Классификация основных групп методов очищения промышленных сточных вод

Загрязнение водных источников включает в себя любые изменения физических, химических, биологических свойств воды в водных объектах, обусловленных сбросом в них твердых, жидких и газообразных веществ, причиняющих или создающих проблемы, делающих воду опасной для потребления, нанося ущерб деятельности человека, здоровью человека и экологической безопасности населения.

В промышленности вода играет весьма значительную роль. Предприятия потребляют большие количества чистой воды. Она используется в производственном цикле, на вспомогательных участках, для бытовых целей. Вода может быть средой для проведения химических реакций, охлаждающим агентом в теплообменной аппаратуре, ее используют для мытья полов, оборудования, она используется как сырье, растворитель, источник получения водорода и кислорода, а также для транспортирования сырья и материалов.

Сточными называются воды, образовавшиеся в процессе использования на бытовые и производственные нужды и получившие при этом дополнительные загрязнения.

Очистка сточных вод - это разрушение или удаление из них загрязняющих веществ, обеззараживание и удаление патогенных организмов.

Очистка сточных вод требует специальных очистительных сооружений и агрегатов, с помощью которых выделяют, обеззараживают или обезвреживают загрязняющие примеси. Бытовые сточные воды очищают механическим и биологическим способами. Производственные сточные воды очищают с домашними, но если концентрация загрязняющих веществ превышает допустимую или сточные воды содержат высокотоксичные вещества, то такие воды предварительно очищают на очистных сооружениях соответствующих предприятий, учреждений и только после этого снимают в общие очистные сооружения. Перед сбросом очищенных сточных вод в водоемы их обязательно обеззараживают.

Существует большое многообразие методов очистки сточных вод, которые классифицируются следующим образом:

1. По типу процесса очистки:
- - гидромеханические (процеживание, отстаивание, улавливание всплывающих материалов, фильтрование, центрифугирование);
- - физико-химические (коагуляция, флотация, флокуляция, адсорбция, ионный обмен, экстракция, обратный осмос, десорбция, электрохимические методы);
- - химические (нейтрализация, окисление и восстановление, удаление ионов тяжелых металлов);
- - биохимические (аэробные и анаэробные);
- - термические (выпаривание и сжигание).
2. По виду изменения вредных веществ:
- - методы выделения примесей без изменения их химического состава и агрегатного состояния;
- - методы превращения примесей в другие формы и состояния;
- - биологические.
3. По видам загрязнения:
- - очистка от твердых частиц (процеживание, отстаивание, механическое разделение, фильтрование);
- - очистка от растворимых примесей (экстракция, сорбция, нейтрализация, электрокоагуляция, ионный обмен, озонирование, кондиционирование, обезвоживание);
- - очистка от органических примесей (применение сооружений с использованием биологических фильтров).

Как видно из приведенной выше классификации, способов очистки сточных вод много. Ниже рассмотрим некоторые из них.

Гидромеханические методы очистки сточных вод

В группу методов механической очистки включают процеживание, отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка, фильтрование центробежные методы.

Процеживание. Сточные воды процеживают через решетки и сита с целью извлечения из них крупных примесей для предотвращения засорения труб и каналов. Решетки состоят из наклонных или вертикально установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на металлической раме. По способу очистки решеток от задержанных загрязнений они разделяются на простейшие, которые очищаются ручным способом, и механические, очищаемые с помощью механических приспособлений.

Сита применяют для удаления более мелких взвешенных частиц. Они могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Задерживаемые примеси смываются c сетки водой и отводятся в желоб. Производительность сита зависит от размера (диаметра) барабана, его длины, a также от свойств примесей.

Отстаивание. Его применяют для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители.

Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и дешевым методом выделения из сточных вод грубодиспергированных примесей с плотностью, отличной от плотности воды.

Отстойники предназначаются для осаждения нерастворенных частиц вследствие замедленного движения сточных вод.

B зависимости от конструкции отстойники могут быть горизонтальными, вертикальными или радиальными.

Недостатками отстойников являются сравнительно низкая эффективность, невысокая скорость удаления частиц, большие габаритные размеры аппаратов, значительный расход материалов (металла, бетона) для их изготовления.

Фильтрование. Процесс применяют для выделения из сточных вод грубо - и мелкодисперсных примесей, не осевших при отстаивании. Фильтрование является обычно завершающей стадией очистки сточных вод, прошедших сооружения механической, физико-химической и биологической очистки.

