Лекція № 5

Механічні методи очищення забезпечують витяг з вод зважених і тих, що плавають домішок. Найбільш простий спосіб видалення цих домішок — відстоювання, у процесі якого зважені речовини осідають на дно, а домішки, що плавають, спливають на поверхню відстійників. Відстійники влаштовуються горизонтальні, вертикальні і радіальні.

Рис. Відстійники:

А — горизонтальний; Б — вертикальний; У — радіальний

1 — забруднена вода; 2 — очищена вода; 3 — осад (шлам); 4 — скребковий механізм

У горизонтальному відстійнику довжина в 8—12 разів більше його глибини. Відстійники бувають безупинної чи періодичної дії. У відстійниках безупинної дії видалення домішок відбувається завдяки різкому зменшенню швидкості руху рідини, що очищається, (до 0,005— 0,01 м/с). Тривалість проходження рідини через відстійник складає 1—3 години. Ефективність освітлення води — від 40 до 60%. У відстійниках періодичної дії тривалість відстою рідини складає кілька годин, після чого відбувається видалення домішок, що спливли, проясненої води й осаду. Потім процес повторюється.

Глибина (висота) вертикального відстійника в кілька разів перевищує його горизонтальний розмір. Поділ твердої і рідкої фаз відбувається за рахунок зменшення швидкості потоку і зміни його напрямку на 180°. Вертикальні відстійники більш компактні, однак їхня ефективність на 10—20% нижче, ніж у горизонтальних.

У конструкції радіального відстійника реалізований принцип дії вертикального і горизонтального відстійників. У центральній його частині відбувається зміна напрямку потоку рідини, що очищається, а від центра до периферії він працює в режимі горизонтального відстійника. Це дозволяє одержувати досить компактні спорудження великої продуктивності. Ефективність освітлення в радіальних відстійниках досягає 60%. Глибина їх коливається від 1,5 до 5 м, діаметр — від 15 до 60 м.

У залежності від виду домішок, що плавають, що видаляються, відстійники можуть називатися нафтовловлювачами, жировловлювачами і т.п. Ефективність видалення з води домішок, що плавають, складає 95-96%. Домішки, що спливли, видаляються з поверхні спеціальними пристосуваннями і направляються на утилізацію.

Для видалення з води волокнистих домішок (часточок вовни, ниток, азбесту й ін.) використовується дисковий волокновловлювач, що представляє собою обертовий перфорований диск, по якому тонким шаром стікає рідина, що очищається.

Для підвищення ефективності процесу освітлення у відстійниках до рідини додають коагулянти — речовини, що при взаємодії з водою утворять частки розміром 0,5—3 мм, що наділені також невеликим електричним зарядом. При осіданні ці частинки захоплюють з рідини зважені і колоїдні частки. Як коагулянти застосовуються сірчанокислий алюміній, хлорне залізо й ін. Витрата їх складає від 40 до 700 кг/м³ рідини, що очищається. Високі дози вносяться для фізико-хімічного очищення технологічних вод, що забезпечує видалення хрому і ціанідів, а також знебарвлення води.

Інтенсифікації процесу коагуляції сприяє добавка флокулянтів — речовин, що забезпечують агрегування пластин коагулянтів і прискорюють тим самим їхнє осадження. Як флокулянти застосовують клейкі речовини: крохмаль, декстрин, силікатний клей. Дуже ефективним є синтетичний флокулянт — поліакриламід (ПАА), що широко використовується також при підготовці питної води. Доза застосування ПАА коливається від 0,5 до 25 г/м³ рідини, що очищається. Впроваджуються в практику й інші коагулянти і флокулянти на основі активних полімерів, дози застосування яких у десятки разів менше.

Тонкодисперсні часточки, що не вдається витягти з рідини у відстійниках, можуть бути вилучені за допомогою фільтрування. Процес фільтрування полягає в проходженні рідини через пористу перешкоду, на якій осаджуються мілкодисперсні частки. Як фільтруючий шар використовуються зернисті матеріали (пісок, гранітна чи мармурова крихта, керамзит і ін.), тканини і неткані полотнини (бавовняні, вовняні, синтетичні, з азбесту, скловолокна й ін.), металеві сітки, перфоровані пластини, пориста кераміка. Для прискорення процесу фільтрування створюється тиском за допомогою вакууму. Для витягу нафтопродуктів, олій і інших домішок застосовуються фільтри з поліуретану. Ефективність видалення зважених домішок методом фільтрування досягає 99% і більш.

У гідроциклонах і центрифугах поділ рідкої і твердої фаз виробляється під впливом відцентрових сил.

