Ветошкин А.Г. Процессы инженерной защиты окружающей среды

Подождите немного. Документ загружается.

281

Кроме основных процессов электроокисления и восстановления од-

новременно могут протекать электрофлотация, электрофорез и электрокоа-

гуляция.

Электрокоагуляция. При использовании нерастворимых электродов

коагуляции может происходить в результате электрофоретических явлений

и разряда заряженных частиц на электродах, образования в растворе ве-

ществ (хлор, кислород), разрушающих сольватные оболочки на поверхно-

сти частиц загрязнений. Такой процесс можно использовать для очистки

сточных вод при невысоком содержании коллоидных частиц и низкой ус-

тойчивости загрязнений.

Для очистки промышленных сточных

вод, содержащих высокоус-

тойчивые загрязнения, проводят электролиз с использованием

раствори-

мых стальных или алюминиевых анодов

. Под действием тока происходит

растворение металла, в результате чего в воду переходят катионы железа

или алюминия, которые, встречаясь с гидроксильными группами, образу-

ют гидроксиды металлов в виде хлопьев, и наступает интенсивная коагу-

ляция.

С повышение концентрации взвешенных веществ более 100 мг/л эф-

фективность электрокоагуляции снижается. С уменьшением расстояния

между электродами

расход энергии на анодное растворение металла

уменьшается. Электрокоагуляцию рекомендуется проводить в нейтральной

или слабощелочной среде при плотности тока не более 10 А/м

, расстоянии

между электродами не более 20 мм и скорости движения не менее 0,5 м/с.

Достоинства электрокоагуляции: отсутствие потребности в реаген-

тах, малая чувствительность к изменениям условий процесса очистки, по-

лучение шлама с хорошими структурно-механическими свойствами. Не-

достаток метода - повышенный расход металла и электроэнергии.

Электрофлотация. В этом процессе очистка сточных вод проходит

при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды. На ано-

де возникают пузырьки кислорода, а на катоде – водорода. При использо-

вании растворимых электродов происходит образование хлопьев коагулян-

тов и пузырьков газа, что способствует более эффективной флотации.

Основную роль при электрофлотации играют пузырьки, образую-

щиеся на катоде. Размер пузырьков водорода значительно меньше, чем при

других методах флотации. Диаметр пузырьков меняется от 20 до 100 мкм.

Мелкие пузырьки водорода обладают большей растворимостью, чем круп-

ные. Из пересыщенных газом растворов сточных вод мельчайшие пузырь-

ки выделяются на поверхности частиц загрязнений, способствуя эффекту

флотации. Оптимальное значение плотности тока 200…260 А/м

, газосо-

держание – около 0,1%.

282

Электродиализ. Процесс очистки сточных вод электродиализом ос-

нован на разделении ионизированных веществ под действием электродви-

жущей силы, создаваемой в растворе по обе стороны мембран. Этот про-

цесс широко используют для опреснения соленых вод.

При использовании электрохимически активных (ионообменных)

диафрагм эффективность процесса повышается и снижается расход элек-

троэнергии. Ионообменные мембраны проницаемы только

для ионов,

имеющих заряд того же знака, что и у подвижных ионов.

Для обессоливания воды применяют

гомогенные и гетерогенные

мембраны

. Гомогенные мембраны представляют собой порошок ионита,

смешанный со связующим веществом. Мембраны должны обладать малым

электрическим сопротивлением.

Расстояние между мембранами оказывает большое влияние на эф-

фективность работы электродиализатора. Оно составляет 1…2 мм.

Расход энергии при очистке воды, содержащей 250 мг/л примесей до

остаточного содержания солей 5 мг/л составляет 7 кВт⋅ч/м

. С увеличением

солесодержания в воде удельный расход энергии возрастает.

Основным недостатком электродиализа является концентрационная

поляризация, приводящая к осаждению солей на поверхности мембран и

снижению показателей очистки.

