Физико-химическая очистка сточных вод

Введение

Рациональное использование водных ресурсов при истощении запасов пресной воды является приоритетным направлением современного мира. Важной экологической проблемой является поступление загрязненных сточных вод в водные объекты, не отвечающие требованиям к качеству очищенной воды. Очистка сточных вод проводится с целью разрушения загрязняющих веществ или физического их удаления. Для удаления из сточных вод мелкодисперсных, неорганических и органических растворенных веществ применяют физико-химические методы очистки.
Актуальность темы высока и обусловлена тем, что с каждым годом качество воды в водных объектах ухудшается и достигает таких загрязнений, когда использование воды ограничено и не безопасно для окружающей среды и человека. Очистка сточных вод с высокими показателями эффективности является важнейшим направлением по защите, как водных объектов окружающей природной среды, так и обеспечения замкнутого цикла оборота воды.
Цель реферата – рассмотреть основные и наиболее применяемые технологии физико-химической очистки сточных вод, выделить основные преимущества в их использовании.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, а именно: дать понятие физико-химическим методам очистки, выделить основные методы физико-химической очистки, описать технологические схемы работы по очистке сточных вод, дать характеристику применяемым при очистке реагентам; сделать выводы о применимости методов при загрязнении сточных вод различными веществами.


ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Общая характеристика физико-химической очистки
сточных вод

Физико-химические методы очистки сточных вод заключаются в изъятии из загрязненных сточных вод тонкодисперсных и растворенных неорганических веществ и в разрушении трудноокисляемых и органических соединений. К тонкодисперсным соединениям относят суспензии и эмульсии, содержащие частицы малого размера; вследствие их малого размера такие частицы практически не осаждаются в воде и остаются во взвешенном состоянии. К растворенным неорганическим веществам относятся: щелочи, сероводород, сульфиды, сульфиты, соли тяжелых металлов, известь, минеральные кислоты и др.
Растворенные неорганические вещества при их поступлении в водные объекты в результате реакций (химических процессов) способны к изменению реакции показателя рН природной среды водоема, к процессам осаждения, приводящих к образованию шламов в водоемах, что пагубно отражается на жизни самого водоема [3].
К физико-химической очистке сточных вод относятся следующие методы: коагуляция, флокуляция флотация, адсорбция, экстракция, выпаривание, ректификация, обратный осмос, дистилляция, кристаллизация и др.
В зависимости от количества сточных вод, поступающих на очистку, концентрации загрязнений, а также с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемым к очищенным сточным водам, на производственных предприятиях (проектируемых или действующих), а также на городских очистных сооружениях, выбирают методы очистки. При этом возможно использовать и несколько методов физико-химической очистки сточных вод.
Методы физико-химической очистки сточных вод имеют преимущества по сравнению с другими методами очистки за счет меньших размеров оборудования и установок. Так, например, при биологической очистке используются аэротенки, первичные и вторичные отстойники, занимающие большие территории. В рассматриваемых методах очистки происходит достижение более глубокой степени очистки, также существует возможность автоматизации процесса, возможна рекуперация различных веществ, т.е. возвращение части материалов для повторного использования в том же технологическом процессе. Недостатками рассматриваемых методов очистки являются зачастую дорогостоящее оборудование, затраты за счет покупки электродов, реагентов, коагулянтов, флокулянтов и др. химических реактивов и приборов.


Методы физико-химической очистки, схемы очистки

2.1.Технология очистки сточных вод методом коагуляции и флокуляции

Для предварительной очистки воды от дисперсных и коллоидных примесей, применяют коагуляцию. Коагуляция – процесс слипания частиц в дисперсных системах, ведущий к уменьшению числа частиц дисперсной фазы, снижению их свободной поверхности и к увеличению массы каждой частицы.
Метод коагуляции заключается в добавлении в загрязненные сточные воды активных коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья размеров от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, которые быстро оседают под действием силы тяжести и обладают способностью улавливать дисперсные или коллоидные частицы и агрегировать их. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность – до 96-99,9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01 - 1,03 т/м3 [5].
Дисперсные или коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, и между ними возникает взаимное притяжение. Чем выше валентность, тем более эффективно коагулирующее действие, т.к. процесс зависит от валентности иона коагулянта, несущего заряд, противоположный знаку заряда частицы. Дисперсные или коллоидные частицы образуют составной электрический слой на поверхности частицы. Первая часть фиксируется в месте раздела двух фаз, а другая – представляет собой скопление ионов. Наблюдается две части слоя: одна  — подвижная (диффузный слой), а другая – неподвижная.
Механизм коагуляции: первая стадия – нейтрализация заряда, что соответствует уменьшению электрических зарядов, которые оказывают отталкивающее действие на коллоиды; вторая стадия – скрытая коагуляция, когда частицы укрупняются, но еще не теряют своей седиментационной устойчивости; третья стадия – явная коагуляция, когда частицы теряют свою седиментационную устойчивость. Если плотность частиц больше плотности дисперсионной среды, то образуется осадок. Схема механизма коагуляции представлена на рис.1.

