До фізико-хімічних методів очищення стічних вод належать: коагуляція, сорбція (абсорбція, адсорбція), мембранні методи, іонний, обмінні, електроліз, екстракція

Коагуляція – процес з’єднання дрібних частинок забруднювачів у більші за допомогою спеціальних речовин (коагулянтів). Коагуляцію застосовують для видалення зі стічних вод найдрібніших колоїднодисперсних глинистих часточок, білкових речовин та інших високомолекулярних сполук. Коагуляцію здійснюють шляхом введення в очищувану воду незначної кількості коагулянтів – Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ та деяких інших сполук, які називають коагулянтами. Як коагулянти також використовують вапняне молоко, солі амонію, заліза, магнію, цинку. Суть процесу полягає в тому, що коагулянт, гідролізуючись, утворює позитивно заряджені аквагідроксокомплекси алюмінію і феруму, які адсорбуються на поверхні від’ємно заряджених колоїдних домішок і нейтралізують їхній заряд. Чим більший заряд аквагідроксокомплексів, утворених під час гідролізу коагулянтів, тим менші їх витрати на коагуляцію. В результаті збільшення розмірів часточок під час адсорбції вони осідають у відстійниках під дією сили гравітації. Одночасно йде процес адсорбції на поверхні осаду домішок органічних забарвлених речовин, внаслідок чого вода знебарвлюється.

Адсорбція – процес поглинання забруднень твердими сорбентами (активованим вугіллям, золою, дрібним коксом, силікагелем тощо). Адсорбцію застосовують переважно для видалення з води органічних сполук. Цей метод, як правило, використовують у комбінації з іншими, зокрема для початкового виділення грубодисперсних домішок механічними методами і коагуляцією. Потім молекулярно-розчинені домішки органічних речовин видаляють шляхом адсорбції на активованому вугіллі, яке крім речовин, що погіршують смак і запах води, сорбує також гербіциди, інсектициди, віруси тощо.

Рис. 4 3. Схема адсорбера з рухомим шаром адсорбенту

 

1 – корпус; 2, 6, 9, 10 – регулювальні клапани; 3 – трубопровід для подавання свіжого адсорбенту; 4,7– розподільні ґратки; 5 – трубопровід для відведення очищеної води; 8 – трубопровід для відведення відпрацьованої частини вугілля на регенерування; 11 –трубопровід для підведення води, яка очищується

 

Відпрацьоване активоване вугілля регенерують відгонкою абсорбованих домішок парою, якщо вони використовуються, або деструктивною регенерацією, якщо адсорбовані домішки знешкоджуються.

Зворотний осмос (гіперфільтрація) – процес фільтрування стічних вод через напівпроникні мембрани під тиском.

Ультрафільтрація – мембранний процес розділення розчинів, осмотичний тиск яких малий.

Процес дифузії крізь пористу перегородку під дією градієнта, концентрація солі з розчину з більшою в розчин з меншою концентрацією називається діалізом. Щоб здійснити перенесення іонів з менш концентрованого в більш концентрований розчин, тобто проти градієнта концентрації, потрібно прикласти різницю потенціалів.

Електродіаліз – це перенесення іонів електроліту крізь селективні іонообмінні мембрани під дією постійного електричного струму. Швидкість перенесення визначається силою електричного струму. Електродіалізний апарат почергово розділяється на камери аніоно- і катіонообмінними мембранами. Відстань між ними становить 0,5-1,5 мм. Крізь іонообмінні мембрани мігрують аніони, крізь катіонообмінні – катіони. Останні переміщуються в напрямку електричного струму, тоді як аніони – в протилежному напрямку, тобто катіони рухаються до катода, а аніони – до анода. В одній камері здійснюється знесолювання розчину, в іншій – його концентрування. В промислових апаратах між електродами вміщують 250-500 комірок, які складаються з поз сольних і дилюатних камер. На кінцях апарата розміщені електроди, на які подають постійний електричний струм.

