Методы очистки сточных вод

Железо

1. Физические а химические свойства.

Элемент VIII группы периодиче­ской системы. Атомный номер 26.Пластичный металл. Лег­ко подвергается ковке, прокатке и другим видам обработки в горячем Е1 холодном состояниях. Физические свойства Ж. зави­сят от его чистоты. Существует в виде четырех кристаллических модификаций. В химическом отношении Ж. обладает средней активностью. В соединениях проявляет степени окисления 0,+1,+2,+3,+4,+6. Степени окисления +2 и +3 наиболее характерны.

2. Содержание в природе.

Ж- один из наиболее распростра­ненных элементов земной коры (4,65% по мас­се). Основные минералы: гематит, магнетит, лимонит, пирит и др. Ж- является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, гле среднее содержание его колеблется в интервале 0,01—26,0 мг/л

3. Получение.

Ж- в чистом виде получают электролизом вод­ных растворов его солей, термическим разложенном в вакууме пыгтакарбоннла Ж., ппрометаллургическим способом в марте­новских печах, прямым восстановлением оксидов Ж. в твердом состоянии. В промышленности Ж. получают главным образом а виде чугунов (доменным способом) и углеродистых сталей (мар­теновским, конверторным или электроплавильным способами).

4. Применение.

Металлическое Ж. является основным метал­лом современной техники. Чистое Ж, используется в тех ее об­ластях, где необходимы высокие пластические свойства. Боль­шая часть Ж. идет на производство углеродистых и легирован­ных сталей.

5. Антропогенные источники поступления в окружающую среду.

Локальной техногенной аномалией является зона металлургиче­ских комбинатов, в твердых выбросах которых содержится от 22000 до 31 000 мг/кг. Большую опасность представляют сточные воды и шламы производств химического, металлургического, машиностроительного, металлообрабатываю­щего, нефтехимического, химико-фармацевтического, лакокрасоч­ного, текстильного.

6. Токсическое действие.

Токсичность соединений Ж- в воде зависит от рН. В щелочной среде токсичность для рыб резко возрастает, так как образуются гидроксиды Ж-, которые осаждаются на жабрах, закупоривают их и разъедают. Кроме того, Ж-(II). легко переходит в Ж-(III), которое связывает растворенный в воде кислород, приводя к массовой гибели рыб и других гидробионтов.

Соединения Ж-(II) обладают общим токсическим действием: у крыс, кроли­ков при поступлении в желудок - параличи, смерть в судоро­гах, причем хлориды токсичнее сульфатов. Соединения Ж.(III) менее ядовиты, но действуют прижигающе на пищеварительный канал ивызывают рвоту.

Человек, Реальную опасность острого отравления при приема внутрь представляют железо, поступающее в организм в составе лекарственных средств, и сульфат Ж.(II). Препараты Ж. занимают шестое место среди наиболее частых причин отравлений. Ж. относят к числу наиболее токсичных веществ. После приема внутрь токсических доз чистого Ж. - тошнота, рвота с примесью крови, боли в животе, жидкий стул черного цвета из-за образования сульфида Ж. (II). Ощущение жара, гиперемия в области головы и шеи, снижение артериального давления, диспноэ, циа­ноз, резкое снижение свертываемости крови. В тяжелых слу­чаях после кажущегося улучшения в течение 2-3 суток появляют­ся признаки поражения печени, желтуха, развиваются метаболи­ческий ацидоз, вазомоторный коллапс, шок - главные причины смертельных исходов. На вскрытии — кровоизлияния и диффуз­ный некроз слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта, импрегнация Ж. портальной системы, жировая дистрофия и мас­сивные некрозы в печени. В случае выздоровления химический ожог часто приводит к стенозированию привратника.

7. Методы, определения.

В воздухе. Определение Ре₂0_а осно­вано па образовании желтого комплекса Ж. с сульфосалициловой кислотой в аммиачной среде. В воде. Спектрографиче­ское определение после экстракции хлороформом в виде комп­лекса с диэтилдитпокарбаматом и 8-гидроксихинолином; пре­делы определяемых количеств 1,2-80 мкг. В расте­ниях. Рентгенофлюоресцентным методом. В крови. Микрометод для крови с о-фензитролином и другими реагентами.

