Физико-химические методы очистки сточных вод.

Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц, растворенных газов, минеральных и органических веществ.

Достоинства методов: 1) возможность удаления из сточных вод токсичных биохимически неокисляемых органических загрязнений; 2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки; 3) меньшие размеры сооружении; 4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок; 5) возможность полной автоматизации; 6) более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры: 7) методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов; 8) возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них, наличия необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности процесса.

Коагуляция.

Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты.

В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием физических или химических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который происходит вслед за растворением.

Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды. Наиболее распространены – сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃∙18H₂O; алюминат натрия NaAlO₂; гидроксохлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl; сульфаты железа Fe₂(SO₄)₃∙2H₂O, Fe₂(SO₄)₃∙3H₂O, Fe₂(SO₄)₃∙7H₂O; хлорид железа FeCl₃ и другие.

Механизм меняется в зависимости от условий: 1) при гидролизе: Al³+3H₂O=Al(OH)₃+H⁺

2)

Флокуляция.

Это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокулянт адсорбируется на поверхности, «склеивая» твердые частицы.

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

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным флокулянтам относятся крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы и др. Из синтетических органических флокулянтов наибольшее применение в нашей стране получил полиакриламид [-СН,-CH-CONH₂]n, технический (ПАА) н гидролизованный (ГППА).

Флотация.

Очистка сточных вод флотацией заключается в извлечении нерастворенных примесей с помощью тонкодиспергированного в сточной воде воздуха. Флотационные установки используют для удаления из сточной воды масел, нефтепродуктов, жиров, смол, ПАВ, твердых частиц полимеров и др. веществ.

Флотация заключается в слипании частиц примесей и пузырьков воздуха, диспергированных в воде и всплывании комплексов «пузырек - частица» на поверхность воды. Существует несколько методов флотации, различающихся способом диспергирования воздуха в воде.

В промышленности чаще всего применяют напорную флотацию, при которой часть поступающих на очистку сточных вод насыщают воздухом под давлением. После сброса давления, растворенный воздух выделяется из сточных вод и образует мелкие пузырьки, на которые налипают частицы загрязнений.

Эффективность флотации увеличивается, если в воду вместе с воздухом добавить различные реагенты, увеличивающие гидрофобизацию поверхности частиц. Обычно флотацию применяют в сочетании с коагуляцией и флокуляцией.

Достоинства: 1. непрерывность, 2. небольшие затраты, 3. селективность, 4. возможность рекуперации удаляемых веществ. Эффективность очистки=95-98%.

Адсорбция.

Адсорбционные методы широко применяют для очистки сточных вод от растворенных органических веществ, если концентрация их в сточной воде невелика, или если они трудно поддаются биохимическому окислению или являются высокотоксичными. Например, адсорбцию используют для очистки сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, красителей и др.

Адсорбционная очистка может быть: 1. регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и 2. деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность очистки адсорбцией составляет от 80 до 95% в зависимости от природы адсорбента и состава сточных вод.

В качестве адсорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки и т.д.) Минеральные сорбенты – глины, силикагели, алюмогели – используют очень редко, так как они могут взаимодействовать с водой.

Процесс адсорбционной очистки ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой, либо при пропускании воды через слой адсорбента. Регенерацию адсорбентов обычно проводят насыщенным или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом, либо промывкой растворителями. После десорбции пары конденсируют и уловленное вещество извлекают из конденсата.

Достоинства: 1. Высокая эффективность очистки (80-95%)

2. Возможность одновременной очистки от нескольких веществ

3. Возможность рекуперации

1. емкость

2. насос

3. напорный бак

4 флотатор

Ионный обмен.

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений. Метод позволяет регенерировать ценные вещества и при этом имеет очень высокую эффективность очистки.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия сточных вод с твердой фазой, способной обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в сточных водах. Вещества, составляющие эту твердую фазу носят название ионитов. Они практически нерастворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов положительные ионы, называбтся катионитами, отрицательные ионы – анионитами. Если иониты обменивают и катионы и анионы, то их называют амфотерными.

Иониты бывают органические и минеральные. Это могут быть природные вещества, или вещества, полученные искусственно.

К неорганическим природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, полевые шпаты и др. Их катионообменные свойства обусловлены наличием алюмосиликатов типа Na₂O∙Al₂O₃∙ n SiO₂∙ m H₂O. К неорганическим синтетическим ионитам относятся, например, силикагели.

Органические природные иониты – это гуминовые кислоты почв и углей.

Наибольшее применение в промышленности находят органические искусственные иониты – ионообменные смолы с развитой поверхностью. Синтетические ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы – противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженным ионом, называемым фиксированным, или анкерным. При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в общем виде (R), а активную группу указывают полностью. Например, сульфокатиониты записывают как RSO₃H. Здесь R – матрица, Н – противоион, SO₃ – анкерный ион.

Катиониты регенерируют 2-8%-ными растворами кислот, при этом они переходят в Н-форму. Аниониты регенерируют 2-6%-ными растворами щелочей, при этом они переходят в ОН-форму.

Экстракция.

Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод от фенолов, масел, органических кислот, ионов металлов и др. Целесообразность проведения экстракции определяется ценностью извлекаемых компонентов по отношению к затратам на проведение процесса.

Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий:

Первая стадия - интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). При этом образуется две фазы:

1) экстракт, содержащий извлекаемое вещество и экстрагент;

2) рафинат, содержащий сточную воду и экстрагент.

Вторая стадия – разделение экстракта и рафината.

Третья стадия – регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Чтобы достичь высокой степени очистки сточных вод, необходимо правильно подобрать экстрагент, который должен отвечать следующим требованиям:

- растворять извлекаемое вещество значительно лучше, чем вода;

- обладать большой селективностью по отношению к извлекаемому веществу;

- иметь низкую растворимость в воде и не образовывать стойких эмульсий;

- значительно отличаться по плотности от сточной воды;

- регенерироваться простым и дешевым способом.