Попадание в реки сточных вод, загрязненных неорганическими примесями, солями азота, фосфора и тяжелых металлов, способствует развитию сине-зеленых водорослей, постепенно приводя к гибели экосистемы.

Источники опасных стоков – промышленные и добывающие предприятия, агрокомплексы. Удаление всех типов загрязняющих веществ – системное мероприятие.

В зависимости от состава и степени концентрации примесей выбирается определенная технология обработки.

Предлагаем ознакомиться с методами физико-химической очистки сточных вод – когда используются химические реагенты и применяются законы физики.

Определение

Фото 2Метод основан на использовании физических свойств загрязнений и химических веществ, используемых для их удаления.

У гидрофильных веществ энергия притяжения к молекулам воды больше энергии притяжения между собой водных молекул, поэтому многие гидрофильные компоненты интенсивно с ними взаимодействуют и хорошо растворяются.

У гидрофобных веществ энергия притяжения молекул к молекулам воды меньше энергии водородных связей молекул воды.

К ним относятся:

  • жиры;
  • часть углеводов (крахмал, гликоген, клетчатка);
  • нуклеиновые кислоты;
  • АТФ;
  • большинство белков, нерастворимых в воде.

Абсолютно гидрофобных («водоотталкивающих») компонентов не существует, поэтому гидрофобность рассматривают как малую степень гидрофильности.

В результате взаимодействия гидрофобные компоненты отделяются от гидрофильных, преобразуются в пену или выпадают в осадок.

На этапе физико-химической очистки из сточных вод удаляются коллоидные и мелкодисперсные частицы – нерастворимые примеси размером 1-1000 нм, трудноудаляемые минеральные и органические вещества.

Способ также эффективен для удаления некоторых щелочей, кислот, ионов, для разрушения слабоокисляемых соединений.

Преимущества физико-химических методов:

  1. Позволяют очистным сооружениям стабильно работать даже при низкой температуре жидкости, колебаниях рН, гидравлических и органических нагрузках.
  2. Невысокая продолжительность обработки.
  3. Можно быстро запустить оборудование после первичной установки или профилактического обслуживания, ремонта.
  4. Стабильная обработка стоков, особенно в сравнении с этапом биоочистки.
  5. Процесс максимально автоматизирован – участие человека в контроле оборудования минимально.
  6. Уровень очистки от примесей, которые не улавливаются при механической фильтрации, составляет, в зависимости от способа, 85-99%.
  7. Возможность рекуперации большинства отходов для вторичного использования.

Недостатки физико-химических методов:

  1. Высокоэффективные технологии (обратный осмос, абсорбция, ионный обмен) являются дорогостоящими.
  2. При реализации недорогих способов (коагуляция, флокуляция) образуется большая масса побочных продуктов, требуется доочистка стоков.
  3. Некоторые виды, основанные на использовании тока (электрофлотация, электрокоагуляция), требуют больших энергозатрат.

Фото 3

Способы и методы

К физико-химической обработке СВ относятся различные электрохимические способы:

  • коагуляция;
  • флокуляция;
  • адсорбция;
  • экстракция;
  • обратный осмос и множество других.

Для каждой категории стоков применяется определенный способ очистки, наиболее эффективный для удаления конкретных примесей. Методы различаются технологией, применяемыми реагентами и требованиями к конечному результату – качеству очищенной воды.

Коагуляция

В основе коагуляции (от латинского «coagulatio» – свертывание, сгущение) лежит процесс укрупнения твердых коллоидных загрязняющих частиц и их объединение в момент соударения в агрегаты. После слипания размер частиц увеличивается – от 0,0001 до 10 мкм и более.

В качестве коагулянтов используются минеральные вещества:

  • соли железа;
  • алюминия;
  • магния;
  • мед;
  • цинк;
  • сернокислого кальция.

А также замутнители:

  • известь;
  • различные глины;
  • отходы производства, содержащие алюминий;
  • металлическая пыль;
  • зола;
  • цемент;
  • мелкий песок.

Коагуляция – лучший способ для очистки от тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Реакция приводит к образованию соединений металлов. Хлопья быстро оседают под силой тяжести и затем легко извлекаются после отстаивания во время повторной механической обработки.

