Физико-химические

Для улучшения качества сточных вод предприятия используют более 20 физико-химических методов.

Активно применяется 14 способов, о которых рассказано ниже.

Очистка этими методами необходима почти всегда, ведь в стоках часто концентрируются нерастворимые примеси, которые не удаляются на других этапах.

Чем характеризуются данные способы очистки сточных вод?

На этапе физико-химической очистки из сточных вод удаляются коллоидные и мелкодисперсные частицы. Это нерастворимые примеси размером 1-1000 нм.

Также метод эффективен для очистки сточных вод от:

• некоторых щелочей;
• кислот;
• ионов;
• для разрушения трудноокисляемых и органических соединений.

Способы из физико-химической группы применяются самостоятельно или комбинируются с механическими, химическими и биологическими.

Установки для улучшения качества воды без перебоев работают при:

• низких температурах жидкости;
• изменении рН;
• непостоянстве органических;
• гидравлических нагрузок.

Преимущества физико-химических методов:

• Оперативный запуск очистных сооружений после их возведения или перерыва в работе.
• Быстрая и стабильная очистка сточных вод, особенно если сравнивать с биологическим этапом.
• Автоматизированный процесс – человек принимает минимальное участие в контроле оборудования.
• Очистка от 80-99% загрязнений, которые не улавливаются при механической фильтрации (процент зависит от конкретного способа).
• Возможность рекуперации некоторых отходов – улавливания и возвращения в рабочий цикл.

Недостатки физико-химических способов:

• Высокоэффективные методы очищения(например, обратный осмос, абсорбция, ионный обмен) являются дорогими.
• При реализации дешевых способов (коагуляция, флокуляция) образуется много побочных продуктов и требуется доочистка воды.
• Электрофлотация, электрокоагуляция, электрофорез требуют больших затрат энергии.

Распространенные виды и какова их эффективность

При очистке реализуются физические и химические механизмы:

• частицы могут сцепляться;
• направлено перемещаться в силовом поле;
• выпадать в осадок;
• поглощаться жидкими или твердыми телами;
• частицы примесей реагируют с ионообменными смолами и задерживаются на их поверхности, а в воду выделяются ионы, не влияющие на качество воды.

Также в физико-химических методах применяется способность некоторых жидкостей не смешиваться друг с другом и перераспределять загрязняющие вещества. Подробнее разные механизмы очистки описаны ниже.

Коагуляция

В стоках находятся мелкодисперсные частицы (непосредственно загрязнения), которые равномерно распределены по водной массе. Эти частицы не могут слипнуться друг с другом, поскольку имеют одинаковый отрицательный заряд.

При очистке методом коагуляции встает задача – нейтрализовать заряд мелких частиц, что поможет их объединить, а затем удалить крупные хлопья.

В воду добавляют вещества-коагулянты, которые после химических реакций образуют положительно заряженные ионы. Они притягивают отрицательно заряженные загрязнения и образовывают осадок, состоящий из крупных хлопьев диаметром до 3 мм. Дальнейшая очистка происходит механическим способом.

Флокуляция

Этот способ часто используется в комплексе с коагуляцией. Главная задача вышеописанного метода – нейтрализация отрицательного заряда частиц коллоидного раствора.

Взаимодействие молекул коагулянта с примесями отходит на второй план. После завершения коагуляции с минеральными реактивами часто переходят к флокуляции.

В сточные воды добавляют вещества-флокулянты, которые объединяют частицы примесей и формируют крупные хлопья, реализуя разные механизмы:

• своей поверхностью поглощают загрязнения – адсорбционное свойство;
• притягивают примеси за счет сил межмолекулярного взаимодействия;
• между загрязнениями и флокулянтами образуются водородные связи.

Флокулянты делятся на 2 группы:

1. Природные: крахмал, декстрин, гуаровые смолы, альгинат натрия, кремниевая кислота.
2. Синтетические: полиакриламид, сополимеры акриламида и органических соединений (анионные и катионные реагенты);

Флокуляция происходит в трубопроводах, соединяющих оборудование очистки сточных вод, или в отдельных емкостях или резервуарах.

