Сточные воды и их очистка

Механическую очистку  проводят для выделения из сточной  воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем  процеживания, отстаивания и фильтрования.

Для задержания крупных загрязнений  и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита. Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают.

Сооружения, в которых  при отстаивании сточных вод  выпадают тяжелые частицы, называются песколовками.

Сооружения, в которых  при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих  веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и др.

Фильтрование применяют  для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала  или химических материалов, имеющих  определенную пористость. При прохождении  сточных вод через фильтрующий  материал на его поверхности или  в поровом пространстве  задерживается  выделенная из сточной воды  взвесь.

Механическую очистку  как самостоятельный метод применяют  тогда, когда осветленная вода после  этого способа очистки может  быть использована в технологических  процессах производства или спущена  в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных  вод (Справочник по очистке природных и сточных вод…, 1994).

3.2. Физико-химические  методы очистки сточных вод.

Промышленные сточные  воды многих производств представляют собой низкоконцентрированные эмульсии или суспензии,  содержащие мелкодисперсные частицы размером от 0,1 до 10 мкм и более, а также коллоидные частицы (0,001-0,1 мкм). Применяемые типичные механические методы очистки позволяют обычно выделять частицы крупнее 50 мкм. Для очистки же от тонких дисперсий и коллоидов используют коагуляцию и флокуляцию,  обусловливающие слипание частиц с образованием крупных агрегатов,  которые уже затем легко удаляются механическими методами.

Наибольшее практическое значение для очистки воды имеет  коагуляция,  когда  снижение (исчезновение)  энергетического барьера, препятствующего  слипанию частиц, происходит за счет повышения  концентрации электролитов. Из  строения  двойного  электрического слоя мицелл лиофобных коллоидов ясно, что  коагулирующим действием обладают только те ионы, заряд которых противоположен заряду частиц, - так называемые коагулирующие  ионы. Для золей с отрицательно заряженной поверхностью частиц коагулирующими являются катионы,  для  золей  с  положительно  заряженными  частицами - анионы.

Чтобы вызвать коагуляцию золя,  необходимо  превысить  некоторую максимальную концентрацию ионов коагулянтов - порог коагуляции. Согласно правилу Шульца-Гарди, обоснованному  теоретически Б.В. Дерягиным, коагулирующая  сила иона  тем  больше,  чем  выше величина его заряда. По экспериментальным  данным, собранным Овербеком, соотношение средних пороговых концентраций одно-,  двух-,  трех-  и четырехзарядных анионов для золя Alсоставляет 1:0,012:0,0015:0,0010. Коагулирующая сила ионов одинаковой зарядности зависит от их радиуса и энергии гидратации.

Коагуляция наступает  обычно не в изоэлектрической точке,  а после снижения заряда частиц до некоторой критической величины. Причем адсорбция коагулирующих  ионов не превышает к этому  моменту половины предельной величины адсорбции. 

Развитие коагуляционных процессов приводит к образованию сверхмицеллярных (вторичных) коллоидных структур. Возникновение этих структур вызвано тем, что агрегаты частиц золей гидроокисей железа и алюминия имеют неправильную форму, вследствие чего на отдельных участках их поверхности снижен термодинамический потенциал и мала концентрация потенциалопределяющих ионов. При соприкосновении этих участков происходит слипание агрегатов. С другой стороны, участки с повышенным потенциалом, принадлежащие различным частицам, отталкиваются друг от друга, раздвигая агрегат. Равновесие между силами сцепления частиц и отталкивания приводит к формированию структур,  состоящих из  пространственных ячеек,  внутри  которых заключена вода. При достаточной концентрации дисперсной фазы такие вторичные структуры охватывают весь объем раствора.

Важное свойство коагуляционных структур - тиксотропная обратимость или тиксотропия,  под которой понимают  способность структур восстанавливаться после их механического разрушения. При неполной стабилизации частиц в местах их контакта сохраняются водные прослойки небольшой толщины. Прослойки снижают прочность структуры, но, обладая «смазочной» способностью,  придают ей пластичность.  Чем  тоньше  прослойка, тем менее прочна структура,  но  тем  полнее  происходит  ее  восстановление после разрушения. На скорость восстановления влияют рН среды и размер первичных частиц. Повышение температуры и медленное перемешивание способствуют тиксотропному восстановлению. Свежеосажденные коагулянты солей алюминия и железа могут быть без ущерба подвергнуты перемешиванию с довольно высоким скоростным градиентом.  Однако по мере старения  тиксотропные свойства гелей ухудшаются. (Василенко, Никифоров…, 2009).

