Классификация методов очистки сточных вод в соответствии с их фазово-дискретным состоянием

 

Сточные воды характеризуются широким диапазоном загрязнений. Санитарными нормами установлены предельные концентрации вредных веществ в воде, сбрасываемой в канализацию. Поэтому возникает необходимость очистки воды перед сбросом.

Под очисткой отработанных сточных вод подразумевается извлечение из них загрязнений до предельно допустимых концентраций (ПДК).

Существует значительное количество различных методов очистки и в связи с этим разработаны несколько классификаций этих методов (рис. 2.8).

На основе систематизации примесей по их фазово-дисперсному

 

 

 

е

 

Рисунок 2.8 – Классификация методов очистки сточных водв соответствии с их фазово-дискретным состоянием

состоянию (табл. 2.2) академиком Л.А. Кульским разработана классификация методов удаления из воды веществ в соответствии с их фазово-дискретным состоянием (ФДС) (табл. 2.3).

В таком виде классификация уже не только помогает определить, к какой категории загрязнения относится сточная вода, но и помогает сориентироваться в выборе очистных устройств.

 

Таблица 2.2 – Систематизация примесей по их ФДС

Группа	Степень дисперсности, см^-1	Размер частиц, см	Краткая характеристика примесей
Гетерогенные системы
1-взвеси	10^5	10^-5	Суспензии и эмульсии, обусловливающие мутность воды, а также микроорганизмы и планктон
2-коллоидные растворы	10^-5…10^-6	10^-5…10^-6	Коллоиды и высокомолекулярные соединения, обусловливающие окисляемость и цветность воды, а также вирусы
Гомогенные системы
3-молекулярные растворы	10^-6…10^-7	10^-6…10^-7	Газы, растворимые в воде, органические вещества, придающие ей запах и привкус
4-ионные растворы	10^7	10^-7	Соли, основания, кислоты, обусловливающие минерализованность, жёсткость, щёлочность или кислотность воды

 

2.8. Наиболее распространённые способы очистки промышленных сточных вод (классификация и характеристика)

 

Очистка сточных вод промышленных предприятий – сложный процесс. Наиболее распространенные и перспективные способы очистки сточных вод промышленных предприятий представлены на рис. 2.9.

2.8.1. Механическая очистка

Наиболее часто применяют такие способы механической очистки: процеживание, отстаивание, фильтрация и центрифугирование.

Для процеживания производственной воды используют решетки и сетки, предназначенные для задержания крупных частиц примесей, движущихся по каналу.

Для задержания более мелких взвешенных в воде примесей применяют

Таблица 2.3 – Методы удаления веществ из воды в соответствии с ФДС (фазово-дискретного состояния)

Процесс	Рекомендуемый технический способ обработки воды	Область применения по загрязнителям	Состав очистных сооружений	Степень очистки, %
Вещества I группы
Механическое безреагентное разделение	Отстаивание	Грубодисперсные примеси (500 мг/л), цветность до 50 град	Отстойники	50…70
Фильтрование	Взвешенные вещества (до 50…100 мг/л), цветность до 50 град	Медленные предварительные фильтры	60…99
Центрифугирование	Грубо- и тонкодисперсные примеси	Непрерывно действующие центрифуги, гидроциклоны	80…90
Флотация	Безреагентная флотация	Нефть и масла (50…150 г/м^3)	Флотаторы и устройства для диспергирования воздуха до пузырьков Æ=15…30 мкм	(при содержании нефти не более 0…15 г/м^3)
Вещества II группы
Агрегация при помощи флокулянтов катионного типа	Обработка воды катионными флокулянтами	Коллоидные и высокомолекулярные вещества, обусловливающие цветность воды (35…150 град) при малой мутности воды	Устройства для приготовления растворов и их дозирования; смесители, камеры хлопьеобразования	Вода стандартного качества

 

Продолжение табл. 2.3

Вещества III группы
Десорбция газов и летучих органических соединений	Аэрирование	Газы и летучие органические соединения, придающие воде неприятный привкус и запах	Брызгательные бассейны, аэраторы и дегазаторы различных типов	Углекислота 65…80 %, сероводород до 0,3…0,5 мг/л
Электролиз	Электро-обработка воды	Для удаления кислорода	Установка для электрохимической очистки воды	80…95
Биохимический распад	Разложение микроорганизмами: аэробное; анаэробное	Загрязнение сточных вод концентрированными стоками, осадками	Аэротенки, биофильтры, отстойники, метатенки и др.	90…98
Вещества IV группы
Гиперфильтрация	Отделение ионов обратным осмосом	Общее содержание 20…35 г/л	Установки с полупроницаемыми мембранами	90…98
Использование подвижности ионов в электрическом поле	Электродиализ	Общее содержание 3…10 г/л, мутность до 2 мг/л, содержание железа до 0,3 мг/л	Установки для электрохимического обессоливания воды	90…99
Электрообработка	Для частичного и грубого обезжелезивания воды	Установка для электрохимической очистки воды	80…90

 

отстойники, фильтры с зернистой загрузкой (кварцевый песок, гранитный щебень, антрацит, керамзит, горелые породы, гранулированный доменный шлак), с плавающей загрузкой (пенополистирол) или сетчатые фильтры и микрофильтры, а также гидроциклоны, сепараторы и осадительные центрифуги.

