Физико-химические методы очистки сточных вод

К физико-химическим методам очистки сточных вод относятся: коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен. Меньше используются такие методы, как диализ, эвапорация, выпаривание, кристаллизация, магнитная обработка, электрокоагуляция, электрофлотация. Физико-химические методы находят наибольшее распространение при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами.

Коагуляционная очистка – это метод очистки сточных вод от коллоидных частиц, основанный на свойстве коллоидной системы в определенных условиях терять агрегативную устойчивость.

Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления (агрегаты).

Метод флокуляции применим к очистке производственных сточных вод, содержащих коллоидные частицы размером 0,001-0,1 мкм. Сточную воду, содержащую такие частицы, можно рассматривать как устойчивую коллоидную систему, состоящую из дисперсионной среды (жидкость) и частиц дисперсной фазы, несущих определенный электрический заряд. Агрегативная устойчивость обусловлена, главным образом, взаимным отталкиванием частиц, несущих электрические заряды одного знака. Добавление в сточную воду электролита приводит к коагуляции – слипанию – частиц дисперсной фазы с образованием агрегатов, оседающих в поле силы тяжести.

Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: состава сточных вод, вида коллоидных частиц, их концентрации и степени дисперсности. Основным процессом коагуляционной очистки производственных сточных вод является взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц загрязнений с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.

В промышленности находят применение различные коагулянты:

- соли алюминия: cульфат алюминия (глинозем): Al₂(SO₄)₃*18H₂O, алюминат натрия NaAlO₂, оксихлорид алюминия Al₂(OH)₅Cl, алюмокалиевые квасцы [AlK(SO₄)₂*18H₂O], алюмоамонийные квасцы [Al(NH₄)(SO₄)₂*12H₂O];

- соли железа: железный купорос FeSO₄*7H₂O, хлорид железа (III) FeCl₃*6H₂O, сульфат железа (III) Fe₂(SO₄)₃*6H₂O;

- соли магния: хлорид магния MgCl₃*6H₂O, сульфат магния MgSO₄*6H₂O

- известь;

- шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств.

Для очистки интенсивно окрашенных сточных вод расходы коагулянта достигают 1-4 кг/м³, объем образующегося при коагуляции осадка достигает 10-20% объема обрабатываемой сточной воды. Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.

Флокулянты – вещества, используемые при коагуляционном методе очистки для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев, снижения расхода коагулянтов. В качестве флокулянтов в промышленности применяются оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, кремниевая кислота, полиакриламид, белки и др. Процесс проводят в осветлителях.

Сорбционная очистка – это метод очистки, основанный на поглощении загрязняющих веществ из сточных вод твердым телом или жидкостью. Поглощающее тело называют сорбентом, а поглощаемое вещество – сорбатом.

Абсорбция – поглощение вещества всем объемом жидкого сорбента. Адсорбция – поглощение вещества поверхностным слоем твердого или жидкого сорбента. Сорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хемосорбцией. Сорбционная очистка может применяться самостоятельно или совместно с другими методами очистки для извлечения из сточных вод ценных растворенных веществ, а также в целях последующего использования очищенной воды в системах оборотного водоснабжения. Метод применим для очистки сточных вод от ароматических соединений, красителей, углеводородов, слабых электролитов. При содержании в сточных водах только неорганических соединений, а также низших одноатомных спиртов этот метод неприменим. В качестве сорбентов применяют различные искусственные и природные пористые материалы: золу, коксовую мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, уголь и др. Активность сорбента характеризуется массой поглощаемого вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м³, кг/кг).

Флотация - метод очистки промышленных сточных вод от гидрофобных мелкодисперсных загрязнений, основанный на явлении смачивания жидкостью твердых или жидких несмешивающихся с ней поверхностей. Метод применяют для удаления из сточных вод нерастворимых в воде диспергированных загрязнений, которые самопроизвольно плохо отстаиваются в условиях механической очистки. Процесс флотационной очистки заключается в удалении гидрофобных частиц загрязнений за счет прилипания их к всплывающим пузырькам воздуха с образованием пенного слоя на поверхности очищаемой сточной воды.

Различают следующие способы флотационной обработки сточных вод:

1. флотация с выделением пузырьков воздуха из раствора,

2. флотация с механическим диспергированием воздуха,

3. флотация с подачей воздуха через пористые материалы,

4. электрофлотация,

5. биологическая и химическая флотация.

Рис. 9.4 – Метод флотации

Прилипание частицы к поверхности газового пузырька возможно только тогда, когда частица гидрофобная, т.е. не смачивается (или плохо смачивается) жидкостью. Смачивание – это поверхностное явление, заключающееся во взаимодействии жидкости с твердым (или другим жидким) телом при наличии од 30 но временного контакта трех несмешивающихся фаз, одна из которых обычно является газом (воздухом). Если каплю жидкости нанести на твердую поверхность или несмешивающуюся с ней жидкую поверхность, то нанесенная капля:

а) может остаться на поверхности в виде капли определенной формы, близкой к шарообразной (несмачивание или плохое смачивание),

б) частично растекается по поверхности, приобретая форму шарового сегмента определенной высоты (смачивание).

