Решетько М.В. Рациональное природопользование. Часть 2

Подождите немного. Документ загружается.

Первопарация является разновидностью испарения, которое в дан-

ном случае реализуется через мембрану. Процесс заключается в том,

что нагретая жидкость достигает внутренней поверхности мембраны,

частично проникает через нее и испаряется с ее внешней стороны. Об-

разующийся при этом парообразный пермеат удаляют вакуумированием

или в потоке газа-носителя, например воздуха. С начала 70-х

годов пер-

вопарация используется для обезвоживания органических растворите-

лей и спиртов, опреснения воды, очистки веществ в пищевой промыш-

ленности и других отраслях.

Вымораживание проводится при температурах замерзания воды

или сточных жидкостей и осуществляется в случаях, когда концентра-

ции примесей не достигают насыщения, и загрязнители не переходят в

лед, а, в

отличие от кристаллизации, остаются в жидкой части. Замора-

живание сточных вод используют как способ их очистки и обеззаражи-

вания. Его осуществляют дождеванием сточных вод или их распылени-

ем на мельчайшие капельки сжатым воздухом на установках искусст-

венного снега при отрицательных температурах атмосферы. Эффект

обеззараживания усиливается воздействием солнечной радиации как

при складировании

льда, так и при его таянии в теплый период года.

Применение замораживания снижает расходы на очистку стоков вдвое

по сравнению со стабилизацией в аэрируемых прудах.

Магнитная обработка используется при очистке сточных вод ме-

таллургических предприятий от ферромагнитных механических приме-

сей, а также в системах оборотного водоснабжения для предупреждения

накипеобразования в

теплообменных аппаратах. Эффект магнитной об-

работки всецело определяется составом примесей, внешними условиями

и наиболее выражен при наличии ферромагнитных частиц [11].

4.3. Химические

Химические методы применяют для удаления из сточных вод рас-

творимых загрязнителей, используя различные реагенты. При взаимо-

действии с примесями последние образуют безвредные соединения или

малорастворимые осадки, в состав которых переходят

элементы вред-

ных веществ. Таким образом, изменяются не только физические, но и

химические свойства подвергаемых очистке систем. Исчезают и возни-

кают различные вещества.

Химические методы очистки можно применять самостоятельно пе-

ред спуском стоков в водоем или в канализацию. В ряде случаев хими-

ческую очистку целесообразно осуществлять перед биохимической об-

работкой сточных

вод. Используют ее и как метод глубокой очистки

производственных стоков с целью их дезинфекции, обесцвечивания или

извлечения различных компонентов. Основными методами химической

очистки являются нейтрализация и окисление.

4.3.1. Нейтрализация

Нейтрализацию осуществляют для приведения рН сточных вод к

6,5–8, т. е. к среде, близкой к нейтральной. Более опасны (химически

активнее) и чаще, в сравнении со щелочными, встречаются кислые сто-

ки. Последние обычно загрязнены минеральными кислотами (серной,

азотной, соляной, фосфорной, сероводородной, плавиковой, хромовой и

др.), их смесями, а также органическими кислотами (уксусной,

салици-

ловой и пр.).

Все методы нейтрализации основаны на взаимодействии кислоты с

основаниями или основными окислами с образованием соли и воды.

Соль, в зависимости от величины ее растворимости, остается в растворе

или выпадает в осадок.

Применяют следующие способы нейтрализации [11]:

• взаимную кислых и щелочных сточных вод их смешением;

• реагентную (растворами

кислот, негашеной и гашеной известью,

кальцинированной Nа

СОз и каустической NаОН содой, раствором ам-

миака);

• на специальных фильтрах, пропуская сточные воды через нейтра-

лизующие материалы (известь, известняк, доломит, магнезит, обожжен-

ный магнезит, мел и т. д.).

Из отмеченных способов взаимная нейтрализация, при реальной

возможности получить необходимую рН, всегда предпочтительнее, так

как не требует затрат реагентов и практически

не ограничена во времени.

Нейтрализация сточных вод осуществляется на станциях реагент-

ной нейтрализации (принципиальная схема представлена на рис. 4.10).

Для отстаивания осадков нейтрализации применяют горизонталь-

ные радиальные или вертикальные аппараты со временем пребывания в

них сточных вод не менее 2 ч.

В последнее время предложены способы нейтрализации щелочных

сточных вод дымовыми газами,

содержащими кислотные оксиды СО

SО

, NOx и др. Это позволяет одновременно очищать газы от данных

компонентов.

