Тема 9. Споруди для фізико-хімічної очистки стічних вод

1. Фізико-хімічні способи очистки виробничих стічних вод

До фізико-хімічних способів очищення стічних вод відносяться: екстракція, сорбція, евапорація, кристалізація, флотація, іонний обмін, діаліз, дезактивація, дезодорація, знесолення.

Екстракція — виділення розчинених органічних домішок зі стічних вод шляхом їхньої обробки не змішується з водою розчинником-екстрагентом.

Сорбція — витяг зі стічної води розчинених органічних речовин і газів шляхом концентрації їх на поверхні твердого тіла, поглинання з розчину твердими тілами або рідинами або шляхом хімічної взаємодії розчинених речовин із твердим тілом.

Кристалізація — виділення забруднень зі стоків у виді кристалів.

Флотація — виділення зі стічних вод домішок шляхом уведення флотореагента, який обволікає часточки домішок і видаляє з води разом з ними.

Іонний обмін — витяг зі стічних вод забруднень за допомогою іонітів.

Діаліз — поділ розчинених речовин і колоїдів за допомогою мілкопористих перегородок, що не пропускають колоїди.

Дезактивація — видалення зі стічних вод радіоактивних речовин.

Дезодорація - усунення запахів шляхом аерування, хлорування й озонування.

Знесолення — виділення зі стічних вод солей шляхом випарювання, виморожуваняя, іонного обміну і зворотного осмосу.

Усі перераховані методи очищення стічних вод, як правило, передбачають витяг з них корисних речовин. Ці методи називаються регенеративними. Їх найчастіше застосовують для обробки концентрованих стічних вод. Прибуток від реалізації регенерованих речовин дозволяє частково або цілком компенсувати витрати на очищення стічних вод.

2. Екстракція, сорбція і евапорація

Екстракція. Сутність экстракційного методу очищення виробничих стічних вод полягає в наступному. При змішуванні взаємонерозчинних рідин забруднюючі речовини, що утримуються в них, розподіляються відповідно своїй розчинності за законом розподілу: К = СЭ/СВ

де К — коефіцієнт розподілу, який для речовини, що розчиняється, є цілком визначеною величиною; Сэ і СВ — концентрація речовин у розчиннику (екстрагенті) і воді.

Метод екстракції економічно вигідний в тому випадку, якщо речовини, що витягаються, містяться в значній концентрації або мають високу товарну вартість. Екстракція може здійснюватися в одну або кілька ступіней.

Якщо в стічній воді утримується фенол, то для його виділення воду можна змішати з бензолом (розчинником), у якому фенол розчиняється в значно більшому ступені. Таким чином, послідовно діючи бензолом на воду, можна домогтися майже повного видалення фенолу з води. Як розчинники звичайно застосовують різні органічні речовини — бензол, чотирьоххлористий вуглець і ін.

Схема безперервної екстракції представлена на мал. 12.1. Екстракцію проводять у металевих резервуарах-екстракторах, що мають форму колон з насадками. Знизу подаеться розчинник, питома вага якого менше питомої ваги води, унаслідок чого розчинник піднімається нагору. Забруднена стічна вода підводиться зверху. Шари води, зустрічаючи на своєму шляху розчинник, поступово віддають забруднюючі речовини. Очищена від забруднень вода відводиться знизу. Таким способом, зокрема, можна очищати виробничі стічні води, що містять фенол.

Частіше застосовують багатоступінчасту противоточну екстракцію. Стічні води і екстрагент надходять на установку з протилежних сторін. Екстракт (розчин витягнутих речовин в екстракторі) відаляється з першої ступіні, а очищені стічні води (рафінат) з останньої ступіні. Прикладом такої очистки може бути витяг нітропродуктів зі стічних вод бензолом.

Сорбція. Цей процес полягає в тому, що забруднення зі стічної рідини або поглинаються тілом твердої речовини (абсорбція), осаджуються на його активно розвиненій поверхні (адсорбція), або вступають у хімічну взаємодію з ним (хемосорбція). Для очищення виробничих стічних вод найчастіше використовують адсорбцію. Для цього до очищуємої стічної рідини додають сорбент (тверде тіло) у роздрібненому виді і перемішують зі стічною водою. Потім сорбент, насичений забрудненнями, відокремлюють від води відстоюванням або фільтруванням. Воду, що частіше очищається, пропускають безупинно через фільтр, завантажений сорбентом.

