Гидромеханические методы очистки сточных вод

 

Для очистки сточных вод от твердых примесей используются гидромеханические методы: процеживание, отстаивание, осветление, центрифугирование, фильтрование.

Процеживание – начальная стадия очистки сточных вод от нерастворимых примесей размером до 25 мм и волокнистых загрязнений. При этом используются решетки для крупных отходов (обломки древесины, бумага, тряпье, мусор, камни) и сита для более мелких примесей. Решетки изготовляют из металлических стержней с зазором 15–20 мм. Их устанавливают в клетках сточных вод вертикально или под углом 60–70°. Скорость движения сточных вод 0,8–1 м/с. Специальными граблями решетки очищают от накоплений, которые измельчают в специальных дробилках и сно-ва возвращают в поток. Сита могут быть барабанными, дисковыми, ленточными. Их изготовляют из латунной или нержавеющей проволоки диаметром от 0,3 мм до 1–1,5 мм, размер ячеек от 0,3´0,3 до 5´5 мм. Скорость движения воды для плоских сит 0,2–0,4 м/с, для вращающихся – 0,8–1,2 м/с. Эффективность очистки 40–45%.

Отстаивание – удаление твердых частиц размером 0,15–0,25 мм под действием сил гравитации. Аппаратура для отстаивания: песколовки, отстойники, нефтеловушки, осветители, илоуплотнители и др. Нефтеловушки соответствуют отстойникам: горизонтальным, вертикальным, радиальным, но отходы всплывают вверх. Эффективность очистки – до 60%.

Пропускная способность песколовок (рис. 19а) 70–280 тыс. м³/сут. Скорость движения воды 0,15–0,3 м/с. Из приямка песок удаляют гидроэлеваторами или песковыми насосами.

Рис. 19. Горизонтальная песколовка (а) и вертикальный отстойник (б): 1 – ввод сточной воды; 2 – цилиндрическая перегородка; 3 – корпус отстойника; 4 – отражательное кольцо; 5 – сборник шлама; 6 – кольцевой водосборник; 7 – трубопровод для вывода очищенной воды; 8 – трубопровод для вывода шлама

В отстойнике (рис. 19б) цилиндрическая перегородка 2 и отражательное кольцо 4 обеспечивают криволинейное движение сточной воды сначала вниз, а затем вверх к кольцевому водосборнику 6. Центробежные силы на повороте потока способствуют оседанию твердых частиц в сборнике шлама 5. Шлам отсасывается через трубопровод 8. Эффективность очистки 50–70%.

В радиальных отстойниках сточная вода поступает снизу через патрубок с расширяющимся диаметром и движется из него в радиальном направлении. Значительное уменьшение скорости движения потока приводит к осаждению твердых частиц. Осевший шлам направляется вращающимся скребком в сборник шлама и затем периодически удаляется из аппарата. Очищенная вода выводится из отстойника через верхний трубопровод.

Всплывающие примеси – нефть, масла, жиры, смолы и т.п. – удаляются из сточной воды в нефтеловушках. Их глубина 1,5–3 м, высота слоя всплывающих примесей около 0,1 м, скорость всплывания 0,15–0,6 мм/с. Эффективность очистки 60–70%.

Фильтрование. Это часто заключительный процесс для удаления тонкодисперсных примесей. Обычно применяются зернистые фильтры: песок, керамзит, шлак. Их классификация: по размеру зерен: мелко- (до 0,4 мм), средне- (0,4–0,8 мм) и грубозернистые фильтры (более 0,8 мм); по производительности – медленные (0,1–0,3 м/ч), скорые (5–12 м/ч), сверхскоростные (более 25 м/с); по напору – гравитационные (открытые), напорные (с внешним давлением); по числу слоев – одно-, двух-, трех- и многослойные фильтры.

Каркасно-насыпной фильтр. Это аппарат высотой до 5 м. Он состоит: из нижнего слоя гравия, в слое которого помещен коллектор для сбора и отвода профильтрованной воды; днища-перегородки с мелкими отверстиями, опирающегося на этот слой гравия; фильтрующего слоя песка на днище с диаметром зерен 0,5–2 мм, слоя мелкого и затем более крупного гравия. Сточная вода подается сверху через кольцевой трубопровод с отверстиями. Высота фильтрующего слоя 0,4–2 м, слоя воды над ним – более 2 м. Скорость фильтрования 5–12 м/ч. Регенерацию фильтра осуществляют через 8–12 ч продувкой сжатого воздуха, подаваемого через трубопровод с отверстиями, размещенный под слоем песка. Затем – обратная промывка водой через коллектор отвода воды.

Для отделения твердых примесей в поле действия центробежных сил также используются открытые или напорные гидроциклоны и центрифуги. Эффективность очистки до 70%.