Для видалення зважених речовин використовуються напірні гідроциклони. Для видалення домішок, що плавають, застосовуються відкриті гідроциклони. Гідроциклон являє собою металевий апарат, що складається з циліндричної і конічної частин. Діаметр циліндричної частини — від 100 до 700 мм, висота приблизно дорівнює діаметру. Кут конусності складає 10—20°. У середині апарата є лопати у виді гвинтової спіралі. Подана під тиском рідина, рухаючись по спіралі до зливу, відокремлюється від зважених речовин. Частина рідини з великим вмістом суспензій видаляється з гідроциклона, а прояснена вода під дією вакууму, що утворився, рухається нагору і виливається через верхній отвір. У відкритому (безнапірному) гідроциклоні видалення проясненої води відбувається через бічні отвори, а спливаючі домішки витягаються за допомогою сифона. Гідроциклони, у порівнянні з іншими пристроями для механічного очищення вод, відрізняються високою продуктивністю, компактністю, економічні у виготовленні й експлуатації. Ефективність очищення від зважених і домішок, що плавають, складає приблизно70%.

Рис. Гідроциклони:

А — вертикальний напірний;

Б — багатоярусний відкритий

1 — забруднена вода; 2 — очищена вода; 3 — осад (шлам);

4 — домішки, що плавають, (нафтопродукти, олії)

Центрофугування є ефективним методом поділу суспензій і емульсій. Центрифуги виготовляються періодичної і безупинної дії з автоматичним вивантаженням осаду і проясненої рідини (фугта). При центрофугуванні досягається досить високий ступінь зневоднювання осаду і виходить відносно чистий фугат. Центрифуги споживають велику кількість електроенергії, створюють високі шумові навантаження і небезпечні в експлуатації.

Фізико-хімічні методи очищення забезпечують видалення з води, як правило, розчинених речовин, що непіддаються чи погано піддаються біологічному очищенню, а також речовин, що можуть зробити несприятливий вплив на колектори чи інші елементи систем водовідведення.

Найбільш простим і розповсюдженим методом фізико-хімічного очищення є нейтралізація, що полягає в підкисленні лужних вод (із рН>8,5) і підлуження вод із рН<6,5. При наявності на виробництві кислих і лужних вод нейтралізація досягається їхнім змішуванням. При відсутності однієї з категорій вод нейтралізація здійснюється шляхом добавки реагенту. Для нейтралізації кислих вод найкраще використовувати відходи лугів — гідроокису чи натрію калію, що не дають осаду. При використанні гідроокису кальцію у виді вапняного молока утвориться шлам, якому необхідно видаляти, знешкоджувати й утилізувати. Нейтралізація кислих вод досягається також фільтруванням їх через шар вапняку, доломіту, магнезиту, чи шлаку золи.

Для нейтралізації лужних вод використовується відпрацьована сірчана кислота. Високоефективним методом нейтралізації лужних вод є продувка через них газових викидів, що містять оксиди сірки, вуглецю, азоту й інші кислотоутворюючі окисли. У такий спосіб забезпечується одночасно ефективне очищення димових газів.

Реагентна обробка застосовується для очищення вод від ціанідів, роданідів, іонів важких металів і ряду інших домішок. Вид застосовуваного реагенту визначається складом домішок, що підлягають видаленню з води. Так, розкладання ціанідів досягається обробкою води рідким хлором чи речовинами, що виділяють активний хлор, — хлорним вапном, гіпохлоридом чи кальцію натрію.

Окислюванням вдається домогтися деструкції таких з'єднань, як альдегіди, феноли, анілінові барвники, сіркоутримуючі органічні речовини й ін. Як окислювачі застосовують кисень, озон, перекис водню, піролюзит. У процесі окислювання відбувається розкладання шкідливих домішок до простих окислів чи утворень з'єднань, що піддаються біохімічному розкладанню.

Витяг з води іонів ртуті, хрому, кадмію, свинцю, нікелю, міді, миш'яку засновано на переході їх з розчину в нерозчинний осад. З цією метою воду, що очищається, обробляють з'єднаннями натрію чи кальцію — сульфітом, бісульфітом чи сульфідом, карбонатами чи гідроокисом. Шлам, що утвориться, видаляють, чи утилізують складують.