 

Рисунок 2.9 – Способы очистки сточных вод промышленных предприятий

 

 

2.8.1.1. Процеживание

Процеживание осуществляется с помощью решеток.

Неподвижные, малогабаритные, вертикальные механизированные решетки, наклонные решетки с механическими граблями применяют для извлечения из производственных сточных вод крупных загрязнителей с механизированной выгрузкой их на транспортирующие устройства.

Для дробления задержанных загрязнений при этих решетках требуется устанавливать отдельные дробилки.

2.8.1.2. Отстаивание

Процесс отстаивания протекает в отстойниках периодического и непрерывного действия. Выбор типа отстойника определяется объёмом очищаемых сточных вод.

В отстойниках периодического типа процессы протекают за определенный промежуток времени.

При выделении из сточных вод нефтепродуктов отстойники (маслоотстойники, нефтеловушки) часто оборудуют устройствами для подогрева сточной воды.

Отстойники непрерывного действия: вертикальные, горизонтальные и радиальные. Их применяют при больших расходах сточных вод.

2.8.1.3. Осаждение в гидроциклонах

Гидроциклоны предназначены для выделения из сточных вод примесей с гидравлической крупностью 5–25 мм/с

2.8.1.4. Фильтрация

Фильтрацию применяют как на предварительной, так и на завершающей стадии очистки воды от взвеси.

При фильтровании воды через слой песка или другого зернистого материала (рис. 2.10) взвешенные вещества могут откладываться на поверхности фильтрующего слоя, в порах фильтрующего слоя и одновременно на поверхности и в порах загрузки.

В зависимости от фильтрующего слоя различают следующие виды фильтров:

- зернистые (фильтрующий слой – кварцевый песок, керамзит и др.);

- сетчатые (сетка с размером ячеек 40 мкм);

- тканевые (хлопчатобумажные, льняные, стеклянные, капроновые ткани);

- намывные (древесная мука, асбестовая крошка и др.).

2.8.1.5. Центрифугирование

Центрифугирование наиболее часто применяется для обезвоживания осадка.

Фильтрование осуществляется в фильтрующих центрифугах под действием центробежной силы в массе фильтруемой жидкости. В результате происходит отложение осадка на внутренней (боковой) поверхности барабана и удаление осветленной жидкости через фильтрующую перегородку и отверстия в барабане.

 

 

Рисунок 2.10 – Схема процесса фильтрования:

1 – фильтр; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – суспензия; 4 – фильтрат; 5 – осадок

 

 

2.8.2. Химическая очистка

Химическая очистка обусловливается применением химических реагентов, воздействие которых на воду изменяет ее физико-химические показатели.

К химическим методам очистки относятся: нейтрализация, перевод ионов в малорастворимые соединения, соосаждение, окисление–восстановление, сжигание, гидролиз.

2.8.2.1. Нейтрализация

Санитарными нормами предусмотрен сброс нейтральных промышленных сточных вод в общесплавную канализацию или открытый водоем.

Одним из основных показателей сточных вод является активность, определяемая величиной водородного показателя рН. По нормативным требованиям воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водоснабжения после их смешения со сточными водами должны иметь активность в пределах рН = 6,5…8,5.

С целью предупреждения коррозии металлов канализационных очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и в водоемах, а также осаждения из сточных вод солей тяжелых металлов, кислые и щелочные стоки подвергаются нейтрализации.

Применяемые способы нейтрализации:

- взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (если они имеются на данном предприятии);

- нейтрализация реагентами;

- фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк – CaCO₃, доломит – СаСО₃×MgСО₃, магнезит – MgСО₃, обожженный магнезит – MgО).

Простота выполнения данного процесса позволяет широко использовать этот метод на многих предприятиях, однако при этом необходимо учитывать наличие смесителей и свободных емкостей.

2.8.2.2. Окисление и восстановление

Сточные воды окисляются хлором, пенохлоритом, диоксидом хлора, озоном, техническим кислородом и кислородом воздуха. Процессы окисления и восстановления хорошо освещены в работах академика Л.А. Кульского.