Ультрафильтрация. Она используется для концентрирования и выделения относительно ценных компонентов и очистки воды от весьма токсичных веществ: цианидов, ионов хрома, никеля, меди, свинца и т.п. Установка включает два элемента: насос, для создания давления жидкости в 1–10 МПа, камеру с полупроницаемыми мембранами. Мембраны изготавливают из различных полимерных материалов (полиамиды, полиуретаны, полиакрилонитрилы, эфиры целлюлозы), пористого стекла, металлической фольги.

По способу расположения мембран различают фильтр-прессы с плоскокамерным фильтрующим элементом, с трубчатым и рулонным фильтрующим элементом, с мембранами в виде полых волокон. Фильтр-прессы могут быть непрерывные, периодические, прямоточные, циркуляционные.

Химические методы

 

В химических методах очистки сточных вод используются реакции нейтрализации, окисления и восстановления.

Нейтрализация щелочных и особенно кислых сточных вод до pH 6,5–8,5 – наиболее распространенная и обязательная операция перед сбросом этих вод в водоемы. Используются следующие виды очистки стоков нейтрализацией.

1. Смешение между собой кислых и щелочных сточных вод.

2. Добавление к кислым растворам сточных вод щелочных реагентов: известкового молока, раствора соды:

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ (5% СаО) = CaSО₄ (осадок) + 2Н₂О.

3. Фильтрация кислых сточных вод через крупнозернистые
фильтры из известняка, доломита.

4. Нейтрализация щелочей кислыми дымами (CO₂, SO₂, NO_x). Образующиеся осадки выделяются отстаиванием в шламовых болотах или аппаратах.

Окисление токсичных примесей хлором, хлорной известью Са(ОСl)₂, озоном, кислородом:

СN^– + OCl^– = CNO^– + Cl^–; CNO^– + H⁺ + H₂O = CO₂ (газ) + NН₃ (газ),

2CNO– + 4OH– + 3Cl₂ = 2CO₂ (газ) + N₂ (газ) + 6Cl– + 2H₂O.

Для обеззараживания воды от бактерий используют хлор и хлорсодержащие окислители. Озонирование более эффективно.

Озон убивает не только бактерии, но и вирусы. Он окисляет фенолы (хлор их не окисляет), нефтепродукты, сероводород, ПАВ, цианиды, пестициды. Получают его из кислорода воздуха в озонаторах – трубчатых или пластинчатых конденсаторах – в условиях коронного электрического разряда.

Восстановление применяется для очистки от соединений хрома (VI), мышьяка, ртути и других металлов. В качестве восстановителей используют активированный уголь, SO₂, сульфиты, соли Fe²⁺. Пример: восстановление примесей хрома (VI) гидросульфитом натрия при рН 3–4:

2Cr₂O₇^2– + 5H₂SO₄ + 6NaHSO₃ = 4Cr³⁺ + 3Na₂SO₄ + 8SO₄^2– + 8H₂O.

Далее Cr³⁺ может быть осажден щелочным раствором и отделен.

Для восстановления ртути растворы ее соединений обрабатывают сероводородом, гидросульфитом натрия, сульфидом железа (II), железным порошком.

 

Физико-химические методы

 

Для очистки воды и сточных вод от примесей эффективны следующие физико-химические методы: коагуляция, флотация, кристаллизация, сорбция, ионообмен, экстракция, ректификация.

Коагуляция (лат. coagulatio – свертывание) тонкодисперсных взвесей, эмульсий – широко используемый метод очистки воды от загрязнений. В качестве коагулянтов обычно используют 10–17% растворы сульфатов и хлоридов алюминия (III) и железа (III) по отдельности или совместно.

Коагуляция происходит за счет разряда заряженных коллоидных частиц электролитом и при соосаждении примесей вследствие их сорбции хлопьевидной, очень развитой поверхностью гидроксидов алюминия (III) и железа (III), образующихся при гидролизе. Они захватывают ионы тяжелых металлов, бактерии, гуминовые вещества. При очистке сточных вод доза коагулянта составляет от 50 до 700 мг/л, при обработке природных вод – 25–80 г/м³.

Более эффективно дополнительное использование флокулянтов (лат. flocculi – клочки, хлопья) – высокомолекулярных соединений типа крахмала, белковых дрожжей, силиката натрия, полиакриламида в количестве 0,5–2 г/м³. Они позволяют ускорить осаждение хлопьев, снизить расход коагулянтов.

Процесс очистки воды коагуляцией слагается из следующих стадий: добавление и смешение реагентов с водой, хлопьеобразование, осаждение хлопьев, их удаление из воды. Смешение природной или сточной воды с растворами коагулянтов проводят в смесителях различного типа. Это аппараты: с дырчатыми перегородками или с отверстиями в виде проемов, вертикальные емкости с вводом смеси через нижнюю коническую часть со скоростью около 1 м/с и понижением в верхней части до 0,025 м/с, баки с механическим перемешиванием смеси лопастными или пропеллерными мешалками. Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветителях.

