Основные методы очистки сточных вод в производстве химических волокон. Аппаратурное оформление
Любой вид сточных вод (бытовые, промышленные, атмосферные) должен быть подвержен очистке до состояния, чтобы их состав не нарушал нормативов качества воды в водном объекте. Сточные воды очищают от примесей механическими, химическими, физико-химическими, биологическими и термическими методами. Все эти методы могут работать в режиме рекуперации деструкции. Первый режим предусматривает извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку ценных веществ. Второй – разрушение загрязняющих веществ путем окисления или обновления и последующее удаление этих продуктов из воды в виде газов или осадков.
Очищенную сточную воду перед выпуском в водоем подвергают дезинфекции для уничтожения болезнетворных микроорганизмов. Технология очистки сточных вод развивается в направлении интенсификации процессов биологической очистки, сочетания биологической очистки с физико-химической доочисткой, что дает глубоко очищенные сточные воды.
В результате механической очистки, которая может быть локальной или в составе общих сооружений, из сточной воды удаляются нерастворимые взвешенные и плавающие коллоидные загрязнения. Крупные загрязнения задерживаются решетками, минеральные (песок, шлак) мелкоячеистыми сетками, основная масса нерастворимых загрязнителей задерживается в отстойниках. Для удаления плавающих загрязнителей применяют жироловки, нефтеловушки, маслоотделители и др., а также флотаторы, в которых пузырьки воздуха поднимают флотируемые вещества на поверхность и удаляют их.
Химические методы очистки применяют для удаления из сточных вод растворимых примесей. Наиболее распространенные методы нейтрализации, осаждения и окисления.
Нейтрализация — это химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора с помощью кислот. Поскольку химическая природа отходов может быть различной, то для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить кислотные свойства раствора, а для другого вида отходов щелочные свойства.
Для выделения из сточных вод ценных или загрязняющих веществ используются реакции осаждения.
Любая реакция окисления — восстановления есть окисление одних компонентов и восстановление других. Наиболее распространенными окислителями являются: кислород, озон, хлор, перекись водорода; восстановителями хлорид, диоксид серы, сероводород. Окислительно-восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные.
Для успешного протекания реакции биохимического синтеза необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов. Основными из них являются N, S, К. Их содержание в сточных водах нормировано. При их нехватке в сточные воды вносят различные азотные, фосфорные, калийные удобрения. Эти элементы в достаточных количествах содержатся в бытовых стоках, поэтому при совместной очистке бытовых промышленных сточных вод добавлять биогенные вещества. Бактерии, входящие в состав активного ила, способны перерабатывать только те сточные воды, из которых сформировался этот ил, поэтому если в состав очищаемых промышленных стоков будут введены новые вещества, то потребуется время, чтобы бактерии, способные окислить именно эти вещества, размножились в достаточном количестве и смогли обеспечить наилучшую очистку. Иногда даже приходится завозить на вновь создаваемое предприятие активный ил с другого предприятия, где очищаются аналогичные по составу воды и где в активном иле наиболее распространены нужные виды бактерий.
К сожалению, не всякие сточные воды могут быть очищены биохимическими методами. Не все органические вещества разлагаются на станциях биохимической очистки. Так, практически не разрушаются бензин, мазут, красители и др.
После биологической очистки могут остаться органические вещества, плохо усваиваемые микробами. Лучший способ их удаления адсорбция активированным углем. Активированный уголь регенерируется при нагревании. Обычно сточные воды пропускают через колонки с активированным углем, где обеспечен контакт с ним в течение 20-40 мин. Метод имеет сравнительно простое аппаратурное оформление.
Адсорбция активированным углем эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков, жидких отходов перегонки нефти, фенолов, ксилола, ароматических углеводородов. Биогенные элементы азот и фосфор, вызывающие гибель водоемов, удаляют из сточных вод азот физико-химическим методом (ионным обменом) в сочетании с биологическим методом, а фосфор химическим осаждением с применением солей железа и алюминия или извести.
Биологическая очистка не может обеспечить обессоливания сточных вод. Вода питьевого качества должна содержать не более 1000 мг/л солей; из них хлоридов — 350 мг/л, сульфатов 500 мг/л.
Основные методы выделения солей из сточных и природных из соленых вод следующие:
1. Дистилляция (выпаривание) это хорошо освоенный и широко применяющийся метод. Мощность выпарных установок составляет 15-30 тыс. м3/сутки.
