Реферат: Борисов Игорь Анатольевич Методы очистки сточных вод

Борисов Игорь Анатольевич


Методы очистки сточных вод.


2008

1.Введение

Водная оболочка земного шара — океаны, моря, реки, озера — называется гидросферой. Она покрывает 70,8% земной поверхно­сти. Ученые подсчитали, что 97.5% всех запасов воды на планете Земля приходится на соленые воды морей и океанов. Иными словами, пресная вода составляет только 2.5% мировых запасов.
Если учесть, что 75% пресной воды "заморожено" в горных ледниках и полярных шапках, еще 24% находится под землей в виде грунтовых вод, а еще 0.5% "рассредоточено" в почве в виде влаги, то получается, что на наиболее доступные и дешевые источники воды — реки, озера и прочие наземные водоемы приходится чуть больше 0.01% мировых запасов воды.

Сама по себе вода не имеет питательной ценности, но она является непременной составной частью всего живого. В растениях содержится до 90% воды, в теле же взрослого человека ее 60-65%, но это "усреднено" от общей массы тела. Если же говорить более детально, то кости — это всего 22% воды, однако мозг — это уже 75%, мускулы — тоже 75% воды (в них находится около половины всей воды тела), кровь состоит из воды на 92 %.

Первостепенная роль воды в жизни всех живых существ, и человека в том числе, связана с тем, что она является универсальным растворителем огромного количества химических веществ. Т.е. фактически является той средой, в которой и протекают все процессы жизнедеятельности.

Вот лишь небольшой и далеко не полный перечень "обязанностей" воды в нашем организме.
Вода:
— Регулирует температуру тела.
— Увлажняет воздух при дыхании.
— Обеспечивает доставку питательных веществ и кислорода ко всем клеткам тела.
— Защищает и буферизирует жизненно важные органы.
— Помогает преобразовывать пищу в энергию.
— Помогает питательным веществам усваиваться органами.
— Выводит шлаки и отходы процессов жизнедеятельности.
Определенное и постоянное содержание воды — вот необходимое условие существования живого организма. При изменении количества потребляемой воды и ее солевого состава нарушаются процессы пищеварения и усвоения пищи, кроветворения и пр. Без воды невозможна регуляция теплообмена организма с окружающей средой и поддержание температуры тела.

Человек чрезвычайно остро ощущает изменение содержания воды в своем организме и может прожить без нее всего несколько суток. При потере воды в количестве менее 2% веса тела (1-1.5л) появляется чувство жажды, при утрате 6-8% наступает полуобморочное состояние, при 10% — галлюцинации, нарушение глотания. Потеря 10-20% воды опасна для жизни. Животные погибают при потере 20-25% воды.

Принимая во внимание то значение, которое вода имеет для жизнедеятельности человека и всего живого на Земле, приведенные цифры наглядно подтверждают сакраментальный тезис о том, что вода — одно из самых драгоценных сокровищ нашей планеты. Академик А. Е Ферсман с полным основанием назвал воду «самым важным минералом на Земле, без которого нет жизни».

Интенсивное развитие промышленности, транспорта, перенаселение ряда регионов планеты привели к значитель­ному загрязнению гидросферы. По данным ВОЗ, около 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетво­рительным качеством питьевой воды и нарушениями сани­тарно-гигиенических норм водоснабжения. Загрязнение по­верхности водоемов пленками масла, жиров, смазочных ма­териалов препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает насыщенность воды кислородом и оказывает отрицательное влияние на состояние фитопланктона и яв­ляется причиной массовой гибели рыбы и птиц.

По данным ООН, в мире выпускается до 1 млн. наименований продукции, из которых 100 тыс. являются химически­ми соединениями, в том числе 15 тыс. — потенциальными токсикантами. По экспертным оценкам, до 80% всех хими­ческих соединений, поступающих во внешнюю среду, рано или поздно попадает в водоисточники. Этим объясняется пристальное внимание, уделяемое во всем мире природным водам, их режиму, балансу, качеству, изменениям под влиянием антропогенной деятельности.

По­требление воды удваивается каждые 10—12 лет. Одновременно увеличивается загрязненность вод, т е. происходит их качествен­ное ухудшение. Подсчитано, что ежегодно в мире сбрасывается более 420 км3 сточных вод, которые в состоянии сделать непригод­ной к употреблению около 7 тыс. км3 чистой воды, что в 1,5 раза больше всего речного стока стран СНГ.