Флотация (англ. flotation – всплывание) – это увлечение всплывающими пузырьками воздуха прилипающих к ним дисперсных частиц. Затем образующуюся пену удаляют с поверхности воды. Флотацию используют для удаления из сточных вод всплывающих примесей: масел, нефтепродуктов, смол, ПАВ, полимеров. Степень очистки – до 80–95%. В зависимости от способа образова-ния пузырьков воздуха различают несколько видов флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, биологическую, электрофлотацию и т.п. Из ряда способов чаще используются напорная и импеллерная (крыльчатая) флотация.

Рис. 20. Схема напорной флотации: 1 – резервуар воды; 2 – напорный насос; 3 – сатуратор; 4 – флотатор

В установке напорной (т.е. под давлением) флотации (рис. 20) сточная вода с содержанием примесей до 4–5 г/л из резервуара 1 поднимается с помощью насоса 2 и вместе с засасываемым через трубопровод воздухом подается под давлением 0,15–0,4 МПа в сатуратор 3 (лат. saturatio – насыщение). В нем происходит насыщение воды воздухом, который начинает выделяться в виде пу-зырьков во флотаторе 4, в котором давление уменьшается до атмосферного. Всплывающие пузырьки воздуха увлекают вверх прилипающие к ним частицы примесей. Пенообразный шлам удаляется через верхний слив, очищенная вода – через нижний слив.

В импеллерном (англ. impeller – рабочее колесо, крыльчатка) флотаторе очищается сточная вода с содержанием примесей более 2 г/л. Скорость поступления воздуха, число образующихся мелких пузырьков воздуха и эффективность флотации зависят от скорости вращения импеллера, которая ограничивается разрушением хлопьев при высокой турбулентности потока.

Кристаллизация. Она используется обычно тогда, когда образующиеся кристаллы пригодны для использования в производственных целях. Ее варианты: а) кристаллизация с охлаждением раствора; охладитель обычно вода, реже воздух; б) кристаллизация с частичным удалением растворителя испарением или выморажива-нием; в) комбинированная кристаллизация.

Пример 1. Вакуум-кристаллизация. Это прогрессивный метод. При создании вакуума в аппарате раствор, обычно сначала горячий, начинает кипеть и охлаждаться. Испарение и особенно охлаждение приводит к кристаллизации примесей из пересыщенного раствора.

Пример 2. Испарение части растворителя путем пропускания через раствор воздуха. При испарении воды идет охлаждение раствора.

Аппаратура для кристаллизации: выпарные аппараты-кристаллизаторы, вакуумные кристаллизаторы и емкости с охлаждением раствора: вертикальные аппараты со змеевиком, башенные градильни с разбрызгиванием горячего раствора. Последние наиболее просты, производительны, энергоэкономны.

Адсорбция. Она используется для глубокой очистки сточных вод от органических веществ, фенолов, гербицидов, ПАВ, пестицидов, красителей. Эффективность очистки зависит от химической природы и структуры адсорбента и адсорбируемых примесей и достигает 80–95%.

Адсорбенты: активированный уголь, силикагель, шлаки, торф. Требования к адсорбентам: гидрофильность (смачиваемость водой), устойчивость к истиранию, высокая адсорбционная емкость при небольшой удерживающей способности (возможность регенерации), низкая стоимость и т.п. Наиболее широко используются различные марки активированного угля: порошкообразного – с размером частиц менее 0,25 мм и гранулированного – более 1 мм.

Адсорбция проводится фронтальным способом в статических или динамических условиях. При статической адсорбции жидкость движется вместе с частицами сорбента, обычно активированного угля, размером 0,1 мм и менее. Происходит интенсивное перемешивание. Для более эффективной очистки сточной воды от примесей используют многоступенчатые установки или с последовательным введением свежего, дешевого адсорбента в каждую ступень и вывода из нее отработанного адсорбента, или с противоточным введением более дорогого адсорбента, начиная с последней ступени.

Последний процесс иллюстрирует рисунок 21.

При динамической адсорбции используется противоточное движение: сточная вода подается снизу в колонну, заполненную сорбентом высотой 1–2 м. Размеры частиц абсорбента 0,8–5 мм. Скорость фильтрования воды 5–20 см/мин (3–12 м/ч). Процесс ведут до проскока загрязнений, после чего воду подают в другую колонку. В первой колонне проводят регенерацию сорбента (угля), обычно обрабатывая его перегретым водяным паром (200–300°С) или экстрагируя примеси органическим растворителем. Реже для регенерации сорбента используют деструктивные методы: термические (500–1000°С), окисление хлором, озоном.