6.5. Физико-химические методы обработки жидких отходов

В процессах биохимической очистки в отстойниках образуются

большие массы осадков, которые необходимо утилизировать или обраба-

тывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Осадки, имеют разный

состав и большую влажность. Их подразделяют на три группы:

1) осадки в основном минерального состава;

2) осадки в основном органического состава;

3) смешанные осадки, содержащие как минеральные, так

и органиче-

ские вещества.

Большинство осадков, образующихся в процессе очистки промыш-

ленных и городских сточных вод, гальванические шламы и пр. представ-

ляют собой трудноразделяемые суспензии. Для

их успешного обезвожива-

ния необходима предварительная подготовка

- кондиционирование. Цель

кондиционирования - улучшение водоотдающих свойств осадков путем

изменения их структуры и форм связи воды. От условий кондиционирова-

ния зависит производительность обезвоживающих аппаратов, чистота от-

деляемой воды и влажность обезвоженного осадка. Кондиционирование

может осуществляться несколькими способами, различающимися по сво-

ему физико-химическому воздействию на структуру обрабатываемого

осадка. Наибольшее распространение из них

получили: химическая (реа-

283

гентная) обработка; тепловая обработка; жидкофазное окисление; замора-

живание и оттаивание.

Осадки характеризуются содержанием сухого вещества (в г/л или в

%); содержанием беззольного вещества (в % от массы сухого вещества);

элементным составом; кажущейся вязкостью и текучестью; гранулометри-

ческим составом.

Осадки сточных вод представляют собой труднофильтруемые сус-

пензии. Во вторичных отстойниках в осадке

находится в основном избы-

точный активный ил, объем которого в 1,5…2 раза больше, чем объем

осадка из первичного отстойника. Удельное сопротивление осадка (

r =

72⋅10

…78,6⋅10

см/г) является одним из определяющих показателей для

выбора метода обработки осадков. В осадках содержится свободная

(60…65 %) и связанная (30…35%) вода.

Свободная вода сравнительно лег-

ко может быть удалена из осадка,

связанная вода (коллоидно-связанная и

гигроскопическая) гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволаки-

вает твердые частицы гидратной оболочкой и препятствует их соединению

в крупные агрегаты.

В практике обработки осадков промышленных сточных вод чаще

всего применяются физико-химические (реагентные) методы обработки.

Реагентная обработка - это наиболее известный и распространенный спо-

соб кондиционирования, с помощью которого можно обезвоживать боль-

шинство осадков сточных вод. При реагентной обработке происходит коа-

гуляция - процесс агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц, обра-

зование крупных хлопьев с разрывом сольватных оболочек и изменение

форм связи воды, что приводит к изменению структуры осадка и

улучше-

нию его водоотдающих свойств. Для реагентной обработки используются

минеральные и органические соединения -

коагулянты и флокулянты.

Коагулянты положительно заряженными ионами нейтрализуют от-

рицательный заряд частиц осадка. После этого отдельные твердые частицы

освобождаются от гидратной оболочки и соединяются вместе в хлопья.

Освобожденная вода легче фильтруется. Разрушить гидратную оболочку

можно также кратковременной термической обработкой.

В качестве минеральных коагулянтов применяют соли железа, алю-

миния и известь. Эти реагенты вводят

в обрабатываемый осадок в виде

10%-ных растворов. Наиболее эффективным является хлорное железо, ко-

торое применяют в сочетании с известью.

Химический механизм взаимодействия коагулянтов с осадком сле-

дующий. Введенный в водную среду сернокислый алюминий взаимодей-

ствует с содержащимися в воде бикарбонатами, образуя первоначально ге-

леобразный гидрат оксида алюминия:

(SO

)

+ 3Ca(HCO

)

→← 2Al(OH)

+ 3CaSO

+ 6CO

. (6.63)

284

Если щелочность среды недостаточная, она увеличивается путем до-

бавления извести, и тогда

(SO

)

+ 3Ca(OH)

→← 2Al(OH)

+ 3CaSO

. (6.64)

Образующиеся хлопья гидрата захватывают суспендированные и на-

ходящиеся в водной среде в коллоидном состоянии вещества и при благо-

приятных гидродинамических условиях быстро оседают в уплотнителе и

хорошо отдают воду на

аппаратах для механического обезвоживания пу-

тем фильтрации или центрифугирования.