Рис. 4.10. Принципиальная схема станции нейтрализации [11]:

1 – песколовки, 2 – усреднители, 3 – склад реагентов, 4 – растворные баки,

5 – дозатор, 6 – смеситель, 7 – нейтрализатор, 8 – отстойник,

9 – осадкоуплотнитель, 10 – вакуум-фильтр,

11 – накопитель обезвоженных осадков, 12 – шламовые площадки

4.3.2. Окисление

Окисление проводят с целью обезвреживания производственных

сточных вод, содержащих токсичные примеси или соединения, извле-

чение которых нецелесообразно. Очистка сточных вод производится с

помощью реагентов-окислителей. Помимо очистки сточных вод с по-

мощью реагентов-окислителей, используют и термоокислительные ме-

тоды, основанные на окислении примесей при повышенной температу-

ре и дающие значительный эффект

обезвреживания. Они предназна-

чаются в основном для обезвреживания углеводородных примесей, не

смешиваемых с водой в обычных условиях. Термоокисление исполь-

зуют при небольших расходах высококонцентрированных сточных вод

(t до 600–1000 °С).

В качестве окислителя используют хлор, гипохлориты натрия и ка-

лия (NаСlO и КСlO), диоксид хлора СlO

, озон, технический кислород и

кислород воздуха, пероксид водорода Н

, перманганат калия КМnO

бихромат калия К

Сг

и другие неустойчивые вещества, выделяющие

при разложении химически активный атомарный кислород, служащий

энергичным окислителем. При окислении растворенные ядовитые ве-

щества переходят в нетоксичные соединения, в том числе выпадающие

в осадок и удаляемые последующими отстаиванием или фильтрацией.

Наиболее часто используют хлорирование и озонирование сточных вод,

являющиеся одними из самых распространенных способов

их очистки

от ядовитых цианидов и ряда других органических и неорганических

соединений.

Хлорирование в настоящее время является самым распростране-

ным среди химических методом обеззараживания воды. Реагент сравни-

тельно недорог, активен, обладает широким спектром антимикробного

действия, легко дозируется и контролируется. В основном используется

сжиженный хлор, сохраняемый под давлением в баллонах. Серьезный

недостаток обработки воды хлором – потенциальная опасность возник-

новения чрезвычайных аварийных ситуаций. Кроме того

, многочислен-

ные данные свидетельствуют, что хлорирование питьевой воды и сточ-

ных вод приводит к образованию хлорорганических соединений. Хло-

рорганика вызывает высокие уровни мутагенной активности и токсич-

ности, канцерогенные эффекты. Это усугубляется тем, что образующие-

ся хлорорганические соединения обладают высокой стойкостью, вызы-

вая загрязнение водоемов на значительной площади и практически не

извлекаясь в процессе водоподготовки. Потребление хлора в Европе,

США, Японии сокращается. Однако, отказ от них полностью в водопод-

готовке в ближайшее время невозможен, поскольку ни один метод

(кроме серебрения воды) не обладает необходимым последействием,

что весьма важно для сохранения качества воды в распределительных

сетях.

Метод озонирования, впервые использованный во Франции

для об-

работки питьевых вод (1897 г.), в настоящее время зачастую рассматри-

вается как альтернатива хлорированию. В качестве составляющей об-

щего технологического процесса он применяется на тысячах водопро-

водных станций Европы, в основном во Франции, Германии и Швейца-

рии. Только в Германии в 1997 г. насчитывалось около 3 тыс. станций

озонирования, в том числе

для подготовки питьевой воды – 388, в обо-

ротном водоснабжении – 239, на канализационных очистных сооруже-

ниях – 134, в плавательных бассейнах – 1908, в производстве прохлади-

тельных напитков – 404. В России начиная с 1976 г. озонирование вне-

дрено на водопроводных станциях Москвы, Н.Новгорода, Кургана, Тю-

мени, Ярославля, Самары, Перми.

Основные преимущества озона в сравнении с другими реагентами:

•

большая, чем у хлора, активность, одновременно с обеззаражива-

нием удаляются другие загрязнения воды (цветность, запах, привкус, же-

лезо, марганец и т. д.), вирусы

• отсутствие побочных токсичных хлорорганических продуктов

реакции

• улучшение экологического состояния водоемов вследствие ис-

ключения последействия очищенных и обеззараженных сточных вод на

жизнедеятельность водоемов.

Недостатки озона: неустойчивость в воде, высокая энергоемкость и

стоимость озонаторных установок.

