Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ

РАБОТА

студента Артемова Александра Николаевича

факультет химии и экологии

направление 020800 «Экология и природопользование»

Тема квалификационной работы

Технологический регламент очистки сточных вод предприятия ОАО «Кольчугинский завод «Электрокабель»»

 

Руководитель работы профессор, к.т.н.Селиванова Н.В.

Консультанты:

1. По организации производства и экономике

2. По строительной части

3. По безопасности и экологичности.

 

Механические способы

Механическая очистка – это выделение из сточных вод находящихся в них нерастворенных грубодисперсных примесей, имеющих минеральную и органическую природу [7].

В группу методов механической очистки включают процеживание, отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка, фильтрование и центробежные методы.

Процеживание. Сточные воды процеживают через решетки и сита с целью извлечения из них крупных примесей для предотвращения засорения труб и каналов. Решетки состоят из наклонных или вертикально установленных параллельных металлических стержней, укрепленных на металлической раме. Решетки могут быть неподвижные и подвижные. Ширина прозоров в решетке равна 16 – 20 мм. По способу очистки решеток от задержанных загрязнений они разделяются на простейшие, которые очищаются ручным способом, и механические, очищаемые с помощью механических приспособлений. При этом в просветах решетки движутся зубцы граблей, укрепленных на подвижной шарнирно-пластинчатой цепи, которая приводится в движение электродвигателем. Отбросы, снятые со стержней решетки направляются на ленте-транспортере в дробилку для измельчения [8].

Сита применяют для удаления более мелких взвешенных частиц. Они могут быть двух типов: барабанные или дисковые. Первые представляют собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его внешнюю или внутреннюю поверхность в зависимости от способа подвода воды (снаружи или внутрь). Задерживаемые примеси смываются c сетки водой и отводятся в желоб. Производительность сита зависит от размера (диаметра) барабана, его длины, a также от свойств примесей.

Остаивание является одним из основных методов выделения из сточных вод, оседающих и всплывающих механических примесей. Осаждение происходит под действием силы тяжести. Для проведения процесса используют песколовки, отстойники и осветлители [9].

Песколовки предназначены для задержания минеральных примесей, содержащихся в сточных водах. Принцип действия этих устройств основан на том, что частицы, плотность которых больше, чем плотность воды, по мере движения их в резервуаре выпадают на дно. Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества очищаемых сточных вод, концентрации взвешенных частиц. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Скорость движения воды в горизонтальных песколовках не превышает 0,3 м/с.

Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и дешевым методом выделения из сточных вод грубо диспергированных примесей с плотностью, отличной от плотности воды.

Отстойники предназначаются для осаждения нерастворенных частиц вследствие замедленного движения сточных вод [10].

B зависимости от конструкции отстойники могут быть горизонтальными, вертикальными или радиальными. В горизонтальных отстойниках жидкость движется почти горизонтально вдоль отстойника, в вертикальном — снизу вверх, в радиальных — от центра к периферии.

Горизонтальные отстойники – это железобетонные, прямоугольные в плане бассейны воды. Для выравнивания потоков в бассейнах устанавливают через 3 – 6м вертикальные продольные перегородки. Удаление осадков со дна отстойника гидравлическое (без остановки работы) или механическое (при опорожнении отстойника или отсека).

Вертикальные отстойники — это круглые, квадратные или многоугольные в плане резервуары с конусным или пирамидальным днищем. Вертикальные отстойники обычно имеют производительность от 20 до 50 м3/сут, они используются при глубоком залегании грунтовых вод. Сточная жидкость подводится к рабочей части отстойника по центральной трубе. После выхода из трубы сточная жидкость движется снизу вверх к сливным желобам, по которым поступает в отводной лоток. Во время движения сточной жидкости по отстойнику из нее выпадают взвешенные частицы, плотность которых больше плотности воды.

Радиальные отстойники – круглые в плане бассейны, снабженные устройством для непрерывного удаления выпадающей смеси. Сточная вода подается через центральную трубу в бассейн отстойника и движется с убывающей скоростью к периферии. При этом происходит выпадение осадка. Пройдя отстойник, сточная вода через щелевые отверстия поступает в круговой желоб. Дно бассейна имеет уклон в 5-8° от периферии к центру. Выпавший осадок удаляют скребками, укрепленными к подвижной ферме, в приямок для сбора осадка, расположенный в центральной части отстойника.

