80. Физико-химические методы

В промышленных сточных водах содержится большое количество органических и неорганических соединений, которые оказывают очень вредное действие на окружающую среду.

Очистка сточных вод - сложнейшая задача, в решении которой нуждаются многие производства. Существуют различные методы очистки: механические, химические, физико-химические, биологические и термические.

играют значительную роль при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. Физико-химические методы позволяют полностью автоматизировать процесс очистки, а современный уровень знаний в области кинетики физико-химических процессов создает основы для их математического моделирования и оптимизации и, как следствие, правильного выбора и расчета параметров аппаратуры. В большинстве случаев использование физико-химических методов выделения загрязняющих веществ из сточных вод позволяет в дальнейшем их рекуперацию.

Флотация - процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.

Процесс очистки производственных сточных вод, содержащих ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы, методом флотации заключается в образовании комплексов "частицы-пузырьки", всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости. Прилипание частицы, находящейся в ней, к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда наблюдается несмачивание или плохое смачивание частицы жидкостью. Внешним проявлением способности жидкости к смачиванию является величина поверхностного натяжения ее по границе с газовой фазой, а также разность полярностей на границе жидкой и твердой фаз. Процесс флотации идет эффективно при поверхностном натяжении воды не более (60-65)-10^-3 Н/м. Большое значение при флотации имеют размер, количество и равномерность распределения воздушных пузырьков в сточной воде. Оптимальные размеры воздушных пузырьков 15-30 мкм, а максимальные - 100-200 мкм.

В практике очистки производственных сточных вод выработаны различные конструктивные схемы, приемы и методы флотации. Метод пенной флотации применяют для извлечения нерастворенных и частичного снижения концентрации некоторых растворенных веществ, метод пенной сепарации - для удаления растворенных веществ.

Наиболее существенные принципиальные отличия способов флотации связаны с насыщением жидкости пузырьками воздуха определенной крупности. По этому принципу можно выделить следующие способы флотационной обработки производственных сточных вод:

1) флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные, напорные и флотационные установки);

2) флотация с механическим диспергированием воздуха (безнапорные и пневматические флотационные установки);

3) флотация с подачей воздуха через пористые материалы;

4) электрофлотация; 5) биологическая и химическая флотация.

Флотационные установки могут состоять из одного или двух отделений (камер). В однокамерных установках в одном и том же отделении происходит одновременно насыщение жидкости пузырьками воздуха и всплывание флотирующихся загрязнений. В двухкамерных установках, состоящих из приемного и отстойного отделений, в первом отделении происходит образование пузырьков воздуха и агрегатов "пузырек-частица", а во втором - всплывание шлама (пены) и осветление жидкости.

АДСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД - один из наиболее доступных и эффективных методов глубокой очистки от растворенных органических веществ сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехимической, текстильной и других отраслей промышленности.

СОРБЦИЯ - это процесс поглощения вещества из окружающей среды твердым телом или жидкостью. Преимуществами этого метода являются возможность адсорбции веществ многокомпонентных смесей и высокая эффективность очистки, особенно слабо концентрированных сточных вод. Сорбционные методы весьма эффективны для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ с их последующей утилизацией и использования очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения промышленных предприятий.

В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, опилки, торф, коксовую мелочь, силикагели, активные глины и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли различных марок. Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³, кг/кг).

ОБРАТНЫЙ ОСМОС (гиперфильтрация) - процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворенного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуществляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому растворителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Необходимое давление, превышающее осмотическое давление растворенного вещества в растворе, составляет при концентрации солей 2-5 г/л 0,1-1 МПа и при концентрации солей 20-30 г/л 5-10 МПа.

УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ - мембранный процесс разделения растворов, осмотическое давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно высокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация по сравнению с обратным осмосом - более высокопроизводительный процесс, так как высокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2-1 МПа.

КОАГУЛЯЦИЯ. Для очистки стоков от мелкодисперсных и коллоидных примесей используют их удаление с помощью коагулянтов и флокулянтов. Коагуляцию осуществляют непосредственно после удаления крупных взвесей.

При очистке питьевых и сточных вод в качестве коагулянтов используют соли алюминия, соли железа и их смеси в разных пропорциях. Реже применяют соли магния, цинка и титана. На станциях в специальных баках, защищенных от коррозии, готовят рабочие растворы коагулянтов определенной концентрации и дозируют их в обрабатываемую воду.

Благодаря большому заряду (+3) и относительно малому радиусу катионы алюминия и железа сильно гидратированы. Гидролизуясь, они образуют малорастворимые соединения - гидроксиды Fe, A1. Это первый этап коагуляции

Аl⁺³ + Н₂О <-> А1(ОН)²⁺ + Н ⁺; А1(ОН)²⁺ + Н₂О <-> А1(ОН)₂²⁺ + Н ⁺;

А1(ОН)₂²⁺ + Н₂О <-> А1(ОН)₃ + Н⁺.

