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.
Содержание
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:
- Природные: крахмал, декстрин, гуаровые смолы, альгинат натрия, кремниевая кислота.
- 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:
| Группа | Тип | Пример |
| Природные | Неорганические | Цеолиты, глинистые материалы, слюды, полевые шпаты – обладают катионообменными свойствами. |
| Природные | Органические | Гуминовые кислоты углей и почв, обработанные серной кислотой (слабокислотные материалы). |
| Искусственные | Катионообменные смолы | Сульфокатионит сильнокислый, натриевая катионообменная смола. |
| Искусственные | Анионообменные смолы | Сополимер дивинилбензола и стирола. |
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:
- 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.
- 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.
- Электроосмос. Молекулы воды проходят через мембрану благодаря созданию разности потенциалов. Положительно заряженная жидкость через полупроницаемый материал передвигается к отрицательно заряженному электроду.
- 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:
| Название метода | Механизм очистки | Плюсы | Минусы |
| Коагуляция | Нейтрализация отрицательного заряда мелких частиц, их слипание и осаждение. | Реакции проходят при любых условиях. Метод дешевый, доступный, практичный. | Нужно соблюдать четкую дозировку коагулянтов. Большой объем осадка. После очистки повышается степень минерализации вод. |
| Флокуляция | Специальные вещества соединяются с загрязнениями и образуют крупные хлопья. | Реакции протекают быстро. Дешевизна. | Большой объем осадка. |
| Адсорбция | Поглощение загрязнений поверхностью твердых веществ. | Удаление разных видов примесей. Очистка до ПДК. Отсутствие вторичного загрязнения очищаемых вод. | Высокая стоимость адсорбентов, их большой расход. Медленный темп очистки. Громоздкость оборудования. |
| Экстракция | Смешивание двух взаимно нерастворимых жидкостей и переход примесей в экстрагент. | Простая технологическая схема. Простое оборудование. | Меньше 90% примесей переходит в другую фазу. Процесс длительный и трудоемкий. |
| Флотация | Образование в воде пузырьков газов, которые поднимаются вверх и захватывают с собой примеси. | Простое оборудование. Высокая скорость очистки. Дешевизна. Малые потери воды. | Удаляет не все виды загрязнений. Часто приходится вносить реагенты, улучшающие гидрофобность примесей и качество пены. |
| Эвапорация | Захват загрязнений водяным паром, проходящим сквозь кипящие сточные воды. | Экономичность. Отсутствие специфических реагентов. Простота оборудования. | Большие потери тепла. |
| Ионный обмен | Обмен загрязнений из сточных вод на ионы, отделяющиеся с поверхностей пористых материалов. | Высокая эффективность очистки. Экологическая безопасность. | Дефицит ионообменных смол. Большой расход реагентов на восстановление ионитов. Большой объем растворов для регенерации. |
| Кристаллизация | Вымораживание воды. | Низкое потребление энергетических ресурсов. Высокая степень очистки. | Необходимость изучения и контроля процесса. |
| Мембранная очистка | Пропускание сточных вод через полупроницаемые среды (мембраны), которые задерживают примеси наноразмеров. | Очистка до требований ПДК. Не требуется внесение реактивов. Малые потери воды. Возможность утилизации тяжелых металлов. | Мембраны через время загрязняются и хуже пропускают воду. Дороговизна установок. Необходимость предварительной очистки вод от масел, органики, растворителей, ПАВ. |
| Электрохимическая очистка | Создание в воде электрического напряжения и запуск реакций, которые переносят, объединяют, осаждают примеси. | Извлечение из стоков ценных примесей при сравнительно простой технологической схеме. Нет необходимости в химических реагентах. | Большой расход электроэнергии и металла. Загрязнение поверхности электродов и необходимость их очистки. |
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.