Помимо обеззараживания, озон применяют для очистки сточных

вод от тяжелых цветных металлов, цианидов, сульфидов, фенолов и

других органических примесей. Степень обезвреживания цианидов за-

висит от их концентрации и продолжительности озонирования. При

концентрации 0,25–0,50 г/л в течение 60 мин окисляется 40–70 % циа-

нидов

, а при концентрации порядка 0,1 г/л – до 100 %. Эффективность

озонирования увеличивается, если предусматривается последующая об-

работка стоков на активированных углях [11].

Обработку хлором или озоном проводят в окислительных колоннах

или контактных камерах (рис. 4.11). Если в растворе находится какой-то

другой окислитель, то его сначала подают в смесители, а затем в кон-

тактный

резервуар.

Рис. 4.11. Схема контактной камеры озонирования сточных вод [11]:

1 – ввод сточных вод, 2, 5 – камеры озонирования, 3 – ввод озона,

4 – металлокерамические распылительные трубы, 6 – вывод сточных вод

Наряду с озонированием и хлорированием в последние годы полу-

чает распространение очистка сточных и питьевых вод с использовани-

ем гипохлорита натрия, диоксида хлора, пероксида водорода.

Обеззараживание питьевой воды гипохлоритом натрия в нашей

стране внедрено в 1997 г. Воду очищает активный хлор, выделяющийся

при реакции.

Диоксид хлора внедрен для очистки сточных вод США

, а также в

Европе, Израиле, Японии. Применение его может быть многообразным:

на одной из стадий очистки, многократно на различных стадиях в соче-

тании с другими дезинфекторами, окислителями и вспомогательными

реагентами. Эффективно его использование для обеззараживания про-

шедших очистку сточных вод перед сбросом их в водоем. Он применя-

ется также во

многих отраслях пищевой, текстильной, целлюлозно-

бумажной и лакокрасочной промышленности.

Пероксид водорода получил широкое распространение за рубежом

при очистке стоков примерно 20 отраслей промышленности, в комму-

нальном хозяйстве, для дренажных и шахтных вод. Совместное исполь-

зование пероксида водорода и ультрафиолетового излучения или их ком-

бинации в сочетании с озоном позволяет, подобно радиационному воз-

действию, разрушать практически все окисляемые примеси воды [11].

4.4. Физико-

химические

Физико-химические методы основаны на явлениях химического

характера, получающих развитие под влиянием изменения термодина-

мических параметров (давление, объем, температура и т. д.). Эти спосо-

бы очистки базируются на совокупности взаимосвязанных явлений, по-

граничных между физическими и химическими. Физико-химические

методы используют для удаления примесей коллоидных размеров и

растворенных. В зависимости

от местных условий их применяют на

промежуточных или конечных стадиях очистки. Они пригодны для

осаждения токсичных металлов и их солей, удаления масел, осветления

стоков, со снижением БПК и ХПК. Выбор способа очистки определяет-

ся свойствами и кол-вом стоков. Физико-химические методы относятся

к числу наиболее эффективных, однако зачастую отличаются

высокой

стоимостью и вносят вторичные загрязнения [11].

4.4.1. Коагуляция и флокуляция

Будучи в большинстве случаев коллоидными системами суспензи-

онного и эмульсионного типов, вредные примеси стоков могут быть дос-

таточно кинетически и агрегативно устойчивыми и не осаждаться в тече-

ние неопределенно долгого времени. Для нарушения их устойчивости

используют реагентные и безреагентные методы, общим свойством ко-

торых является снятие тем или иным способом заряда

с поверхности

коллоидной примеси. Развивающаяся при этом потеря агрегативной ус-

тойчивости (слияние частиц) ведет к их оседанию, т. е. к очистке стоков.

Реагентные методы предусматривают усиление коагуляции и

флокуляции коллоидных токсичных веществ сточных вод определен-

ными химическими соединениями (коагулянтами и флокулянтами).

В качестве коагулянтов для очистки сточных вод используют хи-

мические вещества, из которых по экономическим соображениям наи-

более часто применяют соли алюминия и железа: сульфат натрия (жид-

кий или сухой), жидкий хлорид алюминия, алюминат натрия, смесь

сульфата натрия с гашеной известью или сульфата двухвалентного же-

леза с известью и др. Дозы коагулянтов устанавливаются опытным пу-

тем в зависимости от качества обрабатываемой воды и требуемой сте-

пени очистки. Обычно они составляют 100–500 г/м

промышленных и

бытовых стоков.