Фото 4

Метод коагуляционной очистки применяется в химической, нефтехимической, целлюлозно-бумажной промышленности.

Эффективность очистки составляет до 95% и зависит от следующих факторов:

  • дозы коагулянта;
  • интенсивности перемешивания;
  • концентрации загрязнений;
  • температуры.

Дозу коагулянта определяет концентрация и дисперсность загрязнений. Как правило, доза возрастает с увеличением этих показателей.

При недостаточной порции реагента не достигается необходимая степень очистки, а при избытке происходит перерасход дорогостоящего вещества, причем процесс коагуляции может даже ухудшиться.

Различают несколько способов перемешивания водного раствора и коагулянта:

  • механическое;
  • пневматическое;
  • комбинированное.

В процессе коагуляции одновременно удалятся растворимые примеси, адсорбируемые на поверхности растущих кристаллов. Особенность соосаждения эффективно применяется для доочистки стоков – как от неорганических веществ, так и от органики.

Коагуляция требует большого расхода коагулянтов, приводит к минерализации воды, образованию значительного объема хлопьев.

Поэтому она часто применяется в комплексе с другими технологиями очистки. К примеру, эффект от введения коагулянтов возрастает при дополнении различных флокулянтов.

Флокуляция

Фото 5Флокуляция основана на агрегации взвешенных частиц. Процесс запускается при введении в стоки флокулянтов – высокомолекулярных соединений.

Агрегация возникает как при непосредственном контакте частиц (подобно коагуляции), так и при взаимодействии молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Флокулянты часто используются с целью «мобилизации» коагулянтов – для увеличения объема хлопьев, выпадающих в осадок.

Вещества обладают большой молекулярной массой, поэтому способны создавать мостики между микрохлопьями, преобразуя их в макрохлопья – более плотные и быстроосаждаемые. Сочетание коагуляции с флокуляцией позволяет сократить затраты на коагулянты до минимума.

Кроме улучшения показателей очистки (при сокращении расхода реагентов и периода отстаивания), в результате флокуляции увеличиваются:

  • производительность без дополнительных затрат;
  • эффективность фильтровальной системы;
  • срок службы фильтров.

Вещества-флокулянты разделяются на 3 группы:

  1. Неорганические соединения. К примеру, активная кремневая кислота.
  2. Природные полимеры. К этой категории относятся гуаровые смолы, крахмал, производные целлюлозы, альгинат натрия. Их преимущество – почти абсолютная безвредность. Недостаток естественных реагентов – скромные флокулирующие качества.
  3. Синтетические полимеры трех видов:
  • неионные;
  • анионные;
  • катионные.

Это наиболее распространенные флокулянты с высокими флокулирующими показателями. Вещества эффективно очищают воду от примесей даже при введении в малых дозах и без присутствия коагулянтов.

Чтобы ускорить распределение флокулянтов в жидкости, используются разбавленные растворы и интенсивное перемешивание смесителями. При этом расход флокулянта снижается примерно на 30 %.

Флотация

Фото 6Флотация основана на молекулярном слипании частиц загрязнений с пузырьками воздуха, которые выносят их на поверхность.

Пена затем легко снимается пеносборными устройствами.

Эффективность флотационного извлечения веществ и их концентрирование в пенном слое зависит от силы прилипания частиц к пузырьку воздуха.

На силу слипания влияет смачиваемость поверхности частицы. Несмачиваемые называются гидрофобными, смачиваемые – гидрофильными.

Воздух является гидрофобным, поэтому к пузырькам прилипают только гидрофобные вещества:

В зависимости от технологии образования пузырьков при насыщении стоков воздухом, различают несколько разновидностей флотации. Кроме способов подачи воздуха и жидкости в сооружения флотации, методы еще различаются объемами получаемых пузырьков.

К преимуществам всех видов флотации относятся:

  • непрерывность очистки;
  • широкая сфера применения;
  • малые капитальные и эксплуатационные затраты;
  • простое оборудование;
  • высокая скорость процесса (некоторые взвеси удаляются быстрее, чем при отстаивании);
  • образование шлама пониженной влажности (90-95 %);
  • качество очистки;
  • возможность рекуперации удаляемых примесей.