2. Вымораживание. При медленном охлаждении соленой воды из нее в первую очередь выделяются кристаллики льда, не содержащие солей. По сравнению с дистилляцией имеются определенные преимущества: энергетические, технологические, конструкционные.
3. Электродиализ. Современный прогрессивный метод деминерализации и концентрирования растворов. Он основан на направленном переносе ионов диссоциированных солей в поле постоянного тока через ионоселективную мембрану из естественного или синтетического материала. Этот метод является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления.
Обработка сточных вод – воздействие на них с целью обеспечения необходимых свойств и состава.
Очистка сточных вод - это обработка воды с целью разрушения или удаления из них определенных веществ.
Очистку и обработку сточных вод производят гидромеханическими, физико-химическими, химическими, электрохимическими, биологическими, термическими методами. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, их физико-химических свойств, концентрации веществ, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.
Классификация методов очистки сточных вод представлена на рис.
Гидромеханическая очистка: применяют для удаления из производственных сточных вод нерастворимых примесей. Основными процессами гидромеханической очистки являются:
- процеживание сточной жидкости на решетках и сетках для выделения крупных примесей и посторонних предметов;
- улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;
- отстаивание воды для удаления нерастворяющихся тонущих и плавающих органических и неорганических примесей, не задерживаемых решетками и песколовками;
- удаление твердых взвешенных частиц в гидроциклонах;
- фильтрование через различные фильтры для улавливания тонкодисперсных взвесей.
Тот или иной процесс механической очистки или их комбинацию применяют в зависимости от свойств примесей и необходимой степени их выделения.
Процеживание сточных вод осуществляется главным образом для защиты очистных сооружений от засорения и поломки движущихся частей оборудования. Для этого применяют решетки из металлических прутков с углом наклона к горизонту 60 - 75°. Решетки бывают подвижными и неподвижными. Наибольшее распространение получили неподвижные решетки. Скорость сточных вод между прутками принимается равной 0,8-1 м/с.
Для удаления более мелких взвешенных частиц используются сита, которые могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Барабанные сита представляют собой сетчатый барабан с отверстиями диаметром 0,5 - 1 см. При вращении барабана сточные воды процеживаются через отверстия и освобождаются от твердых примесей, которые смываются с сетки водой и отводятся в желоб.
Для очистки сточных вод от грубодисперсных примесей применяют отстаивание. Отделение примесей происходит под действием силы тяжести. Для проведения отстаивания чаще всего применяются песколовки, отстойники и осветлители.
Песколовки представляют собой резервуары, в которых сточные воды протекают с небольшой скоростью, обеспечивающей выпадение частиц тяжелых веществ, главным образом песка. Скорость протекания воды должна быть не более 0,3 м/с. При этом выделяется песок с размерами частиц 0,25 мм, который составляет 65 - 70 % от всего количества песка, содержащегося в сточных водах. Песколовки бывают горизонтальными и вертикальными. На рис. 1 показана горизонтальная песколовка, представляющая собой резервуар с прямоугольным или трапециевидным сечением.
Рис. 1. Принципиальная схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением воды:
1 - привод скребкового механизма; 2 - скребковый механизм; 3 - сточная вода; 4 - осевший песок; 5 - приемный бункер для песка; б - приемник грязевого насоса
Очищаемая сточная вода движется слева направо с определенной скоростью, а выпадающий песок подвигается скребковым механизмом 2 к приемному бункеру 5, откуда время от времени удаляется грязевым насосом через приемник. Для обеспечения бесперебойной работы песколовку делают из нескольких отдельных секций.
Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.
Отстойники применяются для выделения из сточных вод грубодисперсных примесей. Когда плотность примесей выше плотности воды, применяют собственно отстойники, если ниже – отстойники-ловушки. Продолжительность отстаивания зависит от содержания нерастворимых примесей, и составляет в среднем 1,5 - 2 ч, иногда до 8 ч.
Различают отстойники периодического и непрерывного действия. По направлению движения воды они делятся на горизонтальные, вертикальные и радиальные.
На рис. 2 показан горизонтальный отстойник, который представляет собой прямоугольный резервуар, имеющий два или более одновременно работающих отделения. Вода движется от одного конца отстойника к другому. Глубина отстойника Н = 1,5 - 4 м, длина (8-12) м, ширина 3 - 6 м. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод свыше 15 000 м3/сут. Эффективность отстаивания воды достигает 60 %.