Радиальные отстойники являются разновидностью горизонтальных. Их применяют главным образом на крупных станциях очистки сточных вод (более 20 000 м³/сут) в системах биологической обработки. В этом случае их разделяют на первичные и вторичные. Первичные предшествуют сооружениям биологической очистки, а вторичные устанавливаются после таких сооружений.

Недостатками отстойников являются сравнительно низкая эффективность, невысокая скорость удаления частиц, большие габаритные размеры аппаратов, значительный расход материалов (металла, бетона) для их изготовления.

Фильтрование. Процесс применяют для выделения из сточных вод грубо- и мелкодисперсных примесей, не осевших при отстаивании. Фильтрование является обычно завершающей стадией очистки сточных вод, прошедших сооружения механической, физико-химической и биологической очистки.

B зависимости от количества и характера примесей, a также количества очищаемой жидкости и требований к осветленной воде применяют фильтры c фильтровальной перегородкой или зернистой загрузкой.

Для осуществления процесса фильтрования могут быть использованы фильтры любой конструкции. Однако при очистке сточных вод, как правило, в больших объемах выбирают фильтры, для работы которых не требуется применения больших давлений. Исходя из этого, используют фильтры с сетчатыми элементами (микрофильтры и барабанные сетки) и фильтры c фильтрующим зернистым слоем. Фильтр последнего типа представляет собой резервуар, в нижней части которого имеется дренажное устройство для отвода воды. На дренаж укладывают слой поддерживающего материала, a затем фильтрующий материал.

Фильтрующий слой аппарата необходимо время от времени промывать от накопившихся загрязнений. Для этого в фильтр снизу подается промывочная вода.

Наличие в очищаемой воде ферромагнитных примесей позволяет использовать для очистки магнитные и электромагнитные фильтры. Для фильтрования эмульгированных веществ применяют фильтры c пенополиуретановой загрузкой.

Недостатками фильтров являются значительная металлоемкость и сложность системы промывки.

Центробежные методы. Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводится в гидроциклонах и центрифугах. Для очистки сточных вод, как правило, используют напорные и открытые (низконапорные) гидроциклоны. Напорные гидроциклоны применяют для осаждения твердых примесей, a открытые - для удаления осaждaющихся и всплывающих примесей. Гидроциклоны просты по устройству, компактны, легко обслуживаются, имеют высокую производительность и небольшую стоимость.

Центробежные силы используют также в центрифугах. Мощность силового поля в таких аппаратах превышает мощность поля сил тяжести в сотни, тысячи и даже сотни тысяч раз, что позволяет обеспечить любую степень полноты разделения. B практике центрифугирования применяют два принципиально различных способа разделения неоднородных систем - фильтрование и центробежное осаждение.

Фильтрующие центрифуги служат для разделения сравнительно грубодисперсных систем с кристаллической или аморфной твердой фазой; отстойные и осветляющие – для разделения трудно фильтрующихся суспензий. Для разделения эмульсий используют сепараторы разнообразных конструкций. Для очистки производственных сточных вод наибольшее применение находят комбинированные центрифуги, сочетающие в одном аппарате фильтрацию с последующим осаждением в поле центробежных сил [11,12].

Физико-химические методы

Физико-химические методы очистки заключаются в том, что в очищаемую воду вводят какое-либо вещество — реагент (коагулянт и флокулянт). Вступая в химическую реакцию с находящимися в воде примесями, эти вещества способствуют более полному выделению нерастворенных примесей, коллоидов и части растворенных соединений и тем самым уменьшают их концентрацию в сточной воде; переводят растворимые соединения в нерастворимые или в растворимые, но безвредные; изменяют реакцию сточных вод, в частности нейтрализуют их; обесцвечивают окрашенную воду и пр.

Современные исследования свидетельствуют о возможности обеспечения глубокой очистки сточных вод физико-химическими методами. Освоение такой очистки по стадиям позволяет резко интенсифицировать механическую очистку сточных вод или заменить биологическую очистку.

Физико-химические методы чаще всего применяют при очистке производственных сточных вод. При этом в зависимости от местных условий тот или иной метод может явиться окончательной стадией (если достигаемая степень очистки достаточна для использования сточных вод повторно) либо предварительной стадией (например, при удалении ядовитых соединений или каких-либо других веществ, препятствующих нормальной работе последующих очистных сооружений) [13].