Методы обработки сточных вод с применением флокулянтов зна-

чительно ускоряют процессы агрегации осаждающихся частиц. Флоку-

лянты классифицируют по составу (неорганические, органические),

способу получения (синтетические, природные), агрегатному состоянию

(твердые и жидкие органические флокулянты), электрическому заряду

(анионные, катионные, неионогенные).

К неорганическим флокулянтам относится активная кремнекисло-

та, некоторые

типы глин, мел, осажденные высокодисперсные карбона-

ты кальция, порошкообразный активный уголь, мелкий песок.

К природным органическим флокулянтам относятся альгинаты

(экстракты из водорослей), крахмал, некоторые вещества на основе цел-

люлозы и смолы.

Природные полимеры недостаточно эффективны. Более действен-

ны синтетические органические флокулянты, известные как полиэлек-

тролиты.

Недостаток реагентных методов коагуляции состоит

в повышении

содержания солей в очищенной воде, что становится особо существен-

ным при организации замкнутых циклов водоснабжения [11].

При высоком солесодержании сточных вод предпочтительнее ис-

пользовать безреагентные электрохимические методы коагулирова-

ния (электро- и гальванокоагуляцию, электрофлотацию).

Электрокоагуляция. Очистка промышленных стоков этим спосо-

бом основана на их электролизе с использованием металлических

(стальных или

алюминиевых) анодов, подвергающихся электролитиче-

скому растворению. Как следствие, вода обогащается соответствующи-

ми ионами, образующими затем в среде с рН 5-9 гидроксиды железа и

алюминия, с помощью которых и осуществляется процесс коагуляции.

В настоящее время электрокоагуляцию как способ очистки стоков

используют предприятия машиностроения и приборостроения, химиче-

ские, металлургические и другие для удаления ряда

примесей (циани-

дов, шестивалентного хрома, ионов тяжелых цветных металлов, нитро-

соединений, спиртов, аэрокрасителей и т. д.).

Недостаток электрокоагуляции – высокие расходы листового ме-

талла (алюминия и железа) и электроэнергии. Ее использование целесо-

образно для концентрированных органических и неорганических за-

грязнений при небольших объемах производственных сточных вод.

Применение нерастворимых электродов – суть электрофлотаци-

онного способа очистки, в котором основную роль при удалении приме-

сей играют газообразные продукты электролиза воды, пузырьки кото-

рых поднимают частицы загрязнений на поверхность. В качестве нерас-

творимых анодов используют титан с покрытием на основе рутения и

марганца в кислой среде и оксидов кобальта – в щелочной. Материал

катода – нержавеющая сталь, графит.

К преимуществам электрофлотации относят высокую степень дис-

персности пузырьков, возможность

одновременного извлечения приме-

сей, имеющих различный фазово-дисперсный состав, плавное регули-

рование скорости процесса за счет изменения степени насыщения жид-

кости пузырьками газа, меньшую, чем в отстойниках, влажность шлама

(92–95 %). Электрофлотационный способ, разработанный в 1988 г. в

Российском химико-технологическом университете, к 1996 г. внедрен

уже на 20 заводах.

Гальванокоагуляция основана на использовании эффекта

работы ко-

роткозамкнутой гальванической пары Fe/C или Аl/С, помещаемой в очи-

щаемый раствор в аппарате барабанного типа. Переменный контакт эле-

ментов гальванопары (железа и кокса или замещающих их частиц чугуна)

между собой, раствором и кислородом воздуха, обусловленный вращени-

ем барабана, увеличивает скорость растворения железа в 5–10 раз. В осно-

ве процесса

гальванокоагуляции лежит искусственно интенсифицируе-

мый процесс коррозии. Преимущества гальванокоагуляции (по сравне-

нию с электрокоагуляцией) более простая аппаратура, меньше энергоза-

траты, позволяет использовать для очистки отходы производства, на-

пример железный и алюминиевый скрап. Показана возможность ис-

пользования гальванокоагуляции для очистки сточных вод от тяжелых

металлов (меди, цинка, никеля, мышьяка), различных анионов, ПАВ

Степень удаления меди составляет 100 %, цинка и никеля – 85 и 75 %

соответственно, сульфатов – 60–90 %. В настоящее время данный метод

используют как самостоятельный процесс в металлургии, радиоэлек-

тронике, приборостроении, легкой и пищевой промышленности [11].

4.4.2. Экстракция

Экстракция – один из наиболее распространенных методов концен-

трирования и извлечения растворимых примесей из воды и водных рас-

творов. В принципе, он отличается большой универсальностью, так как

экстрагировать удается почти все химические элементы и большинство

классов соединений.