Рисунок 1 – Схема коагуляции

Метод коагуляции наиболее эффективен в области коллоидной дисперсности, т.е. мельчайших частиц размером от 1 до 100 мкм, находящихся во взвешенном состоянии в поле сил тяжести, выпадающих в осадок [5].
На процесс протекания коагуляции оказывают влияние такие факторы, как: коагулянт, доза коагулянта, значение рН воды до и после введения реагента, температура воды, солесодержание, состав удаляемых примесей. При коагуляции особенно важна стабильность подогрева обрабатываемой воды. Температура воды должна поддерживаться автоматически с точностью до ± 1°С.
Выбор коагулянта и его доза устанавливается индивидуально и экспериментально в зависимости от загрязненности воды. Концентрация коагулянта, при котором происходит быстрая коагуляция, называют порогом коагуляции. Оптимальной дозой коагулянта считается та, которая дает заметную разницу в прозрачности очищенной воды по сравнению с меньшими дозами и небольшую разницу по сравнению с большими. При содержании в воде примерно 100 мг/л взвешенных веществ доза коагулянта составляет 25-35 мг/л [5].
В качестве активных коагулянтов (химических реактивов) используют соли меди, железа, алюминия, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств: хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат двухвалентного железа (травление металлов), известковый шлама и др.
Наибольшее распространение имеют сульфат алюминия, сульфат двухвалентного железа, хлорид трехвалентного железа.
Сульфат алюминия (глинозем) А12(SO4)3 × 18H2O(плотность 1,62 т/м3, насыпная масса 1,05-1,1 т/м3, растворимость в соде при температуре 200С-362 г/л). Процесс коагуляции солями алюминия рекомендуется проводить при значениях рН=4,5-8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увеличивается. Алюминат натрия NaAlO2, оксихлорид алюминия Al2(OH)5Cl, полихлорид алюминия [А12(ОН)nСl6-n]m(SO4)x(где 71<=n<=5m<=10), алюмокалиевые [АlК(SO4)2 ×18H2O] и алюмоаммонийные [Al (NH4) (SO4)2 × 12Н2О] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия.
Сульфат двухвалентного железа, или железный купорос FeSO4 × 7H2O (плотность 3 т/м3, насыпная масса 1,9. т/м3, растворимость в воде при температуре 20 °С-265 г/л). Применение процесса коагуляции оптимально при рН>9. Гидроксид железа - плотные, тяжелые, быстро осаждающиеся хлопья, что является несомненным преимуществом его применения. Также можно использовать хлорид железа FeCl3 × 6H2O. Основные характеристики коагулянтов представлены в табл. 1 [9].

Таблица 2 – Основные характеристики коагулянтов
№ п/п Наименование Химическая формула Объемная масса, т/м3 Содержание активного вещества Растворимость при температуре 10 0С, г/дм3
1 Алюминий сернокислый технический
Al2(SO4)3∙nH2O
1,1-1,4 1 сорт – 45
2 сорт – 43,5
3 сорт – 40,3
335
2 Глинозем сернокислый неочищенный марки БИ
Al2(SO4)3∙18H2O
1,1-1,4
35,5
335
3 Оксихлорид алюминия [Al(OH)5Cl] ∙6H2O 1 40-44 350
4 Алюминат натрия NaAlO2 1,2-1,8 55 370
5 Железо хлорное FeCl3
95-97 818

Схема установки для очистки методом коагуляции представлена на рис.2.

Рисунок 2 – Схема установки для очистки вод коагуляцией:
1 – емкость для коагулянта; 2 – дозатор; 3 – смеситель сточной води и коагулянта; 4 – камера хлопьеобразования; 5 - отстойник

Процесс очистки сточных вод методом коагуляции состоит из стадий: приготовление водных растворов коагулянтов, их дозирование и смешение реагентов со сточной водой, хлопьеобразование с последующим осаждением хлопьев. В реагентное хозяйство на сооружениях по очистки входят склады для хранения коагулянтов, где находятся баки и резервуары (рис.3 [7]).
Приготовление водных растворов реагентов на очистных осуществляют в растворных баках с устройствами для барботажа сжатым воздухом, при этом интенсивность подачи сжатого воздуха должна быть в пределах 4 – 5дм3/с на 1 м2 площади колосниковой решетки [7]. Применяются также баки с лопастными и пропеллерными мешалками для растворения соответственно зернистых и кусковых материалов (размером не более 20 мм).
Из растворных баков растворы коагулянтов перекачивают в расходные баки, из которых долее их дозируют в обрабатываемую воду с помощью дозаторов различных конструкций