B зависимости от количества и характера примесей, а также количества очищаемой жидкости и требований к осветленной воде применяют фильтры c фильтровальной перегородкой или зернистой загрузкой.

Фильтрующий слой аппарата необходимо время от времени промывать от накопившихся загрязнений. Для этого в фильтр снизу подается промывочная вода.

Недостатками фильтров являются значительная металлоемкость и сложность системы промывки.

Центробежные методы. Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводится в гидроциклонах и центрифугах. Для очистки сточных вод, как правило, используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, a открытые - для удаления осаждающихся и всплывающих примесей. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность и небольшую стоимость.

Центробежные силы используют также в центрифугах. Мощность силового поля в таких аппаратах превышает мощность поля сил тяжести в сотни, тысячи и даже сотни тысяч раз, что позволяет обеспечить любую степень полноты разделения.

Химические методы очистки сточных вод

При наличии в сточных водах кислоты или щелочи производится их нейтрализация, показатель рН должен находиться в пределах от 6,5 до 8,5. Нейтрализовать сточные воды можно смешением одних вод с другими (кислых с щелочными), добавлением необходимых реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтральные материалы, пропусканием через щелочные воды кислых газов.

Окисление сточных вод производится хлором, перекисью водорода, кислородом воздуха, диоксидом марганца, озоном.

Восстановление используется для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка, для чего в воду вводят сульфит железа, гидросульфит натрия, гидразин, сероводород или алюминиевую пудру.

Удаление ионов тяжелых металлов производится реагентным методом. Ртуть, хром, кадмий, цинк, свинец, медь и никель удаляются c помощью гидроксидов кальция и натрия, карбонадов и сульфидов натрия, феррохромного шлака и т.п.

Биохимические методы очистки сточных вод

Эти методы основаны на способности некоторых микроорганизмов использовать вредные (чаще всего органические) вещества для своего питания в процессе жизнедеятельности. Контактируя с этими веществами, микробы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит - и сульфат-ионы и др. Микроорганизмы используются в виде активного ила или 6иопленки. Биохимическая очистка сточных вод может осуществляться в природных условиях (на полях орошения, в биологических прудах) или в искусственных сооружениях (аэротенках, биофильтрах).

Аэробные процессы очистки происходят c потреблением микробами кислорода, анаэробные - без потребления кислорода в метантенках, где происходит сбраживание c выделением спиртов, кислот, ацетона, углекислого газа, водорода и метана.

При использовании биохимических методов очистки сточных вод возникают проблемы сохранения активного ила (он не выдерживает низкой температуры), а также удаления и рационального использования продуктов процесса (в том числе взрывоопасных метана и водорода). Кроме того, появляется необходимость доочистки твердых осадков.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Из этой группы методов наиболее распространенными являются флотация и коагуляция.

Флотация. Флотационные процессы основаны на всплытии дисперсных частиц вместе c пузырьками воздуха. Флотацию успешно применяют в ряде отраслей техники (например, в процессах обогащения рудного и нерудного минерального сырья, в угледобыче) и для очистки производственных сточных вод.

Процесс флотации состоит в том, что молекулы нерастворенных частиц прилипают к пузырькам воздуха и всплывают вместе с ними на поверхность воды. Успех флотации и значительной степени зависит от величины поверхности пузырьков воздуха и от площади контакта их c твердыми частицами. Для повышения эффекта флотации в воду вводят реагенты.

Насыщение сточной жидкости воздухом осуществляется следующими способами: подачей воздуха во всасываемую трубу насоса; выделением из раствора пузырьков воздуха вследствие изменения давления; подачей воздуха компрессорами или воздуходувными машинами через пористые пластины; барботажем воздуха вследствие электрохимических процессов.

Флотация имеет высокую степень очистки (95-98%), снижает концентрацию легкоокисляемых веществ, уменьшает количество бактерий и микроорганизмов. Недостатком флотации является применение экологически вредных веществ (например, фенолов).

Коагуляция. Метод заключается в том, что к сточной воде добавляют реагенты (коагулянты), способствующие быстрому выделению из нее мелких взвешенных и эмульгированных веществ, которые при простом отстаивании не осаждаются. Реагeнт добавляют обычно до поступления сточной воды в отстойники. Взвеси вместе c коагулянтом осаждаются в отстойных бассейнах.

