Методы и средства очистки воды

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Морской государственный университет

им. адм. Г. И. Невельского

Кафедра

Реферат на тему:  

                                                      «Методы и средства очистки воды»

2014

                                                               Содержание:

   Защита от загрязнения водной среды……………………………………….3

Методы и средства очистки воды…………………………………………………………………….3

Биохимические методы……………………………………………………………………………….4

Фильтрование…………………………………………………………………………………………..5

Коагуляция……………………………………………………………………………………………...6

  Разновидностью реагентного  метода………………………………………………………………..7

  Биологическая очистка………………………………………………………………………………..8

                          Защита от загрязнения водной среды.

Методы и средства очистки воды:

Образующиеся на промышленных предприятиях сточные воды (сточные воды, образующиеся в технологических процессах, сточные воды с загрязненной территории предприятия) должны перед сбросом в водоемы или городскую канализацию очищаться до нормативного качества. Требования  к загрязненности воды вредными ве-вами при сбросе  в водоемы и канализацию различны. При сбросе в канализацию и на городские очистные сооружения они менее жесткие. Содержание вредных  веществ в сточных водах определяются установленными для предприятия предельно допустимыми сбросами.

Задача очистки вредных сбросов не менее, а даже более сложна и масштабна, чем очистки выбросов. В отличие от рассеивания  выбросов в атмосфере разбавление и снижение концентраций вредных веществ в водоемах происходит хуже. Поэтому требуется глубокая очистка сточных вод, тем более что водная экосистема очень ранима и чувствительна к загрязнениям.

Защита водных средств от вредных сбросов осуществляется применением следующих методов и средств:

• Рациональным размещением источников сброса и организацией водозабора и водоотвода;
• Разбавлением вредных веществ в водоемах до допустимых концентраций путем создания рассредоточенных выпусков;
• Применением средств очистки стоков.

С целью стимулирования предприятий к качественной очистке собственных стоков целесообразно  организовать водозабор  сточных вод. Если для технологических нужд требуется чистая вода, предприятие будет  вынуждено осуществлять высокоэффективную очистку собственных стоков.

Рассредоточение  выпуски стоков осуществляют через трубы, проложенные  поперек сечения  русла  реки , тем самым увеличивая интенсивность перемешивания и кратность разбавления.

Методы очистки вод можно разделить на 2 большие группы: деструктивные и регенеративные.

     В основе  деструктивных методов лежат  процессы разрушения загрязняющих  веществ. Образующиеся продукты  распада удаляются из воды  в виде газов, осадков или остаются  в воде, но уже в обезвреженном  виде.

     Регенеративные  методы - это не только очистка  сточных вод, но и утилизация  ценных веществ, образующихся в  отходах.

     Методы очистки  вод можно разделить на: механические, химические, гидрохимические, электрохимические, физико-химические и биологические. Когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания  сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного  метода в каждом конкретном  случае определяется характером  загрязнения и степенью вредности  примеси.

     Биохимические  методы очистки сточных вод. Применяются для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических (сероводорода, сульфидов, аммиака, нитратов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания, превращения их в воду, диоксид углерода, сульфат-фосфат-ион и др. и увеличивая свою биомассу.

  Гидромеханические методы применяют для извлечения из сточных вод нерастворимых грубодисперсных примесей органических и неорганических веществ путем отстаивания, процеживания, фильтрования, центрифугирования. С этой целью используют различные конструктивные модификации сит, решеток, песколовок, отстойников, центрифуг и гидроциклонов.

        Электрохимические методы очистки сточных вод от различных растворимых и диспергированных примесей включают анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляцию, электродиализ. Процессы, лежащие в основе этих методов, протекают при пропускании через сточную воду электрического тока. Под действием электрического поля положительно заряженные ионы мигрируют к катоду, а заряженные отрицательно - к аноду. В прикатодном пространстве происходят процессы восстановления, а в прианодном - процессы окисления.

  Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.

  Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

       Для  очистки сточных вод от взвешенных  частиц (механических частиц, частиц жиро- масло- и нефтепродуктов) применяют процеживание, отстаивание, обработку в поле центробежных сил, фильтрование  и флотацию.

Также к основным методам очистки воды относятся нижеперечисленные методы:

     Процеживание  применяют для удаления из  сточной воды крупных и волокнистых  включений. Процесс реализуют в  вертикальных  и наклонных решетках, ширина прозоров которых  15…20 мм, и волокноуловителях в виде  ленточных и барабанных сит. Очистка  решеток и волокноуловителей  осуществляется вручную или механически.

      Отстаивание основано на свободном оседании (всплытии) примесей  с полностью большой  (меньшей) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках, жироуловителях.

        Песколовки применяют для отделения частиц металла и песка  размером более 250 мкм.

         Отстойники применяют для гравитационного выделения из сточных вод более мелких взвешенных частиц или жировых веществ.

         Очистка сточных вод в поле центробежных сил реализует в гидроциклонах. Механизм действия гидроциклонов аналогичен механизму  действия  газоочистных циклонов.

      Фильтрование используют для очистки сточных вод от мелкодисперсных  примесей как на начальной, так и конечной стадиях или связанных (спеченных) между собой частиц фильтроматериала. В зернистых фильтрах в качестве фильтроматериала используют кварцевый песок, дробленный шлак, гравий, антрацит и т.п.

        Метод флотации заключается в адсорбировании  примесей, мелкими пузырьками воздуха,подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены, который удаляют.

          Физико-химические методы очистки применяют для удаления из сточной воды  растворимых примесей (солей тяжелых металлов, цианидов, фторидов и др.), а в ряде случаев и для удаления извесей. Как правило, физико-химическим методам предшествует стадия очистки от взвешенных веществ. Применяются разнообразные физико-химические методы, из которых наиболее распространены  электрофлотационные, коагуляционные, реагентные (разновидность реагентного метода- нейтрализация), электрохимические, электродиализные,  ионообменные.

        Электрофлотация находит широкое применение наряду с пневматической флотацией для удаления маслопродуктов и мелкодисперсных взвесей. Осуществляется путем пропускания через сточную воду электрического тока, между парами электродов (железных, стальных, алюминиевых). В результате электролиза воды образуются пузырьки водорода и кислорода,которые обволакивают частички взвесей и способствуют их быстрому всплытию  на поверхности. Электрофлотация осуществляется в электрофлотационных установках.

            Осветление – удаление из воды взвешенных веществ. Реализуется фильтрацией воды через пористые фильтроэлементы (картриджи) или через слой фильтроматериала. Осветление воды путем осаждения взвешенных веществ. Эту функцию выполняют осветлители, отстойники и фильтры. В осветлителях и отстойниках вода движется с замедленной скоростью, вследствие чего происходит выпадение в осадок взвешенных частиц. В целях осаждения мельчайших коллоидных частиц, которые могут находиться во взвешенном состоянии неопределенно долгое время, к воде прибавляют раствор коагулянта (обычно сернокислый алюминий, железный купорос или хлорное железо). В результате реакции коагулянта с солями многовалентных металлов, содержащимися в воде, образуются хлопья, увлекающие при осаждении взвеси и коллоидные вещества

      Обесцвечивание – удаление или видоизменение веществ, придающих воде цвет. Реализуется различными методами, в зависимости от причины цветности. Обесцвечивание воды, т. е. устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или полностью растворенных веществ может быть достигнуто коагулированием, применением различных окислителей (хлор и его производные, озон, перманганат калия) и сорбентов (активный уголь, искусственные смолы).

         Обеззараживание – обработка воды окислителями и/или УФ-излучением для уничтожения микроорганизмов. Обеззараживание воды (удаление бактерий, спор, микробов и вирусов) является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции. Использование для питья подземной и поверхностной воды в большинстве случаев невозможно без обеззараживания. Обычными методами при очистке воды являются:

Хлорирование путем добавления хлора, диоксида хлора, гипохлорита натрия или кальция.

