Методы очистки сточных вод

Глава 4. Электрохимические  методы очистки сточных  вод

     4.1 Электролиз сточных вод

     Методы  электрообработки жидкости достаточно разнообразны. Для очистки сточных  вод от различных растворимых  и диспергированных примесей применяют  процессы анодного окисления и катодного  восстановления,  электрокоагуляции,  электрофлотации и электродиализа.  Все они основаны на том, что твердые  частицы или капельки дисперсной фазы ведут себя как заряженные микрообъекты, поэтому по законам электростатики в постоянном электрическом поле они будут совершать движение, которым можно управлять. Электроочистные  сооружения достаточно компактны и  эффективны,  хорошо поддаются автоматизации и могут компоноваться с другими методами и оборудованием.

     Основными общими областями применения электрохимических  методов являются:  улучшение  качества  воды,  ее  обеззараживание, очистка сбросных вод и обезвоживание  осадков.

     Электролиз  может осуществляться:  при  обычной  или  повышенной температуре, с мембранами или без мембран, с нерастворимыми или активными анодами.

     В аппарате,  который  называется  электролизер,  при  пропускании  электрического тока на  катоде идет  выделение  газообразного водорода, разряд растворенных в воде металлов с образованием катодных осадков  соответствующих металлов,  восстановление  некоторых ионов воды и органических веществ с образованием новых  продуктов.

     На  аноде (из неактивного металла) в  зависимости от солевого состава  сточных  вод и условий электролиза  выделяется газообразный кислород и  галогены, окисляются некоторые ионы воды и органические примеси с  образованием новых продуктов. При  использовании активных анодов (из железа или алюминия) идет их электролитическое  растворение и переход в виде ионов в раствор. Затем эти  ионы при соответствующем значении pH  превращаются  в  гидраты  окислов или основные соли металлов,  которые  могут  выполнять коагулирующие  функции.

     К недостаткам данного метода можно  отнести повышенный расход электроэнергии и металлов для изготовления анодов. 

     4.2 Электрокоагуляция

     Из  электрохимических методов очистки сточных вод наибольшее  распространение получил электрокоагуляционный метод,  применяемый  для очистки сточных вод от взвешенных частиц и коллоиднодисперсных систем, ионов цветных металлов и, особенно, хрома. При электролизе сточных вод с использованием анодов из листовой стали или алюминия вода обогащается соответствующими ионами, которые затем образуют гидроксиды этих металлов. Под их действием происходит процесс коагуляции содержащихся в воде высокодисперсных веществ, аналогичный процессу обработки воды соответствующими солями алюминия и железа. Однако,  в  отличие от применения солевых коагулянтов, при электрокоагуляции вода не обогащается сульфат- и хлорид-ионами, содержание которых в очищенной воде лимитируется как при сбросе ее в водоемы, так и при повторном использовании в системах производства и водоснабжения.

     При электрокоагуляции протекают следующие  процессы:

     - электрофорез;

     - катодное восстановление растворенных  органических и неорганических  примесей с образованием катодных  осадков;

     - химические реакции между ионами алюминия и   железа  и другими растворенными ионами  с образованием малорастворимых соединений;

     - флотация твердых и эмульгированных частиц пузырьками водорода, образующимися на катоде;

     - сорбция ионов и молекулярно растворенных и эмульгированных веществ на поверхности хлопьев гидроксидов алюминия или железа,  которые обладают высокой адсорбционной активностью в момент их образования.

     К достоинствам метода электрокоагуляции  можно отнести компактность установок  и простоту управления, отсутствие потребности в реагентах, слабую чувствительность к изменениям условий  проведения процесса,  получение  шлама с хорошими структурно-механическими  свойствами.

     Сдерживающим  фактором применения электрокоагуляции  является повышенный расход электроэнергии и листового железа и алюминия.