Некоторые ВМВ и ПАВ  при определенных концентрациях  способны самостоятельно,  без  добавления  неорганических  электролитов,  вызывать агрегацию частиц лиофобных коллоидов. Объединение частиц в агрегаты в  этом случае осуществляется в дополнение (а иногда взамен)  к непосредственному  контакту частиц за счет их взаимодействия через молекулы органических веществ. Такие вещества получили название флокулянты, а разделение фаз коллоидных систем с их помощью назвали флокуляцией.

Введение химической обработки  воды коагулянтами было достаточно знаменательным этапом в разработке методов очистки  воды.

Однако сейчас, когда постоянно  повышаются требования к качеству очищенной  воды,  стали  очевидны  некоторые  существенные  недостатки химической технологии очистки воды.

Общий недостаток всех методов  очистки воды с применением коагулянтов  заключается в том, что в условиях постоянно изменяющегося качества воды в источнике технологический  режим работы очистных сооружений становится часто нерегулируемым.

Подбор дозы коагулянта может  обеспечить требуемый эффект очистки. Но,  в  зависимости  от  многих  изменяющихся  параметров, эффективность  работы аппаратуры, нагрузка на нее, продолжительность  фильтроциклов и скорость меняются.

Недостаточная эффективность  аппаратуры во многом определяется такими недостатками коагулянтов,  как медленный  гидролиз и малая скорость хлопьеобразования  при малых температурах, недостаточная  прочность хлопьев, их разрушение и  вынос из аппарата.

Для восполнения этих недостатков  используются различные методы.  Наилучшие результаты были достигнуты при применении флокулянтов, то есть веществ, способствующих  коагуляции.  Небольшие их добавки в воду в дополнение к обычным коагулянтам (а иногда – вместо) способствуют хлопьеобразованию, отстаиванию и фильтрованию, стабилизируют процесс очистки, повышают качество, увеличивают эффективность работы оборудования.

Механизм действия флокулянтов сводится,  в основном,  к следующему. Благодаря большому количеству функциональных групп, одна макромолекула взаимодействует одновременно с несколькими коллоидными частицами, как бы связывая их нитями или мостиками.

Согласно мостиковой модели, флокуляция состоит, во-первых, в закреплении концов макромолекул на поверхности частиц,  и,  во-вторых, в адсорбции простертых в глубину раствора сегментов молекул на вакантных участках соседних частиц.

Большую группу флокулянтов составляют высокомолекулярные вещества растительного и животного происхождения. К этой группе относятся крахмал, декстрин, желатин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы. Преимущество флокулянтов  природного происхождения заключается в отсутствии у них токсических свойств и полной безвредности для организма человека.

Некоторые флокулянты (крахмал, альгинаты и гуаровые смолы) выделяют непосредственно из растений. Эфиры целлюлозы,  включая карбоксиметилцеллюлозу,  декстрин и другие производные крахмала,  получают путем химической переработки природных продуктов. При переработке получают разнообразные флокулянты с различными функциональными группами,  электрическими  свойствами, молекулярными массами.

К синтетическим флокулянтам относятся водорастворимые полимеры, получаемые из продуктов химической и нефтехимической промышленности. Наибольшее  распространение получили  полиакриламид, полиоксиэтилен, натриевые соли и эфиры полиакриловой и полиметакриловой кислот, поливинилпиридин, сополимеры  малеинового ангидрида и винилацетата, полимеры на основе стирола. Применение синтетических флокулянтов для очистки воды разрешается санитарными органами только после всестороннего их обследования и проверки.

Из катионных флокулянтов наибольшее применение получили: полиэтиленимин,  содержащий  первичные,  вторичные и третичные аминогруппы, флокулянты,  содержащие  группы  четвертичного аммониевого основания (ВА-2, ВА-112, ВПК-101) и др.

