Методы очистки производственных сточных вод

Очистка производственных сточных вод организуется с делью использо­вания их в системах оборотного, последовательного или замкнутого водо­снабжения, обеспечения условий приема в городские системы водоотведения или сброса в водные объекты.

Вода, использованная в технологическом процессе, содержит примеси в виде: взвешенных частиц размером от 0,1 мкм и более, образующих су­спензии; нерастворяемых в воде капелек другой жидкости, образующих эмульсии; коллоидных систем с частицами размером от 1 мкм до 1 нм и растворенных в воде веществ в молекулярной или ионной форме. Примеси, содержащиеся в технологической воде, часто являются ценным сырьем или готовой продукцией.

Методы очистки сточных вод подразделяются на механические, физи­ко-химические и биологические.

Механические методы очистки обеспечивают извлечение из очищае­мых вод взвешенных и плавающих примесей. Наиболее простой способ уда­ления этих примесей — отстаивание, в процессе которого взвешенные ве-щества оседают на дно, а плавающие примеси всплывают на поверхность отстойников. Отстойники устраиваются горизонтальные, вертикальные и радиальные (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Отстойники:

А — горизонтальный; Б — вертикальный; В — радиальный 1 — загрязненная вода; 2 — очищенная вода; 3 — осадок (шлам); 4 — скребковый механизм

В горизонтальном отстойнике длина в 8—12 раз больше его глубины. Отстойники бывают непрерывного или периодического действия. В отстой­никах непрерывного действия отделение примесей происходит благодаря резкому уменьшению скорости движения очищаемой жидкости (до 0,005— 0,01 м/с). Продолжительность прохождения жидкости через отстойник со­ставляет 1—3 часа. Эффективность осветления воды — от 40 до 60%. В от­стойниках периодического действия продолжительность отстоя жидкости составляет несколько часов, после чего происходит удаление всплывших примесей, осветленной воды и осадка. Затем процесс повторяется.

Глубина (высота) вертикального отстойника в несколько раз превышает его горизонтальный размер. Разделение твердой и жидкой фаз происходит за счет уменьшения скорости потока и изменения его направления на 180°. Вер­тикальные отстойники более компактны, однако их эффективность на 10—20% ниже, чем у горизонтальных.

В конструкции радиального отстойника реализован принцип действия вер­тикального и горизонтального отстойников. В центральной его части проис­ходит смена направления потока очищаемой жидкости, а от центра к пери­ферии он работает в режиме горизонтального отстойника. Это позволяет по­лучать достаточно компактные сооружения большой производительности. Эффективность осветления в радиальных отстойниках достигает 60%. Глуби­на их колеблется от 1,5 до 5 м, диаметр — от 15 до 60 м.

В зависимости от вида удаляемых плавающих примесей отстойники мо­гут называться нефтеловушками, жироуловителями и т.п. Эффективность уда­ления из воды плавающих примесей составляет 95—96%. Всплывшие приме­си удаляются с поверхности специальными приспособлениями и направля­ются на утилизацию.

Для удаления из воды волокнистых примесей (частичек шерсти, ниток, асбеста и др.) используется дисковый волокноуловитель, представляющий со­бой вращающийся перфорированный диск, по которому тонким слоем сте­кает очищаемая жидкость.

Для повышения эффективности процесса осветления к очищаемой в от­стойниках жидкости добавляют коагулянты — вещества, которые при взаи­модействии с водой образуют хлопьеобразные частицы размером 0,5—3 мм с развитой поверхностью, обладающие также небольшим электрическим заря­дом. При оседании эти хлопья захватывают из жидкости взвешенные и кол­лоидные частицы. В качестве коагулянтов применяются сернокислый алю­миний, хлорное железо и др. Расход их составляет от 40 до 700 кг/м³ очища­емой жидкости. Высокие дозы относятся к физико-химической очистке технологических вод, обеспечивающей удаление хрома и цианидов, а также обесцвечивание воды.

Интенсификации процесса коагуляции способствует добавка флокулян-тов — веществ, обеспечивающих агрегирование пластин коагулянтов и ус­коряющих тем самым их осаждение. В качестве флокулянтов применяют клей­кие вещества: крахмал, декстрин, силикатный клей. Весьма эффективным является синтетический флокулянт — полиакриламид (ПАА), широко ис­пользующийся также при подготовке питьевой воды. Доза применения ПАА колеблется от 0,5 до 25 г/м³ очищаемой жидкости. Внедряются в практику и другие коагулянты и флокулянты на основе активных полимеров, дозы при­менения которых в десятки раз меньше.