Флотация

Флотация – процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа и жидкости, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания. Процесс очистки производственных сточных вод методом флотации заключается в образовании комплексов «частицы – пузырьки», всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности обрабатываемой жидкости.

Метод флотации используется для очистки сточных вод, загрязненных отходами нефти, продуктами ее переработки, жирами, маслами, смолами, латексами, продуктами органического синтеза, поверхностно-активными веществами, красителями [14].

Флотационный метод очистки обеспечивает, помимо удаления механических примесей, загрязнений (растворенных и коллоидных), также снижение значений БПК и ХПК, удаление летучих компонентов растворение в воде кислорода воздуха. Эффективность процесса флотации колеблется в довольно широких пределах: от 20 до 99%. Наиболее часто флотационный метод очистки применяют в локальных сооружениях для удаления основной массы загрязнений. Флотационный процесс протекает в 4—6 раз быстрее отстаивания при одинаковом эффекте удаления загрязнении.

Извлечение диспергированных, коллоидных или растворенных примесей воды происходит в результате их прилипания (или адсорбции) к пузырькам газа, образующимся в жидкости, или введенным в нее. Агрегаты пузырьков воздуха с примесями всплывают на поверхность, образуя пенный слой с более высокой концентрацией частиц, чем в исходной жидкости.

При очистке сточных вод могут быть использованы методы пенного фракционирования, макро- и микрофлотации, осадительной флотации, молекулярной флотации и адсорбционной коллоидной флотации.

Физико-химические основы пенной флотации. Основную роль в процессе флотации диспергированных примесей играют поверхностные силы, ван-дер-ваальсовские силы притяжения, электрические силы, возникающие при перекрытии двойных электрических слоев, образующихся вокруг частички в водном растворе, и силы гидратации любых гидрофильных групп на поверхности частички [15].

Действия этих трех сил определяют смачиваемость или несмачиваемость частицы водой. Прилипание частицы к газовому пузырьку тем сильнее, чем хуже ее смачивание водой. Мерой смачиваемости твердого тела жидкостью является краевой угол смачивания, измеряемый обычно со стороны воды.

Смачиваемость твердой частицы водой, как известно, определяется степенью ее гидрофобности. Чем более гидрофобно вещество, тем меньше его смачиваемость и лучше флотируемость. Изменение смачиваемости флотируемых частиц достигается адсорбцией на их поверхности поверхностно-активных веществ, в результате которой полярные группы ПАВ прикрепляются к частице, а гидрофобные цепи обращаются в объем раствора. Таким образом, при введении небольших количеств поверхностно-активных веществ флотируемость увеличивается до тех пор, пока их концентрация не вызовет заметное понижение величины поверхностного натяжения водной среды, из которой происходит флотация. По воздействию на процесс флотации ПАВ обычно разделяют на две категории:

· коллекторы;

· пенообразователи.

Коллекторы, в основном, изменяют смачиваемость частиц, а пенообразователи адсорбируются, как правило, на границе водная среда — газ и стабилизируют пленку, образующуюся между приближающимися друг к другу пузырьками, препятствуя их коалесценции. Избыток пенообразователя всегда несколько понижает поверхностное натяжение и,

следовательно, вероятность акта прилипания частицы к пузырьку.

Процесс флотации можно рассматривать как трехстадийный:

1) постепенное сближение минеральной частицы с пузырьком воздуха, в то время как на частице формируется смачивающая пленка;

2) утоньшение смачивающей пленки до тех пор, пока не будет достигнуто нестабильное состояние;

3) разрушение смачивающей пленки и образование краевого угла, обеспечивающего сильную адгезию частицы на поверхности воздушного пузырька.

Эффект флотации высокодисперсных частиц, размеры которых близки коллоидным, в значительной мере зависит от электростатического взаимодействия двойных электрических слоев частиц и пузырьков. Чаще всего снижение электрокинетического потенциала частиц приводит к уменьшению энергетического барьера и улучшению их флотируемости.

Существенное влияние на эффективность флотации оказывает соотношение размеров частицы и газового пузырька, которое определяет эффективность их столкновения и последующего притяжения. Для каждого размера пузырька существует критический размер частицы. Столкновение частиц меньшего размера с пузырьком не происходит. Например, наименьший размер частиц галенита, которые могут соприкоснуться с пузырьком воздуха диаметром 1,5х10⁶ нм, составляет 30х10³ нм. Очень мелкие частицы движутся точно по линиям тока жидкости, обтекающей всплывающий пузырек. Поэтому столкновение частицы с пузырьком может произойти только тогда, когда частица проходит вблизи пузырька на расстоянии одного радиуса частицы. В общем случае извлечение очень мелких частиц флотацией можно улучшить, повышая дисперсность пузырьков – воздуха [16].

