Основные методы очистки сточных вод и типы очистного оборудования
1. Механические методы очистки (предварительные) предназначены для очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод от крупных плавающих твердых примесей, взвешенных частиц, а также прочих загрязнителей: нефтепродуктов, нерастворимых металлов и их соединений размером от 10-2 до 10-4 см.
Основные типы оборудования: отстойники, фильтры, песколовки, нефтеловушки.
1.1. Отстой (седиментация) – естественный процесс выделения из воды грубодисперсных примесей (ГДП, диаметр частиц d 10-5 см) путем осаждения под влиянием сил тяжести или всплывания частиц: , где 10n –дисперсность частиц Д, для ГДП Д 105.
Отстойники классифицируются в зависимости от расхода сточных вод и конструктивных особенностей (рис. 1.1.)
а б в
Рис. 1.1. Отстойники: а – вертикальный, б – горизонтальный, в – радиальный: 1 – подача сточной воды; 2 – выпуск очищенной воды.
Каждый вид отстойников наиболее эффективен в определенном диапазоне расходов стоков. Вертикальные отстойники целесообразно применять при производительности Q 10 000 м3/сут, горизонтальные 5 000 м3/сут, радиальные 20 000 м3/сут. Эффект очистки Э по взвешенным веществам: вертикальные отстойники – Э = 40 50 %, горизонтальные – Э = 50%, радиальные – Э = 50 60%.
Интенсификация процесса отстаивания воды достигается путем предварительной обработки ее реагентами, способными образовывать с водными загрязнениями агрегаты большой гидравлической крупности. К ним относятся: гидроксиды тяжелых металлов, активный ил, пузырьки газов.
1.2. Фильтрация применяется для частичной и глубокой очистки сточных вод от ГДП, дестабилизированных коллоидов и высокомолекулярных загрязнений
(Д 105).
Фильтры (рис. 1.2) представляют собой емкость, изготовленную из различных материалов (металл, бетон, железобетон). Внутренний объем фильтра заполняется различным материалом, могут быть использованы природные материалы (песок, опилки, дробленый гравий, уголь, доменный шлак, мраморная крошка) и искусственные (полистирол, полипропилен и др.).
| Рис. 1.2. Принципиальная схема фильтрующей установки: 1 – подача сточной воды; 2 – выпуск очищенной воды |
Эффект очистки Э = 80 %. Однако загрузку надо периодически промывать (не менее 2-х раз в сутки), либо полностью менять, а загрязненную загрузку утилизировать или отправлять на захоронения.
1.3. Сепарация – выделение из воды загрязняющих веществ в поле центробежных сил. К аппаратам подобного типа относятся центрифуги и гидроциклоны (рис. 1.3).
| Рис. 1.3. Схема гидроциклонов: а – напорный, б – безнапорный; подача сточной воды; 2 – отвод очищенной воды; 3 – отвод осадка |
В системах водоочистки центрифугирование применяется, главным образом, при обезвоживании осадка, а гидроциклоны – для очистки воды от ГДП.
Эти устройства особенно эффективны, когда плотность ГДП существенно отличается от плотности воды – песок, металлическая и каменная пыль, окалина, жиры, масла и пр. Эффект очистки достигает 90 %.
Для гидроциклонов упрощенной конструкции Q =100 120 м3/ч., для многоярусных значительно выше.
2. Физико-химические методы очистки предназначены для очистки сточных вод от мелкодисперсных коллоидных соединений, а также веществ и молекулярной и ионной форме. К ним относятся очистка методом флотации, коагуляции с последующим осветлением, сорбции, экстракции, ионного обмена, реагентные методы.
2.1. Флотация основана на прилипании частиц загрязнений к пузырькам воздуха, которыми искусственно насыщается вода. Пузырьки воздуха, с прилипшими к ним загрязнениями, всплывают и на поверхности образуют пену, насыщенную загрязнениями, которую удаляют. Процесс флотации протекает в 8–10 раз быстрее, чем отстаивание, и заканчивается в течение 10–15 мин.
Слипание пузырьков газа с грязевыми частицами протекает наиболее интенсивно, если загрязнения гидрофобны (масла, нефтепродукты, угольная пыль др.).
