9.3. Химические методы очистки сточных вод
Химические методы применяют для очистки сточных вод от растворённых в ней минеральных и органических соединений. К химическим методам очистки относятся нейтрализация, осаждение, окисление и восстановление.
Нейтрализация необходима для очистки сточных вод, содержащих большие количества минеральных кислот и щелочей. Сущность метода нейтрализации состоит в сбалансировании количества кислых и щелочных ионов (H+ и OH−) в воде. В основе метода лежит реакция нейтрализации:
H+ + OH− → H2O.
Практически нейтральными считаются воды с pH 6,5-8,5. Нейтрализацию сточных вод проводят несколькими способами:
1)смешение кислых и щелочных стоков: применяется, когда на одном или соседних предприятиях имеются и кислые, и щелочные стоки, не загрязнённые другими компонентами;
2)добавление реагентов: для нейтрализации кислых стоков используют гашёную и негашёную известь, "известковое молоко", щёлочи, аммиачную воду, соду, известняк, доломит, магнезит, цемент; для нейтрализации щелочных стоков используют минеральные кислоты;
3)фильтрование кислых вод через нейтрализующие материалы.
Вкачестве нейтрализующих материалов используют толчёные магнезит, доломит, известняк, мел, мраморную и цементную крошку, золы и шлаки.
4)абсорбция кислых газов (CO2, SO2, NOX) щелочными стоками и абсорбция аммиака (NH3) кислыми стоками.
Осаждение применяют, главным образом, для удаления из сточных вод тяжёлых металлов, а также соединений фтора и фосфора.
Принцип действия метода осаждения - перевод растворимых в воде веществ в малорастворимые или нерастворимые путём добавления реагентов с последующим выделением продуктов из воды в виде осадков. В основе метода осаждения лежат реакции замещения.
Вкачестве реагентов в процессах осаждения используют NaOH, KOH, Ca(OH)2, CaCO3, Na2CO3, Na2S, золы, шлаки и др., например:
CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2 + Na2SO4;
Pb(NO3)2 + Na2CO3 → PbCO3 + 2NaNO3.
Окисление и восстановление используют для очистки сточных вод от различных растворённых минеральных и органических веществ.
Сущность этих методов состоит в использовании реакций окисления и восстановления для перевода токсичных соединений в менее токсичные или нетоксичные путём добавления в воду различных реагентов с последующим выделением продуктов из воды.
71
Окисление применяют для удаления из сточных вод цианидов, сероводорода, сульфидов, соединений тяжёлых металлов и мышьяка, меркаптанов, фенолов, крезолов и др.
В качестве окислителей используют хлор и его производные, озон, кислород, пероксид водорода, перманганаты, бихроматы, пиролюзит и др., например:
4Fe2+ + O2 + 10H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+.
Восстановление применяют для удаления из сточных вод легко восстанавливающихся веществ – главным образом, соединений ртути, хрома и мышьяка, а также нитритов, нитратов, сульфатов, хроматов, бихроматов, хлоратов, перхлоратов, броматов, иодатов и т.п.
В качестве восстановителей используют активированный уголь, сульфиды, алюминиевый и железный порошок, соли Fe (II), водород, SO2, гидросульфит и боргидрид натрия, аммиак, ацетат бария, некоторые органические вещества – гидразин и т.п., а также производственные отходы – пиритный огарок и пр., например:
2CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + 6H2O .
9.4. Термические методы очистки сточных вод
Термические методы очищают сточные воды от минеральных солей и органических веществ. К термическим методам очистки относятся
концентрирование и термоокисление.
Концентрирование применяют для удаления из сточных вод растворённых минеральных солей. Концентрирование сточных вод проводят следующими способами:
Испарение – нагревание сточной воды до температуры испарения (кипения) с последующей конденсацией чистых водяных паров.