8. Индивидуальная защита.

Противоаэрозольный фильтрующий респиратор типа «Лепесток», «Астра», «Снежок» и др. Спецоде­жда, защитные очки, спецобувь. Работающие с Ж. и его соеди­нениями должны соблюдать правила личной гигиены, обязатель­ное мытье после работы, регулярную смену спецодежды. Прием пищи на рабочих местах запрещается.

Профилактические мероприятия, обеспе­чивающие безопасные условия труда при воздействии на рабо­тающих Ж. и его соединений определяются нормативными доку­ментами применительно к конкретным условиям производства. При добыче и переработке руд следует руководствоваться.

 

Методы очистки сточных вод.

Механические методы.

При заборе воды из водоисточника ее процеживают через решетки и сита с целью извлечения крупных примесей, которые могут засорить трубы и каналы. Для дальнейшего удаления грубодисперсных примесей применяют метод отстаивания, при этом осаждение частиц происходит за счет действия силы тяжести. Осаждение частиц происходит по законам падения тел в среде, которая оказывает сопротивление их движению.

Скорость осаждения взвешенных частиц зависит от их формы, размера, плотности и физических свойств среды. В начале осаждения частицы падают ускоренно, но через некоторый момент времени, когда сопротивление жидкой среды уравновесит действие силы тяжести, они приобретают постоянную скорость осаждения.

Для проведения данного процесса используют аппараты, которые называются отстойниками и песколовками.

Песколовки применяют для предварительного выделения примесей. Наиболее распространены горизонтальные песколовки глубиной до одного метра при скорости движения воды через них 2 м/мин. Они представляют собой резервуары с поперечным сечением в виде треугольника или трапеции.

Отстойники отличаются от песколовок большими размерами (до 200 м ) и разнообразием конструкций. Они бывают горизонтальные, вертикальные, радиальные, трубчатые, пластинчатые. Некоторые из них снабжены скребковыми механизмами и имеют несколько камер.

Отстойники, из-за больших размеров, обладают высокой производительностью и способны обрабатывать до 50 000 кубометров воды в сутки.

 

1

-_-_-_ 2 _-_-_-_-_-_-_- 3 -_-_-_-_-_-_- 4 -_- 5

-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_

-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-

-_-_-_-_-_- - - - - - - - - - - - - - - - - -

-_-_-_-_-

-_- 6 -_-

-_-_-

-

7

Рис. 1. Горизонтальный отстойник: 1 – очищаемая вода;

2 – входной лоток; 3-отстойная камера; 4 - выходной

лоток; 5- очищенная вода; 6 – приямок; 7- шлам.

Для ускорения процесса осаждения твердых частиц и вовлечения в процесс частиц размером менее 5 мкм применяют действие центробежной силы. Центробежные силы создаются либо вращательным движением потока разделяемой жидкости, либо при направлении разделяемого потока во вращающийся корпус аппарата. Процесс проводят в гидроциклонах и центрифугах.

Одним из методов освобождения воды от взвешенных примесей является фильтрование ее через пористую среду. Движущей силой процесса фильтрации является разность давления над перегородкой и под фильтрующей перегородкой. Разности давления можно добиться за счет создания вакуума или избыточного давления на границах перегородки.

На практике наибольшее распространение получили самотечные открытые фильтры. Необходимый напор в фильтре обеспечивается высотой слоя воды на фильтрующем материале.

Вода подается на фильтрующий слой песка, затем она попадает на слой гравия и оказывается в дренажных перфорированных трубках, которые служат для предотвращения уноса частиц песка водой. Высота слоя воды над поверхностью песка составляет не менее 2 м, а толщина фильтрующего слоя песка от 0,7 до 2,0 м. Работа фильтра носит периодический характер.

Первый период – подготовительный. Взвешенные частицы, содержащиеся в воде, оседают на поверхности песчаного слоя и постепенно образуют илистую пленку. В данный период времени фильтр не полностью очищает воду от взвешенных веществ. Фильтр становится полностью работоспособным, когда илистая пленка окончательно сформируется и ее толщина достигнет нескольких миллиметров.