Видалення фенолів та інших органічних сполук зі стічних вод здійснюють за допомогою екстракції.

Екстракція - вилучення зі стічних вод цінних речовин за допомогою рідких розчинників (екстрагентів). Екстракція ґрунтується на неоднаковому розподілі компонентів розчину між двома фазами, які утворюються при застосуванні органічної речовини – екстрагента (триетиламін, діетилметиламін, дипропіламін та ін.). Процес відбувається в протитечійному екстракційному апараті, де солона вода контактує з розчинником, який переміщується згори вниз.

 

Рис. 4. 4. Екстракційні апарати з механічним

перемішуванням

а – роторно-дискова колона; б – пульсацій на колона з сітчастими тарілками; 1 – межа поділу фаз; 2 – сітки; 3 – кільця статора;

4 – роторний диск; 5 – сітчасті тарілки;

6 – вихід екстракту; I, II – важкі фази; III, IV – легкі фази

 

Екстракт, що містить прісну воду, спрямовується через систему теплообмінників і нагрівника у сепаратор гравітаційного типу, де в результаті підвищення температури і зміни розчинності відбувається розділення фаз. Відокремлений розчинник через теплообмінник і холодильник повертається в цикл, а опріснена вода і рафінад із залишками амінів прямують на вилучення розчинника в десорбційні апарати.

Іонний обмін базується на вилученні зі стічних вод цінних домішок хрому, цинку, міді, ПАР за рахунок обміну іонами, здатних обмінювати свої іони на іони, що містяться у воді. Розрізняють процеси катіонного і аніонного обміну. Відповідно іоніти називають катіонітами та аніонітами. Катіонітові фільтри випускають різних діаметрів з різною висотою завантаження катіонів, які розраховані на робочий тиск 0,6 МПа і робочу температуру до 60^оС.

 

1 – початкова та промивна вода; 2 – регенераційний розчин;

3 – очищена вода; 4 – відведення відпрацьованого регенераційного розчину та промивної води; 5 – вода для спушування;

6 – відведення води для спушування

 

Рис. 4. 5. Схема іонообмінної колони

 

 

В основі катіонного процесу пом’якшення води лежать реакції обміну іонів натрію і водню – катіонів на іони Са²⁺ і Мg²⁺ – солей твердості, розчинених у воді. Обмін іонів натрію називають Nа-катіонуванням, а іонів гідрогену – Н-катіонуванням:

Na₂[Кат] + Са(НСО₃)₂ ↔ Са[Кат] + 2NаНСО₃;

Na₂[Кат] + MgSO₄ ↔ Mg[Кат] + Na₂SO₄;

H₂[Кат] + MgCl₂ ↔ Mg[Кат] + 2HCl;

H₂[Кат] + Na₂SO₄ ↔ Na₂[Кат] + H₂SO₄.

Так само видаляють з води іони інших металів.

Аніоніти – високомолекулярні речовини, що містять активні групи з аніонами ОН^-, НСО₃^- або СО₃^2-. Пропускаючи крізь шар аніоніту воду, заздалегідь звільнену від катіонів, видаляють з неї аніони:

[Aн]OH + HCl ↔ [Aн]Cl + H₂O;

2[Aн]OH + H₂SO₄ ↔ [Aн] + H₂O.

З наведених реакцій випливає, що іонообмінний спосіб може забезпечити пом’якшення і знесолювання води, тобто повне видалення з води солей.

Основними способами хімічного очищення виробничих стічних вод є нейтралізація, окиснення, коагуляція та флокуляція.

Нейтралізація здійснюється шляхом змішування кислих стічних вод з лугами, додаванням до стічних вод реагентів (вапно, карбонати кальцію та магнію, аміаку) або фільтруванням через нейтралізуючі матеріали (вапно, доломіт, магнезит, крейда, вапняк тощо).

Окиснення застосовується для знезараження стічних вод від токсичних домішок (мідь, цинк, сірководень, сульфіди), а також від органічних сполук. Як окислювачі використовуються хлор, озон, кисень, хлорне вапно.