Флокуляция. Для ускорения процесса хлопьеобразования, имеющего место при коагуляции мелкодисперсных примесей, к сточной воде добавляют некоторые высокомолекулярные вещества, называемые флокyлянтами. Обычно флокулянты применяют в дополнение к минеральным коагулянтам, так как они способствуют расширению областей температур и рН коагулирования, снижают расход коагулянтов, повышают плотность и прочность образовавшихся хлопьев, стабилизируют работу очистных сооружений и повышают их производительность.

Флокулянты разделяют на три группы: неорганические вещества, природные полимеры, синтетические полимеры.

Адсорбция используется для глубокой очистки сточных вод от фенолов, пестицидов, ароматических соединений, красителей и т.д.

Адсорбция - это прилипание частиц, находящихся в очищаемой среде, к твердым веществам - сорбентам. B качестве сорбентов применяют активированные, синтетические сорбенты, некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки). Преимуществами адсорбции являются высокая степень очистки (80-95%), возможность улавливания токсичных веществ при невысокой их концентрации, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько вредных веществ, a также рекуперация (доиспользование) этих веществ.

Озонирование является универсальным методом, позволяющим эффективно очищать сточные воды от самых разных видов загрязнений.

По сравнению с другими окислителями озон имеет ряд преимуществ. Благодаря высокой окислительной способности, он применяется как для обеззараживания, так и для деструкции трудноокисляемых органических загрязнений. Дополнительным эффектом озонирования воды является ее обогащение растворенным кислородом.

Перспективность применения озонирования как деструктивного метода обусловлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод, мало загрязняет воду продуктами реакции, а сам процесс легко поддается полной автоматизации.

Ионный обмен применяется для очистки сточных вод от металлов и соединений мышьяка, фосфора, цианидов и радиоактивных веществ. Он применяется также для обессоливания и подготовки воды для нужд энергетики. Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора c твердой фазой, обладающей способностью обменивать ионы, содержащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Преимуществами ионного обмена являются возможность извлекать ценные вещества из загрязнений, высокая степень очистки, удаление высокотоксичных веществ, в том числе сyперэкотоксикантов. Это метод дорогой и требует четкой организации процесса, a также решения вопросов регенерации ионитов.

Экстракция используется при относительно высокой концентрации вредных веществ (фенолов, масел, органических кислот, ионов металлов), которая должна составлять не менее 3 г/л. При меньшей концентрации экономически выгоднее применять адсорбцию. Процесс экстракции включает в себя три стадии: интенсивное смешение сточной воды c экстрагентом (органическим растворителем), разделение чистой воды и загрязнений, регенерация загрязнений. Этот метод применяют в том случае, когда стоимость удаляемых веществ (например, ценных металлов) компенсирует затраты на проведение процесса.

Обратный осмос - это процесс фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны. Он происходит на молекулярном уровне и требует значительных затрат, но обеспечивает глубокую очистку от высокотоксичных вредных веществ.

Десорбция, дезодорация и дегазация представляют собой процессы очистки сточных вод от летучих примесей (сероводорода, аммиака, диоксида углерода). Эти процессы проводятся за счет продувки воды воздухом или инертным газом. Дезодорация очищает воду от меркаптанов, аминов, альдегидов; с помощью дегазации из воды удаляют вещества, способствующие коррозии.

Электрохимические методы очистки включают в себя анодное окисление, катодное восстановление, электрокоагyляцию, электрофлокуляцию и электродиализ.

Термические методы очистки сточных вод

Если другие методы очистки малоэффективны, то производится выпаривание воды. При этом конденсат используется в производстве, а концентрированный раствор из отходов сжигается. Сжигание концентрированных стоков производится, как правило, в печах c кипящим слоем или в циклонных печах Разработаны циклонные печи для сжигания отходов полистирола. Извлечение полистирола из сточных вод - это чрезвычайно сложный и дорогой энерготехнологический процесс, a его закачка в скважины связана с загрязнением подземных вод, поэтому стоки сначала выпаривают, a затем сжигают отходы. Процесс необходимо вести при высокой температуре во избежание образования суперэкотоксикантов.

Самыми эффективными способами являются физико-химические методы очистки. Самыми же низкоэффективными являются гидромеханические методы, поэтому они используются на первых стадиях очистки сточных вод от достаточно крупных частиц.