Очистка производственных сточных вод

Для очистки стоков машиностроительных предприятий применяются механические (процеживание, отстаивание, фильтрование), химические (нейтрализация, коагуляция, флокуляция), физико-химические (флотация, отдувка, электрохимические методы) и комбинированные методы.

Все стоки машиностроительных предприятий можно разделить на
5 групп, объединяющих различные по химической природе, но одинаковые с точки зрения технологических приемов очистки стоков загрязняющие
вещества:

группа 1 ‑ механические примеси, в том числе гидроксиды металлов;

группа 2 ‑ нефтепродукты и эмульсии;

группа 3 ‑ летучие нефтепродукты;

группа 4 ‑ моющие растворы и эмульсии;

группа 5 ‑ растворенные токсичные соединения неорганической и органической природы (ионы металлов, цианиды, соединения хрома).

Для 4 и 5 групп стоков необходима локальная очистка, для первых трех групп локальная очистка возможна, но не обязательна. Для выравнивания качественной и количественной неоднородности общих стоков в схемах очистки предусматриваются специальные емкости ‑ усреднители, после которых следует основная очистка стоков известными методами.

Удаление взвешенных частиц и нефтепродуктов (группы 1 и 2) производят различными методами, к числу которых относятся отстаивание в гравитационном поле (в отстойниках) и в поле центробежных сил (в гидроциклонах), флотация и фильтрование. Выбор того или иного метода осветления зависит от концентрации взвешенного вещества, степени дисперсности его частиц и требований, предъявляемых к очищенной воде. Содержащиеся в сточной воде взвешенные примеси и минеральные масла полидисперсны. При условии приемлемой продолжительности отстаивания эффект очистки от взвесей составляет 50-60 %, а от нефтепродуктов ‑ 50-70 %.

Остаивание, являющееся основным и часто единственным способом очистки от взвешенных частиц и нефтепродуктов, имеет ряд существенных недостатков. Ввиду этого для осветления сточных вод, загрязненных легкими и высокодисперсными взвесями, широко используется флотация. Преимуществом флотации является высокая степень очистки (до 90-98 %) при незначительном пребывании сточных вод (20-40 мин) во флотационных установках. Но даже при самых эффективных методах флотации содержание взвешенных частиц в воде составляет не менее 10-15 мг/л.

Для сброса в водоемы и для некоторых объектов оборотного водоснабжения такой степени очистки недостаточно, и в этих случаях единственным приемлемым методом дальнейшей очистки является фильтрование через слой зернистого или пористого материала (чаще всего кварцевого песка). Для наиболее тонкой очистки могут быть использованы другие фильтрующие материалы (антрацит, керамзит, пенополистиролы и полиуретаны).

Отстаиванием, флотацией и фильтрованием из сточных вод могут быть удалены взвешенные частицы размером не менее 5 мкм. Для удаления более мелких частиц и для интенсификации осаждения частиц диаметром более 5 мкм применяется реагентная обработка с помощью коагулянтов и флокулянтов. Неорганические коагулянты (сернокислый алюминий, железный купорос, хлорное железо, бентонит) гидролизуются в воде с образованием хлопьев гидроксидов, которые в процессе осаждения сорбируют тонкодисперсные загрязнения, включая коллоидные, тем самым ускоряется процесс осветления. На машиностроительных заводах можно использовать отработанные травильные растворы, содержащие сульфат железа. В этом случае для нормального хода коагуляции и выделения хлопьев гидроксида железа необходимо повышение рН раствора до 8, 5-9, 0, что достигается добавкой извести в виде 10 %-го известкового молока. Флокулянты (полиакриламид, активированная кремниевая кислота) способствуют образованию более крупных и прочных хлопьев либо интенсифицируют процесс самокоагуляции частиц. Применение реагентной обработки позволяет достичь высокого эффекта очистки сточных вод – на 99, 5 % от нефтепродуктов и на 100 % от взвешенных примесей. Однако такая обработка существенно усложняет эксплуатацию очистных сооружений и поэтому целесообразна лишь в тех случаях, когда к очистке предъявляются повышенные требования, ‑ при сбросе очищенных стоков в водоемы и направлении их в разветвленные системы чистой охлаждающей воды.

Пыль, выбрасываемая из сталеплавильных печей и других агрегатов и загрязняющая сточные воды при мокрой очистке газов, содержит до 60 % железа и его оксидов. В этой связи перспективной представляется безреагентная коагуляция ферромагнитных мелкодисперных взвесей, осуществляемая воздействием на сточные воды магнитными полями. Наряду с магнитными коагуляторами в системах очистки железосодержащих сточных вод могут найти широкое применение и другие магнитные аппараты ‑ фильтры, фильтроотстойники, фильтроциклоны.

Растворенные в воде газы и летучие органические вещества (группа 3) удаляются из сточной воды путем ее аэрирования, т. е. продуванием через сточную воду диспергированного воздуха. При барботировании воздуха через сточную воду пар растворенного компонента диффундирует внутрь воздушных пузырьков и выносится ими на поверхность воды. Такой процесс называется десорбцией или отдувкой. Отдувка допускает утилизацию извлекаемых из сточных вод летучих веществ (например, сорбционными способами). Если утилизация продукта из-за малого его количества нецелесообразна, рекомендуется отработанный газ после скруббера направлять на установку для каталитического сжигания органических паров.

Методы очистки сточных вод (группа 4), содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), включают: ионный обмен, адсорбцию на инертных материалах и природных сорбентах, коагуляцию с добавлением различных коагулянтов, экстракцию, пенную сепарацию, химическое осаждение
в виде нерастворимых соединений, деструктивное разрушение. Выбор и эффективность метода очистки сточных вод от ПАВ зависят от типа и концентрации ПАВ, состава других загрязняющих веществ, требований к степени очистки.

