47834

Ионнообменная очистка

Конспект

Химия и фармакология

Применяется при извлечении из сточных вод металлов цинка меди хрома свинца ртути кадмия а тагже соединений мышьяка фтора цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен распространен при обменивании в процессе водоподготовки. Они не растворимы в воде.

Русский

2013-12-03

408.5 KB

6 чел.

Лекции.

Ионнообменная очистка.

Применяется при извлечении из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, свинца, ртути, кадмия), а тагже соединений мышьяка, фтора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать ценные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен распространен при обменивании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена: ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой обладающей свойствами обменивать ионы, содержащиеся в ней на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, составляющие эту твердую фазу, называются иониты. Они не растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы – анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, а вторые – основными. Если иониты обменивают и катионы, и анионы, их называют амфотерными. Положительная способность характеризуется обменной емкостью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых единицей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамическую емкости. Полная емкость – это количество поглощаемого вещества при полном насыщении единицы объема или массы ионита. Статистическая емкость – это объемная емкость ионита при равновесии в данных рабочих условиях. Статистическая емкость меньше полной.

Динамическая объемная емкость – это емкость ионита до проскока ионов в фильтре, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической.

Природные и синтетические иониты: иониты (катиониты и аниониты) бывают неорганические (минеральные) и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные синтетическим путем.

К неорганическим природным ионитам относятся цеолиты, глинистые минералы, различные слюды и т.д.. Катионообменные свойства их обусловлены содержанием алюмосиликатов типа Na2O · Al2O · nSiO2 · mH2O. Ионообменными свойствами обладают также фторапатит   Ca5(PO4)3 F      и т.д.

К неорганическим синтетическим ионитам относятся селикагели, пермутиты, труднорастворимые окиси и гидроокиси некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония и т.д.).

Катионообменные свойства, например, селикагеля обусловлены обменом ионов водорода гидроксильных групп на катионе металлов, проявляющемся в щелочной среде.

Органические природные иониты – это гуминовые кислоты почв и углей. Они проявляют слабокислые свойства. Для усиления кислотных свойств и обменной емкости угли измельчают и сульфируют в избытке олеума (?). Сульфаугли являются дешевыми полиэлектрометами, содержащими сильно – и слабо кислотные группы. Недостатком таких ионитов является их малая химическая стойкость, и механическая прочность зерен, а также не высокая обменная емкость, особенно в нейтральных средах.

К органическим искусственным ионитам относятся  ионообменные смолы с развитой поверхностью. Они имеют наибольшее практическое применение для очистки сточных вод.

Синтетические обменные смолы представляют собой высокомолекулярные соединения, углеводные радикалы, которые образуют пространственную сетку с фиксируемыми на ней ионообменными функциональными группами. Пространственная углеводородная сетка называется матрицей, а обменивающиеся ионы – противоионами. Каждый противоион соединен с противоположно заряженным знаком и называется фиксированным.

Полимерные углеводородные цепи являющиеся основой матрицы связаны (сшиты) между собой поперечными связями, это придает прочность каркасу. При сокращенном написании ионита матрицу обозначают в виде В(R), а активную группу полностью. Например, сульфокатиониты записывают как R SO4Н, где R – матрица, Н – противоион, SO3 – фиксированный ион.

Иониты получают методами сополимеризации или сополиконденсации. В зависимости от синтеза ионита поперечная ошивка продольных цепей разная. Конденсационных ионитов она осуществляется метиленовыми или тиновыми ( - СН2 - ), (= СН -) мостиками. В азотосодержащих ионитах используют дивенисебензол и его изомеры и т.д..

Иониты содержащие одинаковые активные группы называются монофункциональными, а иониты которые содержат функциональные группы различной химической природы – полифункциональными. Они могут обладать смешанными сильно- и слабо основными свойствами.

При нагревании ионитов  в воде и на воздухе возможно разрушение зерен, отщепление активных групп, что приводит к уменьшению емкости.  Для каждой смолы имеется температурный предел выше которого ее использовать нельзя. Срок службы синтетических катионитов больше чем анионитов. Это объясняется  низкой стабильностью группы, которая в анионитах выполняет роль фиксированных ионов.

Основы процесса ионного обмена: реакция ионного обмена протекает при контакте с катионитом:

R SO3 Н + NaСl    R SO3Na + НСl

При контакте с анионитом

RОН + NaСl            RСl + NaОН    

Ионный обмен происходит в эквивалентных отношениях  и, как правило, является обратимым. Реакции ионного обмена протекают вследствие разности химических потенциалов обменивающихся ионов. В общем виде можно представить:

 mA + RmB              mRA + B     реакция идет до установления ионообменного равновесия. Скорость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов: 1. гидродинамического режима жидкости; 2. концентрации обменивающихся ионов; 3. структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов;

Механизм ионного процесса осуществляется в несколько стадий:

  1.  – перенос ионов А из потока жидкости к внешней поверхности пограничной (?) жидкой пленки окружающей зерно ионита;
  2.  – диффузия  ионов А через пограничный слой;
  3.  – переход иона А через границу раздела фаз в зерно смолы;
  4.  – диффузия ионов А внутри зерна смолы к ионообменным функциональным группам;
  5.  – собственно химическая реакция двойного обмена ионов А и В;
  6.  – диффузия ионов В внутри зерна ионита к границе раздела фаз;
  7.  – переход ионов В через границу раздела фаз на внутреннюю поверхность пленки жидкости;
  8.  – диффузия ионов В через пленку;
  9.  – диффузия ионов В в ядро потока жидкости.

Скорость ионного процесса определяется самой медленной из этих стадий – диффузией в пленке жидкости или диффузией в зерне ионита.

Иониты в контакте с водой не растворяются, но поглощают некоторое количество воды и набухают, являясь гелями с ограниченной набухаемостью. При набухании ионитов размер                                                                                                                                                                     

макропор возрастает. При этом объем ионитов увеличивается в 1,5-2 раза. Набухание влияет на скорость и полноту обмена ионов, а также на селективность ионита. Набухание прекращается, после того как разность осмотических давлений до и после обмена уравновесится упругими силами растяжения и сжатия ионита. Сильно набухшие смолы, называемые гелеобразными, имеют удельную обменную емкость 0,1-0,2 м2/г. Макропористые иониты обладают развитой обменной поверхностью равной 60-80 м2/г. Селективность обмена зависит от величины давления набухания в порах смолы и от размера пор ионита. При малом размере пор большие ионы не могут достичь внутренних активных групп. В целях повышения селективности ионитов к определенным металлам в состав смолы вводят вещества способные образовывать с ионами металлов внутрикомплексные соединения (хелаты).

Иониты выпускают в виде порошка (размер частиц 0,04-0,07мм) зерен (гранул размером (0,3-2,0мм)  волокнистого материала; крупнозернистые иониты предназначены для работы в фильтратах со слоями значительной высоты (1-3м), порошкообразные – со слоями высотой 3-10 мм. Иониты механически прочными являются при степени истираемости 0,5%.

Смолы, выпускаемые в России имеют произвольные названия, некоторые из которых отражают состав смол, например: СДВ – стирол-дивинилбензол. В последнее время в маркировке смол употребляется для катионитов К, для анионитов – А, например: КУ – катионит универсальный; АВ – анионит высокоосновной.

Ионообменные установки: процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного  действия.

Сточная вода подается внутрь аппарата, проходит                                                

слой ионита и выходит через распределитель.

Затем подается промывная вода и после этого

регенерирующий раствор. Цикл работы аппарата

состоит из следующих стадий:

1. -- ионообмен;

2. – отмывка от механических примесей;

3. – регенерация ионита;

4. – отмывка ионита от регенерирующего

раствора.

Работа установки может быть интенсифицирована путем использования аппаратов с кипящим слоем ионита. Скорость при этом увеличивается в 2-3 раза;

Недостатки установок периодического типа:

1. – большие объемы аппаратов; 2. – значительный расход реагентов; 3. – большая единовременная загрузка смолы; 4. – сложность автоматизации процесса;

Непрерывный ионообмен дает возможность уменьшить затраты смолы, реагентов для регенерации, промывной воды, а также использование компактного оборудования. Колонны непрерывного действия могут работать как с движущимся слоем смолы, так и с кипящим слоем. Сточная вода подается снизу, а смола – сверху. Колонна имеет небольшую производительность 1-5 м3/ м2·час/. Малоэффективна из-за сильного перемешивания фаз и неравномерного распределения воды по сечению колонны. Для увеличения эффективности используется колонна с псевдосжиженным слоем или пульсацией. Для регенерации смолы используют колонны с движущимися слоями или пневмопульсационные.

Лекции

Обратный осмос и ультрафильтрация.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования через полунепроницаемые мембраны под давлением, превышающим осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе отделяются частицы (молекулы, гидротированные ионы)

Размеры которых не превышают размеры молекул растворителя.  При ультрафильтрации размер частиц не превышает 0,5мкм. От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров. Обратный осмос используется для обессоливания воды в системах водоподготовки ТЭЦ и предприятий различных отраслей промышленности (полупроводников, медикаментов и т.д.), иногда для очистки городских сточных вод.

Достоинством метода являются:  

1. – отсутствие фазовых переходов при отделении примесей;

2. – возможность проведения процесса при комнатной температуре, без применения или с небольшими добавками химических реагентов;

3. – простота конструкций аппаратуры.

Недостатки метода:

1. – происходит рост концентрации растворенного вещества у поверхности мембраны. Это приводит к уменьшению производительности, степени разделения и срока службы мембран;

2. – проведение процесса при повышенных давлениях, что вызывает необходимость уплотнений аппаратуры.

Эффективность процесса зависит от свойств применяемых мембран: они должны обладать

– высокой разделяющей способностью (селективностью);

– высокой удельной производительностью (проницаемостью);

– устойчивостью к действию среды;

– неизменностью характеристик в процессе эксплуатации;

– достаточной механической прочностью;

– низкой стоимостью;

Селективность процесса φ (%) разделения определяют по формуле

где Со и С – концентрации растворенного вещества в исходной сточной воде и фильтрате.