Рис. 2. Схема горизонтального отстойника: 1 - входной лоток; 2 - отстойная камера; 3 - выходной лоток; 4 – приямок
Схема вертикального отстойника представлена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема вертикального отстойника
Очищаемая вода подается через центральную трубу 1 в отстойную часть 3, ударяется в отражатель 4, изменяет свое направление сначала на горизонтальное, а затем на вертикальное восходящее, при котором примеси оседают в иловый колодец 5. Осевший ил удаляют через илопровод 6. Осветленная вода переливается через круговой водослив 2 и затем в сборный лоток. Преимуществом вертикального отстойника является простота удаления осадка, недостатком – большая глубина, затрудняющая их строительство особенно в плотных грунтах. Эффективность осаждения в вертикальных отстойниках на 10-20 % ниже, чем в горизонтальных.
В настоящее время большое распространение получили радиальные отстойники, схема которых показана на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема радиального отстойника:
1 - железобетонный бассейн; 2 - круговой водослив; 3 - центральная распределительная труба; 4 - приводной механизм; 5 - площадка для обслуживающего персонала; б - ферма; 7 - скребки; 8 - труба илососа; 9 – приямок
Радиальный отстойник представляет собой круглый бассейн из железобетона диаметром 50 м. Очищаемая от загрязнений вода подается через центральную распределительную трубу 3 и движется от центра к периферии с постоянно уменьшающейся скоростью, при этом скорость осаждения осадка остается постоянной во все время осаждения. Осветленная вода попадает в круговой водослив 2 у краев бассейна и оттуда по лотку подается к месту назначения. Выпавший осадок с помощью скребков 7, закрепленных на металлических фермах 6, сдвигается к центрально расположенному приямку 9. Если диаметр отстойника превышает 24 м, то ферма опирается концами на тележки, движущиеся по круговому рельсу, уложенному на борту отстойника. Такие отстойники применяются для очистки больших количеств сточных вод - свыше 20 000 м/сут. Одним из недостатков радиальных отстойников является наличие ферм со скребками, работающих под водой и недоступных для постоянного надзора.
Для повышения скорости отстаивания примесей можно увеличить площадь отстаивания и тогда проводить процесс осаждения в тонком слое жидкости. При этом используются трубчатые и пластинчатые отстойники. Схема трубчатого отстойника приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема трубчатого отстойника
Рабочими элементами в отстойниках являются пакеты трубок диаметром 25 - 50 мм или ряды параллельно установленных пластин. Для успешного проведения отстаивания необходимо равномерное распределение воды по рабочим элементам и ламинарный режим ее движения. Эти отстойники могут использоваться для осветления сточных вод с небольшим содержанием взвешенных веществ при расходах 100 - 10 000 м3/сут. Они достаточно компактны и хорошо вписываются в технологические схемы очистки сточных вод. Эффективность очистки в таких отстойниках 80 - 85 %.
Нефтепродукты, масла, смолы и другие вещества, обладающие меньшей плотностью, чем вода, удаляются из сточных вод в ловушках, маслоуловителях, смолоотстойниках. Схема нефтеловушки показана на рис. 6.
Рис. 6. Принципиальная схема нефтеловушки:
1 - вход сточных вод; 2 - устройство для удаления осадка; 3 - слой нефтепродуктов на поверхности воды; 4 - нефтесборная труба; 5 - нефтеудерживающая перегородка; 6 - слив очищенной воды; 7 - скребковый механизм; 8 - приямок для осадка
Нефтеловушка представляет собой прямоугольный железобетонный отстойник, разделенный на несколько секций, работающих независимо друг от друга. Загрязненная вода через строго горизонтальный водослив поступает в отстойную камеру ловушки. Вследствие разности плотностей воды, нефтепродуктов и оставшихся в сточной воде твердых механических примесей происходит их разделение: нефтепродукты всплывают на поверхность, примеси оседают на дно, вода стекает из ловушки. Скопившиеся на поверхности воды нефтепродукты улавливаются поворачивающейся горизонтально нефтесборной трубой с продольной щелью. В ловушках предусмотрен такой же, как в песколовках, скребковый механизм с деревянными лопатками, передвигающими осадок к приямку, а нефтепродукты - к нефтесбросной трубе.
