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.
Содержание
Определение
Метод 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:
- Позволяют очистным сооружениям стабильно работать даже при низкой температуре жидкости, колебаниях рН, гидравлических и органических нагрузках.
- Невысокая продолжительность обработки.
- Можно быстро запустить оборудование после первичной установки или профилактического обслуживания, ремонта.
- Стабильная обработка стоков, особенно в сравнении с этапом биоочистки.
- Процесс максимально автоматизирован – участие человека в контроле оборудования минимально.
- Уровень очистки от примесей, которые не улавливаются при механической фильтрации, составляет, в зависимости от способа, 85-99%.
- Возможность рекуперации большинства отходов для вторичного использования.
Недостатки физико-химических методов:
- Высокоэффективные технологии (обратный осмос, абсорбция, ионный обмен) являются дорогостоящими.
- При реализации недорогих способов (коагуляция, флокуляция) образуется большая масса побочных продуктов, требуется доочистка стоков.
- Некоторые виды, основанные на использовании тока (электрофлотация, электрокоагуляция), требуют больших энергозатрат.
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.
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
Флокуляция 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:
- Неорганические соединения. К примеру, активная кремневая кислота.
- Природные полимеры. К этой категории относятся гуаровые смолы, крахмал, производные целлюлозы, альгинат натрия. Их преимущество – почти абсолютная безвредность. Недостаток естественных реагентов – скромные флокулирующие качества.
- 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
Флотация 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:
- масла;
- жиры;
- нефтепродукты;
- ПАВ;
- некоторые твердые частицы.
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
Принцип 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.
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
Загрязненная 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.
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.
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:
- Интенсивное смешивание СВ с экстрагентом. В результате образуются две жидкие фазы — экстракт (удаленное вещество и экстрагент) и рафинат (сточная вода и экстрагент).
- Разделение экстракта и рафината.
- Регенерация экстрагента из экстракта и рафината.
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.
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:
- Обеззараживающие растворы можно получать прямо на станции водоочистки.
- Не увеличивается содержание ионов, жидкость не загрязняется реагентами.
- 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.