Одним з високоефективних методів очищення є іонний обмін, що являє собою процес взаємодії рідини, що очищається, із зернистим матеріалом, що володіє здатністю заміняти іони, що знаходяться на поверхні зерен, на іони протилежного заряду, що містяться в розчині. Такі матеріали називаються іонітами. Іонітними властивостями володіють природні мінерали — цеоліти, апатити, польові шпати, слюда, різні глини. Синтезовано велике число високоефективних іонітів, що володіють селективними властивостями. До них відносяться силікогелі, алюмогелі, пермутити, сульфовуглі і іоннообмінні смоли — синтетичні високомолекулярні органічні сполуки, вуглеводневі радикали яких утворять просторову сітку з фіксованими на ній іонообмінними функціональними групами. Іоніти не розчиняються у воді, володіють достатньою механічною міцністю, забезпечують можливість їхньої регенерації з одержанням коштовних речовин, що витягаються з вод. Існують іонообмінні установки періодичної і безупинної дії. Установки періодичної дії працюють як фільтри з зернистим завантаженням у виді гранул іонітів. При насиченні поверхні гранул іонами речовини, що витягається з води, виробляється їхня регенерація слабким розчином (2—8%) чи луги кислоти. В установках безупинної дії гранули іонітів і рідина, що очищається, рухаються протитоком, постійно перемішуючи. У процесі роботи частина гранул подаються на регенерацію і заміняються новими. Завдяки високій механічній міцності і здатності до регенерації гранули іонітів мають досить тривалий термін служби. Іонний обмін є, власне кажучи, універсальним методом очищення вод. Для витягу практично будь-якої речовини з води можна підібрати відповідний іоніт чи групу іонітів. Ефективність іонообмінного очищення досягає 95—99%.

Рис. Установки іонообмінного очищення

А — періодичної дії;

Б — безупинної дії

1 — забруднена вода; 2 — гранули іоніту; 3 — розчин для регенерації іоніту; 4 — очищена вода; 5 — добавка іоніту

Іншим універсальним і високоефективним методом очищення вод є сорбція. Сорбція застосовується переважно для очищення стічних вод, що містять високотоксичні речовини, що не піддаються біохімічному окислюванню. Метод сорбційного очищення заснований на адгезії (прилипанні) розчинених речовин поверхнею і порами сорбенту — речовини, що володіє розгалуженої зовнішньої і внутрішньої (пори) поверхнею. Найкращим сорбентом є активоване вугілля. Сорбційними властивостями володіють золи, шлаки, коксова крихта, торф, керамзит і ін. Конструкції установок сорбційного очищення аналогічні іонообмінним. Висока ефективність очищення досягається в установках із псевдосжиженним ("киплячим") шаром, коли в порожню вертикальну колону знизу під тиском подається вода, що очищається, проходячи через шар сорбенту, що знаходиться в зваженому стані. Відпрацьований сорбент заміняється новим чи регенерується. При підтримці сорбенту в "киплячому" шарі, коли досягаються найкращі умови контакту його зовнішньої і внутрішньої поверхні з рідиною, що очищається, ефективність очищення досягає 99%. Якщо псевдосжиженний шар злежується, ефективність очищення різко знижується.

Рис. Установки сорбційного очищення:

А — одноярусна; Б — триярусна 1 — забруднена вода; 2 — сорбент; 3 — очищена вода; 4 — відпрацьований сорбент; 5 — чистий сорбент; 6 — ґрати

Флотаційне очищення застосовується для видалення з води поверхнево-активних речовин, нафтопродуктів, жирів, смол і ін. Процес флотації полягає в сорбуванні домішок, що містяться у воді, поверхнею пухирців повітря, що нагнітається в рідину, що очищається. У практиці очищення вод використовуються напірні, безнапірні, вакуумні і электрофлотаційні установки. Найбільше поширення одержали напірні установки. У таких установках вода спочатку насичується повітрям під тиском, а потім подається у відкритий резервуар, де відбувається виділення пухирців і сорбування ними домішок, що містяться у воді. Іноді стиснене повітря подається в нижній шар рідини, що знаходиться в резервуарі (флотаторі). Для підвищення ефективності очищення повітря подається через пористі (фільтросні) пластини. При вакуумній флотації у флотаторі створюється розрідження, що сприяє утворенню пухирців повітря. Для безнапірної флотації використовуються ерліфтні установки, що дозволяють істотно (у 2—4 рази) знизити витрати електроенергії на флотаційне очищення. Підвищенню ефективності очищення вод при флотації сприяє наявність синтетичних поверхнево-активних речовин (СПАР). Утворена ними густа стійка піна підвищує ступінь витягу з води емульгованих і диспергованих домішок. При флотації одночасно досягається дегазація вод, що очищаються, і насичення їх киснем.

Рис. Установки флотаційного очищення:

1 — забруднена вода; 2 — стиснене повітря; 3 — газгольдер; 4 — флотатор; 5 — очищена вода; 6 — пінний шлам

При електрофлотації утворення пухирців газу відбувається внаслідок електролізу води. На аноді виділяється кисень, на катоді — водень. Однак цей метод очищення через великі витрати електроенергії і росту її вартості практично не використовують.