Як сорбенти застосовують: активне вугілля, коксовий дріб'язок, торф, каолін, деревну стружку, золу й ін. Краща, але найбільш дорога речовина — активне вугілля. Для відновлення сорбційної ємності активне вугілля піддається регенерації хімічними розчинниками, парою або термообробці. Досить важливим є те, що сорбенти здатні витягати з води органічні сполуки, які не вилучаються звичайно іншими, наприклад біологічними методами.

Сорбція може відбуватися в статичних або динамічних умовах. Сорбція в статичних умовах відбувається при інтенсивному перемішуванні води із сорбентом, після чого сорбент відокремлюється від води відстоюванням або фільтруванням. Сорбція в динамічних умовах звичайно здійснюється шляхом фільтрування стічних вод через завантаження сорбенту. Вона більш технологічна й економічна, чим сорбція в статичних умовах.

Евапорація — відгін з водяною парою летких речовин, що забруднюють стічну воду. Відганяють або в періодично діючому апараті, або в безупинно діючих дистиляційних колонах.

Схема евапораційної установки для видалення зі стічної води летких фенолів показана на мал. 12.3. Очищення відбувається в пароциркуляційних колонах дефеноляції. Верхня частина колони є відпарною, а нижня — поглинальною. Стічна вода через пристрій, що зрошує, подається у верхню частину колони і стікає вниз по насадці назустріч парі. Відбувається відгін фенолів. Очищена вода видаляється, а суміш водяних парів і фенолу (паровідгінна суміш) забирається вентилятором і подається в нижню частину колони. На середині висоти відбувається зрошення насадки гарячим розчином лугу, що поглинає з пари феноли. Розчин, що відробив, утримуючі феноляти, збирається і відводиться на переробку. Пари, що нескондесувалися, через стояк надходять у верхню частину колони.

Перевага евапораційної очистки стічних вод у порівнянні з іншими методами регенеративного очищення полягає в тому, що в стічні води не вводяться додаткові забруднення у виді реагентів, що залишаються у воді. Метод евапорації досить простий і зручний для наступного біологічного доочищення обесфеноленої стічної води.

Кристалізація. Цей метод можна використовувати для очищення виробничих стічних вод зі значною концентрацією забруднень, що володіють здатністю утворювати кристали. Звичайно проводять попередній процес — випарювання стічної води, щоб створити підвищену концентрацію забруднень, при якій можлива їхня кристалізація. Для прискорення процесу кристалізації забруднень стічна вода охолоджується і перемішується. Випарювання і кристалізація стічної води здійснюються звичайно в природних ставках і водоймах. Цей спосіб очищення виробничих стічних вод неекономічний, тому широкого застосування не одержав.

Застосовуються наступні типи кристаллизаторов: періодичної дії з природним охолодженням за рахунок випару води, періодичної дії з перемішуванням і штучним охолодженням, безперервної дії, випарні з підігрівом, вакуумні.

Вакуум-кристалізаційні установки одержали широке поширення в чорній і кольоровій металургії для виділення солей металів. Процес проводять при вакуумі, при якому травильний розчин вуглецевих сталей у сірчаній кислоті закипає і випаровується, знижується температура розчину і підвищується концентрація залізного купоросу. Вакуум створюється за допомогою пароструменевих насосів-ежекторів. Найбільш поширені багатоступінчасті установки безперервної дії. Найбільше розрідження створюється в останній (четвертій) ступіні. Гарячий розчин перетікає з однієї ступіні в іншу, поступово охолоджуючись до 100С. Пульпа (суміш кристалів з матковим розчином) виводиться з четвертої ступіні і подається на центрифуги.

Флотація використовується для видалення зі стічних вод нафтопродуктів, жирів, поверхнево-активних і інших речовин. Процес заснований на вспливанні дисперсних часток разом з пухирцями повітря. Його успішно застосовують для очищення виробничих стічних вод. Процес флотації полягає в тому, що молекули нерозчинених часток прилипають до пухирців повітря і спливають разом з ними на поверхню води.

В залежності від характеру насичення води повітрям розрізняють напірну (компресорну), барботажну (пінну), електричну, вакуумну, біологічну і хімічну флотацію. Найбільше поширення одержала напірна (компресійна) флотація. Пінну (барботажну) флотацію застосовують для видалення поверхнево-активних речовин.

