Основные методы очистки сточных вод

Защита гидросферы.

При защите гидросферы реализуются следующие мероприятия:

регулирование поверхностного стока на водосборе;
регулирование сброса и контроль качества сточных вод (хозяйственно-бытовых и производственных);
обеспечение качества воды на объектах.

Для уменьшения стока на водосборе необходимо проведение мероприятий уменьшающих поступление примесей: повышение залесенности водосборов, создание лесозащитных полос, вспашка сельскохозяйственных полей в осенний период. Однако возможности и масштабы таких мероприятий очень ограничены.

Для обеспечения требуемого качества воды на объектах проводят её предварительную подготовку и очистку: коагулирование, фильтрацию, обеззараживание, дезодорацию и удаление токсичных примесей. Например, при подготовке питьевой воды для предупреждения роста водорослей в накопительные резервуары вводят сульфат меди (медный купорос). Затем проводят аэрацию (воздействие воздухом), разбрызгивая с помощью фонтанов или пропуская через сетку. Аэрация способствует удалению неприятного вкуса и запаха. Добавлением хлора уничтожают болезнетворные бактерии. Последующая коагуляция с добавлением сульфата аммония или железа позволяет очистить воду от взвешенных частиц и части растворённых примесей. Образующийся хлопьевидный осадок удаляют со дна отстойника скребком. Фильтруя воду через песчаные фильтры, её очищают от оставшихся частиц, бактерий, вирусов и микроорганизмов. Затем производят повторное хлорирование, уничтожающее остатки микроорганизмов в воде.

Иногда вместо хлорирования используют метод озонирования. Озон обладает обеззараживающими свойствами, окисляя разрушает углеводороды, переводит в нерастворимое состояние некоторые тяжёлые металлы. Кроме того, озон эффективен при обесцвечивании воды, не создаёт постороннего вкуса и запаха. Несмотря на перечисленные достоинства озонирование не применяется широко.

Для дезинфекции более предпочтительным методом считается хлорирование, поскольку избыточный или остаточный хлор в воде гарантирует её защиту от микроорганизмов, которые могут попасть в воду по пути к потребителю. Такой гарантии не даёт озонирование вследствие отсутствия в воде остаточного озона.

Недостатком хлорирования является взаимодействие хлора с углеводородами с образованием хлорированных углеводородов, многие из которых обладают канцерогенными свойствами. Однако продукты взаимодействия озона с органическими веществами до сих пор не идентифицированы, хотя обнаружены альдегиды и другие простые органические соединения.

Очистка сточных вод включает огромное количество методов, базирующихся на достижениях современной науки и техники. Методы очистки производственных и бытовых сточных вод можно разделить на следующие группы:

механические (отстаивание, процеживание, фильтрование, центрифугирование);
физико-химические (коагуляция, флотация, сорбция, экстракция, дезодорация, обратный осмос, ультрафильтрация, электродиализ и др.);
химические (нейтрализация, аэрация, окисление);
биологические;
термические.

Выбор метода очистки определяется характеристиками загрязнений, их концентрацией, свойствами воды и требованиями эффективности очистки сбросов. Механические методы используют как первичную стадию для удаления из сточных вод нерастворённых примесей. Для этой цели применяют разного рода отстойники, решётки (сита), ловушки, фильтры, гидроциклоны.

Физико-химические методы применяют для очистки стоков сложного состава как самостоятельно, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. Основы некоторых физико-химических методов были рассмотрены в предыдущем разделе, поскольку методы являются универсальными и применяются для очистки разных сред. В этом разделе остановимся только на методах тонкой и сверхтонкой очистки, которые являются сравнительно новыми - обратный осмос, электродиализ и ультрафильтрация. Основная задача очистки сводится к разделению воды и примесей. Такое разделение осуществляется избирательным прохождением через мембраны ионов (электродиализ) или воды (обратный осмос), под воздействием, соответственно, разности электрических потенциалов или перепада давления.

Электродиализ – перенос ионов через мембраны под действием постоянного тока. Мембраны могут пропускать или катионы, или анионы. Если в сосуд ввести две мембраны (катионитовую и анионитовую) и разделить сосуд на камеры, то вода в средней камере будет очищаться от растворенных электролитов. Продуктом будет обессоленный или осветленный фильтрат (диализат).

