Основные технологические схемы физико-химической очистки сточных вод и применяемое оборудование

К физико-химическим методам очист­ки сточных вод относят флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстрак­цию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ульт­рафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и ряд электрохимических процессов. Эти методы используют для удаления из сточных вод мелкодисперсных взвешенных частиц, рас­творенных газов, минеральных и органических веществ.

Выбор того или иного метода очистки проводят с учетом санитарных и технологических требований, с учетом объема сточных вод и концентрации загрязнений в них, необходимых материаль­ных и энергетических ресурсов, экономичности процесса.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаива­ются. В некоторых случаях флотацию используют и для удаления раство­ренных веществ, например ПАВ. При этом процессе в очищаемую жид­кость подают воздух, мелкие пузырьки которого всплывают на поверх­ность воды, увлекая за собой частички загрязнителя, и образуют пенооб­разный слой, насыщенный флотируемым веществом. Флотация в десятки раз повышает скорость всплывания частиц, и поэтому ее применение весьма эффективно.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод: с выделением воздуха из растворов; с механическим диспергированием воздуха; с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотацию и химическую флотацию.

В свою очередь флотация с выделением воздуха из растворов в зави­симости от способа создания пересыщенного раствора воздуха в воде бы­вает вакуумная, напорная, эрлифтная. Наибольшее распространение по­лучила напорная флотация. Она позволяет очищать сточные воды с кон­центрацией взвесей 4,0 - 5,0 г/л. Для увеличения степени очистки в воду добавляют коагулянты.

Достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные за­траты, простота аппаратурного оформления, селективность выделения примесей, высокая степень очистки (95 - 98 %), возможность рекупера­ции удаляемых веществ. Флотация сопровождается аэрацией сточных вод, снижением концентрации ПАВ, легкоокисляемых веществ и микроорга­низмов.

Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксич­ными. Адсорбцию используют для очистки сточных вод от гербицидов, пестицидов, фенолов, ароматических и нитросоединений, ПАВ, красите­лей и др.

Адсорбционная очистка может быть регенеративной, т. е. с извлечени­ем из адсорбента уловленных им веществ и дальнейшим их использова­нием, или деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод за­грязнения уничтожаются, как не имеющие технической ценности, иногда вместе с адсорбентом. В качестве сорбентов используют активные угли, синтетические вещества и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки, бурый уголь, торф, коксовую мелочь).

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут в специальных аппаратах-адсорберах при интенсивном перемешивании адсорбента с во­дой, при фильтровании воды через слой адсорбента или в псевдоожиженном слое адсорбента.

Наиболее простой конструкцией адсорбера является колонна, загру­женная неподвижным слоем адсорбента. Очищаемую воду обычно пода­ют снизу вверх, так как в этом случае она лучше заполняет объем колон­ны. Как правило, на блоке периодической адсорбционной очистки воды устанавливаются три адсорбционные колонны: через две последовательно пропускают очищаемую воду, третья находится на регенерации. Этот вид адсорберов периодического действия используют в тех случаях, когда вы­деленные ценные продукты утилизируются.

Другим видом адсорберов непрерывного действия является установка с движущимся адсорбентом. В ней сточная вода смешивается с адсорбен­том, причем процесс очистки организован так, что насыщенный адсор­бент отводят из системы, а взамен его вводят такое же количество свеже­го, поэтому процесс идет непрерывно без остановок на регенерацию. Установки с псевдоожиженным слоем целе­сообразно применять при высоком содержании взвешенных веществ в сточной воде.

Достоинством адсорбционного метода является высокая эффектив­ность; возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ и регенерация адсорбированных примесей. Степень очистки сточных вод зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения адсорбируемого вещества и достигает 80 - 95 %.

Ионообменная очистка применяется для извлечения.из сточных вод металлов, а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений, радиоактивных и многих других веществ. Метод позволяет рекупериро­вать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко распространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Процесс основан на взаимодействии раствора с твердой фазой, обла­дающей свойствами обменивать содержащиеся в ней подвижные ионы на ионы, присутствующие в растворе. Твердая фаза состоит из ионитов, ко­торые практически не растворимы в воде. Иониты бывают органически­ми и неорганическими. К неорганическим относятся цеолиты, глинистые материалы, полевые шпаты и др. К органическим природным ионитам от­носятся гуминовые кислоты почв и углей, к органическим искусственным -ионообменные смолы (катиониты и аниониты) с развитой поверхностью.

Чаще используют синтетические ионообменные смолы разных марок. Очистку ведут в аппаратах периодического и непрерывного действия. Аппара­ты периодического действия загружают слоем ионообменной смолы высотой 1,5 - 2,5 м. Процесс очистки состоит из чередующихся между собой стадий ионного обмена, регенерации и отмывки от регенерирующего реагента.

В аппаратах непрерывного действия ионообменная смола движется по замкнутому контуру, последовательно проходя стадии ионного обмена, регенерации и отмывки.

Непрерывный ионообменный процесс дает возможность уменьшить расход ионита, реагентов для регенерации, промывной воды, использо­вать более компактное оборудование по сравнению с периодическим ионообменом.