В практике очистки производственных стоков наибольшее распространение получила напорная флотация (рис. 1.4), при которой воздух под давлением растворяется в воде.
| Рис. 1.4. Напорный флотатор: 1 – подача сточной воды; 2 – отвод очищенной воды; 3 – подача сжатого воздуха; 4 – отвод пены |
Эффект очистки флотационных установок достигает 60 %. Процесс флотации можно интенсифицировать путем магнитной обработки воды (эффект очистки флотацией повышается на 30 %) или предварительной их гидрофобизацией загрязняющих веществ с применением реагентов.
2.2. Коагуляция с последующим осветлением. Коагуляция – процесс укрупнения коллоидальных частиц и перехода их в категорию ГДП. Очищает стоки от загрязнений II группы дисперсности (Д=105–106), т.е. размер частиц – 0,1 0,01 мкм.
К основным методам коагуляции относятся: обработка воды электролитами (химическая коагуляция), электрокоагуляция, гетерокоагуляция (физическая коагуляция).
Основной путь очистки воды от коллоидных загрязнений включает обязательный этап их дестабилизации коагулянтами с последующей флокуляцией.
Работа осветлителей со взвешенным слоем (рис. 1.5) осадка и фильтров основана на принципе контактной коагуляции. Контактной средой осветлителя являются грубодисперсные фракции осадка, взвешенного в восходящем потоке воды. В процессе очистки происходит постоянное образование новых хлопьев осадка, его избыток отводится в илоуплотнитель.Эффект очистки сточных вод таким способом достигает 90 %. В качестве коагулянтов используют соли алюминия, железа, цинка. Скоагулированные хлопья осаждаются, а вода подвергается дальнейшей очистке.
| Рис. 1.5. Осветлитель со взвешенным слоем осадка. I – осветлитель; II – осадкоуплотнитель; 1 – подача сточной воды; 2 – отвод очищенной воды; 3 – отвод осадка. |
2.3. Сорбция – процесс поглощения растворенных в воде веществ поверхностью твердого сорбента. (Особенно эффективно улавливаются вещества в молекулярном состоянии). Сорбция возникает самопроизвольно и продолжается с убывающей скоростью до достижения равновесного состояния.
Важно, чтобы поверхность сорбента была достаточно большой. Этим требованиям удовлетворяют пористые гидрофобные материалы: активированные угли, цеолиты, бентонитовые глины.
Сорбция позволяет достаточно глубоко очистить сточную воду (Э » 80 %), но при этом требуется большое количество сорбента.
Для улучшения сорбционных свойств природных сорбентов проводится их модификация, при прокаливании цеолитов при t = 300 400 оС удаляется кристаллическая вода, полезная удельная поверхность сорбента увеличивается в 4 20 раз).
Сорбционная очистка может осуществляться в статических и динамических условиях. В первом случае сорбент перемещается вместе с водой, во втором вода перемещается относительно частиц сорбента.
Технология сорбционной очистки в статических условиях предусматривает перемешивание воды с порошкообразным сорбентом (не менее 20 мин.) и последующее отделение загрязненного сорбента отстаиванием. С целью экономии сорбента применяют многоступенчатые схемы с параллельным и противоточным движением сорбента.
| Рис. 1.6. Сорбционная установка с параллельным вводом сорбента: 1 – подача сточной воды; 2 – отвод очищенной воды; 3 – ввод сорбента; 4 – выпуск отработанного сорбента |
Сорбция в динамических условиях предусматривает использование гранулированных сорбентов.
2.4. Ионный обмен заключается в том, что твердый материал (ионит) поглощает из воды ионы загрязнений в обмен на эквивалентное количество других, одноименно заряженных обменных ионов, преходящих в воду. Таким образом, общая концентрация ионов в воде не изменяется, хотя ионный состав становится другим. Иониты, участвующие в обмене катионов называются катионитами, а анионов – анионитами. Процесс ионного обмена продолжается до достижения равновесного состояния.
Технология ионного обмена включает контакт очищаемой воды с ионитом и его последующую регенерацию (рис. 1.7).
| Рис. 1.7. Схема ионообменной колонки: 1 – подача сточной воды; 2 – отвод очищенной воды; 3 – отвод осадка; 4 – подача сжатого воздуха |
Ионообменные методы применяются при очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов, от органических кислот, оснований и их солей. Эффект очистки достигает 80 %.