Проницаемость определяется количеством фильтрата V полученного в единицу времени с единицы рабочей поверхности.

V = k1 = (∆Р- ∆Ро)

где ∆Р – разность давлений воды до и после мембраны;

     ∆Ро – разность осмотических давлений;

     k1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.

В процессе очистки некоторое количество растворенного вещества проходит через мембрану вместе с водой. Для мембран с высоким эффектом разделения этот проскок

[S в кг/м2·сут] практически не зависит от давления и может быть определен по зависимости:

S = k2 · (Со - С).

Из формулы следует, чем выше концентрация загрязнений в исходной сточной воде, тем выше интенсивность проникновения веществ через  мембрану.

Предложено несколько вариантов механизма обратного осмоса:

  1.  – мембраны сорбируют воду, которая в поверхностном слое не обладает растворяющей способностью. Если толщина слоя адсорбированных молекул воды составляет половину или более половины диаметра пор мембраны, то под давлением через поры будет проходить чистая вода, несмотря на то что размер многих ионов меньше чем размер молекул воды. Проникновению таких ионов через поры препятствует возникающая у них гидратная оболочка. Размер гидратных оболочек различен у разных ионов.
  2.  Если толщина адсорбированного слоя молекул воды меньше половины диаметра пор, то вместе с водой через мембрану будут проникать растворенные вещества.

Для ультрафильтрации предложен другой механизм разделения. Растворенные вещества задерживаются на мембране, потому что размер их молекул больше, чем размер пор.

Для проведения процесса применяют непористые динамические и диффузионные мембраны, представляющие собой квазигомогенные гели и пористые мембраны в виде тонких пленок изготовленных из полимерных материалов. Наибольшее распространение получили полимерные мембраны из ацетатцелюлозы. Разрабатываются мембраны из полиэтилена пористого стекла и т.д. Эти мембраны применяют для обратного осмоса. Верхний активный слой мембран толщиной 0,25мкм является слоем в котором происходит разделение, а нижний крупнозернистый слой (100-200мкм) обеспечивает механическую прочность мембран. Ацетатцелюлозные мембраны работают в интервале давлений 1-8мпс, температуры 0-30ºС, и значение рн – 3-8. Для ультрафильтрации используют нитратцелюлезные мембраны, по структуре они аналогичны.

Обратный осмос рекомендуется использовать при следующей концентрации электролитов: для одновалентных солей не более 5-10%, для двухвалентных 10-15%, для многовалентных 15-20%. Для органических веществ указанные пределы несколько выше.

Для уменьшения влияния концентрационной поляризации применяют циркуляцию раствора и турбулизацию прилегающего к  мембране слоя жидкости, применяя мешалки, вибрационные устройства и увеличение скорости. Природа растворенного вещества оказывает влияние на селективность. При одинаковой молекулярной массе неорганические вещества задерживаются на мембране лучше чем органические. С повышением давления производительность мембран увеличивается, так как растет движущая сила процесса. При высоких давлениях происходит уплотнение материала мембран, что вызывает снижение проницаемости, поэтому для каждого вида мембран устанавливается максимальное рабочее давление. С ростом температуры уменьшается вязкость и плотность раствора, что способствует росту проницаемости. Но при этом повышается осмотическое давление, которое уменьшает проницаемость. В то же время возрастает скорость гидролиза, сокращая срок службы мембран. Поэтому ацетатцелюлозные мембраны при 50º С разрушаются. Поэтому необходимо работать при 20-30º С.

Конструкция аппаратов для проведения процессов обратного осмоса и ультрафильтрации должна обеспечивать большую поверхность мембран в единице объема, простоту сборки и монтажа, механическую прочность и герметичность. По способу укладки мембран аппараты подразделяются на четыре основные типа:

  1.  – фильтрпресс с плоскопараллельными фильтрующими устройствами;
  2.  – с трубчатыми фильтрующими элементами;
  3.  – с рулонными или спиральными элементами;
  4.  – с мембранами в виде полых волокон;

В аппаратах типа фильтрпресс мембраны уложены с обеих сторон плоских пористых дренажных пластин, которые расположены на расстоянии 0,5-5,0мм друг от друга. Фильтрующие элементы зажаты между двумя сланцами, стиснутыми болтами. Сточная вода последовательно проходит через все элементы, концентрируется и удаляется из аппарата. Фильтрат, прошедший через мембраны, уходит через дренажный слой. Аппараты имеют невысокую производительность, т. к.  суммарная площадь мембран изменяется в пределах 60-300м2 на 1м3 объема.

Основным достоинством аппарата с трубчатыми элементами является высокая скорость подачи воды (0,9-12м/с), что сводит к минимуму концентрационную поляризацию и загрязнение поверхности мембран. Производительность аппаратов при давлении 3,0 - 4,0МПа равна 400-1000л/м2 · час/. В качестве фильтрующих элементов используются пористые трубы (металлические, керамические, пластмассовые) диаметром от 6 -30мм, на внутреннюю или внешнюю поверхность которых разносится мелкопористая подложка, а на нее помещается полупроницаемая мембрана.

Недостаток аппаратов: более сложная замена мембран, чем в аппаратах фильтрпресс, высокая стоимость нестандартных трубок, наличие застойных зон, неэффективность работы в ламинарном режиме, повышенный расход сточной воды и, следовательно, расход электроэнергии.

Аппараты с фильтрующими элементами рулонного типа отличаются большой плотностью упаковки мембран (300-800м 2 3). Аппараты из пакета из двух мембран, гибкой пористой пластины и гафрированного сепарационного листа, навиваются в ряде спирали на трубу имеющие продольные прорези. Сточная вода движется в каналах гафрированного листа. Проникающий через мембраны фильтрат заполняет объем пустот в пористой пластине и проходит по ним к трубе, откуда удаляется. Ширина навивающего пакета равна 300-500мм, а длина 0,6 – 2,5м. В аппаратах имеется несколько пакетов.

Недостаток этих аппаратов – сложность монтажа и смена мембран, сложность обеспечения герметичности;

Аппараты с мембранами в виде полых волокон. Волокна применяются из ацетатцелюлозы, нейлона или других материалов, собираются в пучки длиной 2-3м, которые прикрепляются к стенкам аппарата. Диаметр волокон равен 45-200мкм. Удельная поверхность волокон достигает 20000 м 2 3. расположение волокон может быть линейным (концы закрепляются в двух трубных решетках). Аппараты компактны и высокопроизводительны. Удельная проницаемость составляет 5 – 10л/(м 2 · сут).

Недостатком этих аппаратов является большое сопротивление и сложность замены поврежденных волокон.

Аппарат типа: фильтрпресс.

1 – пористые пластины

2 – мембраны.


Экстракция.

Жидкостная экстракция применяется для очистки сточных вод содержащих фенолы, органические кислоты, ионы металлов и т.д. Экстракция может быть выгодным процессом если стоимость известняковых веществ компенсирует затраты на его проведение. Для большинства веществ можно считать, что при концентрации выше 3 – 4 г/л их рационально извлекать экстракцией чем адсорбцией. При концентрации менее 1 г/л экстракция применяется в особых случаях очистки. Механизм очистки экстракции состоит из трех стадий:

  1.  интенсивное смешивание сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). Между жидкостями образуется две жидкие фазы . одна фаза – экстракт содержит извлекаемое вещество и экстрагент; другая фаза – рафинад – сточную воду и экстрагент;
  2.  выделение экстрагента и рафинада;
  3.  регенерация экстрагента из экстрагента и рафинада;

При выборе растворителя следует учитывать его селективность физико – химические свойства; стоимость и способы регенерации.

Экстрагент должен отвечать следующим требованиям:

  •  растворять извлекаемое вещество лучше, чем вода; т.е. обладать высоким коэффициентом распределения;
  •  обладать высокой селективностью растворения – чем меньше он будет растворять компоненты, которые должны остаться в воде. Тем более полно будут извлекаться необходимые вещества;
  •  иметь по возможности наибольшую растворяющую способность по отношению к известному компоненту. Чем она выше тем меньше потребуется  экстрагента, т.е. тем ниже будут затраты на очистку;
  •  иметь низкую растворимость в сточной воде и не образовывать устойчивых эмульсий, так как из – за этого снижается производительность установок , затрудняется разделение экстракта и рафинада , увеличивается продолжительность процесса, возникают потери растворителя;
  •  значительно отличаться по плотности от сточной воды. Обычно она меньше: разность плотностей обеспечивает быстрое и полное разделение фаз;
  •  обладать большим коэффициентом диффузии. Чем он больше, тем больше скорость массообмена, т.е. скорость процесса экстракции;
  •  регенерироваться простым и дешевым способом;
  •  не взаимодействовать с извлекаемым компонентом, так это затрудняет регенерацию экстрагента и увеличивает его потери;
  •  по возможности не быть вредным, взрыво – и огнеопасным , не вызывать коррозию металла аппаратов;
  •  иметь не высокую стоимость.

Экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточной воды. Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте в виде: Кр = Сэβ

Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируемого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре. Коэффициент распределения устанавливается опытным путем и зависит от природы компонентов системы. Наличия примесей в воде и экстрагенте и температуры.

Иногда экстрагент частично растворяется в сточной воде, поэтому коэффициент распределения будет зависеть не только от температуры, но и от концентрации извлекаемого вещества в рафинаде, т.е. величиной переменной.

При содержании в сточной воде нескольких примесей  целесообразно извлекать экстракцией сначала один  из компонентов – наиболее ценный или токсичный, а затем другой из компонентов.

При этом для каждого из компонента может быть разный экстрагент. При необходимости одновременной экстракции нескольких веществ из сточной воды экстрагент не должен обладать селективностью извлечения, а иметь близкие и достаточно высокие коэффициенты распределения для всех извлекаемых веществ. Проведение такого процесса очистки затрудняет выбор экстрагента и его регенерацию.

Необходимость извлечения экстрагента из экстракта связана с тем, что его надо вновь вернуть в процесс экстракции. Регенерация может быть проведена вторичной экстракцией с другим растворителем. А так же выпариванием, дестиляцией, химическим взаимодействием или осаждением. Не проводить регенерацию возможно, в случае если нет необходимости возвращать его в цикл. Например: после извлечения, какого – либо вещества экстрагент можно использовать для технических целей или в качестве топлива. В этом случае экстрагируемые  вещества при сжигании разрушаются. Это можно делать, когда они не предоставляют большой ценности.