     На  эффективность электрокоагуляции  оказывают влияние: материал электродов, расстояние между ними, скорость движения воды между электродами,  ее температура  и состав,  напряжение  иплотность тока. На практике обычно используют безнапорные пластинчатые электрокоагуляторы,  направление  движения  жидкости  в которых может быть горизонтальным или вертикальным. Они могут быть однопоточными, многопоточными или смешанными. При многопоточной схеме движения вода проходит одновременно через промежутки между электродами (параллельное  соединение каналов).

     4.3 Электрофлотация

     Суть  электрофлотации заключается в  переносе частиц загрязнений из жидкости на поверхность раздела фаз пузырьками газообразного кислорода и водорода,  образующимися  на  электродах  при пропускании через раствор  электрического тока.  Пузырьки  постепенно растут на поверхности электродов и при достижении определенного  размера отрываются.  При  всплытии  они  сталкиваются  с частицами  загрязнений и за счет действия молекулярных и электростатических сил,  способствующих их слиянию,  транспортируютсяна поверхность  раствора. Присутствующие в растворе примеси, обладающие поверхностно-активными  свойствами,  будут  способствовать образованию флотоактивных комплексов и поверхностного пенного слоя.

     Электрофлотация позволяет удалять из сточных  вод примеси, находящиеся в растворенном состоянии,  в  эмульгированном  и  суспендированном виде, взвешенные вещества и коллоидные частицы.

     Эффективность электрофлотации во многом зависит  от числа и крупности пузырьков  газа. Основную роль  здесь играют пузырьки, образующиеся на катоде.  Размер  пузырьков  водорода  значительно  меньше, чем при других способах флотации. Он зависит от краевого угла смачивания и кривизны поверхности  электродов. Для получения необходимого количества пузырьков требуемого размера  необходим правильный подбор материала, диаметра проволоки катода   и  плотности  тока.  Изменяя  плотность  тока  можно варьировать скорость флотации.  Обычно,  чем  больше  насыщение раствора пузырьками,  тем  выше  скорость флотации,  но  до  определенного предела. Увеличение плотности тока будет увеличивать поток пузырьков, и они начнут отрываться от частиц примесей. Часто при проведении электрофлотации используют предварительное введение в сточные воды коагулянтов. За счет этого эффективность флотации существенно повышается.  Коагулянты  можно вводить непосредственно в виде соответствующих солей или за счет организации активного анода.

     Электрофлотационный способ имеет ряд преимуществ  по сравнению с другими способами  флотации:  простота  изготовления аппаратов и их обслуживания, возможность  регулирования степени очистки  стоков в зависимости от фазово-дисперсного  состояния примесей,  высокая  дисперсность пузырьков газа,  обеспечивающая эффективность их взаимодействия с  примесями,  одновременное обеззараживание  сточных вод.

     4.4 Электродиализ

     Электродиализ -  это  процесс  непрерывной  сепарации ионов солей, осуществляемый в многокамерном мембранном аппарате (электродиализаторе)  под  действием  постоянного  тока,  направленного  перпендикулярно плоскости мембран.

     Основные  области применения электродиализа: опреснение и обессоливание воды, водоподготовка для питьевых целей и дезактивация воды; получение органических кислот и оснований; синтез неорганических соединений; очистка и разделение веществ в водных растворах.

     Процесс очистки сточных вод в данном случае основан на разделении ионизированных веществ под действием электродвижущей  силы,  создаваемой в растворе по обе  стороны мембран. Мембраны используются неактивные (пористые)  и  активные (ионообменные).

     Пористые  мембраны механически пропускают компоненты раствора за счет наличия в них  определенного размера физических пор. Ионообменные мембраны подразделяются на анионообменные и катионообменные  и, соответственно, могут пропускать только анионы или катионы.

