Физико-химические методы очистки сточных  вод с применением коагулянтов¹

     Для обеспечения высокой степени  очистки сточных вод в ряде случаев одной биохимической очистки производственных сточных вод недостаточно, поэтому в последние годы отмечено возрастающее применение физико-химических методов. Широкое распространение получили коагуляция и флотация. Реагентный способ очистки достаточно эффективен и прост. Этот способ  можно применять практически при неограниченных объемах сточных вод.

     Совместное  использование коагулянтов и  флокулянтов позволит еще более  расширить использование этих реагентов для очистки сточных вод. Большие резервы интенсификации метода коагуляции и флокуляции связаны как с более глубоким исследованием механизмов явлений, сопровождающих эти процессы, так и с более эффективным использованием различных физических воздействий.

     Данные  зарубежных исследований показывают, что значительного повышения эффективности реагентного способа можно добиться оптимизацией технологии очистки, предусматривающей смешение реагентов с водой,  а также подбором используемых коагулянтов и флокулянтов.

     Эффективность реагентного способа можно также повысить, применяя физические воздействия  на обрабатываемую воду и водные системы (например, электрические и магнитные поля, ультразвук, радиацию и другие способы). Однако внедрение этих методов интенсификации коагуляции и флокуляции тормозится недостаточной изученностью процессов, протекающих на молекулярном и ионном уровне.

     Очистка производственных сточных вод реагентным способом включает несколько стадий, основными  из которых являются:

     1) Приготовление и дозирование  реагентов;

     2) Смешение реагентов с водой;

     3)  Хлопьеобразование;

     4) Отделение хлопьевидных примесей  от воды.

     Наибольшее  применения в качестве коагулянтов  получили сульфат алюминия, гидроксохлорид алюминия и хлорид железа(III). В несколько  меньшем масштабе используются сульфаты  железа, смешанные коагулянты в виде солей алюминия и железа. Заметно в меньших количествах используют алюмоаммонийные и алюмокалиевые квасцы.  Возрастает использование коагулянтов, в первую очередь железа и алюминия, получаемых электрохимическим способом. В этом случае их свойства как коагулянтов резко улучшаются.

     Реагенты  как в твердом, так и в виде концентрированных растворов, необходимо доводить до рабочей концентрации (5-15%). В связи с этим следует проанализировать растворение солей и в первую очередь солей алюминия и железа

     Эффективность очистки сточных вод с использованием  коагулянтов и флокулянтов в значительной мере  зависит от точности поддержания основных параметров. Основными параметрами регулирования являются pH обработанных сточных вод, электропроводность, мутность, окислительно-восстановительный потенциал.

     Для технологии очистки  воды и обезвреживания осадков большое значение имеет  рациональное использование реагентов, так как годовой расход  только флокулянтов составляет сотни тонн. Определение оптимальной дозы реагентов представляет  собой весьма сложную задачу, так как в практике очистки воды возможно  одновременное изменение ряда факторов, например состава и количества примесей. При коагуляции примесей в объеме воды и при контакте с зернистой загрузкой оптимальная доза будет различной, так как кинетические условия коагуляции на поверхности фильтрующего материала значительно лучше, чем в объеме воды.

     Применяются методы математического моделирования, позволяющие определить оптимальный режим электрохимической обработки. Существующие устройства для автоматического дозирования реагентов дают возможность, как правило, поддерживать только их расход, установленный на основе предварительных исследований. Поддержание оптимальной дозы реагентов для соблюдения основных качественных  параметров процесса коагуляции пока еще затруднено.

     Перемешивание воды с реагентами целесообразно  осуществлять в две стадии, причем первую стадию проводить в режиме, приближающемся к режиму идеального смешения, а вторую - в режиме идеального вытеснения по жидкой фазе. Это обусловлено тем, что на первой стадии должно быть обеспечено равномерное распределение реагента по всему объему очищаемых сточных вод, а на второй - создание условий, исключающих распад образовавшихся агломератов частиц загрязнений. Первый режим можно осуществить, например, а аппарате с интенсивно вращающейся мешалкой, а второй - в слое взвешенного осадка.

     Как показывают результаты многих исследований, процесс перемешивания воды с реагентами, в частности с неорганическими коагулянтами, необходимо проводить с максимальной скоростью. Оптимизация режима смешения коагулянта с водой может привести к более эффективному использованию, а в некоторых случаях и к сокращению расхода коагулянта.

     В направлении интенсификации перемешивания воды с реагентами развивается и разработка смесителей. Рекомендуется при выборе типа, конструкции и режима действия перемешивающих устройств на стадиях быстрого смешения воды с реагентами и медленного перемешивания воды в камерах хлопьеобразования учитывать закономерности коагуляционного структурообразования, определяющие  начальные значения скоростного градиента, необходимость постепенного перемешивания и концентрации твердой и жидкой фаз на поверхности раздела.

     Быстрое перемешивание реагентов с водой может быть достигнуто в электромагнитных смесителях. Электромагнитные смесители целесообразно применять прежде всего при контактировании воды с растворами электролитов, например с растворами кислот, щелочей, солей. Наиболее просты в аппаратурном оформлении смесители, содержащие камеру электрообработки, в которой установлены два или несколько электродов. В результате воздействия электрического поля на растворы электролитов происходит эффективное смешение воды с коагулянтом, что позволяет существенно сократить время перемешивания, а также расход реагентов на очистку стоков.  Электролиз  проводят, как правило, в режимах без заметного выделения газов (кислорода и водорода)

     Другим  простейшим вариантом электромагнитного  перемешивания является использование генераторов магнитного поля, устанавливаемых на участке трубы, где одновременно подают воду и раствор коагулянта (электролита). Такие смесители весьма просты и их легко установить практически на любом участке технологической линии. Кроме того, смесители с использованием постоянных магнитов могут быть установлены в помещениях любой категории.