Скорость всплывания частиц нефти зависит от многих факторов, она увеличивается с укрупнением нефтяных частиц и замедляется при образовании эмульсии. Обычно в нефтеловушках задерживается 60 - 70 % содержащейся в сточных водах нефти. Эффективность работы ловушек зависит в большей степени от качества их обслуживания.
В ряде случаев в промышленности сохранились пруды-осветлители для доочистки путем отстаивания сточной и оборотной воды. Они представляют собой водоем, в котором вода протекает с очень малой скоростью. Отстоявшуюся нефть удаляют с помощью шарнирных труб или другими способами. Большую сложность в данном случае представляет очистка прудов от осадков. В новые проекты очистных сооружений пруды-отстойники не включаются.
Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводится в гидроциклонах и центрифугах. Для очистки сточных вод, как правило, используют напорные и открытые гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, а открытые - для удаления осаждающихся и всплывающих. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность и небольшую стоимость.
Схема напорного гидроциклона показана на рис. 7.
Рис.7. Принципиальная схема напорного гидроциклона
Очищаемая вода подается по патрубку 2 в цилиндрическую часть гидроциклона 1 со скоростью 20 м/с и движется вдоль стенок по спирали вниз; в конической части циклона она поворачивается к вертикальной оси аппарата и по внутренней спирали поднимается вверх к выходному патрубку 4. Под действием центробежной силы взвешенные в жидкости частицы выпадают и через спуск для шлама 3 удаляются из системы. Для увеличения пропускной способности устанавливают группу из параллельно включенных гидроциклонов, а для увеличения степени очистки группу последовательно включенных аппаратов. Гидроциклоны могут использоваться также для уплотнения шлама путем удаления из него части воды. Эффективность очистки гидроциклонами составляет около 70 %.
Недостатком напорных циклонов является значительный расход электроэнергии для создания необходимого напора и быстрое изнашивание аппаратов.
Фильтры применяют для очистки сточных вод от мелкодисперсных примесей, которые не улавливаются другими методами гидромеханической очистки. Фильтры можно применять либо как самостоятельные очистные сооружения, либо как вторую ступень очистки после отстойников, ловушек, гидроциклонов. Процесс фильтрования заключается в том, что сточная вода проходит через пористую среду, находящуюся в фильтрах, при этом взвешенные вещества задерживаются на поверхности и в толще фильтрующего материала. Выбор фильтрующего материала чаще всего зависит от свойств сточной воды, температуры, давления, создаваемого фильтруемой водой, и конструкции фильтра. В качестве таких материалов чаще всего применяют кварцевый песок с зерном диаметром 0,5 - 2,00 мм. Используются также металлические перфорированные листы и сетки из кислотостойкой стали, разнообразные тканевые и керамические перегородки.
Широко используются безнапорные открытые фильтры, в которых фильтрующим материалом служит кварцевый песок. Высота слоя песка обычно 0,5 - 1,0 м. Схема устройства такого фильтра показана на рис. 8.
Рис. 8. Принципиальная схема безнапорного открытого фильтра
Очищаемая вода вводится в фильтр по лотку 1 на фильтрующий материал 4, расположенный на дренажном основании 8 с отверстиями для прохода воды. Проходя через фильтрующий слой, вода очищается, поступает в подфильтровое пространство 7 и удаляется из фильтра по трубе 6. В процессе работы уровень очищаемой воды поддерживается постоянным. При правильной эксплуатации фильтра концентрация нефтепродуктов в очищенной воде не превышает 10-15 мг/л.
К физико-химическим методам очистки сточных вод относят флотацию, адсорбцию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, выпаривание, дистилляцию, обратный осмос и ультрафильтрацию, кристаллизацию, десорбцию и др. 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, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также 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.
Принципиальная схема напорной флотации показана на рис. 9.
Рис. 9. Принципиальная схема напорной флотации
Сточная вода поступает в приемный резервуар 1, откуда перекачивается насосом 2 в напорный бак 3. Во всасывающий трубопровод перед баком 3 засасывается воздух. При повышенном давлении (0,15 - 0,4 МПа) воздух растворяется в воде. При поступлении водно-воздушной смеси во флотатор 4, работающий при атмосферном давлении, воздух выделяется из воды в виде высокодиспергированных пузырьков, к которым прилипают взвешенные частички примесей, образуя на поверхности воды пену. Пена с твердыми частицами удаляется с поверхности воды скребковым механизмом. Осветленная вода отводится из нижней части флотатора. При использовании коагулянтов процесс флотации интенсифицируется за счет образования хлопьев в напорном баке 3.