По цих же причинах усе рідше застосовують ніколи широко розповсюджені електрохімічні методи очищення вод: анодне окислювання і катодне відновлення, електрокоагуляція, электродіаліз. Електрохімічні методи очищення засновані на пропущенні постійного електричного струму через рідину, що очищається. Кисень, виділюваний на аноді, окисляє органічні домішки. Як аноди використовують електролітичні матеріали, що не розкладаються: графіт, магнетит, диоксиди свинцю, чи марганцю рутенію, які наносяться на титанову основу. На катодах відбувається виділення водню й осідання іонів металів з утворенням нерозчинних гідроксидів. Катоди виготовляють з сталі чи алюмінію. У процесі електролізу катіони катодів, взаємодіючи з гідроксидними групами, утворять гідроокис у виді комків. Цей процес називається електрокоагуляцією.

Один з різновидів електрохімічного очищення є електродіаліз, що заснований на поділі іонізованих речовин, що знаходяться в розчині, по відсіках,відгородженим проникними мембранами.Високий ефект досягається при використанні мембран з іонітів. Електродіаліз є ефективним методом опріснення вод, зокрема морської води для наступного використання її в питному водопостачанні. Установки опріснення морської води успішно використовують в Ізраїлі, інших країнах Близького Схолу. З 1973 р. у Казахстані, на півострові Мангишлак у Каспійському морі, експлуатується одна з найбільших у світі установок по опрісненню морської води. Енергією її забезпечує побудована тут АЕС. Електрохімічні методи відрізняються універсальністю, забезпечують високу ефективність очищення, добре піддаються автоматизації. Однак їхнім недоліком, як уже відзначалося, є велика витрата електроенергії.

Інші фізико-хімічні методи очищення вод мають обмежене застосування.

Екстракція — витяг зі стічних вод розчинених чи емульгованих речовин за допомогою екстрагента — розчинника більш сильного, чим вода. Наприклад, очищення стічних вод від нафтопродуктів шляхом розчинення їх бензином з наступним його відгоном.

Евапорація — відгін з води летучих речовин водяною парою.

Гіперфільтрація (зворотний осмос), мікрофільтрація — видалення з води гідратованих іонів, молекул і інших дрібних часток шляхом пропущення її під великим тиском через мембрани, розміри отворів яких менше розмірів часток, що витягаються з води. Наприклад, зворотний осмос використовується для знесолення води.

При наявності на виробництві надлишків тепла, наприклад, гарячих димових газів, можна організувати випарювання чи випар стічних вод. При цьому варто застосовувати заходи для охорони атмосферного повітря від шкідливих речовин, що випаровуються, таких як бенз(а)пирен і ін.

Випар стічних вод може відбуватися й у природних умовах у накопичувачах-випарниках, що представляють собою земляні спорудження іноді гігантських розмірів — висотою в кілька десятків метрів, діаметром у кілька кілометрів (рис.).

3. З екологічної точки зору найбільш перспективними є використання безточних технологічних систем і створення замкнутих водооборотних циклів на базі існуючих технологій промивки (миття) сировини. На даному етапі ще не відпрацьована технологія безвідходного виробництва без скиду технічних стічних вод у водойми і в практиці водокористування поки нема універсальної безточної схеми, яка була б придатна для використання в різних галузях народного господарства.

До екотехнологій очистки стоків і доочистки очищеної стічної речовини відносять: коагуляція, флокуляція, сорбція, евапорація, випаровування, нейтралізація, кристалізація і інші.

Процес сорбції полягає в тому, що забруднення осідають на активно розвинутій поверхні твердого тіла – сорбена (активне вугілля, торф і т. д.)– або вступає з ним в хімічну взаємодію.

Коагуляція використовується для прискорення процесів осаду забруднюючих вод добавок, коли відстоювання і фільтрування не забезпечує очищення води.

Флокуляція - для інтенсифікації коагуляції і осаду повислих частинок шляхом використання реагентів.

Евапорація являє собою прогонку забруднюючих речовин водяною парою: забруднювачі переходять в пароподібний стан, і пар направляється в накопичуючу камеру, де проходить його очистка.

Випаровування стічних вод використовується для збільшення концентрації вміщених них солей і пришвидшення їх наступної кристалізації, а саме процесу видалення забруднення у вигляді кристалів

Нейтралізація кислот в стічних водах здійснюється лужними реагентами (оксидом кальція, гашеним вапном і іншими).

Дата добавления: 2014-01-07