Очистка промышленных сточных вод

Методы очистки производственных сточных вод подразделяются на механические, химические, физико-химические и биологические.

В самом общем виде последовательность этапов очистки стоков можно представить следующим образом:

1. усреднение стоков. Оно может осуществляться не только на самом начальном этапе – при очистке от грубодисперсных примесей, но и на всех последующих этапах – там, где имеется неравномерность состава и расхода стоков и где целесообразно слияние близких по составу стоков (с разных участков производства) перед очередным этапом очистки;

2) очистка от грубодисперсных веществ: решётки, песколовки, отстойники, аппараты, основанные на отделении твёрдых примесей в поле действия инерционных сил (напорные гидроциклоны, центрифуги), флотация;
3) очистка от коллоидно-дисперсных примесей (коагуляция, электро-коагуляция);
4) регулирование кислотности (щёлочности) стоков, например, с помощью известкования (нейтрализация);
5) фильтрование на зернистых насыпных, например, песчано-гравийных фильтрах – для очистки от тонкодисперсных примесей (частиц), имевшихся в исходных стоках или образовавшихся на предыдущих этапах очистки.

Совокупность предыдущих этапов очистки стоков в отечественной специальной литературе часто называют предочисткой. Она важна и сама по себе, и для осуществления последующих этапов очистки (если они необходимы) – от истинно растворенных примесей в виде отдельных ионов, молекул или комплексов молекул. Аппаратные средства для их удаления чрезвычайно чувствительны к водным гетерогенным системам и быстро выходят из строя при появлении в стоках эмульсий, суспензий, коллоидных примесей;

6) очистка стоков от молекулярных примесей, например, путём дегазации, адсорбции, экстракции;
7) очистка от вредных веществ, находящихся в стоках в ионном состоянии: перевод ионов в малодиссоциирующие соединения; нейт-трализация; окисление; образование комплексных ионов и перевод их в малорастворимое состояние; ионитная фильтрация (ионный обмен); сепарация ионов при изменении фазового состояния воды, например, дистилляция; ультрафильтрация; электродиализ; воздействие магнитных и акустических полей и др.;
8) на заключительном этапе очистки может быть предусмотрено повторное фильтрование – для очистки стоков от дисперсных примесей, образовавшихся на этапах очистки от истинно растворенных примесей, а также обезвреживание (дезинфекция) очищенных стоков от патогенных организмов (микроорганизмов), особенно в тех случаях, когда в системе очистки стоков производства имеются устройства биологической очистки, могущие быть очагом распространения патогенных микроорганизмов;
9) биологическая очистка применяется для очистки стоков от органических примесей: сточные воды пропускаются через устройства (аэротенки, например), насыщенные мощными колониями специально подобранных микроорганизмов, которые извлекают органические вещества из стоков для питания и, таким образом, минерализуют органические примеси. Для интенсификации процессов стоки обогащаются кислородом (окситенки). Минерализация органических примесей могла бы произойти естественным образом в самом водоёме. Но это привело бы к резкому уменьшению содержания кислорода в воде и к дестабилизации (гибели) экосистемы водоёма. С помощью устройств и сооружений биологической очистки процесс минерализации выносится, таким образом, за пределы водоёма.

Для механической очистки применяют следующие сооружения: решетки, на которых задерживаются грубые примеси размером больше 5 мм; сита, задерживающие примеси СВ размером до 5 мм; песколовки, служащие для задержания минеральных загрязнений СВ, преимущественно песка; жироловки, маслоловушки, нефтеловушки, смололовушки для улавливания из СВ соответствующих загрязнений, более легких, чем вода; отстойники для осаждения взвешенных веществ с удельным весом больше единицы.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседают на дно. В соответствии с закономерностями гидравлики потока песчинки уносятся вместе с водой только при определенной скорости течения. При снижении этой скорости крупицы песка оседают на дно резервуара, а вода течет дальше.

Песколовки бывают горизонтальные, в которых вода движется в горизонтальном направлении, вертикальные, в которых вода движется вертикально вверх и круглые с винтовым (поступательно-вращательным) движением воды.

В последних песколовках происходят процессы, аналогичные явлениям, наблюдаемым в чайной чашке. При перемешивании налитого в чашку чая чаинки собираются в центре чашки. При круговом движении СВ в круглой песколовке крупные частицы песка аналогичным образом собираются в ее центре. Через устроенное в центре песколовки отверстие они попадают в специальную камеру.

При механической очистке из производственных СВ путем процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90% нерастворимых механических примесей различного характера (песок, глинистые частицы, окалина и другие), а из бытовых СВ - до 60%.

В целях очистки СВ от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания, который в данном случае основан на способности самопроизвольного разделения воды и нефтепродуктов. Частицы последних под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму, и их размеры находятся в диапазоне от 2 до 3 102 мкм. В основе процесса отстаивания лежит принцип выделения нефтепродуктов под действием разности плотностей воды и частиц масла. Содержание нефтепродуктов в стоках находится в широких пределах и составляет в среднем 100 мг/л.

Выделение нефтепродуктов производится в нефтеловушках. Грязная вода подается в приемную камеру и, пройдя под перегородкой, попадает в отстойную камеру, где и происходит процесс разделения воды и нефтепродуктов. Очищенная вода выводится из нефтеловушки, а нефтепродукты образуют пленку на поверхности воды и удаляются специальным устройством. Подобным образом устроены жироловушки, маслоловушки и смололовушки, использующие принцип разности плотности воды и загрязнений, более легких (например, масло), чем вода.