Стоки гальванических цехов и травильных отделений (группа 5) представляют собой сравнительно концентрированные отработанные растворы кислот, щелочей, солей и промывных вод. Перед сбросом в водоем в сточные воды добавляются такие вещества, под влиянием которых содержащиеся в стоках кислоты или щелочи нейтрализуются, а другие загрязнения, в основном соли тяжелых металлов, выпадают в осадок. В малых травильных отделениях концентрированные и разбавленные сточные воды смешивают и подвергают нейтрализации и осветлению. В больших травильных отделениях сточные воды разделяют на концентрированные и разбавленные.

Основным реагентом для нейтрализации кислот в сточных водах является гашеная известь (5-10 %-й раствор). При доведении рН до 8-9 наступает нейтрализация содержащихся в стоках кислот и происходит выделение железа и других металлов в виде нерастворимых гидроксидов:

Н₂SO₄ + CaO + H₂O ® CaSO₄ + 2 H₂O

FeSO₄ + CaO + H₂O ® CaSO₄ + Fe(OH)₂

Другие реагенты (щелочи, сода, аммиачная вода) обычно используются лишь в тех случаях, когда они содержатся в твердых или жидких отходах предприятия. Нейтрализация сернокислотных стоков известью осложняется образованием пересыщенного раствора сульфата кальция, который в виде кристаллического дигидрата (гипса) интенсивно отлагается на стенках трубопроводов, приводя в конечном итоге к их заращиванию, поэтому в таких случаях рекомендуют использование винипластовых или полиэтиленовых труб, регулярное промывание трубопроводов.

Сточные воды, образующиеся в гальванических отделениях, подразделяют не только на концентрированные и разбавленные, но также и на соответствующие группы:

– хромистые сточные воды,

– цианистые сточные воды,

– разные сточные воды (кислые и щелочные).

Хромсодержащие стоки обезвреживаются путем восстановления высокотоксичного шестивалентного хрома до менее токсичного трехвалентного раствором сульфита или бисульфита натрия в кислой среде. Трехвалентный хром осаждается в щелочной среде в виде хлопьев гидроксида.

Восстановление соединений Cr⁶⁺ до Сr³⁺ с помощью FeSO₄ протекает по реакции

6 FeSO₄ + 6 H₂SО₄ + 2 Н₂СrО₄ ® Сr₂(SO₄)₃ + З Fe₂(SO₄)₃ + 8 H₂O

Несмотря на свою дешевизну, сульфат железа все реже применяют в качестве восстановителя, что связано со многими технологическими трудностями. Прежде всего, в процессе хранения в неблагоприятных условиях FeSО₄ легко окисляется до Fe₂(SO₄)₃, что впоследствии затрудняет правильное дозирование раствора соли железа. Большим недостатком применения солей железа в процессе восстановления хроматов является необходимость использования их с большим избытком, а также образование больших количеств осадков в процессе нейтрализации сточных вод, особенно при применении сульфата железа в качестве восстановителя и известкового молока для нейтрализации сточных вод:

В настоящее время для восстановления соединений Сr⁶⁺ применяют соответствующие сульфиты или газообразный диоксид серы:

6 NaHSO₃ + 3 H₂SO₄ + 4 H₂CrO₄® 2 Cr₂(SO₄)₃ + 3 Na₂SO₄ + 10 H₂О;

3 Na₂SО₃ + 3 H₂SO₄ +2 Н₂СrО₄ ® Cr₂(SO₄)₃ + 3 Nа₂SО₄ + 5 Н₂О;

3 SО₂ +2 H₂CrO₄ ® Сr₂(SO₄)₃ + 2 H₂O

Кинетика приведенных реакций в сильной степени зависит от рН реакционной среды. Реакция восстановления Cr⁶⁺ до Сr³⁺ протекает с удовлетворительной скоростью в сильно кислой среде при рН ниже 3. Исследования показали, что в растворе с рН=2-2, 5 Сr⁶⁺ полностью восстанавливается до Сr³⁺ в течение нескольких минут при использовании 200-250 %-го избытка восстановителя.

Так как восстановление Cr⁶⁺ до Сr³⁺ протекает в очень кислой среде, то к сточным хромистым водам, реакция которых преимущественно лишь слегка кислая (рН=4-5), добавляют соответствующее количество кислоты. В этом случае нецелесообразно увеличение объема сточных хромистых вод в результате смешивания их с остальными слегка кислыми сточными водами, так как это приведет к значительному расходу кислоты, которая должна быть впоследствии нейтрализована.

Как и в случае цианистых сточных вод хромистые сточные воды после восстановления Cr⁶⁺ до Сr³⁺ не подвергают индивидуальной нейтрализации,
а смешивают с остальными сточными водами и вместе с ними они нейтрализуются. При такой технологии существует опасность повторного окисления Сr³⁺ до Cr⁶⁺ в том случае, когда количество активного хлора, образующегося в цианистых сточных водах, будет значительно больше количества продуктов нейтрализации хромистых сточных вод. Такая ситуация вполне возможна, хотя на практике и редко встречается. Ее возникновение предупреждают подачей соответственно большего количества восстановителя (NaHSO₃)
к хромистым сточным водам или устранением избытка активного хлора в цианистых сточных водах с помощью тиосульфата натрия. Для выделения Сr(ОН)₃ в виде осадка сточные воды нейтрализуют до рН=8, 5-9, 5.