Методы очистки сточных вод

    - по виду процесса (для разделения, для сгущения или для очистки);

    - по давлению при фильтровании (Под действием гидростатического  давления столба жидкости, под повышенным давлением перед перегородкой, под вакуумом за перегородкой, по направлению фильтрования, по конструктивным особенностям).

     Фильтрование  является обычно завершающей стадией  очистки сточных вод, прошедших  сооружения механической,  физико-химической  и  биологической очисток. В зависимости от количества и характера примесей,  а  также расхода сточных вод и требований к осветленной воде применяют фильтры с зернистой загрузкой или с фильтровальной перегородкой.

     При фильтровании через зернистую загрузку различают пленочное и объемное фильтрование. При  пленочном фильтровании  примеси задерживаются на поверхности  материала, что характерно для тонкостенных и медленных зернистых фильтров. В объемном фильтровании примеси  задерживаются внутри пор. По такому принципу работают все остальные  типы фильтров.

     Все зернистые фильтры  подразделяются  по  нескольким  признакам:

     - по напору над фильтрующим  материалом - открытые (гравитационные), работающие под атмосферным давлением,  и напорные сизбыточным давлением  над фильтрующим слоем;

     - по скорости фильтрации - медленные  (0,1-0,2 м/ч), скорые(4-15 м/ч)  и  сверхскорые  (> 25 м/ч). Медленные фильтры  всегдаоткрытого  типа, скорые могут быть открытыми  и закрытыми, сверхскорые - только  напорные;

     - по крупности зерен верхнего  слоя -  мелкозернистые (до 0,4мм), среднезернистые  (0,4-0,8 мм), грубозернистые (>0,8 мм);

     - по количеству слоев загрузки - одно-, двух-, трех- и многослойные;

     - по направлению движения воды -  с  нисходящим  и  восходящим  потоком воды и двухпоточные  с дренажом воды в середину  аппарата.

     Современные представления о механизме фильтрации слабоконцентрированных суспензий  через слой зернистого материала  сводятся к следующему. Извлечение взвешенных частиц из воды и их закрепление  на зернах фильтрующей нагрузки происходит под действием сил прилипания (молекулярные  силы  адгезии),  которые проявляются на расстоянии 1 мкм от поверхности зерен. Интенсивность прилипания во много раз выше взаимного сцепления однородных частиц и зависит от площади поверхности зерен в единице объема, а также от заряда частиц суспензии и фильтрующего материала. По мере накопления осадка  в порах  зернистой нагрузки интенсивность прилипания взвеси к зернам каждого слоя загрузки уменьшается. Согласно теории фильтрации, разработанной Минцем, основной причиной,  обусловливающей  уменьшение  интенсивности задержания взвеси, является разрушение и перенос хлопьев осадка в последующие слои загрузки. Таким образом, явления прилипания и отрыва частиц определяют ход процесса осветления воды.

     Помимо  широко применяемых материалов естественного происхождения (кварцевый песок,  антрацит  и  керамзит, доменные и вулканические шлаки,  гранит,  пиролюзит,  магнетит,  аглопорит, шунгизит,  ильменит)  в фильтрах находят применение искусственные материалы (графит, капрон, полистирол, поливиниловая и полиамидная смолы, кокс и древесный уголь). Иногда  материалы  естественного  происхождения подвергают специальной обработке (силиконом, смолами, окислами железа, полиэлектролитами). В табл. 2 приведены  основные характеристики некоторых фильтрующих материалов естественного происхождения.

     Таблица 2

     Характеристики  фильтрующих материалов

Показатели	Речной песок	Дробленный  шлак	Гранит, щебень	Горелая порода	Шунгизит
Пористость	36,5–44,5	39,4–54,0	46,4–54,3	44–48	56–58
Измельчаемость, % по массе	3,93	7,7	8,35	3	5,67
Истираемость, % по  массе	0,7	2,22	6,88	0,5	0,017

 

     Однослойные фильтры с нисходящим потоком  воды применяют в схемах с предварительной  коагуляцией,  позволяющей  увеличить  продолжительность фильтроцикла. Такие  фильтры обычно устанавливают после  отстойников или осветлителей. В ряде случаев применяется двухступенчатая очистка на грубозернистых, а затем на мелкозернистых фильтрах.

     В многослойных фильтрах наилучшим образом  реализуется принцип фильтрации в направлении убывающей крупности загрузки. Грязеемкость многослойных фильтров в 2-3 раза больше грязеемкости однослойных фильтров. Применение  их  позволяет  увеличить скорость фильтрации или удлинить продолжительность фильтроцикла.