Тонкодисперсные частички, которые не удается извлечь из жидкости в отстойниках, могут быть удалены с помощью фильтрования. Процесс фильтро­вания заключается в прохождении жидкости через пористую преграду, на ко­торой осаждаются мелкодисперсные частицы. В качестве фильтрующего слоя используются зернистые материалы (песок, гранитная или мраморная крошка, керамзит и др.), ткани и нетканые полотна (хлопчатобумажные, шерстяные, синтетические, из асбеста, стекловолокна и др.), металлические сетки, перфо­рированные пластины, пористая керамика. Для ускорения процесса фильтро­вание производится под давлением или с помощью вакуума. Для извлечения нефтепродуктов, масел и других эмульгированных примесей применяются фильтры из полиуретана. Эффективность удаления взвешенных и эмульгиро­ванных примесей методом фильтрования достигает 99% и более.

В гидроциклонах и центрифугах разделение жидкой и твердой фаз произ­водится под воздействием центробежных сил.

Для удаления взвешенных веществ используются напорные гидроцик­лоны (рис. 3.12). Для удаления плавающих примесей применяются откры­тые гидроциклоны. Гидроциклон представляет собой металлический ап­парат, состоящий из цилиндрической и конической частей. Диаметр ци­линдрической части — от 100 до 700 мм, высота примерно равна диаметру. Угол конусности составляет 10—20°. Внутри аппарата имеются струенаправ-ляющие лопасти в виде винтовой спирали. Поданная под давлением жид­кость, двигаясь по спирали к сливу, отделяется от взвешенных веществ. Частьжидкости с большим содержанием взвесей удаляется из гидроциклона, а осветленная вода под действием образовавшегося вакуума движется вверх и изливается через верхнее отверстие. В открытом (безнапорном) гидроцик­лоне удаление осветленной воды происходит через боковые отверстия, а всплывающие примеси извлекаются с помощью сифона. Гидроциклоны, по сравнению с другими устройствами для механической очистки вод, отлича­ются высокой производительностью, компактностью, экономичны в изго­товлении и эксплуатации. Эффективность очистки от взвешенных и плава­ющих примесей составляет примерно 70%.

Рис. 3.12. Гидроциклоны:

А — вертикальный напорный; Б — многоярусный открытый

1 — загрязненная вода; 2 — очищенная вода; 3 — осадок (шлам); 4 — плавающие примеси (нефтепродукты, масла)

Центрифугирование является эффективным методом разделения суспен­зий и эмульсий. Центрифуги изготовляются периодического и непрерывного действия с автоматической выгрузкой осадка и осветленной жидкости (фуга-та). При центрифугировании достигается достаточно высокая степень обез­воживания осадка и получается относительно чистый фугат. Центрифуги по­требляют большое количество электроэнергии, создают высокие шумовые нагрузки и небезопасны в эксплуатации.

Физико-химические методы очистки обеспечивают удаление из воды, как правило, растворенных веществ, неподдающихся или плохо поддающихся био­логической очистке, а также веществ, которые могут оказать неблагоприятное воздействие на коллекторы или другие элементы систем водоотведения.

Наиболее простым и распространенным методом физико-химической очи­стки является нейтрализация, которая заключается в подкислении щелочных вод (с рН>8,5) и подщелачивании вод с рН<6,5. При наличии на производ­стве кислых и щелочных вод нейтрализация достигается их смешением. При отсутствии одной из категорий вод нейтрализация осуществляется путем до­бавки реагента. Для нейтрализации кислых вод лучше всего использовать отходы щелочей — гидроокиси натрия или калия, не дающие осадка. При использовании гидроокиси кальция в виде известкового молока образуется шлам, который необходимо удалять, обезвреживать и утилизировать. Нейтра­лизация кислых вод достигается также фильтрованием их через слой извест­няка, доломита, магнезита, шлака или золы.

Для нейтрализации щелочных вод используется отработанная серная кис­лота. Высокоэффективным методом нейтрализации щелочных вод является продувка через них газовых выбросов, содержащих оксиды серы, углерода, азота и другие кислотообразующие окислы. Таким образом обеспечивается одновременно эффективная очистка дымовых газов.

Реагентная обработка применяется для очистки вод от цианидов, рода-нидов, ионов тяжелых металлов и ряда других примесей. Вид применяемого реагента определяется составом примесей, подлежащих удалению из воды. Так, разложение цианидов достигается обработкой воды жидким хлором или веществами, выделяющими активный хлор, — хлорной известью, гипохдори-дом кальция или натрия.

