Хімічні і фізико-хімічні методи очищення

Хімічні і фізико-хімічні методи очищення відіграють значну роль при обробці виробничих стічних вод. Вони застосовуються як самостійні, так і у поєднанні з механічними та біологічними методами. При фізико-хімічному методі обробки із стічних вод відділяються тонко дисперсні і розчинені неорганічні домішки, руйнуються органічні і погано окислювальні речовини, найчастіше з фізико-хімічних методів застосовується реагентний метод, освітлення, дезинфекція, коагуляція, флотація, окислення, сорбція, екстракція, електроліз тощо.

Одним з високоефективних методів очистки є іонний обмін, що являє собою процес взаємодії рідини, що очищається, із зернистим матеріалом (іонітами), котрий володіє здатністю заміняти іони, що знаходяться на поверхні зерен, на протилежно заряджені іони, що містяться в розчині. Іонітними властивостями володіють природні мінерали — цеоліти, апатити, польові шпати, слюда, різні глини. Синтезовано велика кількість високоефективних іонітів, що володіють селективними властивостями. До них належать силікагелі, алюмогелі, пермутити, сульфовуглі і іоннообмінні смоли — синтетичні високомолекулярні органічні сполуки, вуглеводневі радикали яких утворюють просторову сітку з фіксованими на ній іонообмінними функціональними групами. Іоніти не розчиняються у воді, володіють достатньою механічною міцністю, забезпечують можливість їхньої регенерації з одержанням цінних речовин, що вилучаються з води.

Існують іонообмінні установки періодичної і безперервної дії. Установки періодичної дії працюють як фільтри з зернистим завантаженням у виді гранул іонітів. При насиченні поверхні гранул іонами речовини, що вилучаються з води, відбувається їх регенерація слабким розчином (2—8%) лугу чи кислоти. В установках безупинної дії гранули іонітів і рідина, що очищається, рухаються протитоком, постійно перемішуючись. У процесі роботи частина гранул подаються на регенерацію і заміняються новими. Завдяки високій механічній міцності і здатності до регенерації гранули іонітів мають досить тривалий термін служби. Іонний обмін є, власне кажучи, універсальним методом очищення вод. Для вилучення практично будь-якої речовини з води можна підібрати відповідний іоніт чи групу іонітів. Ефективність іонообмінного очищення досягає 95—99%. Проте, даним методом можна очищати невеликі об’єми води.

Іншим універсальним і високоефективним методом очищення вод є сорбція. Сорбція застосовується переважно для очищення стоків, що містять високотоксичні речовини, котрі не піддаються біохімічному окисненню. Метод сорбційного очищення заснований на адгезії (прилипанні) розчинених речовин поверхнею і порами сорбенту — речовини, що володіє розгалуженою зовнішньою і внутрішньою (пори) поверхнею. Найкращим сорбентом є активоване вугілля. Сорбційними властивостями володіють золи, шлаки, коксова крихта, торф, керамзит і ін. Конструкції установок сорбційного очищення аналогічні іонообмінним.

Воду після вторинного очищення дезинфікують хлоркою та скидають в природні водоймища. Відповідно відстійники виконують також функцію контактних резервуарів, в яких стічну воду хлорують. Дезинфікуюча доза хлору після біологічного очищення залежно від якості очищення складає 10-15 міліграм/л при тривалості контакту хлору з рідиною не менше 30 хвилин. Такому знезараженню води надають перевагу і зараз, здійснюютчи д езінфекцію хлоруванням.

Проте, у міру загострення проблеми евтрофізації все більше міських очисних станцій вводять ще один етап очищення стічної води - доочищення, в якому після вторинного (біологічного) очищення вода поступає на доочищення, де усувається один або більш біогенів.

Абсолютне очищення води. На 100% воду можна очистити дистиляцією або мікрофільтруванням. Проте це вимагає великих витрат. Сумарний об'єм стоків - близько 150 галонів в день на людину. Очищення такої кількості води названими методами дуже марнотратне, тому в даний час розробляються і впроваджуються доступніші способи. Наприклад, фосфати можна усунути, додавши у воду вапно (іони кальцію). Кальцій вступає в хімічну реакцію з фосфатом, утворюючи при цьому нерозчинний фосфат кальцію, який можна видалити фільтруванням. Якщо є надлишок фосфату цього вже достатньо для виникнення евтрофізаціі.

Якщо якість очиення стічних вод не задовільняє умов їхнього скидання у водні об'єкти, після очищення передбачається використовувати стічні води для технічного водопостачання, а для поповнення міських рік проводиться їх доочищення. При поповненні стоку міських рік очищеними стічними водами, доочищення повинне забезпечити додавання їм властивостей і складу аналогічного природним річковим водам.

Для доочищення стічних вод використовують фільтри з зернистим завантаженням, установки пінної і напірної флотації, коагуляцію та флокуляцію, сорбцію, озонування, установки для вилучення з води сполук фосфору й азоту. При відповідному рівні доочищення можна отримати воду придатну для пиття. Багатьох людей лякає думка про вторинне використання каналізаційних стоків, та варто пригадати те, що в природі у будь-якому випадку вся вода здійснює кругообіг. Фактично відповідна доочистка може забезпечити воду кращої якості, ніж отримувана з річок і озер, що не рідко приймають неочищені каналізаційні стоки.

Мембранні фільтри тонкого очищення згідно з рекламними даними затримують 90-95 % всіх хімічних елементів і сполук, що знаходяться у воді, зокрема, необхідних для людини і тварин мікро- і ультрамікроелементів (кальцій, магній, калій, натрій, літій, срібло, фтор, йод та інші).