Вымораживание – охлаждение сточной воды до температуры ниже температуры замерзания чистой воды, в результате чего чистая вода образует кристаллы пресного льда, а рассол с растворёнными в нём солями образует отдельную жидкую фазу. Кристаллы льда отделяют от рассола и плавят с получением чистой воды. Вымораживание проводят под вакуумом или посредством специальных холодильных агентов (хладагентов) – аммиака, CO2, бутана, пропана, хладонов (CCl2F2, CCl3F, CClF3) и др.
Кристаллогидратный процесс – перевод молекул воды из свободного состояния в связанное посредством образования кристаллогидратов при добавлении в сточную воду гидратообразующих агентов – пропана, хлора, хладонов, CO2 и др. Полученные кристаллогидраты плавят, выделяя чистую воду в виде паров, которые конденсируют.
72
Термоокислительные методы необходимы для удаления из сточных вод органических веществ путём окисления их до нетоксичных соединений кислородом воздуха при высоких температурах.
Термоокисление сточных вод происходит следующими способами: Парофазное окисление ("огневой" метод): используется для очистки
сточных вод, содержащих большие концентрации органических веществ. Жидкофазное окисление: окисление растворённых в воде органических
веществ кислородом воздуха при температурах 100-350 °С и давлении, обеспечивающем нахождение воды в жидкой фазе – 2-28 МПа.
Термокаталитическое окисление: окисление летучих органических веществ кислородом воздуха в парогазовой фазе в присутствии катализаторов при температурах 260-540 °С. Катализаторами служат Pt, оксиды меди, хрома, цинка, марганца и др.
9.5. Биологические методы очистки сточных вод
Биологические методы применимы для очистки сточных вод от многих растворённых и взвешенных органических соединений и ряда неорганических веществ – сероводорода, сульфитов, сульфидов, аммиака, нитритов и др.
В основе биологической очистки лежит способность и потребность микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические и минеральные соединения в качестве питательных веществ и источника энергии для своего развития и жизнедеятельности. Сложные органические вещества разрушаются до простых неорганических – CO2 и H2O, нитратов, сульфатов, карбонатов и т.п. или участвуют в синтезе биомассы.
Процессы разрушения веществ, протекающие внутри клеток микроорганизмов, представляют строгую последовательность окислительновосстановительных реакций с участием ферментов в качестве катализаторов (метаболизм).
Микроорганизмы окисляют многие органические вещества, но с разной скоростью. Скорость биохимических реакций определяется структурой разрушаемого вещества и активностью ферментов, которая зависит от температуры, pH и присутствия в сточной воде других веществ.
К биологически легко окисляемым соединениям относятся алифатические спирты, альдегиды, сложные эфиры, карбоновые кислоты, углеводы и др. Трудно окисляются высшие спирты, жирные кислоты, нитросоединения и др. Некоторые соединения вообще не подвергаются биохимическому окислению вследствие токсического действия на микроорганизмы – хлороформ, тетрахлорметан, гетероциклические соединения и др.
Биологические методы очистки сточных вод делятся на аэробные и анаэробные.
Аэробные методы основаны на использовании для окисления органических веществ аэробных микроорганизмов – таких, для
73
жизнедеятельности которых необходимо наличие кислорода и температура 1040 °С.
Анаэробные методы очистки - процессы расщепления веществ без доступа кислорода в присутствии анаэробных микроорганизмов. Анаэробные методы применяют преимущественно для обезвреживания осадков сточных вод и называют брожением.
Аэробную очистку сточных вод осуществляют сообществами микроорганизмов, которые культивируют как во взвешенном состоянии (активный ил), так и в закреплённом (биоплёнка). Активный ил культивируется в аэротенках, биоплёнка – в биофильтрах.
Аэробную биологическую очистку сточных вод можно проводить в естественных условиях (поля фильтрации, земледельческие поля орошения, биологические пруды) и в искусственных сооружениях (аэротенки, биофильтры).