При частичном растворении экстрагента в сточной воде становится новым загрязнителем ее, поэтому необходимо удалять экстрагент из рафината. Потери растворителя с рафинатом допустимы при условии его растворяемости в воде не выше ПДК, и только при его низкой стоимости. Наиболее распространенным методом извлечения растворителя из рафината является адсорбция или отгонка паром (газом). При этом используется отработанный пар или отходящие дымовые газы.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной ступенчатой многократной экстракции. Схема многоступенчатой установки представляет собой батарею смесителей и отстойников. Каждая ступень состоит из смесителя воды с экстрагентом и отстойника. Свежий экстрагент и сточная вода поступают с противоположной стороны. В первой степени сточная вода с небольшим содержанием примесей перемешивается со свежим экстрагентом а в последующей ступени исходная сточная вода смешивается с экстрагентом который уже содержит значительное количество извлекаемого вещества. Такое движение потоков способствует эффективной очистке сточных вод.

Экстракция проводится в аппаратах различной конструкции: распределительных, посадочных, тарельчатых колонках, а тек же центробежных экстрагеторах.

Схема многократной противоточной экстракции.

1,2,3 – смесители; 1’,2’,3’ – отстойники


Электрохимические методы очистки сточных вод.

Для очистки сточных вод от различных растворимых и дисперсированных примесей применяют процессы анодного окисления, катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлотации и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной  технологической схеме очистки без использования химических реагентов.

Эффективность электрохимических методов оценивается рядом факторов: плотность тока, напряжение, коэффициентом полезного использования напряжения, выходом по току, выходом по энергии.

Плотность тока – отношение силы тока к поверхности электрода, которое выражает А/м2, (А/см2 А/дм2). Напряжение электролизера складывается из разности электродных потенциалов и падения напряжения в растворе. Падение напряжения в электролите (сточной воде) определяется по закону Ома.

Выход по току – это отношение теоретически необходимого количества электричества (находится по закону Фародея). К практически затраченному, которое выражается в долях единицы и в процентах.

Анодное окисление и катодное восстановление:

В электролизере на положительном электроде – аноде ионы отдают электроны т.е. протекает реакция электрохимического окисления; на отрицательном электроде – катоде происходит присоединение электронов, т. е. протекает реакция восстановления. Эти процессы разработаны для очистки сточных вод от растворенных примесей (цианидов, радонидов, аминов, спиртов, меркаптонов). В процессах электрохимического окисления вещества находящиеся в сточных водах растворяются с образованием СО2,  NH3 и воды или образуются более простые и нетоксичные вещества, которые удаляются другими методами.

В качестве анодов используют различные электролитические нерастворимые материалы: графит, магнетит, двуокиси свинца; катоды изготавливаются из молибденового сплава вольфрама с железом или никелем из графита и т.д. Процесс проводят в электролизерах с диафрагмой и без нее. Кроме основных процессов электроокисления и восстановления одновременно могут протекать электрофлотация, электрофорез и электрокоагуляция.

Например: анодное окисление цианидов.

CNֿ+ 2OHֿ          СNoֿ + H2O 

CNֿ+ 2 H2O                NH4ֿ + СO32ֿ

электрокоагуляция: при прохождении воды через межэлектродное пространство электролизера происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно – восстановительные процессы и т.д..

при использовании нерастворимых электродов коагуляции может происходить в результате электрофоретических явлений и разряда заряженных частиц на электродах, образование в растворе веществ (хлор, кислород) разрушающих сольватные слои на поверхности частиц. Такой процесс используется для очистки вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой устойчивости загрязнений.

Для очистки сточных вод содержащих высокоустойчивые загрязнение проводят электролиз с использованием растворимых сточных или алюминиевых анодов. Под действием тока происходит растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными образуют гидраты солей металлов в виде хлопьев.

Наступает интенсивная коагуляция.

На процесс коагуляции оказывает влияние материал электродов, расстояние между ними, скорость движения сточной воды между электродами, ее температура , состав, напряжение и плотность тока. С повышением концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л. Эффективность электрокоагуляции снижается. Электрокоагуляцию рекомендуется проводить в нейтральной или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м2 ,расстояние между электродами не более 20 мм, скорость движения воды не менее 0,5 м/с.

Достоинство метода: компактность установок и простота управления, отсутствие реагентов, малая чувствительность к изменениям условий проведения процесса очистки (t,pH – среда, присутствие токсичных веществ). Получение шламов с хорошими структурно – механическими свойствами.

Недостатки метода – повышенный расход металла и электроэнергии.

Электрофлотация. В это процессе очистки сточных вод от взвешенных частиц проходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На аноде возникают пузырьки кислорода, а на катоде – водорода. Поднимаясь в сточной воде эти пузырьки флотируют взвешенные частицы. При использовании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулянтов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образующиеся на катоде. Размер пузырька водорода значительно меньше, чем при других методов флотации. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм. Мелкие пузырьки обладают большей растворимостью. Чем крупные. Из пересыщенных растворов мельчайшие пузырьки выделяются на поверхности частичек загрязнений, тем самым способствует эффекту флотации. Эти частицы прилипают к пузырькам в воде. Для получения пузырьков требуемого размера необходим правильный подбор материала, диаметра проволоки катода и плотности тока. Оптимальное значение плотности тока 200 – 260 А/м2 величина газосодержания около 1%. При небольших объемах сточных вод v = 15 м3/   . Электрофлотационные установки используются однокамерные, при больших объемах применяются двухкамерные. Которые бывают горизонтальными и вертикальными. Они состоят из электродного отделения и отстойника. Сточная вода поступает в успокоитель, который отделен от электродного отделения решеткой. Пройдя через межэлектродное пространство, вода насыщается пузырьками газа. Всплывание пузырьков с частицами происходит в отстойной части. Всплывший шлам перемещается скребком в шламоприемник откуда и удаляется.

Электродиализ. Процесс очистки Сточных вод электродиализом основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей силы соэдаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот процесс используется так же для опреснения вод, и проводится в электродиализаторах состоящих из трех камер отделенных одна от другой мембранами. В среднюю камеру заливают раствор, а в боковые, где расположены электроды чистую воду. Анионы током переносятся в анодное пространство. На аноде выделяется кислород и образуется кислота. Одновременно катионы переносятся в катодное пространство. На катоде выделяется водород и образуется щелочь. По мере прохождения тока концентрация солей в средней камере изменяется до тех пор, пока не станет близкой к нулю.

За счет диффузии в среднюю камеру поступают ионы Нˉ и ОНֿ образуя воду. При использовании электрохимически активных диафрагм повышается эффективность процесса и снижается расход электроэнергии. Ионно-обменные мембраны проницаемые только для ионов имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Обычно электролизеры делают многокамерными (100 – 200 камер) с чередующимися катодно и анодно проницаемыми мембранами. Электроды помещают в крайних камерах .в многокамерных аппаратах достигается наибольший выход по току. Для обессоливания воды применяют гомогенные и гетерогенные мембраны. Гомогенные состоят из одной смолы и имеют малую механическую прочность. Гетерогенные представляют собой порошок ионита  смешанный со связующим веществом – каучуком, полистиролом, метиммеркантоном. Из этой смеси вальцеванием получают пластины. Мембраны должны обладать электрическим сопротивлением. На эффективность работы электродиализатора влияние оказывает расстояние между мембранами. Обычно оно составляет 1 – 2 мм. Во избежания засорения мембран сточных воды перед подачей очищаются от взвешенных и коллоидных частиц.

Расход энергии при очистке воды содержащей 250 мг/л примесей, до остаточного содержания 5 мг/л составляет 7кВт · г/м3. С увеличением  содержание солей в воде удельный расход энергии возрастает.

Основной недостаток электродиализа концентрационная поляризация, приводящая к снижению показателей очистки.

Схема электродиализа с пористыми диафрагмами.

 

 


Анаэробные методы биохимической очистки.

Анаэробные методы биохимической очистки используются для сбраживания осадков, образующихся при биохимической очистки промышленных сточных вод, а так же как первая ступень очистки очень концентрированных промышленных сточных вод (БПКn> 4 – 5 г/л). Содержащих органические вещества которые разрушаются анаэробными бактериями в процессе брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают различные виды брожения: спиртовое, пропилновокислое, молочнокислое, метановое и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, ацетон, газы брожения (СО2, Н2, СН4).

Для очистки сточных вод используют метановые брожения. Этот процесс сложный и многостадийный. Считается, что процесс метанового брожения состоит из двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из !!!!!! органических веществ образуется низшие жирные кислоты, спирты, аминокислоты и водород. Предполагается, что скорость превращений веществ в кислой и щелочной фазах одинаковы.

Основная реакция метанообразования записывается уравнением:

СО2 + 4Н2А               СН4 + 4А + 2Н2О

Где Н2А – органическое вещество, содержащее водород; возможны и другие реакции в присутствии водорода:           СО + 3Н2                СН4 + Н2О

В отсутствие водорода:      4СО + 2Н2О               3СО2 + СН4

Процесс брожения проводят в метантанках – герметически закрытых резервуарах, оборудованных приспособлениями для свода несброженного и отвода сброженного осадка.

Основными параметрами аэробного сбраживания является температура, регулирующая интенсивность процесса, доза загрузки осадка и степень его перемешивания, процессы брожения ведут в мезофильных (30 – 35ºС)  и термофильных (50 – 55ºС) условиях. Полного сбражения органических веществ в метантанках достичь нельзя. Все вещества имеют свой предел сбраживания зависящий от их химической природы. В среднем степень расхода органического вещества около 40%. Существуют предельно допустимые концетрации токсичных веществ при которых возможнометановое брожение;

Например:  

вещество

томзол

ацетон

бензол

Хром(Сr3+,Cr)

200

200

200

25/3

Процесс брожения ведут в две ступени. При этом часть осадка из второго метантенка возвращают в первый. В первой ступени обеспечивают хорошее перемешивание. При сброжении выделяются газы которые в среднем содержат 63 – 65%метана, 32 – 34% СО2. Газ сжигается в топках паровых котлов. Пар используется для нагрева осадков. Сбраживния осадка промышленных сточных вод из – за высокого содержания влаги, солей металлов и детергентов необходимо производить при снижении нагрузки на 25 – 50%. Процесс очистки протекает более устойчиво и полно, когда ведется совместная очистка производственных и бытовых сточных вод. Бытовые сточные воды содержат биогенные металлы K, Mg, Ce, Me, Le, Fe, Mn. Ni основными являются N, P и К которые должны присутствовать в необходимых количествах в организме.