Огромное количество загрязняющих веществ вносится в поверхностные воды со сточными водами предприятий чер­ной и цветной металлургии, химической, нефтехимической, нефтяной, газовой, угольной, лесной, целлюлозно-бумажной промышленности, предприятий сельского и коммунального хозяйства, а также поверхностным стоком с прилегающих территорий. Значительное количество биогенных и органических веществ попадает в воду с сельскохозяйственных угодий, пастбищ и животноводческих ферм.

Ежегодный забор воды в РФ из водных источни­ков для использования составляет 75 млрд. м3. Во многих водных объектах Российской Федерации кон­центрации загрязняющих веществ превышают ПДК, уста­новленные санитарными и рыбоохранными правилами.

Результаты анализа проб, взятых в поверхностных водах, приведены в таблице №1.1.


Таблица № 1.1. Характеристика состояния водных объектов в Российской Федерации.


Загрязнители

Доля проб воды, загрязненных ПДК, %выше

Масса сброшенных загрязняющих продуктов, тыс.т

Нефтепродукты

40—45

30, 3

Органические вещества

30—35

-

Взвешенные вещества

-

1203

Фенолы

45—60

0, 3

Анионактивные детергенты

6—8

11

Аммонийный азот

25—40

190, 7

Соединения:







меди

70—75

0, 8

цинка

30—35

2, 1

железа

-

49, 2



За последние десятилетия во всем мире отмечается ин­тенсивный рост техногенного химического загрязнения во­доемов, используемых населением. Развитие химической промышленности, химизация сельского хозяйства, широкое использование новых препаратов в быту и на производстве резко обострили вопрос о предупреждении попадания повы­шенных концентраций этих веществ в организм человека с водой.

Основным источником химического загрязнения водоемов являются промышленные предприятия, и в первую очередь химические производства, предприятия нефтеперерабатываю­щей и нефтехимической промышленности, производства но­вых синтетических материалов, ядохимикатов, моющих средств, заводы по термической обработке твердого и жидкого топлива. Их сбросы неочищенных или плохо очищенных стоков могут представлять значительную угрозу для здоровья населения.

Загрязнению подвергаются не только поверхностные, но и подземные воды. Уже выявлено множество очагов загряз­нения подземных вод, 75% из которых приходится на наибо­лее заселенную часть России. В целом состояние подземных вод оценивается как критическое и имеет опасную тенден­цию дальнейшего ухудшения.

Подземные воды страдают от загрязнений нефтяными про­мыслами, предприятиями горнодобывающей промышленнос­ти, отходов полей фильтрации, шлаконакопителей и отвалов металлургических заводов, хранилищ химических отходов и удобрений, свалок, животноводческих комплексов, канали­зационных стоков населенных пунктов.

Из загрязняющих подземные воды веществ преобладают: нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы (медь, цинк, свинец, кадмий, никель, ртуть), сульфаты, хлориды, соединения азота. Для 30% выявленных участков загрязнения подземных вод интенсивность загрязнения изменяется в пределах 10—100 ПДК, для 12% — превышает 100 ПДК по тому или иному веществу.

Таким образом, основными источниками загрязнения гидросферы являются:

промышленные сточные воды;

хозяйственно-бытовые сточные воды;

дренажные воды с орошаемых земель;

организованный и неорганизованный сток с территорий населенных пунктов и промышленных площадок;

сельскохозяйственные поля и крупные животноводчес­кие комплексы;

водный транспорт.


На рис. 1.1. отражена динамика сброса загрязненных сточ­ных вод в поверхностные водоемы, а также указана доля отраслей промышленности Российской Федерации.





Рис. 1.1. Отрасли промышленности Российской Федерации

и их доля в сбросе загрязненных сточных вод(%).


Исторически сложившееся размещение производственных комплексов в районах жилой застройки населенных мест не является оптимальным. Системы водоснабжения и водоотведения в таких агломерациях также являются совместными для жилой и промышленной зоны. Сточные воды от промпредприятий, содержащие специфические загрязнения, а также дождевые и талые воды с территорий промплощадок могут сбрасываться в систему водоотведения населенного пункта и подвергаться биологической очистке совместно с городскими сточными водами после прохождения локальных очистных сооружений. На крупных предприяти­ях, как правило, имеется собственная система водного хо­зяйства с полным технологическим циклом от забора воды до ее очистки, обезвреживания и утилизации твердой фазы.