Наиболее широко распространен метод окисления цианидов с помощью хлора. Этот процесс проводят только в щелочной среде (рН = 9…10).

Метод восстановления применяется для очистки сточных вод от токсичных соединений, которые в восстановительной форме менее токсичны и могут быть выделены из сточных вод. В качестве восстановителей используют соли Fe²⁺, NaHSO₃, Na₂SO₃ и газообразную двуокись серы.

2.8.2.3. Перевод ионов в малорастворимые соединения

Этот процесс сводится к связыванию ионов, подлежащих удалению, в малорастворимые и слабодиссоциированные соединения. Основными показателями протекающих при этом химических реакций является значение произведений растворимости образующих соединений. Основным направлением данного метода является очистка от ионов ртути и ионов тяжелых металлов (цинка, хрома, свинца, меди, кадмия); от мышьяка, фтора и фосфатов.

2.8.2.4. Сжигание

Сжигание основано на термоокислительных процессах и заключается в том, что вода, вводимая в распыленном состоянии в высокотемпературные зоны (900…1000 °С) горения топлива, испаряется и органические примеси воды сгорают, образуя продукты полного горения. Минеральные примеси образуют твёрдые или расплавленные частицы, которые выводятся из рабочей камеры печи или уносятся дымовыми газами.

К недостаткам этого метода относятся высокий расход топлива и перегрев водяного пара до 900…1000 °С.

 

2.8.3. Физико-химические способы очистки

Данные способы наиболее перспективны в области очистки промышленных сточных вод. Широкий диапазон извлекаемых загрязнений и сравнительно небольшие размеры оборудования в сочетании с высокой эффективностью извлечения растворимых в воде ингредиентов с различной степенью дисперсности определяют то, что в локальных системах очистки физико-химические способы занимают одно из первых мест.

2.8.3.1. Экстракция

Экстракция – извлечение одного или нескольких растворенных в воде компонентов органическим растворителем, не смешивающимся с водой.

Экстракция осуществляется при очистке производственных сточных вод с высоким содержанием растворенных органических веществ (фенолов, жирных кислот и др.).

Равновесное состояние является основным показателем завершения процесса экстракции. При достижении равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в обрабатываемой сточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. После отделения экстрагируемого вещества экстрагент вновь может быть использован в технологическом процессе очистки.

2.8.3.2. Сорбция

Сорбцией называют любой процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом) независимо от механизма поглощения. В зависимости от механизма сорбции различают адсорбцию, абсорбцию, хемосорбцию и капиллярную конденсацию.

Адсорбция – поглощение газов или паров из газовых смесей или растворенных веществ из растворов твёрдыми поглотителями, называемыми адсорбентами. Наиболее широко в практике подготовки воды используется адсорбция растворенных веществ из водных растворов активированным углем.

Абсорбция – поглощение газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями, называемыми абсорбентами. Возможность осуществления процесса абсорбции основывается на растворимости газов в жидкостях. Обратный процесс (после абсорбции) называется десорбцией. Основными конструктивными устройствами, в которых осуществляются процессы абсорбции, являются ректификационные колонны.

2.8.3.3. Ионный обмен

В основу ионного обмена положена ионообменная адсорбция. При адсорбции сточной воды преимущественно адсорбируются катионы или анионы, которые заменяются на эквивалентное количество ионов того же знака из адсорбента. При этом раствор остается электронейтральным.

Ионообменная очистка производится для извлечения и утилизации ценных примесей (соединений мышьяка, фосфора, хрома, цинка и т.п.), ПАВ и других веществ. Степень очистки с помощью ионного обмена достаточно высока и позволяет повторно использовать воду на предприятиях.

2.8.3.4. Электролиз

Электролиз как способ очистки выделен в отдельный вид. Из практики очистки воды известно, что малорастворимые основания – гидроксиды алюминия и железа – обладают большой сорбирующей способностью. Это позволяет использовать их для извлечения из воды растворимых в ней примесей. Гидроксиды получают при растворении в воде солей слабых оснований и сильных кислот. Этот процесс называют гидролизом солей металлов. Недостаток указанного способа в том, что скорость гидролиза солей металлов не всегда совпадает со скоростью процесса очистки и, кроме того, практическое осуществление процесса связано с содержанием подсобного хозяйства, что удорожает очистку.

Избежать этого можно путём использования для получения гидроксидов металлов процесса электролиза и получения реагента непосредственно в очищаемых водных растворах. При этом уменьшаются объёмы оборудования, а эффективность процесса возростает. Это объясняется тем, что под действием электролиза происходит не только растворение металлических пластин (анода), но и диссоциация веществ, растворенных в воде, что способствует разрушению их устойчивых связей и улучшает процесс очистки.

