ионообменным методом.

Ионообменный метод применим в основном для очистки сточных вод с общим солесодержанием до 3г/л. Увеличение солесодержания воды снижает экономичность способа из-за снижения продолжительности межрегенерационного цикла работы ионитов и повышение расхода химикатов на их регенерацию. Суммарная концентрация тяжёлых металлов колеблется в кисло-щелочных стоках от 0,5 до 1,5 г/л. Применение ионитов для очистки этих стоков позволяют возвратить в гальваническое производство около 90-95% очищаемых сточных вод, а также выделить для повторного использования тяжёлые металлы.

Рис.4. Принципиальная схема очистки  промывных и сточных вод ионообменным методом: 1-накопитель-усреднитель стоков, 2-насос, 3-механический фильтр, 4-сорбционный фильтр, 5-фильтры катионитовые, 6-фильтры анионитовые.

 

 

1.4. Электрохимические методы  

К электрохимическим  методам очистки сточных вод  относятся электрохимическое окисление и восстановление, электрокоагуляция, электрофлотация и электродиализ.

Флотацию  применяют для удаления из сточных  вод нерастворимых диспергированных (в том числе эмульгированных) примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например, ПАВ. Такой процесс называют пеной сепарацией или пенным концентрированием.

Процесс очистки  сточных вод от грубо- и мелкодисперсных  частиц флотацией заключается в образовании комплексов частица - пузырьки, всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося слоя с поверхности воды [24].

В соответствии с методами получения пузырьков воздуха (или любого другого газа) в воде существуют следующие способы флотационной очистки сточных вод:

1) флотация  пузырьками, образующимися путем  механического дробления воздуха (механическими турбинками-импеллерами, форсунками с помощью пористых пластин и каскадным методом);

2) флотация  пузырьками, образующимися из пересыщенных  растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);