Адсорбционный способ

Метод применяется после биохимической/биологической очистки или для улучшения качества сточных вод с небольшой концентрацией загрязнений. Адсорбция избавляет от примесей, которые не разлагаются бактериями или являются токсичными. В процессе удаляются из стоков такие вещества:

• сельскохозяйственные минеральные удобрения;
• ароматические нитросоединения;
• поверхностно-активные вещества;
• красители;
• неэлектролиты, слабые электролиты;
• гидрофобные вещества (к примеру, содержащие нитрогруппы или хлор);
• алифатические соединения – органические вещества с линейной, а не кольцевой структурой.

Эффективность очистки – 95%. Механизм основан на способности некоторых твердых веществ поглощать своей поверхностью загрязнения.

Распространенные адсорбенты:

• силикагели и алюмогели;
• активные глины;
• зола, шлаки;
• опилки;
• коксовая мелочь;
• торф;
• активированный уголь разных марок.

Вещества слабо взаимодействуют с водой и хорошо притягивают органические соединения.

Загрязнения могут извлекаться из адсорбента, в таком случае очиститель используется повторно. Также примеси могут уничтожать вместе с адсорбентом.

Экстракционный способ

В основе метода лежит закон распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкостями. В сточные воды добавляется экстрагент (часто это бензол).

При наступлении равновесия загрязняющие вещества распределяются так, что большинство примесей из вод переходит в добавленную жидкость. Затем экстрагент с загрязнениями удаляется из сточных вод. Эффективность очистки – 80-95%.

Экстрация применяется при:

• очистке вод;
• полученных после переработки сланцев;
• торфа;
• белого и бурого угля.

На конечном этапе загрязнения извлекаются из экстрагента и утилизируются. Чтобы сточные воды очистились максимально эффективно, цикл повторяют несколько раз.

Флотация

Метод основан на прилипании взвешенных в воде примесей к пузырькам воздуха. Специальные установки – флотаторы – нагнетают в емкость со стоками воздух под давлением. Пузырьки под влиянием сил поверхностного натяжения соединяются с нерастворимыми примесями и поднимают их на поверхность жидкости.

Образовывается шлам, который легко удаляется. Это метод напорной флотации. При химической флотации в сточные воды добавляют вещества, которые в результате реакций образуют пузырьки газа – кислород, углекислый газ, хлор. Дальнейший механизм очистки аналогичный напорному методу.

Эвапорация

Очистка происходит с помощью водяного пара. Сточные воды нагреваются до температуры 100°С, и когда они начинают кипеть, через них пропускают пар. Он поднимается вверх, увлекая за собой летучие вещества. Затем циркулирующий пар поддается абсорбционной отмывке с помощью щелочи или других реагентов.

Эвапорация часто применяется коксопромышленными предприятиями для извлечения фенолов. Эффективность очистки – 85-92%. Для реализации метода используются эвапорационные колонны.

Ионный обмен

Сточные воды пропускаются через ионитовые фильтры. Это материалы, которые захватывают загрязнения из стоков и взамен отдают ионы гидроксильной группы, натрия или гидрогена, которые не влияют на качество воды.

Способ очищает стоки от ценных примесей:

• соединений железа, фосфора, хрома, мышьяка;
• ПАВ;
• тяжелых цветных металлов;
• радиоактивных веществ.

Ионный обмен эффективен на завершающей стадии очистки сточных вод или при небольшой концентрации загрязнений.

Иониты – поверхности, на которых происходит обмен, – делятся на такие группы:

Кристаллизация

Иониты можно восстанавливать, запустив обратные ионообменные реакции. Для регенерации смолу пропускают через раствор поваренной соли или любую минеральную кислоту.

После очистки концентрация загрязняющих веществ предельно низкая – не превышает нескольких мг/л. Но метод финансово затратный.

При замерзании сточных вод на поверхности образуется слой более чистого льда, который удаляется и проходит доочистку мембранной фильтрацией.

Кристаллизация происходит в естественных или искусственных условиях. После очистки часть стоков с высокой концентрацией загрязняющих веществ отправляется на захоронение или очищается консервативными методами.

Для замерзания жидкости требуется в 7 раз меньше энергии, чем для испарения. Метод активно применяется в горнодобывающей промышленности, где объем сточных вод очень большой. Очищенная жидкость пригодная для большинства производственных нужд.

Кристаллизация в классическом понимании происходит по другому принципу. Часть сточных вод выпаривают, чтобы в остатке жидкости создать повышенную концентрацию загрязнений.

