Существующие и перспективные методы очистки сточных вод

Так как сточные воды представляют собой полидисперсные гетерофазные агрегативно – устойчивые системы, то для очистки их необходимо разрушить агрегативную устойчивость и выделить из вод твердую фазу (взвешенные и плавающие вещества плотностью более 1 кг/дм³). Коллоидные и истинно растворенные компоненты подвергнуть деструктивной обработке до получе­ния простых наименее токсичных продуктов. При этом также требуется уменьшить объем твердой фазы. Этому процессу способствуют механические, химические, физико – химические, биохимические методы очистки сточных вод, сочетанием которых создается технологическая схема очистных сооружений.

Наибольшее распространение для очистки городских и производствен­ных сточных вод получили механические методы: процеживание, отстаивание, фильтрование.

Процеживание необходимо для выделения крупных включений (бумага, тряпье, дерево и прочее) из сточных вод. Выделение ведется на раз­личного вида решетках с шириной прозоров не более 16 мм. Механизированные решетки типа МГРМХ задерживают отбросы и пе­риодически направляют их в дробилки, где они измельчаются с увлажнением и отбрасываются в канал перед решеткой для последующего выделения в отстойниках. Решетки – дробилки типа РД не только задерживают отбросы, но и измельчают их за счет специального приспособления. Выделение минеральных примесей из сточных вод осуществляется в песколовках, что необходимо для предотвращения абразивного износа оборудования и трубопроводов, транспортирующих и обрабатывающих твердую фазу.

В зависимости от технологической схемы очистки и обработки осадка сточных вод, гидравлической крупности взвешенных веществ применяют различные типы песколовок: горизонтальные, тангенциальные, аэрируемые, реже вертикальные. В песколовках выделяются до 95% минеральных частиц из сточных вод. Для выделения из сточных вод взвешенных и плавающих веществ, разделения иловой смеси после биоокислителей, применяются различного типа отстойники. На станциях очистки городских сточных вод последние подразделяются (функционально) на первичные (выделяются взвеси и плавающие вещества) и вторичные (разделяются иловая смесь и отработанная биопленка с очищенной жидкостью). Конструктивно отстойники разделяют на горизонтальные, вертикальные, радиальные с центральным и периферийным выпуском стоков, с вращающимся сборно-распределительным устройством, с нисходяще-восходящим потоком, с тонкослойными блоками. Плавающие вещества удаляются с поверхности специальными сборными бункерами (радиальные отстойники), лотками (горизонтальные и вертикальные отстойники) и направляются на обработку вместе с осадками. В последнее время получили распространение отстойники со встроенными в них тонкослойными блоками, что позволяет при одинаковой продолжительности отстаивания увеличить степень очистки вод в 1,2 – 1,3 раза, а при одинаковой степени очистки повысить пропускную способность в 1,3 – 1,6 раза. Для промышленных стоков, содержащих свыше 1,5 г/л минеральных загрязнений, эффективным является отстаивание в центробежном поле: гидроциклоны, центрифуги, сепараторы.

Метод фильтрования является зачастую окончательным этапом обработки городских промстоков. В этом случае фильтры входят в узел доочистки для более полного выделения частиц активного ила или биопленки. Фильтры, используемые для очистки промстоков, могут быть безнапорными и напорными. В качестве фильтрованных перегородок используются ткани, металлические и пластмассовые сетки, зернистые минеральные и органические загрузки. Фильтры применяются для очистки вод от нерастворенных и коллоидных частиц, находящихся в суспендированном и (или) эмульгированном состоянии; взвешенных частиц, масло- и нефтепродуктов, жиров, гидрооксидов и сульфидов тяжелых металлов и прочего. Регенерация фильтров осуществляется обратным или прямым потоком осветленной жидкости, механическими (вибрация) воздействиями, отжимом, тепловыми потоками. Вода после фильтрования может быть направлена на повторное использование по согласованию с технологией производства. Регенерационные среды отправляются на дополнительную очистку или на утилизацию.

Химические методы применяются в основном для очистки производственных сточных вод. Основными методами являются нейтрализация и окисление-восстановление. Возможно применение последних как самостоятельно, так и в дополнение к другим методам.

Суть метода нейтрализации состоит в том, чтобы сбалансировать количество ионов Н⁺ и ОН¯, содержащихся в промстоках. При этом наиболее рациональным является взаимное объединение кислых и щелочных стоков. Для нейтрализации кислых вод применяются щелочные реагенты: известь СаО, гашеная известь Са (ОН)₂, кальцинированная сода Na₂CO₃, каустическая сода NaОН, аммиачная вода NH₄OH, а также фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, магнезит, мел). Для нейтрализации щелочных вод наиболее часто применяются кислоты: серная Н₂SO₄, соляная НСl, азотная НNO₃, реже уксусная СН₃СООН. Возможно использование также для этой цели дымовых газов, содержащих СО₂, SO₂, NO_x. Расчетное количество того или иного реагента определяют на основании составления соответствующих стехиометрических уравнений.

