Методы физико-химической очистки сточных вод

К физико-химическим методам очистки сточной жидкости относятся коагуляция, экстракция, сорбция, эвапорация, кристаллизация, флотация, ионный обмен, электролиз, электродиализ и т. д. Физико-химические методы чаще всего применяют при очистке производственных сточных вод. При этом в зависимости от местных условий тот или иной метод может быть окончательной либо предварительной стадией (например, при удалении ядовитых соединений или каких-либо других веществ, препятствующих нормальной работе последующих очистных сооружений).

Коагуляция — это слипание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты — более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае — жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией.

Количество коагулянта (реагента), необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.

Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность — до 96…99,9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01…1,03 т/м3. Для обесцвечивания высококонцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1…4 кг/м3; объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10…20% объема обрабатываемой сточной воды. Значительный расход коагулянтов, большой объем получающегося осадка, сложность его обработки и последующего складирования, увеличение степени минерализации обрабатываемых сточных вод не позволяют в большинстве случаев рекомендовать коагуляцию как метод самостоятельной очистки. Коагуляционный метод очистки применяют в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием добавляемых связующих реагентов (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления.

Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц; их концентрации и степени дисперсности; наличия в сточных водах электролитов и других примесей; величины электрокинетического потенциала. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы.

Флотация — это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз: газа (воздуха) и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Всплытие происходит за счет создания пены, обволакивающей частички примесей и удаляемой из воды вместе с ними. Для создания пены воду насыщают пузырьками мелкодиспергированного воздуха. Частицы, содержащиеся в сточной воде (ПАВ, нефть, нефтепродукты, масла, волокнистые материалы и др.), прилипают к поверхности раздела вода — пузырек воздуха и всплывают на поверхность воды.

При экстракции сточную жидкость, содержащую технически ценные органические вещества (например, фенолы и жирные кислоты), смешивают с растворителем — экстрагентом, в котором данный вид загрязнения растворяется в большей степени. Данный метод экономически выгоден при значительной концентрации органических примесей (более 2 г/л) или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент повторно используется в процессе очистки.

При сорбции загрязняющие сточную жидкость вещества либо поглощаются телами твердых веществ (абсорбция), либо осаждаются на его активно развитой поверхности (адсорбция). В третьем случае (химическая сорбция) происходит химическое взаимодействие загрязненного вещества с твердым телом.

Для очистки производственной сточной жидкости чаще всего пользуются адсорбцией. Для этого к очищаемой сточной жидкости добавляют сорбент (твердое тело) в размельченном виде и перемешивают их. Сорбент, насыщенный загрязнениями, отделяют путем отстаивания или фильтрации. В качестве сорбента применяют золу, торф, каолин, коксовую мелочь, силикагели, алюмогели, активированный уголь и др. Эффективными сорбентами являются активированные угли с пористостью 60…75% и удельной площадью поверхности 400…900 м2/г. Наиболее простая конструкция — насыпной фильтр, представляющий собой колонну с неподвижным слоем сорбента (крупностью зерен 0,8…5 мм), через который фильтруется сточная вода. Скорость фильтрации (1…12 м/ч) определяется концентрацией растворенных в сточных водах веществ.

Эвапорацией называют отгонку водяным паром летучих веществ, которые загрязняют сточную жидкость. Эвапорация производится в периодически действующем аппарате или в непрерывно действующих дистилляционных колоннах. Сточная жидкость (например, содержащая фенол), нагретая в теплообменнике, поступает в колонну, через которую навстречу движению сточной жидкости пропускают острый пар. Летучие загрязнения сточной жидкости переходят в пар. Насыщенный загрязнениями пар поступает в поглотительную колонну, где очищается от загрязнений. Если сточную жидкость нужно очистить от фенола, то пар освобождают от него пропусканием через нагретый до 100 °C раствор щелочи.

При кристаллизации сточные воды очищают путем выделения из нее загрязнений в виде кристаллов. Кристаллизация обычно происходит в естественных прудах и водоемах выпариванием, так как процесс возможен при повышенной концентрации загрязнений.

Ионный обмен — это процесс обмена между ионами, находящимися в сточной жидкости (водном растворе), и ионитами, присутствующими на поверхности твердой фазы — ионита. Очистка сточных вод данным методом позволяет извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, хром, цинк, свинец, медь, ртуть и др.). По знаку заряда иониты делятся на катиониты и аниониты, которые проявляют либо кислотные, либо основные свойства.

При электродиализе происходит процесс сепарации ионов солей, осуществляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока. Применяют для опреснения высокоминерализованных сточных вод. Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми мембранами. Мембраны образуют концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилюатные) камеры. Под воздействием постоянного тока катионы из раствора двигаются к катоду (-), проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми мембранами. Анионы из раствора двигаются в направлении анода (+), проходят через анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми.