Методы водоподготовки и водоочистки – 2
Методы водоподготовки и водоочистки – 2
Общая характеристика и классификация методов
Процессы водоподготовки и водоочистки представляют собой комплекс технологических мероприятий, направленных на удаление из природных и сточных вод органических и неорганических примесей, токсичных соединений, а также патогенных микроорганизмов. В зависимости от химического состава загрязнений, требуемой степени чистоты и экономической целесообразности применяются различные физико-химические, электрохимические, термические и биологические методы. На промышленных предприятиях очистка воды часто реализуется в виде многоступенчатых систем, где грубые методы осветления предшествуют более тонким процессам глубокой деминерализации и детоксикации.
Адсорбционные методы очистки
Адсорбция широко применяется для удаления растворенных органических веществ, а также для улучшения органолептических свойств воды, включая устранение неприятного запаха и вкуса. В качестве типичных адсорбентов выступают активированный уголь и активированный оксид алюминия. Порошкообразные или гранулированные адсорбенты вводятся в очищаемую среду на финальных стадиях водоподготовки, как правило, после предварительного осветления или параллельно с процессом коагуляции. Активированный уголь обладает высокой пористостью и способен поглощать широкий спектр токсичных соединений, являясь при этом абсолютно нетоксичным материалом.
На промышленных объектах, в частности на нефтеперерабатывающих заводах, адсорбция реализуется в масштабных установках, представляющих собой колонны высотой до пяти метров, заполненные слоями угля с песком. Эффективность поглощения органики из сточных вод крайне высока: один килограмм активированного угля способен адсорбировать до четырехсот граммов загрязняющих веществ. После насыщения сорбента производится его регенерация путем термического выжигания накопленной органики. При сжигании органических примесей структура самого угля восстанавливается, а технологические потери адсорбента за один цикл составляют около пяти процентов.
Селективность активированного угля варьируется в зависимости от химической природы загрязнителя. Наибольшая эффективность очистки достигается при удалении бензола и этилового спирта, где степень очистки достигает восьмидесяти четырех процентов, а также фенола с показателем в восемьдесят один процент. В то же время некоторые соединения адсорбируются крайне слабо: формальдегид удаляется лишь на девять процентов, а метиловый спирт на четыре процента.
Метод ионного обмена
Ионный обмен относится к методам тонкой очистки и применяется преимущественно для удаления небольших концентраций загрязняющих веществ, а также для получения сверхчистой воды, необходимой для функционирования котлов на тепловых и атомных электростанциях. Данному процессу в обязательном порядке предшествуют стадии коагуляции и фильтрации через угольные фильтры для удаления механических взвесей. Суть метода заключается в эквивалентном обмене заряженных ионов, присутствующих в воде, на ионы, закрепленные на матрице ионообменной смолы, обычно на ионы водорода или натрия, а также гидроксил-ионы.
В качестве ионообменных материалов исторически применялись алюмосиликаты, однако в современной промышленности преобладают синтетические пористые смолы, синтезируемые на основе стирола и дивинилбензола. Материалы с отрицательно заряженными центрами обмена называются катионитами и служат для удаления катионов металлов, заменяя их на ионы водорода при водород-катионировании или на ионы натрия при натрий-катионировании. Материалы с положительно заряженными функциональными группами, часто представленными аминами или четвертичными аминами, называются анионитами. Они обменивают кислотные остатки, в том числе анионы сильных кислот вроде серной и азотной, на гидроксил-ионы.
Ключевыми характеристиками ионообменных смол являются их обменная емкость, определяющая количество поглощаемых ионов на кубический метр ионита, и избирательность. Смолы проявляют различную аффинность к ионам: наиболее эффективно связываются ионы железа, за которыми в порядке убывания избирательности следуют алюминий и свинец. Ионообменники также эффективно задерживают остатки серной и азотной кислот, но хуже справляются с ионами аммиака, натрия и фтора.
Рабочий цикл ионообменного фильтра включает фазу насыщения, после которой при истощении емкости процесс очистки останавливается. За этим следует обратная промывка водой для удаления механических примесей и взрыхления слоя смолы, а затем этап химической регенерации. Для восстановления водород-катионитовых смол применяется недорогая серная кислота, а для натрий-катионитов используется раствор поваренной соли. Типовая конструкция фильтра представляет собой аппарат с нижним дренажным устройством для удержания смолы и верхним распределительным устройством для равномерной подачи очищаемой воды. Система позволяет осуществлять промывку и регенерацию непосредственно внутри фильтра без извлечения загрузки. Затраты на приобретение ионитов в промышленных масштабах весьма высоки.
Окислительно-восстановительные методы
Данная группа методов основана на переводе токсичных примесей в менее опасные или легко удаляемые формы путем реакций окисления или восстановления. Озонирование предполагает введение в воду озона, являющегося мощным окислителем. Озон генерируется непосредственно на очистных сооружениях из атмосферного воздуха или кислорода с помощью электрических разрядов. Метод эффективен для деструкции фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, цианидов, пестицидов и поверхностно-активных веществ. Озон также обладает выраженным бактерицидным действием. Главным преимуществом озонирования является отсутствие вторичного загрязнения воды, поскольку после реакции избыток реагента переходит в обычный кислород и улетучивается. Однако применение озона требует значительных экономических затрат.
