Очистка воды

Химические  методы связаны с расходом различных  реагентов и потому достаточно дороги. Их применяют для удаления растворимых  веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда для дополнительной очистки сточных вод до или  после биологической очистки. С  помощью химической очистки наиболее часто удаляют ионы тяжелых металлов.

К основным методам  химической очистки относят нейтрализацию  и окисление.

Нейтрализация - обработка воды щелочами или кислотами, известью, содой, аммиаком и т.п. с целью обеспечения заданной величины водородного показателя рН. Применяется во многих отраслях промышленности. Самый простой возможный способ нейтрализации сточных вод - смешение кислых и щелочных стоков на предприятии. На практике также применяются такие способы, как нейтрализация сточных вод реагентами (растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, кальцинированная сода, аммиак и др.), а также фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, доломит, магнезит, мел и др.). Наиболее дешевым и доступным реагентом является Са (ОН)₂.

Окисление - метод очистки стоков, основанный на применении различных окислителей: газообразного и сжиженного хлора, диоксида хлора, гипохлората кальция и натрия, хлорной извести, кислорода воздуха и технического кислорода. Метод используется для обезвреживания стоков, содержащих токсичные соединения (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод или очищать другими методами: стоки участков гальванических покрытий в машиностроении и приборостроении, стоки производств свинцово-цинковых и медных руд в горнодобывающей промышленности, стоки цехов варки целлюлозы в целлюлозобумажной промышленности и т.д.

В процессе окисления  токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций становятся менее  токсичными и затем удаляются  из воды. Очистка окислителями связана  с большим расходом реагентов, поэтому  ее применяют только тогда, когда  загрязняющие вещества, например цианиды, растворенные соединения мышьяка и  др., нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами.

Окисление активным хлором - один из наиболее распространенных способов очистки стоков от ядовитых цианидов, сероводорода, гидросульфида, метилмеркаптана (рис.21). Окисление цианидов активным хлором до цианатов происходит за счет атомарного кислорода по схеме:

СN ^- +ОСl^- → СNО^- + Сl^- (2.4)

Образовавшиеся  цианаты легко гидрализуются  до карбонатов:

СNО^- + 2 Н₂О → СО₃^2- + N Н₄⁺ (2.5 )

Товарный хлорат кальция содержит до 33% «активного»  хлора, а гипохлорит кальция - до 60%.

Рис.21. Схема  установки для очистки сточных  вод активным хлором: 
1 - баллон с хлором, 2 - фильтр, 3 - редуктор, 4 - ротаметр, 5 и 6 - манометры,  
7 - предохранительный клапан, 8 - смеситель, 9 - эжектор, 10 - контактный аппарат.

Окисление кислородом воздуха наиболее часто используют для очистки воды от двухвалентного железа путем аэрирования воздуха через сточную воду. Реакция протекает по схеме:

4 Fe²⁺ + О₂ + 2 Н₂ О = 4 Fe^{3 +} + 4 ОН^- ,

Fe^{3 +} +3 Н₂О = Fe (ОН)₃ + 3 Н⁺ (2.6)

Образовавшийся гидроксид  железа отстаивают в контактном резервуаре, а затем отфильтровывают.

Озонирование основано на высокой окислительной способности озона, который при нормальной температуре разрушает многие органические компоненты сточных вод. При этом одновременно происходят обесцвечивание и обеззараживание сточной воды, а также насыщение ее кислородом (рис. 22).

Длительность процесса очистки сточных вод значительно  сокращается при совместном использовании  ультразвука и озона или ультрафиолетового  облучения и озона.

Рис. 22. Схема установки  для очистки сточных вод методом  озонирования: 
1 - смеситель, 2 - насос, 3 - барботажный адсорбер, 4 - сборник,  
5 - озонаторная установка, 6 - аппарат для очистки отходящих газов.

