Виды осадков - вредных примесей, шлаков в питьевых и сточных водах.

Введение

Осадки сточных вод представляют собой сложную многокомпонентную систему, состоящую из органической и минеральной частей. Осадки городских сточных вод содержат большое количество патогенных микроорганизмов, токсичных компонентов, например, соединений тяжелых металлов, часто их содержание превышает ПДК металлов в почве. Объем влажного осадка, который образуется на очистных сооружениях, достигает 0,5…1,0% от объема сточной воды. Качество осадка сточных вод определяется нормами водоотведения, эффективность работы локальных очистных сооружений предприятий. Объемы осадков постоянно растут и являются мощным загрязнителем окружающей среды.
Одной из наиболее распространенных проблем, с которыми сталкиваются люди во всем мире, является недостаточный доступ к чистой воде и санитарии. Ожидается, что проблемы с водой будут усугубляться в ближайшие десятилетия, причем дефицит воды будет иметь место во всем мире, даже в регионах, которые в настоящее время считаются богатыми. Решение этих проблем требует проведения огромного количества исследований для определения надежных новых методов очистки воды с меньшими затратами энергии, в то же время сводя к минимуму использование химических веществ и воздействие на окружающую среду.


Виды и состав осадков
Практически любые сточные воды содержат некоторый осадок. Осадок – это водная суспензия органических и неорганических веществ разного состава и происхождения, которые выделятся из сточных вод при их механической, биологической или физико-химической обработки. Главным образом осадок представляет собой полидисперсную суспензию, которая трудно поддается обезвоживанию [12]. Вода в осадках может быть связана химически, физико-химически и физико-механически с твердыми частицами.
По своему химическому составу можно выделить:
минеральные песок, глинистые частицы, масла, кислоты, щелочи, соли
органические зольность <10% (бытовые отходы, нефтепродукты, волокна)
смеси смеси органических и минеральных веществ, зольность 10…60%.

В зависимости от технологии очистки сточных вод выделят:
осадок с решеток;
осадок из песколовок;
осадок первичных отстойников;
активный ил после биоочистки в аэротенках;
биологическая пленка отстойников после биофильтра;
осадок первичных отстойников после коагуляции или флокуляции;
активный ил после с коагуляции;
смесь разных видов осадков и ила.
Температура осадков в зависимости от технологии очистки может быть 12…200С, а кислотность среды рН= 6…8. Кроме того выделяют первичные и вторичные осадки [2].
К первичным относят грубодисперсные осадки, механической очисткой: процеживанием, седиментацией, фильтрацией, флотацией, осаждением. К вторичным осадкам относят осадки, которые находились в воде в виде коллоидов, молекул и ионов, но при биологической, физико-химической обработки выделены в твердую фазу [2].
Обобщим классификацию осадков (табл. 1).
Таблица 1 – Классификация осадков сточных вод [2]
Группа осадков Типы осадков Сооружения и оборудования, отделяющие осадки Гранулометрический состав, в % от массы сухого вещества осадка
Первичные осадки
I Осадки грубые (отбросы) Решетки, сита Частицы размером ˃10 мм – 93%, <10 мм – 7%
II Осадки тяжелые Песколовка Размеры частиц 0,5…3 мм
III Осадки легкие плавающие Жироловки, отстойники –
IV Осадки, полученные после механической очистки Отстойники первичные, осветлители Частицы размером ˃7…10 мм – 5…20%, 1…7мм – 9…33%, <1 мм – 50…88%
Вторичные осадки
V Активный ил Вторичные отстойники после аэротенка, биофильтра, сооружений физ.-хим. очистки Частицы размером <1 мм – 98%, 1…3 – 1,5…1,8%, ˃3 мм – 0,4…0,6%
VI Осадки сброженные, после обработки в анаэробных перегнивателях, метантенках, и осадки, которые стабилизированы в аэробных стабилизаторах Метантенк, осветлитель, двухъярусный отстойник, септик Частицы размером <1 мм – 85%, ˃1 мм – 15%


Аэробный стабилизатор Частицы размером <1мм – 98…98,5%; 1…3мм – 1,2…1,6%; ˃3 мм – 0,1…3%
VII Уплотненные осадки, подвергнутые сгущению до влажности 90…98% Уплотнители: гравитационные, термогравитационные, флотационные, сепараторы Частицы размером <:
0,15 мм –90%, 0,15…1 мм –10%
VIII Осадки обезвоженные, влажность до 80…40% Иловые площадки, вакуум-фильтры, центрифуги, фильтр-прессы и т.д. -
IX Осадки сухие, после сушки, влажность 5…40% Сушилки: барабанные, вальцовые, с кипящим слоем, со встречными струями -
Грубые (крупные) осадки задерживаются решетками. В их состав входят крупные взвешенные частицы, главным образом, органического происхождения: бумага – 68,5%, текстиль – 26,6%, дерево, солома – 2,0%, кухонные пищевые отходы – 2,7%, кости – 0,3% [2].
Собранные отходы ранее дробились и выпускались в канал перед решеткой. В данное время практикуется прессование отходов, далее они помещаются в герметичные контейнеры и вывозятся на утилизацию. Переработка данных отходов может выполняться в метантенках, на пиролизных установках вместе с другим осадком или подлежит компостированию.
При этом в метантенке могут идти следующие процессы [3]:

Метанообразующие и сульфатредуцирующие бактерии конкурируют. В первую очередь образуется H2S, а далее – CH4 и CO2.
Тяжелые осадки собираются песколовками. В их составе: песок, кирпич, уголь, стекло и т.п. Объем такого осадка 0,02…0,03 л/чел. сут., объемная масса – 1,5 т/м3, влажность 60%.
Легкие плавающие осадки, которые задерживаются жироловками, поднимаются на поверхность в отстойнике. Количество 2 л/чел. год при влажности 60% и объемной массе 0,6 т/м3.
Осадки сырые задерживают первичными отстойниками

. Обычно такие осадки студенистые, вязкие суспензии с кислым запахом. Органические часть в них порядка 75…80%. Влажность осадка после 2-х часового отстаивания составляет 95…96%, а при собирании плунжерным насосом – 94…95% [2]. По механическому составу такие осадки из первичных отстойников чрезвычайно неоднородны. Размер частиц варьирует от 10 мм до частиц коллоидной и молекулярной дисперсности.
Активный ил, который образуется во вторичных отстойниках после аэротенков, содержит микроорганизмы и простейшие и обладает свойством флокуляции. Активный ил оседает в виде хлопьевидной массы бурого цвета. Влажность активного ила, достигает 99,2…99,6%, после биофильтра – 96…96,5% [12].
Шламы из отстойников после физико-химической очистки, подвергают реагентной обработке, фильтрованию, электролизу, адсорбции, ионному обмену, обратному осмосу.
Осадки сброженные в анаэробных условиях (в метатенках) отличает высокая текучесть, запах сургуча или асфальта, темно-бурый цвет. В метантенках при разложении осадков выделяется метан [13].
Осадки из аэробных стабилизаторов. Степень распада органических веществ при аэробной стабилизации намного меньше, чем в анаэробных условиях. После аэробной стабилизации осадок необходимо обеззараживать.
Осадок может содержать канцерогенные и токсичные компоненты, соли тяжелых металлов, синтетические ПАВ и др.
Осадки производственных сточных вод делят на инертные и токсичные, стабильные и нестабильные.
По степени опасности выделяют осадки [1]: чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренно опасные, малоопасные.
Такая классификация опасности основывается на ПДК в почве.
По воздействию на окружающую среду выделяют четыре класса осадков в процессе очистки производственных сточных вод на промышленных предприятиях [4].


Свойства осадков. Химический состав

Осадки, полученные при очистке сточных вод, отличаются по составу и свойствам.
Большинство исследователей настаивают на обязательно определении ХПК осадка [6, 18, 20, 21, 22], которое колеблется в интервале 12600…29800 мг/дм3. Общее количество взвешенных веществ колеблется в широком диапазоне: от 7 100 [22] до 32 400 мг/дм3 [21].
Сравнение данных различных зарубежных исследователей проведено в работе [6]. Зарубежные ученые делают акцент на химическом составе осадка, ими проводится более широкий спектр изучаемых параметров, причем не как твердой фракции осадка, так и жидкой. В России гидрохимический анализ осадков сточных вод сводится в первую очередь к определению дозы ила по [7], илового индекса [8] и зольность [9].
Большая часть сухого вещества осадка представляет собой органические вещества. Органическая часть ила имеет белковое происхождение (до 50%), содержание жиров и углеводов колеблется до 30-10%. Органическая часть осадков поддается гниению, при этом повышается доля коллоидных и мелкодисперсных частиц, уменьшается водоотдача осадков. Основная часть сырого осадка, уплотненного активного ила, сброженного осадка это вода, плохо отделяющаяся от минеральных и органических частиц. Осадки содержат 90-99% влаги.
Свободную воду удаляют сушкой, фильтрацией или отжимом [10].
Коллоидно-связанная или связанная вода удаляется сложнее. Полное удаление достигается только сушкой при высоких температурах.
Гигроскопическая вода не удаляется даже при термической сушке, а удаляется только при сжигании осадка.
Общее влагосодержание в осадке характеризуется «влажностью». Для транспортировки осадка влажность не должна превышать 83% [10].
Водоотдача осадка характеризуется показателем удельного сопротивления. Чем больше удельное сопротивление, тем сложнее происходит процесс фильтрации и обезвоживания. Удельное сопротивление уменьшают химическими реактивами, действием тепла или холода.
Сухое вещество осадка из первичных отстойников имеет следующий элементарный состав, %: С – 35,4…87,8%; Н– 4,5…8,7%; S– 0,2…0,7%; N– 1,8…8%; O– 7,6…31,4%. Сухое вещество активного ила содержит: 44…75,8% C; 5,6…8,2% H; 0,9…2,7% S; 3,3…9,8% N; 12,5…43,2% O [13].
Общий химический состав осадков в процессе очистки муниципальных сточных вод приведен в табл. 2, а в табл. 3 приведен химический состав их минеральной части [2]. В осадках сточных вод могут также содержаться Pb, Co, Cd, Hg и другие элементы.
Таблица 2 – Общий химический состав осадков, % к абсолютно сухому веществу [2]

