До першої групи відносять речовини, що являють собою нерозчинні домішки з розміром часток 10^-5 - 10^-3 см. До цієї групи входять глинисті часточки, карбонатні породи, мул, дрібний пісок, малорозчинні гідроксиди металів, завислі часточки органічних речовин, детрит, планктон, волокна, пластмаси, каучук тощо. Системи, утворені домішками першої групи, кінетично нестійкі, для них характерна седиментація в стані спокою. Нерозчинні речовини у завислому стані підтримуються динамічними силами потоку води.

Друга група речовин поєднує гідрофільні та гідрофобні колоїдні домішки, а також високомолекулярні сполуки. Це переважно мінеральні та органо-мінеральні часточки ґрунтів, недисоційовані і нерозчинні форми гумусових речовин, що надають воді забарвлення, а також віруси та інші організми, що наближаються за розмірами до колоїдних часточок. Речовини другої групи утворюють з водою відносно стійкі колоїдні системи, руйнування яких є головним завданням під час очищення води від цих забруднювачів.

Третя група речовин охоплює розчинені у воді гази та органічні сполуки як біологічного, так і антропогенного походження. До них належать різноманітні продукти життєдіяльності та відживання плісеневих грибів, актиноміцетів, бактерій, водоростей, а також феноли, спирти, альдегіди та інші органічні речовини, які потрапляють у воду разом із стічними водами. Вони надають воді забарвлення, запахів, присмаків. Деякі домішки є токсичними. Як правило, сполуки третьої групи мають ковалентний зв'язок, їхні йоногенні групи малодисоційовані, тобто це переважно розчини неелектролітів.

До четвертої групи відносять речовини, що утворюють з водою розчини електролітів. Згідно з теорією електролітичної дисоціації, молекули сполук з йонним або сильно поляризованим зв'язком під впливом полярної структури молекул води розпадаються на йони.

Класифікація домішок води за їх фазово-дисперсним станом у воді дає змогу науково обґрунтувати технологічні прийоми обробки води на основі таких положень:

1)фазово-дисперсний стан домішок води зумовлює їх поведінку в процесі обробки води;

2)для кожного фазово-дисперсного стану домішок існує відповідна сукупність методів впливу, що дає змогу досягти необхідних якісних показників води зі зміною чи без зміни цього стану.

Принципова класифікація процесів, що використовуються для очищення стічних вод, згідно з фазово-дисперсним станом домішок, наведена в табл. 1.4.2.

Таблиця 1.4.2. Класифікація процесів вилучення домішок з води згідно з їх фазово-дисперсним станом

Гетерогенні системи	Гомогенні системи
Група
І (10-2-10-4 см)	ІІ (10-5-10-6 см)	ІІІ (10-6-10-7 см)	ІV (10-7-10-8 см)
Механічне безреагентне розділення	Діаліз, ультрафільтрування	Аерування, евапорація, десорбція газів і летких органічних сполук під час аерування	Гіперфільтру-вання
Окислення хлором, озоном та ін.	Окислення хлором та іншими окисниками	Окислення хлором, оксидом хлору (ІV), озоном, перманганатом	Переведення іо-нів у малодисо-ційовані сполуки
Адгезія на гідроксидах алюмінію, феруму, а також на зернистих і високодисперсних матеріалах	Адсорбція на гідроксидах алюмінію і феруму, а також на високодисперсних глинистих мінералах	Адсорбція на активованому вугіллі та інших сорбентах і матеріалах	Фіксація йонів на твердій фазі йонітів
Флотація суспензій і емульсій	Коагуляція колоїдних систем	Екстракція органічними розчинниками	Сепарація іонів за різного фазо-вого стану води
Агрегація флокулянтами	Агрегація високомолекулярними флокулянтами катіонного типу	Асоціація молекул	Переведення іо-нів у малороз-чинні сполуки
Бактерицидний вплив на патогенні мікроорганізми і спори	Віруліцидний вплив	Біохімічне розкладання	Вилучення іонів металів мікро-організмами
Електрофільтрування і електроутримання мікроорганізмів	Електрофорез і електродіаліз	Поляризація молекул в електричному полі	Використання рухливості іонів в електричному полі

2. Видалення зважених часток із води

Грубодисперсні завислі речовини, що містяться в стічних водах, є гетерогенною системою з двох і більшою кількістю фаз. Дисперсійним середовищем є вода або водні розчини солей, а дисперсною фазою - завислі тверді речовини або краплі іншої речовини. Неоднорідні системи, що складаються з рідини і завислих у ній твердих часточок, називають суспензією. Залежно від розмірів твердих часточок суспензії поділяють на грубі (понад 100 мкм), тонкі (0,5-100 мкм) і каламутні (0,1-0,3 мкм). Системи, що складаються з рідини і розподілених у ній крапель іншої рідини, яка не змішується з першою, називають емульсіями. За розмірів крапель менших ніж 0,4-0,5 мкм або в разі добавляння стабілізаторів емульсії стійкі і не розшаровуються тривалий час.