Для підвищення ефекту флотації у воду вводять реагенти, що обумовлено фізико-хімічними властивостями флотируємих часток і змочуваністю їх поверхні. Як реагенти при флотаційній очистці при необхідності застосовують солі заліза й алюмінію і флокулянти ПЕІ (поліетяленімін), ПАА (поліакриламід). Для підвищення ефекту флотації іноді проводять корегування рН стічних вод їдким натром, лугом або кислотою.

Стічна рідина насичується повітрям такими способами: подачею повітря в усмоктувальну трубу насоса; шляхом виділення пухирців повітря з розчину зі зміною тиску; подачею повітря за допомогою пористих та імпеллерних машин. Повітря подають в усмоктувальну трубу насоса від компресора або за допомогою ежекції. Водоповітряну суміш направляють у відкритий резервуар (мал. 12.4, а), де пухирці повітря, спливаючи, флотирують тверді частки. На поверхні води утвориться піна, насичена твердими частками, що безупинно видаляється.

Перенасичення води повітрям створюється також у результаті витримування суміші води і повітря під тиском або під глибоким вакуумом. Потім суміш стічної рідини та повітря (мал. 12.4,6) подається в резервуар, де відбувається флотація.

Дисперговане повітря фільтросними пластинами застосовують при обробці великих мас води. При цьому виходять пухирці повітря крупністю 2—20 мм. Для створення пухирців меншої крупности використовують пластини з дрібними порами. Якщо стічні води містять поверхнево-активні речовини, то поверхневий натяг на границі поділу фаз зменшується, а умови флотації поліпшуються. У імпеллерних машинах при швидкому обертанні турбинки за лопатями створюється знижений тиск, повітря засмоктується з атмосфери і диспергується в рідині.

Широке поширення одержав метод пінної флотації, заснований на здатності часток водних дисперсій прилипати до пухирців газу і виноситися з ними в шар піни. Для проведення процесу пінної флотації в стічній воді повинні утримуватися поверхнево-активні речовини, що володіють достатньою піноутворюючою здатністю. Ефект флотації залежить від рН-середовища, температури стічних вод, інтенсивності подачі повітря й інших факторів. Тривалість флотації складає 15—45 хв у залежності від складу стічних вод.

Знаходить застосування метод електрофлотації. При цьому речовини, що утримуються в стічних водах, сорбуються на пухирцях газу, що утворюються при електролізі. Розмір пухирців газу менше, ніж при механічній аерації, тому вони розподіляються більш рівномірно.

Електрофлотатори звичайно застосовують для обробці щодо невеликих кількостей стічних вод (до 20—40 м3/год) з високим вмістом солей і низькою електропровідністю. Використовується постійний струм низької напруги 0,2—1,2 квт/м3, тривалість обробки 5—20 хв. Для інтенсифікації процесу іноді застосовують коагулянти і флокулянти.

Один з ефективних методів очищення виробничих стічних вод — очищення на іонообмінних фильтpax. Для цього застосовують іонообмінні смоли (катіонообмінні й аніонообмінні).

Іоніти — синтетичні іонообмінні смоли, полімерні речовини, що мають рухливий іон (катіон або аніон), здатний вступати в реакцію обміну з іонами того ж знаку, що знаходяться в розчині. Іоніти завантажують у фільтри різних конструкцій.

Іонообмінна очистка здійснюється шляхом послідовного фільтрування через катіоніти й аніоніти. У процесі очищення іоніти насичуються і їх регенерують. Перед регенерацією іоніти спушують. Катіоніти регенеруються слабкими розчинами кислот, а аніоніти— слабкими розчинами лугів. Потім відбувається відмивання іонітів.

Продуктами регенерації є елюати — розчини кислот і лугів, що містять вилучені з іонітів компоненти. Перші порції елюатів є найбільш концентрованими по компонентам, що витягаються. Їх нейтралізують або, що найбільше доцільно, з них утилізують коштовні продукти. Нейтралізацію роблять шляхом змішування кислот і лужних елюатів, а також додатково вводять кислоти або луги.

Для успішного протікання процесу іонного обміну вміст зважених речовин в оброблюваній воді і її ХПК не повинні перевищувати 8 мг/л. Якщо ця умова не дотримується, то воду попередньо очищають на кварцових і сорбціонних фільтрах.

Іонообмінні установки застосовують для витягу зі стічних вод фенолу, формальдегіду й інших органічних речовин, цинку, міді, нікелю, хрому, ціанідів.

Метод іонного обміну відрізняється високою вартістю й ускладнює експлуатацію споруджень, тому доцільність його застосування повинна бути підтверджена відповідними техніко-економічними розрахунками.