Очистка сточных вод от растворимых примесей

Для очистки сточных вод от растворимых примесей существует много разнообразных методов. Выбор метода очистки сточных вод от растворимых примесей зависит от вида примеси (органическая или неорганическая) и ее концентрации в очищаемой воде. К основным методам очистки сточных вод от растворенных примесей, которые широко используют в промышленности, от­носятся: экстракция, адсорбция, ионный обмен, электрохимические методы, химические и др.

ЭКСТРАКЦИЯ. Процесс, основанный на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента) в соответствии с коэффициентом экстракции К_Э = С_Э / С_В, где С_Э, С_В — концентрации примесей в экстрагенте и воде по окончании экстрак­ции. Жидкостную экстракцию применяют для очистки сточных вод, содержащих фенолы масла, органические кислоты, ионы металлов и др.

Целесообразность использования экстракции для очистки сточных вод определяется концентрацией органических примесей в них. Экстракция может быть экономически выгодным процессом, если стоимость извлекаемых ве­ществ компенсирует все затраты на его проведение. Для большинства ве­ществ можно считать, что при концентрации выше 3-4 г/л их рациональнее из­влекать экстракцией, чем адсорбцией. Очистка сточных вод экстракцией состоит из трех стадий:

1. Интенсивное смешение сточной воды с экстрагентом (органическим растворителем). В условиях развитой поверхности контакта между жидкостя­ми, образуются две жидкие фазы. Одна - экстракт- содержит извлекаемое ве­щество и экстрагент, другая - рафинат - сточную воду и экстрагент.

2. Разделение экстракта и рафината.

3. Регенерация экстрагента из экстракта и рафината. Чтобы снизить содержание растворимых примесей до концентраций ниже ПДК, необходимо правильно выбрать экстрагент и скорость его подачи в сточную воду. При выборе растворителя следует учитывать его селектив­ность, физико-химические свойства, стоимость и возможные способы регене­рации.

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

АДСОРБЦИЯ. Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очи­стки сточных вод от растворенных органических примесей после биохимиче­ской очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих приме­сей в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбен­та.

Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, гербицидов, пестицидов, ароматических нитросоединений, ПАВ, красителей и т.д. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ, а также рекуперация этих веществ. Эффективность адсорбционной очистки составляет 0,8-0,95 и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

В качестве адсорбентов для очистки сточных вод от растворимых орга­нических веществ широкое применение находят активные угли, которые долж­ны обладать следующими свойствами: слабо взаимодействовать с водой и хо­рошо с органическими веществами, иметь размер пор доступный для извлекаемого вещества, иметь высокую адсорбционную емкость, высокую се­лективность и малую удерживающую способность при регенерации, быть прочными, быстро смачиваться водой, иметь определенный гранулометрический состав.

Расход адсорбента определяют по формуле:

m = Q (C_Н-C_K)/a

где С_H, С_K — начальная и конечная концентрация примесей в сточной воде, а — удельная емкость активного угля к данным примесям.

Процесс адсорбционной очистки сточной воды ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой (статические условия), при фильтровании воды через слой адсорбента (динамические условия) или в псевдосжиженном слое на установках периодического или непрерывного действия.

При проведении процесса очистки сточной воды в статических услови­ях используют активный уголь с размером частиц менее 0,1 мм. Процесс про­водят в одну или несколько ступеней. Статическая одноступенчатая адсорбция нашла применение в тех случаях, когда адсорбент очень дешев или является отходом производства. Более эффективно (при меньшем расходе адсорбен­та) процесс протекает при использовании многоступенчатой установки. При этом в первую ступень вводят столько адсорбента, сколько необходимо для снижения концентрации загрязнений от Сн до C₁, затем адсорбент отделяют от­стаиванием или фильтрованием, а сточную воду направляют во вторую сту­пень, куда вводят свежий адсорбент. По окончании процесса адсорбции во второй ступени концентрация загрязнений в воде уменьшается от C₁ до С₂ и т.д. Схема такой установки показана на рис. 9.

Рис. 9. Схема сорционной установки

По трубопроводу 1 в адсобер 2 поступает очищаемая сточная вода. По трубопроводу 4 подается адсорбент, перемешиваемый импеллером 3. Через трубопровод 8 адсорбент с примесями удаляется. Сточная вода поступает в отстойник 5, в котором часть адсорбента оседает на дно и периодически уда­ляется через 7. Очищенная вода направляется по трубопроводу 6 для даль­нейшей обработки.

