Загрязнение промышленных сточных вод, обуславливающие показатели ХПК и БПК, образуют в воде гомогенные системы и по своему фазово-дисперсному состоянию относятся к Ш группе классификации по Л.А.Кульскому. [З].
III группа веществ включает растворенные в воде газы и органические соединения антропогенного происхождения. К ним относятся фенолы, спирты, альдегиды и другие органические вещества, попадающие в воду со стоками. Они придают воде разнообразные привкусы и запахи, а иногда и окраску. Некоторые вносимые со сточными водами примеси обладают токсичностью. Обычно - это соединения с ковалентной связью. Ионогенные группы, встречающиеся в них, малодиссоциированы. Вследствие незначительной диссоциации, а иногда и полного ее отсутствия, вещества, относящиеся к Ш группе примесей, образуют с водой растворы неэлектролитов.
2. Выбор и обоснование методов очистки воды.
Взвешенные примеси подразделяются на твердые и жидкие и образуют с водой дисперсную систему. В зависимости от размера частиц дисперсные системы делят на три группы: 1) грубодисперсные системы с частицами размером более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии); 2) коллоидные системы с частицами размером от 0,1 мкм - 1 нм; 3) истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют размерам отдельных молекул или ионов. [I].
Для удаления из воды веществ I группы используются главным образом методы, основанные на действии гравитационных сил и сил адгезии. [З]. К ним относятся следующие методы.
Механическое безреагентное разделение: отстаивание для грубодисперсных примесей с концентрацией более 500 мг/л в водозаборных ковшах и отстойниках (степень очистки - 50-70%); фильтрование на медленных фильтрах для взвешенных веществ с концентрацией до 50 мг/л (степень очистки - 95-99%); фильтрование на предварительных фильтрах для взвешенных веществ с концентрацией до 1000 мг/л (степень очистки - 60-80%);
центрифугирование на центрифугах и гидроциклонах для грубо- и тонкодисперсных примесей (степень очистки - 80-90%).
При реагентном методе осветления и обесцвечивания воды проводят специальную обработку химическими веществами - коагулянтами (иногда с добавкой флокулянтов), которые обеспечивают более полное и быстрое осаждение взвешенных частиц, обуславливающих мутность и цветность воды.
Адгезия на гидроокисях алюминия или железа и на высокодисперсных материалах: 1) фильтрование коагулированной взвеси через зернистые загрузки для коагулированной взвеси после сооружения первой ступени с концентрацией не более 10-15 мг/л осуществляется на двухслойных и грубозернистых фильтрах с использованием флокулянтов для интенсификации процесса; 2) фильтрование с использованием явления контактной коагуляции на контактных осветлителях и фильтрах для взвесей с концентрацией до 150 мг/л с применением сернокислого алюминия или хлорного железа, полиакриламида и активной кремниевой кислоты; 3) обработка воды коагулянтами с последующим удалением взвесей осуществляется при помощи комплекса сооружений: установки для приготовления реагентов, смесители, камеры хлопьеобразования, электролизеры и осветлители
Агрегация при помощи флокулянтов включает обработку воды коагулянтами с применением флокулянтов и последующим удалением агрегатов отстаиванием и фильтрованием (без ограничений по концентрации взвешенных веществ).
Флотация безреагентная и с применением реагентов для удаления нефти и масла концентрацией 50-150 г/м3 осуществляется при помощи флотаторов (степень очистки - 95-99%).
Наиболее эффективным и широко распространенным методом для очистки от грубодисперсных взвешенных веществ является метод механического безреагентного разделения. Так как по условию задания производственные сточные воды содержат нефтепродукты с болей высокой концентрацией грубодисперсных частиц чем коллоидных (соответственно 150 мг/л и 100 мг/л), то на первом этапе целесообразно осуществить очистку путем отстаивания в нефтеловушках. Эти очистные установки позволяют удалить 96-98% грубодисперсных примесей. Также этот метод является более дешевым с экономической точки зрения, так как не требует использования реагентов и дополнительных установок для их приготовления.
Для удаления из воды веществ II группы - коллоидных примесей применяют следующие методы.
1) Обработка воды хлором, озоном и другими окислителями при повышенном содержании в воде коллоидных и высокомолекулярных соединений, обуславливающих окисляемость и цветность воды.