Сточные воды, содержащие окисленные переменно – валентные элементы (Сr⁶⁺, Cl^7-, Cl^5-, N^3-, N^5- и прочие), как правило, обезвреживаются в две ступени. На первой ступени элементы, находящиеся в высшей степени окисления восстанавливаются до низшей валентности, при которой данный элемент на второй ступени очистки может быть выделен из жидкой фазы в виде осадка, газа или переведен в малотоксичную форму.

Окислительный метод применяют для очистки промстоков от токсичных цианидов, сульфидов, меркаптанов, фенолов, крезолов и прочего. Реагентами для этого метода являются хлор и его производные (гипохлориты, диоксиды, хлораты), кислород, озон, перманганаты, хроматы и бихроматы, пероксид водорода.

Восстановительный метод применяется для очистки сточных вод от нитритов и нитратов, хроматов и бихроматов, хлоратов и перхлоратов, сульфатов, броматов и иодатов. Восстановителями в этом случае будут окисленные переменно-валентные элементы, содержащиеся в сульфитах, сульфидах, солях двухвалентного железа, сернистом газе, а также некоторые органические вещества, например, гидразин и специализированные микробные сообщества. Процесс в промышленных условиях реализуется в емкостных коррозионно-защитных аппаратах (металлических, железобетонных, пластмассовых) с механическим, гидравлическим или барботажным перемешиванием. Выделение твердой фазы из сточных вод осуществляется механическими методами.

Физико-химические методы применяются для очистки промстоков и городских сточных вод.

Коагуляция - это процесс укрупнения коллоидных частиц жидкости за счет электростатических сил межмолекулярного взаимодействия. При первоначальном размере частиц 0,001 – 0,1 мкм после коагуляции их величина достигает 10 мкм и более. Коагуляция не только приводит к слипанию частиц, но и нарушает агрегативную устойчивость полидисперсной системы, в результате чего происходит разделение твердой и жидкой фаз. Наибольшее распространение получили алюмо- и железосодержащие коагулянты. Разновидностью коагуляции является процесс флокуляции - укрупнение мелкодисперсных частиц за счет электростатического взаимодействия под влиянием специально вводимых полиэлектролитов – флокулянтов в качестве которых, наибольшее распространение получили активированная кремнекислота и полиакриламид (ПАА).

Флотация - это процесс выделения из воды в пенный слой взвешенных и эмульгированных загрязнений за счет пузырьков газа, предварительно растворенных в очищаемой жидкости. Существуют различные виды флотации, отличающиеся способом получения флотирующего газа, который и определяет название: пневматическая, импеллерная, напорная, вакуумная, биологическая, электрофлотация, электрогидравлическая.

Сорбция – эффективный метод глубокой очистки производственных сточных вод от растворенных органических и некоторых неорганических загрязнений. Позволяет не только выделить и сконцентрировать загрязнения из сточных вод, но и утилизировать их в технологическом процессе, а очищенные воды использовать в оборотном водоснабжении. В качестве сорбентов применяют различные естественные и искусственные материалы: золу, коксовую мелочь, торф, цеолиты, активные глины и прочие. В наибольшей степени для адсорбции применяются активированные угли, удельная поверхность адсорбции которых достигает 400 – 900 мг/г.

Для более концентрированных (более 2 г/л) сточных вод, содержащих органические загрязнения, эффективным методом является экстракция. Последняя основана на смешении двух взаимонерастворимых жидкостей (одна их которых сточная вода) и распределении в них, согласно растворимости, загрязненного вещества. Количественно экстракция характеризуется коэффициентом распределения, то есть отношением концентрации загрязняющего вещества в эсктрагенте к его содержанию в сточной воде. При установившемся равновесии экстрагентов используют различные органические вещества: ацетон, хлороформ, бутилацетат, толуол и прочие. Разделение экстрагента и экстрагированного вещества производится перегонкой смеси. Это определяет одно из основных требований выбора экстрагента: разная температура кипения экстрагента и выделяемого вещества. После разделения смеси экстрагент вновь используется в цикле очистки вод, а вещество утилизируется.

Гетерогенный ионный обмен - ионообменная сорбция – процесс обмена между ионами, находящимися в растворе (в сточной воде) и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы – ионита. Метод позволяет не только очистить сточные воды от загрязнений, но и использовать выделенные вещества в производстве. Ионным обменом эффективно извлекаются из сточных вод тяжелые металлы, мышьяк, фосфор, сульфаты, хлориды и прочее. Иониты подразделяются, в зависимости от заряда, на катиониты и аниониты; бывают природные – алюмосиликаты (монтмориллонит, глауконит, клиноптилолит) и искусственные – ионообменные смолы.