Правительством Российской Федерации 31 декабря 1995 года принято Постановление № 1310 «О взимании платы за сброс сточных вод и загрязняющих веществ в системы канализации населенных пунктов». В пункте 1 указанного нормативного акта Правительства РФ постановлено:

«Установить, что органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации определяют порядок взимания платы за сброс сточных вод и загрязняющих веществ в системы канализации населенных пунктов с предприятий и организаций, отводящих сточные воды и загрязняющие вещества в системы канализации населенных пунктов, предусматривая меры экономического воздействия за ущерб, наносимый системам канализации и окружающей среде, в том числе за превышение нормативов сброса сточных вод и загрязняющих веществ».

Постановление Правительства от 31 декабря 1995 № 1310 издано в целях экологической безопасности населения и прекращения загрязнения бассейнов рек и озер и направлено на стимулирование деятельности промышленных предприятий в части строительства локальных очистных сооружений. Постановление Правительства РФ принято в соответствии и в развитие Водного Кодекса РФ, Законов РФ «Об охране окружающей природной среды, «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения», «О плате за пользование водными объектами» и других законодательных и нормативных актов, разработанных в сфере водопользования, призванных обеспечить рост экономического, социального и экологического благополучия населения, существование животного и растительного мира.


В условиях рыночной экономики, когда стоимость стано­вится реальной и весомой, предприятию экономически выгоднее вести водное хозяй­ство по минимуму потребления свежей воды, сброса сточных вод с максимальным повторным (оборотным) водоснабжением и утилизацией вторичных ресурсов, т. е. по пути экологизации водного хозяйства.

В связи с выше изложенным выбор технологических решений по очистке сточных вод приобретает первостепенное значение.


2. Обзор способов и разработок очистки сточных вод.


^ 2.1. РЕАГЕНТНЫЙ МЕТОД.

Наиболее распространенный метод, заключающийся в переводе растворимых веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их в виде осадков [1].

В качестве реагентов используют гидроксиды кальция и
натрия, сульфиды натрия, феррохромовый шлак, сульфат железа(II), пирит. Наиболее широко для осаждения металлов используется гидроксид кальция, который осаждает ионы металла в виде гидроксидов:
Me n+ + nOH - = Me(OH)n

Наиболее эффективным для извлечения цветных металлов
является сульфид натрия, т.к. растворимость сульфидов тяжелых металлов значительно ниже растворимости других труднорастворимых соединений - гидроксидов и карбонатов.

Процесс извлечения металлов сульфидом натрия выглядит так:
Me 2+ + S 2- =MeS
Me 3+ + S 2- =Me2S3

Сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые коллоидные системы, и поэтому для ускорения процесса их осаждения вводят коагулянты и флокулянты. Так как коллоидные частицы сульфидов имеют отрицательный заряд, то в качестве коагулянтов используют электролиты с многозарядными катионами - обычно сульфаты алюминия или трехвалентного железа, также их смеси. Соли железа имеют ряд преимуществ перед солями алюминия:

а) лучшее действие при низких температурах;

б) более широкая область оптимальных значений рН среды;

в) большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев;

г) возможность использовать для вод с более широким диапазоном солевого состава.

При использовании смесей Al2(SO4)3 и FeCI3 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном применении реагентов. Кроме вышеназванных коагулянтов, могут быть использованы различные глины, алюминий содержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси и шлаки, содержащие диоксид кремния.

Для ускорения процесса коагуляции используют флокулянты, в основном полиакриламид. Добавка его в количестве 0.01% от массы сухого вещества увеличивает скорость выпадения осадков гидроксидов металлов в 2 - 3 раза. Метод реализован на большинстве предприятий в виде станций нейтрализации.

Достоинства метода
1) Широкий интервал начальных концентраций ИТМ.
2) Универсальность.
3) Простота эксплуатации.
4) Отсутствует необходимость в разделении промывных вод
и концентратов.