 Обработка осадков сточных вод.

В процессе биохимической очистки в первичных и вторичных отстойниках образуется осадок, который следует утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Обработка и утилизация этих осадков затруднена из – за большого их количества, разного состава и малой влажности. Как правило осадки представляют собой трудно фильтруемые суспензии. Во вторичных отстойниках в осадке находится избыточный активный ил, объем которого в 1,5 – 2 раза больше чем объем осадка из первичного отстойника. Одной из определяющих величин выбора метода обработки осадка является его удельное сопротивление(r). Для осадков сточных вод (r) изменяется в пределах, для сырого ила r =  (72 - 7860) * 1010 см/г. Вода в осадках может быть в свободном и связанном состоянии. Связанная вода (30 – 35%) подразделяется на : коллоидно – связанную и гигроскопическую. Коллоидно – связанную влага обволакивает твердые частицы гидратной оболочки и препятствует их соединению в крупные агрегаты. Некоторое количества влаги удаляется из осадка после коагуляции в процессе фильтрования. Полное удаление влаги достигается в процессе высокотемпературной сушки.

Метод уплотнения активного ила.

Уплотнение осадков связано с удалением свободной влаги и является необходимой стадией всех технологических схем обработки осадков. При уплотнении в среднем удаляется 60% влаги и масса осадка сокращается в 2,5 раза. Очень сложно уплотняется активный ил. Влажность активного ила оставляет 99,2 – 99,5%.Взвешанные частицы ила имеют небольшой размер и плотную гидратную оболочку, которая препятствует уплотнению.

Для уплотнения используют гравитационный флотационный метод. Гравитационный метод является наиболее распространенным. В качестве илоуплотнителей используют вертикальные или горизонтальные отстойники.

Флотационный метод уплотнения осадков с прилипанием частиц активного ила к пузырькам воздуха и всплывании вместе с ними на поверхность. Для образования пузырьков используется метод напорной флотации, вакуум – флотации, электрофлотации и т.д. Наибольшее распространение получила напорная флотация. При этом осадок активного ила разбавляют водой предварительно насыщенной воздухом под давлением 0,4 МПа.

Стабилизация осадков: проводят для разрушения биологической разлагаемой части органического вещества на двуокись углерода, метан и воду. Ее ведут при помощи микроорганизмов в анаэробных и аэробных условиях. В анаэробных условиях проводят сбраживание в септиках, двух ярусных отстойниках, осветлителях – перегневателях и метантенках. Септики и отстойники используются на установках небольшой производительности. Широкое распространение получили метантенки высокая влажность и большое содержание белка в активном иле приводят к низкому выходу газа при анаэробном сбраживании. Аэробная стабилизация заключается в продолжительном аэрировании ила в аэрационных сооружениях с пневматической, механической или пневмомеханической аэрации.  Результате происходит распад (окисление) основной части биоразлагаемых органических веществ (до СО2, Н2О, Н2). Оставшееся органические вещества теряют склонность к загниванию т.е. стабилизируются. Расход кислорода на процесс стабилизации равен 0,7 кг на 1 кг органического вещества.

Аэробную стабилизацию можно проводить и для смеси осадков из первичного отстойника и избыточного активного ила. Эффективность процесса зависит от продолжительности, интенсивности аэрации, температуры, состава и свойств окислителя осадка.

Кондиционирование осадков. Этот процесс предварительной подготовки осадков перед обезвоживанием или утилизацией проводят путем снижения удельного сопротивления и улучшением водоотдающих свойств осадков, вследствие изменения их структуры и форм связи воды. Концентрирование проводят реагентным и без реагентным способами.

При реагентной обработке осадка происходит коагуляция – т.е. процесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц. Образование при этом крупных хлопьев с разрывом сольвентных оболочек и изменением форм связи воды способствует изменению структуры осадка и улучшению его водоотдающих свойств. В качестве коагулянтов используют соли железа, алюминия, а так же известь. С целью уменьшения расхода коагулянтов осадки предварительно промывают водой. Промывка ведется в аэрируемой камере. В место коагулянтов можно использовать  и флокулянты. Для осадков (зольность 25 – 50%) используется катионовые флокулянты; для осадков с зольностью 55 – 65% комбинируются катионные и ионные флокулянты, для осадков с зольностью 65 – 70% используется анионные флокулянты. Расход флокулянтов меньше, а стоимость обработки сокращается примерно на ½.

К без реагентным методам обработки относится тепловая обработка, замораживание с последующим оттаиванием, электрокоагуляция и радиационное облучение. Тепловую обработку ведут нагреванием осадка в автоклавах до температуры 170 – 200ºС в течении 1 часа. За это время коллоидная структура осадка разрушается, часть его переходит в раствор, а остальное уплотняется и фильтруется на вакуум – фильтре, где снижается с 92 – 94 до 70 – 75% влажности. В дальнейшем осадок может использоваться в качестве азотно-фосфорного удобрения.

Обезвоживание осадков: осадки обезвоживаются на иловых площадках и механическим способом. Иловые площадки – это участки земли (корты) со всех сторон окруженные земляными валами. Если почва хорошо фильтрует воду и грунтовые воды находятся на большой глубине. Иловые площадки устраивают на естественных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубине 1,5 м для отвода фильтрата устраивают искусственное основание.

Рабочую глубину площадок выбирают в пределах 0,7. площадь иловых площадок зависит от количества и структуры осадка, характера грунта и климатических условий. Иловая вода после уплотнения направляется на очистные сооружения. Так же используется площадки для осаждения ила и поверхностным удалением воды. Такие площадки используются в местах с теплым климатом с производительностью более 10000 м3/сут. Их располагают в виде каскада из 4 – 8 площадок.

Иловые площадки – уплотнители сооружают глубиной до 2 метров с водонепроницаемыми стенками и дном.

Принцип действия их основан на расслоении осадка при отстаивании. Жидкость удаляется периодически с разных глубин под слоем осадка. Осадок периодически уваляется специальными машинами.

Механическое обезвоживание проводится на вакуум-фильтрах, фильтр-прессах, центрифугах и т.д.

Термические методы обработки осадков:

Для сушки осадков применяют конверторные сушилки. В качестве сушильного агента используют топочные газы, перегретый пар, горячий воздух. Часто используются дымовые газы при t = 500 – 800ºС. Применяют сушилки различной конструкции: барабанные, ленточные, с кипящим слоем, вакуум-установки.


Термоокислительные методы обезвреживания жидких отходов.

По теплотворной способности химические стоки: на сточные воды, способные гореть самостоятельно и на воды для термоокислительного обезвреживания к которым необходимо добавлять топливо.

При использовании термоокислительных методов все органические органические вещества загрязняющие сточные воды полностью окисляются кислородом воздуха при высоких температурах  до нетоксичных соединений. К этим методам относятся: метод жидкофазного окисления, метод парафазного каталитического окисления, метод пламенный (или огневой).

Выбор метода зависит от объема сточных вод их состава и теплотворной способности. Экономичность процесса и требований предъявляемых к сточным водам.

Метод жидкофазного окисления.

Этот метод очистки основан на окислении органических веществ растворенных в воде кислородом при t = 100 – 350ºС и давлении 2 – 28 МПа (20 – 280 кг/см2). При высоких делениях растворимость кислорода значительно возрастает, что способствует ускорению процесса окисления органических веществ.

Приведем принципиальную схему жидкофазного окисления.

Сточная вода из емкости подается в теплообменник. Перед теплообменником вода смешивается с воздухом, нагнетаемым компрессором. В теплообменнике смесь нагревается за счет тепла отходящей очищенной воды. Далее она поступает в печь для нагревания до необходимой температуры, а затем  в реактор, в котором происходит процесс окисление, сопровождаемый повышением температуры. Вода и продукты окисления (пар, газы, зола) из реактора попадают в сепаратор, где происходит отделение газов от жидкости.

Газовые продукты направляются на утилизацию тепла, а вода с золой в теплообменник в котором отдает свое тепло смеси сточной воды с воздухом. При высокой концентрации органических веществ в сточной воде, вследствие большого выделения тепла необходимость подогрева воды в теплообменнике и печи отдает, кроме пускового периода.

Эффективность процесса окисления увеличивается с повышением температуры. Вещества летучие при условиях процесса окисления накапливаются в парогазовой фазе, а не летучи в жидкой фазе. С увеличением концентрации органических примесей в воде экономичность процесса жидкофазного окисления возрастает.

Достоинство метода:

Возможность очистки большого объема сточных вод без предварительного концентрирования, отсутствия в продуктах окисления вредных органических веществ, легкость комбинирования с другими методами. Безопасность в работе.

Недостатки метода:

Проходит неполное окисление некоторых химических веществ . значительная стоимость оборудования установки. Высокая коррозия оборудования в кислых средах. Этот метод начинает применяться для очистки сточных вод в: азотной, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, фармацевтической и д.р. производствах.

Метод парафазного каталитического окисления.

В основе метода лежит гетерогенное каталитическое окисление кислородом воздуха при высокой температуре летучих органических веществ, находящихся в промышленных сточных водах. Процесс протекает интенсивно в паровой фазе в присутствии меднохромового, цинкохромового, медномарганцевого или другого катализатора.

Представим процесс окисления.

Сточная вода из сборника 1 подается в выпарной аппарат 2 откуда упаренная пульпа поступает на центрифугу 7 где обезвоживается.