Схема действия самого флотоотстойника показана на рис. 10.
Рис 10. Принципиальная схема флотоотстойника
Смесь сточной воды и воздуха поступает в приемную камеру 2 через распределительную трубу и переливается через струегасящую перегородку 3 в отстойную часть флотоотстойника. Выделяющиеся из воды вследствие снижения давления пузырьки воздуха всплывают, увлекая за собой загрязнения и образуя на поверхности воды пену. Скребковый механизм 4 сгоняет пену через перегородку 5 в пенную камеру 6, из которой ее отводят вместе с загрязнениями по трубопроводу 7, осветленную воду - через перфорированную трубу 8.
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. Все это способствует успешному проведению последующих стадий очистки.
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.
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. Чаще всего такие очистные установки предназначаются для деструктивной очистки, когда использованный адсорбент не регенерируют, а уничтожают вместе с загрязнителями. 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 его состояния в растворе 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. Схема установки периодического действия показана на рис. 11.
Рис. 11. Принципиальная схема ионообменной установки периодического действия: 1 - фильтр; 2 - дренажная система; 3 - слой ионита; 4,5,6- распределители; 7 - бак с регенерирующим раствором; 8 – насос
В аппаратах непрерывного действия ионообменная смола движется по замкнутому контуру, последовательно проходя стадии ионного обмена, регенерации и отмывки. Схема колонны с движущимся слоем ионита показана на рис. 12.
Рис. 12. Принципиальная схема ионообменной установки с движущимся слоем смолы: 1 - разделительная зона; 2 - корпус; 3 - смола; 4 - эрлифт
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. 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. Регенерированный экстрагент снова направляется в процесс экстракции. Основная задача при экстракции заключается в том, чтобы подобрать соответствующий экстрагент для конкретного вещества, загрязняющего сточную воду.
Требования к экстрагенту:
- иметь большую способность к растворению экстрагируемого вещества, чем вода;
- обладать селективностью к экстрагируемому веществу, т. е. извлекать из разнообразных находящихся в сточной воде веществ именно те, которые необходимы;
- не растворяться в воде (в то же время и вода не должна в нем растворяться);
- заметно отличаться своей плотностью от плотности воды (для облегчения выделения экстрагента из воды);
- иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества;
- не взаимодействовать с экстрагируемым веществом и материалом аппарата;
- иметь возможно меньшие показатели по взрыво- и пожароопасности и токсичности; быть доступным и дешевым.
Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной Схема непрерывной экстракции в противоточной колонне с регенерацией экстрагента показана на рис. 13.
Рис. 13. Схема непрерывной противоточной экстракции с регенерацией экстрагента: 1 - система для удаления экстрагента из рафината; 2 - колонна; 3 - система для удаления экстрагента из экстракта
Экстракция проводится в аппаратах разной конструкции: распылительных, насадочных, тарельчатых колоннах, а также в центробежных экстракторах.
Обратный осмос и ультрафилътрация заключаются 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 диффундирует в газовую фазу. На рис. 14 показана схема установки для отдувки сероуглерода из сточных вод.
Рис. 14. Принципиальная схема установки для отдувки сероуглерода из сточных вод:
1 - скруббер; 2 - ввод сточных вод; 3 - адсорбер; 4 - холодильник; 5 - отстойник для отделения сероуглерода от воды; 6 - ввод пара для регенерации активированного угля; 7- вывод топочных газов; в - ввод нагретых топочных сероуглеродсодержащих газов;' 9 - вывод очищенной воды
В скруббер 1 подают нагретые топочные газы через ввод 8, которые проходят сквозь сточную воду и захватывают из нее легкокипящий сероуглерод. Затем они поступают в адсорбер 3 с активированным углем, который пропускает газы, но задерживает сероуглерод. Активированный уголь периодически регенерируют паром; смесь паров воды и сероуглерода конденсируется в холодильнике 4, сероуглерод отделяется от воды в отстойнике 5 и направляется для дальнейшего использования.
Для проведения процесса десорбции летучих вредных веществ могут использоваться насадочные, тарельчатые и распылительные колонны. Извлеченные вещества могут направляться на утилизацию, а в случае сложности их состава - на каталитическое окисление.