Озонирование. При применении озона для подготовки питьевой воды используются окислительные и дезинфицирующие свойства озона.

Ультрафиолетовое облучение. Используется энергия ультрафиолетового излучения для уничтожения микробиологических загрязнений. Кишечная палочка, бацилла дизентерии, возбудители холеры и тифа, вирусы гепатита и гриппа, сальмонелла погибают при дозе облучения менее 10 мДж/см2, а ультрафиолетовые стерилизаторы обеспечивают дозу облучения не менее 30 мДж/см2.

    Коагуляция- это физико-химический процесс агломерации мельчайших коллоидных и диспергированных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В результате коагулирования устраняется мутность воды. В качестве веществ-коагулянтов применяют алюминийсодержащие вещества, прежде всего сульфат алюминия, а также неочищенный сернокислый глинозём, алюминат натрия, хлорное железо,сульфат железа и др. , для интенсификации процесса хлопьеобразования применяют синтетические высокомолекулярные вещества-флокулянты, основным из которых является полиакриламид. Коагуляция осуществляется  посредством перемешивания воды с коагулянтами в хлопьеобразующих камерах, откуда вода направляется в отстойники,где хлопья отделяются отстаиванием.

           Сущность реагентного метода заключается в обработке сточных вод химическими  веществами-реагентами,которые , вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые соединения,удаляемые затем одним из описанных выше методов осветления воды. Этот метод находит применение для очистки сточных вод от солей металлов, цианидов, хрома, фторидов и т. Д. например, для удаления цианидов используют различные реагенты-окислители,прежде всего содержащие активный хлор: хлорная известь, гипохлориты кальция или натрия, хлорная вода. Для очистки от шестивалентного хроиа применяют натриевые соли сернистой кислоты,гидросульфит. Для очистки фторосодержащих сточных вод применяют гидроокиси кальция (известковое молоко), хлорид кальция. В результате химической реакции с токсичными соединениями фтора образуется плохорастворимый  фторид кальция, который можно удалить из воды,например отстаиванием.

           Обезжелезивание/деманганация – превращение растворённых соединений железа и марганца в нерастворимые и удаление тех и других путем фильтрования, как правило, через специальные фильтроматериалы. Решение проблемы очистки воды от железа представляется довольно сложной и комплексной задачей. К наиболее часто используемым методам можно отнести:

   1.Аэрирование –  окисление кислородом воздуха  с последующим осаждением и  фильтрацией. Расход воздуха для  насыщения воды кислородом составляет  около 30 л/м3. Это традиционный метод, применяемый уже много десятилетий. Реакция окисления железа требует  довольно длительного времени  и больших резервуаров, поэтому  этот способ используется только  на крупных муниципальных системах.

   2.Каталитическое  окисление с последующей фильтрацией. Наиболее распространенный на  сегодняшний день метод удаления  железа, применяемый в высокопроизводительных  компактных системах. Суть метода  заключается в том, что реакция  окисления железа происходит  на поверхности гранул специальной  фильтрующей среды, обладающей свойствами  катализатора (ускорителя химической  реакции окисления). Наибольшее распространение  в современной водоподготовке  нашли фильтрующие среды на  основе диоксида марганца (MnO2). Железо  в присутствии диоксида марганца  быстро окисляется и оседает  на поверхности гранул фильтрующей  среды. Впоследствии большая часть  окисленного железа вымывается  в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного  катализатора является одновременно  и фильтрующей средой. Для улучшения  процесса окисления в воду  могут добавляться дополнительные  химические окислители.