При применении солей железа образуются нерастворимые гидрокси-

ды железа

2FeCl

+ 3Ca(OH)

= 3CaCl

+ 2Fe(OH)

; (6.65)

(SO

)

+ 3Ca(OH)

= 3CaSO

+ 2Fe(OH)

. (6.66)

Наибольший эффект коагулирования достигается при рН = 4…8,5. С

точки зрения полноты реакции и экономии реагента большое значение

имеет хорошее и быстрое его смешение с обрабатываемым осадком.

Сернокислое оксидное железо менее эффективный, но зато более

дешевый и легкодоступный реагент.

Известь используют не только в сочетании с солями железа, но и как

самостоятельный коагулянт, оказывающийся в ряде случаев весьма

эффек-

тивным.

За рубежом для кондиционирования осадков промышленных сточ-

ных вод наряду с минеральными реагентами находят применение синтети-

ческие флокулянты.

Синтетические полиэлектролиты, или полимеры, вводятся в осадок

непосредственно перед центрифугированием или фильтрованием. Эти по-

лимеры уничтожают или уменьшают электрические отталкивающие уси-

лия суспендированных твердых частиц, которые стремятся удержать их на

расстоянии

. За счет притяжения этих частиц образование хлопьев и сепа-

рирование происходят значительно быстрее и эффективнее.

Синтетические органические флокулянты - линейные, водораство-

римые макромолекулы со степенью полимеризации до (50…200)⋅10

. По

физико-химическим свойствам они подразделяются на следующие группы:

- неионные - полиакриланид, полиоксиэтилен и т.д.;

- ионогенные гомополимеры - анионные, полиметакриловая кислота

и др., катионные (полиамины и др.);

- ионогенные сополимеры - анионные, катионные.

Поскольку в осадках сточных вод в основном находятся отрицатель-

но заряженные коллоиды, то наибольший интерес представляют катион-

ные флокулянты

. Катионные синтетические органические флокулянты со-

держат связанный с полимером атом азота, заряженный в воде положи-

285

тельно, и свободно движущийся противоион кислотного остатка (С1

СН

, Вг

и т.д.).

Среди синтетических флокулянтов наибольшее распространение по-

лучил полиакриламид (ПАА) - растворимый в воде полимер, содержащий

в своей цепочной молекуле ионогенные группы. При его диссоциации об-

разуется высокомолекулярный поливалентный анион и много простых ма-

ловалентных катионов, поэтому такие вещества называют полиэлектроли-

тами. Действие ПАА объясняется адсорбцией его молекул на хлопьях

гид-

роксида, образующегося при гидролизе коагулянтов. Из-за вытянутой

формы адсорбция происходит в разных местах несколькими частицами

гидроксида, в результате чего последние оказываются связанными вместе.

Глава 7. Биохимические процессы защиты окружающей среды

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно-

бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органи-

ческих и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака,

нитритов) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорга-

низмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятель-

ности, так как органические вещества для микроорганизмов являются ис-

точником углерода.

7.1. Основные показатели биохимических процессов очистки

сточных вод

Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частич-

но разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит- и сульфат-

ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разру-

шение органических веществ называют

биохимическим окислением.

Биохимические показатели. Сточные воды, направляемые на биохи-

мическую очистку, характеризующуюся величиной БПК и ХПК. БПК – это

биохимическая потребность в кислороде, т.е. количество кислорода, ис-

пользованного при биохимических процессах окисления органических ве-

ществ (не включая процесса нитрификации) за определенный промежуток

времени (2, 5, 8, 10, 20 суток), в мг О

на 1 мг вещества. Например БПК

–

биохимическая потребность в кислороде за 5 сут, БПК

полн

– полная БПК до

начала процесса нитрификации. ХПК –

химическая потребность в кисло-

роде

, т.е. количество кислорода, эквивалентное количеству расходуемого

окислителя, необходимого для окисления всех восстановителей, содержа-

щихся в воде. ХПК также выражают в мг О

на 1 мг вещества.

