Методы очистки сточных вод

 

 

 

5. Іонний  обмін

 

Гетерогенний  іонний  обмін  або  іонообмінна  сорбція –  це  процес  обміну  між  іонами,  що знаходяться  в  розчині,  і  іонами,  присутніми  на  поверхні  твердої  фази – іоніту.

Очищення  виробничих  стічних  вод  методом  іонного  обміну  дозволяє  витягувати  і  утилізувати  цінні  домішки  (з'єднання  миш'яку,  фосфору,  а також  хром,  цинк,  свинець,  мідь,  ртуть,  і  інші  метали),  поверностно-активні  і  радіоактивні  речовини,  очищати  воду  до  гранично  допустимих  концентрацій  з  подальшим  її  використовуванням  в  технологічних  процесах  або  в  системах  оборотного  водопостачання.

По  знаку  заряду  іонів, що обмінюються, іоніти  ділять  на  катіоніти і аніоніти,  проявляючі  відповідно  кислотні  і основні властивості.  Іоніти  підрозділяються на  природні  і штучні  або синтетичні.  Проте ведуча  роль належить синтетичним органічним іонітам – іонообмінним  смолам.

Найважливішою  властивістю  іонітів  є  їх  поглинювальна  здатність,  так звана  обмінна  місткість.  Повна  місткість  іоніту – ця  кількість  знаходяться  у  воді  грам-еквівалентів  іонів,  яке  може  поглинути 1 м³ іоніту  до  повного насичення.  Робоча  місткість  іоніту – ця  кількість  знаходяться  у  воді  грам-еквівалентів  іонів,  яке  може  поглинути 1 м³  іоніту  до  початку проскакування у фільтрат  поглинальних  іонів.

При  зіткненні  іонітів  з  водою  відбувається  їх  набухання  за рахунок  осмотичних  явищ;  об'єм  іонітів  звичайно  збільшується  в  1,2-2  рази.  На  кінетику  іонного  обміну  впливає  також  величина  температури,  концентрація  іонів  і  ін.

Процеси  іонообмінного  очищення  стічних  вод  здійснюються  в  апаратах  періодичної  (фільтрах)  або  безперервної  дії.

Метод  іонного  обміну  застосовується  для  очищення  стічних  вод  підприємств  металургійною,  хімічною,  коксохімічною,  машинобудівною  і  інших  галузей  промисловості.

 

1.2.6  Електродіаліз

 

Електродіаліз – процес  сепарації  іонів  солей,  здійснюваний  в  мембранному  апараті  під  дією  постійного  електричного  струму.  Електродіалізний метод застосовується для опріснення высокомінерализованих стічних вод.

Електродіалізатор роздільний чергуючими катіонітовими і аніонітовими  мембранами, створюючими концентруючі (розсоли) і знесолюють (ділюатні) камери. Під впливом постійного струму катіони, рухаючись до катода «-», проникають через катіонітові мембрани, але затримуються  аніонитовими, а іони, рухаючись  у напрямі  анода  «+»,  проходять  через  аніонітові мембрани,  але затримуються  катіонітовими.  В результаті  цього  з  одного  ряду  камер  іони  обох  знаків  виводяться  в  суміжний  ряд  камер.

Застосовуються  електродіалізні  апарати  двох  типів:  прокладки  і  лабіринтові. Електродіалізатори  типу  прокладки  мають  горизонтальну  вісь  електричного  поля;  їх  пропускна  спроможність  від  2  до  20  м3/ч.  Електродіалізатори лабіринтового типу мають  вертикальну  вісь  електричного  поля;  їх  пропускна  спроможність від  1  до  25  м3/ч. Оптимальна  область  вживання  електродіалізаторів – при  концентрації  солей  в  оброблюваній  стічній  воді  3-8  г/л.  У  всіх  конструкціях  електродіалізаторів  в основному  застосовують єлектроди, виготовлені з платинованого титана. Для  ефективної роботи апаратів велике значення має промивка приелектродних  камер, що оберігає крайні мембрани від руйнування продуктами електролізу.[7]

 

 

 

 

 

1.3  Хімічні  методи  очищення  виробничих  стічних  вод

 

Основними  методами  хімічного  очищення  виробничих  стічних  вод  є  нейтралізація  і  окислення.  До окислювальних  методів  відноситься  також  електрохімічна  обробка.