Второй период – рабочий. Вода полностью очищается от взвешенных частиц. Диаметр пор в илистой пленке меньше, чем в слое песка. В данный период работы сооружения фильтрующим материалом является илистая пленка. По мере работы фильтра толщина пленки ила увеличивается и его производительность падает.

Третий период – промывка. Илистую пленку удаляют обратным током воды. После этого фильтр снова готов к работе.

Кроме указанных природных материалов в качестве фильтров могут быть использованы перфорированные листы и сетки из нержавеющей стали, асбеста, стекловолокна, хлопчатобумажных тканей и другие материалы.

Степень очистки химическими методами Х`=50-70%.

ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.

Нейтрализация сточных вод машиностроительных предприятий предназначена для выделения из сточных вод кислот (H₂SO, HC1, HNO₃, H₃PO₄), щелочей (NaOH и КОН), а также солей металлов на основе указанных кислот и щелочей. Нейтрализация основана на объединении ионов водорода Н⁺ и гидроксильной группы ОН' в молекулу воды, в результате чего сточная вода имеет рН=6,7 (нейтральная среда).

Нейтрализацию осуществляют: смешением кислых и щелочных производственных сточных вод; смешением кислых производственных сточных вод с бытовыми, имеющими щелочной характер, добавлением щелочных (кислых) реагентов в кислые (щелочные) сточные воды или фильтрацией кислых сточных вод через фильтровальную загрузку щелочного характера, например из частиц известняка, мрамора или доломита.

Для нейтрализации сточных вод, содержащих щелочи и их соли, применяют кислоты, обычно техническую серную кислоту.

Для удаления мелкодисперсных примесей из воды также применяют метод коагуляции. Под коагуляцией понимают совокупность физико-химических процессов, приводящих к укрупнению частиц с целью ускорения их осаждения.

При коагуляции происходит осветление и обесцвечивание воды. Природные воды обычно загрязнены частицами, которые несут на себе отрицательный заряд и поэтому между собой не слипаются. С целью нарушения данной устойчивой структуры к воде добавляют коагулянты – соли, образованные слабыми основаниями и сильными кислотами, которые имеют в растворе слабый положительный заряд. Таким образом, между частицами загрязнений и коагулянтами возникают силы взаимного притяжения. Кроме того, коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью сорбировать коллоидные и взвешенные частицы и удерживать их на своей поверхности. В качестве коагулянтов используют различные соли алюминия и железа, чаще всего Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ и FeCl₃. Выбор реагента зависит от концентрации примесей, рН, температуры и солевого состава воды.

При попадании коагулянта в воду он диссоциирует на ионы:

Al₂(SO₄)₃ ⇆ 2Al³⁺ + 3SO₄^2-.

Затем происходит ступенчатый гидролиз:

Al³⁺ + НОН ⇆ Al(ОН)²⁺ + Н⁺.

Al(ОН)²⁺ + НОН ⇆ Al(ОН)₂⁺ + Н⁺.

Al(ОН)₂⁺ + НОН ⇆ Al(ОН)₃ ↓ + Н⁺.

Гидролиз полнее протекает в слабощелочной среде, которая создается бикарбонатом кальция или содой.

Коагуляцию проводят в специальных аппаратах - осветлителях.

Осветлитель состоит из двух цилиндров. Вода с добавленным коагулянтом через воздухоотделитель поступает в аппарат, проходя вертикальную и горизонтальную трубу.

Таким образом, она попадает в большой цилиндр под решетку, где начинается коагуляция. Затем вода проходит снизу вверх через слой взвешенного осадка. Избыток осадка накапливается во внутреннем цилиндре и периодически выводится в нижней части осветлителя. Осветленная таким образом вода выводится через верхнюю часть аппарата.

Соли железа как коагулянты, имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность и крупность образующихся хлопьев; способность устранять вредные запахи и привкусы. Однако имеются и недостатки: образование окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры. Наилучший результат может быть достигнут при совместном использование солей железа и алюминия. При этом происходит ускорение процессов коагуляции и осаждения хлопьев.