Образующийся осадок направляется на сжигание в печь. Водяной пар вместе с летучими органическими веществами из выпарного аппарата поступает в теплообменник 3 где нагревается за счет тепла парогазовой смеси, выходящей из контактного аппарата. После теплообменника пары смешиваются с горячим воздухом и поступают в контактный аппарат, в котором происходит окисление органических веществ. Дымовые газы из печи 6 поступают в котел – утилизатор , где образуется пар, направляемый в выпарной аппарат 2.

Достоинства процесса:

Установки характеризуются высокой производительностью по сточной воде и высокой степенью обезвреживания достигающей 99.8%.

Недостатки установки:

Возможность отравления катализаторов соединениями фосфора, фтора, серы. Возникает необходимость удаления предварительно каталитических ядов из сточных вод.

Огневой метод:

Этот метод обезвреживания сточных вод является наиболее эффективным.  Сущность его заключается в распылении сточных вод непосредственно в топочные газы нагретые до t 900-1000º С. При этом вода полностью испаряется, а органические примеси сгорают. Содержащиеся в воде минеральные вещества образуют твердые или расплавленные частицы, которые улавливаются.

Огневой метод нецелесообразно применять для обезвреживания сточных вод, содержащих только минеральные вещества. Этот метод может быть использован ля обезвреживания небольших объемов сточных вод содержащих высокотоксичные органические вещества, очистка от которых другими методами невозможна или неэффективна. Также целесообразно использовать этот метод,  если имеются горючие отходы, которые можно использовать как топливо.

В процессах обезвреживания сточных вод различного состава могут образовываться окиси щелочных и щелочноземельных металлов (CaO, MgO, K2O,  Na2O). Некоторые могут взаимодействовать с компонентами дымовых газов. Например:

Na2O + Cо ↔ Na2СО3  

При диссоциации хлоридов в дымовых газах содержатся хлор, и хлористый водород. Органические соединения, содержащие серу, фосфор, галогены могут образовывать SO2, SO3, P2O5, HCl, Cl2 . Присутствие этих веществ в дымовых газах нежелательно, так как это вызывает коррозию аппаратуры. Из сточных вод, содержащих нитросоединения могут выделяться окислы азота: NO, NО2,   N2О3, N2О5, при 900º С – практически NО.

Между всеми веществами в газовой фазе происходят сложные взаимодействия с образованием новых соединений, в том числе и токсичных. Это необходимо учитывать при удалении газов в атмосферу.

В зависимости от состава и консистенции сточных вод используют печи различной конструкции: камерные, шахтные, циклонные и  с псевдосжиженным  слоем.

Недостатки печей:

Камерные и шахтные печи громоздки и характеризуются низкой производительностью до 100л/ (м3, час ), их сооружение связано с высокими капиталовложениями.  Они используются в основном для сжигания сульфидных щелоков, и сточных вод аналинокрасочной промышленности.

Наиболее эффективным для этого метода являются циклонные печи. В них благодаря вихревому характеру газового потока создается интенсивный тепло- и массообмен  между

каплями сточной воды и газообразными продуктами.

Такие печи работают при больших удельных нагрузках. Используют разнообразные горизонтальные и вертикальные циклонные камеры. При работе таких печей воздух тангенциально вводится в печь и совершает вращательные движения, перемещаясь вдоль оси цилиндра по спирали. Сточная вода подается в форсунки, которыми распыляется и сгорает.

Недостаток таких печей – это большой унос солей с газовым потоком.

В последнее время более успешно используются печи с псевдосжиженным слоем, который создается газом подаваемым под газораспределительную решетку. Печи просты по конструкции, компактности и позволяют полностью обезвреживать сточные воды. В процессе сжигания твердые частицы находятся во взвешенном состоянии. Процесс проводят при 800 – 890ºС. Имеется ряд технологических схем установок огневого оборудования. Имеются установки с утилизацией тепла и без утилизации с очисткой отходящих газов и без очистки. Так же есть схемы с очисткой отходящих газов и утилизацией тепла; схема с котлом-утилизатором и сухой газоочисткой; схема с котлом – утилизатором и мокрой газоочисткой и т.д.

Аэробные методы биохимической очистки.

Аэробны процессы могут протекать в естественных условиях и в искусственных сооружениях.

В естественных условиях очистка проходит на полях орошения, полях фильтрации и биологических прудах. Искусственными сооружениями  являются аэротенки и биофильтры разной конструкции. Выбор и тип сооружений производится с учетом местоположения завода, климатических условий, источника водоснабжения, объема промышленных и бытовых сточных вод, состава и концентрации загрязнения. В искусственных сооружениях процессы очистки протекают с большой скоростью, чем в естественных условиях.

Поля орошения – это специально подготовленные земельные участки, используемые одновременно, для очищенных сточных вод и агрокультурных целей. Очистка сточных вод производится под действием почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Поля орошения поле биологической очистки используют для выращивания зерновых и силаеных культур, трав, овощей.

Биологические пруды: представляют собой 3 – 5 ступенчатый каскад прудов, через которые с небольшой скоростью протекает осветленная или предварительно очищенная вода. Они предназначены для окончательной биологической очистки и для доочистки сточных вод в комплексе с другими очистными сооружениями.

Имеются пруды с естественной и искусственной аэрацией имеют глубину (0,5 – 1м) хорошо прогреваются солнцем и заселены водными организмами. Для повышения скорости растворения воздуха Q следовательно и скорости окисления сооружают аэрируемые пруды. Аэрацию проводят механическим или пневматическим путем. Это позволяет в 3,5 раза увеличить нагрузку по загружениям за счет увеличения глубины прудов до 3,5м.

Очистка в аэротенках: аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары. Процесс очистки идет по мере протекания аэрированной смеси сточной воды и активного ила. Аэрация необходима  для насыщения воды кислородом и поддерживания ила во взвещанном состоянии. Сточная вода направляется в отстойник, где удаляются взвешанные частицы. Для улучшения может подаваться часть избыточного ила. Затем осветленная вода поступает в преаэратор – усреднитель. Туда же направляется часть избыточного ила  из вторичного отстойника. Здесь сточных воды предварительно аэрируют воздухом в течении 15 – 20 минут. В случае необходимости в преаэратор вводятся нейтрализующие добавки и питательные вещества.

Из усреднителя сточная вода подается в аэротенки, через который циркулирует активный ил. Биологические процессы разделяются на два этапа : 1 – адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода. 2 – доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила. На этом этапе кислород потребляется медленнее.

Аэротенк разделен на две части: регениратор (25% от общего обема) и соновной аэротенк в котором идет основной процесс очистки.генератор дает возможность очисщать более конзетрированные сточные воды. Перед аэротенком сточная жидкость должна содержать не более 150 г/л взвещанных частиц и не более 25 мг/л нефтепродуктов. Температура сточных вод не должна быть ниже 6 ºС и выше 30 ºС , а pH в пределах 6,5 – 9. после концентрирования сточная вода с илом поступает во вторичный отстойник где проходит отделение воды от ила. Большая часть ила возвращается в аэротенк,а избыток его напровляется в преаэратор.аэротенки представляют собой открытый бассейн, оборудованный устройством для принудительной аэрации. Она бывает двух – , трех – , черырех – коридорная. Глубина аэротенков 2 – 5 м.аэротенки подразделяются по следующим признакам:

1 – по гидродинамическому режиму – на аэротенки – вытеснители, аэротенки – смесители и аэротенки промежуточного типа (с рассредоточенным впуском сточных вод);

2 – по способу регенерации активного ила – на аэротенки с отдельной регенерацией и аэротенки без отдельной регенерации;

3 – по нагрузке на активный ил – на высоконагружаемые (для неполной очистки), обычные и низконагружаемые (с продленной аэрацией);

4 – по количеству ступеней – на одно, двух и многоступенчатые аэротенки;

5 – по режиму ввода сточных вод – на проточные, полупроточные, с переменным рабочим уровнем и контактные;

6 – по конструктивным признакам.

Наиболее распространены коридорные аэротенки работающие как вытеснители, смесители и с комбинированными режимами. В аэротенках  идеального вытеснения концентрации биомассы по длине изменяется незначительно. В начале процесса наблюдается максимальное содержание субстрата и нехватка кислорода, а в конце процесса __ отсутствие субстрата и избыток кислорода. Недостаток аэротенков такого типа – чувствительность к перегрузкам. Громоздкость и высокая стоимость сооружения. В аэротенках полного смешения поступающая сточная вода мгновенно перемешивается со всей массой жидкости и активного ила. Это позволяет равномерно распределить органические загрязнения и кислород и проводить процесс при постоянно высоких нагрузках. Однако остаточная концентрация загрязнений в очищенной воде выше по сравнению с аэротенками вытеснительного типа, что является основным недостатком конструкции.

Аэрация – при аэрации 1м3 очищенной сточной воды подается несколько десятков кубометров воздуха. При этом должна быть обеспечена большая поверхность контакта между воздухом, сточной водой и илом что является необходимым условием эффективной очистки. На практике используют пневматический, механический и пневмотехнический способы аэрации сточной воды в аэротенках. Выбор способа аэрации зависит от типа аэротенка  и от необходимой интенсивности аэрации.

При пневматической аэрации сжатый воздух воздуходувкой подается через пористые, керамические плиты(фильтра, пористые трубы). При механической аэрации происходит перемешивание жидкости различными устройствами, которые обеспечивают дробление струй воздуха. Вблизи этих устройств возникают пузырьки газа при помощи, которых кислород переходит в сточную воду.

Пневматические аэраторы применяются в случае, когда требуется интенсивное перемешивание и высокая окислительная мощность. В этих аэраторах сжатый воздух подается через аэрационное кольцо с большими отверстиями и разбивается на мелкие пузырьки. Это способствует увеличению степени использования кислорода и уменьшению энергозатрат.

Очистка в биофильтрах: биофильтры – это сооружения, в корпусе которых размещается кусковая наладка (загрузка) и предусмотрены распределительные устройство для сточной воды и воздуха. В биофильтрах сточная вода фильтруется через слой загрузки покрытый пленкой из микроорганизмов. Микроорганизмы биопленки окисляют органические вещества, используя их как источник питания и энергии. Таким образом из сточной воды удаляется органические вещества ,а масса активной биопленки увеличивается. Отработанная (омертвевшая) биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биофильтра.

