Очистка сточных вод применяется для разрушения или удаления вредных примесей и добавок, делающих стоки опасными для сброса в природный водоем, отведения в городскую канализацию, лишенными возможности повторного использования в технологическом цикле.

Проблему глубокой обработки стоков решают сооружения химической очистки, доводя параметры качества стоков не только до стандартов бытовых, но и до нормативов очищенной пресной воды, пригодной для технического использования.

Разбираемся, как проводится химическое обезвреживание токсичных загрязнений сточных вод, какое оборудование и реактивы используются в различных технологиях, знакомимся с преимуществами и недостатками каждого способа.

Определение

Химическая очистка стоков основана на способности молекул загрязняющих соединений взаимодействовать с реагентами, образуя безвредные продукты.

Химическая трансформация токсичных примесей в другие вещества позволяет обезвреживать водную массу, а именно:

  • дезинфицировать;
  • обесцвечивать;
  • извлекать загрязнения.

Основные недостатки метода:

  1. Применение химических реагентов.
  2. Необходимость верного расчета объема химического раствора. Для этого перед процедурой очистки проводится детальное исследование воды — состава, кислотности, концентрации загрязнений.
  3. Необходимость создания условий для благополучного завершения реакций.

Главное преимущество метода в том, что в отличие от механической, биологической и физико-химической обработки, химическое воздействие приводит к абсолютному изменению структуры соединений.

Фото 2

При механической очистке удаляются в основном только крупные частицы примесей. Физико-химическая воздействует на поверхность загрязняющих частиц, практически не изменяя состава и качества. Биологический метод применяется в «мягком» режиме, микробы способны влиять на ограниченный спектр нежелательных компонентов.

Растворенные примеси с выраженными кислыми или щелочными свойствами способны стать безвредными только в результате глубоких химических процессов.

Способы

К основным методам удаления примесей путем химического преобразования в другие соединения относятся:

  • нейтрализация водного раствора;
  • окисление загрязняющих компонентов;
  • восстановление вредных веществ.

Выбор технологии определяется объемами и характером СВ, доступностью реагентов, региональной промышленной ситуацией.

Нейтрализация

Стоки, насыщенные кислотами минерального происхождения или щелочью, подвергаются нейтрализации. Показатель нейтральности pH 6,5–8,5 необходим, чтобы использовать очищенные СВ в технологических процессах или сбросить в природный водоем.

Если значение водородного показателя не достигает минимальной границы или превышает максимум, нейтрализация становится необходимым этапом.

Способы нейтрализации:

  • смешение кислых и щелочных вод;
  • абсорбция аммиака кислыми водами;
  • добавление химреагентов;
  • фильтрование кислых СВ через нейтрализующие материалы;
  • абсорбция кислых газов щелочными водами.

Рассмотрим кратко особенности каждого метода.

Воздействие химическими реагентами

Для нейтрализации кислых вод используют:

  • гидроксид натрия (каустическая сода);
  • гидроксид калия (едкий калий);
  • карбонат натрия (кальцинированная сода);
  • гидроокись аммония (нашатырный спирт);
  • кальцит;
  • карбонат магния;
  • доломит;
  • цемент;
  • металлургический шлак.

Фото 3

Выбор реагента зависит от состава и концентрации кислых стоков, которые категорируются как воды, содержащие:

  • слабые кислоты (угольную, уксусную);
  • сильные кислоты (соляную, азотную);
  • серную и сернистую кислоты.

Чаще используется гидроксид кальция (известковое молоко) с концентрацией 5–10% активной извести.

В процессе нейтрализации, как правило, происходит образование осадка. К примеру, при нейтрализации известковым молоком сточных вод, содержащих серную кислоту, в осадок выпадает гипс (CaS04-2H20), что вызывает его отложение на стенках трубопроводов.

Обработка газами кислой природы

Для нейтрализации щелочных СВ также используются дымовые кислые газы, содержащие, к примеру, диоксид углерода (углекислый газ), оксид серы и оксиды азота. Эти газы способны благоприятно влиять не только на качество воды, но и одновременно очищать от вредных примесей непосредственно газовые смеси.

Процесс нейтрализации происходит в колоннах через распыление, пропускание растворов через тарелки, в реакторах, оснащенных устройствами для перемешивания.

К примеру, этот метод эффективно применяется для очистки стоков асбоцементных производств, показатель кислотности которых достигает 13.

Применение отходящих газов – ресурсосберегающая технология.

Качество очищенных СВ позволяет:

  • минимизировать сброс в водные объекты;
  • сокращать потребление чистой воды;
  • экономить тепловую энергию на подготовку горячей воды;
  • очищать дымовые газы от кислых примесей и пыли.

Стоки с превышением щелочности образуются достаточно редко – СВ промышленности обычно загрязнены отходами с кислой средой.

Смешение

Если производства, образующие стоки кислого и щелочного характера, расположены в непосредственной близости, оптимальная технология нейтрализации – смешение.

