10.2 Физико-химические методы очистки сточных вод (Очистка сточных вод от растворимых примесей).

Для очистки сточных вод от растворимых примесей существует много разнообразных методов. Выбор метода очистки сточных вод от растворимых примесей зависит от вида примеси (органическая или неорганическая) и ее концентрации в очищаемой воде. К основным методам очистки сточных вод от растворенных примесей, которые широко используют в промышленности, относятся: экстракция, адсорбция, ионный обмен, электрохимические методы, химические и др.

Экстракция. Процесс, основанный на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента) в соответствии с коэффициентом экстракции К_Э = С_Э / С_В, где С_Э, С_В - концентрации примесей в экстрагенте и воде по окончании экстрак­ции. Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы масла, органические кислоты, ионы металлов и др.

Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение. Для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3-4 г/л их рациональнее извлекать экстракцией, чем адсорбцией. Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий:

1. Интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостя­ми, образуются две жидкие фазы. Одна - экстракт- содержит извлекаемое ве­щество и экстрагент, другая - рафинат - сточную воду и экстрагент.

2. Разделение экстракта и рафината.

3. Регенерация экстрагента из экстракта и рафината. Чтобы снизить содержание растворимых примесей до концентраций ниже ПДК, необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточную воду. При выборе растворителя следует учитывать его селективность, физико-химические свойства, стоимость и возможные способы регенерации.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.

Адсорбция. Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических примесей после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих примесей в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и т.д. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ. Эффективность адсорбционной очистки составляет 0,8-0,95 и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

В качестве адсорбентов для очистки сточных вод от растворимых органических веществ широкое применение находят активные угли, которые должны обладать следующими свойствами: слабо взаимодействовать с водой и хорошо с органическими веществами, иметь размер пор доступный для извлекаемого вещества, иметь высокую адсорбционную емкость, высокую селективность и малую удерживающую способность при регенерации, быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав.

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой (статические условия), при фильтровании воды через слой адсорбента (динамические условия) или в псевдосжиженном слое на установках периодического или непрерывного действия.

При проведении процесса очистки сточной воды в статических условиях используют активный уголь с размером частиц менее 0,1 мм. Процесс про­водят в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбента) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Сн до C₁, затем адсорбент отделяют отстаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют во вторую ступень, куда вводят свежий адсорбент. По окончании процесса адсорбции во второй ступени концентрация загрязнений в воде уменьшается от C₁ до С₂ и т.д. Схема такой установки показана на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Схема сорбционной установки

По трубопроводу 1 в адсобер 2 поступает очищаемая сточная вода. По трубопроводу 4 подается адсорбент, перемешиваемый импеллером 3. Через трубопровод 8 адсорбент с примесями удаляется. Сточная вода поступает в отстойник 5, в котором часть адсорбента оседает на дно и периодически уда­ляется через 7. Очищенная вода направляется по трубопроводу 6 для даль­нейшей обработки.

Недостатки данного процесса - необходимость фильтрации и невоз­можность регенерации отработанного угля. В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2 до 6 м/ч. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером 1,5-5 мм. Во избежание забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешенных примесей. В одной колонне при неподвижном слое угля очистку ведут периодически до проскока, а затем адсорбент регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн. По такой схеме две колонны работают, а третья отключена на регенерацию. Важнейшей стадией процесса адсорбционной очистки является регенерация угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом равна 200-300 °С, а инертного газа 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, а для высококипящих в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата.

Ионный обмен. Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать цен­ные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена заключается в процессе взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойством обменивать ионы, содер­жащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не­растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, а отрицательные ионы - анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые -основными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменные емкости. Для практических расчетов важна динамическая обменная емкость - это емкость ионита до "проскока" ионов, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической и полной. Иониты бывают неорганические и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно. Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод нашли органические искусственные иониты. К ним относятся ионообменные смолы с развитой поверхностью.