Экстракцией называют процесс распределения растворенного ве-

щества между двумя несмешивающимися жидкими фазами с преиму-

щественным

его переходом в одну из них в соответствии с коэффициен-

том распределения. Жидкость, из которой извлекают (экстрагируют)

вещество, называется рафинатом, а жидкость, в которую это вещество

переходит, – экстрагентом (растворителем, экстрагирующей фазой).

При очистке сточных вод рассматриваемый метод обычно используют

для извлечения органических веществ (фенолов, спиртов, жиров и т. д.),

применяя органические экстрагенты, малорастворимые в воде (бензол,

четыреххлористый углерод, бутилацетат). По способу

реализации разли-

чают экстракцию непрерывную и периодическую, прямоточную и проти-

воточную, одно- и многоступенчатую. При прямоточной экстракции ра-

финат и экстрагент после смешения перемещаются в одном направлении

до зоны отстаивания. При противоточной экстракции рафинат и экстра-

гент движутся в противоположных направлениях. При одноступенчатой

экстракции проводят однократное смешение рафината и экстрагента.

Многоступенчатую экстракцию осуществляют неоднократным введени-

ем экстрагента в рафинат. Она наиболее распространена.

Для интенсификации процесса экстракции смешение сточных вод с

экстрагентом осуществляют в наполненных насадками одной или не-

скольких экстракционных колоннах [11].

4.4.3. Сорбция

Сорбционная очистка основана на процессах адсорбции из сточных

вод растворенных и взвешенных в них примесей твердыми адсорбента-

ми. Сорбция является одним из наиболее рациональных методов глубо-

кой очистки сточных вод. Она особенно эффективна в замкнутых цик-

лах природопользования. Сорбция результативна при извлечении не-

электролитов и многих органических веществ, в том числе

биохимиче-

ски устойчивых и не удаляемых другими методами. Вместе с тем сорб-

ционные методы неэффективны для очистки от неорганических соеди-

нений-электролитов и низших одноатомных спиртов. Исходя из осо-

бенностей сорбции определились и традиционные области ее примене-

ния: очистка сточных вод химических и нефтехимических производств.

В качестве сорбентов могут быть

использованы практически все мелко-

дисперсные твердые вещества, обладающие развитой поверхностью, в

том числе опилки, зола, глина, торф, шламы, коксовая мелочь, сапро-

пель, отходы сельскохозяйственного производства, компост опавших

листьев и т. д. Однако наиболее эффективны активированные угли раз-

личных марок. При организации процесса очистки различают сорбцию

в статических и динамических условиях (рис

. 4.12). При сорбции в ста-

тических условиях производится интенсивное перемешивание обраба-

тываемой воды с сорбентом и последующее их разделение при отстаи-

вании, фильтрации и т. п. Сорбция в динамических условиях – непре-

рывный процесс. Она имеет большие технологические, эксплуатацион-

ные и экономические преимущества по сравнению со статическими ус-

ловиями, позволяя полнее использовать емкость сорбента. Ее реализуют

в аппаратах различных конструкций с неподвижным и подвижным

слоями адсорбента. Наиболее прост насыпной фильтр, представляющий

колонну

с неподвижным слоем сорбента, через который фильтруется

сточная вода. По мере прохождения очищаемой жидкости через загруз-

ку активного угля концентрация примеси в стоке снижается. На выходе

из фильтра она составляет весьма небольшую величину. Так же посте-

пенно, начиная от входного сечения, увеличивается насыщенность сор-

бента адсорбатом. Со временем сначала первые, а

затем и последующие

слои загрузки перестают извлекать из воды загрязняющее вещество

вследствие полного исчерпания их адсорбционной емкости.

Рис. 4.12. Адсорберы непрерывного действия с кипящим слоем

активного угля [11]:

а – однорядный, б – с секционированием слоя адсорбента;

1 – опорные решетки, 2 – распределительные решетки, 3 – адсорбент,

4 – желоб для очищенной воды, 5 – питающая воронка сухого дозирования угля,

6 – эрлифт, 7 – слой гравия

Обычно сорбционные установки представляют собой несколько па-

раллельно работающих секций, состоящих из 3–5 последовательно рас-

положенных фильтров, что позволяет выключать на регенерацию голов-

ной фильтр после его предельного насыщения. Применяют также адсор-

беры непрерывного действия с кипящим (подвижным) слоем активиро-

ванного угля (рис. 4.12). Поскольку активированный уголь дорог, разра-

ботаны методы его регенерации

: паром, термические и химические [11].