Среди минусов метода – необходимость подбора очистителя и дополнительного внесения реагентов для повышения гидрофобности загрязняющих веществ.

Механическая

Фото 7Принцип заключается в механическом диспергировании воздуха – пневматическом или импеллерном.

Пневматическая обработка подходит для использования в агрессивной среде.

Воздух поступает через сопла флотационной камеры (обычно они расположены на дне). На формирование пузырьков влияет скорость аэрации.

Импеллерная обработка проводится с применением турбинок насосного типа – импеллеров. Чем выше скорость, тем меньше пузырьки. Достоинство метода – возможность применения в стоках с высокой концентрацией взвешенных веществ.

Струйная

Пузырьки в СВ образуются в результате падающей с высоты струи, которая увлекает воздух и инжектирует его в стоках.

Газ проникает на глубину до 1 м, создает высокую турбулентность, затем распадается на микропузырьки. Они всплывают, захватывая загрязняющие примеси и вынося их на поверхность в слой пены.

Вакуумная, напорная, эрлифтная

Это методы флотации пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде.

Вакуумная флотация основана на снижении давления в камере до значений ниже атмосферного. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. Воздушные пузырьки образуются в спокойной среде, поэтому остаются целыми до самого достижения ими поверхности.

Но создание вакуума в большом закрытом резервуаре является серьезным недостатком метода. Возникают технические трудности из-за необходимости абсолютной герметизации системы и усиления конструкции установки.

Напорная – наиболее эффективный метод для удаления из СВ мелкодисперсных и коллоидных взвесей низкой концентрации.

Стоки насыщаются воздухом под давлением до 7 МПа в сатураторе. После выхода воды давление резко снижается до атмосферного, в результате происходит интенсивное выделение воздушных пузырьков.

Если флотация проводится без добавления реагентов, ее относят к физическим способам. Использование химических реагентов улучшает качество очистки, но способствует образованию большого количества шлама, требующего утилизации.

Фото 8

При эрлифтной обработке источником аэрации выступает эрлифт, подающий воздух и перемешивающий водный раствор. Образующаяся пена с загрязнителями удаляется скребком или самотеком. Осветленная вода затем направляется на дальнейшую очистку.

Контакт деталей установки со сточной жидкостью отсутствует, поэтому технология подходит для агрессивных и токсичных сред, может применяться в химической промышленности.

Эрлифтные установки имеют несложное устройство, а эксплуатационные затраты в 2-4 раза ниже, чем в напорных. Но флотационные камеры устанавливаются на большой высоте, и это серьезный недостаток метода.

Химическая

Способ основан на протекании реакций с выделением газов (кислорода, хлора, углекислого газа), пузырьки которых прилипают к загрязняющим частицам, вынося их в пенный слой. Пена с примесями снимается с поверхности сточной жидкости в шламоприемник.

Недостаток технологии – большой расход реагентов, загрязнение воды посторонними примесями.

Биологическая

Принцип – уплотнение осадков из первичных отстойников при очистке хозбытовых стоков. Осадки нагревают до 35–55 °С и выдерживают при этой температуре несколько дней.

От воздействия микроорганизмов на обрабатываемые осадки выделяются пузырьки газа, которые транспортируют частицы осадка в пенный слой, где они уплотняются и обезвоживаются.

Это снижает затраты на дальнейшую обработку – механическое обезвоживание, сбраживание, термическую сушку, сжигание.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы

Воздушные пузырьки образуются с помощью мелкопористых установок — керамических пластин, труб, насадок, колпачков с отверстиями 5-20 мкм, размещенных на дне флотационной камеры.

На размер пузырька влияет скорость выхода воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима малая скорость.

Среди плюсов метода — простота сооружения, небольшие затраты энергии. Минусы – частое засорение и зарастание отверстий пористого наполнителя, сложность при подборе расходников с одинаковыми отверстиями.

Электрофлотация

Фото 9Загрязненная сточная жидкость – многокомпонентный раствор-электролит.

Принцип электрофлотации использует это качество.

Электролиз заключается в пропускании постоянного электрического тока через водный раствор. В результате стоки насыщаются пузырьками газа.