Ионообменные материалы – синтетические высокомолекулярные соединения кислого или щелочного характера и сульфоугли.
Наряду с синтетическими смолами, в качестве катионитов применяются природные материалы: слоистые, слоисто-ленточные и каркасные силикаты (вермикулит, цеолит, каолит).
Природные катиониты гидрофобны. Их качество может быть улучшено модификацией (прокаливанием при t = 300 400 оС, гидрофибизацией). Природные катиониты очищают воду от аммонийного азота, радиоактивных изотопов. Иониты применяются в установках (типа фильтров) с неподвижной и с псевдосжиженной загрузкой.
2.5. Реагентные методы очистки
В воду добавляется реагент, который связывает растворенные в воде загрязнения и переводит их в осадок. Метод применяется для удаления из сточных вод растворенных неорганических веществ ионного типа (соли, кислоты, основания), растворенных органических веществ (ПАВ), с переводов последних в нерастворимые комплексы. Эффект очистки достигает 97–98 %.
2.6. Окисление (озоном, ультрафиолетом (УФ), реагентами)
К сильным окислителям относятся озон, фтор, кислород, хлор и другие вещества, обладающие большими значениями окислительно-восстановительных потенциалов Е.
Методы окисления используют для доочистки сточных вод в основном от органических веществ (фенолы, органические кислоты, ПАВ и пр.). При этом продукты окисления – это нетоксичные компоненты: CO2; H2O; NH3 и осколки органических веществ различного строения. При правильном выборе режима окисления и четкого контроля за ним эффект очитки достигает 99 %.
Озон О3 – сильнейший окислитель. В реакции O3 + 2H+ + 2е- « O2 + H2O ЕО3 = +2,07 В.
Взаимодействие озона с загрязнителями воды происходит поэтапно и медленно и завершается образованием молекулярного кислорода. На промежуточных этапах выделяются анионы ОН -, каталитически усиливающие окислительные процессы с участием кислорода О2.
Окисление сопровождается потерей озоном атома кислорода или внедрением молекул озона в окисляемое вещество (процесс ознолиза). Ход процесса оптимизируется правильным выбором рН воды и применением катализаторов – металлов с переменной валентностью.
Озонаторные установки (рис. 1.8) сложны, громоздки и требуют соблюдения техники безопасности. Кроме того, их производительность невелика q = 4 6 кг О3/час, а затраты электроэнергии значительны.
| Рис.1.8. Схема реактора для озонирования: 1 – отвод воды; 2 – подача озоно-воздушной смеси |
Особенностью реакторов для окисления озоном является создание условий экономного использования этого дорогостоящего реагента. Задача заключается в максимальном ускорении процесса, так как озон достаточно быстро разлагается. Скорость саморазложения зависит от температуры, рН и солевого состава воды. Продолжительность пребывания в реакторе складывается из времени растворения озона в воде и продолжительности непосредственно химических реакций.
Окисление ультрафиолетом. В толщу воды помещается источник УФ-излучения (ксеноновые, вакуумные лампы). При контакте с водой образуется озон, который окисляет находящиеся в воде загрязнения. Слой воды над источником УФ-излучения – 0,5 2 мм, следовательно, производительность установок очень мала.
В качестве окислительных реагентов применяются также хлор (газ и хлорная известь), перманганат калия, кислород, перекись водорода.
2.7. Нейтрализация – реакция обмена между кислотой и основанием, при которой оба соединения теряют свои характерные свойства и происходит образование солей.
Кислоты и основания в водном растворе диссоциируют, насыщая его катионами Н+ (кислоты) или анионами ОН- (основания). В результате водородный показатель (рН) уменьшается или увеличивается.
Для уменьшения рН воды ее обрабатывают кислотами, для повышения – основаниями.
Выбор нейтрализующих реагентов производится с учетом их эффективности (продолжительность и полнота процесса, удельные дозы реагента), количества и характера образующегося при нейтрализации компонентов (газы, осадки, растворенные вещества), условий применения (хранение, подготовка к использованию, удобство дозирования, безопасность обслуживания реагентного хозяйства).
