Методы и средства защиты водных объектов

от загрязнения сточными водами

Основные пути и методы очистки сточных вод

Выделяют два основных пути очистки сточных вод – разбавление и очистка от загрязнений. Разбавление представляет собой паллиативную меру, которая не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоема. Основной путь – очистка.

Методы очистки производственных и бытовых сточных вод делятся на следующие группы механические, физико-химические, химические, биохимические, термические.

Механические методы включают: отстаивание, процеживание, фильтрование, центрифугирование. Физико-химические методы включают: коагуляцию, флотацию, ионный обмен, экстракцию, сорбцию, ректификацию, дистилляцию, дезодорацию, обратный осмос и ультрафильтрация, электрохимические (анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция, электродиализ, электрофлотация). Химические методы: нейтрализация, окисление, восстановление. Биологические методы включают биологическое разложение и биологическое окисление.

Физико-химические методы очистки сточных вод

Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, неорганических и органических веществ. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. Наиболее эффективны при локальной очистке сточных вод промышленных предприятий.

Коагуляция. Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия с коагулянтами. Метод используется для ускорения осаждения тонкодисперсных примесей. При очистке сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. В качестве коагулянтов используют в основном соли алюминия и железа (сульфаты и хлориды) или их смеси. В воде происходит их гидролиз

Образующиеся гидроксиды и их основные соли представляют собой коллоидные частицы, которые сорбируют развитой хлопьевидной поверхностью взвешенные мелкодисперсные и коллоидные загрязнения, бактерии, ионы тяжелых металлов. Скорость коагуляции возрастает с увеличением концентрации электролита. На коагуляцию влияют рН, анионный состав воды, природа коагулянта, температура, условия перемешивания. Для интенсификации процессов очистки воды с помощью коагулянтов добавляют флокулянты – специальные высокомолекулярные вещества хорошо растворимые в воде – гидролизные белковые дрожжи, крахмал, чаще синтетические – например, полиакриламид. Использование флокулянтов позволяет снизить концентрацию коагулянта, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев. Количество флокулянта составляет 0,5 – 2,0 мг/л.

Флотация – применяется для очистки производственных сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые частицы. Т.е. для примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются.

Процесс флотации заключается в образовании в толще воды газовых пузырьков (чаще воздушных), прилипании частиц к поверхности раздела газовой и жидкой фазы, всплывании этих комплексов на поверхность обрабатываемой сточной жидкости. Затем образовавшийся пенный слой удаляется механизмом для сгребания пены в пеносборник.

Адсорбция. Этот метод применяют для глубокой очистки сточных вод от ПАВ, красителей, ароматических углеводородов, пестицидов, фенолов. Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, когда извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с сорбентом.

Процесс адсорбции складывается из 3-х стадий: перенос вещества из сточной воды к поверхности сорбента, перенос вещества внутрь зерен сорбента, собственно адсорбционный процесс.

Адсорбированные вещества удаляют с поверхности адсорбента термокаталитическими, химическими, окислительными методами, а также десорбцией перегретым водяным паром и др. Адсорбционный метод целесообразно применять для извлечения ценных продуктов с целью их регенерации, удаления токсичных веществ, которые препятствуют биологической очистке, а также для глубокой очистки сточных вод, используемых в системе оборотного водоснабжения. Эффективность метода составляет 80 – 95 %. В качестве адсорбентов используют активированные угли, синтетические вещества, некоторые отходы производства (зола, шлаки и др.). Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой или фильтрованием воды через слой адсорбента.

Ионный обмен. Метод заключается в обмене ионами, находящимися в растворе и присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита). Применяется для: глубокой очистки вод от ионов тяжелых металлов; корректирования минерального состава очищенных сточных вод, которые повторно используются в замкнутых системах водоснабжения, т.к. метод позволяет достичь ПДК загрязняющих веществ; удаления органических веществ, таких как фенолы, ароматические углеводороды, ПАВ, алифатические амины и др.; удаления цианидов и утилизации ценных примесей (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть).