Биохимической активностью микроорганизмов называют биохими-

ческую деятельность, связанную с разрушением органических загрязнений

сточных вод. Возможность биохимического окисления (биоразлагаемость

сточных вод) характеризуется через

биохимический показатель, т.е. отно-

шением БПК

полн

/ХПК. Его значение колеблется в широких пределах для

286

различных групп сточных вод: промышленные сточные воды имеют низ-

кий биохимический показатель (0,05…0,3), бытовые сточные воды – свы-

ше 0,5. При отношении (БПК/ХПК)

100% = 50% вещества поддаются био-

химическому окислению. При этом необходимо, чтобы сточные воды не

содержали ядовитых веществ и примесей солей тяжелых металлов. Биохи-

мический показатель необходим для расчета и эксплуатации промышлен-

ных сооружений для очистки сточных вод.

Для возможности подачи сточных вод на биохимическую очистку

устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые

не

влияют на процессы биохимического окисления (МК

) и на работу очи-

стных сооружений (МК

б.о.с.

). Для неорганических веществ, которые прак-

тически не поддаются биохимическому окислению, также устанавливают

максимальные концентрации, при превышении которых воду нельзя под-

вергать биохимической очистке.

7.2. Аэробный метод биохимической очистки

Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки

сточных вод.

Аэробный метод основан на использовании аэробных групп

организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный при-

ток кислорода и температура 20…40°С. При аэробной очистке микроорга-

низмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные мето-

ды очистки протекают без доступа кислорода; их используют в основном

для обезвреживания осадков.

Активный ил состоит из живых организмов и твердого субстрата.

Сообщество всех живых организмов (скопления бактерий, простейшие

черви, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, водоросли), населяющих

ил, называют биоценозом. Активный ил представляет собой амфотерную

коллоидную систему, имеющую при

рН = 4…9 отрицательный заряд. Су-

хое вещество активного ила содержит 70…90 % органических и 30…10 %

неорганических веществ. Субстрат представляет собой твердую отмершую

часть остатков водорослей и различных твердых остатков; к нему прикре-

пляются организмы активного ила. Субстрат составляет до 40 % в актив-

ном иле.

В активном иле находятся микроорганизмы различных групп. По

экологическим группам микроорганизмы делятся

на аэробов и анаэробов,

термофилов и мезофилов, галофилов и галофобов.

Качество ила определяется скоростью его осаждения и степенью

очистки жидкости. Состояние ила характеризует «

иловый индекс», кото-

рый представляет собой отношение объема осаждаемой части активного

ила к массе высушенного осадка (в граммах) после отстаивания в течение

30 мин. Чем хуже оседает ил, тем более высокий «иловый индекс» он име-

ет.

287

Биопленка растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид слизи-

стых обрастаний толщиной 1…3 мм и более. Биопленка состоит из бакте-

рий, грибов, дрожжей и других организмов. Число микроорганизмов в

биопленке меньше, чем в активном иле.

7.3. Механизм биохимического распада органических веществ

Прирост биомассы происходит в процессе очистки сточных вод. Он

зависит от химической природы загрязнений, вида микроорганизмов, БПК

и ХПК, от концентрации фосфора и азота в сточной воде, от ее температу-

ры.

Для того, чтобы происходил процесс биохимического окисления ор-

ганических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть

внутрь клеток микроорганизмов. К

поверхности клеток вещества поступа-

ют за счет конвективной и молекулярной диффузии, а во внутрь клеток –

диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны. Но

большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфиче-

ского белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс «вещест-

во-переносчик» диффундирует через мембрану в клетку, где он распадает-

ся, и белок-переносчик

включается в новый цикл переноса вещества.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы

превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов.

Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии

и синтезом новых веществ с затратой энергии.

7.4. Кинетика биохимического окисления

Скорость биохимических реакций определяется активностью фер-

ментов, которая зависит от температуры,

рН и присутствия в сточной воде

различных веществ.