2.8.3.5. Магнитная обработка

Магнитная обработка применяется, прежде всего, для удаления железосодержащих примесей.

Установлено, что значительная часть примесей, находящихся в промышленных сточных водах, обладает ферромагнитными свойствами. С учетом этого создаются магнитные фильтры–осадители для магнитного осаждения железосодержащих загрязнений.

 

2.8.4. Биохимическая очистка

Биохимическая очистка – обязательный элемент водообработки хозяйственно-бытовых сточных вод и некоторых видов промышленных сточных вод. Основным видом промышленных сточных вод, подвергающихся биохимической очистке, являются воды, содержащие органические элементы, фенолы и др.

В настоящее время ведутся работы по уничтожению с помощью бактерий сложных видов загрязнений, растворенных в воде, в том числе и ионов тяжелых металлов, некоторые из которых оказывают бактерицидное воздействие на микроорганизмы.

В практике очистки воды от загрязнений также применяют растительность. Известно, что сточные воды, попадая в реку, превращают ее в канализационный коллектор, но, проходя через заросли камыша, река значительно очищается от примесей, попавших в нее. Это свойство растений извлекать из воды микроэлементы положено в основу способа очистки воды растениями.

В отличие от ранее рассматриваемых способов очистки воды, в биологических способах извлеченные примеси в виде биомассы можно использовать для откормки скота или в качестве удобрений, что делает их экономически более выгодными. Существенным недостатком биохимических видов очистки является то, что линейная скорость воды при очистке должна быть небольшой, поэтому станции и сооружения имеют большие размеры.

Отличие биологического способа очистки от микробиологического – условное. Разница между ними состоит в том, что в биологических способах очистки микроорганизмы представлены более крупными по своим размерам видами бактерий, в том числе и простейшими (туфельки-инфузории и др.), а в микробиологических – микроорганизмы представлены монокультурой или строго определенным биоценозом, при этом размеры бактерий могут быть очень малыми (10^-7…10^{-8 см).}

2.8.4.1. Биологическая очистка

Основу биологической очистки составляют процессы, связанные с биохимическим окислением органических загрязнений микроорганизмами активного ила. В ходе биохимических процессов распадаются органические загрязнения с образованием более простых низкомолекулярных соединений.

2.8.4.2. Микробиологическая очистка

Этот способ очистки представляет собой процесс, в котором биоценоз разнообразной микрофлоры (активный ил, биопленка) заменяют определенными культурами микроорганизмов с заранее запрограммированными качествами, а очистку промышленных стоков проводят без разбавления или смешения с другими типами вод.

Большую проблему представляет собой очистка промышленных сточных вод, содержащих смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Применение микробиологического способа очистки в сочетании с электрохимическим даст возможность полностью деструктировать СОЖ и очистить воду от загрязнений, что позволит использовать ее повторно.

 

2.8.5. Обеззараживание

Необходимость обеззараживания промышленных сточных вод появляется в том случае, когда в них содержатся микроорганизмы в количествах, превышающих санитарные нормы, и имеются все предпосылки для развития в воде патогенной микрофлоры, которая представляет опасность для здоровья работающих и которая может вызвать эпидемиологические заболевания.

В соответствии с обзором методов обеззараживания сточных вод, предложенным Госагропромышленным комитетом в 1989 г., существующие методы можно разбить на четыре группы: химические, физические, комбинированные физико-химические, термические (температура 100 °С). Можно добавить ещё новый метод газового обеззараживания. Химические методы включают: хлорирование (Cl₂), озонирование (О₃), обработку ионами тяжелых металлов (Ag), обработку другими реагентами (J, F), комбинированное воздействие (Cl₂O₃).

 

2.8.6. Консервация

Консервация воды проводится с целью сохранения качества воды на длительный период времени.

Наиболее простой и дешевый способ консервации воды – консервация углекислым газом, который позволяет сохранять ее качества около года. При этом основным условием является ее обеззараживание.

Получил всеобщее признание метод обеззараживания воды электролитическим серебром (растворением в воде металла с помощью электрического тока). Серебро обладает широким спектром антимикробного действия, подавляя как грамотрицательные, так и грамположительные микроорганизмы и вирусы.

Серебро обладает ценным свойством консервировать воду на длительное время. Вода, обработанная серебром в концентрации 0,1 мг/л, сохраняет высокие санитарно-гигиенические показатели в течение года и более, тогда как в контрольной воде обнаруживалось значительное количество микроорганизмов, в том числе и кишечной палочки.