Электрохимическая очистка сточных вод - один из наиболее распространенных методов очистки. На основе использования продуктов электролиза водных растворов в одном объединен ряд процессов: электрокоагуляция, электрофлотация, электрофлотокоагуляция, электроокисление, электровосстановление, обеззараживание, электрокорректировка реакции среды. Данный метод применим для очистки сточных вод от взвешенных, плавающих, эмульгированных, коллоидных и растворенных загрязнений (жиры, взвеси, масла, ПАВ, тяжелые металлы, сульфиды, нефтепродукты и прочие вещества). Достоинством метода является его компактность, высокая степень автоматизации, возможность изготовления установки в условиях любого предприятия, высокий эффект очистки вод. Среди недостатков: значительный расход электроэнергии, металлов для электродов, утилизация шламов.

В последнее время широкое распространение получил метод гальвано коагуляции для очистки сточных вод от тяжелых металлов (до остаточных концентраций 0,1 и менее мг/л), сульфатов, сульфидов, органических веществ (эффект очистки до 50%). Сущность метода состоит в образовании гальванических пар Fe – C, Fe – Cu, Fe – Al. Железо в этих парах является анодом и вследствие анодного растворения окисляется и переходит в сточную жидкость, проводя при этом окислительно-восстановительные реакции. Процесс осуществляется во вращающихся барабанных или стационарных с механическим перемешиванием гальванокоагуляторах, загрязненных железной стружкой, железным скрапом, коксовой мелочью.

Биохимический метод наиболее экологически чистый. Применяется для очистки хозяйственно-бытовых и производственных сточных вод от растворенных и коллоидных органических загрязнений, а также некоторых неорганических (азота, фосфора, сульфитов, сульфидов). Основан на способности и потребности микробных сообществ использовать в качестве питания для жизнедеятельности указанные вещества. Органическая часть загрязнений в этом случае является доминантным субстратом, а азот, фосфор, сера выполняют роль источников биогенного питания для энергетических и синтетических клеточных процессов.

Загрязненность сточных вод органическими веществами характеризуется 3 – мя показателями: БПК, ХПК, ООУ.

Биохимическую очистку вод от органических веществ ведут микробные сообщества в аэробных и анаэробных условиях. Аэробный метод основан на использовании аэробных и факультативно – аэробных микроорганизмов, для жизнедеятельности которых необходимо наличие растворенного кислорода и температура 10 – 40⁰С. Аэробную очистку вод ведут микробные сообщества, культивируемые во взвешенном и прикрепленном состоянии (активный ил или биологическая пленка).

Анаэробную очистку применяют, в основном, для промстоков с преобладанием органических загрязнений, а также для минерализации твердой фазы (осадков, илов, биопленки) на очистных сооружениях. При таком методе очистки происходит биологическое окисление органических веществ в отсутствии молекулярного кислорода (за счет химически связанного в соединениях SO^2-₄, SO^2-₃, CO^2-₃).

Активный ил представляет собой сообщество живых микроорганизмов и твердого субстрата в виде коллоидной амфотерной системы отрицательного заряда. Биоценоз активного ила представлен 12 видами: бактерии, простейшие черви, грибы, дрожжи, актиномицеты и прочие. Скопления бактерий окружены слизистым слоем и называется зоогелями, способствующими сорбции загрязнений, структурированию и осаждению. Элементный состав активного ила включает углерод, водород, азот, кислород, серу. Сухое вещество содержит 70 – 90% органического и 10 – 30% неорганического вещества, в зависимости от состава очищаемых сточных вод. Твердый субстрат представляет отмершую биомассу, взвеси и прочее, на которых закреплены микроорганизмы активного ила. Хлопья активного ила имеют поверхность до 1200 м³ на 1 м³ (или до 100 м² на 1 г сухого вещества), в 1 м³ ила содержится около 2 х 10¹⁴ бактерий.

Процесс микробной очистки вод от органических загрязнений включает несколько этапов: смешение сточных вод с биомассой; сорбция загрязнений из вод на поверхности клеток; ферментный гидролиз и расщепление органических веществ до более простых форм; транспорт ферментсубстратного комплекса в клетку и внутриклеточное его окисление; вывод метаболитов из клетки.

Поля орошения представляют собой специально подготовленные участки, куда после предварительной механической очистки направляют (по бороздам, трубам, лоткам и прочее) сточные воды.

Биологические пруды применяют для очистки и глубокой очистки городских, производственных и поверхностных сточных вод, содержащих органические вещества. Это каскад прудов (3 – 5 ступеней), через которые с небольшой скоростью протекает вода, освобождаясь от органических загрязнений вследствие комплексного воздействия зоо- и фитопланктона, кислорода, воздуха, фотохимических реакций, микрофлоры донных отложений.

Наибольшее распространение получили аэротенки и биофильтры. Общими требованиями для них является предварительное осветление сточных вод до остаточных концентраций по взвешенным веществам 100 – 150 мг/л. Биофильтры представляют собой негерметичные емкостные сооружения, заполненные различной загрузкой (щебень, гравий, керамзит, пластмасса, асбестоцемент, стеклопор и прочее), на поверхности которой развивается очищающая сточную воду биопленка. Биофильтры рекомендуются применять для очистки небольших объемов сточных вод (до 10000 м³/сут), если рельеф местности имеет перепад отметок не менее 6 м. В этом случае биофильтры экономически предпочтительнее аэротенков.