Недостатки метода
1) Не обеспечивается ПДК для рыбохозяйственных водоемов.
2) Громоздкость оборудования.
3) Значительный расход реагентов.
4) Дополнительное загрязнение сточных вод.
5) Невозможность возврата в оборотный цикл очищенной
воды из-за повышенного солесодержания.
6) Затрудненность извлечения из шлама тяжелых металлов
для утилизации.
7) Потребность в значительных площадях для шламоотвалов.


В США предложен способ получения неопасных осадков сточных вод, содержащих тяжелые металлы. Способ заключается в осаждении тяжелых металлов фосфорной кислотой или ее солью. Преимущество этого способа заключается в том, что фосфаты значительно менее растворимы, чем гидроксиды и сульфаты тех же металлов. Кроме того, фосфаты не амфотерны.

Процесс осаждения металлов включает следующие стадии:
1) добавление фосфорной кислоты или ее кислой соли к водному раствору из расчета моль фосфата на моль тяжелого металла;
2) понижение рН до 3 добавлением серной кислоты;
3) добавление коагулянта FeCl3 в концентрации 0.75-1.5 г/л;
4) увеличение рН раствора до 8.5 добавлением гидроксида кальция и получение осадка, включающего скоагулированные фосфаты металлов;
5) обезвоживание осадка.

Полученный осадок мало выщелачивается. Если водный раствор содержит цианид-ионы, то их окисляют до ступени 1 добавлением гипохлорита натрия и гидроксида натрия. Cr (VI) в сточных водах восстанавливают в Cr (III) метабисульфитом натрия между 2-й и 4-й ступенью. В качестве флокулянта используют ионный полимер [2].

Также в США предложен способ удаления ионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод добавлением 1-2 %-ной водной суспензии FeS2 .В результате обменной реакции в осадок выделяются тяжелые металлы в форме сульфидов. Еще один способ удаления ионов тяжелых металлов из сточных вод, также разработанный в США, предполагает осаждать их в виде сульфида тритиокарбонатом щелочного или щелочноземельного металла (Na2CS). Предпочтение отдается тритиокарбонатам Na, K, Ca; рН раствора устанавливают в интервале 6 – 9. Для полноты осаждения тритиокарбонат добавляют в небольшом избытке по отношению к содержанию тяжелых металлов в сточных водах. Часто требуется предварительная обработка сточных вод окислителем или восстановителем, например, восстановление хрома (VI) в хром (III) гидразином или метабисульфитом натрия. Осажденные сульфиды тяжелых металлов легко отделяются от воды. Из полученных осадков известными способами получают металлы, которые повторно используют в производстве.

В ФРГ для удаления тяжелых металлов из сточных вод предлагается метод осаждения с гипсом при рН 7-9 ксантогенатов этих металлов, являющихся центрами кристаллизации. Очищенная сточная вода поступает на биологические очистные сооружения, остаточная концентрация ксантогенатов безопасна в гигиеническом и токсикологическом отношении [2].

Способ, предложенный в Уфимском институте (Россия), включает обработку сточных вод железным купоросом и серосодержащим реагентом с последующим отделением образующегося осадка. С целью повышения скорости процесса при сохранении высокой степени очистки, в качестве серосодержащего реагента используют отработанный сульфидированный едкий натр – отход сероочистки нефтепродуктов и сжиженных газов едким натром – реагент ОСЕН [2].

Для локальной обработки сточных вод от тяжелых металлов (Cu, Ni, Pb, Mn, Co, Fe, Zn, Cr 6+ и т.п.) перед сбросом в канализационную сеть предложено использовать хелатообразующий реагент с дитиоаминогруппами. Последний получают путем смешения одинаковых количеств органических диаминосоединений и CS2 при пониженной температуре в течение нескольких часов с последующей нейтрализацией щелочным раствором и удалением непрореагировавшего CS2 . Полученный раствор разбавляют до требуемой концентрации и добавляют к сточным водам. Образующийся после интенсивного перемешивания в течение 20 – 120 мин осадок хелатов вышеупомянутых металлов удаляют седиментацией или фильтрацией.


^ 2.2. БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД.