     Отделение взвешенных частиц от воды.

     Очистка воды от взвешенных коагулированных  частиц является многостадийным процессом, включающим, по крайней мере, образование агрегатов и отделение их от воды. Процесс начинается с образования агрегатов частиц, затем происходит их распад, переход агрегатов в осадок, выпадение агрегатов частиц из осадка снова в жидкую фазу, выпадение монодисперсных частиц из жидкости  в осадок, минуя стадию агрегатообразования. Процесс отделения агрегатов частиц от воды называется отстаиванием.

     Для отделения скоагулированных частиц примесей от воды используют также  флотацию или фильтрацию. Отстаивание  представляет собой экстенсивный процесс, однако, являясь универсальным методом, позволяет очищать сточные воды различного состава. Интенсификация процесса отстаивания связана как с улучшением седиментационных характеристик скоагулированных частиц примесей, так и с оптимизацией конструкций отстойников.

     В последнее время для очистки  сточных вод все чаще используют флотацию². Преимущество ее - достаточно высокая эффективность извлечения примесей из воды. процесс флотации зависит как от свойств частиц, так и от их размера, а также от ряда физико-химических  свойств осветляемых токсидисперсных суспензий, включая и сточные воды. все это приводит к определенным трудностям внедрения флотационного способа очистки вод.

     Использование реагентов при флотации позволяет  в ряде случаев добиться высоких показателей очистки. В практике флотационного разделения суспензий известно достаточно много способов насыщения жидкости пузырьками газов (воздуха). Однако для очистки сточных вод наибольший интерес представляет способ напорной флотации с образованием пузырьков газа в жидкости при снижении давления, электронный способ аэрирования сточных вод, способ подачи сжатого воздуха через фильтры (пневматический), электролитический способ.

     В последние годы для электролитической  очистки жидкостей применяют  электрофлотаторы и электрокоагуляторы. Действие электрофлотационных аппаратов основано на принципе аэрации жидкости и пузырьками газов, образующимися при электролизе воды. Высокая интенсивность метода электрофлотации обусловлена получением тонкодисперсных пузырьков электролизных газов и незначительным перемешиванием в камере электрофлотационого аппарата. За рубежом известны аппараты для одновременного проведения электрокоагуляции и электрофлотации. Известны аппараты в которых совмещены электрохимическая обработка и электрофлотация, а также аппараты, совмещающие электрохимическую обработку и напорную флотацию.

     Обезвоживание и утилизация осадков  сточных вод

     Большое разнообразие  состава и свойств  образующихся при очистке осадков  сточных вод практически исключает  создание и использование каких-либо  универсальных способов обезвоживания [5-6].

     Образующиеся  при очистке сточных вод осадки условно классифицируют на следующие  основные категории: минеральные, органические осадки и избыточный активный ил. Наиболее легко обезвоживаются минеральные осадки и гораздо труднее органические осадки и избыточный активный ил. Технологические схемы обработки и последующего обезвоживания органического осадка и избыточного активного ила включают, как правило, следующие стадии - предварительное уплотнение, обезвоживание, термическую сушку (сжигание). Перед обезвоживанием органические осадки можно сбраживать или стабилизировать, а также кондиционировать термореагентной обработкой.

     Для снижения влажности, осадки, в том  числе и избыточный активный ил, уплотняют. На стадии предварительного уплотнения активного ила наибольшее распространение получили отстаивание и флотация. Преимущества флотационного сгущения суспензии активного ила:

• простота аппаратурного оформления способа;
• незначительная продолжительность процесса;
• удовлетворительные показатели сгущения суспензии активного ила (ступень сгущения 3,0-5,0);
• не требуется предварительная реагентная обработка.

     Достаточно  широкое распространение получила напорная флотация для уплотнения избыточного активного ила. Сущность ее заключается в насыщении воды воздухом со значительным пересыщением им, что обеспечивается созданием избыточного давления в течение некоторого времени. При снижении давления до атмосферного начинают выделяться мельчайшие пузырьки воздуха, которые и флотируют содержащиеся в воде частицы примесей.

     При использовании такого метода для  обезвоживания избыточного активного  ила микробную биомассу можно  сгустить в 300 раз. Такую степень  сгущения следует считать хорошей  при достаточно простом аппаратурном оформлении процесса напорной флотации. Однако потери микробной биомассы с осветленной иловой водой при сгущении активного ила напорной флотацией в некоторых случаях сравнительно большие.

     Для уменьшения потерь микробной биомассы и повышения степени сгущения в исходную суспензию активного  ила перед флотацией иногда добавляют  реагенты, например растворы электролитов.

     Интенсификация  процесса флотации достигается также  введением ПАВ в сгущаемую суспензию активного ила. Одним из эффективных методов предварительного уплотнения активного ила является также электрофлотация. Для повышения степени извлечения биомассы активного ила следует вводить в исходную  суспензию минеральные коагулянты или синтетические флокулянты.

     Высокоэффективным методом сгущения осадков сточных  вод и избыточного активного  ила является центрефугирование³. Преимущества способа - простота, экономичность и низкая влажность сгущенного продукта; недостаток - большой унос твердой фазы с осветленной жидкостью (фугатом), что приводит к необходимости дополнительной стадии очистки фугата, например сепарированием.