Хімічне очищення  може  застосовуватися  як самостійний  метод перед подачею  виробничих стічних вод в систему оборотного  водопостачання,  а також перед спуском їх  у водоймище або в міську  каналізаційну мережу.  Вживання  хімічного очищення  у ряді випадків  доцільне  (як  попередня)  перед біологічним або физико-хімічним  очищенням.  Хімічна  обробка  знаходить  вживання  також як і  метод  доочистки  виробничих  стічних  вод  з  метою  їх  дезинфекції,  обезбарвлення  або  витягання  з  них  різних  компонентів.  При  локальному  очищенні  виробничих  стоків  в більшості випадків  перевага  віддається  хімічним  методам.[2]

 

1.3.1  Нейтралізація

 

Виробничі стічні води від технологічних  процесів багатьох  галузей промисловості  містять луги і кислоти, а також  солі важких металів. Такі води спускати в каналізаційну мережу, на очисні станції і у водоймища не можна без попереднього доведення концентрації цих забруднень до  допустимих значень. До таких виробничих стічних вод відносяться води хімічних, судоремонтних, металургійних і нафтопереробних заводів  і особливо тих заводів, де є гальванічні і термічні цехи. Для попередження корозії матеріалів каналізаційних очисних споруд, порушення біохімічних процесів в біологічних окислювачах і у водоймищах, а також для осадження із стічних вод солей важких металів кислі і лужні стоки піддають нейтралізації.

Реакція  нейтралізації – це  хімічна  реакція  між  речовиною,  що має  властивість  кислоти,  і  речовиною,  що має  властивість  підстави,

 

 що приводить  до  втрати  характерних  властивостей  обох  з'єднань.[6]

У  загальному  вигляді  реакція  нейтралізації  виражається  рівнянням

Н+ + ОН- =H₂O

При цьому  величина  рН  (зворотний логарифм  концентрації  іонів водню Н+)  одержаного  розчину рівна 7,  тобто спостерігається нейтральна  реакція,  тоді як  до  нейтралізації  вона  могла  бути  кислою  (рН<7)  або  лужною  (рН>7).

При спуску виробничих стічних вод  у водоймище або в міську каналізаційну  мережу практично нейтральними слід рахувати суміші з   рН=6,5-8,5.  Отже,  піддавати  нейтралізації  слід  стічні  води  з  рН  менше  6,5  і  більше  8,5,  при цьому  необхідно  враховувати  нейтралізуючу  здатність  водоймища,  а також  лужний  резерв  міських  стічних  вод.  З  умов  скидання  виробничих  стоків  у  водоймище  або  в  міську  каналізацію  витікає,  що  велику  небезпеку  представляють  кислі  стоки,  які  зустрічаються  до того ж  значно  частіше, ніж лужні.[3]

У практиці хімічного очищення застосовують наступні способи нейтралізації: безпосереднє змішення кислих стоків з лужними  перед спуском їх в каналізаційні  мережі; використовування активної лужності міських стічних вод або водоймища; додавання реагенту (розчину кислот, негашене вапно СаО, гашене вапно Са(ВІН)₂ і ін.) в пропорціях, необхідних для нейтралізації; фільтрація забруднених вод через нейтралізуючі  матеріали (вапно,  вапняк,  доламає,  магнезит,  мів).

Нейтралізація  кислот  може  проводитися  будь-якими  лугами  або  солями, освіченими сильними підставами і слабкою кислотою.    Відповідно для нейтралізації  будь-яких  лугів  застосовні  сірчана, азотна,  фосфорна  і інші  кислоти.