Проте, слід мати на увазі, що дистильована вода мінералізацією менше 0,01 г/л непридатна для пиття. Регулярне вживання демінералізованої води із вмістом солей менше 0,1 г/л зумовлює фізіологічний дефіцит корисних мікро- і ультрамікроелементів, що негативно позначається на стані здоров'я населення деяких регіонів з низькомінералізованою водою та у полярників, що п'ють снігову воду. Відповідно до ГОСТ 2874-82 мінералізація питної води не повинна перевищувати 1,0 г/л.

Дезінфекція здійснюється як хімічним так фізичними і фізико-хімічним методами. Якому б ретельному очищенню не піддавалися стічні води, зазвичай їх все одно дезінфікують хлоруванням перед скиданням в природні водоймища, щоб знищити патогенні організми, які могли б вижити. Використання для цього газоподібного хлору (Cl₂) спричиняє певні екологічні проблеми, що вимагають обговорення. Хлор використовують через його ефективну дію і відносну дешевизну. Проте, він дуже отруйний, і його транспортування небезпечне для людей. Крім того, хлор є токсичним для деяких риб. Виявилось, що навіть невловимий вимірювальними приладами його вміст має згубний вплив на ікру і розвиток їх ембріонів. Нарешті, деяка кількість хлору мимоволі вступають в реакції з органічними речовинами з утворенням хлорованих вуглеводнів, тобто органічних молекул, токсичних які біологічно не розкладаються, а деякі здатні навіть викликати рак, порушення внутріутробного розвитку і уражати статеву систему.

Для знезараження води використовують також більш безпечне амонійне хлорувння зв’язаним хлором. Існують безпечніші дезинфікуючі засоби, наприклад озон (O₃), який є згубним для мікроорганізмів і, впливаючи на них, розпадається на газоподібний кисень, що покращує якість води, проте, озон не лише токсичний, але і вибухонебезпечний.

Пропонується також дезинфікувати воду ультрафіолетовим чи іншим випромінюванням, що вбиває мікроорганізми, але не має побічного ефектів.

Крім того, після хлорування можна додавати у воду інші речовини (наприклад діоксид сірки), які, реагуючи з хлором, утворюють нешкідливі неактивні сполуки.

 

Реагентний метод

Одним з найбільш ефективних хімічних методів є застосування реагентів. Використання реагентного методу очищення виробничих стічних вод не залежить від токсичності присутніх домішок, що в порівнянні із способом біохімічного очищення має істотне значення. Ширше впровадження цього методу як у поєднанні з біохімічним очищенням, так і окремо, може певною мірою вирішити ряд завдань, пов'язаних з очищенням виробничих стічних вод.

Реагентна обробка застосовується для очищення вод від ціанідів, роданідів, іонів важких металів та ряду інших домішок. Вид застосовуваного реагенту визначається складом домішок, що підлягають видаленню з води. Так, розкладання ціанідів досягається обробкою води рідким хлором чи речовинами, що виділяють активний хлор, — хлорним вапном, гіпохлоридом кальцію чи натрію.

Окислюванням вдається досягти деструкції таких сполук, як альдегіди, феноли, анілінові барвники, сіркоутримуючі органічні речовини та ін. Як окислювачі застосовують кисень, озон, перекись водню. У процесі окислювання відбувається розкладання шкідливих домішок до простих оксидів чи утвореня сполук, що піддаються біохімічному розпаду.

Хімічний метод полягає в тому, що в стічні води додають різні хімічні реагенти, які вступаючи в реакцію із забруднювачами, випадають у вигляді нерозчинних осадів. Нейтралізація застосовується для обробки виробничих стічних вод багатьох галузей промисловості, що містять луги і кислоти. Нейтралізація стічних вод здійснюється з метою попередження корозії матеріалів водовідвідних мереж і очисних споруд, порушення біохімічних процесів в біологічних окислювачах та водоймищах.

Хімічним очищенням досягається зменшення нерозчинних домішок до 95% і розчинних до 25%.

Широке поширення отримали, окрім реагентного способу, відстоювання агрегованих колоїдних частинок, коагуляція і флотація.

 

Флотація

Флотаційне очищення застосовується для видалення з води поверхнево-активних речовин, нафтопродуктів, жирів, смол тощо. Процес флотації (флотаційного розділення суспензії, насиченням рідини бульбашками газів (повітря), що є одним з методів фізико-хімічного очищення стічних вод, полягає в молекулярній взаємодії домішок води з бульбашками тонко диспергованого повітря і спливанні комплексів “частинка-бульбашка-повітря”, що утворюються, на поверхню у вигляді піни, тобто в сорбуванні домішок, що містяться у воді, поверхнею пухирців повітря, які нагнітаються в рідину, що очищається. У практиці очищення вод використовуються напірні, безнапірні, вакуумні і електрофлотаційні установки. Найбільш поширеними є напірні установки. Проте для очищення стічних вод найбільший інтерес викликає спосіб напірної флотації з утворенням бульбашок газу в рідині при зниженні тиску, електронний спосіб аерування стічних вод, спосіб подачі стиснутого повітря через фільтри (пневматичний), електролітичний спосіб.

Сумісне використання коагулянтів і флокулянтів дозволяє розширити використання цих реагентів для очищення стічних вод. Великі резерви інтенсифікації методу коагуляції і флокуляції пов'язані як з глибшим дослідженням механізмів явищ, супроводжуючих ці процеси, так і з ефективнішим використанням різних фізичних процедур.

Підвищенню ефективності очищення вод при флотації сприяє наявність синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАР). Утворена ними густа стійка піна підвищує ступінь вилучення з води емульгованих і диспергованих домішок. При флотації одночасно досягається дегазація вод, що очищаються, і насичення їх киснем.

Діюча схема очищення води

Споживання