             Умягчение – замена катионов кальция и магния в воде на эквивалентное количество катионов натрия или водорода. Реализуется фильтрованием воды через специальные ионообменные смолы. С жесткой водой сталкивался каждый, достаточно вспомнить о накипи в чайнике. Жесткая вода не годится при окрашивании тканей водорастворимыми красками, в пивоварении, производстве водки. В ней хуже пенится стиральный порошок и мыло. Высокая жесткость воды делает её непригодной и для питания газовых и электрических паровых котлов и бойлеров. Слой накипи в 1,5 мм снижает теплоотдачу на 15%, а слой толщиной 10 мм – уже на 50%. Снижение теплоотдачи ведет к увеличению расхода топлива или электроэнергии, что, в свою очередь, ведет к образованию прогаров, трещин на трубах и стенках котлов, выводя преждевременно из строя системы отопления и горячего водоснабжения. Наиболее эффективным способом борьбы с высокой жесткостью является применение автоматических фильтров – умягчителей. В основе их работы лежит ионообменный процесс, при котором растворенные в воде жесткие соли заменяются на мягкие, которые не образуют твердых отложений.

             Обессоливание – удаление из воды растворённых солей на ионообменных смолах или фильтрование воды через специальные плёнки (мембраны), пропускающие только молекулы воды.

Все большее значение в охране поверхностных вод от загрязнения и засорения приобретают агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия. С их помощью можно предотвращать заиление и зарастание озер, водохранилищ и малых рек. Выполнение этих работ позволит уменьшить загрязненный поверхностный сток и будет способствовать чистоте водоемов.

             Разновидностью реагентного метода является процесс нейтрализации сточных вод. Согласнодействующим нормативным документам, сбросы сточных вод в системы канализации населенных пунктов и в водные объекты допустимы только в случаях ,если они характеризуются величиной рН=6,5…8,5. В том случае, если рН сточных вод соответствует кислой ( рН<6,5) или щелочной (рН>8,5)реакции,сточные воды подлежат нейтрализации, под которой понимают снижение концентрации в них свободных Н+ или Н- ионов до установленных в указанном интервале значений рН. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых в воде щелочных реагентов (оксида кальция,гидрооксидов натрия, кальция,магния и др.) нейтрализация щелочных стоков-добавлением минеральных кислот- серной, соляной и др. в процессе  нейтрализации важно добавить ровно столько реагента, чтобы осуществить нейтрализацию, не изменив при этом показателем рН в противоположную сторону. Кислые стоки часто содержат ионы железа и других тяжелых металлов. Поэтому при нейтрализации  таких стоков одновременно идет процесс  превращения ионов металлов в труднорастворимые  гидрооксиды, выпадающие в осадок. Реагентная очистка осуществляеися в ёмкостях, снабженных устройствами для перемешивания реагентов со сточными водами.

          Сущность ионообменной очистки сточных вод заключается в пропускании сточных вод через ионообменные смолы, которые различаются на катионитовые- имеющие подвижные и способные к обмену катионы, и анионитовые- имеющие подвижные и способные к обмену анионы. При прохождении сточной воды подвижные ионы смола заменяются  на ионы соответствующего знака токсичных примесей. Например, катион тяжелого метала- ионион, происходит сорбированием таксичных ионов смолой. Регенирация смола (восстановление сорбирующей способности при насыщении  смолы токсичными ионами) осуществляется промывкой её кислотой. При этом токсичные  ионы замещаются соответствующими катионами или ионами,а токсичные примеси выделяются в концентрированном виде как щелочные или кислые стоки,которые взаимно нейтрализуют и подвергаются реагентной очистке или утилизации.

        Окисление – обработка воды кислородом воздуха, гипохлоритом натрия, марганцевокислым калием или озоном. Обработка воды окислителем (или их комбинацией) делает возможными или интенсифицирует обесцвечивание, дезодорацию, обеззараживание, обезжелезивание, деманганацию

          В электроагуляционных установках может быть реализован метод электрохимической очистки сточных вод. Таким методом можно очищать от ионов тяжелых металлов,цианидов. При электролизе железный анод растворяется с образованием двухвалентных катионов железе, который восстанавливает очень токсичный шестивалентный хром до менее токсичного трехвалентного. В результате электрохимических процессов на катоде происходит также восстановление шестивалентного  хрома до двухвалентного. Последний,так же как ионы железа,реагирует  с гидрооксильной  группой с образованием нерастворимых гидроокисей хрома и железа, которые затем удаляются как взвеси, например отстаиванием.