В первом приближении скорость флотации прямо пропорциональна частоте генерации пузырьков и не зависит от их диаметра в широком интервале размеров частиц. При данной скорости продувания воздуха необходимо добиваться минимального размера пузырьков, чтобы частота их генерации была максимальной [17].

В оптимальных условиях обеспечивается 98 - 100 % очистка от ионов тяжелых металлов. Простота эксплуатации, отсутствие вторичного загрязнения, незначительный расход реагентов – достоинства этого метода.

1.2.2. Коагуляция

Метод заключается в том, что к сточной воде добавляют реагенты (коагулянты), способствующие быстрому выделению из нее мелких взвешенных и эмульгированных ве­ществ, которые при простом отстаивании не осаждаются. Реа­гент добавляют обычно до поступления сточной воды в от­стойники. Взвеси вместе c коагулянтом осаждаются в отстойных бассейнах.

Для повышения эффективности очистки сточных вод от коллоидных загрязнений используют минеральные коагулянты, представляющие гидролизующиеся соли металлов [18].

Ниже в таблице приведены наиболее часто используемые коагулянты (табл. 1.2.1.)

Таблица 1.2.1.

Коагулянты, используемые при очистке сточных вод

Название	Химическая формула
Сульфат алюминия Алюминат натрия Полигидроксохлорид алюминия Алюмокалиевые квасцы Аммиачные квасцы Сульфат железа (II)   Сульфат железа (III) Хлорид железа (III)	Al2(SO4)3∙ 18 H2O NaAlO2 Al2(OH)nCl(6-n)   KAl(SO4)2∙12H2O NH4Al(SO4)2∙12H2O FeSO4∙3H2O FeSO4∙7H2O Fe2(SO4)3∙2H2O FeCl3

 

Наиболее широкое применение в качестве коагулянта получил сульфат алюминия. При коагулировании сульфат алюминия взаимодействует с гидрокарбонатами, имеющимися в воде, образуя малорастворимое основание. Также успешно применяют гидроксохлорид алюминия, для которого требуется меньший щелочной резерв воды.

Так как железо обладает переходной валентностью, соли железа могут применяться не только для коагулирования, но и для проведения реакций окисления-восстановления с последующей седиментацией.

Упрощенная схема гидролиза коагулянта может быть представлена следующими стадиями:

Меⁿ⁺ + H₂O ↔ Me(OH)^(n-1)+ + H⁺

Me(OH)^(n-1)+ + H₂O ↔ Me(OH)₂ ^(n-2)+ + H⁺

Me(OH)₂ ^(n-2)+ + H₂O ↔ Me(OH)₃ ^(n-3)+ + H⁺

Меⁿ⁺ + nH₂O ↔ Me(OH)_n + nH⁺

Физико-химические основы процесса коагуляции. В технике водоочистки в качестве коагулянтов наиболее широко применяют сульфат алюминия, сульфат и хлориды железа, алюминиевые квасцы и смесь хлорида и сульфата железа. В редких случаях используют соли магния, цинка и титана.

Гидролиз солей металлов. В большинстве случаев коагулянты представляют собой соли слабых оснований и сильных кислот. При растворении их в воде происходит гидролиз, и образуются малорастворимые основания — гидроксиды алюминия или железа. При этом в результате смещения равновесия диссоциации в воде накапливаются ионы водорода и в растворе появляется кислота. Растворимость гидроксидов алюминия и железа чрезвычайно мала. Они выделяются из раствора, образуя сначала коллоидные частицы (разбавленные золи гидроксидов), которые под влиянием электролитов, растворенных в воде, коагулируют и выпадают вместе с коллоидами, загрязняющими воду, в осадок. Этот осадок содержит связанную воду, а также несколько слоев молекул «неструктурной» воды, адсорбционно связанной с поверхностью осадка силами различной прочности [19].