В последнее время у нас в стране и за рубежом увеличились масштабы проводимых исследований по разработке технологии выделения тяжелых цветных металлов из сточных вод гальванопроизводств биохимическим методом сульфатовосстанавливающими бактериями (СВБ). Однако достигнутое при этом снижение концентраций ионов тяжелых металлов, в частности таких, как хром, составило только 100 мг/л, что нельзя признать оптимальным, исходя из реальных концентраций ионов шестивалентного хрома (200 - 300 мг/л). В мировой практике было исследовано влияние высоких концентраций ионов тяжелых металлов на эффективность их извлечения биохимическим методом. Так, скорость изменения концентрации шестивалентного хрома определяли в стеклянных реакторах, строго выдерживая анаэробные условия протекания процесса. Для развития сульфатовосстанавливающих бактерий в реакторы вводили питательную среду Постгейта . Кроме того, отдельные серии опытов проводили на пилотной установке непрерывного действия, состоящей из биотенка проточного типа и отстойника.

В Уфимском нефтяном институте разработан комплексный метод биохимического извлечения хрома. Сущность его заключается в использовании специализированных бактериальных культур, отличающихся высокой стойкостью к отравляющему действию хрома. Хромсодержащие сточные воды подают в соответствующие емкости-накопители, затем - в биотенк, где смешиваются с бактериальными культурами. Из биотенка очищенные воды отводятся в отстойник, после чего направляются в фильтры для доочистки. Очищенная вода поступает на повторное использование. Хромсодержащие осадки, образующиеся в биотенках, отстойниках и фильтрах, подаются в шламонакопитель, обезвоживаются на вакуум-фильтрах и используются в качестве добавок при производстве строительных материалов.

Достоинствами этого метода являются высокая эффективность и простота технологического оформления процесса [1].

Германскими учеными был предложен способ выделения хрома
путем сорбции на биомассе активного ила или других сорбентах растительного происхождения, отличающийся тем, что биомассу предварительно обрабатывают растворами кислот, щелочей, солей или органическими растворителями. При этом значительно увеличиваются сорбционные свойства биомассы и возрастает скорость десорбции хрома из растворов выщелачивания [3].

Всероссийским НИИ межотраслевой информации для извлечения хрома (VI) были использованы микроорганизмы Pseudomonas dechromaticons Rom, способные восстанавливать хром (VI) в процессе своей жизнедеятельности до хрома (III), который выпадает в осадок в виде Cr(OH)3 вместе с осуществившими этот процесс микроорганизмами. Осадок после соответствующей подготовки может быть использован на металлургических комбинатах в качестве легирующей добавки или для получения оксида хрома и краски [2].

Отделом химической технологии Национальной лаборатории Oak Ridge (штат Теннеси) был предложен биологический способ выделения хрома, где в качестве сорбента используют шарики размером с булавочную головку, полученные из морских водорослей, которые содержат около 1 млн микроорганизмов каждый. Извлечение проводится по принципу кипящего слоя в колоннах. После насыщения сорбент отфильтровывают, сушат и сжигают, получая концентрат сорбируемых примесей [3].

В Днепропетровском университете предложен способ очистки сточных вод от тяжелых металлов биофильтраторами - личинками бесхвостых амфибий в емкостях или естественных прудах при плотности посадки личинок в сточных водах 500-1000 экз/м3[1].

В США предложен способ неполной биологической очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов и сульфат-ионы с восстановлением их до нерастворимых в воде соединений. Способ состоит в пропускании сточных вод (периодически или непрерывно) через пористую матрицу с микрофлорой, включающую виды Desulfovibrio и Desulfotomaculum.

Бактерии этих видов в анаэробных условиях преобразуют сульфат-ионы в сероводород. Сероводород образует с ионами тяжелых металлов нерастворимые соединения, которые оседают на матрице и могут быть удалены. Процесс следует проводить при рН от 6 до 11 (предпочтительно в диапазоне от 7до 10), при температуре от 0 до 600 (предпочтительно в диапазоне от 12 до 350) и скорости течения сточных вод 820 л/сут на 1 м2 поверхности матрицы (предпочтительно диапазон от 86 до 270 л/(сут*м2)).

Английскими учеными проведено исследование по изучению поведения тяжелых металлов в кратковременных экспериментах очистки сточных вод в гидропонической системе с гравиевым основанием. Были проведены исследования удаления кадмия, хрома, никеля, меди и цинка из предварительно очищенных сточных вод. Определено, что степень удаления этих металлов зависит от времени экспозиции, от 6 до 8 часов, моделируя перелив или залповую нагрузку. Измерялись концентрации металлов в осадке, а также в листьях, стеблях и корнях. Большая эффективность удаления наблюдалась для хрома, меди, никеля и цинка (до 70% после 6 – 8 часов). Из смеси всех 5 металлов хром удалялся более, чем на 95%.Применяемая гидропоническая система имела 12 м длины. Добавление тяжелых металлов к сточным водам приводило к отчетливому ослаблению культуры только на первых 2 – 3 метрах. Растения, растущие дальше были здоровыми и хорошо развивались [3].