Хлорирование является более дешевым, но и более опасным методом. Ввиду высокой токсичности чистого газообразного хлора и его способности образовывать соляную кислоту при гидролизе, в промышленности чаще используются гипохлорит натрия, хлорноватистая кислота и диоксид хлора. Хлор окисляет цианиды до цианатов, переводит сероводород в безопасные формы и способствует удалению железа путем его перевода в нерастворимый осадок. Тем не менее, хлорирование сопряжено с риском образования токсичных хлорорганических соединений. Также в качестве сильных окислителей могут применяться пероксид водорода и перманганат калия.
Восстановительные реакции необходимы для нейтрализации сильных окислителей, присутствующих в сточных водах, таких как кислород, хлор или хроматы. Для удаления избыточного хлора и кислорода применяются оксиды серы и сульфиты. Токсичные хроматы восстанавливаются с использованием специфических реагентов, таких как гидрид лития. В специфических условиях атомных электростанций для дезактивации растворенного кислорода, образующегося при радиолизе воды в реакторе, в качестве восстановителя применяется газообразный водород.
Термические и физические методы
К физико-термическим способам водоподготовки относятся выпаривание и вымораживание. Дистилляция или выпаривание предполагает перевод воды в паровую фазу с последующей конденсацией, при этом все нелетучие примеси остаются в кубовом остатке. Метод вымораживания базируется на физическом принципе фракционной кристаллизации. При понижении температуры в первую очередь образуются кристаллы чистого льда, в то время как примеси концентрируются в незамерзшей части раствора. Замороженный слой чистой воды впоследствии отделяется от концентрированного рассола или загрязненного осадка. Данный метод отличается умеренной стоимостью и применяется для грубой очистки.
Электрохимические методы очистки
Электрохимические технологии применяются для разрушения трудноразлагаемых химических стойких соединений, а также для коагуляции и сепарации примесей под действием электрического тока. Электрокоагуляция совмещает в себе процессы электролиза и химической коагуляции. В нижней части аппарата-электролизера располагаются растворимые аноды, а в верхней катоды. При прохождении тока металлические аноды растворяются, образуя гидроксиды металлов, которые связывают загрязняющие частицы в крупные хлопья. Одновременно на катоде выделяются пузырьки газов, таких как водород и кислород, которые захватывают образовавшиеся хлопья и поднимают их в верхнюю часть аппарата, формируя слой грязной пены. Этот процесс, называемый электрофлотацией, обеспечивает эффективное удаление масел, нефтепродуктов и соединений тяжелых металлов, включая хром.
Электродиализ применяется для обессоливания и концентрирования ионных примесей. Установка состоит из чередующихся катионообменных и анионообменных мембран, помещенных в электрическое поле. Под действием разности потенциалов ионы направленно перемещаются сквозь мембраны, в результате чего исходный солевой раствор разделяется на потоки опресненной воды и концентрированного рассола. Метод также позволяет генерировать растворы кислот и щелочей из исходных солей.
Биологические методы очистки
Биологическая очистка является прогрессивным способом удаления органических загрязнений из городских и промышленных сточных вод с использованием биоценозов микроорганизмов. В зависимости от типа дыхания бактерий процессы делятся на аэробные и анаэробные. Эффективность жизнедеятельности микроорганизмов зависит от температурного режима. Выделяют термофильные бактерии, функционирующие при температуре от сорока пяти до семидесяти пяти градусов Цельсия, мезофильные формы, а также бактерии, приспособленные к температурам от нуля до тридцати градусов. Для оптимальной работы биологических систем водоочистки требуется поддержание нейтральной кислотности среды в диапазоне водородного показателя от шести с половиной до восьми с половиной. Уровень органического загрязнения, доступного для бактериального окисления, принято характеризовать параметром биологического потребления кислорода за пять суток при температуре двадцать пять градусов, известным как БПК5. Полная биологическая очистка воды может занимать до двадцати суток, в течение которых разлагаются сложные азотсодержащие белковые структуры.
Аэробная очистка требует постоянного поступления кислорода и осуществляется в аэротенках, представляющих собой глубокие резервуары до шести метров, оборудованные системами подачи сжатого воздуха. Сточная вода смешивается с активным илом, содержащим комплекс аэробных бактерий. Микроорганизмы потребляют органические вещества, выделяя углекислый газ. Аэробные бактерии наиболее эффективно перерабатывают одноатомные, двухатомные и трехатомные спирты, альдегиды, органические кислоты и эфиры. Однако они не способны разлагать алканы, керосин или этиленгликоли. Присутствие в воде тяжелых металлов или сульфидов может привести к гибели активного ила, поэтому перед биологической стадией стоки проходят физико-химическую обработку для удаления масел и токсикантов. Очищенная вода затем отделяется от избыточного активного ила во вторичных отстойниках.
Анаэробная очистка протекает без доступа кислорода и реализуется в анаэробных прудах или специализированных закрытых резервуарах метантенках. В процессе жизнедеятельности анаэробные бактерии трансформируют углеродсодержащие вещества сначала в органические кислоты и спирты, а затем в биогаз, основу которого составляет метан. Также происходит восстановление сульфатов до сульфидов. Данный метод отличается значительной продолжительностью процесса гниения, занимающего до ста восьмидесяти суток в открытых прудах, и обеспечивает степень разложения органики на уровне около шестидесяти процентов. Анаэробные пруды особенно эффективны для обработки сточных вод с высоким содержанием минерального азота. В промышленных метантенках, предназначенных для переработки осадков сточных вод и избыточного ила из аэротенков, поддерживается оптимальная температура от тридцати до пятидесяти градусов, что способствует генерации метана, который может утилизироваться в качестве энергоносителя.