Иониты, которые способны поглощать из воды положительные ионы, называются катионитами (обладают кислотными свойствами). Иониты, способные поглощать из воды отрицательные ионы, называются анионитами (обладают основными свойствами). Если иониты обменивают катионы и анионы, они являются амфотерными.

Природными ионитами являются алюмосиликаты, силикагели, цеолиты, угли, гуминовые кислоты почв. Искусственные иониты – синтетические ионообменные смолы.

Обменная емкость или емкость поглощения – максимальное количество ионов, которое поглощается обменным путем одним граммом ионита. Достигает 6-10 мг-экв/г.

Электрохимические методы включают: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляцию, электрофлотацию, электродиализ. Процессы, лежащие в основе этих методов, протекают при пропускании через сточную воду электрического тока. Устройства, в которых протекают электрохимические процессы в водных растворах, называются электролизерами.

Анодное окисление и катодное восстановление. На аноде ионы теряют электроны, т.е. в прианодном пространстве протекает электрохимическое окисление анионов. Например, при окислении CN^- - ионов в щелочных растворах протекают следующие реакции:

CN^- + 2OH^- - 2ē → CNO^- + H₂O

CNO^- + 2H₂O → NH₄ ⁺ + CO₃ ^2- или

2CNO^- + 4OH^- - 6ē → N₂ + 2CO₂ + 2H₂O.

Кроме цианид-ионов электрохимическим окислением можно очищать сточные воды от роданид-ионов CNS^- , аминов, спиртов, альдегидов, нитросоединений, сульфидов, азокрасителей, фенолов и др.

Катодное восстановление используется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов, а также очистки от трудноокисляемых веществ. Катодное восстановление ионов металлов идет по схеме:

Меⁿ⁺ + nē → Ме⁰

Например: Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 12ē → 2Cr⁰ +7H₂O;

Cu²⁺ + 2ē → Cu⁰ ;

Ni²⁺ + 2ē → Ni⁰.

Эффективность очистки этими методами достигает 80-100 %.

Электрокоагуляция – процесс образования нерастворимых гидроксидов в сточных водах при их прокачке через электрокоагулятор. Процессы очистки протекают в электролизере с растворимыми электродами. Используются электроды из графита, молибдена, вольфрама, пластин титана, трудно растворимые электропроводящие материалы – магнетит, диоксид рутения, свинца и др. Процессы, протекающие в электрокоагуляторах на электродах или в объеме раствора, определяются химической природой материала электродов, рН раствора и примесями, содержащимися в воде.Чаще для очистки сточных вод от высоко устойчивых загрязнений используют растворимые алюминиевые и стальные аноды. При наложении электрического поля анод растворяется и в раствор переходят катионы железа и алюминия:

Ме⁰ → Меⁿ⁺ + nē

На катоде протекает реакция восстановления воды с выделением водорода:

H₂O + 2ē → H₂ + 2OH^-

Катионы железа и алюминия с гидроксильными группами образуют гидроксиды металлов в виде хлопьев. Наступает интенсивная коагуляция.

Несмотря на повышенный расход электроэнергии, электрокоагуляционный метод очистки сточных вод позволяет перейти на оборотное водоснабжение, т.к. в результате действия электрического поля вода практически полностью очищается от бактерий. Это приводит к увеличению сроков службы воды, а также исключает возможность появления у обслуживающего персонала экзем, грибковых и др. заболеваний кожи, возникающих при обращении с загрязненной бактериями водой.

Электрокоагуляция применяется при очистке сточных вод от масел, жиров, нефтепродуктов, а также гальванических и травильных отделений от хрома и др. тяжелых металлов.

Электрофлотация. Суть метода состоит в том, что в процессе электролиза воды выделяющиеся на электродах пузырьки газов (водорода и кислорода) сталкиваются с взвешенными частицами, прилипают к ним и «флотируют» их на поверхность жидкости. На аноде протекает реакция разложения воды:

H₂O → O₂ ↑ + 2H⁺ + 2ē

На аноде – восстановления:

2H₂O + 2ē → H₂ ↑ + 2OH^-

Основную роль в процессе флотации частиц выполняют пузырьки водорода, выделяющиеся с поверхности катода. При использовании растворимых электродов одновременно происходит флотация и коагуляция, что способствует более эффективной флотации и очистке воды в целом. Степень очистки может достигать 85 –95%.

