Очистка ливневых и сточных вод

-  флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная);

- электрофлотация.

Процесс образования  комплекса пузырек-частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.

Прочность соединения пузырек-частица  зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов.

Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем: поток жидкости и поток воздуха в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегатирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера[4] .

Коагуляция

Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, то есть частиц размером от 1 до 100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием  химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод  коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ – коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья  обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Сорбция

Сорбция широко применяется для глубокой очистки сточных вод в химической, нефтехимической промышленности. Во многих случаях без этого метода невозможно выдержать санитарные требования по сохранению чистоты водоемов или техническое условие на качество воды при повторном использовании сточных вод в замкнутых циклах водного хозяйства предприятий. Немаловажным достоинством сорбционной технологии является простота аппаратурного оформления и возможность полной или частичной автоматизации всего процесса в целом, а также отдельных его частей. К преимуществам сорбционного метода очистки относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости и управления процессом. В качестве сорбентов используются различные искусственные и природные пористые материалы, имеющие развитую или специфическую поверхность: золы, коксовая мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, пенополистирол и другие. Наиболее эффектными сорбентами являются активные угли различных марок [].

1.2.3 Химическая очистка

Окисление – реакция  соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком – всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживание производственных сточных вод от нефтепродуктов в качестве окислителей  используют хлор, озон.

Озонирование

Озон обладает высокой  окислительной способностью и при нормальной температуре разрушает многие органические вещества, находящиеся в воде. Степень очистки нефтесодержащих сточных вод озонированием может колебаться в пределах от 86 до 96 % , что зависит от сложности строения органических веществ, входящих в состав нефтепродуктов. При этом процессе возможно одновременное окисление  примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание сточной воды  и  насыщение ее кислородом. Преимуществом этого метода является  отсутствие  химических  реагентов при очистке сточных вод.

Растворимость озона  в воде зависит от pH и количества примесей в воде. При наличии в воде кислот и солей растворимость озона увеличивается,  а  при наличии щелочей - уменьшается. Озон самопроизвольно диссоциирует на  воздухе и в водном растворе, превращаясь в кислород. В  водном  растворе  озон диссоциирует быстрее. С ростом температуры и pH скорость распада озона резко возрастает.

Перспективность применения озонирования как окислительного метода обусловлена также тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемых сточных вод, не загрязняет воду продуктами реакции, а сам процесс легко поддается полной автоматизации.

Смешение очищаемой  воды с озонированным воздухом может осуществляться различными способами: барботированием воды через фильтры, дырчатые (пористые) трубы, смешением с помощью эжекторов, мешалок [].

1.2.4 Биологическая очистка

Сточные воды, прошедшие  механическую и физико-химическую очистку, содержат еще достаточно большое  количество растворенных и тонкодиспергированных  нефтепродуктов, а также других органических загрязнений и не могут быть выпущены в водоем без дальнейшей очистки.

Наиболее универсален  для очистки сточных вод от органических загрязнений биологический  метод. Он основан на способности  микроорганизмов использовать разнообразные  вещества, содержащиеся в сточных  водах, в качестве источника питания в процессе их жизнедеятельности.

Биохимическая очистка  сточных вод от нефтепродуктов осуществляется в естественных условиях на полях  фильтрации, орошения и в биологических  прудах и в искусственных условиях в биофильтрах и аэротенках [].

1.2.5 Электрохимические методы

Для очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей применяют процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Электрохимические методы позволяют извлекать из сточных вод ценные продукты при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Основным недостатком  этих методов является большой расход электроэнергии. Очистку сточных вод электрохимическими методами можно проводить периодически или непрерывно.

1.2.6 Современные методы и способы очистки сточных вод от нефтепродуктов

Сотрудники Санкт-Петербургского инженерно-строительного института Алексеев М.И., Светашова Е.С. и Панов С.Н. запатентовали способ очистки сточных вод. Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности очистки для достижения концентрации нефтепродуктов в очищенной воде 0,05 мг/л при одновременной интенсификации процесса и снижении стоимости очистки. Для достижения этого в способе очистки сточных вод от нефтепродуктов был использован в качестве сорбента материал природного происхождения, обеспечивающий требуемую степень очистки от растворенных нефтепродуктов в одной ступени фильтрования. Сущность изобретения заключается в том, что очистка сточных вод от нефтепродуктов включает предварительную механическую очистку и доочистку фильтрованием через слой неподвижного сорбента, фильтрование ведут через слой измельченного природного минерала апатита. Изобретение может быть использовано в локальных очистных сооружениях нефтебаз, автобаз, машиностроительных заводов, а также в городских очистных сооружениях[].

Для очистки промышленных стоков от нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ Домницкий В.В. и Абросимов М.В. разработали способ, который предусматривает осветление нефтесодержащих сточных вод электрокоагуляцией с последующим пропусканием воды через сорбент. Для повышения степени очищенности целевого продукта и производительности способа операции электрокоагуляции и сорбции ведут при абсолютном давлении над поверхностью воды от 10 до 50 кПа, а в качестве сорбента используют полиакриламидное волокно. Учёные установили, что наиболее высокая степень очищенности сточной воды достигается при дополнительной очистке пропущенной через сорбент воды с помощью озонирования [].