. Коагулянты вводят в обрабатываемую сточную воду согласно [8] в виде 1 – 10 %-ных растворов.
Реагенты смешивают с обрабатываемой сточной водой в смесителях в течение 1-2 мин. Для смешения применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды. В механических смесителях – аппаратах с мешалкой, процесс перемешивания должен быть равномерным и медленным, чтобы частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки.
После смешения сточных вод с реагентами сточную воду направляют в камеры хлопьеобразования. Камеры хлопьеобразования по данным [9] служат для плавного перемешивания смеси перерабатываемой воды с растворами коагулянта и обеспечения более полной агломерации более мелких хлопьев коагулянта в крупные хлопья. Используют перегородчатые, вихревые и с механическими перемешиванием.

16764026035


443865129540


Рисунок 3 – Баки для мокрого хранения коагулянта: 1 – кусковой коагулянт; 2,3,4 – подача соответственно воды, пара и сжатого воздуха; 5 – насос для перекачки раствора в расходные баки; 6 – выпуск в канализацию; 7 – подача воды для смывания осадка
Перегородчатые камеры представляет собой резервуары, разделенные перегородками на ряд последовательно проходимых водой коридоров. Данные камеры могут быть горизонтальными и вертикальными (рис.4 [8]). Перемешивание осуществляется за счет восьми – десяти поворотов. Скорость воды в коридорах принимают по данным [4] 0,2-0,3 м/с. Продолжительность пребывания воды в камере составляет 20 – 30 мин. Высота камеры определяется высотой отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.
Вихревые (водоворотные) камеры хлопьеобразования представляют собой цилиндр, в верхнюю часть которого из смесителя вводится сточная вода с вращательной скоростью на выходе из сопла 2 – 3 м/с. В нижней части камеры перед выходом в отстойник находятся гасители вращательного движения воды. Продолжительность пребывания воды в камере составляет 1463040117094015 – 20 мин.


1301115262255


Рисунок 4 – Перегородчатая камера хлопьеобразован с горизонтальным движением обрабатываемой сточной воды: 1,2 – отводной канал соответственной сточной воды и осадка; 3,4 – шиберы соответственно для отключения части коридоров камеры и выпуска осадка

В камерах механического перемешивания с лопастными мешалками продолжительность пребывания воды 20 – 30 мин, скорость движения воды 0,15 – 0,2 м/с [8].
Если в производственных сточных водах концентрация взвешенных веществ, способных к агрегации, по данным [8] не превышает 4 г/дм3, то применяют осветлители со взвешенным слоем осадка (рис.5 [9]). В осветителях происходят три основных процесса: смешение, коагуляция и осветление сточных вод. В основу работы осветлителей положен принцип контактной коагуляции в слое взвешенного осадка. При поддержании определенной скорости восходящего потока воды формируется слой взвешенного осадка из скоагулированой взвеси в виде мелких хлопьев. Этот слой играет роль фильтра, способствуя лучшему осветлению воды и обесцвечиванию за счет более полного использования адсорбционной емкости хлопьев. При движении сточной воды через взвешенный слой увеличивается эффект задержания мелких суспензированных частиц. Для обеспечения нормальной работы осветлителя сточную воду после смешения с коагулянтом направляют в воздухоотделитель.
Избыток шлама, накапливающегося в осветлителе, перетекает под действием разности плотностей осветленной воды и взвешенного слоя в осадкоуплотнитель (осветлители с естественным откосом шлама) или отсасывается вследствие разностей уровней отбора воды из рабочей камеры и уплотнителя (осветлитель с принудительным отсосом избытка шлама). Осветлители второй конструкции работают эффективнее.

99885594615


Рисунок 5 – Осветлители со взвешенным слоем осадка: 1 – воздухоотделитель; 2 – опускные трубы; 3 – осадкоотводные трубы или окна; 4 – осадкоуплотнитель; 5,6 – трубопроводы соответственно выпуска осадка и отвода осветленной воды из осадкоуплотнителя
Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавленных веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. Данный процесс является необратимым по сравнению с коагуляцией.
В качестве высокомолекулярных водорастворимых флокулянтов используют неорганические полимеры (полимерную кремниевую кислоту), природные полимеры (производные целлюлозы, крахмал и его производные) и синтетические органические полимеры (полиэтиленоксид, поливиниловый спирт, поливинилпиридины, полиакриламидные флокулянты).
Основные характеристики наиболее часто применяемых флокулянтов для очистки сточных вод приведены в таблице 2 [9].
Таблица 2 – Основные характеристики флокулянтов
№ п/п Наименование Состав Содержание активного вещества Растворимость при температуре 10 0С, г/дм3
1 Полиакриламид (ПФ) синтетический полимер 7-10, ПАА полная
2 Флокулянт серии К-4 синтетический полимер 10-16% раствор полная
3 Флокулянт серии ВА-2 синтетический полимер 7-15% раствор полная