Жидкостная экстракция применяется для очистки сточных вод, со­держащих фенолы, масла, органические кислоты, ионы металлов и др. Экстракция экономически выгодна лишь тогда, когда стоимость извле­каемых веществ компенсирует все затраты на проведение процесса. В большинстве случаев экстракция оправдана при концентрации примесей 3,0 - 4,0 г/л.

Сущность экстракции заключается в том, что сточную воду смешивают с экстрагентом, т. е. с такой жидкостью, в которой загряз­няющее стоки вещество растворяется лучше, чем вода, а сам экстрагент не смешивается с водой. При проведении процесса экстракции образуют­ся две фазы. Одна фаза - экстракт - содержит извлекаемое вещество и экстрагент; другая - рафинат - сточную воду и экстрагент. Затем экстракт и рафинат отделяют друг от друга, и осуществляется регенерация экстрагента от экстракта и рафината.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции. Экстракция проводится в аппаратах разной конструкции: распыли­тельных, насадочных, тарельчатых колоннах, а также в центробежных экстракторах.

Обратный осмос и ультрафильтрациязаключаются в фильтровании очищаемых сточных вод через полупроницаемые мембраны под давлени­ем, превышающим осмотическое. Мембраны частично или полностью за­держивают молекулы или ионы растворенного вещества. При обратном осмосе отделяются молекулы или гидратированные ионы, размеры кото­рых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтра­ции размер отдельных частиц на порядок больше, но максимальные их размеры не превышают 0,5 мкм. Давление, необходимое для проведения процесса обратного осмоса (6-10 МПа), значительно больше, чем для процесса ультрафильтрации (0,1 - 0,5 МПа).

Эффективность данного процесса зависит от свойств применяемых мембран. Они должны обладать высокой разделяющей способностью (се­лективностью), большой удельной производительностью (проницаемо­стью), устойчивостью к действию среды, достаточной механической прочностью, невысокой стоимостью. Для проведения процесса мембран­ного разделения применяют непористые динамические и диффузные мем­браны, а также пористые мембраны в виде тонких пленок, изготовленные из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили по­лимерные мембраны из ацетатцеллюлозы.

Преимуществами мембранного разделения являются: сравнительная простота аппаратуры: возможность работы при обычной температуре; очистка воды от неорганических, органических и бактериальных загрязнений; незначительная зависимость степени очистки от концентрации за­грязнений; возможность утилизации ценных продуктов. Недостатками яв­ляются высокая стоимость мембран и их быстрое изнашивание.

Десорбция летучих примесей состоит в том, что сточные воды, загряз­ненные летучими примесями (сероводород, диоксид серы, сероуглерод, аммиак, диоксид углерода и др.), очищаются при пропускании воздуха или другого инертного малорастворимого в воде газа через сточную воду. При этом летучий компонент дифундирует в газовую фазу. Для проведения процесса десорбции летучих вредных веществ могут использоваться насадочные, тарельчатые и распылительные колонны.

Дезодорация применяется для удаления из сточных вод неприятнопахнущих веществ: меркаптанов, аминов, аммиака, сероводорода и др.

Для дезодорации сточных вод используются различные способы: аэра­ция, хлорирование, ректификация, дистилляция, обработка дымовыми га­зами, окисление кислородом под давлением, озонирование, экстракция, адсорбция и микробиологическое окисление. При выборе метода необхо­димо учитывать его эффективность и экономическую целесообразность. Наиболее доступным считается метод аэрации, который заключается в продувании воздуха или острого водяного пара через очищаемую сточ­ную воду. Дезодорация осуществляется в массообменных аппаратах различной конструкции. Эффективность дезо­дорации при правильной организации процесса может достигать 90 -100%.

Физико-химическая очистка городских сточных вод применяется для очистки расходов- 10-20 тыс. м³/сут.

1 - сточная вода; 2 - решетки; 3 - песколовки;

4 - смеситель; 5 - камера хлопьеобразования;

6 - горизонтальные отстойники;7 - барабанные сетки; 8 - фильтры; 9 - контактный резервуар;

10 - выпуск в водоем; 11 - песок; 12 - бункер песка; 13 - приготовление и дозирование реагентов;

14 - осадок; 15 - осадкоуплотнители;16 - центрифуги; 17 - хлораторная;18 - шлам; 19 - отстоянная вода

Рисунок - Технологическая схема физико-химической очисткой сточных вод:

Вода, прошедшая решетки и песколовки, направляется в смеситель, куда в определенных дозах подаются растворы реагентов - минеральных коагулянтов и органических флокулянтов. При введении в сточную воду минеральных коагулянтов образуются оксигидраты металлов, на которых собираются взвешенные, коллоидные и частично растворенные вещества. Флокулянты укрупняют хлопья оксигидратов и улучшают их структурно-механические свойства. После камер хлопьеобразования осадки отделяются от очищенной воды в горизонтальных отстойниках. Для глубокой очистки от взвешенных веществ используются барабанные сетки и двухслойные фильтры или фильтры с восходящим потоком воды. Обеззараженная хло­ром вода сбрасывается в водоем. Осадок из отстойников уплотняется и обезвоживается на центрифугах.