Электродиализ. Метод основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Используется для опреснения соленых и очистки сточных вод. Электродиализ осуществляется в электролитической ванне, разделенной на три отделения двумя диафрагмами (асбест, стеклоткань, электрохимические ионитовые мембраны). В крайних отделениях размещают электроды. Метод электролиза перспективен для очистки сточных вод не только от растворенных солей, но и от ионов тяжелых металлов (Cr⁶⁺, Cu²⁺ и др.) и фтора. Технико-экономическая оценка показала, что извлечение 1 кг фтора электродиализом обходится примерно в 5 раз дешевле реагентного метода. Электродиализ дает хорошие результаты при очистке сточных вод от радиоактивных загрязнителей, особенно Cs-137, Sr-90. Недостаток метода состоит в необходимости предварительной очистки сточных вод от взвешенных частиц, которые засоряют диафрагмы.

Химические методы очистки сточных вод

Нейтрализация. Применяется во многих отраслях промышленности для обработки производственных сточных вод, содержащих щелочи и кислоты. рН сточных вод доводится до 6,5 – 8,5. В большинстве кислых сточных вод содержатся соли тяжелых металлов, которые необходимо выделять для предупреждения коррозии металлов водоотводящих путей и очистных сооружений, нарушения биохимических процессов в биологических окислителях и водоемах.

На практике применяют следующие способы нейтрализации:

взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод. Производится в емкостях с мешалкой или без нее. В последнем случае перемешивание ведут воздухом.

нейтрализация реагентами. В качестве реагентов используются растворы кислот, негашеная и гашеная известь, кальцинированная сода, аммиак и др.

фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит, мел и др.)

нейтрализация дымовыми кислотными газами, содержащимися в газообразных отходах теплоэнергетических установок.

Окисление. Относится к деструктивным методам и применяется для обезвреживания токсичных примесей, которые невозможно извлечь из сточных вод другими известными методами (цианиды, растворенные соединения мышьяка, меркаптаны и др.).

Для этих целей используются различные окислители: газообразный и сжиженный хлор, хлорная известь, гипохлориты кальция и натрия, диоксид хлора, озон, кислород воздуха, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода и др.

Наиболее распространенными окислителями являются газообразный хлор, а также вещества, содержащие «активный хлор». Хлор в зависимости от рН среды может находиться в растворе в виде различных соединений.

В сильно кислой среде присутствует молекулярный хлор. По мере уменьшения кислотности процесс взаимодействия хлора с водой

Cl₂ + H₂O → HCl + HСlO; HСlO ↔ H⁺ + СlO^- смещается вправо. Сумма Cl₂ + HСlO + СlO^- называется свободным «активным» хлором.

В щелочной среде образуются гипохлориты. При повышенных температурах происходит диспропорционирование по уравнению: 3СlO^- ↔ 2Сl + СlO₃^- . В качестве реагентов, содержащих гипохлорит-ион СlO^- , служит гипохлорит кальция или натрия, также товарная хлорная известь. Хлорная известь состоит из смеси гипохлорита и гидроксида кальция с водой. Она содержит 20 – 25 % активного хлора, а гипохлорит натрия – 60 %.

Процесс хлорирования проводят в специальных хлораторах периодического и непрерывного действия, напорных и вакуумных. Рассмотрим окисление цианидов гипохлоритами и хлором (процесс идет при рН 9 - 11).

СΝ^- + СlO^- → CNO^- + Сl^-

СΝ^- + Cl₂ + 2OH^- → CNO^- + 2Сl^- + H₂O

Образующиеся цианаты (CNO^-) легко гидролизуются в воде или окисляются хлором до азота и углекислого газа.

CNO^- + 2H₂O → CO₃ ^2- + NH₄ ⁺ ;

CNO^- + 3Cl₂ +4OH^- → 2CO₂ + N₂ + 6Сl^- + 2H₂O

Окисление цианидов до цианатов происходит за счет атомарного кислорода в момент его выделения из окислителя:

СlO^- → Сl^- + О

Кроме того, хлор и хлорсодержащие агенты обладают выраженной бактерицидной реакцией и их используют для обеззараживания воды.

Для окисления соединений Fe²⁺ в Fe³⁺ используется кислород:

Fe²⁺ + O₂ + 2H₂O → 4Fe³⁺ + 4OH^-

Fe³⁺ + 4H₂O → Fe(OH)₃ ↓+ 3H⁺

Сероводород окисляют кислородом:

2H₂S + O₂ → 2S↓+ 2H₂O.

Кислородом разрушают также фенолы, нефтепродукты.

Озонирование. Позволяет обеспечивать обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов, обеззараживание, насыщение кислородом. Его применяют для очистки сточных вод от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, ПАВ, цианидов, красителей, пестицидов и др. Озон активнее хлора и по отношению к вирусам, т.к. действует непосредственно на протоплазму клетки.

Промышленное получение озона основано на выделении его из атмосферного или обогащенного кислородом воздуха под действием электрического разряда в генераторах с высоким напряжением (5 – 25 кВт и более). При этом происходит диссоциация молекулы кислорода O₂ ↔ 2О с последующим образованием молекулы озона O₂ + О ↔ O₃. Чистый озон разлагается со взрывом, поэтому его концентрация в озоно-воздушной смеси не должна превышать 10 % по массе.

Для озонирования сточных вод используют контактные аппараты.

Химическое восстановление. Относится к деструктивным методам очистки. Используется в случае содержания в сточных водах легко восстанавливаемых веществ.

В качестве восстановителей используются: диоксид серы, сульфат железа(ΙΙ), гидросульфит натрия, боргидрид натрия, гидразин, железный порошок, активированный уголь, отходы органических веществ.

Биохимические методы очистки сточных вод

Эти методы применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических веществ (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.). Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать указанные вещества для питания в процессе жизнедеятельности, превращая их в воду, углекислый газ, сульфат-ионы, фосфат-ионы и увеличения своей биомассы. Механизм процесса сложен. Он включает: перенос веществ из жидкости к поверхности клетки; диффузию вещества через полупроницаемую мембрану внутрь клетки; процесс превращения веществ (метаболизм), протекающий внутри клетки, с выделением энергии и синтезом нового клеточного вещества. Скорость биохимических превращений и последовательность их протекания определяют ферменты, выполняющие роль биокатализаторов и представляющие собой сложные белковые соединения. Биохимическая очистка сточных вод может протекать в аэробных и анаэробных условиях.

Очистка в аэробных условиях происходит в присутствии растворенного в воде кислорода и представляет собой модификацию протекающего в природе естественного процесса самоочищения водоемов. Этот метод основан на использовании аэробных групп микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20 – 40 ºС. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий при рН 4 – 9 отрицательный заряд и обладающий большой адсорбционной поверхностью. Он состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы – это скопления бактерий, простейших организмов, червей, плесневых грибов, дрожжей, личинок насекомых, рачков и др. Сообщество всех живых организмов, населяющих ил, называется биоценозом. Сухое вещество активного ила содержит 70 – 90 % органического вещества и 10 – 30 % неорганических веществ. Субстрат (до 40 % массы ила) – твердая отмершая часть остатков водорослей и различных водных организмов активного ила. Активный ил в аэрируемой жидкости значительно ускоряет процессы окисления и создает условия для процессов адсорбции органических веществ.

Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и др. организмов. Растет на наполнителе биофильтров и имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1- 3 мм и более от серовато-желтого до темно-коричневово в зависимости от состава сточных вод. Аэробные методы очистки могут протекать как в естественных условиях, так и в искусственных сооружениях (биофильтры, аэротенки). В естественных условиях биохимическая очистка осуществляется на полях орошения, полях фильтрации, биологических прудах.

Поля орошения – специально подготовленные земельные участки, которые используются одновременно для очистки сточных вод и агрокультурных целей, т.е. для выращивания зерновых и силосных культур, трав, овощей, кустарников. Очистка сточных вод происходит под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений.