Скорость гидролиза солей металлов пропорциональна концентрации катионов металла. Поскольку концентрация вводимого в воду коагулянта обычно невелика, можно считать, что скорость гидролиза коагулянта прямо пропорциональна его концентрации или дозе, вводимой в воду. С повышением температуры скорость гидролиза возрастает примерно в 2 раза на каждые 10 °С. Необходимым условием более полного протекания процесса гидролиза является удаление образующегося гидроксида металла из сферы реакции или связывание ионов Н⁺ в недиссоциированные молекулы. Большему гидролизу подвержены коагулянты с меньшей константой диссоциации или с меньшим произведением растворимости труднорастворимого осадка. В соответствии с этим гидролиз солей трехвалентного железа протекает полнее, чем солей алюминия, и значительно полнее гидролиза солей двухвалентного железа.

Для количественной характеристики степени гидролиза удобно пользоваться концентрацией водородных ионов в растворе или рН. Изменяя рН раствора, можно регулировать течение процесса в желаемом направлении и обеспечить полный гидролиз введенного в воду коагулянта. Для этого необходимо связать образующиеся при гидролизе ионы водорода в недиссоциированные молекулы, а также удалить один из продуктов гидролиза из сферы реакции. Хотя гидроксиды алюминия и железа имеют малую растворимость (0,6—1,5 мг/л), все же эти величины при небольших дозах коагулянта (до 150 мг/л) достаточны для торможения процесса гидролиза. Поэтому рН среды играет большую роль в процессе коагуляции. В этом отношении положительное буферное действие оказывают растворенные в воде бикарбонатные соли. В совокупности с растворенным в воде диоксидом углерода они образуют буферную систему с рН, близким к нейтральной точке. В тех случаях, когда емкости буферной смеси не хватает для нейтрализации образующейся кислоты, воду подщелачивают, вводя известь, соду и т. п.

Растворимость продуктов гидролиза. Применение коагулянтов в водоочистке требует, прежде всего, обеспечения таких условий для протекания процесса, при которых растворимость продуктов гидролиза была бы минимальной. Это определяется, главным образом, значением рН системы. На величину рН, при которой достигается минимальная растворимость гидроксида, заметно влияет анион исходной соли, его концентрация, валентность и наличие конкурирующих анионов. Известно, что ионы Аl³⁺ и Fe³⁺ способны к комплексообразованию не только с ионами гидроксида, но и с другими анионами и ионизированными группами гидрофильных органических веществ: фосфатными, сульфатными, карбоксильными и др. Конкуренция этих анионов с ОН-группами и вероятность «координационного внедрения» зависят от их концентрации, валентности и значения рН среды. В присутствии конкурирующих анионов

уменьшается значение оптимального рН среды, соответствующее минимальной растворимости продуктов гидролиза, т. е. их изоэлектрической точке. Так, для гидроксила алюминия эта точка по Кольтгофу составляет 6,5 - 7,5, а по данным Е. Д. Бабенкова - 7,6 - 8,2. В присутствии анионов эта величина уменьшается на 1 - 1,5.

Физико-химические основы процесса осадкообразования. Таким образом, введение в воду коагулянта при определенных условиях приводит к выпадению малорастворимого соединения. Система с таким осадком термодинамически неравновесна и с большей или меньшей скоростью стремится к равновесному состоянию. Этот процесс рассматривают как трехстадийный:

· скрытый период;

· рост частиц твердой фазы;

· старение осадка.

Скрытый период — это образование зародышей в пересыщенном растворе, на которых накапливается выпадающее из раствора вещество. Так как в технике водоочистки процесс гидролиза обычно протекает в разбавленных растворах, т. е. при незначительном пересыщении, то зародышей образуется мало и они медленно растут до частиц крупного размера. На практике в сточных водах, содержащих микрогетерогенные примеси, зародыши могут образовываться в результате осаждения растворенного вещества на чужеродных частицах, присутствующих в воде, но при этом возможен и процесс возникновения зародышей в результате столкновения ионов или молекул.

В образующихся в результате пересыщения первичных частицах молекулы расположены более или менее хаотично и, стремясь к равновесию, т. е. минимуму потенциальной энергии, располагаются в виде кристаллической решетки, наступает кристаллизационный период. При большом пересыщении скорость агрегации превалирует над скоростью ориентации, в результате этого частицы имеют почти всегда аморфное строение. Скорость ориентации гидроксида снижается с увеличением числа гидроксильных ионов, связанных с атомом металла. Поэтому гидроксиды двухвалентных металлов приобретают кристаллическое строение, а гидроксиды трехвалентных металлов алюминия, железа, главным образом, выделяются в аморфном виде. Частицы аморфного гидроксидного осадка имеют сильно развитую поверхность и обладают большой адсорбционной способностью.