Электролизные газы увеличивают интенсивность флотации, эффективно удаляя устойчивые эмульсии и суспензии, образованные нерастворимыми нефтепродуктами, смазочными маслами, малорастворимыми соединениями тяжелых и цветных металлов.

Кроме того, многие примеси выделяются электрическим полем, в котором заряженные частицы перемещаются к противоположно заряженным электродам.

Эффективность увеличивается при использовании растворимых на аноде электродов — алюминиевых или железных пластин, стружки. Катионы металла образуют гидроокиси в виде крупных хлопьев, которые сорбируют частицы примесей.

Качество обработки зависит от:

  • плотности тока на электродах;
  • времени обработки;
  • особенностей материала анода и катода;
  • температуры и толщины слоя очищаемой жидкости;
  • рН;
  • концентрации солей.

К серьезным минусам метода относятся:

  • малая производительность;
  • высокая стоимость электродов;
  • их износ и загрязнение;
  • взрывоопасность.

Безнапорная флотация

Технология применяется для очистки воды от жира и шерсти. Центробежное насосное оборудование формирует вихревые потоки, поступающий воздух дробится на отдельные пузырьки, которые быстро поднимаются к поверхности. Для удаления тонкодисперсных частиц способ не подходит.

Ионный обмен

Это процесс взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойствами обменивать собственные ионы на другие, присутствующие в растворе.

Фото 10

Метод эффективен для выделения из стоков ценных примесей тяжелых металлов:

  • цинка;
  • меди;
  • хрома;
  • никеля;
  • свинца;
  • ртути;
  • кадмия;
  • ванадия;
  • марганца;
  • соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ.

В сточную жидкость вводятся ПАВ (собиратели), которые обеспечивают флотируемым металлам водоотталкивание и связывание с пузырьками, которые выносят загрязнения в пенный слой.

Пена выводится из флотационной камеры, а затем происходит удаление сконцентрированных ионов металлических примесей. При этом достигается высокая эффективность очистки и получение металлов в виде относительно чистых и концентрированных солей.

Адсорбция

Удаляемые примеси концентрируются на поверхности или в порах твердого тела.

В качестве адсорбентов применяются природные и искусственные пористые материалы:

  • торф;
  • активные глины;
  • доломиты;
  • ирлиты;
  • активированный уголь;
  • зола;
  • шлаки;
  • опилки;
  • частицы кокса;
  • алюмогели;
  • силикагели.

Это твердые адсорбенты с развитой внутренней поверхностью (объемом пор). Они способны впитывать определенные вещества – это основа метода адсорбции.

Применяя адсорбционный способ, можно качественно очистить стоки от нескольких видов загрязнений, в зависимости от вида адсорбента и характеристик загрязнений эффективность составляет 95 %.

Метод адсорбции применяется для глубокой очистки сточных вод от растворенной органики после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация органики невысока, она высокотоксична или биологически не разлагается.

Фото 11

Преимущества метода:

  • экономичность;
  • высокая эффективность при небольших загрязнениях;
  • возможность очистки стоков, содержащих несколько видов примесей, а также рекуперации этих веществ;
  • отсутствие загрязнения очищаемой воды посторонними веществами.

К минусам относится невозможность применения, если стоки загрязнены только органикой.

Концентрирование

Концентрирование позволяет провести обезвреживание сточной жидкости – выделить минеральные соли и получить условно чистую воду, которая может использоваться в системе оборотного водоснабжения.

Проводится в испарительных, вымораживающих и кристаллогидратных установках непрерывного и периодического действия в 2 этапа:

  • стадии концентрирования;
  • стадии выделения сухих веществ.

Наиболее распространены вакуумные испарители – автономные установки для мягкой дистилляции, получения больших объемов очищенной воды.

Экстракция

Метод основан на растворении примесей органическими растворителями – экстрагентами.

В их качестве используются органические растворители, которые не смешиваются с водой:

  • бензол;
  • минеральные масла;
  • четыреххлористый углерод.

Загрязнения распределяются в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей. В результате очистки из стоков извлекаются ценные вещества – фенолы, жирные кислоты.