Недостатки данного процесса - необходимость фильтрации и невоз­можность регенерации отработанного угля. В динамических условиях процесс очистки проводят при фильтровании сточной воды через слой адсорбента. Скорость фильтрования зависит от концентрации растворенных веществ и колеблется от 2 до 6 м/ч. Вода в колонне движется снизу вверх, заполняя все ее сечение. Адсорбент применяют в виде частиц размером 1,5-5 мм. Во избежа­ние забивки адсорбента сточная вода не должна содержать твердых взвешен­ных примесей. В одной колонне при неподвижном слое угля очистку ведут пе­риодически до проскока, а затем адсорбент регенерируют. При непрерывном процессе используют несколько колонн. По такой схеме две колонны работа­ют, а третья отключена на регенерацию. Важнейшей стадией процесса ад­сорбционной очистки является регенерация угля. Адсорбированные вещества из угля извлекают десорбцией насыщенным или перегретым водяным паром, либо нагретым инертным газом. Температура перегретого пара при этом равна 200-300 °С, а инертного газа 120-140 °С. Расход пара при отгонке легколетучих веществ равен 2,5-3 кг на 1 кг отгоняемого вещества, а для высококипящих в 5-10 раз больше. После десорбции пары конденсируют и вещество извлекают из конденсата.

ИОННЫЙ ОБМЕН. Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, ванадия, марганца и др.), а также соединений мышьяка, фосфора, цианистых соединений и радиоактивных веществ. Метод позволяет рекуперировать цен­ные вещества при высокой степени очистки воды. Ионный обмен широко рас­пространен при обессоливании в процессе водоподготовки.

Сущность ионного обмена заключается в процессе взаимодействия раствора с твердой фазой, обладающей свойством обменивать ионы, содер­жащиеся в ней, на другие ионы, присутствующие в растворе. Вещества, со­ставляющие эту твердую фазу, носят название ионитов. Они практически не­растворимы в воде. Те из них, которые способны поглощать из растворов электролитов положительные ионы, называются катионитами, а отрицатель­ные ионы - анионитами. Первые обладают кислотными свойствами, вторые -основными.

Поглотительная способность ионитов характеризуется обменной емко­стью, которая определяется числом эквивалентов ионов, поглощаемых едини­цей массы или объема ионита. Различают полную, статическую и динамиче­скую обменные емкости. Для практических расчетов важна динамическая обменная емкость - это емкость ионита до "проскока" ионов, определяемая в условиях фильтрации. Динамическая емкость меньше статической и полной. Иониты бывают неорганические и органические. Это могут быть природные вещества или вещества, полученные искусственно. Наибольшее практическое значение для очистки сточных вод нашли органические искусственные иониты. К ним относятся ионообменные смолы с развитой поверхностью. Отечествен­ная промышленность выпускает различные виды катионитов и анионитов, на­пример: КУ-2-3, КУ-23, КБ-1, КБ-4, КУ-1, АВ-17, ЭДЭ-10Д, АВ-16, АН-22 и др.

Реакция ионного обмена протекает следующим образом:

при контакте с катионитом

RSC₃H + NaCI = PSO₃Na + HCI;

при контакте с анионитом

ROH + NaCI = RCI+ NaOH

Реакция идет до восстановления ионообменного равновесия. Ско­рость установления равновесия зависит от внешних и внутренних факторов: гидродинамического режима жидкости, концентрации обменивающихся ионов, структуры зерен ионита, его проницаемости для ионов.

РЕГЕНЕРАЦИЯ ИОНИТОВ. Катиониты регенерируют 2-8% растворами кислот. При этом они переходят в Н-форму. Регенерационные растворы содержат ка­тионы. Затем после взрыхления и промывки катиониты заряжаются, например, в Na-форму, путем пропускания через них раствора поваренной соли. Отрабо­танные аниониты регенерируют 2-6% растворами щелочей. Аниониты при этом переходят в ОН-форму. При необходимости регенерируемый анионит из ОН-формы можно перевести в ОН-форму, пропуская раствор NaCI. Элюаты со­держат в концентрированном виде все извлеченные из сточных вод анионы и катионы. Элюаты, представляющие собой растворы кислот и щелочей, нейтрализуютили обрабатывают с целью рекуперации ценных продуктов.

Процессы ионообменной очистки сточных вод проводят на установках периодического и непрерывного действия. Первые состоят из аппаратов (фильтров или колонн) периодического действия, насосов, емкостей и КИП.