В качестве загрузки используется различные материалы с высокой пористостью, малой плотностью и большой удельной поверхностью: известь, гравий, шлак, керамзит, металлические, тканевые пластмассовые сетки и т.д. Имеется большое число конструкций биофильтров, которые делятся на биофильтры, работающие с полной или неполной биологической очисткой; с естественной или искусственной подачей воздуха; с циркуляцией и без циркуляции сточных вод; на биофильтры одноступенчатые и двухступенчатые; капельные и высоконагруженные. Двухступенчатые биофильтры применяются в случае, когда необходима высокая степень очистки, и нельзя увеличить высоту биофильтров. Биопленка выполняет функции как активный ил. Активная мощность биофильтров ниже мощности аэротенков.

На эффективность очистки сточных вод биофильтрах влияют биохимические, массообменные, гидравлические и конструктивны параметры. Среди них следует отметить: БПК очищаемой сточной воды, природу органических загрязнений, скорость окисления, интенсивность дыхания организмов, массу веществ абсорбированных пленкай, толщину пленки, состав обитающих е ней микроорганизмов, интенсивность аэрации, площадь и высоту биофильтров, характеристику загрузки, физические свойства сточной воды, температура процесса и т.д.

Биофильтры с капельной фильтрацией имеют низкую производительность но обеспечивают полную очистку. Гидравлическая нагрузка их равны 0,5 – 3 м32 · сут). Они используются для очистки до 1000 м3/сут вод при БПК не более 200 мг/л.

Высоконагруженные фильтры работают при гидравлической нагрузке 10 – 30 (м3/ м2 · сут) т.е. очищают в 10 – 15 раз больше сточной воды чем капельные. Однако они не обеспечивают полную биологическую очистку. Для лучшего растворения кислорода производят аэрацию. Объем воздуха подаваемого в биофильтр не превышает 16 м3 на 1 м3 сточной воды. При БПК20 > 300 мг/л обязательно осуществляется циркуляция сточной воды.

Башенные биофильтры применяются для очистных сооружений производительностью до 5000 м3 в сутки. Погруженные или дисковые биофильтры работают при расходах до 500 м3 в сутки. Они представляют собой резервуар в котором имеется вращающийся вал с насаженными на нем дисками. Размер дисков 0,6 – 3 м, а расстояние между ними 10 – 20 мм. Диски бывают металлические, пластмассовые , асбестоцементные. Вал вращается со скоростью 1 – 40 об/мин.

Биопленка растет на наполнителях биофильтра, она имеет вид слизистых обрастаний толщиной 1 – 3 мм и более. Цвет ее меняется с изменением состава сточных вод от серовато-желтого до темно-коричневого.

Биопленка состоит из бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. В ней встречаются более разнообразные представители простейших чем в активном иле. Личинки комаров и мух черви и клещи поедают активный ил и биопленку вызывая их разрыхление. Это способствует процессу очистки. Число микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле. В 1 м3 биопленки содержится 1 * 1012 бактерий.


Биохемические методы очистки сточных вод.

Биохимический метод применяется для очистки хозяйственно – бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, нитратов и т.д.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов, использовать эти вещества для питания в ходе своей жизнедеятельности – органические вещества для микроорганизмов является источником углерода.

Сточные воды, направляемые на биохимическую очистку, характеризуются величиной БПК и ХПК. БПК – это биохимическая потребность в кислороде, или количество кислорода использованного при биохимических процессах окисления органических веществ (не включая процессы нейтрализации) за определенный промежуток времени (2, 5, 8, 10, 20 суток) в мг О2 на 1 мг вещества.

Например: БПК5 – биохимическая потребность в кислороде за 5 суток. БПКn – полная биохимическая потребность в кислороде до начала процессов нитрификации. ХПК – химическая потребность в кислороде т.е. количества кислорода, эквивалентное количеству расходуемому окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей содержащихся в воде, которую так же выражают в мг О2 на 1 мг вещества. Контактируя с органическими веществами микроорганизмы, частично разрушают их, превращая в воду, двуокись углерода нитрит – сульфат – ионы. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биохимическим окислением. Некоторые органические вещества легко окисляются, а некоторые не окисляются совсем или окисляются медленно. Для установления возможности подачи промышленных вод на биохимические очистные сооружения устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые  не влияют на процессы биохимического окисления (МКб) и на работу очистных сооружений (МКб.о.с.). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливают по отношению БПКn и ХПК. При отношении (БПКn / ХПК)· 100 ≥ 50% вещества поддаются биохимическому окислению. При этом, чтобы сточные воды не содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Для неорганических веществ, которые не подаются окислению, устанавливаются так же максимальные концентрации. Если концентрации превышены, воды нельзя подвергать биохимической очистке.

Биохимический показатель является параметром необходимым для расчета и эксплуатации промышленных сооружений для очистки сточных вод. Его назначение колеблется для разных групп сточных вод. Промышленные сточные воды имеют низкий показатель (0,05 – 0,3); бытовые воды – свыше 0,5. По биохимическому показателю концентрации загрязнений и токсичности промышленные сточные воды делятся на четыре группы:

Первая группа – имеет биохимический показатель выше – 0,2; к этой группе относятся воды пищевой промышленности (дрожжевых, крахмальных, пивоваренных заводов, жирных синтетических кислот, белково-витаминных концентратов и т.д.). Органические загрязнения этой группы не токсичных для микробов.

Вторая группа – имеет показатель в пределах 0,1 – 0,02. В эту группу входят сточные воды коксования, коксохимических, газосланцевых садовых заводов. Эти воды после механической очистки направляются на биохимическое окисление.

Третья группа – показатель имеет 0,01 – 0,001. К ним относятся сточные воды процессов сульфирования хлорирования, производства масел и ПАВ, сернокислотных предприятий, черной металлургии и т.д. Эти воды после механической и физико-химической локальной очистки направляются  на биохимическое окисление.

Четвертая группа – показатель имеет ниже 0,001. Воды этой группы содержат взвешенные вещества. Для них используют механические методы очистки. К этим водам относятся стоки угле - и рудаобагатительных фабрик. Сточные воды первой и второй групп относительно постоянны по виду и расходу загрязнений. Они применимы в системах оборотного водоснабжения. Стоки третьей группы образуется периодически, и отличаются переменной концентрацией загрязнений, устойчивых к биохимическому окислению. Они загружены веществами, которые хорошо растворимы в воде. Эти воды не пригодны для оборотного водоснабжения.

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки сточных вод. Аэробный метод основан на использовании аэробных групп  микроарготизмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20 – 40ºС.  При изменении этих условий состав и число микроарготизмов меняется. При аэробной очистке микроарготизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы биохимической очистки протекают без доступа кислорода, их используют для обезвреживания осадков.

Состав активного ила и биопленки.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата. Живые организмы представлены скоплениями бактерий, простейшими организмами, одиночными бактериями, червями, плесневыми грибами, дрожжами и редко водорослями, личинками насекомых и т.д. Сообщество все живых организмов населяющих ил называют биоценозом. Биоценоз активного ила в основном представлен 12-ю видами микроарготизмов и простейших. Скопления бактерий в активном иле окружены слизистым слоем (капсулами). Такие скопления называются зоочлеями. Зоочлеи способствуют улучшению структуры ила, его осаждению и уплотнению. Слизистые вещества содержат антибиотики, способные подавлять ниточные бактерии. Соотношение капсульных и без капсульных штаммов называют коэффициентом зоочлейности. Бактерии лишенные слизистого слоя с меньшей скоростью окисляют загрязнение.

Активный ил представляет собой амфотерный коллоид, имеющий при pH 4 – 9 отрицательный заряд. Несмотря на различие сточных вод элементарный химический состав активного ила достаточно близок по составу.

Например: химический состав активного ила системы очистки коксохимического предприятия соответствует формуле С97Н199О53N28S2 ; азотных удобрений C50H167O52N24S8 ; городских сточных вод C54H212O82N8S7 . Сухое вещество активного ила содержит 70 – 90% органических и 10 – 30% неорганических веществ. Субстрат, которого в активном иле до 40% представляет собой твердую отмершую часть остатков водорослей и различных водных организмов. Он служит для прикрепления организмов активного ила. В активном иле находятся микроорганизмы различных групп. Возникновение таких групп зависит от состава сточных вод, содержания в них кислорода, температуры, реакции среды, содержания солей.

По экологическим группам микроорганизмы делятся на аэробов и анаэробов, термофилов и мезофиллов, галлофилов и галлофобов. При очистки сточных вод  преобладают аэробные микробы.

В активных илах встречаются представители четырех видов простейших организмов: саркодовые, жгутиковые, реснитчатые и сосущие инфузории. Простейшие не принимают непосредственно участия в разрушении органических загрязнений, но поглощают большое количество бактерий (одна инфузория пропускает через свой организм от 20 – 40 тысяч бактерий). Поддерживая их оптимальное содержание в иле. Они способствуют осаждению ила и осветлению сточных вод.

Коловратки – микроскопические организмы длиной 0,01 – 2,5 мм существуют только при наличии в сточной воде кислорода. Они питаются бактериями и простейшими. В активном иле в определенных соотношениях содержатся все названные группы бактерий , но в зависимости от состава сточных вод преобладает одна из них , а остальные ей сопутствуют. Только основная группа бактерий участвует в процессе очистки стоков, и сопутствующие группы микробов подготавливают среду для существования микроорганизмов, этой основной группы обеспечивая ее питательными и ростовыми веществами и утилизируя продукты окисления.

Биомасса основной физиологической группы бактерий ведущих процесс окисления состовляет в илах 80 – 90%, а остальное – биомасса сопутствующих бактерий и других организмов.

При образовании активного ила сначала появляются бактерии, затем простейшие. Бактерии выделяют вещества, стимулирующие размножение простейших. Они способны скапливаться и поэтому активный ил представляет собой буровато-желтоватые комочки и хлопья размером 8 – 150 мкм. Хлопья обладают поверхностью около 1200 м2  на 1 м3 ила или 100 м2 на 1 т сухого вещества. В 1 м3 содержится активно ила 2 * 1014 бактерий.

