Физико-химические методы очистки сточных вод

Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, неорганических и органических веществ. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. Наиболее эффективны при локальной очистке сточных вод промышленных предприятий.

Коагуляция. Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия с коагулянтами. Метод используется для ускорения осаждения тонкодисперсных примесей. При очистке сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. В качестве коагулянтов используют в основном соли алюминия и железа (сульфаты и хлориды) или их смеси. В воде происходит их гидролиз

Образующиеся гидроксиды и их основные соли представляют собой коллоидные частицы, которые сорбируют развитой хлопьевидной поверхностью взвешенные мелкодисперсные и коллоидные загрязнения, бактерии, ионы тяжелых металлов. Скорость коагуляции возрастает с увеличением концентрации электролита. На коагуляцию влияют рН, анионный состав воды, природа коагулянта, температура, условия перемешивания. Для интенсификации процессов очистки воды с помощью коагулянтов добавляют флокулянты – специальные высокомолекулярные вещества хорошо растворимые в воде – гидролизные белковые дрожжи, крахмал, чаще синтетические – например, полиакриламид. Использование флокулянтов позволяет снизить концентрацию коагулянта, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев. Количество флокулянта составляет 0,5 – 2,0 мг/л.

Флотация – применяется для очистки производственных сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые частицы. Т.е. для примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

Процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости. Затем образовавшийся пенный слой удаляется механизмом для сгребания пены в пеносборник.

Адсорбция. Этот метод применяют для глубокой очистки сточных вод от ПАВ, красителей, ароматических углеводородов, пестицидов, фенолов. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, когда извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с сорбентом.

Процесс адсорбции складывается из 3-х стадий: перенос вещества из сточной воды к поверхности сорбента, перенос вещества внутрь зерен сорбента, собственно адсорбционный процесс.

Адсорбированные вещества удаляют с поверхности адсорбента термокаталитическими, химическими, окислительными методами, а также десорбцией перегретым водяным паром и др. Адсорбционный метод целесообразно применять для извлечения ценных продуктов с целью их регенерации, удаления токсичных веществ, которые препятствуют биологической очистке, а также для глубокой очистки сточных вод, используемых в системе оборотного водоснабжения. Эффективность метода составляет 80 – 95 %. В качестве адсорбентов используют активированные угли, синтетические вещества, некоторые отходы производства (зола, шлаки и др.). Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием воды через слой адсорбента.

Ионный обмен. Метод заключается в обмене ионами, находящимися в растворе и присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита). Применяется для: глубокой очистки вод от ионов тяжелых металлов; корректирования минерального состава очищенных сточных вод, которые повторно используются в замкнутых системах водоснабжения, т.к. метод позволяет достичь ПДК загрязняющих веществ; удаления органических веществ, таких как фенолы, ароматические углеводороды, ПАВ, алифатические амины и др.; удаления цианидов и утилизации ценных примесей (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть).

Иониты, которые способны поглощать из воды положительные ионы, называются катионитами (обладают кислотными свойствами). Иониты, способные поглощать из воды отрицательные ионы, называются анионитами (обладают основными свойствами). Если иониты обменивают катионы и анионы, они являются амфотерными.

Природными ионитами являются алюмосиликаты, силикагели, цеолиты, угли, гуминовые кислоты почв. Искусственные иониты – синтетические ионообменные смолы.

Обменная емкость или емкость поглощения – максимальное количество ионов, которое поглощается обменным путем одним граммом ионита. Достигает 6-10 мг-экв/г.

Электрохимические методы включают: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляцию, электрофлотацию, электродиализ. Процессы, лежащие в основе этих методов, протекают при пропускании через сточную воду электрического тока. Устройства, в которых протекают электрохимические процессы в водных растворах, называются электролизерами.