Ферменты, представляющие собой сложные белковые соединения,

выполняют роль ускоряющих катализаторов. С повышением температуры

скорость ферментативных процессов повышается, но до определенного

предела. Для каждого фермента имеется оптимальная температура, выше

которой скорость реакции падает. К числу веществ-активаторов, повы-

шающих активность ферментов, относятся многие витамины и катионы

Са

, Мg

, Мn

. В то же время соли тяжелых металлов, синильная кисло-

та, антибиотики являются ингибиторами, т.е. снижают активность фермен-

тов.

Микроорганизмы способны окислять многие органические вещества,

но для этого требуется разное время адаптации. Легко окисляются бензой-

ная кислота, этиловый и амиловый спирты, гликоли, хлоргидриды, ацетон,

глицерин, анилин, сложные эфиры.

288

Вещества, находящиеся в сточных водах в коллоидном или мелко-

дисперсном состоянии, окисляются с меньшей скоростью, чем вещества,

растворенные в воде.

Уравнение кинетики ферментативных реакций предложено Миха-

элисом и Ментеном. Оно определяет скорость протекания реакций внутри

клеток микроорганизмов;

V = V

МАКС

[S]/(K

+[S]), (7.1)

где

V = dP/dτ - скорость образования продукта Р из вещества S; V

макс

максимальное значение скорости;

- константа Михаэлиса-Ментена,

моль/л.

Константа

характеризует зависимость скорости ферментативной

реакции от концентрации субстрата в стационарном состоянии процесса.

Для окисления органических веществ микроорганизмами необходим

кислород, но они могут его использовать только в растворенном в воде ви-

де. Для насыщения сточной воды кислородом проводят процесс аэрации,

разбивая воздушный поток на пузырьки, равномерно распределяя их в

сточной воде.

Из пузырьков воздуха кислород абсорбируется водой, а за-

тем переносится к микроорганизмам.

Количество абсорбируемого кислорода может быть вычислено по

уравнению массоотдачи:

М = β

V(С

- С), (7.2)

где

М - количество абсорбированного кислорода, кг/с; β

- объемный ко-

эффициент массоотдачи, c

-1

; V - объем сточной воды в сооружении, м

;

, С - равновесная концентрация и концентрация кислорода в массе жид-

кости, кг/м

Количество абсорбируемого кислорода может быть увеличено за

счет роста коэффициента массоотдачи или движущей силы.

На скорость биохимического окисления влияет турбулизация сточ-

ных вод в очистных сооружениях, что способствует распаду хлопьев ак-

тивного ила на более мелкие и увеличивает скорость поступления пита-

тельных веществ и кислорода к микроорганизмам. Турбулизация потока

достигается

интенсивным перемешиванием, при котором активный ил на-

ходится во взвешенном состоянии, что обеспечивает равномерное распре-

деление его в сточной воде.

Доза активного ила зависит от «илового индекса». Чем меньше

«иловый индекс», тем большую дозу активного ила необходимо подавать

на очистные сооружения. Для очистки следует применять свежий актив-

ный ил, который хорошо оседает и более устойчив к колебаниям темпера-

туры и

рН среды.

Наиболее оптимальная температура биохимической очистки сточ-

ных вод поддерживается в пределах 20…30°С. Превышение температуры

289

может привести к гибели микроорганизмов. При более низких температу-

рах снижается скорость очистки, замедляется процесс адаптации микробов

к новым видам загрязнений, ухудшаются процессы флокуляции и осажде-

ния активного ила.