* В сырых осадках в основном присутствуют белковые вещества, а в сброженных - гуминовые соединения.
Таблица 3 – Химический состав минеральной части осадков, % к абсолютно сухому веществу [12]


Обобщенные показатели первичных и вторичных осадков городских очистных сооружений даны в таблице 4 [12].
Таблица 4 – Показатели осадков станций очистки городских сточных вод

Вопросом изучения состава осадков сточных вод городской канализации занималась Якимова Т.С. [13] (табл. 5).
Таким образом, доказано, что осадки городских сточных вод имеют в своем составе большое количество микроэлементов (тяжелых металлов).
При хранении осадков на иловых площадках в их составе уменьшается содержание углерода из-за аэробных (в верхних слоях) и анаэробные (в нижних слоях) процессов, в результате чего углерод выделяется в виде СО2 и СН4.

Таблица 5 – Состав осадков городских сточных вод [13]

Образование осадков в сточных водах

Осадок образуется при известковании воды. Этот метод применяется для умягчения жесткой воды. Химизм процесса можно описать следующим образом:
Са(НСO3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + 2H2O;
Mg (HCO3)2 + 2Са(ОН)2 → Mg (ОН)2↓ + 2CaCO3↓ + 2Н2О.
MgSO4 + Са(ОН)2 → Mg(OH)2↓+ CaSO4;
MgCl2 + Са(ОН)2 → Mg(OH)2↓ + СаСl2.
Известково-содовый способ умягчения воды проводят таким образом:
Са(НСO3)2 + Са(ОН)2 → 2СаСО3↓ + 2H2O;
Mg (HCO3)2 + 2Са(ОН)2 → Mg (ОН)2↓ + 2CaCO3↓ + 2Н2О.
CO2 + Са(ОН)2 → CaCO3↓ + Н2О.
За счет обменных реакций выпадают в осадок соли кальция:
CaSO4 + Na2CO3→ CaCO3↓+ Na2SO4;
MgСl2 + Na2CO3 → MgCO3↓+ 2NaCl.
При избытке извести MgCO3↓ превращается в гидроксид магния:
MgCO3 + Са(ОН)2 → CaCO3↓ + Mg (ОН)2↓.
Содонатровый способ обработки сточных вод:
Са(НСO3)2 + 2NaOH → CaCO3↓ + Na2CO3 + 2H2O;
Mg(НСO3)2 + 2NaOH → Mg(OH)2↓ + Na2CO3 + CO2↑ + H2O;
СаSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ +Na2SO4.
Реакции в основе фосфатного доумягчения:
3Са(НСО3)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓+ 6NaHCO3;
3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓+ 6NaHCO3;
3СаСl2 + 2Na3PO4 → Са3(РО4)2↓+ 6NaCl;
3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓+ 3Na2SO4.
При оксалатном способе обработки сточной воды:
CaSO4 + Na2C2O4 → CaC2O4↓ + Na2SO4;
Ca(HCO3)2 + Na2C2O4 → CaC2O4↓ + NaHCO3.

Для обезжелезивания применяют аэрирование:
4FeSO4 + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3↓ + 4H2SO4
Fe(HCO3)2 +2H2O → Fe(OH)2 + 2CO2 + 2H2O
4Fe(OH)2↓ + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓
Известкование также используется для уменьшения содержания железа:
4 Fe(HCO3)2 + 8 Ca(OH)2 + O2 → 4 Fe(OH)3↓ + 8 CaCO3 + 6H2O
FeSO4 + Ca(OH)2 → Fe(OH)2 + CaSO4
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓
Авторами [15] описан процесс обработки сточных вод с помощью реактива Фентона