Количество ила определяется скоростью его осаждения и степенью очищаемой жидкости. Крупные хлопья оседают быстрее. Состояние ила характеризует иловый процесс, который представляет собой отношение объема осаждаемой части активного ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение 30 минут. Чем хуже оседает ил, тем более?


Очистка вод коагуляцией и флокуляцией.

Коагуляция – это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция может происходить самопроизвольно, под влиянием добавляемых к ним специальных веществ коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидратов окиси металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы агрегировать их. Коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, в результате между ними возникает взаимное притяжение. Процесс гидролиза коагулянтов и образование хлопьев происходит по следующим стадиям:

Ме3+ + НОН             Ме(ОН)2+ + Н+

Ме(ОН)2 + НОН              Ме(ОН)+2 + Н+

Ме(ОН)+2 + НОН              Ме(ОН)3  + Н+

Ме3+ + НОН                  Ме(ОН)3     + 3Н+

В качестве коагулянтов используют обычно соли алюминия, железа или их смеси. Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости.

Скорость коагуляции зависит от концентрации электролита. При малых концентрациях электролита эффективность соединений частиц, т.е. отношение числа столкновений окончившихся слипанием к общему числу столкновений близки к нулю (φ = 0). По мере роста концентрации скорость коагуляции увеличивается, но не все столкновения эффективны – такую коагуляцию называют медленной. При  φ = 1 наступает быстрая коагуляция, при которой все столкновения частиц заканчиваются образованием агрегатов.

В полидисперсных системах  коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных , так как крупные частицы пи оседании увлекают за собой более мелкие. Форма частиц так же влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные. Размер хлопьев (пределах 0,5 – 3мм) отделяются между молекулярными силами удерживающими частицы в месте, и гидродинамическими силами отрыва, стремящимся разделить агрегаты. Прочность хлопьев зависит от гранулометрического состава образующихся частиц и их пластичности. Агломераты частиц неоднородных по размеру прочнее однородных. Вследствие выделения газов из воды, а так же в результате аэрации и флотации происходит газонасыщение хлопьев, которое сопровождается уменьшением объемного веса хлопьев и уменьшением скорости осаждения хлопьев.  

Флотация – это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличии от когуляции при флокуляции агрегация проходит не только при непосредственном контакте частиц но и в результате взаимодействия молекул адсорбируемого на частице флокулянта.

Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроокисей алюминия и железа с целью повышения скорости осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагулирования и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Для очистки сточных вод используют природные и синтетические флокулянты. К природным относятся: крахмал, декстрин, эфиры и д.р. Активная кремневая кислота является наиболее распространенным неорганическим флокулянтом. Из синтетических наибольшее применение получил полиакриламид технический и гидрализованный. Технический получают при взаимодействии акрилонитрила с серной кислотой с последующей полимеризацией акриламида. Гидролизованный получают омывание технического полиакриламида щелочью. При выборе состава и дозы флокулянта учитывают свойства его макромолекул и природу диспергированных частиц. Оптимальная доза технического полиакриламида при очистки промышленных сточных вод колеблется в пределах 0,4 – 1 г/м3  . Полиакриламид действует в широком диапазоне pH среды. Однако скорость осаждения сфокулированных хлопьев при pH – 9 уменьшается.

Механизм действия флокулянтов основан на следующих явлениях: адсорбции молекул флокулянта на поверхности коллоидных частиц;

  •  ретикуляции (образование сетчатой структуры) молекул флокулянта;
  •  слипание коллоидных частиц за счет сил Ван – дер – Вальса.

Эффективность флокулянта рассчитывается по формуле:

Где VcфV – скорость осаждения сфокулированного и несфокулированного шлама соответственно, мм/сек; д – расход флокулянта на 1т твердого вещества, г.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией  и флотацией состоит из нескольких стадий:

  1.  дозирование и смешивание реагентов сточной водой;
  2.  хлопьеобразование;
  3.  осаждение хлопьев.

Для смешивания коагулянтов и флокулянтов с водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды. В механических смесителях – аппаратах с мешалками, процесс перемешивания происходит равномерно и медленно, чтобы частицы при сближении образовывали хлопья, которые не разрушались бы при вращении мешалки. После смешения сточных вод с реагентами вода направляется в камеры хлопьеобразования. Используют перегородочные, вихревые с механическими мешалками камеры. Образованнее хлопьев происходит за 30 – 40 минут.

Камера представляет собой резервуар, разделенный перегородками ряд последовательно проходимых водой коридоров. Скорость движения воды в коридорах принимают 0,2 – 0,3 м/сек.

Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях. Часто процессы смешивания, коагулирования и осаждения проводят в одном аппарате.

Очистка сточных вод окислителями и восстановителями.

Для очистки сточных вод используют следующие окислители; газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорную известь, гипохлориты кальция и натрия. Перекись водорода, кислород, воздух, озон, пиролюзит и д.р.

В процессе окисления токсичные загрязнения в сточных водах, в результате  химических реакций, переводятся в менее токсичные с последующим удалением их из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому методы окисления применяются в тех случаях, когда вещества, загрязняющие сточные воды нельзя извлечь другими методами.

Например: очистка от цианистых соединений растворенных соединений мышьяка и т.д.

Способность веществ проводить окисление определяется величиной окислительного потенциала. Из всех известных первое место занимает фтор, но из – за высокой агрессивности не используется на практике.

Окисление хлором: хлор и вещества, содержащие активный хлор являются наиболее распространенными окислителями. Их используют для очистки сточных вод от сероводорода, метилсернистых  соединений, фенолов, цианидов. При введении хлора в воду образуется хлорноватистая и соляная кислоты: Cl2 + H2O = HOCl + HCl далее происходит диссоциация хлорноватистой кислоты степень которой зависит от pH среды. При pH > 4 молекулярный хлор почти отсутствует.  HOCl            H+ + OCl- , сумма Cl2 + HOCl + OCl- называется активным хлором. В присутствии аммонийных соединений в воде образуется хлорноватистая кислота, хлорамин NH2Cl, и дихлорамин NHCl2. Хлор в виде хлораминов называется связанным активным хлором.

При окислении цианидов активным хлором процесс проводится в одну стадию до получения цианидов. CN- + OCl-           CNО- + Cl-

Образовавшиеся цианиды легко гидролизируются до карбонатов:

CNО- + H2O          CО2-3 + NH4+

Скорость гидролиза зависит от pH – среды. При pH – 5,3 за сутки гидролизируется около 80% цианатов.

Озонирование: Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов. При озонировании очищаются сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, цианидов, соединений мышьяка, ПАВ, канцерогенных ароматических углеводородов и т.д.

Озон – газ бледно-фиолетового цвета. В природе находится в верхних слоях атмосферы. При t – 111,9º С озон превращается в нестойкую жидкость. Чистый озон взрывоопасен,  так при его разложении высвобождается большое количество тепла. Очень токсичен. Максимально допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны равна 0,0001 мг/м3. обезвреживающее действие основано на высокой окислительной способности, обусловленной легкостью отдачи им активного атома кислорода (О3 = О2); озон окисляет все металлы кроме золота, превращая их в окислы. В одном растворе озон диссоциирует быстрее, чем в воздухе. При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обеззараживание воды; бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке хлором. Растворимость озона в воде зависит от pН и содержания в воде растворенных веществ.

Действие озона в процессах окисления могут происходить в трех направлениях: 1. – непосредственное окисление с участием одного атома кислорода; 2 – присоединение целой молекулы озона в окисляемое вещество с образованием озонидов;  3 – каталитическое усиление окисляющего воздействия кислорода присутствующего в озонированном воздухе. Озон подают в сточную воду в виде озоно-воздушной или  озоно – кислородной смеси. Концентрация озона в смеси – около 3%. Для усиления процесса  окисления смесь диспергируют в сточной воде на мельчайшие пузырьки газа.

Озонирование – представляет собой процесс абсорбции сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе. Озон получают из кислорода воздуха под действием электрического разряда в генераторах. Перед подачей воздуха или чистого кислорода в генератор его предварительно сушат, так с увеличением влажности воздуха выход озона уменьшается. Расход энергии на производство 1 кг озона из атмосферного воздуха составляет около 18 кВт · час; из кислорода – около 9 кВт · час. Для озонирования промышленно сточных вод используют аппарат различной конструкции. Это могут быть барботажные, насадочные и тарельчатые колонны.

Процесс значительно сокращается при использовании ультразвука, ультрафиолетового облучения и озона. Ультрафиолетовое облучение ускоряет процесс в 102 – 104 раз.  

Очистка восстановителем: методы восстановительной очистки сточных вод применяются в случаях, когда они содержат легко восстанавливаемые вещества. Эти методы используются для удаления из сточных вод соединений ртути, хрома, мышьяка. В процессе очистки неорганические соединения ртути восстанавливаются до металлической ртути. С дальнейшим отделением ее от воды отстаиванием, фильтрованием или флотацией. Соединения ртути сначала окисляют с разрушением соединения, а затем катионы ртути восстанавливают до металлической ртути. Для восстановления ртути используют сульфид железа, гидросульфид натрия, гидразин, железный порошок и т.д.

Мышьяк в сточных водах находится в виде кислорода содержащих молекул и анионитов, а так же в виде анионов тиосолей AsS-2, AsS2-3. Наиболее распространенный способ удаления мышьяка является осаждение его в виде труднорастворимых соединений. При больших концентрациях мышьяка до 110 г/л метод очистки основан на восстановлении мышьяковой кислоты, до мышьяковистой двуокисью серы. Осаждается в виде трехокиси мышьяка.

Метод очистки вод от веществ содержащих шестивалентный хром основан на восстановлении его до трехвалентного с последующим осаждением в виде гидроокиси в щелочной среде. В качестве восстановителей используется активный уголь, водород, двуокись серы, отходы органических веществ. Например: газетная бумага т.д. На практике используют растворы биосульфита натрия.


Химические методы очистки сточных вод.

К химическим методам очистки сточных вод относят: нейтрализацию; коагуляцию, флокулирование, окисление и восстановление.