В одну емкость направляются два водных потока, перемешиваются мешалками или с помощью воздуха, пропускаемого с высокой скоростью – 20–40 м/с.

Концентрация ионов в растворах постоянно изменяется, поэтому она постоянно контролируется, чтобы направлять потоки нужной интенсивности в усреднители.

Нейтрализация при фильтровании

Кислую водную среду делают нейтральной путем фильтрования стоков через щелочные шлаки или через:

  • золу;
  • мрамор;
  • мел;
  • известняк;
  • доломиты;
  • магнезиты.

Фото 4

Фильтрующее оборудование бывает вертикальным или горизонтальным, размер частиц наполнителя – 3–8 мм.

Технология применяется только для очистки СВ, не содержащих солей металлов, с концентрацией серной кислоты, не превышающей 1,5 г/л. В противном случае фильтр обрастает осадком, а нейтрализация становится практически неэффективной.

Окисление

Технологию окисления применяют для обезвреживания производственных СВ с токсичными примесями типа цианидов, фенолов или соединениями, которые извлекать другими способами практически невозможно – сероводородом и сульфидами.

Окислители, используемые для химической очистки:

  • кислород воздуха;
  • озон;
  • хлор и хлорсодержащие соединения;
  • хлорат и гипохлорит кальция;
  • перманганат и бихромат калия;
  • пероксид водорода.

В результате химических реакций токсичные загрязнения трансформируются в менее опасные, которые впоследствии удаляют. Окислители доступны и недороги, но образующиеся в виде отложений на трубопроводном оборудовании осадки усложняют очистку.

Удалять твердые остатки с помощью серной кислоты приходится в течение нескольких суток. Ситуация усугубляется присутствием органических примесей, обволакивающих кристаллы.

Проблема решается через:

  • периодическое промывание труб;
  • использование пластиковых конструкций, менее подверженных обрастанию;
  • увеличение скорости водного потока;
  • рекуперацию твердых отложений.

Активность окислителя оценивается показателем окислительного потенциала. На первом месте – фтор. Агрессивность элемента настолько высока, что он не может использоваться на практике.

Потенциал по убывающей выглядит так:

  • озон – 2,07;
  • хлор – 0,94;
  • пероксид водорода – 0,68;
  • перманганат калия – 0,59.

Наиболее распространенные окислители – хлор и вещества, содержащие активный хлор. Они очищают стоки от сероводорода, гидросульфида, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов.

Окисление цианидов хлором проводится только в щелочной среде (pH > 9), в результате реакции образуются цианаты, которые затем доводят до диоксида углерода и азота.

Окисление кислородом воздуха целесообразно применять для обезвреживания стоков нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозной промышленности, а также при очистке стоков от железа.

Реакция окисления кислородом протекает при высоких температуре и давлении. Жесткие условия обработки в таких условиях увеличивают уровень обезвреживания стоков, но требуют дополнительных энергозатрат.

Сульфидные соединения разрушаются диоксидом углерода – компонентом, содержащимся в отходящих дымовых газах. В результате образуются карбонаты.

Состав образующейся в результате обработки смеси зависит от исходных специфических особенностей стоков. В результате химической реакции токсичность водной среды по отношению к начальному состоянию значительно снижается.

Озонирование

Мощный окислитель озон разрушает в водных растворах неорганические и большинство органических веществ.

Фото 5

Озонирование применяется для очистки СВ от:

  • фенолов;
  • пестицидов;
  • нефтепродуктов;
  • сероводорода;
  • соединений мышьяка;
  • ПАВ;
  • цианидов;
  • красителей;
  • канцерогенных углеводородов.

При озонировании водного раствора бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при хлорировании.

Действие окисления озоном развивается в одном из направлений:

  1. Окисление с участием одного атома кислорода.
  2. Присоединение целой молекулы озона к окисляемому веществу. При этом происходит образование озонидов.
  3. Каталитическое усиление окисляющего потенциала кислорода – компонента озонированного воздуха.

Для интенсификации очистки применяется одновременное воздействие озона с ультразвуком или УФ-облучением. Процессы под ультрафиолетом происходят быстрее более, чем в 100 раз.

Электрохимическое окисление

Технология очистки с помощью электрохимического окисления основана на электролизе СВ – анодном окислении и катодном восстановлении. В качестве анода используются электролитически нерастворимые материалы (например, уголь, графит, диоксиды свинца), нанесенные на основу из титана.

Для катода:

Химические реакции зависят от электролита, материала электродов, состава водной среды. Эффективность зависит и от плотности тока.

Метод целесообразен для удаления концентрированных примесей как органического происхождения, так и неорганических, а также для обработки небольших объемов стоков.

При анодном окислении происходит деструкция органики до воды, углекислого газа и органических кислот.

Чтобы достичь лучшей электропроводимости раствора, сократить расход электроэнергии и ускорить процесс, в СВ вводят минеральные соли. Одно из эффективных соединений – хлорид натрия.