Рис. 21. Схема противоточной адсорбционной установки: 1 – смесители; 2 – отстойники; 3 – приемники адсорбента; 4 – насосы

 

Ионный обмен. Его применяют для глубокой очистки прозрачных сточных вод, содержащих до 3–4 г/л солей, от ионов цветных и тяжелых металлов, цианидов, мышьяка, радиоактивных веществ.

Иониты – твердые вещества (с матрицей R), содержащие на своей поверхности функциональные группы, способные к ионизации и обмену образующихся ионов на ионы раствора.

Типы реакций ионного обмена

а) катионный обмен: RSO₃H + Na⁺ ↔ RSO₃Na + H⁺;

б) анионный обмен: ROH + Cl^– ↔ RCl + OH^–.

Катиониты – иониты, которые обладают кислотными свойствами и способны обменивать свои катионы, обычно Н⁺ (в Н-форме), на катионы электролита.

Аниониты. Они обладают щелочными свойствами и обме-нивают свои анионы, обычно ОН– (в ОН-форме), на анионы элек-тролита.

Иониты могут быть природными и искусственными. Это алюминаты, цеолиты (полевые шпаты), гидроксиды, силикагели, пермутиты, сульфоугли. Наибольшее применение находят органические искусственные материалы – ионообменные смолы.

Их классифицируют следующим образом:

а) сильнокислотные катиониты; содержат сульфогруппы SO₃H или группы РО(ОН)₂;

б) слабокислотные катиониты; содержат карбоксильные и фенольные группы C₂Н₅OH;

в) сильноосновные аниониты, содержат четвертичные аммонийные основания NR₃OH;

г) слабоосновные аниониты; содержат первичные NH₂ и вторичные аминогруппы NH;

д) смешанные иониты, проявляют свойства смеси кислот и оснований разной силы.

В нашей стране наиболее известны катионные сульфоугли СМ и СК, катиониты КУ-1, КУ-2, КБ, КФ; аниониты АН-2ФН, АН-18-8, АВ-17-8 и др. Их выпускают в виде зерен диаметром ~1 мм.

Поглощающая способность ионитов характеризуется обменной емкостью – числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую обменную емкость.

Полная обменная емкость – это количество вещества, поглощенного до полного насыщения ионита.

Статическая (равновесная) емкость – количество вещества, поглощенного ионитом в данных рабочих условиях.

Динамическая емкость – это емкость ионита до «проскока» ионов в фильтрат. Она минимальна.

Аппаратура ионного обмена. Как правило, это цилиндрическая пластмассовая колонна высотой 1,5–3 м, заполненная ионитом. В аппаратах периодического действия очищаемая вода обычно подается сверху со скоростью 15–40 см/мин. В аппаратах непрерывного действия очищаемая вода подается снизу, а ионит – сверху. При этом ионит находится во взвешанном состоянии, что увеличивает эффективность очистки и уменьшает затраты.

Регенерация катионитов, т.е. обратный их перевод в Н-форму, осуществляется промывкой 5–10% раствором сильных кислот: HCl или H₂SO₄. Регенерация в натриевую форму (Na-форма) – промывка концентрированным раствором NaCl. Аниониты переводят в ОН-форму их промывкой 2–6% раствором NaOH, Na₂CO₃, а в хлоридную форму (Cl-форма) – 2–6% раствором NaCl.

Экстракция (лат. extrahere – извлечение) – это извлечение обычно органической жидкостью компонентов твердого вещества или другой жидкости, несмешивающейся с первой. Она применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, анилин, тяжелые металлы в повышенной концентрации примесей: 3–4 г/л и более. Эффективность извлечения фенолов достигает 90–98%. Экстракционная очистка состоит из следующих стадий: смешение сточной воды с органическим экстрагентом, разделение образующихся фаз, регенерация экстрагента из экстракта и рафината.

Терминология экстракции. Экстрагент – органический растворитель или раствор, содержащий экстракционный реагент, извлекающий нужный компонент из другой фазы. Экстракционный реагент – вещество, которое образует с извлекаемым компонентом соединение, способное растворяться в органической фазе. Экстракт – органическая фаза, содержащая извлеченный компонент. Рафинат (фр. raffiner – очищать) – водной раствор, оставшийся после экстракции.

Экстрагенты. В качестве экстрагентов используются эфиры (бутилацетиловый, диизопропиловый), спирты, CCl₄, бензол, толуол, хлорбензол, трибутилфосфат в керосине и др.

При выборе экстрагентов учитывают следующее:

- избирательность к извлекаемому компоненту, коэффициент распределения; нерастворимость и несмешиваемость с водой, различие с ней в плотности;

- вязкость, летучесть; простоту и легкость реэкстракции извлекаемого компонента; токсичность, воспламеняемость; химическую и радиационную устойчивость;

- возможность регенерации экстрагента; низкую стоимость.