2) Адсорбция на гидроокисях алюминия или железа, а также на высокодисперсных глинистых минералах:
- коагуляция в свободном объеме - обработка воды коагулянтами с последующим удалением взвеси при повышенном содержании коллоидных и высокомолекулярных соединении, также обработка воды
высокодисперсными замутнителями и коагулянтами при низкой температуре и малой мутности воды, при высокой загрязненности воды вирусами;
- контактная коагуляция для коллоидных и высокомолекулярных веществ,
обуславливающих цветность воды при малой мутности воды.
3) Агрегация при помощи флокулянтов катионного типа для коллоидных и высокомолекулярных веществ.
Коагуляция является одним из основных методов очистки промышленных сточных вод от тонкодисперсных примесей, эмульгированных и суспендированных частиц нефтепродуктов, а также растворенных примесей. В качестве коагулянтов применяют в основном соли алюминия и железа. В процессе коагуляционной очистки происходит соосаждение части растворенных в воде примесей, поэтому уменьшаются значения ХПК и БПК сточных вод. Содержание нефтепродуктов в очищенной воде составляет не более 10-30 мг/л.
Для удаления из воды примесей III группы, которые обуславливают окисляемость воды, применяются следующие методы. [З].
1) Десорбция газов и летучих органических соединений методом аэрирования, которая позволяет снизить содержание углекислоты и сероводорода.
2) Окисление (хлорирование, озонирование, обработка воды перманганатом калия) позволяет устранить привкусы и запахи при не слишком загрязненных водах.
3) Электролиз - электрообработка воды для удаления кислорода.
4) Адсорбция на активированных углях для устранения неприятных запахов и привкусов естественного происхождения, а также вносимых со сточными водами (степень очистки - 80-95%).
5) Экстракция органическими растворителями для удаления фенолов из производственных сточных вод.
6) Биохимический распад - разложение микроорганизмами: аэробное применяется для удаления загрязнений из сточных вод и анаэробное - для концентрированных стоков (степень очистки - 90-98%).
Биохимический метод применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от многих растворенных органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности -органические вещества для микроорганизмов являются источником углерода.
Промышленные сточные воды, прошедшие очистку в нефтеловушке и коагуляционной установке, содержат не более 25 мг/л нефтепродуктов, по условию задания не содержат фенолов, не требуют утилизации ценных примесей. Поэтому целесообразно провести очистку сточной от примесей Ш группы при помощи биологического метода в аэротенках. Биологические методы очистки остаются наиболее дешевыми, экологически чистыми и поэтому наиболее распространенными.
3. Теоретические основы и оптимальные параметры методов очистки воды.
Взвешенные вещества образуют в воде гетерогенные системы, что обусловлено наличием нерастворимых или малорастворимых соединений. Нерастворимые частицы, состоящие из большого числа атомов или молекул, образуют дисперсную фазу, а вода, в которой они распределены, - дисперсную среду. Фаза представляет собой совокупность однородных частей системы, одинаковых по составу и физико-химическим свойствам, и отделенных от других частей системы поверхностью раздела. [З].
Существование поверхностей раздела является обязательным признаком гетерогенных систем. Особые свойства и строение пограничных межфазных слоев, обладающих в высокодисперсных системах большой свободной поверхностной энергией, в значительной степени определяют поведение таких систем, их агрегативную и кинетическую устойчивость. Величина межфазной поверхности зависит от размера частиц дисперсной фазы - чем меньше размер частиц, тем больше удельная поверхность и тем сильнее влияние поверхностных явлений на свойства системы.
Крупные частицы примесей - тяжелые смолообразные нефтепродукты кинетически неустойчивы, не образуют с водой устойчивых гетерогенных систем, так как быстро оседают на дно под действием гравитационных сил. Скорость седиментации зависит от формы частиц, соотношения силы тяжести, приводящей к их осаждению, и силы трения, препятствующей этому процессу. Водные дисперсии, содержащие частицы размером более 10-3 см, обладают как правило, полной кинетической неустойчивостью. При уменьшении размера частиц до 10-4-10-5 см образуются гетерогенные системы, для которых характерна сравнительно небольшая удельная поверхность дисперсной фазы, слабая интенсивность теплового движения частиц и невысокая кинетическая устойчивость.
Тонкодисперные частички нефти всплывают на поверхность, так как их плотность меньше, чем плотность воды. Скорость движения воды в нефтеловушке изменяется в пределах 0,005-0,01м/с. Для частичек нефти диаметром 80-100 мкм скорость всплывания равна 1-4 мм/с.
Коагуляция применяется для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. В процессе очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием сил тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.