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 SO_2, SO_3, P₂O_5, 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, NО_2, N₂О_3, N₂О_5, 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 м³ (м² · 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. БПК_n – 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 (МК_б) и на работу очистных сооружений (МК_б.о.с.). При отсутствии таких данных возможность биохимического окисления устанавливают по отношению БПК_n и ХПК. При отношении (БПК_n / 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. Пол иакриламид 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 V _cф – V – 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 CО^2-₃ + 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 +О⁾; 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, AsS^2-₃. 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.

Дата добавления: 2015-07-13