При очистке сточных вод обычно используют ступенчато-противоточную экстракцию в ряде аппаратов (рис. 22а) и непрерывно-противоточную экстракцию в одном аппарате (рис. 22б). Насадками служат кольца Рашига, блочные структуры из керамики, пластмассы. Тяжелая фаза – обычно сточная вода.

Рис. 22. Схемы противоточной экстракции а) ступенчатая экстракция: 1 – смесительные камеры; 2 – отстойники б) непрерывная экстракция

Регенерацию растворителя из экстракта обычно осуществляют ректификацией, из очищенной воды – путем отгонки острым паром в насадочной колонне.

Перегонка и ректификация. Их включают в состав технологических схем основных производств и применяют, когда необходимо практически полное выделение из сточных вод малых концентраций примесей, обычно растворенных органических жидкостей. Выделенные вещества, как правило, используются снова в технологическом процессе.

Виды перегонок: простая, с водяным паром, азеотропная. Простую перегонку проводят путем постепенного испарения сточной воды в перегонном кубе с конденсацией дистиллята в холодильнике. Ее применяют для очистки сточных вод от примесей, кипящих ниже 100°С: ацетон, метиловый спирт и т.п. Перегонка острым паром, т.е. непосредственное введение его или воздуха, азота или других газов в сточную воду, позволяет упростить конструкцию аппаратов, снизить расход тепла. Азеотропная отгонка нераздельно кипящих смесей воды с органическими веществами (бензол, толуол, хлороформ, CCl₄, бутилацетат и др.) происходит при температуре ниже температуры кипения воды. Отгонка ведется в насадочной колонне, в нижнюю часть которой подается острый водяной пар. Затем в отстойнике-сепараторе конденсат органического вещества отделяется от водяного конденсата.

Ректификация (лат. rectificare – исправлять, очищать) – способ разделения и очистки легко кипящих жидкостей путем многократного их нагрева до кипения и конденсации. Виды ректификации: простая, азеотропная и пароциркуляционная.

Простую ректификацию проводят в ректификационных колоннах тарельчатого или насадочного типа. Сточная вода подается на верхнюю тарелку (или насадку) и с нижней тарелки поступает в кипятильник. В нем при кипячении образуется поток паров, которые, проходя через колонну, увлекают пары органических примесей (бензол, хлорбензол, бутилацетат и др.) в верхнюю часть колонны. Затем пары поступают в конденсатор. Очищенная вода из кипятильника (кубовый остаток) отводится как конечный продукт.

Пароциркуляционная ректификация, или эвапорация (лат. evaporatio – выпаривание), сточных вод проводится в ректификационных колонках с использованием циркулирующего водяного пара. Основой этого метода очистки является разное распределение примесей между жидкой и паровой фазами. Она применяется для отгонки из сточных вод органических веществ, являющихся слабыми электролитами: крезолы, нафтолы, карбоновые кислоты, фенолы. Эффективность извлечения фенолов составляет 85–92%.

Эвапорация проводится в колоннах, которые делятся на эвапорационную (нижнюю) часть, где происходит очистка сточных вод, и поглотительную (верхнюю) часть, где идет регенерация пара. Сточная вода подается не сверху, а на эвапорационную часть колонны и стекает по насадке в приемник очищенной воды. Снизу колонны подается острый пар, который нагревает сточную воду до 100°С. Пары примесей вместе с паром проходят в верхнюю часть колонны через нагретый примерно до100°С поглотитель, в котором из пара удаляются летучие примеси (регенерация пара). Очищенный пар снова направляется в колонну для очистки сточных вод.

 

Электрохимические методы

 

Основы электрохимических методов. Для проведения электрохимических процессов используют электролизеры. В простейшем виде это два электрода (электронные проводники), погруженные в раствор электролита (ионный проводник), который находится в ванне. Через электроды пропускают обычно постоянный ток. На катоде, т.е. электроде, подсоединенном к отрицательному полюсу источника напряжения, протекают процессы электрохимического восстановления положительно заряженных ионов раствора, т.е. катионов. На инертном аноде, т. е. электроде, подсоединенном к положительному полюсу источника напряжения, протекают процессы электрохимического окисления отрицательно заряженных ионов раствора, т.е. анионов. На растворимом аноде происходит окисление материала анода с переходом его растворимых соединений в раствор. Процессы электрохимического восстановления и окисления количественно описываются известным законом Фарадея.

В зависимости от природы электрохимических процессов, используемых для удаления примесей из сточных вод, различают методы электрохимического окисления и восстановления, электрокоагуляции и флотации, электродиализа.

Электрохимическое окисление и восстановление. Методы электролиза применяют при небольших расходах сточных вод, содержащих повышенные концентрации примесей. Минимальная концентрация солей должна быть не менее 0,5 г/л, чтобы электропроводность сточной воды была достаточной для электролиза. Анодным окислением можно очищать сточные воды от цианидов, аминов, альдегидов, сульфидов, меркаптанов, красителей, нитросоединений, превращая их в СО₂, воду, азот, аммиак. Катодным восстановлением можно удалять ионы тяжелых металлов: свинца, ртути, меди, мышьяка, хрома и т. п.