Осмос основан на явлении разделения растворов различной концентрации через полупроницаемую мембрану. Если размер пор мембраны очень мал, то через нее проходит только вода, но не растворенные в ней вещества (примеси). Вода будет диффундировать в концентрат вследствие разности концентраций, стремясь выровнять концентрацию. В результате этого происходит увеличение объема, повышение давления в камере с более концентрированным раствором до величины, характеризующей начальную разность концентраций раствора и называемой осмотическим давлением. Для проведения обратного осмоса, т.е. для фильтрации растворителя из более концентрированного раствора, на концентрат оказывают давление, превышающее осмотическое. Концентрат становится еще более насыщенным.

Ультрафильтрация отличается от обратного осмоса использованием мембран с более крупными порами, через мембраны проходят вода и соли, а коллоиды и взвеси задерживаются. Этот метод целесообразно использовать для очистки отходов, содержащих много коллоидов, например в щелочной среде, когда тяжелые металлы склонны к образованию коллоидных полимеров. Ультрафильтрация как самостоятельный метод имеет ограниченное применение. Целесообразно сочетать ее с химическим осаждением или как подготовительную операцию перед процессами обратного осмоса или ионного обмена.

Материалы мембран накладывают ограничения на их использование. Все мембраны дороги, обладают невысокой устойчивостью к агрессивным средам и высоким температурам. Менее стойки мембраны обратного осмоса: для них допустимые значения рН = 3¸10, максимальная температура среды 40–50° С. Менее жёсткие требования предъявляются к мембранам ультрафильтрации, где используется более широкий ассортимент материалов. Сейчас создаются новые более прочные материалы.

Сущность химических методов заключается во внесении в стоки реагентов, которые вступают в реакции с растворёнными и нерастворёнными загрязняющими веществами и способствуют их выпадению в осадок. Эти способы непригодны для очистки стоков, содержащих большое количество разнородных примесей. Нейтрализация применяется для обработки сточных вод, содержащих щёлочи и кислоты.

Биохимические методы применяют для очистки как хозяйственно-бытовых, так и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических (сероводород, аммиак, сульфиды, нитриты и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать загрязняющие вещества в процессе жизнедеятельности. Биохимическая очистка может протекать в аэробных (биохимическое окисление) и анаэробных (биологическое разложение) условиях.

Аэробные методы представляют собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоёма и основаны на использовании организмов, для жизнедеятельности которых необходим кислород и температура 20–40° С. Аэробные микроорганизмы (бактерии, простейшие черви, плесневые грибы, дрожжи и др.) культивируются в активном иле или биоплёнке. Кроме коллоидных веществ с размножающимися на них микроорганизмами активный ил создаётся за счёт взвешенных частиц, не задержанных при отстаивании. С помощью микроорганизмов протекают процессы окисления веществ.

Аэробные процессы проводятся как в природных условиях (поля орошения, поля фильтрации), так и в искусственных сооружениях (аэротенки, биофильтры разной конструкции). Поля орошения – специально подготовленные земельные участки, используемые для очистки сточных вод и агрокультурных целей (выращивания зерновых, трав, овощей и т.д.). Процессы очистки протекают за счёт действия почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоём: бактерии используют для окисления загрязнений кислород воздуха и кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, водоросли потребляют углекислый газ, фосфаты и аммонийный азот, выделяемые при биохимическом разложении органических веществ. В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной плёнкой. Аэротенки представляют собой огромные открытые резервуары из железобетона, разделённые перегородками, в которых циркулирует активный ил. Очищение происходит при прохождении по коридорам аэротенка сточной воды смешанной с активным илом.

Анаэробные методы реализуются без доступа кислорода и используются для обезвреживания осадков от биохимической очистки и для очистки высококонцентрированных промышленных сточных вод, содержащих органические вещества. Под действием анаэробных микроорганизмов органические загрязнители разрушаются в процессе брожения, сначала превращаясь в органические кислоты и спирты, а затем в метан, и углекислый газ.