          Электродиализный метод очистки используют для удаления из малоконцентрированных  сточных минеральных солей, а также при переработке высококонцентрированных сточных вод с целью выделения из них ценных продуктов для последующего использования. Электродиализом называют процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для очистки сточных вод используют электрохимически активные ионитовые мембраны.

           Наиболее распостранены гетерогенные ионитовые мембраны, представляющие собой тонкие пленки,изготовленные из размельченной в порошок ионообменной смолы. В зависимости от того, из какой смолы сделана мембрана,различают катионитовые и анионитовые мембраны. Первые способны пропускать через себя лишь катионы, а вторые-анионы вредных примесей.

      Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические  соединения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа. Биологическим путем очищаются  многие виды органических соединений городских и производственных сточных вод. Бактерии находятся в активном иле, представляющем собой темно-коричневую или черную жидкую массу,обладающую землистым запахом с биологической точки зрения активный ил-это скопление аэробных бактерии в виде зоогелей. Кроме микробов в иле могут присутствовать простейшие (в аэротенках), в биопленке (биофильтры)-черви,личинки насекомых,водные клещи. При очистке многих видов сточных вод используют бактерии рода Pseudomonas-грамотрицательные палочки.

             Биологическую очистку ведут или в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или в специальных сооружениях: аэротенках, биофильтрах. Аэротенки представляют собой открытые резервуары с системой коридоров,тчерез которые медленно претекают сточные воды,смешанные с активным илом. Эффект биологической очистки обеспечивается постоянным перемешиванием сточных вод с активным илом и непрерывной подачей воздуха через систему аэроции аэротенка.активный ил затем отделяется от воды в отстойниках и вновь направляется в аэротенк. Биологический фильтр- это очистное сооружение,заполненное  загрузочным материалом ,через который фильтруется сточная вода и на поверхности которого развивается биологическая пленка,состоящая из закрепленных на загрузочном материале различных форм микроорганизмов.

      Сорбция (от sorbeo (лат.) — поглощаю) - процесс извлечения из воды (в нашем случае) растворенных в ней примесей, в основном органической природы. Поскольку ионообменные процессы также относятся к сорбционным, (только сопровождаются выделением из сорбента привитого к нему иона на замену поглощаемого), то сорбция (в широком плане) позволяет извлечь из раствора (из воды) практически все примеси. Однако, в действительности сорбционные процессы связаны с избирательностью сорбента (сродством к тому или иному веществу) и из воды удаляются далеко не все примеси.

Как правило, для очистки воды применяют твердые гранулированные или волоконные материалы (адсорбенты). Это активированные угли (БАУ, БАУ-МФ, АУ, углен и т.д.). В некоторых очистителях используют ионообменные материалы (ИОС-К, ИОС-А, цеолиты, клиноптилолиты и др.)

Сорбционные процессы подчиняются ряду законов, которые значительно усложняют как конструирование адсорбционных насадок, так и их эксплуатацию. Это - и закон образования фронта поглощения, и закон параллельного переноса, и уравнение Шилова, и закон равновесной концентрации и т.д.

   В силу этих законов, при пропускании воды через сорбенты, вредные примеси, в ней содержащиеся, накапливаются в сорбенте, а, вследствие закона равновесной концентрации уже в процессе эксплуатации задолго до выработки ресурса они поступают в обработанную воду (фильтрат), превращая его в «психологически чистую» воду. Указанные особенности были изучены при разработке сорбционных полевых водоочистных станций. Был рассчитан ресурс сорбционных насадок и, к сожалению, он не превышал суток (так называемый «фильтроцикл»). Однако разработки военных водоснабженцев остались неучтенными при создании бытовых очистителей воды.