Анодное окисление и катодное восстановление. На аноде ионы теряют электроны, т.е. в прианодном пространстве протекает электрохимическое окисление анионов. Например, при окислении CN^- - ионов в щелочных растворах протекают следующие реакции:

CN^- + 2OH^- - 2ē → CNO^- + H₂O

CNO^- + 2H₂O → NH₄ ⁺ + CO₃ ^2- или

2CNO^- + 4OH^- - 6ē → N₂ + 2CO₂ + 2H₂O.

Кроме цианид-ионов электрохимическим окислением можно очищать сточные воды от роданид-ионов CNS^- , аминов, спиртов, альдегидов, нитросоединений, сульфидов, азокрасителей, фенолов и др.

Катодное восстановление используется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов, а также очистки от трудноокисляемых веществ. Катодное восстановление ионов металлов идет по схеме:

Меⁿ⁺ + nē → Ме⁰

Например: Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 12ē → 2Cr⁰ +7H₂O;

Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰ ;

Ni²⁺ + 2ē → Ni⁰.

Эффективность очистки этими методами достигает 80-100 %.

Электрокоагуляция – процесс образования нерастворимых гидроксидов в сточных водах при их прокачке через электрокоагулятор. Процессы очистки протекают в электролизере с растворимыми электродами. Используются электроды из графита, молибдена, вольфрама, пластин титана, трудно растворимые электропроводящие материалы – магнетит, диоксид рутения, свинца и др. Процессы, протекающие в электрокоагуляторах на электродах или в объеме раствора, определяются химической природой материала электродов, рН раствора и примесями, содержащимися в воде.Чаще для очистки сточных вод от высоко устойчивых загрязнений используют растворимые алюминиевые и стальные аноды. При наложении электрического поля анод растворяется и в раствор переходят катионы железа и алюминия:

Ме⁰ → Меⁿ⁺ + nē

На катоде протекает реакция восстановления воды с выделением водорода:

H₂O + 2ē → H₂ + 2OH^-

Катионы железа и алюминия с гидроксильными группами образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

Несмотря на повышенный расход электроэнергии, электрокоагуляционный метод очистки сточных вод позволяет перейти на оборотное водоснабжение, т.к. в результате действия электрического поля вода практически полностью очищается от бактерий. Это приводит к увеличению сроков службы воды, а также исключает возможность появления у обслуживающего персонала экзем, грибковых и др. заболеваний кожи, возникающих при обращении с загрязненной бактериями водой.

Электрокоагуляция применяется при очистке сточных вод от масел, жиров, нефтепродуктов, а также гальванических и травильных отделений от хрома и др. тяжелых металлов.

Электрофлотация. Суть метода состоит в том, что в процессе электролиза воды выделяющиеся на электродах пузырьки газов (водорода и кислорода) сталкиваются с взвешенными частицами, прилипают к ним и «флотируют» их на поверхность жидкости. На аноде протекает реакция разложения воды:

H₂O → O₂ ↑ + 2H⁺ + 2ē

На аноде – восстановления:

2H₂O + 2ē → H₂ ↑ + 2OH^-

Основную роль в процессе флотации частиц выполняют пузырьки водорода, выделяющиеся с поверхности катода. При использовании растворимых электродов одновременно происходит флотация и коагуляция, что способствует более эффективной флотации и очистке воды в целом. Степень очистки может достигать 85 –95%.

Электродиализ. Метод основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Используется для опреснения соленых и очистки сточных вод. Электродиализ осуществляется в электролитической ванне, разделенной на три отделения двумя диафрагмами (асбест, стеклоткань, электрохимические ионитовые мембраны). В крайних отделениях размещают электроды. Метод электролиза перспективен для очистки сточных вод не только от растворенных солей, но и от ионов тяжелых металлов (Cr⁶⁺, Cu²⁺ и др.) и фтора. Технико-экономическая оценка показала, что извлечение 1 кг фтора электродиализом обходится примерно в 5 раз дешевле реагентного метода. Электродиализ дает хорошие результаты при очистке сточных вод от радиоактивных загрязнителей, особенно Cs-137, Sr-90. Недостаток метода состоит в необходимости предварительной очистки сточных вод от взвешенных частиц, которые засоряют диафрагмы.