Кроме названных коагулянтов для обработки воды могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, шлаки, содержащие диоксид кремния.

Разновидностью коагуляции является флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в воду флокулянтов, таких как кремниевая кислота и различные высокомолекулярные соединения (полиакриламид, крахмал, производные целлюлозы). Механизм взаимодействия флокулянта с коллоидной частицей складывается из двух фаз. Сначала полимер адсорбируется на частице. При этом фиксируется только один конец флокулянта, а другой остается в растворе. Затем две частицы с адсорбированными молекулами флокулянта объединяются вместе. Полимер становится мостиком между двумя частицами.

Такое взаимодействие частиц протекает быстро по всему объему системы.

Существенную роль в процессе сендиментации играет доза флокулянта. При недостатке реагента он не может связать все твердые частицы. При оптимальном количестве вве денного флокулянта в воде формируются отдельные, не связанные между собой агрегаты способные быстро осаждаться. При повышенном содержании высокомолекулярных веществ образуется густая сетка из ассоциированных молекул полимера, которая препятствует сближению и агрегации частиц суспензии.

Электрохимическая коагуляция также с успехом используется для обработки воды. Сущность метода основана на анодном растворении алюминиевых или железных пластин при прохождении через систему постоянного электрического тока. Для этого пластины присоединяются поочередно к положительному и отрицательному полюсам источника тока большой силы и низкого напряжения.

При этом ионы металла переходят в воду, образуя в ней гидроокись. Достоинствами этого метода является быстрое образование и осаждение прочных хлопьев, а также отсутствие необходимости корректировки рН. К недостаткам относится значительный расход электроэнергии. С целью экономии электроэнергии рекомендуется: плотность тока не более 10 А/м , расстояние между электродами не более 20 мм, скорость движения воды между электродами не менее 0,5 м/с, периодическое изменение потенциалов электродов или их вращение.

Возможным вариантом электрохимической коагуляции является использование нерастворимых электродов. В данном случае коагуляция происходит в результате разряда заряженных частиц на электродах. Материалом для изготовления электродов служат титан или двуокись свинца. Во время электрокоагуляции на электродах образуются газообразные вещества: хлор, кислород, водород, которые разрушают сольватные слои на поверхности частиц и они начинают слипаться. Пузырьки газообразных веществ способны также захватывать небольшие частицы примесей и поднимать их на поверхность – этот процесс называется электрофлотацией.

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, пероксосерные кислоты, озон, пиролюзит 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. Например, очистка от цианистых соеди­нений, растворенных соединений мышьяка и др.

Способность веществ проводить окисление определяется вели-" чиной окислительного потенциала. Из всех известных в природе окислителей первое место занимает фтор, который, однако, из-за высокой агрессивности не может быть использован на практике. Для других веществ величина окислительного потенциала равна: для озона — 2,07; для хлора — 0,94; для перекиси водорода — 0,68; для перманганата калия — 0,59.

Очистка восстановлением. Методы восстановительной очистки сточных вод применяют в тех случаях, когда они содержат лег­ко восстанавливаемые вещества. Эти методы широко используются для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка.

В процессе очистки неорганические соединения ртути восста­навливают до металлической ртути с дальнейшим отделением ее от воды отстаиванием, фильтрованием или флотацией. Орга­нические соединения ртути сначала окисляют с разрушением соединения, затем катионы ртути восстанавливают до металли­ческой ртути. Для восстановления ртути и ее соединений пред­ложено применить сульфид железа, боргидрид натрия, гидросульфитнатрия, гидрозин, железный порошок, сероводород, алюминиевую пудру и др.

Мышьяк в сточных водах находится в виде кислородсодержа­щих молекул и анионов, а также в виде анионов тиосолей. Наиболее распространенным способом удаления мышьяка из сточных вод является осаждение его в виде труднорастворимыхсоединений. При больших концентрациях мышьяка — до 110 г/л метод очистки основан на восстановлении мышьяковой кислоты до мышьяковистой двуокисью серы. Мышьяковистая кислота имеет небольшую растворимость в кислой инейтраль­ной средах и осаждается в виде трёхокиси мышьяка.

Степень очистки химическими методами Х`=80-90%.