 

 

Очистку восстановлением используют тогда, когда сточные воды содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко употребительны для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. Так, для восстановления ртути и ее соединений предложено применять сульфид железа, боргидрид и гидросульфит натрия, гидразин, железный порошок, алюминиевую пудру и другие.

 

 

Классификация сточных  вод      

 Загрязнение водных источников  включает в себя любые изменения  физических, химических, биологических  свойств воды в водных объектах, обусловленных сбросом в них  твердых, жидких и газообразных  веществ, причиняющих или создающих  проблемы, делающих воду опасной  для потребления, нанося ущерб  деятельности человека, здоровью  человека и экологической безопасности  населения.  
Загрязнения поверхностных водоемов и грунтовых вод можно классифицировать следующим образом:      

• Механические - увеличение содержания механических примесей, относящееся в основном к поверхностным видам загрязнений,      
• Химические - присутствие в воде неорганических и органических веществ токсичного и нетоксичного действия,      
• Биологические и бактериологические - присутствие в воде разнообразных патогенных бактерий, грибов и водорослей,      
• Тепловые - сброс в водоемы нагретых вод ТЭЦ и АЭС,      
• Радиоактивные - наличие радиоактивных веществ в поверхностных или грунтовых водах.

 

       Основными  источниками загрязнений водных  объектов являются недостаточно  очищенные стоки производственных  предприятий и коммунальных объектов, животно- и птицеводческих фабрик, твердые отходы, образующиеся при  разработке полезных ископаемых, сточные воды горнодобывающих  шахт, сточные воды, образующиеся  при обработке и сплаве леса; сточные воды железнодорожного  и водного видов транспорта, техногенные  отходы металлургических предприятий.  
       Загрязняющие вещества, попадая в водные объекты, вызывают качественные изменения, которые проявляются в изменении физических и химических свойств воды (появление запаха, неприятного привкуса и пр.).  
       Промышленные сточные воды как правило загрязнены выбросами и отходами производства. Качественный количественный и состав данных сточных вод различен и зависит от отрасли промышленности и производственных процессов. По составу стоки подразделяют на три основных класса, содержащих:      

• Неорганические загрязнения, включая токсичные,      
• Органические загрязнения,      
• Неорганические и органические загрязнения.

 

       К  первому типу относятся сточные  воды содовых, сульфатных, азотных  предприятий, обогатительных заводаов  марганцевых, свинцовых, никелевых,  цинковых, руд, в которых содержатся  кислоты, щелочи, катионы тяжелых  металлов и пр. Сточные воды  этого типа как правило изменяют  физические свойства воды. 
       Сточные воды второго типа сбрасываются НПЗ и нефтехимическими предприятиями, предприятиям органического синтеза и пр. В сточных водах присутствуют различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и прочие вредные вещества. Токсикологическое воздействие стоков данного типа заключается, в основном, в процессах окисления, в результате которых снижается содержание кислорода в воде, возрастает биологическая (БПК) и химическая (ХПК) потребность в кислороде, происходит ухудшение органолептических свойств воды. 
       Сточные воды третьего типа образуются в процессах гальванической обработки поверхностей, производстве печатных плат приборостроительной и радиоэлектронной промышленности и прочих технологических процессах. В составе данных сточных вод присутствуют неорганические: щелочи, кислоты, катионы тяжелых и цветных металлов, и органические поверхностно-активные вещества, нефтепродукты, красители и другие вещества.  
       Нефть и нефтепродукты в настоящее время являются основными загрязняющими веществами внутренних вод и морей мирового океана. Попадая в водные объекты, они создают различные классы загрязнений: нефтяную пленку, плавающую на поверхности воды, растворенные или эмульгированные нефтепродукты, осевшие на дно водоема тяжелые нефтяные фракции. В результате происходит изменение вкуса, запаха, цвета, поверхностного натяжения и вязкости воды, снижается количество кислорода, образуются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и начинает представлять угрозу для животного мира и человека. При содержании нефти всего 0,01 г/л вода становиться непригодной для употребления.  
       Особо опасным загрязняющим веществом является фенол. Фенол присутствует в сточных водах большинства нефтеперерабатывающих и коксохимических предприятий. В присутствии фенолов значительно снижаются биологические процессы водных объектов, процесс самоочищения, вода приобретает довольно неприятный запах.