     Для очистки  сточных вод применяют  двухслойные или каркасно-засыпные фильтры. Конструкция  двухслойного  фильтра  аналогична конструкции  обычного фильтра. Загрузка двухслойного фильтра выполняется из песка (нижний слой)  и антрацита или керамзита (верхний  слой). Крупность  песка 0,5-1,2 мм при высоте слоя 500 мм; крупность антрацита 0,8-1,8 мм при высоте слоя 300-500 мм; скорость фильтрации 8-10 м/ч.

     Применение  двухслойных фильтров для очистки  сточных вод, содержащих волокнистые  примеси и склеивающие вещества, нецелесообразно,  поскольку при  промывке фильтров неизбежен вынос  легких фракций. Разновидностью многослойных фильтров является каркасно-засыпной фильтр (КЗФ).В этом фильтре можно использовать дешевые фильтрующие материалы, что выгодно отличает его от других многослойных фильтров.  Загрузка фильтра выполняется в виде каркаса из гравия или щебня и засыпки из мелкозернистого материала, который заполняет часть порового пространства каркаса. В качестве материала засыпкииспользуют песок,  антрацит,  мраморную крошку,  керамзит,  гранулированный доменный шлак.

     Аппараты  с фильтровальными перегородками, или  микрофильтры, применяют для  осветления сточных вод,  загрязненных частицами химических продуктов (например,  волокон),  активногоила и др.  С этой целью чаще всего используют микрофильтры, фильтры Вако, Кинуле и др.

     Микрофильтры  могут задерживать до 80% поступающих  на них примесей. Эффективность фильтрования определяется рядом факторов,  основными  из которых являются физико-химические характеристики примесей, концентрация их в сточной воде, допустимое количество остаточных загрязнений в фильтрате. Микрофильтры  не рекомендуется применять для осветления сточных вод после коагуляции гидроксидом алюминия вследствие недостаточной прочности хлопьев, разрушающихся на сетке микрофильтра. Они используются для очистки сточных вод бумажных фабрик,  химических и целлюлозно-бумажных комбинатов, заводов искусственного волокна и др.

     Для осветления оборотных и сточных  вод целлюлозно-бумажных предприятий  широкое распространение получили фильтры Вако, Кинуле, типа ЛГ, а также  барабанные и дисковые вакуум-фильтры.  
 
 

Глава 2. Физико-химические методы очистки сточных  вод

     2.1 Коагуляция и коагулянты

     Для очистки от тонких дисперсий и коллоидов используют коагуляцию и флокуляцию,  обусловливающие слипание частиц с образованием крупных агрегатов,  которые уже затем легко удаляются механическими методами.

     В практике очистки питьевых и сточных  вод в качестве коагулянтов обычно используют соли, содержащие многозарядные  катионы,  в основном соли алюминия, железа или  их  смеси  в  различных  пропорциях.  В редких случаях  находят применение соли магния, кальция, цинка и  титана. Выбор  в  качестве коагулянтов указанных солей  обусловлен тем обстоятельством, что  частицы взвесей в сточных водах несут на своей поверхности в большинстве случаев отрицательный заряд. В тех же случаях, когда частицы  заряжены положительно,  используют соли,  содержащие многозарядные  анионы: сульфат натрия или  полифосфаты,  ферроцианид или ферроцианид калия.

     При введении в воду солей алюминия и  железа в результате реакции гидролиза  образуются малорастворимые в воде гидроксиды алюминия и железа.В процессе гидролиза солей алюминия и железа происходит снижение агрегативной устойчивости системы под действием электролита (введенной  соли),  сорбция ионов  на поверхности частиц и образование  в результате химической реакции  нового соединения, обладающего гидрофобными свойствами.

     Выделение  твердой фазы коагулянта из пересыщенного  раствора (кристаллизация) протекает  в три стадии:

     а) инкубационный период (образование  зародышей);

     б) рост частиц твердой фазы;

     в) старение твердой фазы.

     К закономерностям коагуляции с помощью солей алюминия и железа относятся следующее:

     1) механизм коагуляционного действия  этих солей чрезвычайно сложен  и многообразен;

     2) роль коагулирующих ионов выполняют,  в основном, катионы железа и  алюминия в начальный момент  внесения солей в сточные воды;

     3)  основное значение в процессе  коагуляции отрицательно заряженных  частиц сточных вод имеют оксигидратные  коагуляционные пространственные  структуры;

     4) очистка сточных вод от лиофобных  коллоидов происходит на основе  гетерокоагуляции коллоидных частиц  с частицами продуктов гидролиза  солей алюминия и железа;

     5) очистка сточных  вод от  лиофильных коллоидов происходит  на основе адсорбционного взаимодействия  органических ионов и ихассоциатов  с поверхностью частиц продуктов  гидролиза солей алюминия и  железа.