Из анионных флокулянтов наибольшее применение получил ПАА - технический полиакриламид. Применяют два сорта технического ПАА:  известковый и аммиачный. 

При использовании флокулянтов амфотерного типа по-прежнему остаются незаменимыми природные соединения,  представленные веществами белковой природы (желатин,  казеин).  Использование их в технологии сточных вод сдерживается из-за высокой дефицитности белковых продуктов. В последние годы была показана возможность использования в качестве флокулянтов белковых веществ, полученных путем плазмолиза активного ила и кормовых дрожжей.

В качестве флокулянтов довольно широко используются также низкомолекулярные органические соединения - ПАВ различных типов. Особенностями их флокулирующего действия является ориентированная адсорбция на поверхности частиц, приводящая к гидрофобизации поверхности. В отличие от мостиковой флокуляции, присущей ВМВ, флокуляция с помощью ПАВ получила название «гидрофобной» флокуляции. (Василенко, Никифоров…, 2009).

Коагулянты и флокулянты применяются в основном для очистки сточных и природных вод от взвешенных и коллоидно-дисперсных веществ. При этом одновременно снижаются цветность, бактериальная загрязненность, а в отдельных случаях запахи и привкусы воды.

Одним из наиболее перспективных  методов удаления из сточных вод  нерастворенных примесей является флотация. Флотационный метод выделения грубодисперсных частиц (от 3 мм до мм) из суспензий основан на способности последних при определенных условиях закрепляться на границе раздела фаз «жидкость-газ».

Суть метода основана на том, что частицы примесей слипаются  с пузырьками тонкодиспергированного в воде воздуха и выносятся на пузырьках к поверхности раствора, где концентрируются и собираются тем или иным способом. (Василенко, Никифоров…, 2009).

Методы ионного  обмена и адсорбции .

Методы очистки природных  и сточных вод, связанные с  использованием адсорбции и ионного обмена, являются одними из наиболее эффективных современных методов. Очистка воды этими методами представляет собой типичный случай адсорбции из растворов, протекающей по одному из двух различных механизмов:  молекулярному и ионообменному.

Эти методы позволяют очищать  воду до ПДК.  Использовать очищенную  воду не только повторно в производственных целях, но и для питьевых целей,  утилизировать  ценные  и  токсичные (вредные) компоненты. Методами  адсорбции и  ионного обмена можно  извлекать из растворов вещества практически при любых концентрациях, в том числе и при очень малых, когда другие способы малоэффективны.

Адсорбция может быть использована для извлечения, как электролитов, так и неэлектролитов, молекулярно растворенных коллоидов, полимерных веществ и газов.

Метод ионного обмена широко используется в водоподготовке. С  помощью ионитов можно изменить ионный состав раствора, осуществлять полную его деминерализацию.

Адсорбционный и ионообменный методы очистки воды выгодно отличаются от рассмотренных ранее способов тем, что не требуют непрерывного дозирования реагентов, а удаляемые  из воды примеси не образуют осадка. Процесс очистки сводится к пропусканию  воды через слой сорбента. Относительно  высокие  скорости фильтрования позволяют  уменьшать габариты аппаратов.  Важным  преимуществом является также возможность  полной автоматизации установок. К  достоинствам адсорбентов и  ионитов  относится возможность регенерации, что позволяет использовать их  в многократных повторных фильтроциклах. Однако сравнительно высокая стоимость промышленно выпускаемых сорбентов в ряде случаев ограничивает область их использования.

Особенностью ионообменного  метода, также иногда  ограничивающей его применение для очистки сточных  вод, является образование отработанных регенерационных растворов,  сбрасывать  которые в водоемы нельзя. Поэтому  в случае внедрения данного способа  одновременно надо решать и вопросы  утилизации указанных растворов  (Василенко, Никифоров…, 2009).

 Экстракция. Используется для очистки сточных вод от вредных и токсичных веществ органической природы (например, фенолы, масла, органические кислоты) или для селективного извлечения ценных неорганических примесей (например,  металлов)  из технологических растворов и жидких отходов.Экстракция основана на распределении извлекаемого компонента в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей в соответствии с его растворимостью в них.