Образующиеся в процессе кислоты должны быть нейтрализованы для сдвига равновесия вправо. Нейтрализация образующихся при гидролизе коагулянтов кислот может протекать за счет щелочного резерва сточной жидкости:

H⁺ + НСО₃^- -> СО₂ + Н₂О.

В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных величин рН. Так, значения рН при оптимальных условиях коагуляции: для А1(ОН)з = 4,5-7; для Fe(OH)₂ = 8,5-10,5; а для Fe(OH)₃ = 4 - 6 и 8 -10. Малорастворимые продукты гидролиза алюминия и железа имеют чрезвычайно развитую поверхность, они сорбируются отрицательно заряженными примесями воды, окружая их рыхлыми влагонасыщенньши оболочками. Оказавшись в таких оболочках, дисперсные загрязнения утрачивают свои индивидуальные свойства (заряд, степень гидратации и

др.).

Следующий этап коагуляции состоит в объединении частиц. Постепенно образуются скопления дестабилизированных частиц - хлопья коагулированной взвеси, достигающие в поперечнике нескольких миллиметров. Они обладают достаточной массой, чтобы отделиться в осадок под действием силы тяжести.

В водоочистных станциях обрабатываемая вода сначала смешивается с раствором коагулянта и другими необходимыми реагентами, затем поступает в специальные резервуары - камеры хлопьеобразования - и далее попадает в очистные сооружения. Работа очистных сооружений основана, главным образом, на осаждении коагулированной взвеси под действием силы тяжести и прилипании к зернам фильтрующих материалов.

Оптимальная доза коагулянта, необходимая для очистки, зависит от качественных параметров обрабатываемой воды и условий коагулирования.

Одним из видов очистки сточных вод является флокуляцш, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления. Флокулянты повышают пропускную способность очистных сооружений, снижают расход коагулянтов, повышают прочность и плотность образующихся хлопьев.

ИОНООБМЕННЫЙ МЕТОД - процесс обмена ионами, находящимися в растворе, и ионами, рисутствующими на поверхности твердой фазы -ионита.

Очистка производственных сточных вод методом ионного обмена позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и другие металлы), ПАВ и радиоактивные вещества, очищать сточную воду до предельно допустимых концентраций с последующим ее использованием в технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения.

По знаку заряда обменивающихся ионов иониты делят на катионйты и аниониты, проявляющие соответственно кислотные и основные свойства. Иониты подразделяются на природные и искусственные или синтетические. Практическое значение имеют неорганические природные и искусственные алюмосиликаты, гидроокиси и соли многовалентных металлов; применяются также иониты, полученные химической обработкой угля, целлюлозы и лигнина.

Однако ведущая роль принадлежит синтетическим органическим ионитам - ионообменным смолам.

Важнейшим свойством ионитов является их подготовительная способность, так называемая обменная емкость. Полная емкость ионита -количество находящихся в сточной воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до полного насыщения. Рабочая емкость ионита - количество находящихся в воде грамм-эквивалентов ионов, которое может поглотить 1 м³ ионита до начала проскока в фильтрат поглощаемых ионов.

В табл. 2.1 приведены основные характеристики некоторых отечественных катионитов и анионитов, применяемых при обработке сточных вод.

При соприкосновении ионитов с водой происходит их набухание вследствие

осмотических явлений; объем ионитов обычно увеличивается в 0,2-2 раза.

На кинетику ионного обмена влияют также величина температуры, концентрация ионов и др. Если катионы находятся в Н- или Na-форме, обмен катионов будет происходить по реакциям:

Ме^N+ + Н (К) <-> Me (К) + nН⁺ , Meⁿ⁺ + Na(K) <-> Ме(К) + nNa⁺,

где Ме^N+ - катион, находящийся в сточной воде; К - сложный комплекс катионита.

Сильнокислотные катиониты позволяют осуществлять процесс ионного обмена при любых значениях рН, а слабокислотные - при рН < 7.

Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т. е. возможность проведения реакции в обратном направлении, что и лежит в основе их регенерации. Благодаря регенерации одна загрузка ионита может быть использована для очистки воды несколько сотен раз. В зависимости от природы применяемого агента различают химическую (реагентную), термохимическую и электрохимическую регенерацию. Наиболее широко применяется химическая регенерация, отличающаяся высокой эффективностью и доступностью, где в качестве регенерирующих агентов используют растворы кислот, оснований, солей, органические растворители. Регенерат может быть использован в производстве, как показано в табл.2.2.

Процессы ионообменной очистки сточных вод осуществляются в аппаратах периодического или непрерывного действия.

РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД очистки сточных вод находится в стадии разработки и внедрения. Метод основан на радиолизе воды при ее облучении с помощью мощных и эффективных источников облучения -ускоренных электронов. Продукты радиолиза воды - ионы, пероксиды, водород, свободные электроны - обладают высокой реакционной способностью по отношению ко многим органическим соединениям -вредным примесям. При определенном уровне поглощенной энергии возможна либо полная деструкция органических соединений до диоксида углерода и воды, либо трансформация в нетоксичные или малотоксичные вещества.