     Виды  и состав коагулянтов на основе солей  алюминия и железа довольно обширны. Наибольшее распространение получили  сернокислый алюминий и хлорное  железо, а  также хлориды и  гидроксохлориды алюминия. Помимо  этих коагулянтов для обработки  сточных вод предложены различные  глины,  алюминий-  и железосодержащие отходы производств,  пасты  и  смеси; шламовые отходы производства, содержащие  кремнекислоту;  коагулянты, полученные путем взаимодействия основных хлоридов алюминия со щелочными реагентами; смесь сульфата алюминия с алюминатом натрия и добавкой гидрофильных веществ  типа крахмала; смесь алюмината натрия с тонкодисперсными остатками от выщелачивания щелочью бокситов;  травильные растворы; смесь, образующаяся при выщелачивании серной  кислотой и нейтрализации избыточной кислотности  обожженной глиной;  паста,  полученная  осаждением солей алюминия из сточных  вод аммиаком; основные  соли алюминия,  активированные многовалентными анионами кислот; железный  купорос;  хлорное  железо,  полученное обработкой хлором железного лома (иногда непосредственно  на станциях водоочистки); сернокислое  окисное железо, полученное из нитритных (колчеданных)  огарков - отходов  сернокислотного производства; сернокислое  железо,  полученное  из  отходов  сернокислотного производства двуокиси титана.  Существуют  способы производства смешанных коагулянтов кислотной  обработкой шлаков,  золы и глин,  содержащих  заметные  количества железа и  алюминия. Эффективность  и экономичность различных видов  коагулянтов определяется, в основном, концентрацией в них активной части - солей алюминия и железа. 

     2.2 Флокуляция и флокулянты

     Некоторые ВМВ и ПАВ при определенных концентрациях способны самостоятельно,  без  добавления  неорганических  электролитов,  вызывать агрегацию  частиц лиофобных коллоидов. Объединение  частиц в агрегаты в этом случае осуществляется в дополнение (а иногда взамен)  к непосредственному  контакту частиц за счет их взаимодействия через молекулы органических веществ. Такие вещества получили название флокулянты, а разделение фаз коллоидных систем с их помощью назвали флокуляцией.

     Для восполнения недостатков коагулянтов используются различные методы.  Наилучшие результаты были достигнуты при применении флокулянтов, то есть веществ, способствующих  коагуляции.  Небольшие их добавки в воду в дополнение к обычным коагулянтам (а иногда – вместо) способствуют хлопьеобразованию, отстаиванию и фильтрованию, стабилизируют процесс очистки, повышают качество, увеличивают эффективность работы оборудования.

     Механизм  действия флокулянтов сводится,  в  основном,  к  следующему. Благодаря  большому количеству функциональных групп, одна макромолекула взаимодействует  одновременно с несколькими коллоидными  частицами, как бы связывая их нитями или мостиками.

     Согласно  мостиковой модели, флокуляция состоит, во-первых, в закреплении концов макромолекул на поверхности частиц,  и,  во-вторых, в адсорбции простертых в глубину раствора сегментов  молекул на вакантных участках соседних частиц. Адсорбционное  закрепление  макромолекул на твердых поверхностях характеризуется следующими закономерностями:

     1)  оптимальные условия флокуляции  достигаются при дозах реагентов,  обеспечивающих  покрытие  доступных   участков  поверхности твердых  частиц;

     2)  пересыщение поверхности частиц  макромолекулами приводит к ухудшению  флокуляции, поскольку в  этом  случае свободные концы макромолекул могут адсорбироваться на той же поверхности, образуя петли, а число мостиковых связей между соседними частицами при этом уменьшается;

     3) между  оптимальной дозой флокулянта  и площадью,  доступной для  адсорбции поверхности частиц  дисперсной фазы, существует линейная  зависимость;

     4)  катионные флокулянты  адсорбируются  преимущественно на отрицательно  заряженных частицах, а анионные  – на положительно заряженных. Неионогенные флокулянты  адсорбируются  преимущественно на незаряженных  участках поверхности своими  гидрофобными участками.