Типы сточных вод и  методы очистки

Очистка сточных вод проводится с целью устранения вредных и  опасных свойств, которые могут  привести к пагубным последствиям в  окружающей среде. Применение различных  технологий очистки направлено на нейтрализацию, обезвреживание или утилизацию ценных компонентов. Таким образом, выбор  технологии очистки и оборудования зависит в первую очередь от свойств  сточных вод и их отклонений от свойств природных вод. Другими  словами, выбор метода очистки стоков зависит от вредных факторов (ВФ), которыми обладает сточная вода.

В качестве вредных факторов могут выступать не только токсические  вещества – нефтепродукты, ПАВ, ионы тяжёлых металлов, но и такие обобщённые показатели, как агрессивность среды, общая жёсткость (выше допустимой), содержание аммонийного азота, окисляемость и др.

Наличие в сточной воде тех или иных вредных факторов определяется из анализа характеристик  воды. Каждому ВФ может соответствовать  группа показателей, т.е. наличие в  воде ВФ может определяться несколькими  характеристиками, и в случае отсутствия в воде какой-то характеристики отсутствует  и ВФ. Кроме того, один и тот  же показатель сточной воды может  свидетельствовать о наличии  сразу нескольких ВФ.

Вредные факторы сточных  вод удобно выделить в классы и  каждому классу сопоставить один или группу показателей, которые  бы однозначно определяли этот класс. Эту группу показателей будем  называть идентификатором класса ВФ.

Анализ многочисленных литературных источников позволил выявить несколько  классов ВФ и множество методов, способных обезвреживать эти  классы. Список некоторых выявленных классов ВФ, их идентификаторы и  группы методов обезвреживания даны в Таблице:

 

 

 

 

Типы занрязняющих веществ в сточных водах и  методы очистки

Тип загрязняющих веществ	Группа  загрязнений	Методы  очистки сточных вод
Грубодисперсные взвешенные вещества	Взвешенные вещества с размером частиц более 0,5 мм	Просеивание
		Первичное отстаивание  без реагентов
		Фильтрация
Грубодисперсные эмульгированные  частицы	Капельные загрязнения, органические вещества, не смешивающиеся  с водой	Гравитационная  сепарация
		Фильтрация
		Флотация
		Электрофлотация
Микрочастицы	Взвешенные вещества с размером частиц более 0,01 мм	Фильтрация
		Коагуляция
		Флокуляция
		Напорная  флотация
Стабильные эмульсии	Нефтепродукты в  количестве > 5 мг/л, вещества, экстрагируемые серным эфиром	Тонкослойная  седиментация
		Напорная  флотация
		Электрофлотация
Коллоидные частицы	Размер частиц от 0,1 до 10 мкм	Микрофильтрация
		Электрофлотация
Агрессивность среды	pH, общая щелочность, общая кислотность	Нейтрализация
Масла	Концентрация  масел более 10 мг/л	Гравитационная  сепарация
		Флотация
		Электрофлотация
Фенолы	Концентрация  фенолов 0,5 - 5 мг/л	Биологическая очистка +озонирование
		Сорбция на активированном угле
	Концентрация фенолов 5 - 500 мг/л	Биологическая   очистка
		Флотация + Биологическая   очистка
		Коагуляция + озонирование
Высокое содержание органических примесей		Биологическая   очистка
		Химическое окисление (озон)
		Сорбция на активированном угле
Ионы тяжелых металлов	Концентрации Cu2+, Zn2+, Ni2+, Feобщ, Cd2+   5 - 100 мг/л	Электрофлотация
		Реагентный + отстаивание
		Электродиализ
		Электрокоагуляция
	Концентрации Cu2+, Zn2+, Ni2+, Feобщ, Cd2+   0,5 - 5 мг/л	Ультрафильтрация
		Ионный обмен
Цианиды	Концентрация CN- 1 - 10 мг/л	Химическое окисление
		Электрофлотация
		Электрохимическое окисление
Хром (VI)	Концентрация Cr6+ 1 - 100 мг/л	Химическое восстановление +Электрофлотация
		Электрохимическое восстановление
		Электрокоагуляция
Хром (III)	Концентрация Cr3+ 5 - 100 мг/л	Электрофлотация
		Осаждение +Фильтрация
	Концентрация Cr3+ 0,5 - 5 мг/л	Ионный обмен
		Ультрафильтрация
Сульфаты	Концентрация SO42- > 2000 мг/л	Реагентный + отстаивание+Фильтрация
		Вакуумное выпаривание
	Концентрация SO42- < 2000 мг/л	Нанофильтрация
		Обратный осмос
Хлориды	Концентрация Cl- > 300 мг/л	Обратный осмос
		Вакуумное выпаривание
		Электродиализ
Общее солесодержание		Нанофильтрация
		Обратный осмос
		Вакуумное выпаривание
		Электродиализ
Поверхностно-активные вещества	Анионные и  неионогенные ПАВ	Флотация
		Электрофлотация
		Сорбция на активированном угле
	Анионные, катионные и  неионогенные ПАВ	Ультрафильтрация
		Нанофильтрация
		Озонирование