^ 2.3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ.

В настоящее время электрохимические методы выделения тяжелых цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства находят все более широкое применение.

К ним относятся процессы анодного окисления и катодного восстановления, электрокоагуляции, электрофлокуляции и электродиализа [2]. Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через раствор постоянного электрического тока.

Проведенные исследования по очистке сточных вод гальванического производства в условиях электрохимической неравновесности установили, что восстановительные процессы в сточных водах протекают при взаимодействии сольватированных электронов с гидратированными и связанными в комплексные соединения ионами металлов. Показано, что содержание Zn,Cu,Cd,Mo,Co в сточных водах после обработки в условиях электрохимической неравномерности не превышает, а в ряде случаев значительно ниже ПДК [1].


2.3.1. Метод электрокоагуляции.

Метод наиболее пригоден для выделения хрома. Сущность метода заключается в восстановлении Cr(VI) до Cr(III) в процессе электролиза с использованием растворимых стальных электродов. При прохождении растворов через межэлектродное пространство происходит электролиз воды, поляризация частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы, взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.

Суть протекающих при этом процессов заключается в следующем: при протекании постоянного электрического тока через хромсодержащие растворы гальваношламов, анод подвергается электролитическому растворению с образованием ионов Fe, которые, с одной стороны, являются эффективными восстановителями для ионов хрома (VI), с другой - коагулянтами:

Cr2O7 2- + 6Fe 2+ = 6Fe 3+ + 2Cr 3+
На катоде выделяется газообразный водород, что ведет к
выщелачиванию раствора и созданию таким образом условий для выделения гидроксидов примесных металлов, также происходит процесс электрохимического восстановления по реакциям:

2H + +2e = H2

Cr2O7 2- + 14H + = 2Cr 3+ + 7H2O

Находящиеся в растворе ионы Fe 3+, Fe 2+ ,Cr 3+ гидратируют с
образованием гидроксидов Fe(OH)3 ,Fe(OH)2 ,Cr(OH)3. Образующиеся гидроксиды железа являются хорошими коллекторами для осаждения гидроксидов примесных металлов и адсорбентами для других металлов.

Электрокоагуляторы внедрены на ряде предприятий. Разработчики: электрокоагуляционная установка (ЦНТИ, Петропавловск-Камчатский); установка “Лоста” (НИЦ “Потенциал”, Ровно); напорный электрокоагулятор “Эко” (трест “Цветводоочистка”, Екатеринбург); электрокоагулятор (НИИ “Стрела”, Тула); электрокоагулятор (ЦНИИСТ, Севастополь),ОАО “Диод” (Владимир) и др.
Электрокоагуляционная установка на ОАО “Диод” состоит из трехсекционной гальванической ванны, выпрямителя ВАКР-1600-12У4 и промежуточной емкости с двумя насосами для откачки обезвреженных стоков на отстойник. По мере пропускания постоянного тока через сточные воды в электролизной ванне в железными электродами происходит анодное растворение электродов, образующиеся при этом ионы 2-х валентного железа восстанавливают ионы хрома шестивалентного до трехвалентного. Одновременно происходит гидролиз ионов железа и вторичных соединений с образованием нерастворимых гидроксидов Fe(OH)2, Fe(OH)3 ,Cr(OH)3 и др. Процесс является неперерывным, под напряжением 12В и плотности тока 0.5 – 1 А/дм2.

Фильтрация сточной воды производится на нутч-фильтре.

Достоинства метода

1) Очистка до требований ПДК от соединений Cr (VI).
2) Высокая производительность.
3) Простота эксплуатации.
4) Малые занимаемые площади.
5) Малая чувствительность к изменениям параметров
процесса.
6) Получение шлама с хорошими структурно-механическими
свойствами


Недостатки метода

1) Не достигается ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.
2) Значительный расход электроэнергии.
3) Значительный расход металлических растворимых анодов.
4) Пассивация анодов.
5) Невозможность извлечения из шлама тяжелых металлов из-за высокого содержания железа.
6) Невозможность возврата воды в оборотный цикл из-за повышенного солесодержания.
7) Потребность в значительных площадях для шламоотвалов.
8) Необходимость предварительного разбавления стоков до суммарной концентрации ионов тяжелых металлов 100 мг/л.