У  виробничих  стічних  водах  можуть  зустрінеться:  сильні  кислоти  (першої  групи),  кальцієві  солі  яких  добре розчинні у  воді  (НСl,HNO₃ );  сильні  кислоти (другої  групи),  кальцієві солі  яких  важко  розчинні у воді (H₂SO₄,

H₂SO₃, і слабкі кіслоти ( CO₂ CH₃COOH оцетова ).

Нейтралізація  сильних  кислот  першої  групи    не представляє  утруднень,  оскільки  створюючі  їх  солі  розчинні  у воді  і ніякого осаду    не дають.  Сильні  кислоти другої  групи  нейтралізувати  значно  складніше,  оскільки  в  осад  випадає  велика  кількість  солей,  як,  наприклад,  гіпс  CaSO4  при  нейтралізації  сірчаної  кислоти.  Крім того,  гіпс  відкладається  на  поверхні  нейтралізуючого  матеріалу  і  гальмує  процес  реакції.

Якщо виробничі стічні поступають в мережу нерівномірно і в невеликих  кількостях, то змішують кислі стоки  з лужними. При цьому в деякий годинник доби поступають води, що містять  переважно лугу, а в інший годинник доби – води, що містять кислоти. Для перемішування кислих і лужних стічних вод будують спеціальні резервуары–усреднители для  взаємної нейтралізації стічних вод. Метод взаємної нейтралізації кислих і лужних стічних вод широко використовують на підприємствах хімічної промисловості.

Нейтралізацію додаванням реагенту проводять тоді, коли на промислових підприємствах є тільки кислі або тільки лужні стокі, або якщо неможливо забезпечити взаємну нейтралізацію. Це метод найбільш широко використовують для нейтралізації кислих стічних вод.

Вибір реагенту для нейтралізації кислих стоків залежить від виду кислот і їх концентрації, а також від розчинності солей, що утворюються в результаті хімічної реакції. Дозу реагенту для обробки стічних вод визначають з умови повної нейтралізації кислот або лугів, що містяться в них, і приймають на 10% більше розрахункової. Оскільки в кислих і лужних виробничих стічних водах практично завжди присутні іони металів,  то дозу реагенту слід визначати також з урахуванням виділення в осад солей важких металів.

Реагент можна додавати у вигляді розчину (спосіб мокрого дозування) або у вигляді сухого порошку (спосіб сухого дозування). Обидва ці способу частіше за все застосовують для нейтралізації сірчаної кислоти. При продуктивності установки  в доба до 4-5 т кислоти, що нейтралізується, вигідніше застосовувати мокре  дозування, при більшій продуктивності – сухе.[7]

При мокрому дозуванні реагентом  служить вапняне молоко, яке готують  із звичного товарного вапна, піддавши її гасінню і дробленню в спеціальних  апаратах. З цих апаратів вапняне молоко подається насосами в баки розчинів, розлучається до необхідної фортеці і через  баки дозувань прямує в змішувач, розташований в каналі, по якому рухається стічна вода, що очищається. Контакт реагенту із стічною водою, необхідний для завершення реакції, здійснюється в спеціальних резервуарах-нейтралізаторах, розрахованих на 10-15-хвилинне перебування в них рідини. Нейтралізатор може бути суміщений з відстійником рисунок - 5.

 

I

                

II

 

              III

   

                                 IY

Рисунок 5 - Принципова  схема станції реагентної  нейтралізації.

I – подача  кислих  стічних   вод;  II – подача  лужних  стічних   вод;  III – випуск  нейтралізованих  стічних вод; IY – випуск  осаду; 1 – пісколовки; 2 – усреднювач; 3 – склад реагентів; 4 – баки розчинів ; 5 – дозатор; 6 – змішувач; 7 – нейтралізатор; 8 – відстійник.