Одним із видів коагуляції є флокуляція – процес агрегації дрібніх частинок забруднювачів у воді за рахунок утворення містків між ними та молекулами флокулянтів. Як флокулянти використовують активну кремнієву кислоту, ефіри, крохмаль, целюлозу, синтетичні органічні полімери. Для освітлення води одночасно використовуються коагулянти і флокулянти, під впливом яких утворюються інтенсивно осідаючі великі пухкі пластівцеподібні агломерати, які легко видаляються зі стічних вод механічними способами.

Після механічних, хімічних та фізико-хімічних методів очищення у стічних водах можуть знаходитися різноманітні віруси та бактерії. Тому для запобігання захворюванням стічні води перед повторним використанням для побутових потреб піддають стерилізації. Стерилізація води здійснюється шляхом нагрівання, хлорування, озонування, обробки ультрафіолетовими променями, біообробки, електролізу срібла, коли як анод використовується срібний електрод, а як катод – вугілля. Іони срібла мають бактерицидну дію.

Біологічне очищення здійснюється комплексом мікроорганізмів (біоценозом), який містить багато різних бактерій, найпростіших і низку більш високоорганізованих організмів – водоростей, грибів тощо, які зв'язані між собою в єдиний комплекс складними взаємовідно­синами (метабіозу, симбіозу і антагонізму). Біологічне очищення здійснюється в штучних умовах: у біофільтрах, в аеротенках, в окиснювальних каналах, у біотенках, в аеротенках із заповнювачами. Біологічне очищення може здійснюватися і в природних умовах на полях зрошення, полях фільтрації, біологічних водоймах. Залежно від виду мікроорганізмів, котрі беруть участь у руйнуванні органічних речовин, розрізняють аеробне (окислювальне) та анаеробне (відновлювальне) біологічне очищення стічних вод. Це ефективний метод видалення органічних домішок з води. Розрізняють аеробний процес, який здійснюється за наявності кисню, і анаеробний – без доступу кисню. Анаеробне очищення застосовують як перший ступінь для підготовки до наступного аеробного очищення стічних вод з високою концентрацією органічних забруднень. Біологічне аеробне очищення здійснюють у біофільтрах, аеротенках, на зрошувальних полях та у біологічних ставках. Біофільтри будують у вигляді залізобетонних резервуарів діаметром до 30 м і заввишки: низькі – 1,5–2 м, високі – 2–4 м і баштові – 10–20 м. На дірчасте днище резервуара накладають щебінь, гальку, керамзит або гратчасті блоки з пластмаси. На поверхні укладених матеріалів поселяють мікроорганізми, які живляться органічними домішками стічних вод. Мікроорганізми перетворюють органічні речовини на неорганічні (переважно на вуглекислий газ і воду або метан, аміак та ін.).

Рис. 6 6. Аеротенк:

1 – регенератор; 2 – стічна вода; 3 – повітря; 4 – аеротенк;

5 – пристрій для розпилювання повітря; 6 – насос;

7 – зворотній мул; 8 – надлишковий мул;

9 – осад активного мулу; 10 – відстійник

Поля зрошення, поля фільтрації та біологічні ставки належать до ґрунтових методів біологічного очищення. На полях зрошення одночасно з очищенням стічних вод вирощують різні культури рослин. Якщо на ділянках не вирощують рослин, а тільки очищають стічні води, їх називають полями фільтрації. Цей спосіб знайшов обмежене застосування, оскільки потребує рівні ділянки ґрунтів з доброю фільтрувальною здатністю. Біологічні ставки облаштовують каскадом по 3-5 водойм завглибшки 1–1,5 м. Оскільки процеси біологічного очищення відбуваються повільно, вода в ставках має перебувати не менш як 20 діб. Біологічні ставки частіше використовують після попереднього очищення іншими методами, як буфер перед водоймою, в яку скидають очищену воду.

Таким чином, методи очищення стічних вод можна об‘єд­нати у вигляді наступної схеми.

Схема 4.1