2.3.2. Метод электрофлотации.

Методы электрофлотации, разработанные сравнительно недавно, позволяют очищенную сточную воду вернуть в производство и рекуперировать ценные компоненты. В этом процессе очистка сточных вод от взвешенных частиц происходит при помощи пузырьков газа, образующихся при электролизе воды и использовании растворимых электродов. На аноде возникают пузырьки кислорода, на катоде - водород. Поднимаясь в сточной воде, пузырьки флотируют взвешенные частицы.
Метод обеспечивает очистку сточных вод гальванопроизводства от ионов тяжелых металлов до ПДК, также очищает от жиров и масел. Проводятся эксперименты по извлечению ионов тяжелых металлов из сточных вод гальванопроизводства при помощи нерастворимых анодов. Метод внедрен на ряде предприятий.
Разработчики и изготовители: РХТУ им. Менделеева, ОАО “Импульс” (Москва) [1].


На рис. 2.1. изображена технологическая схема глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов до ПДК электрофлотационным методом [1].



Рис. 2.1. Технологическая схема глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов до ПДК электрофлотационным методом.





Рис. 2.2. Электрофлотационный модуль глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов.


На рис. 2.2. изображен электрофлотационный модуль глубокой очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов. Предназначен для глубокой очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов с последующим сбросом очищенной воды в систему канализации или возвратом на повторное использование.

Работа модуля основана на электрохимических процессах выделения водорода и кислорода за счёт электролиза воды и флотационного эффекта.

Электрофлотационный модуль состоит из электрофлотатора с нерастворимыми электродами, системы сбора флотошлама, источника постоянного тока, вспомогательных ёмкостей для реагента, сточной и очищенной воды, насосов. Модуль работает в непрерывном режиме и обеспечивает извлечение катионов тяжёлых металлов Cu2+, Ni2+, Zn2+, Cd2+, Cr3+, Al3+, Pb2+, Fe2+, Fe3+ Ca2+, Mg2+ и др. в виде гидрооксифосфатов в любом соотношении катионов в присутствии различных анионов.

Модуль применим к очистке как локальных сточных вод, так и сточных вод смешанного состава.


Достоинства метода
1) Очистка до требований ПДК.
2) Незначительный расход реагентов.
3) Простота эксплуатации.
4) Малые площади, занимаемые оборудованием.
5) Возможность возврата ИТМ до 96%.
6) Возможность очистки от жиров, масел и взвешенных частиц.
7) Высокая сочетаемость с другими методами.
8) Отсутствие вторичного загрязнения.


Недостатки метода

1) Незначительное (до 30%) снижение общего солесодержания очищаемых стоков.
2) Аноды из дефицитного материала.
3) Необходимость разбавления концентрированных вод.
4) Большой расход электроэнергии, ее дороговизна.


2.3.3. Метод электролиза.

В процессах электрохимическое окисление протекает на положительном электроде - аноде, которому ионы отдают электроны. Вещества, находящиеся в сточных водах, полностью распадаются с образованием более простых и нетоксичных веществ, которые можно удалять другими методами. В качестве анодов используют различные электрически нерастворимые вещества: графит, магнетит, диоксиды свинца, марганца и рутения, которые наносят на титановую основу. Катоды изготавливают из молибдена, сплава железа с вольфрамом, сплава вольфрама с никелем, из графита, нержавеющей стали и других металлов, покрытых молибденом, вольфрамом или их сплавами. Метод используется на многих предприятиях.

Применению электролиза до последнего времени препятствовала низкая производительность аппаратов с плоскими электродами. Перспективы решения этой проблемы открылись с разработкой и внедрением в практику достаточно простых и надежных электролизеров с проточными объемно-пористыми волокнистыми электродами. Они позволяют ускорить процесс извлечения металлов более чем в 100 раз за счет высокой удельной поверхности и повышенного коэффициента массопередачи (до 0.05 – 0.1 м3/с). Применяются и другие типы аппаратов с развитой электродной поверхностью, например псевдоожиженного типа, разрабатываемые в Киеве и Санкт-Петербурге.