Все эти методы связаны с расходом различных реагентов, поэтому очень дороги. Они используются для удаления растворимых веществ и взвешенных частиц – химическая очистка проводится иногда как предварительная перед биологической или после нее как метод доочистки.

Нейтрализация сточных вод: сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоем или перед использованием в технологических процессах подвергаются нейтрализации. Практически нейтральными считаются воды имеющие pН – 6,5 – 8,5. Для нейтрализации кислых вод используют щелочи, а щелочных – кислоты.

Нейтрализация проводится различными путями: смешивание кислых и щелочных сточных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами и т.д.

Выбор метода зависит от объема и поступления, наличия и стоимости реагентов. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки, количество которых зависит от концентрации и состава сточных вод , а так же от вида и расхода используемых реагентов.

1. Нейтрализация слипанием: этот метод применим в том случае если на одном предприятии или на соседних имеются кислые и щелочные воды не загрязненные другими компонентами. Смешивание вод производится в емкости с мешалкой или без мешалки. В последнем случае перемешивание ведут воздухом при его скорости в линии подачи 20 – 40 м/с.

При переменной концентрации сточных вод в схеме предусматривается установки усреднителя или осуществляется автоматическое регулирование подачи вод в камеру смешения.

2. Нейтрализация путем добавления реагентов: Для нейтрализации кислых вод используются щелочи (NaOH, KOH) , сода (Na2CO3), аммиачная вода (NH4OH), карбонаты кальция и магния, цемент. Наиболее дешевым реагентом является известковое молоко с содержанием активной извести Са(ОН)2 – 5 – 10%. Соду и едкий натр используется если они являются отходами производства. Иногда для нейтрализации применяются отходы производства: например шлаки сталеплавильных и других производств.

Реагенты выбирают в зависимости от состава и концентрации кислой сточной воды. При этом учитывается будет ли в процессе образовываться осадок или нет. Различают три вида кислосодержащих сточных вод: 1 – воды, содержащие слабые кислоты (СН3, СОО, ОН); 2 – воды, содержащие сильные кислоты (HCl, HMO3). Соли этих кислот хорошо растворимы в воде. 3 – воды, содержащие серную и сернистую кислоту кальциевые соли этих кислот плохо растворимы в воде и выпадают в осадок. Известь для нейтрализации в водится в виде известкового молока (мокрое дозирование) или в виде порошка (сухое дозирование).

Для гашения извести используют шаровые мельницы мокрого помола в которых одновременно происходит тонкое измельчение и гашение. для смешивания сточных вод с известковым молоком используют гидравлические смесители различных типов: дырчатые, перегородчатые , вихревые с механическими мешалками барботажные с расходом воздуха 5 – 10 м3/час на 1 м2 свободной поверхности.

При нейтрализации сточных вод содержащих серную кислоту известковым молоком в осадок выделяется гипс СаSO4 · 2Н2О. Растворимость гипса мало меняется с температурой. При перемешивании таких растворов происходит отложение гипса на стенках трубопроводов и их забивки. Для устранения забивки необходимо промыть чистой водой с добавлением смягчителя, например гексамета фосфата.

3. Нейтрализация фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы: В этом случае для нейтрализации кислых вод проводят фильтрование их через слой магнезита, доломита известняка, твердых отходов (шлак, зола).процесс ведут в фильтрах – нейтрализаторах, которые бывают горизонтальными или вертикальными. Для вертикальных фильтров используют куски доломита размером 30 – 80 мм. При высоте слоя материала 0,85 –1,2 м, скорость не более 5 м/час, а продолжительность контакта не менее 10 мин. У горизонтальных фильтров скорость течения сточных вод 1 – 3 м/сек.

4. нейтрализация кислыми газами: Для нейтрализации щелочных сточных вод  в последнее время используют отходящие газы, содержащие СО2, SO2, NO2 и др. Применение кислых газов позволяет не только нейтролизовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих этих газов от вредных компонентов. Например применение СО2 дымовых газов позволяет резко снизить стоимость процесса нейтрализации по сравнению с использованием Н2SO, HCl.

Вследствие плохой растворимости СО2 уменьшается опасность перекисления нейтрализованных растворов.

Процесс нейтрализации осуществляется в реакторах с мешалкой в распылительных пленочных колоннах. Дымовые газы вентилятором подается в кольцевое пространство вокруг вала мешалки и распределяются мешалкой в виде пузырьков и струй в сточной воде, поступающей внутрь реактора. Благодаря большой поверхности контакта между водой и газами происходит быстрая нейтрализация сточной воды.


смола

Очищенный

раствор

Сточная

вода

очищенная вода

Сточная вода

2

1

концентрат

1

Рис.1.

1 – тарелка; 2 – разделительная зона; 3 – корпус; 4 – эрлифт.

3

4

воздух

Смола на регенерацию

2

Сточная

вода

рафинат

Свежий

экстрагент

Конечный

экстракт

3

3

2

2’

1

1’

1

4

Очищенная

вода

шлам

3

осадок

Сточная

вода

Однокамерная электрофлотационная установка: 1 – корпус; 2 – электроды.

2

1

Электролизер:

1 – корпус, 2 – анод,

3 – катод, 4 – диафрагма.

SO4

Na

OHˉ

H

O2

H2

H2SO4

Na2SO4

NaOH

Сточная вода

воздух

газы

+ Q

Очищенная вода

1

2

6

5

4

3

1 – сборник; 2 – насос; 3 – теплообменник; 4 – печь;5 – реактор; 6 – сепаратор.

Сточная

вода

1

7

6

конденсат

Очищенная

вода

воздух

3

4

5

пар

Дымовые

газы

вода

Схема установки для очистки сточных вод каталитическим окислением:

1 – емкость; 2 – выпарной аппарат; 3 – теплообменник; 4 – контактный аппарат; 5 – котел-утилизатор; 6 – печь; 7 – центрифуга.

В атмосферу

пыль

5

6

4

3

воздух

топливо

2

Сточная

вода

1

пар

7

Схема установки «огневого» обезвреживания сточных вод:

1 – печь; 2 – котел-утилизатор; 3 – воздухоподогреватель; 4 – аппарат сухой очистки газов; 5 – труба; 6 – дымосос; 7 – воздуходувка.

СН2       СН

             СОNH2

n


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81202. Догматы и культ иудаизма 26.33 KB
  Центральная доктрина иудаизма вера в единого Бога который бессмертен вечен всемогущ вездесущ и безграничен. В соответствии с нормами иудаизма верующий поддерживает связь с Богом через молитву а божья воля открывается человеку через Танах.
81203. Структура Ветхого завета в иудаизме 22.12 KB
  Книги Ветхого Завета были написаны в период с XIII по I в. Ветхий Завет состоит из следующих книг: 1 Книги закона Тора Учение или Пятикнижие Моисеево составление книг приписывается Моисею: Бытие сотворение мира и человека рай первые люди грехопадение размножение человечества всемирный потоп Ной патриархи родоначальники еврейского народа Авраам Исаак Иаков Иосиф с братьями поселение евреев в Египте; Исход Моисей 10 заповедей освобождение из плена; Левит религиозное законодательство; Числа законодательство и...
81204. Формирование ислама. Жизнь и деятельность Мухаммеда 25.03 KB
  Жизнь и деятельность Мухаммеда. Политическое и религиозное движение возглавил пророк Мухаммед. Мухаммед родился в 570 г. Мать Амина по обычаю мекканцев отдала Мухаммеда кормилицебедуинке у которой он рос до 5 лет.
81205. Вероучение ислама 24.39 KB
  Иман или вера включает: Веру в Единого Бога Аллаха. Веру в Ангелов и демонов. 3Веру в Святые Писания и в святость Корана который считается словом божьим божественным откровением которое передавал Аллах в виде видений Мухаммеду в течение 22 лет т. 4Веру в Пророков и в посланничество Мухаммеда.
81206. Коран – священная книга ислама 24.8 KB
  Главным источником веры является Коран священная книга мусульман состоящая из притч молитв и проповедей Мухаммеда. спустя почти два десятилетия после смерти пророка был составлен свод Коран чтение другие названия: китаб книга зикр предостережение . Святость Корана обусловлена тем что изречения пророку диктовал архангел Джебраил на протяжении 22 лет доносивший слова самого БогаАллаха. эти откровения составили канонический текст Корана который дошел до наших дней в неизменном виде.
81207. Основные направления в исламе 24.66 KB
  В результате внутренних противоречий в VII веке возникли два направления: сунниты и шииты. Последователи суннизма признавали законность власти первых четырех халифов а шииты считали единственным законным главой мусульман четвертого халифа Али ум. Шииты поклоняются этому имаму и верят что перед Страшным Судом явится махди для установления на земле равенства и справедливости. Шииты как и сунниты признают святость Корана а в Сунне признают лишь те хадисы авторами которых являются четвертый халиф Али и его последователи.
81208. Пять столпов ислама 24.1 KB
  Саум пост. Мусульманский пост заключается в воздержании от пищи питья наслаждения и развлечений. Главным и обязательным для всех кроме больных путешествующих военных и беременных является пост в месяц рамадан; кроме того существует еще дата в которой поститься желательно. Уразабайрам праздник разговенья окончания поста.
81209. Основные идеи шариата. Понятие джихада 26.17 KB
  Понятие джихада. Джихад с точки зрения шариата является общим понятием путей и методов достижения деяний высказываний и убеждений любимых и одобряемых Всевышним Аллахом а также отражения деяний высказываний и убеждений порицаемых и ненавистных Пречистому Аллаху. Ибн альКаййим: Джихад подразделяется на четыре уровня: джихад против самого себя джихад против шайтана джихад против неверующих и лицемеров и джихад против приверженцев несправедливости нововведений и порицаемых действий. Джихад против самого себя также имеет четыре уровня:...
81210. Происхождение буддизма. Реальная и мифологическая жизнь Будды 25.61 KB
  Это путь самоуглубления для познания истины путь ведущий к покою и к просветлению духа. Открыв истинный путь начал проповедовать. Именно Будде Шакьямуни мудрецу из племени шакьев удалось доступно и убедительно выразить ожидания общества: жизнь есть страдание от страдания можно спастись есть путь спасения этот путь нашел и описал Будда.