Фото 6

Плюсы технологии:

  • очистное оборудование размещается на небольших площадях;
  • простая схема обработки;
  • оборудование способно функционировать в автоматическом режиме;
  • в результате образуется небольшой объем осадков, требующих обезвреживания или утилизации;
  • не изменяется минеральный состав стоков;
  • отсутствует необходимость в реагентном хозяйстве.

Минусы технологии:

  • значительные капитальные и эксплуатационные затраты на сооружения очистки;
  • отложение солей на поверхности электродов;
  • в процессе очистки происходит образование газов, способных генерировать взрывоопасные соединения с воздухом, что требует оснащения сооружений противопожарными вентиляционными системами.

Радиационное окисление

Излучения высоких энергий способствуют образованию значительного количества окислительных частиц, пагубно влияющих на органику.

В качестве источников излучения используются радиоактивные кобальт и цезий в сочетании с тепловыделяющими элементами, радиационными контурами, ускорителями электронов.

Восстановление

Очистка стоков путем восстановления применяется достаточно редко – в случаях, требующих удаления токсичных примесей, содержащих хром, мышьяк, а также ртуть в виде неорганических или металлорганических соединений.

В первом случае связанный металл переводится в свободное состояние. При необходимости воду отстаивают, фильтруют, проводят дополнительную обработку флотацией. Во втором случае сначала разрушаются соединения, а затем происходит восстановление до состояния свободного металла.

Реагенты для технологии восстановления:

  • железо;
  • сульфид железа;
  • алюминиевая пудра;
  • гидросульфид натрия.

Мышьяк эффективно удаляется диоксидом серы, хромсодержащие примеси распадаются под воздействием большинства химических веществ.

Процесс очистки осложняется тем, что рН раствора в ходе процесса должен изменяться, поэтому в систему сначала вводится серная кислота, а через определенный промежуток времени – гидроксиды.

Биохимический способ

Метод биохимической очистки считается не менее эффективным, при этом не требующим утилизации используемых реагентов и значительных капитальных и эксплуатационных затрат, в которых нуждаются искусственные способы.

Основан на жизнедеятельности бактерий, приводящей к разложению сложных органических загрязнений на безопасные и простые продукты.

Микрофлора постоянно обитает в почве и воде, способствуя их естественному очищению. Концентрация микроорганизмов-«очищающих агентов» небольшая, поэтому процессы протекают довольно медленно.

Фото 7

В сооружениях биохимической очистки, в благоприятной среде «живут» многочисленные колонии бактерий, участвующие в обезвреживании загрязнений. Это значительно ускоряет обработку.

При биохимической технологии используются аэробные или анаэробные микроорганизмы (их комбинация):

  1. Аэробные. Разлагают сложную органику на воду, минеральные примеси в виде осадка и углекислый газ. Бактерии живут в кислородной среде, поэтому сооружения очистки оборудуются генерирующими кислород аэраторами и компрессорами.
  2. Анаэробные. Этим организмам кислород не нужен, но необходим углекислый газ и нитраты. Бактерии выделяют метан, поэтому предусматривается эффективная система вентиляции.

Наиболее высокий обезвреживающий эффект биопрудов заметен в теплое время года. Кишечная палочка удаляется практически на 100%, кислотность потока снижается на 90 %, а концентрация аммонийного и органического азота – на 97 %.

В технологии используются биологические пруды – неглубокие искусственные водоемы, в которых стоки проходят через процессы, подобные природному самоочищению.

Биопруды бывают в виде:

  1. Проточных водоемов. Минус метода с использованием воды природных водоемов – необходимость сооружения отстойника.
  2. Прудов, в которых СВ не разбавляются водой из рек.
  3. Водоемов, предназначенных для дополнительной доочистки – более высокого уровня.
  4. Станций биоочистки, работающих по принципу аэробного воздействия. К подобным устройствам относятся аэротенки и биофильтры, требующие для эффективной эксплуатации качественную аэрацию.
  5. Анаэробных прудов (септиков, отстойников и метантенков) очистных конструкций, предназначенных для анаэробного разложения. Минус метода заключается в постоянном выделении опасного газа метана. Кроме того, существует риск, что патогенные агенты могут оказаться в грунтовых водах.
  6. Биофильтр. Сооружение с неразбухающим крупнозернистым наполнителем – металлургическим шлаком, галькой, щебнем. Аэрация устраивается искусственная или естественная. В первом случае процессы биохимочистки протекают гораздо быстрее.
  7. Контактные водоемы. Принцип основан на способности стоячих вод ускорять биохимические процессы окисления.

Видео по теме

Предлагаем посмотреть видео, в котором описан процесс озонирования сточных вод:

Заключение

Химическая очистка стоков требует не только применения эффективного оборудования и подходящих, качественных реактивов, но и крайне ответственного отношения и компетентности персонала.

При точном соблюдении технологии метод позволяет обезвредить загрязненные сточные воды от значительного объема примесей производственного и бытового происхождения.