Угол между касательными к межфазным поверхностям с вершиной в точке раздела трех фаз, отсчитанный внутри жидкости, называют краевым углом или углом смачивания. Величина краевого угла является количественной характеристикой процесса смачивания. Жидкость не смачивает твердую поверхность, если краевой угол больше 90°, такая поверхность называется гидрофобной. Соответственно дисперсная частица, поверхность которой не смачивается водой, также называется гидрофобной.

Эффективность процесса флотации определяется в основном адгезией между гидрофобной частицей и пузырьком воздуха, а также скоростью установления контакте между ними, т.е. скоростью разрыва разделяющей их водной пленки. При выборе условий флотации необходимо учитывать также, что флотирующая (подъемная сила), прижимающая частицу к пузырьку воздуха (сила адгезии), должна быть больше силы тяжести.

Флотация с выделением воздуха из раствора применяется при очистке производственных сточных вод, содержащих очень мелкие частицы загрязнений. Метод основан на зависимости растворимости газов воздуха в воде от давления. Если при атмосферном давлении получить насыщенный раствор газов воздуха в очищаемой сточной воде, а затем снизить давление до 225 – 300 мм рт.ст., то в результате уменьшения растворимости газов в воде при понижении давления в объеме очищаемой воды будут образовываться мелкие пузырьки воздуха, которые и флотируют загрязнения. Такой способ применяется при вакуумной флотации. При напорной флотации схема получения пузырьков воздуха в очищаемой воде противоположна: воду насыщают воздухом при повышенном давлении, затем внешнее давление снижают, растворимость газов в воде уменьшается и они выделяются в объеме очищаемой воды в виде мелких пузырьков.

Флотация с механическим диспергированием воздуха. При перемешивании струи воздуха в воде создается интенсивное вихревое движение, воздушная струя распадается на отдельные пузырьки. Механическое перемешивание осуществляется импеллерами – турбинками насосного типа. Импеллер представляет собой диск с радиальными обращенными вверх лопатками. При вращении импеллера в жидкости возникает большое число мелких вихревых потоков, которые разбиваются на пузырьки определенной величины. Эффективность очистки зависит от скорости вращения импеллера.

Флотация с подачей воздуха через пористые материалы проводится пропусканием воздуха через пористые керамические пластины или колпачки, трубы, насадки, уложенные на дне флотационной камеры. Недостатком метода является возможность зарастания и засорения пор, а также трудности выбора материалов, обеспечивающих выход мелких, близких по размеру пузырьков.

Экстракционная очистка сточных вод основана на распределении загрязняющего вещества между двумя несмешивающимися жидкостями в соответствии с растворимостью в них (жидкофазная экстракция). Отношение равновесных концентраций С извлекаемого вещества в двух взаимно несмешивающихся жидкостях – величина постоянная, называемая коэффициентом распределения: k = C_{экстрагент}/С_{сточнаявода.} Величина его зависит от химической природы веществ, температуры и других факторов, влияющих на состояние равновесия в рассматриваемой системе. Например, коэффициет распределения салициловой кислоты в системе ацетон–вода равен 126 при 25 ^ОС.

Метод экстракционной очистки целесообразно применять при значительной концентрации растворенных в воде органических веществ (3-4 г/л) или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Процесс очистки проводится в несколько стадий:

1) подготовка воды перед экстракцией (отстаивание, фильтрование, нейтрализация, охлаждение);

2) интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем) в экстракционных колоннах; в результате образуется экстракт - раствор извлекаемого вещества в экстрагенте и рафинат – сточная вода с некоторым небольшим количеством экстрагента;

3) регенерация экстрагента из экстракта

4) регенерация экстрагента из рафината.

Для успешного проведения процесса экстракции экстрагент должен отвечать следующим требованиям: иметь большое значение коэффициента распределения по отношению к экстрагируемому веществу и малую растворимость в воде, обладать большой селективностью по отношению к одному веществу или группе извлекаемых веществ, не образовывать с водой устойчивых эмульсий, значительно отличаться по плотности от сточной воды, иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества, малую токсичность и взрывоопасность, не взаимодействовать химически с извлекаемым веществом и материалами оборудования, регенерироваться простым и дешевым способом и др.

Для очистки промышленных сточных вод наиболее часто применяют процессы противоточной многоступенчатой экстракции и непрерывной противоточной экстракции.

Рис. 9.5 – Схема многоступенчатой экстракционной установки: 1-3 – смеситель, Г - отстойники

Лекция № 10