Старение осадка также слагается из нескольких параллельно и последовательно идущих процессов. Процесс старения заключается в уменьшении кажущегося объема осадка, улучшении его седиментационных, реологических и фильтрующих свойств, ухудшении сорбционной и каталитической способности и растворимости. Старение гелей гидроксидов трехвалентных металлов ускоряется с повышением температуры. Примеси, присутствующие в растворе и захватываемые осадком, могут либо резко затормозить старение, либо существенно его ускорить.

Образующийся в результате обработки воды коагулянтами осадок представляет собой хлопья неправильной формы с рыхлой сетчатой структурой и размерами от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Влажность осадка составляет 96—99,99%. Объемная масса 0,01—1,03 г/см³, а в случае наличия в сточной воде значительных количеств микрогетерогенных примесей увеличивается до 1,05—1,2 г/см³ [20].

Удаление полуколлоидных примесей методом коагуляции. Извлечение из воды в процессе коагуляции растворенных веществ обусловлено способностью катионов А1³⁺ и Fe³⁺ к комплексообразованию, при котором комплексообразующие ионы конкурируют с группами ОН^- за координационные участки гидроксидов и вероятность координационного внедрения зависит от их концентрации, валентности и значения рН среды. Так, извлечение поверхностно-активных веществ из растворов основано на реакциях комплексообразования между катионами алюминия и железа и аннонами ПАВ при рН<7.

Понижение рН среды приводит к увеличению степени извлечения ПАВ. При исследовании адсорбции ПАВ алкилсульфатов на гидроксиде железа было отмечено, что уменьшение величины рН среды с 7 до 4,5 способствует увеличению адсорбции ПАВ, а в области рН 7—10 степень адсорбции алкилсульфатов практически не изменяется. В соответствии с комплексообразующим механизмом поглощения анионных ПАВ снижение рН системы, содержащей осадок гидроксида, до 4,8—4,5 позволяет удалять до 50—60% ПАВ.

Достоинством метода является очистка до требований ПДК от соединений шестивалентного хрома, низкие эксплуатационные затраты. К недостаткам можно отнести невозможность очистки до ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.

Флокуляция

Флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.

Для интенсификации процессов хлопьеобразования и осаждения взвешенных частиц в современной технологии водоочистки в качестве флокулянтов обычно используют коллоидную кремнекислоту, а также природные и синтетические высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов и длиной цепочки из повторяющихся звеньев в десятки тысяч нанометров. Процесс флокуляции следует рассматривать как образование хлопьев при взаимодействии компонентов двух разнородных систем: макромолекул растворимых полимеров и частиц коллоидных растворов и суспензий с четкой поверхностью раздела фаз. Таким образом, при использовании флокулянтов происходит взаимодействие термодинамически обратимой молекулярно-гомогенной системы с агрегативно неустойчивыми микрогетерогенными и гетерогенными системами.

Растворенные в воде флокулянты могут диссоциировать на ионы либо находиться в неионизированном состоянии. В зависимости от химической природы диссоциирующей группы различают анионные и катионные флокулянты. Обычно анионные группы - это — СООН; — SO₃H; — OSO₃H; катионные: —NH₂; = NH; =NOH и др. При наличии в структуре кислотных и основных групп макромолекула обладает амфотерными свойствами и знак заряда макроиона зависит от рН среды.

В водных растворах вследствие диссоциации образуются высокомолекулярные поливалентные макроионы, вокруг которых (вне и внутри их) концентрируются низкомолекулярные ионы с зарядом противоположного знака, образуя облако, подобно слою компенсирующих ионов около коллоидных частиц [21].

Возрастание степени диссоциации макроионов обычно приводит к увеличению их размеров, что обусловлено отталкиванием заряженных звеньев полимеров. Образованию более компактных полимеров способствует снижение диссоциации при добавлении в раствор диссоциирующих флокулянтов сильных электролитов. Флокуляция обусловлена сорбцией одной и той же макромолекулы на двух или более частицах с образованием между ними «мостиков», что и приводит к возникновению в дисперсии крупных быстро седиментирующих агрегатов. В соответствии с этим вначале происходит первичная адсорбция, когда каждая молекула прикрепляется частью сегментов к одной частице, а затем — вторичная, при которой свободные сегменты адсорбированных молекул закрепляются на других частицах, объединяя их полимерными мостиками.

Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Химические способы

Наиболее распространенным является способ, суть которого заключается во введении в сточную воду реагентов. При этом образуется труднорастворимые соединения, которые затем отделяют от жидкой фазы обычными способами, принятыми в водоподготовке (отстаивание, флотация, фильтрование и др.) [22].

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей и металлов. Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, содой, отходами щелочей и т.п. наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроксид кальция (или гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты. Удельный расход реагента, необходимый для удаления металлов представлен в таблице (табл. 1.3.1.)

 

 

Таблица 1.3.1.

Удельный расход реагента, необходимый для удаления металлов

Металл	Реагент, (кг/кг)
CaO	Ca(OH)2	Na2CO3	NaOH
Zn	0,85	1,13	1,60	1,22
Ni	0,95	1,26	1,80	1,36
Cu	0,88	1,16	1,66	1,26
Fe	1,00	1,32	1,90	1,43
Pb	0,27	0,36	0,51	0,38

 

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

· фильтрационный – путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

· водно-реагентный – добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды и шлака), нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

· полусухой – перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

С целью улучшения результатов очистки и уменьшения объемов шламов во всем мире проводятся исследования по применению дополнительных или альтернативных методов очистки общего количества отходов. Варианты исследований можно разделить на две основные группы. С одной стороны заменяют осаждение гидроксидов на осаждение сульфидов (меньшие объемы шламов), с другой стороны добавляют дополнительную стадию обработки (более низкое остаточное содержание).

Можно достичь более низкого остаточного содержания металлов, если изменить осаждающий химикат. Более глубокая очистка от тяжелых металлов достигается при обработке сточных вод сульфидом натрия. Это связано с тем, что растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно меньше растворимости любых других труднорастворимых соединений – гидроксидов и карбонатов.

Осаждение сульфидов происходит при более низком значении рН, чем гидроксидов и карбонатов. Например, сульфид никеля осаждается при рН=3,3, тогда как гидроксид натрия при рН=7,7.

Стоимость осаждения сульфидов выше, чем стоимость осаждения гидроксидов. Для того чтобы снизить стоимость очистки сточных вод сначала осаждают гидроксиды, а затем сульфиды.

В качестве источника сульфида можно использовать сульфид натрия или смесь FeSO₄ и NaHS, которая образует суспензию FeS₂.

Для удаления небольших количеств ионов тяжелых металлов, можно использовать пирит. Процесс можно проводить фильтрованием сточных вод через гранулированный пирит или непосредственно введением порошка в сточную воду.

В последнее время находит применение ферритный метод, как модификация реагентного метода очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Очистка сточных вод методом ферритизации заключается в сорбции примесей магнитными гидроокисями железа, образовании ферритов с последующей топохимической реакцией захвата сорбционных веществ кристаллической решеткой феррита.

Осаждение образующихся в процессе реагентной обработки нерастворимых соединений карбонатов или гидроксидов осуществляется в отстойниках. Для ускорения осветления нейтрализованных сточных вод рекомендуется добавлять к ним синтетический флокулянт. Технология применения флокулянта зависит от многих факторов и в первую очередь от физико-химических свойств обрабатываемой жидкости. Приведены наиболее употребляемые дозы флокулянта (табл. 1.3.2.)

Достоинства этого метода – универсальность и простота эксплуатации.

Недостатками этого способа являются значительный расход химикатов и образование труднорастворимых соединений. Громоздкость оборудования. Кроме того, применение реагентных технологий обусловливает вторичное загрязнение (засоление) очищенной воды, что препятствует ее повторному использованию в производстве [23].

Используемые в настоящее время химические способы очистки в сочетании с механическим отстаиванием позволяют извлекать всего 50-80% загрязнений, в тоже время образуется значительное количество шлама, который необходимо перерабатывать или утилизировать, что требует дополнительных затрат.

Таблица 1.3.2.

Дозы флокулянта при различных концентрациях загрязняющих веществ в растворе

Доза полиакриламида, мг/л	Содержание взвешенных веществ, г/м
0,4 – 0,1	501 - 1000
0,6 – 0,4	101 - 500
1,0 – 0,6	11 - 100
1,5 – 1,0	До 10

 

Сорбционные способы

Один из эффективных и технологически простых способов удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод – сорбция.

В широком понимании сорбция представляет собой процесс поглоще