Поля фильтрации предназначены только для биологической очистки сточных вод. На них сельскохозяйственные культуры не выращиваются.

Биологические пруды предназначены для биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями. Их выполняют в виде каскада прудов, состоящих из 3 – 5 ступеней. Процесс очистки сточных вод происходит по следующей схеме. Бактерии используют для окисления загрязнений кислород, выделяемый водорослями в процессе фотосинтеза, и кислород воздуха. Водоросли потребляют углекислый газ, фосфаты и аммонийный азот, выделяемый при биохимическом разложении органических веществ. Поэтому для нормальной работы прудов необходимо соблюдать оптимальные значения рН и температуру сточной воды. Температура должна быть не ниже 6 ºС, поэтому в зимнее время пруды не эксплуатируются.

К недостаткам прудов относятся низкая окислительная способность, сезонность работы, потребность в больших территориях.

Сооружения для искусственной биологической очистки

Делятся на две группы по признаку расположения в них активной биомассы:

активная биомасса находится в обрабатываемой сточной воде во взвешенном состоянии (аэротенки, окситенки);

активная биомасса закрепляется на неподвижном материале, а сточная вода обтекает его тонким пленочным слоем (биофильтры).

Аэротенки – это железобетонные резервуары, разделенные перегородками на отдельные коридоры. Аэротенки работают по следующей схеме. Сточная вода после сооружений механической очистки смешивается с возвратным активным илом (биоценозом) и, последовательно пройдя по коридорам аэротенка, поступает во вторичный отстойник. Время нахождения в аэротенке обрабатываемой сточной воды в зависимости от ее состава колеблется от 6 до 12 часов. За это время основная масса органических загрязнений перерабатывается биоценозом активного ила. Для поддержания активного ила во взвешенном состоянии, интенсивного его перемешивания и насыщения обрабатываемой смеси кислородом воздуха в аэротенках устраиваются различные системы аэрации (механическая или пневматическая). Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила поступает во вторичный отстойник. Оттуда осевший на дно активный ил с помощью специальных устройств (илососов) отводится в резервуар насосной станции, а очищенная сточная вода поступает либо на дальнейшую доочистку, либо дезинфицируется. В процессе биологического окисления происходит прирост биомассы активного ила. Для создания оптимальных условий ее жизнедеятельности избыток ила выводится из системы и направляется в сооружения по обработке осадка, а основная часть в виде возвратного активного ила снова возвращается в аэротенк.

Вместо воздуха для пневматической аэрации сточных вод может подаваться чистый кислород. Для такого процесса используют окситенки, несколько отличные по конструкции от аэротенков. Окислительная способность окситенков в 3 раза выше.

Биофильтры применяются при суточных расходах бытовых и производственных сточных вод до 20 –30 тыс. м³ в сутки. Сточная вода, подаваемая выше поверхности загрузочного материала, равномерно распределяется через него, при этом на поверхности материала образуется биологическая пленка (биоценоз), аналогичная активному илу в аэротенке.

Анаэробные методы очистки используются для обезвреживания и предварительной очистки концентрированных сточных вод под действием анаэробных бактерий в процессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, метановое и др. виды брожения. Конечные продукты брожения – спирты, кислоты, ацетон, углекислый газ, водород, метан.

При эксплуатации сооружений биологической очистки необходимо соблюдать: технологический регламент их работы, не допускать перегрузок и особенно залповых поступлений токсичных компонентов, т.к. такие нарушения могут губительно сказаться на жизнедеятельности микроорганизмов.

В сточных водах, поступающих на биохимическую очистку, содержание нефти и нефтепродуктов должно быть не более 25 мг/л, ПАВ – не более 50 мг/л, растворенных солей – не более 10 г/л, рН не более 9. В противном случае микроорганизмы-минерализаторы погибнут. Последующий запуск и выведение аэротенков и биофильтров в нормальный режим работы могут составить несколько недель.

Биологическая очистка не обеспечивает полного уничтожения в сточных водах всех болезнетворных бактерий, поэтому после нее воду дезинфицируют жидким хлором или хлорной известью, озонированием, УФ излучением, ультразвуком и др.

Дата добавления: 2015-09-06