Из кислот наиболее часто применяют серную, реже – соляную кислоту, из щелочных реагентов – гашеную известь, кальцинированную соду, едкий натр, реже – известняк, доломит CaMg(CO3)2.
Реагенты вводятся в виде порошков (известь, кальцинированная сода), водных растворов (NaOH, гашеная известь и др.), газов, активных загрузок фильтров (дробленый мрамор, известняк, доломит).
Если на промышленных предприятиях образуются кислые и щелочные стоки, представляется возможной их взаимная нейтрализация путем смешения в регулируемом режиме.
Химическая реакция происходит мгновенно, но условия, от которых зависит ее возможность, требуют контакта между нейтрализуемым веществом и реагентом в течение 5–10 мин и более.
Процесс осуществляется в нейтрализаторах (емкости снабжены перемешивающим устройством и дозатором реагентов), чаще с последующим осветлением.
2.8. Экстракция (от лат. – извлечение) – метод очистки, альтернативный сорбции, применяющийся для удаления молекулярных примесей в основном органического характера (рис.1.9).
| Рис.1.9. Экстрактор колонного типа: 1 подача тяжелой фазы (сточная вода); 2 отведение тяжелой фазы (очищенные стоки); 3 подача легкой фазы (экстрагент); 4 отведение легкой фазы с загрязнениями |
В большинстве случаев экстракция целесообразна при глубокой очистке высококонцентрированной воды с содержанием загрязнений до 3–4 мг/л и более.
В качестве экстрагентов применяются плохо растворимые в воде органические жидкости и сложные эфиры, спирты, ароматические соединения, кетоны.
Технология экстракции включает следующие последовательные операции:
1. Интенсивное перемешивание экстракта с водой для достижения максимальной площади контакта между этими фазами;
2. Быстрое и полное разделение экстракта и рафината;
3. Удаление экстракта и его регенерация
3. Биологические методы очистки
Биохимическая деструкция остаточных загрязнителей в сточных водах происходит в результате таких процессов, как окисление, восстановление, гидролиз, дезаминирование и др.
Принципиальное отличие биохимических процессов деструкции от химических заключается в том, что первые осуществляются с участием катализаторов биохимического происхождения – ферментов.
В сооружениях для биологической очистки воды формируется биоценоз, т.е. совокупность микроорганизмов, растений и животных, связанных между собой условиями совместной жизнедеятельности. Основную часть биологической массы составляют микробы, генерирующие необходимые для очистки ферменты. Биоценоз образуется естественным путем и при изменении влияния внешних факторов способен к саморегулировке. В зависимости от рода питания различают метатрофы, использующие органику, и прототрофы, использующие неорганические соединения.
На жизнедеятельность микроорганизмов оказывают влияние температура, рН, концентрация субстрата.
На сооружениях биологической очистки из стоков можно извлечь бензол, толуол, хлорфенол, СПАВ, многие нитраты, белки, жиры, углеводы, свинец, кадмий, ртуть и другие загрязнители.
К сооружениям биологической очистки отностся: аэротенки, биофильтры, биопруды. Аэротенк – резервуар, в котором сточная вода смешивается с активным илом; получается иловая смесь (рис. 1.10).
| Рис. 1.10. Аэротенк-вытеснитель: 1 – подача сточной воды; 2 – активный ил; 3 – иловая смесь |
После отстаивания иловой смеси очищенную воду необходимо обеззаразить (обработка хлором или его производными). Аэротенки используются для любых расходов сточных вод.
В биофильтрах (рис. 1.11) сточная вода проходит через слой загрузочного материала, покрытого биопленкой. Отмирающая биопленка выносится из загрузки очищенной водой. В качестве загрузки могут быть использованы различные материалы (дробленые горные породы, пластмассы, синтетические ткани и др.).
Производительность биофильтров – до 50 тыс. м3/сут.
Биофильтры и аэротенки обеспечивают высокий эффект очистки. Эффект очистки после сооружений: БПКп = 12 мг/л, взвешенные вещества – 15–20 мг/л, ХПК – 50–90 %, нитраты (NH4) 50–60 %, фосфаты (Р2О5) – 35 %.
| Рис. 11. Биофильтр: 1 – подача воды на очистку; 2 – отведение очищенной воды; 3 – объемная загрузка |