В качестве анодов применяют нерастворимые материалы: графит, магнетит, титан. Катоды: легированная сталь, сплавы железа, свинца, цинка. Для разделения катодного и анодного пространства применяют керамические, полиэтиленовые, стеклянные диафрагмы. Электропроводность раствора увеличивают добавлением 5–10 г/л NaCl. Анодная плотность тока составляет 100–150 А/м², межэлектродное пространство – 3 см. Эффективность очистки – до 80–100%.

Электрокоагуляция и электрофлотация. В этом методе используют растворимые аноды из железа (стали), алюминия, которые при анодном окислении образуют ионы Fe³⁺ и Al³⁺.

Катионы железа и алюминия: а) коагулируют заряженные коллоиды, б) образуют в воде гидроксиды железа или алюминия в виде хлопьев, в) способствуют соосаждению примесей на них. Если напряжение на электролизере достаточно для параллельного разложения воды, то пузырьки газов водорода H₂ и кислорода O₂, образующиеся при электролизе на катоде и аноде, будут обеспечивать флотацию примесей. Такие электролизеры с растворимыми электродами называют электрокоагуляционно-флотационными.

Электроды в электролизерах располагают в виде набора пластин с расстоянием между ними для стальных электродов 5–10 мм, для алюминиевых – 12–15 мм. Анодная плотность тока 150–250 А/м² для стальных электродов и 80–120 А/м² для алюминиевых электродов. Скорость движения воды между электродами от 0,03 до 0,5 м/с. По направлению движения воды и флотирующихся газов электрофлотаторы разделяют на прямо- и противоточные, по располо-жению электродов – на горизонтальные и вертикальные.

Электрокоагуляцию с алюминиевыми анодами применяют для обработки сточных вод, содержащих эмульсии масел, жиров и нефтепродуктов с начальной концентрацией не более 10 г/л. Эффективность очистки от масел 55–70%, от жиров до 92–99%. Стальные электроды используют для электрокоагуляции хроматов, тяжелых металлов, фосфатов, полимеров.

Электродиализ (гр. dialysis – отделение). При электродиализе разделение ионов раствора М⁺ и Х^– происходит под воздействием разности концентраций частиц и разности потенциалов, создаваемой в электродиализаторе по обе стороны мембран. Простейший электродиализатор представляет собой ванну, разделенную на три камеры двумя диафрагмами или мембранами (рис. 23).

Рис. 23. Схема электродиализатора: 1 – анионитовая мембрана; 2 – катионитовая мембрана

В качестве диафрагм используют инертные пористые природные и синтетические материалы: асбест, стеклоткань, полихлорвиниловую ткань и др. В качестве мембран применяют иониты. От средней камеры анионитовая мембрана 1 отделяет камеру с анодом, а катионитовая 2 – камеру с катодом.

При пропускании через электродиализатор постоянного тока на аноде происходит окисление анионов, обычно ОН^–, или выделение кислорода при разложении воды:

2ОН^– → О₂↑ + 2Н⁺ + 4е^–;

2Н₂О → О₂↑ + 4Н⁺ + 4е^–.

Образующиеся катионы водорода Н⁺ не могут переходить через анионитовую мембрану в среднюю камеру. Они увеличивают кислотность в анодной камере. Уменьшение концентрации анионов по сравнению с концентрацией катионов ведет к росту разности потенциала и концентрации анионов между анодной и средней камерой. Это увеличивает скорость перехода анионов Х^– из средней камеры в анодную камеру через анионитовую мембрану или диафрагму.

Аналогичное явление, но противоположное по знаку, наблюдается в катодной камере, где происходит катодное восстановление катионов водорода или воды:

2Н⁺ + 2е^– → Н₂↑;

2Н₂О + 2е^– → Н₂↑+ 2ОН^–.

Раствор в катодной камере обогащается ОН^– – ионами, возрастает его рН, дефицит катионов, разность потенциалов. Ускоряется переход катионов М+ из средней камеры в катодную.

Таким образом, при пропускании через электродиализатор постоянного тока анионы Х^– из средней камеры переходят в анодную, а катионы М⁺ – в катодную камеру, практически до полного их удаления. Применение ионитовых мембран позволяет создавать в анодной камере кислую среду, а в катодной – щелочную. Диафрагмы же не мешают переходу Н⁺– ионов из анодной камеры и ОН^– – ионов из катодной камеры в среднюю камеру. В ней они взаимодействуют, образуя воду. Поэтому рН в камерах практически не изменяется.