Как видно из таблицы каждому  типу сточных вод соответствует  метод или группа методов, пригодных  для их очистки. В то же время, многие методы очистки сточных вод позволяют  удалять более одного типа загрязнений, что и применяется при проектировании и строительстве установок очистки воды и очистных сооружений.

 

 

Стадии очистки  сточных вод промышленных предприятий

Технопарк РХТУ им Д.И. Менделеева: Технологии и оборудование для очистки сточных вод производства

Процесс очистки сточных  вод производственного предприятия, как правило, включает несколько стадий, на каждой из которых возможно применение различные методов очистки сточных вод и соответствующего технологического оборудования. Данная ситуация обусловлена в первую очередь тем, что многие методы, в особенности тонкой очистки сточных вод нельзя использовать, если в них присутствуют взвешенные вещества и эмульсии. Кроме этого, большинство методов очистки стоков имеет верхний предел концентраций по загрязняющим веществам, от которых данный метод должен очищать сток. Следовательно возникает необходимость предварительной обработки стоков перед применением основных методов их очистки. Применение стадийной очистки сточных вод промышленных предприятий обусловлено также тем, что комбинированием нескольких типов процессов обработки возможно достигнуть требуемой степени очистки с минимальными затратами.

На различных промышленных производствах  используется различное количество стадий очистки воды. Это зависит  от организации очистных сооружений, используемых методов очистки и  состава стоков. Для разработки информационной системы процессы очистки стоков следует рассматривать на основе более обобщенного подхода.

Наиболее рациональным, очевидно, будет разделение процесса очистки  стоков на четыре этапа, в соответствии с разделением загрязняющих веществ  на основе их агрегатного состояния  по классификации академика Кульского.

На первой стадии очистки  сточных вод необходимо извлечь крупные частицы взвешенных веществ и грубодисперсных примесей, нейтрализовать токсины и удалить из сточных вод масла. Если данные загрязнения в сточных водах отсутствуют, следует начать очистку сточных вод со второй стадии, на которой происходит извлечение практически всех механических примесей, а также проводится подготовка стоков к дальнейшей очистке, а именно, снижение агрессивности сточных вод, понижение неприемлемых концентраций отдельных загрязняющих веществ. На третей стадии очистки стоков проиводится извлечение всех загрязняющих веществ до определенного заданного уровня. Если степень очистки недостаточна, требуется четвертая стадия очистки сточных вод, на которой использубтся методы, позволяющие извлекать соединения, находящиеся в растворимом состоянии.