5. Общие методы очистки воды
Во всех случаях очистки стоков первой стадии является механическая очистка, предназначенная для удаления взвесей и дисперсно-коллоидных частиц. Последующая очистка от химических веществ осуществляется различными методами — физико-химическими, химическими, электрохимическими, биологическими. Если в сточных водах имеются весьма вредные вещества, применяют термические методы, позволяющие уничтожить, эти примеси. Обычно приходится применять комбинацию указанных методов.
В зависимости от характера примесей в сточных водах применяют те или другие приемы их очистки. В качестве наиболее употребительных методов следует указать следующее:
Для суспензированных и эмульгированных примесей — отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрофугирование (для грубодисперсных частиц); коагуляция, флокуляция, электрические методы осаждения (для мелкодисперсных и коллоидных частиц);
Для очистки от неорганических соединений — дистилляция, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация, реагентное осаждение, методы охлаждения, электрические методы;
Для очистки от органических соединений — экстракция, абсорбция, флотация, ионообмен, реагентные методы (регенерационные методы); биологическое окисление, жидкофазное окисление, парофазное окисление, озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление (деструктивные методы);
Для очистки от газов и паров — отдувка, нагрев, реагентные методы;
Для уничтожения вредных веществ — термическое разложение.
Для очистки стоков от соединения фосфатов и азота, загрязняющих водоемы и приводящих к их эвтрофикации, применяют специальные методы, например удаления соединений фосфора при помощи сульфатов алюминия или железа. Если из вод удалить соединения фосфора, то рост водорослей даже в присутствии соединений азота прекращается.
Большинство определений в настоящее время производится при помощи автоматических анализаторов. Анализ сточных вод, прошедших очистную систему, позволяет установить качество очищенной воды и ее соответствие ПДК по нормируемым примесям.
В ряде наиболее важных пунктов создаются централизованные станции контроля, которые следят за качеством воды на больших участках водной системы. В качестве примера можно указать, что на Москве-реке в пределах 200 км создана система контроля качества воды, состоящая из 32 контрольных станций, работающих автоматически, и позволяющих оценить состояние воды на большом протяжении реки. Эти станции дают сведения о температуре воды, содержании в ней нефтепродуктов, кислорода и других веществ, о электропроводности воды, ее мутности и других характеристик.
Удаление взвешенных частиц из воды
Взвешенные примеси подразделяются на твердые и жидкие; они образуют с водой дисперсные системы.
Для удаления взвешенных примесей из сточных вод используют гидромеханические процессы процеживания, отстаивания (гравитационное и центробежное), фильтрование.
Физико-химические методы очистки вод
Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с использованием биохимических методов, имеет ряд преимуществ: 1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений; 2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки; 3) уменьшение размеров сооружений; 4) уменьшение чувствительности к изменениям нагрузок; 5) возможность полной автоматизации; 6) отсутствие контроля за деятельностью живых организмов.
Выбор того или иного метода очистки (или нескольких методов) производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемым к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом объема сточных вод и концентрации загрязнений в них, необходимых материальных и энергетических ресурсов, экономичности процесса.
Флотация
Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления растворенных веществ, например ПАВ. Такой процесс называют «пенной сепарацией» или «пенным концентрированием». Флотацию применяют для очистки сточных вод многих производств: нефтеперерабатывающих, искусственного волокна, целлюлозно-бумажных, кожевенных, машиностроительных, пищевых, химических. Она используется также для выделения активного ила после биохимической очистки.
Элементарный акт флотации заключается в следующем: при сближении подымающегося в воде пузырька воздуха с твердой гидрофобной частицей разделяющая их прослойка воды при некоторой критической толщине прорывается и происходит слипание пузырька с частицей. Затем комплекс пузырек-частица подымается на поверхность воды, где пузырьки собираются и возникает пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной сточной воде.
1 – пузырек газа; 2 – твердая частица.
Адсорбционная очистка
Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и др. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперации этих веществ.
В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки и др.).
Ионообменная очистка
Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ.
Экстракция
Жидкостная экстракция применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых веществ компенсирует все затраты на его проведение.
Обратный осмос и ультрафильтрация
Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше, но максимальные их размеры не превышают 0,5 мкм.
Десорбция летучих примесей
Многие сточные воды загрязнены летучими неорганическими и органическими примесями, сероводородом, диоксидом серы, сероуглеродом, аммиаком, диоксидом углерода и др.
Методы дезодорации
В некоторых сточных водах содержатся меркаптаны, амины, аммиак, сероводород, альдегиды, скатол, углеводороды, которые придают им дурной запах. Для очистки дурнопахнущих сточных вод можно использовать различные способы: аэрацию, хлорирование, ректификацию, дистилляцию, обработку дымовыми газами, окисление кислородом под давлением, озонирование.
Химические и электрохимические методы очистки вод
К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, коагулирование и флокулирование, окисление и восстановление. Все эти методы связаны с расходом различных реагентов, поэтому дороги. Они используются для удаления растворимых веществ и взвешенных частиц. Химическая очистка проводится иногда как предварительная перед биологической очисткой или после нее как метод доочистки сточных вод.
Нейтрализация сточных вод
Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах подвергаются нейтрализации. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН 6,5-8,5. Для нейтрализации кислых вод используют щелочи, а щелочных — кислоты.
Очистка вод коагуляцией и флокуляцией
Коагуляция — это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения. Коагуляция может происходить самопроизвольно, под влиянием химических и физических процессов. Однако в процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ — коагулянтов.
Очистка вод окислителями и восстановителями
Для очистки сточных вод используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорную известь, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, перекись водорода, кислород воздуха, озон и др.
В процессе окисления токсичные загрязнения, содержащиеся в сточных водах, в результате химических реакций переводятся в менее токсичные с последующим удалением их из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому методы окисления применяются в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды, нецелесообразно или нельзя извлечь другими способами.
Озонирование.
Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных углеводородов, пестицидов и др. Обеззараживающее действие озона основано на высокой окислительной способности, обусловленной легкостью отдачи им активного атома кислорода (О3=О2+О). Озон окисляет все металлы, кроме золота, превращая их в окислы.
Электрохимические методы очистки сточных вод
Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Основным недостатком этих методов является большой расход электроэнергии.
Биохимические методы очистки вод
Биохимический метод применяется для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в ходе своей жизнедеятельности. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, двуокись углерода, нитрит- и сульфат-ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества способны легко окисляться, а некоторые не окисляются совсем или окисляются очень медленно.
Для успешного протекания реакций биохимического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов: N, S, Р, К, Mg, Са, Na, CI, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Сu. Среди этих элементов основными являются N, Р и К, которые при биохимической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Остальные не нормируются, так как их содержание в сточных водах достаточно.