В Институте химии нефти СО РАН Ивановым В.Г.,Глазковым О.В., Глазковой Е.А., Смирновой Л.Д., Скрипниковым В.В., Качуровским А.Н. и Лялиным В.Н. был разработан метод очистки сточных вод от нефтепродуктов, который был опубликован в июне 2001г. Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа повышения качества адсорбционной очистки природных и сточных вод от нефтепродуктов с использованием предварительной магнитной обработки воды. Воду пропускают через устройство с попарно установленными постоянными магнитами, обеспечивающими последовательное воздействие разноименных полюсов на воду при уровне магнитной индукции в зазоре от 0,32 до 0,82 Тл, затем фильтруют через несколько слоев базальтового волокна, чередующихся со слоями порошкообразного адсорбента - высокоактивного оксида алюминия. Изобретение может быть использовано для создания локальных очистных сооружений на нефтепромыслах, нефтебазах, нефтеперерабатывающих предприятиях, а также для ликвидации последствий аварий, сопровождающихся загрязнением природных водоемов нефтепродуктами [].

При очистке от нефтепродуктов водоемов, находящихся в черте  населенных пунктов, одной из главных  проблем является удаление с поверхности  воды тонкой маслянистой пленки. В 2000г  Ананьева Т.А.; Волков Ф.В.; Назарова Е.В. запатентовали сорбционно-активный материал, который позволяет сорбировать нефтепродукты с поверхности воды при их концентрациях менее 2 г/л, сохраняя при этом степень извлечения нефтепродуктов из воды на уровне от 99,0 до 99,5%. Изобретение относится к сорбционно-активным материалам на основе природного сырья растительного происхождения для очистки природных, промышленных и бытовых сточных вод, содержащих нефтепродукты. Сорбционно-активный материал для очистки воды от нефтепродуктов содержит природный наполнитель - торф или мох и полимерное связующее - сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ). Техническим результатом заявляемого изобретения является сохранение степени извлечения нефтепродуктов из воды при их пониженных концентрациях в воде [12].

2 ФИЛЬТРОВАЛЬНО-СОРБЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ

Сорбционные методы очистки  воды в настоящее время находят  все более широкое применение, и одним из наиболее часто применяемым сорбентом является активный уголь.

2.1Активные угли

Активные угли применяются в промышленности как адсорбенты для разделения и очистки веществ в газовой и жидких фазах, в качестве катализаторов и носителей катализаторов, хемосорбентов и осушителей. Эффективное использование угля для решения той или иной производственной задачи возможно при соответствии его качества (пористая структура, природа поверхности, состав минеральной части, механическая прочность) условиям проведения технологического процесса.

По природе активированные угли принадлежат к группе графитовых тел. Для них используются углесодержащие материалы растительного происхождения. Ископаемые угли, каменноугольные полукоксы и др. Существуют два основных способа получения активных углей: Парогазовый метод активирования (процесс частичного "выжигания" углеводородных соединений из угля-сырца и окисление самого углерода за счет кислорода воздуха, пара и углекислого газа) и активирование углей органическими добавками (термическое разложение материала угля-сырца в присутствии неорганических добавок). В зависимости от способа и условий получения активированные угли могут резко отличаться природой поверхности, которая в свою очередь может меняться при хранении в присутствии кислорода воздуха и воды. Активированный уголь обладает каталитической активностью в ряде химических реакций: окисления, галогенирования, дегидрохлорирования, дегидратации, полимеризации [13].

Большое значение во всех случаях применения углей имеет  пористая структура. Для углей характерно полимодальное распределение объема пор по размерам, наличие нескольких узких максимумов на кривой распределения объема пор по эффективным ресурсам.

При адсорбции веществ  с малыми размерами молекул определяющую роль играет мелкопористая структура, по характеру которой все активные угли делятся на две группы: с  узким и широким распределением микропор. Угли первой группы характеризуются одной разновидностью микропор. Угли второй группы - двумя и более [14].

Именно активный уголь  позволяет удовлетворить постоянно  возрастающие требования к качеству воды, не только сбрасываемой в водоемы после очистки, но и используемой питьевой воде.

2.2 Сорбент на основе промышленных отходов

Применение активных углей не всегда экономически целесообразно, что связано с их относительно высокой стоимостью и проблемами регенерации. Поэтому возникает вопрос о расширении сырьевой базы получения активных углей. Активные угли получают из разнообразного углеродосодержащего сырья в некарбонизованном виде или в форме углей и коксов. Важнейшим сырьем в Европе являются древесина, торф, каменные и бурые угли, нефтепродукты, асфальты, сажа. Последние получают на основе жидких нефтяных фракций. Для производства можно также использовать нефтяные остатки. Одним из возможных сырьевых источников для производства активных углей является твердый остаток пиролиза автомобильных шин.

Утилизация автомобильных шин основана на процессе низкотемпературного пиролиза, протекающего при 400ºС. Образующийся твердый остаток содержит до 95 % углерода. Величина удельной поверхности составляет 32 м²/г, сорбционная активность данного продукта позволяет использовать его в процессах сорбции.

Крупномасштабное  использование углеродных сорбентов  в целях охраны окружающей среды  требует расширения производства пористых углеродных материалов из дешевых видов  органического сырья: ископаемых твердых топлив, различных природных и техногенных органических отходов. На основе сложившихся теоретических представлений о механизме пиролиза твердого органического сырья можно получать  дешевые углеродные сорбенты, которые с успехом можно применять в процессах очистки стоков и газовых выбросов вместо дорогостоящих сорбентов, получаемых из более дефицитного сырья [15].

2.3 Природные материалы

Наиболее распространенными  загрузками сорбционных фильтров являются кварцевый песок, антрацит, цеолит, торф, вермикулит, шунгит.