Работы в этом направлении также требуют дальнейшего развития: поиск путей увеличения доступной электролизу внутренней поверхности электродов; оптимизация стадии регенерации осажденного металла и анодных процессов; разработка более компактных, дешевых и экономичных электролизеров, а также стойких и дешевых анодных материалов.


Разработаны электролизеры типа Э-ЭУК, Е-91А, ЭПУ (ВПТИЭМП), модуль - МОПВ (НИТИАП, Нижний Новгород), регенераторы (ЦМИ “Контакт”, Пермь).
В США разработана конструкция электролизера для извлечения тяжелых металлов, в котором однородный поток мельчайших пузырьков воздуха, направленный перпендикулярно поверхности катода, разрушает примыкающий к катоду диффузный слой электролита. Это резко улучшает массообмен в электролите и повышает выход по току. Также в США широко используется электролизер, оборудованный биполярными электродами из углеродистой стали. Расход электроэнергии составляет 10 кВт на 1 кг тяжелых металлов. При содержании тяжелых металлов более 50 мг/л электрохимическая обработка осуществляется в несколько стадий. Концентрация вредных примесей тяжелых металлов после очистки не превышает по каждому из них 0.05 мг/л [3].

В Днепропетровском химико-технологическом институте предложено сточные воды обрабатывать в электролизере с растворимым анодом из пористого титана в присутствии замещенного амида иминосульфиновой кислоты формулы C6H5S(=NSO2C6H5)NHSO2C6H5.

Размеры пор пористого титана 20 – 300 мкм, общая пористость 20 – 40 % [1].


Достоинства метода
1) Отсутствие шлама.
2) Незначительный расход реагентов.
3) Простота эксплуатации.
4) Малые площади, занимаемые оборудованием.
5) Возможность извлечения металлов из концентрированных
стоков.


Недостатки метода
1) Не обеспечивает достижение ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.
2) Аноды из дефицитного материала.
3) Неэкономичность очистки разбавленных стоков

Существуют также электролитические методы, к которым относится метод гальванокоагуляции.

2.3.4. Метод гальванокоагуляции.

Гальванокоагуляционный метод используется в основном для очистки хромсодержащих стоков от ионов шестивалентного хрома. В обоих методах растворяют железо и образовавшиеся ионы двухвалентного железа восстанавливают шестивалентный хром (Cr6+) до трёхвалентного (Cr3+) с последующим образованием гидроксида хрома. В гальванокоагуляционном методе железо растворяется гальванохимически за счёт разности потенциалов, возникающей при контактировании железа с коксом или медью [2].

Метод внедрен на ряде предприятий. Разработчики: “Гипроцветметобработка”, “Казмеханобр”. Изготовители: Востокмашзавод (Усть-Каменогорск), Бердичевский машиностроительный завод и др.

На предприятии “Казмеханобр” испытан гальванокоагуляционный аппарат типа КБ-1 производительностью 50-100 м3 /сут для очистки сточных вод.


Достоинства метода

1) Очистка до требований ПДК от соединений Cr(VI).
2) В качестве реагента используются отходы железа.
3) Малая энергоемкость.
4) Низкие эксплуатационные затраты.
5) Значительное снижение концентрации сульфат-ионов.
6) Высокая скорость процесса.


Недостатки метода

1) Не достигается ПДК при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.
2) Высокая трудоемкость при смене загрузки.
3) Необходимость больших избытков реагента (железа).
4) Большие количества осадка и сложность его
обезвоживания.


^ 2.4.МЕМБРАННЫЕ МЕТОДЫ.

Методы мембранного разделения, используемые в технологии выделения цветных металлов из сточных вод гальванопроизводства, условно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение через мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффективности и технологичности выделения цветных металлов достигнуты при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа [1].


2.4.1. Метод обратного осмоса.

Обратным осмосом и ультрафильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые мембраны под давлением, превышающем осмотическое давление. Мембраны пропускают молекулы растворителя, задерживая растворенные вещества. При обратном осмосе выделяются частицы (молекулы, гидратированные ионы), размеры которых не превышают размеров молекул растворителя.

При ультрафильтрации размер отдельных частиц на порядок больше.
От обычной фильтрации такие процессы отличаются отделением ча