Среди синтетических полимеров наибольшее распространение и применение получила группа полиакриламидных флокулянтов (ПФ). Это обусловлено их высокой флокулирующей способностью, доступностью, сравнительно низкой стоимостью и малой токсичностью. ПФ используются для регулирования устойчивости дисперсных систем в различных производственных процессах и для очистки промышленных сточных вод, что способствует решению различных технологических задач и экологической проблемы защиты окружающей среды, и в частности природных водоемов от загрязнений.
Один из вариантов принципиальной технологической схемы очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией представлен по данным [7] на рис.6. Коагулянт (например, сульфат алюминия), доставляемый на склад автомашинами 1, разгружают на колосниковые решетки баков 2 для сухого и мокрого его хранения. По мере необходимости баки заполняют водой и производят растворение коагулянта. Для интенсификации процесса растворения в баки подают сжатый воздух через систему перфорированных труб. После получения требуемой концентрации раствор насосом 4 перекачивается в один из растворных баков 3. Дозирование раствора коагулянта в сточную воду производится дозировочным насосом 11. Флокулянт (например, полиакриламид) со склада 7 подается на загрузку в реактор 8, оборудованный системой обогрева и мешалками. Приготовленный раствор флокулянта сливается в расходный бак 9, из которого дозировочным насосом 10 подается в сточную воду. Сточная вода и растворы коагулянта и флокулянта поступают в смеситель 12, затем в камеру хлопьеобразования 13, а оттуда на сооружения механической очистки для отделения хлопьев от воды.

71056540005


Рисунок 6 – Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией:1 — автомашина; 2 — баки для сухого и мокрого хранения коагулянта; 3 — расходные баки для раствора коагулянта; 4 — насос для перекачки раствора коагулянта в расходные баки; 5 — воздуходувка; 6 — насос для откачки шлама; 7 — склад флокулянта; 8 — реактор с мешалками для приготовления раствора флокулянта; 9 — расходный бак для флокулянта; 10 — дозировочный насос для раствора флокулянта; 11 — дозировочный насос для раствора коагулянта; -12 — смеситель; 13 — камера хлопьеобразования

Композиционные реагенты, применяемые при очистке коагуляций и флокуляцией, по компонентному составу делят на следующие группы: композиционные неорганические коагулянты, композиционные органические флокулянты и коагулирующе-флокулирующие композиции.
По данным [10] ОАО «Сорбент» при участии Пермводоканала и Пермэнерго разработал композиционный реагент на основе сульфата алюминия и полиакриламида марки СА-3Н-600, который позволяет упростить технологию водоочистки и повысить ее эффективность на станциях, не имеющих отдельного узла приготовления растворов флокулянта. Данный реагент прошел промышленные испытания на одной из ТЭЦ Пермэнерго с положительным результатом. В НИИ ВОДГЕО согласно работе [10] разработана и запатентована серия органо-минеральных коагулянтов серии ЛКР для очистки концентрированных сточных вод.
Эффективность коагулирующе-флокулирующих композиций определяется аддитивным (самостоятельным) или синергетическим эффектом входящих в них компонентов. При использовании для очистки вод композиционных алюмокремниевых коагулянтов в них самостоятельно проявляются флокулирующие свойства активной кремниевой кислоты и коагулирующее действие соединений алюминия.
Композиционные реагенты изготавливают путем смешения отдельных компонентов или их растворов или переработкой смешанного сырья, отходов производства. Использование последних позволяет дополнительно решать экологические проблемы, связанные с утилизацией отходов. К известным торговым маркам коагулирующе-флокулирующих композиций по данным [11] относятся немецкие коагулянты марок Bets, Efapur.Polysorb, отечественные реагенты марок АКФК, «Оседон», ЛКР, коагулянт DREWO на основе соли цинка (Италия).
Применяются методы коагулиции и флокуляции при очистке сточных вод, образующихся в химической промышленности, нефтехимической, на целлюлозно-бумажных комбинатах. Главными недостатками метода коагуляционной очистки сточных вод являются значительный объем коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемой сточной воды.

2.2.Технология очистки сточных вод методом флотации
Метод флотации применяется для очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты, масла жиры и другие вещества, которые не растворяются в воде, и имеют плотность близкую к плотности самой воды