Химические методы применяются для очистки производственных СВ. Основными приемами являются нейтрализация и окисление-восстановление, они могут применяться и как самостоятельные, и как вспомогательные в сочетании с другими.

Производственные технологические процессы проходят как в кислых (избыток ионов Н+), так и в щелочных (избыток ОН-) средах, что приводит к появлению соответствующих стоков. Сбалансировать количество ионов Н+ и ОН- — в этом состоит суть метода нейтрализации при очистке стоков.

Рациональным является взаимное объединение кислых и щелочных стоков. Водоотведение кислых и щелочных стоков по единой системе трубопроводов не всегда целесообразно, так как это может вызвать выпадение осадков в трубах и, как следствие, засорение сети.

В целях нейтрализации кислых вод применяют щелочные реагенты: известь СаО, гашеную известь Са(ОН)2, кальцинированную соду Na2CО3, каустическую соду NaOH, аммиачную воду, а также фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, магнезит, мел).

Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются кислоты: серная, соляная, азотная, реже уксусная. Возможно использование для этих целей также дымовых газов, содержащих СО2 SО2, NО2.

Сточные воды, содержащие окисленные переменновалентные элементы (Cr+6, Cl-, Cl+5, N-3, N+5 и др.), обезвреживаются в две ступени. На первой элементы, находящиеся в высшей (или высокой) степени окисления, восстанавливаются до низшей (или промежуточной) валентности, при которой данный элемент на второй ступени очистки может быть выделен из жидкой фазы в виде осадка, газа или переведен в малотоксичную форму.

Окислительный метод используется при очистке промышленных СВ от токсичных цианидов, сульфидов, меркаптанов, фенолов, крезолов и т.д. Реагентами являются хлор и его производные (гипохлориты, диоксид, хлораты), кислород, озон, перманганаты, хроматы и бихроматы, пероксид водорода. Восстановительный метод применяется для очистки СВ от нитритов и нитратов, хроматов и бихроматов, хлоратов и перхлоратов, сульфатов, броматов, йодатов. Восстановителями в этом случае служат окисленные переменновалентные элементы, содержащиеся в сульфитах, сульфидах, солях двухвалентного железа, диоксиде серы (из дымовых газов).

Физико-химические методы также в основном применяются для очистки производственных СВ. Однако в последнее время некоторые из них стали использоваться и при очистке городских СВ. К ним относится, в частности, коагуляция — процесс укрупнения коллоидных частиц в жидкости за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. При первоначальном размере частиц 0,001 — 0,1 мкм после коагуляции их величина достигает 10 мкм и более, т.е. тех размеров, при которых они могут быть выделены механическими методами. Коагуляция не только приводит к слипанию частиц, но и нарушает агрегативную устойчивость полидисперсной системы, в результате чего происходит разделение твердой и жидкой фаз.

Разновидностью коагуляции является процесс флокуляции — укрупнение мелкодисперсных частиц за счет электростатического взаимодействия под влиянием специально вводимых полиэлектролитов — флокулянтов. В практике водоочистки наибольшее распространение получили активированная кремнекислота и полиакриламид (ПАА). Доза коагулянтов и флокулянтов зависит от состава обрабатываемых вод и уточняется при пусконаладочных работах на очистных сооружениях.

Флотация — процесс выделения из воды в пенный слой взвешенных и эмульгированных загрязнений в результате прилипания к пузырькам газа, подаваемого снизу в очищаемой жидкости.

Сорбция — метод глубокой очистки производственных СВ от растворенных органических и некоторых неорганических загрязнений. В процессах водообработки она может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими биологическими, химическими методами. Сорбция позволяет не только выделить и сконцентрировать загрязнения из СВ, но и утилизировать их в технологическом процессе, а очищенные воды использовать в оборотном водоснабжении.

Механизм адсорбции заключается в переходе молекулы растворенного вещества из объема жидкости на поверхность твердого сорбента под действием его силового поля. В качестве сорбентов используют различные естественные и искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и др. Особенно широко для этих целей применяются активированные угли, удельная поверхность адсорбции достигает 400—900 м2/г.

Для концентрированных СВ, содержащих органические загрязнения, представляющие техническую ценность, эффективным методом очистки является экстракция. Она основана на смешивании двух взаимонерастворимых жидкостей (одна из которых сточная вода) и распределении в них, согласно растворимости, загрязненного вещества.

В качестве экстрагентов используют различные органические вещества: ацетон, хлороформ, бутилацетат, толуол и т.д. Разделение экстрагента и экстрагированного вещества производится перегонкой смеси. Это определяет одно из основных требований выбора экстрагента: разная температура кипения экстрагента и выделяемого вещества. После разделения смеси экстрагент вновь используется в цикле очистки вод, а вещество утилизируется.

Ионный обмен — извлечение катионов и анионов из растворенных в СВ загрязнений при помощи ионитов, являющихся твердыми природными или искусственными материалами (например, искусственные ионообменные смолы). Извлеченные при помощи ионного обмена вещества в дальнейшем утилизируются или уничтожаются. Катиониты вступают в обмен с катионами, аниониты — с анионами.

Несмотря на эффективность и экологичность, ионообменный метод не нашел широкого применения в промышленности из-за дефицита ионообменных смол и необходимости организации реагентного хозяйства для регенерации ионитов.

Биологический метод, описанный выше, является наиболее экологически чистым из всех методов. Один из основных принципов экологии — «природа знает лучше» — реализуется здесь микробными сообществами путем превращения сложных экологически опасных веществ в простые, безвредные.