Экстракционная технология экономически целесообразна при большой концентрации органических загрязнений или высокой стоимости извлекаемых примесей.

Процесс проходит в 3 этапа:

  1. Интенсивное смешивание СВ с экстрагентом. В результате образуются две жидкие фазы — экстракт (удаленное вещество и экстрагент) и рафинат (сточная вода и экстрагент).
  2. Разделение экстракта и рафината.
  3. Регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Фото 12

Чтобы получить максимальный эффект, экстракцию проводят несколько раз.

Способ позволяет удалять нелетучие фенолы, его эффективность достигает 98 %. К недостаткам относится необходимость установки громоздкого оборудования, высокая стоимость экстрагента.

Дистилляция

Технология воспроизводит круговорот воды в природе — вода испаряется, освобождаясь при этом от примесей (растворенных и нерастворенных).

В дистилляторах для ускорения испарения применяется нагревание воды до температуры кипения, что приводит к интенсивному парообразованию.

Растворенные химические вещества достигают предела растворимости и выпадают в осадок.

Механические примеси, в том числе микроорганизмы, а также коллоиды и взвешенные вещества, слишком тяжелы, чтобы быть увлеченными паром – с ним поднимаются только летучие органические соединения.

Поэтому дистилляторы часто оснащают фильтром доочистки с наполнителем из активированного угля (из скорлупы кокоса).

Метод обратного осмоса

Принцип заключается в фильтровании СВ под давлением через полупроницаемые мембраны, которые пропускают растворитель и не пропускают (полностью или частично) молекулы или ионы растворенных загрязнений.

В процессе обратного осмоса вода и растворенные примеси разделяются на молекулярном уровне.

Диализ

Диализная обработка основана на освобождении растворов высокомолекулярных веществ от растворенных в них низкомолекулярных примесей при помощи мембраны. Элементарный диализатор из коллодия (полупроницаемого материала) выглядит как «мешочек», в котором находится очищаемая жидкость.

Фото 14

Процесс можно ускорить, увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процедура очистки основана на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы ее ускорения.

Электродиализ – процесс изменения концентрации электролита в растворе под действием электрического тока. Способ особенно эффективен при выделении солей.

Электрохимическая активация воды (ЭХА)

Суть метода по обмену электронами между раствором и электродом заключается в том, что водные растворы, содержащие минеральные соли, в результате униполярной электрохимического воздействия переходят в метастабильное состояние.

При катодной обработке вода приобретает щелочную реакцию, снижается концентрация кислорода, хлора, азота, возрастает содержание водорода.

В результате анодной обработки возрастает рН, концентрация молекул хлора, кислорода, уменьшается содержание водорода, азота. Кроме того, происходит трансформация структуры воды.

Технология обеззараживания воды способом ЭХА обладает многими преимуществами:

  1. Обеззараживающие растворы можно получать прямо на станции водоочистки.
  2. Не увеличивается содержание ионов, жидкость не загрязняется реагентами.
  3. Одновременно проводится обеззараживание традиционными хлорными соединениями, озоном, другими окислителями.

Кроме того, электрохимически активированные растворы эффективнее стандартных веществ, применяемых для дезинфекции.

Электрохимическая активация практически не применяется в качестве самостоятельной технологии.

Ее задачи:

  • сокращение до абсолютного минимума химических реагентов;
  • снижение загрязненности сточной жидкости;
  • увеличение качества конечных продуктов;
  • сокращение времени обработки;
  • повышение качества очистки и упрощение процессов.

Видео по теме

Предлагаем посмотреть видео о методе напорной флотации:

Заключение

Очистка физико-химическими методами применяется практически всегда. В стоках часто концентрируются нерастворимые примеси, которые невозможно удалить на других этапах.

Очистные сооружения имеют скромные размеры, при этом процессы почти полностью автоматизированы.

Способы применяются самостоятельно или в комбинации с механической, химической и биологической очисткой. Эффективность процесса достигает 85-99%.

Самые распространенные технологии – коагуляция, флокуляция, флотация, адсорбция. Наиболее эффективные – мембранные и электрохимические. Методы подбираются предприятиями индивидуально, в зависимости от состава стоков и требований к результату обработки.