     Мембранные технологии не получили широкого распространения в бытовых очистителях воды. Во-первых, потому что для работы мембранных модулей требуется высокое давление - до 8 - 10 атм. Во-вторых, поскольку эффективны, в основном гиперфильтрационные мембраны, получаемая вода становится близкой к глубокообессоленной. В-третьих, при мембранной обработке в канализацию сбрасывается до 50 и более процентов поступающей на модуль воды, а при современном дефиците воды это слишком расточительно.

Из изложенного следует ряд не очень обнадеживающих выводов.

Во-первых, фильтровально-сорбционные устройства накапливают в толще сорбента поглощенные примеси. И при высоких концентрациях примесей (например, при «залповых выбросах») резко ухудшается качество обработанной воды, сокращается и даже становится непредсказуемым время работы сорбционной насадки (ее ресурс). Иначе говоря, страдает важный фактор - эксплуатационная надежность очистного устройства.

Во-вторых, мембранные модули и применяемые ионообменные сорбенты обедняют солевой состав обработанной воды (иониты заменяют в воде важные для организма соли кальция, магния, ряд микроэлементов на ионы натрия, а мембранные модули способны полностью деминерализовать воду).

        В-третьих, возникает (как бы ниоткуда) проблема утилизации отработанных сорбционных насадок и мембранных модулей.   А  это  еще  один  «ручеек»  загрязнения  окружающей среды.

Из электрохимических методов в разработке финишных устройств для очистки питьевой воды были использованы электрохимическая коагуляция и электрохимическая флотация. Поэтому мы не будем рассматривать электрофорез, электрокатализ, разряд малой мощности (РММ), высоковольтный электроискровой разряд (ВЭИР) и электромембранный метод - деионизацию. Не исключено, что в дальнейшем какой-либо из этих методов  может быть применен и для питьевой воды.

           Обычно при очистке воды применяют (имеются в виду полевые водоочистные станции) различные вещества, замутнители, подкислители, подщелочиватели, и среди них важную роль играют коагулянты. В основном, в качестве коагулянта, используют сернокислый алюминий (глинозем). Глинозем диссоциирует в воде на ион алюминия и ион сульфата. Т.к. сернокислый алюминий - это соль сильной кислоты и слабого основания, диссоциация идет не до конца и в воде остается молекулярно растворенный глинозем. Почти сразу после растворения (в течение минуты) ион алюминия соединяется с гидроксилом из воды и образуется гидроксид алюминия, который в виде хлопьев выпадает в осадок. Это и есть коагуляция, в процессе которой (и в результате которой) вода освобождается от взвесей, солей цветности, от микроорганизмов и ряда других примесей. Остается удалить из воды хлопья коагулянта. В полевых водоочистных станциях это происходит на нескольких этапах последующей после коагуляции обработки воды.

В отличие от обычной коагуляции электрохимическая коагуляция обладает рядом преимуществ.

В процессе нахождения или прохождения воды между электродами происходит электролиз, в результате которого растворяется анод и его металл выходит в межэлектродное пространство в виде ионов. Чаще всего в качестве анода используют сплавы алюминия. Ионы алюминия (как и при обычной коагуляции) соединяются с ионами гидроксила и образуется гидроксид алюминия. Процесс этот многостадийный, поэтому образующийся гидроксид алюминия обладает рядом свойств, которые можно объединить термином высокой химической активности. По данным ряда исследований, гидроксид, полученный электролизом, обладает химической активностью, в шесть раз превышающей активность обычного гидроксида. Это означает, что в процессе хлопьеобразования коагулянта, полученного электролизом, очистка воды от взвешенных примесей, солей цветности, микроорганизмов происходит намного активнее и плотнее. К этому следует добавить, что в отличие от обычной коагуляции в воду не добавляются непродиссоциированные молекулы самого коагулянта -сульфаты - и они не поступают потребителю. Отметим, что этот процесс называется электролитической коагуляцией.