Окислением удается добиться деструкции таких соединений, как альдеги­ды, фенолы, анилиновые красители, серосодержащие органические вещества и др. В качестве окислителей применяют кислород, озон, перекись водорода, пиролюзит. В процессе окисления происходит разложение вредных приме­сей до простых окислов или образование соединений, поддающихся биохи­мическому разложению.

Извлечение из воды ионов ртути, хрома, кадмия, свинца, никеля, меди, мышьяка основано на переводе их из раствора в нерастворимый осадок. С этой целью очищаемую воду обрабатывают соединениями натрия или каль­ция — сульфитом, бисульфитом или сульфидом, карбонатами или гидрооки­сью. Образующийся шлам удаляют, утилизируют или складируют.

Одним из высокоэффективных методов очистки является ионный обмен, который представляет собой процесс взаимодействия очищаемой жидкости с зернистым материалом, обладающим способностью заменять ионы, находя­щиеся на поверхности зерен, на ионы противоположного заряда, содержа­щиеся в растворе. Такие материалы называются ионитами. Ионитными свой­ствами обладают природные минералы — цеолиты, апатиты, полевые шпаты, слюда, различные глины. Синтезировано большое число высокоэффектив­ных ионитов, обладающих селективными свойствами. К ним относятся си-ликагели, алюмогели, пермутиты, сульфоугли и ионообменные смолы — син­тетические высокомолекулярные органические соединения, углеводородные радикалы которых образуют пространственную сетку с фиксированными на ней ионообменными функциональными группами. Иониты не растворяются в воде, обладают достаточной механической прочностью, обеспечивают воз­можность их регенерации с получением ценных веществ, извлекаемых из очищаемых вод. Существуют ионообменные установки периодического и непрерывного действия (рис. 3.13). Установки периодического действия ра­ботают как фильтры с зернистой загрузкой в виде гранул ионитов. При насы­щении поверхности гранул ионами вещества, извлекаемого из воды, произ­водится их регенерация слабым раствором (2—8%) щелочи или кислоты. В установках непрерывного действия гранулы ионитов и очищаемая жидкость движутся противотоком, постоянно перемешиваясь. В процессе работы часть гранул подаются на регенерацию и заменяются новыми. Благодаря высокой механической прочности и способности к регенерации гранулы ионитов име­ют довольно продолжительный срок службы. Ионный обмен является, по су­ществу, универсальным методом очистки вод. Для извлечения практически любого вещества из воды можно подобрать соответствующий ионит или груп­пу ионитов. Эффективность ионообменной очистки достигает 95—99%.

Флотационная очистка применяется для удаления из воды поверхностно-активных веществ (ПАВ), нефтепродуктов, жиров, смол и др. Процесс фло­тации заключается в сорбировании содержащихся в воде примесей поверхно­стью пузырьков воздуха, нагнетаемого в очищаемую жидкость. В практике очистки вод используются напорные, безнапорные, вакуумные и электро­флотационные установки. Наибольшее распространение получили напорные установки (рис. 3.15). В таких установках вода сначала насыщается воздухом под давлением, а затем подается в открытый резервуар, где происходит выде­ление пузырьков и сорбирование ими содержащихся в воде примесей. Иног­да сжатый воздух подается в нижний слой жидкости, находящейся в резерву­аре (флотаторе). Для повышения эффективности очистки воздух подается через пористые (фильтросные) пластины. При вакуумной флотации в флота­торе создается разряжение, способствующее образованию пузырьков воздуха. Для безнапорной флотации используются эрлифтные установки, которые позволяют существенно (в 2—4 раза) снизить затраты электроэнергии на фло­тационную очистку. Повышению эффективности очистки вод при флотации способствует наличие синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ). Образуемая ими густая стойкая пена повышает степень извлечения из воды эмульгированных и диспергированных примесей. При флотации одновременно достигается дегазация очищаемых вод и насыщение их кислородом.

При электрофлотации образование пузырьков газа происходит вследствие электролиза воды. На аноде выделяется кислород, на катоде — водород. Од­нако этот метод очистки из-за больших затрат электроэнергии и роста ее стоимости практически не используют. По этим же причинам все реже при­меняют некогда широко распространенные электрохимические методы очист­ки вод: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция, электродиализ. Электрохимические методы очистки основаны на пропуска­нии постоянного электрического тока через очищаемую жидкость. Кисло­род, выделяемый на аноде, окисляет органические примеси. В качестве ано­дов используют электролитические неразлагаемые материалы: графит, маг­нетит, диоксиды свинца, марганца или рутения, наносимые на титановую основу. На катодах происходит выделение водорода и оседание ионов металлов с образованием нерастворимых гидроксидов. Катоды изготавливаются из стали или алюминия.