Поля фильтрации и орошения представляют собой специально подготовленные земельные участки, на которые сбрасываются сточные воды, прошедшие предварительную механическую и(или) физико-химическую очистку. Сточные воды фильтруются через слой почвы, оставляя в нём взвешенные и коллоидные частицы, которые вместе с почвенными микроорганизмами образуют биоплёнку. Образовавшаяся биоплёнка адсорбирует и поглощает растворённые в сточных водах органические вещества, разрушая их до простых минеральных соединений. Кроме микроорганизмов, в процессах разрушения принимают участие воздух, солнце, корни растений.
Земельные участки, используемые только для очистки сточных вод, называются полями фильтрации. Если на земельных участках одновременно с очисткой сточных вод происходит выращивание сельскохозяйственных культур (технических и кормовых), то их называют земледельческими полями орошения
(ЗПО).
Вбиологических прудах очистка сточных вод происходит за счёт процессов самоочищения водной среды, а именно в результате комплексного воздействия водных микроорганизмов, водорослей, воздуха, солнца и донных отложений.
Биологические пруды представляют собой искусственно созданные неглубокие водоёмы, в которых создаются самые благоприятные условия для протекания процессов самоочищения: малая глубина, обеспечивающая прогрев
иинсоляцию; высокая биомасса водорослей, насыщающих воду кислородом; обилие бактерий и простейших; насыщенность донных отложений червями, личинками насекомых, моллюсками и пр.
Ваэротенках очистка сточных вод происходит через их смешивание с активным илом в условиях интенсивной аэрации.
Аэротенки представляют собой железобетонные резервуары (бассейны) прямоугольного сечения глубиной от 3 до 6 м, оборудованные устройствами
74
для принудительной аэрации. Как правило, аэротенк разделён на 2 части: собственно аэротенк (75 % от общего объёма аэротенка) и регенератор (25 %). В собственно аэротенке протекает основной процесс биохимического окисления, в регенераторе осуществляется регенерация активного ила.
Процесс биохимического окисления веществ, протекающий в аэротенке, состоит из следующих этапов:
1 – адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц;
2 – окисление микроорганизмами растворённых и адсорбированных активным илом органических соединений;
3 – доокисление трудноокисляемых веществ и нитрификация;
4 – регенерация активного ила.
В биофильтрах очистка сточных вод происходит за счёт их контакта с микроорганизмами биоплёнки. Биофильтры - аэрируемые негерметичные ёмкостные сооружения (резервуары) из кирпича, бетона или железобетона, заполненные крупнозернистыми материалами, через которые фильтруются сточные воды, поступающие сверху по всей площади фильтра. Просачиваясь сквозь загрузку биофильтра, сточные воды оставляют на её поверхности органические вещества, которые образуют биоплёнку, где растут и развиваются микроорганизмы. При контакте сточной воды с биоплёнкой происходит адсорбция загрязняющих воду веществ и их биохимическое окисление.
Анаэробные методы применяют для очистки очень концентрированных сточных вод, содержащих органические вещества, а также для переработки твёрдых отходов с высокой концентрацией органических веществ – стоков пищевых, целлюлозно-бумажных, текстильных, кожевенных и других производств, отходов животноводства и сельского хозяйства, канализационного ила и осадков промышленных сточных вод, прошедших аэробную биологическую очистку.
Процессы биохимического разрушения сложных органических веществ в анаэробных условиях при участии ферментов называются бродильными процессами или брожением. В зависимости от конечного продукта различают несколько видов брожения: пропионовокислое, маслянокислое, молочнокислое, спиртовое, ацетонобутиловое, метановое и др. Для очистки сточных вод используют метановое брожение.
Метановое брожение происходит при разрушении микроорганизмами органических масс, содержащих большое количество углеводов и белков. В результате образуется так называемый биогаз: смесь метана (CH4) – 60-75 %, углекислого газа (CO2) – 20–35 % и незначительного количества других газов –
H2S, N2, O2, H2, CO.
Процесс метанового брожения условно протекает в 3 стадии: 1 – гидролиз и(или) гидратация органических соединений;
2 – распад сложных органических веществ до простых – жирных и карбоновых кислот, спиртов, альдегидов, кетонов;
75