 

При  сухому  способі  нейтралізації  до  стічної  води  звичайно  додають  роздрібнюваний  доломіт,  крейду  або  вапняк.  Камінь  заздалегідь  дробиться  в  щічних  дробарках,  а потім  поступає  в  молоткасті  дробарки,  де  дробиться  до  необхідної  крупної.  Роздроблений  порошок  підіймається  підйомниками  і  скидається  в  бункери,  з  яких  він  потрапляє  в  дозатори,  а потім  зсипається  в  стічну  воду, що нейтралізується .

Нейтралізація солянокислих і азотнокислих стічних вод,  а також  сірчанокислих  стічних  вод  при  концентрації  сірчаної  кислоти  не більше  1,5  г/л  відбувається  на  безперервно  діючих  фільтрах. Нейтралізація  фільтрацією  полягає  в тому, що стічну  рідину  пропускають  через  шар  фільтруючого  матеріалу.  При  проходженні  рідини  через  такий  фільтр  реакція  нейтралізації  повинна  повністю  закінчуватися.  Цей  спосіб  має  ряд  переваг  перед  іншими,  оскільки  він  більш  простий  і  дешевий  і  дає  хороший  ефект  при  нерівномірній  концентрації  кислот  в  стічних  водах.  Вживання  таких  фільтрів  можливе  за умови  відсутності  в  кислих  стічних  водах  розчинених солей металів,  оскільки  при рН>7  вони    випадатимуть  в осад  у вигляді важкорозчинних   з'єднань,  які повністю  забивають пори  фільтру.[4]

 

1.3.2  Окислення

 

 Окислювальний  метод   очищення  застосовують  для   знешкодження  виробничих  стічних  вод,  що містять  токсичні  домішки  (ціаниди,  комплексні  ціаниди  міді  і  цинку)  або  з'єднання,  які  недоцільно  витягувати  із  стічних  вод,  а також  очищати  іншими  методами  (сірководень,  сульфіди). 

У  вузькому  значенні  окислення  є  реакція  з'єднання  якої-небудь  речовини  з  киснем,  а  в  більш  широкому – всяка  хімічна  реакція,  єство  якої  полягає  у  віднятті  електронів  від  атомів  або  іонів.  В  практиці  знешкодження  виробничих  стічних  вод  як  окислювачі  використовують  хлор,  гіпохлоріт  кальцію,  гіпохлоріт  натрію,  хлорне  вапно,  діоксид  хлора,  озон,  технічний  кисень  і  кисень  повітря.[6]

Озон  є  сильним  окислювачем  і  володіє  здатністю  руйнувати  у  водних  розчинах  при  нормальній  температурі  багато  органічних  речовин  і  домішки.  В порівнянні з  іншими  окислювачами  озон  має  ряд  переваг.

 Комплекс  споруд  для   очищення  стічних  вод  цим   методом  представляє  собою   рєагентное  господарство,  яке  складається  з  складу  реагентів,  баків  розчинів  і  дозаторів,  камери  реакцій  і  відстійників.

Серед  інших  окислювачів,  які  застосовуються  при  очищенні  виробничих  стічних  вод,  можна  назвати  пероксід  водню,  оксиди  марганцю,  перманганат  і  біхромат  калія.  Ці  окислювачі,  хоча і    не знаходять широкого  вживання,  але  у ряді випадків  можуть    бути використані  для  окислення  фенолів,  крезолів,  ціановмісних  домішок  і ін.

Аеробні процеси використовуються для окислення забруднень, що залишаються в стоку після відстоювання. Окислення здійснюється аеробними мікроорганізмами. Ефективність видалення органічних речовин визначається технологічними особливостями очисних споруд і вибором оптимальних умов для життєдіяльності мікроорганізмів. Оптимальне навантаження по органічних речовинах, температура, рН, кількість розчиненого кисню, відсутність токсичних домішок визначають ці умови.