7.5. Анаэробные методы биохимической очистки

Анаэробные методы обезвреживания используют для сбраживания

осадков, образующихся при биохимической очистке производственных

сточных вод, а также как первую ступень очистки очень концентрирован-

ных промышленных сточных вод (БПК

полн

≈ 4…5 г/л), содержащих орга-

нические вещества, которые разрушаются анаэробными бактериями в про-

цессах брожения. В зависимости от конечного вида продукта различают

виды брожения: спиртовое, пропионовокислое, молочнокислое, метановое

и др. Конечными продуктами брожения являются: спирты, кислоты, аце-

тон, газы брожения (СО

, Н

, СН

Для очистки сточных вод используют метановое брожение, процесс

сложный и многостадийный. Процесс метанового брожения состоит из

двух фаз: кислой и щелочной (или метановой). В кислой фазе из сложных

органических веществ образуются низшие жирные кислоты, спирты, ами-

нокислоты, аммиак, глицерин, ацетон, сероводород, диоксид углерода и

водород. Эти промежуточные продукты в щелочной

фазе образуют метан

и диоксид углерода.

Основная реакция метанообразования

СО

+ 4Н

А → СН

+ 4А + 2Н

O, (7.3)

где

А - органическое вещество, содержащее Н

Метан может образовываться в результате распада уксусной кислоты

СН

СООН → СН

+ СО

, СО

+ 4Н

→ СН

+ 2Н

O. (7.4)

При денитрификации в анаэробных условиях:

6АН

+ 2NO

−

→ 6A + 6H

O + N

. (7.5)

При определенных условиях конечным продуктом может быть и ам-

миак. Основными параметрами анаэробного сбраживания является темпе-

ратура, доза загрузки осадка и степень его перемешивания. Процессы

сбраживания ведут в мезофильных (30…35°С) и термофильных (50…55°С)

условиях. Полного сбраживания органических веществ в метантенках дос-

тичь нельзя. В среднем степень распада органических веществ

составляет

около 40 %.

7.6. Обработка осадков сточных вод

В процессах биохимической очистки в первичных и вторичных от-

стойниках образуются большие массы осадков, которые необходимо ути-

лизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы.

Осадки, имеют разный состав и большую влажность. Их подразделяют на

три группы:

290

1) осадки в основном минерального состава;

2) осадки в основном органического состава;

3) смешанные осадки, содержащие как минеральные, так и органиче-

ские вещества.

Осадки характеризуются содержанием сухого вещества (в г/л или в

%); содержанием беззольного вещества (в % от массы сухого вещества);

элементным составом; кажущейся вязкостью и текучестью; гранулометри-

ческим составом.

Осадки сточных

вод представляют собой труднофильтруемые суспен-

зии. Во вторичных отстойниках в осадке находится в основном избыточ-

ный активный ил, объем которого в 1,5…2 раза больше, чем объем осадка

из первичного отстойника. Удельное сопротивление осадка (

r =

72⋅10

…78,6⋅10

см/г) является одним из определяющих показателей для

выбора метода обработки осадков. В осадках содержится свободная

(60…65 %) и связанная (30…35%) вода.

Свободная вода сравнительно лег-

ко может быть удалена из осадка,

связанная вода (коллоидно-связанная и

гигроскопическая) гораздо труднее. Коллоидно-связанная влага обволаки-

вает твердые частицы гидратной оболочкой и препятствует их соединению

в крупные агрегаты.

Коагулянты положительно заряженными ионами нейтрализуют отри-

цательный заряд частиц осадка. После этого отдельные твердые частицы

освобождаются от гидратной оболочки и соединяются вместе в хлопья.

Освобожденная вода легче фильтруется.

Разрушить гидратную оболочку

можно также кратковременной термической обработкой. Обработка осадка

активного ила включает:

1) уплотнение осадка гравитационным, флотационным, центробеж-

ным и вибрационным методами;

2) стабилизацию осадков в аэробных и анаэробных условиях;

3) кондиционирование осадков реагентными и безреагентными способами;

4) тепловую обработку;

5) жидкофазное окисление органической части осадка кислородом

воздуха;

6) обезвоживание осадков на иловых

площадках естественным путем

и механическим способом;

7) сушку осадков;

8) сжигание осадков.

Глава 8. Тепловые процессы защиты окружающей среды

8.1. Конденсация парообразных примесей

Конденсационную обработку отбросных газов обычно включают в тех-

нологический цикл, если процесс сопровождается ощутимыми потерями проме-