Дезодорация применяется для удаления из сточных вод неприятнопахнущих веществ: меркаптанов, аминов, аммиака, сероводорода и др.
Наиболее доступным считается метод аэрации, который заключается в продувании воздуха или острого водяного пара через очищаемую сточную воду. Промышленное значение имеет и хлорирование неприятнопахнущих сточных вод. При этом происходит окисление хлором серосодержащих и других соединений.
Высокая степень дезодорации достигается при использовании жидкофазного окисления сернистых соединений кислородом воздуха под давлением. В настоящее время для дезодорации сточных вод широко используются процессы озонирования и адсорбции. Эффект дезодорации усиливается при одновременном озонировании, хлорировании и фильтрации воды через слой активированного угля. Дезодорация осуществляется в массообменных аппаратах различной конструкции. Эффективность дезодорации при правильной организации процесса может достигать 90 -100%.
Химические методы очистки сточных вод основаны на проведении химических реакций с использованием реагентов и на получении из загрязняющих примесей безвредных или менее вредных новых веществ, которые легче удалить, чем исходные. Методы химической очистки обычно сочетаются с механической или физико-химической очисткой, так как после окончания реакции необходимо выделить из сточных вод образовавшиеся вещества.
К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, коагуляцию, флокулирование, окисление и восстановление.
Нейтрализации подвергаются сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи. За регулируемый параметр нейтрализации стока принимают рН воды после очистки: этот показатель установлен регламентом в пределах 6,5 - 8,5. Для нейтрализации щелочных вод используются кислоты, а кислых - щелочи. Нейтрализацию можно проводить смешением кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, адсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. Смешение производится в резервуаре с мешалкой или же при помощи воздуха. При переменной концентрации сточных вод в схеме предусматривается резервуар-усреднитель или осуществляется автоматическое регулирование подачи воды в камеру смешения.
Процессы нейтрализации можно осуществлять в реакторах с мешалкой, в распылительных, пленочных и тарельчатых колоннах.
Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. Ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция происходит под влиянием добавляемых к сточным водам специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты образуют в воде хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью сорбировать вещества, взаимно слипаться с коллоидными и взвешенными частицами, агрегировать их. При выборе коагулянта учитывают состав сточных вод, его физико-химические свойства, стоимость и другие факторы.
Флокуляция - это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от предыдущего метода при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия макромолекул флокулянта, адсорбированного на частицах взвешенных веществ.
Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, продолжительность процесса, повысить скорость осаждения образующихся хлопьев, увеличить плотность осадка.
Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным относятся крахмал, декстрин, эфиры целлюлозы и др., к синтетическим - полиакриламид, активная кремнекислота и др.
Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: дозирование реагентов и их смешение со сточной водой в гидравлических или механических смесителях; хлопьеобразование в специальных камерах в течение 10-30 мин; осаждение хлопьев в отстойниках и осветлителях. Часто стадии смешения, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате. Одна из конструкций такого аппарата показана на рис. 14.
Окисление и восстановление вредных примесей, присутствующих в сточных водах, являются деструктивными методами. Они используются для перевода опасных в экологическом отношении веществ в безвредное или менее вредное состояние.
Для обработки сточных вод используются такие окислители, как газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорная известь, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, перекись водорода, кислород воздуха, озон, пиролюзит и др.
Наиболее распространенными окислителями являются хлор и вещества, содержащие активный хлор. Они используются для удаления сероводорода, метилсернистых соединений, фенолов, цианидов и др. Особенно следует подчеркнуть, что хлорирование может быть использовано для разрушения канцерогенных веществ.
Озонирование, т.е. применение озона для глубокой обработки сточных вод, обусловливается его высокой реакционной способностью и сильным окислительным действием. Озон можно получить из кислорода воздуха при электрических разрядах, производимых в специальных генераторах-озонаторах, устанавливаемых непосредственно у места обработки сточных вод. Озонирование не приводит к увеличению солевого состава очищенной воды, не загрязняет воду продуктами реакции и реагентами. В процессе обработки в сточную воду подают озоно-воздушную смесь, диспергированную на мельчайшие пузырьки пропусканием через перфорированные трубки или фильтросные пористые пластины.
Озонирование имеет обширное поле применения: им можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, ПАВ, канцерогенных веществ, тетраэтилсвинца и других загрязняющих веществ. Однако озонирование в Республике Беларусь не получило широкого применения из-за высокой стоимости озона и дефицита его генераторов.
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.