В концентрат добавляются растворители, затем масса охлаждается, перемешивается. Образуются кристаллы, которые отделяют от основного раствора фильтрованием. Кристаллы с загрязнениями высушиваются и утилизируются.

Мембранные способы — что это за вид?

Стоки фильтруются, проходя через мембраны – полупроницаемые среды. Они пропускают молекулы воды и задерживают большинство примесей.

Системы постоянно самоочищаются, благодаря чему полупроницаемые среды не засоряются слишком быстро. Два распространенных способа мембранной очистки – диализ и обратный осмос.

Диализ

Способ очищает коллоидные растворы и субстанции высокомолекулярных веществ от растворенных в них электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов.

В стоки опускается диализатор (система с мембраной) или вода заливается в резервуар-фильтр. Ионы малого размера (в данном случае очищенная вода) проходят через полупроницаемую среду, а загрязнения остаются за мембраной.

Фильтрующие материалы для диализа:

• естественные: бычий или свиной мочевой пузырь, плавательный пузырь рыб;
• синтетические: коллодиевые, целлофановые, нитроцеллюлозные, ацетилцеллюлозные мембраны.

Минус метода – длительность процесса. Для ускорения очистки применяют мембраны больших размеров или повышают температуру жидкости. Процесс протекает быстрее, если в диализаторе создают постоянное электрическое поле.

Ионы мигрируют интенсивнее благодаря разности потенциалов. Недостаток электродиализа – быстрое осаждение солей на поверхности мембран.

Процесс обратного осмоса

Механизм очищения аналогичный вышеописанному – сточные воды (концентрированный раствор) проходят сквозь мембрану в менее концентрированную жидкость. В системе создается такая разница осмотических давлений, которая заставляет молекулы воды проходить через полупроницаемый материал.

Чем выше концентрация загрязнений в сточных водах, тем выше перепад осмотических давлений и больше гидродинамическое давление. Эффективность способа зависит от свойств мембран.

Лучшие полупроницаемые среды:

• целлюлоза;
• поливинилхлорид;
• полистирол;
• полиамид.

Электрохимические виды и для чего их применяют

В специальной установке – электролизере – создается электромагнитное напряжение.

Когда сточные воды проходят через межэлектродное пространство установки, происходит:

• поляризация частиц;
• окислительно-восстановительные реакции;
• электрофорез;
• электролиз.

Добавление специальных реагентов не требуется, но расход электроэнергии высокий.

Методы электрохимической очистки:

1. Электрокоагуляция. Сточные воды пропускают через железные или алюминиевые аноды, далее происходит электролитическое растворение металлов. В сточную воду переходят ионы, которые вырабатываются анодами. Ионы алюминия или железа трансформируются в соли/гидроксиды, которые отвечают за коагуляцию примесей.
2. Электрофлотация. При электролизе воды образуются пузырьки газа (на аноде – кислород, на катоде – водород). Они поднимаются вверх и захватывают с собой загрязнения. Если электроды растворимые, то процесс становится более эффективным благодаря образованию хлопьев коагулянта. Пузырьки газов мелкие, что повышает степень очистки сточных вод.
3. Электроосмос. Молекулы воды проходят через мембрану благодаря созданию разности потенциалов. Положительно заряженная жидкость через полупроницаемый материал передвигается к отрицательно заряженному электроду.
4. Электрофорез. В электрическом поле, создаваемом в сточных водах, происходит перенос мелкодисперсных частиц. Отрицательно заряженные дисперсные фазы притягиваются к положительному электроду (аноду). Затем происходит их удаление из электрического поля.

Преимущества и недостатки

В таблице собраны распространенные физико-химические методы очистки сточных вод:

Заключение

Физико-химические методы предназначены для удаления нерастворимых наночастиц загрязнений, которые не извлекаются в ходе механической очистки и не разлагаются микроорганизмами.

Эффективность процесса достигает 80-99%. Для очистки применяют химические реагенты и используют законы физики. Методы используются самостоятельно или в комплексе с другими.

Широко распространенные способы – коагуляция, флокуляция, флотация, адсорбция. Самые эффективные – мембранные и электрохимические методы. Но им часто предшествует дополнительная очистка. Методы подбираются предприятиями индивидуально в зависимости от состава сточных вод.