Аноды и катоды изготавливают из инертных материалов: графита, магнетита, платинированного титана. Число камер в электродиализаторах достигает 100–200. На снижение содержания солей с 250 до 5 мг/л расходуется 7 кВт-ч/м³.

 

Биохимические методы

 

Они применяются для очистки бытовых и производственных сточных вод от органических веществ, а также от сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества на обеспечение своей жизнедеятельности. Очистка осуществляется сообществом множества различных бактерий, простейших, а также грибов, водорослей, которые образуют биологически активный ил.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки.

Аэробные методы основаны на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток воздуха.

Анаэробные биохимические процессы протекают без доступа кислорода. Их используют для обработки осадков. Оптимальная температура очистки 20–40°С.

Достоинства биохимической очистки: можно удалять из сточных вод широкий спектр органических и некоторые неорганические вещества, простота аппаратуры, низкие эксплуатационные затраты, возможна высокая степень очистки. Недостатки метода: высокие капитальные затраты (огромные сооружения), необходимость точного соблюдения технологического режима очистки, разбавления сточных вод из-за высокой концентрации примесей, возможно наличие примесей, отравляющих микроорганизмы.

Механизм процесса очистки микроорганизмами веществ из сточных вод условно делят на три стадии: массопередачу вещества из жидкости к поверхности клетки путем конвенции воды и диффузией примесей; диффузию вещества примеси через оболочку клетки микроорганизма вследствие градиента концентрации; процесс превращения вещества в клетке (метаболизм) с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества.

Скорость массопередачи определяется законами диффузии и гидродинамики. Вихревое движение потока разрушает хлопья активного ила на мелкие колонии микробов и приводит к быстрому обновлению поверхности их раздела со средой. Скорость биохимических превращений в клетке, их последовательность определяется ферментами. Синтез новых белковых веществ (анаболические превращения) протекает с затратой энергии Q, например:

C₆H₄O₂ + NH₃ + O₂ + (ферменты) → C₅H₇NO₂ + CO₂ – Q.

Биохимическое аэробное окисление органического вещества клетки (катаболизм) или сточной воды сопровождается потреблением кислорода и выделением энергии Q:

C₅H₇NO₂ + 5O₂ + (ферменты) → 5CO₂ + NH₃ + 2H₂O + Q.

Условия биохимической очистки. На эффективность биохимической очистки сточной воды оказывают влияние следующие факторы: равномерность поступления сточной воды, концентрация в ней примесей, наличие кислорода в воде, ее температура, рН, пе-ремешивание воды, присутствие в воде примесей, токсичных для микроорганизмов, концентрация биомассы. Снабжение сооружений биохимической очистки кислородом воздуха должно быть не-прерывным и в таком количестве, чтобы в очищенной воде содержание кислорода было не менее 2 мг/л. Оптимальная температура для аэробных процессов 20–30°С, хотя отдельные бактерии выдерживают температуру от 8 до 85°С. Оптимальная реакция среды – нейтральная (рН около 6,5). Количество взвешенных частиц для биологических фильтров должно быть не более 100 мг/л. Оп-тимальное количество микроорганизмов в виде активного ила 2–4 г/л. Наиболее эффективен молодой активный ил возраста 2–3 суток.

Регенерация активности ила: его аэрация в отсутствие питательных веществ.

Для жизнеобеспечения микроорганизмов, очищающих сточные воды, необходимо наличие в ней достаточного количества соединений углерода, азота, фосфора. Однако соединения ртути, свинца, сурьмы, серебра, хрома, кобальта являются клеточными ядами. Их концентрация должна быть ниже ПДК для микроорганизмов.

Технология биохимической очистки. Аэробную очистку проводят в естественных условиях и в искусственных сооружениях.

Естественные условия: поля орошения и фильтрации, биологические пруды.

Поля орошения – это сельскохозяйственные угодья, предназначенные для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрации растения не выращивают. Обычно это резервные участки типа прудов для принятия сточных вод. На полях орошения очистка сточных вод основана на воздействии микрофлоры почвы, воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. Солей в стоках должно быть меньше 4–6 г/л. Сточные воды подаются на поля орошения в летний период через 5 дней.

Биологические пруды – искусственные водоемы глубиной 0,5–1 м, хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами. Они могут быть проточные (серийные или каскадные) и непроточные. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией от 7 до 60 суток, с искусственной – 1–3 суток. В последних ступенях каскадных прудов разводят рыбу, что позволяет из-бежать образования ряски. В непроточных прудах сточная вода подается после ее отстаивания и разбавления. Продолжительность очистки – 20–30 суток.

Достоинства биологических прудов – невысокая стоимость строительства и эксплуатации. Недостатки: сезонность работы, большая площадь, низкая окислительная способность, трудность чистки.