     Простейший  электродиализатор представляет из себя аппарат, разделенный мембранами на три камеры. В среднюю камеру,  называемую солевой,  запускают  рабочий  раствор,  а  в  приэлектродных пространствах находятся водные камеры.  При  прохождении электрического тока ионы начинают направленное движение к соответствующим электродам. При этом на аноде будет выделяться газообразный кислород и образовываться кислота. На катоде же выделяется газообразный водород и образуется щелочь.

     При использовании ионообменных мембран  эффективность процесса резко повышается, и снижается расход электроэнергии. В промышленной практике обычно используют многокамерные аппараты с чередующимися катионо-  и  анионопроницаемыми  мембранами. В таких аппаратах достигается максимальный выход по току.

     Основным  недостатком этого процесса является неизбежная концентрационная поляризация,  приводящая  к осаждению солей  на поверхности мембран и снижению показателей очистки. Сточные воды перед подачей в электродиализатор  должны быть очищены от взвешенных и коллоидных частиц.

Глава 5. Мембранные (баромембранные) методы

     Мембранные  процессы разделения основаны на преимущественной проницаемости одного или нескольких компонентов жидкой, газовой смеси  или коллоидной системы через  разделительную перегородку - мембрану. Компоненты жидкой  фазы,  прошедшие  через перегородку, называют пермеатом  или фильтратом, а задержанные - концентратом.  Движущей силой мембранных процессов  является разность химических или электрохимических  потенциалов по обе стороны перегородки.

     Мембрана - это материал или устройство, который  ведет себя как некий физико-химический барьер между двумя жидкими фазами и допускающий определенные  обменные или диффузные процессы.

     Основное  свойство,  которое  обусловливает  практическое  использование мембран -  это не  сама пропускная или  обменная  способность,  а селективная  проницаемость,  то  есть  способность  пропускать только определенные компоненты раствора и препятствовать переносу других.

     Мембраны  по механизму их действия можно подразделить на неактивные и ионселективные (ионообменные) мембраны. Неактивные мембраны характеризуются  селективной проницаемостью вследствие наличия в них определенного размера пор, способных пропускать соответствующего размера (меньшего)  компоненты раствора. Ионообменные мембраны по механизму действия сходны с обычными ионообменными материалами - ионитами. Но, в отличие от последних, регенерация таких мембран осуществляется в процессе их работы. Они  также подразделяются на  анионоактивные и катионоактивные мембраны.

     По  характеру структуры мембраны подразделяются на гомогенные и геретогенные.  Гомогенные  представляют  собой  однофазную систему с одинаковыми свойствами во всех точках. Эти мембраны применяются  реже вследствие их меньшей прочности  и проницаемости.  Гетерогенные мембраны - это  композиции  тонко  измельченного  ионита с пластичным связующим или  на основе металлокерамики и различных  композитов.

     Таблица 3

     Классификация мембран и мембранных методов

     Основные  требования, предъявляемые к мембранам  при их выборе: высокая проницаемость и селективность; устойчивость к действию рабочих растворов; механическая прочность и низкая стоимость; постоянство характеристик в процессе работы.

     Таким образом,  принцип  баромембранных  методов  состоит  в непрерывном  процессе  разделения растворов  путем их фильтрования под давлением, превышающим осмотическое, через  полупроницаемую мембрану,  которая  полностью или частично задерживает  молекулы или ионы растворенного  вещества.

     Осмосом называют процесс самопроизвольного  проникновения молекул растворителя через полупроницаемую мембрану. При давлении выше осмотического  будет осуществляться перенос растворителя в обратном обычному осмосу направлению - от раствора к чистому растворителю.  То  есть  мембраны  пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенное вещество. Поэтому такой процесс  называют обратным осмосом, а применяемое  давление - обратноосмотическим. При обратном осмосе отделяются частицы,  размеры  которых не превышают размеры молекул растворителя. При ультрафильтрации же размер отдельных частиц на порядок больше. То есть от обычных методов фильтрации такие процессы отличаются отделением частиц меньших размеров.