Биохимическая очистка в биофильтрах. Биофильтры – это большие круглые или прямоугольные сооружения из железобетона или кирпича, загруженные фильтрующим материалом, на поверхности которого выращивается биопленка. Аэрация их может быть естественной и искусственной. По типу загрузки материала биофильтры делятся на две группы: с объемной (зернистой) и плоской загрузкой. Объемная загрузка: гравий, щебень, галька, шлак, керамзит, кольца, кубы, шары. Плоская загрузка: металлические, тканевые и пластмассовые сетки, решетки, гофрированные листы, пленки.

Биофильтры с объемной загрузкой могут быть трех типов: капельные, высоконагружаемые, башенные. Капельные биофильтры наиболее просты, загружаются мелким материалом высотой 1–2 м, имеют производительность до 1000 м³/сутки и обладают высокой степенью очистки. Высоконагружаемые биофильтры заполняют крупным материалом высотой 2–4 м. Высота загрузки башенных биофильтров – 8–16 м, производительность до 50 тыс. м³/сутки.

Применение находят также биофильтры с плоской загрузкой, обладающие более высокой окислительной способностью, погружные (дисковые) биофильтры и биотенк-биофильтры. В них в шахматном порядке по горизонтали и вертикали размещены лотки в виде блюдец, которые сверху заполняются сточной водой до их переполнения и перелива избытка воды. Снаружи лотков образуется активная биопленка. Она обеспечивает высокую эффективность очистки воды. Недостатки биофильтров: заиливание фильтров, снижение их окислительной способности, появление неприятных запахов.

Биохимическая очистка в аэротенках. Аэротенки – крупные 1 500–15 000 м³ железобетонные сооружения глубиной 3–6 м со свободно плавающим в воде активным илом, бионаселение которого использует загрязнения сточных вод для своей жизнедеятельности. Объем сточных вод, очищаемых при использовании аэротенков, весьма большой: от нескольких сот до миллионов кубических метров в сутки.

Классификация аэротенков. Ее показатели:

- конструкция: круглые, прямоугольные, шахтные, комбинированные, фильтротенки, флототенки;

- режим сточных вод: проточные, полупроточные, капитальные, с переменным уровнем;

- структура потока: аэротенки-вытеснители, аэротенки-смесители, аэротенки с рассредоточенной подачей сточной воды, окситенки (рис. 11);

- аэрация: пневматическая, комбинированная гидродинамическая, пневмомеханическая;

- способ регенерации активного ила: в отдельном аппарате, в совмещенном аппарате;

- число ступеней: одно-, двух-, многоступенчатые;

- нагрузка на активный ил: высокая, обычная, низкая.

В аэротенках-вытеснителях (рис. 24а) нагрузка загрязнений на ил максимальна в начале и минимальна в конце процесса. Их длина достигает 50–150 м, объем от 1,5 до 30 тыс. м³.

Аэротенки-смесители (рис. 24б) наиболее пригодны для очистки концентрированных производственных сточных вод (БПКп до 1 г/л) при значительных колебаниях их расхода и концентрации загрязнения. Их недостаток – высокая остаточная концентрация примесей в очищенной воде.

Рис. 24. Схемы аэротенка-вытеснителя (а), аэротенка-смесителя (б), аэротенка с рассредоточенной подачей сточной воды (в)

В аэротенках с равномерной подачей сточной воды нагрузка на ил по его длине равномерно уменьшается (рис. 24в). Они используются для очистки смесей промышленных и городских стоков.

В окситенках вместо воздуха применяется технический кислород. Это позволяет увеличить в 5–10 раз окислительную способность процесса, повысить дозы активного ила до 6–10 г/л.

Важный фактор биологического окисления примесей – кислород. При механической аэрации воду с илом перемешивают мешалками, турбинками, щетками и т. п. Пневматическую аэрацию в зависимости от размера пузырьков воздуха подразделяют на три вида: мелкие пузыри (1–4 мм) при подаче воздуха в аэротенк под давлением через керамические или пластинчатые диффузоры; средние пузыри (5–10 мм) – подача воздуха через перфорирован-ные трубы, щелевые устройства; крупные пузыри (>10 мм) – подача воздуха через сопла, труб.

На рисунке 25 приведена технологическая схема аэротенка с регенерацией ила. Сточная вода подается в аэротенк 1, где обрабатывается активным илом. Смесь воды с илом поступает в отстойник 2, из которого после отстоя через верхнюю часть выводится очищенная вода, а через донное отверстие – отстоянный ил. Из насосной станции 3 часть ила через его регенератор 4 возвра-щается в аэротенк, а избыточного часть ила отправляется на переработку в метантенк.

Рис. 25. Технологическая схема очистки сточных вод в азротенке с регенерацией ила: 1 – аэротенк; 2 – отстойник; 3 – насосная станция; 4 – регенератор ила

При высокой исходной концентрации органических примесей в воде (БПК_п > 0,15 г/л) используют двухступенчатую очистку с окислением 50–70% примесей на первой ступени.