Вибір методу розділення суспензії зумовлюється розмірами завислих часточок, в'язкістю дисперсійного середовища і різницею густин дисперсної фази і дисперсійного середовища. Стічні води прояснюють від грубо дисперсних завислих речовин у гідро циклонах, відстоюваннями і фільтруванням, від тонко дисперсних - відстоюваннями, фільтруванням і флотацією.

2.1 Прояснення стічних вод відстоюванням

Прояснення стічних вод відстоюванням здійснюється шляхом осадження завислих часточок під дією сили гравітації. Під час відстоювання неоднорідних систем, якими є суспензії стічних вод, спостерігається поступове збільшення концентрації дисперсної фази в апараті в напрямку згори вниз (рис.1.).



Рисунок 1. Схема процесу відстоювання

В результат ті осідання завислих часточок дисперсної фази утворюється прояснений шар дисперсійного середовища (зона 1), за якою йде зона 2 вільного осідання часточок - зона згущеного шару. В міру осідання часточок концентрація їх у згущеному шарі підвищується, в результаті чого утворюється зона згущеної суспензії 3 і на дно відстійника осідає шар осаду шламу 4, який періодично або безперервно видаляється з відстійника (згущувача).

Залежно від напрямку руху води, що очищується, розрізняють горизонтальні, вертикальні і радіальні відстійники. Вміст завислих речовин у проясненій воді не повинен перевищувати 8-12 мг/дм³.

Горизонтальні відстійники являють собою прямокутні резервуари і виконуються зазвичай із залізобетону. Їх обладнують пристроями для водозабору та водорозподілу, а також для виділення осаду. Продуктивність відстійників становить 30-50 тис. м³/добу за прояснення води від коагульованих і будь-яку продуктивність - у разі видалення не коагульованих завислих часточок.

Вертикальні відстійники застосовують у реагентному методі очищення води продуктивністю 3000 м³/добу і каламутності вихідної води - не більш як 2500 мг/дм³. вони являють собою круглі або квадратні в перерізі залізобетонні резервуари з центральною циліндричною трубою і конічною або пірамідальною нижньою частиною (рис. 2.).



Рис. 2. Схема вертикального відстійника:

1 - труба для підведення пояснюваної води від змішувача; 2 - сопла; 3 - коловоротна камера для утворення пластівців; 4 - труба для відведення води з відстійника; 5 - кільцевий периферійний жолоб; 6 - корпус відстійника; 7 - зона осадження; 8 - зона накопичення і ущільнення осаду; 9 - скидна труба; 10 - гаситель

Вода із змішувачів надходить через центральну трубу і гаситель, виконаний у вигляді гратки з комірками. У відстійнику вода рухається знизу вгору зі швидкістю V_p = 0,5-0,6 мм/с, а завислі речовини осідають під дією сили гравітації.

Радіальні відстійники є різновидом горизонтальних і застосовуються для прояснення води, що містить понад 2 г/дм³ завислих речовин. Вони являють собою круглі резервуари, обладнані трубопроводами, що підводять і відводять воду, водозбірними і водорозподільними пристроями, а також обертовими фермами із скребками для видалення осаду.

2.2 Фільтрування

Фільтруванням називають процес розділення неоднорідних систем (суспензій) за допомогою пористих перегородок, які затримують одну (тверду) фазу цих систем і пропускають іншу (рідку). На практиці очищення стічних вод доводиться мати справу з розділенням суспензій на рідку фазу і вологий осад. Апарат, у якому здійснюється цей процес, називають фільтром. Фільтр у найпростішому вигляді являє собою посудину, розділену фільтрувальною перегородкою. По різні боки перегородки створюють різницю тисків, під дією якої здійснюється транспортування рідини через перегородку і затримання на ній осаду. Цей процес розділення суспензій називають фільтруванням із затриманням осаду. У випадку, якщо тверді часточки проникають у пори фільтрувальної перегородки, затримуючись у них і не утворюючи осаду, процес називають фільтруванням із закупорюванням пор.

Залежно від способу створення різниці тисків по обидва боки фільтрувальної перегородки розрізняють процеси фільтрування за сталої різниці тисків, за сталої швидкості і за змінних різниці тисків і швидкості. Слід віддавати перевагу фільтруванню з утворенням осаду, що практично виключає закупорювання пор перегородки і відповідно не призводить до збільшення її опору. Такий вид фільтрування спостерігається за достатньо високої концентрації твердої фази в суспензії (понад 1 % об'єму).

У разі фільтрування із закупорюванням пор перегородки ускладнюється її регенерація, і тому цей спосіб використовується рідко. Такий вид фільтрування називають проясненням і застосовують за концентрації твердих часточок у суспензії менш як 0,1 % об'єму. Під час фільтрування суспензій з невеликою концентрацією тонко дисперсної твердої фази часто застосовують фільтрувальні допоміжні речовини (діатоміт, азбест, перліт, целюлозу, активоване вугілля, деревне борошно), які перешкоджають проникненню твердих часточок у пори фільтрувальної перегородки.

Осади, що утворюються на фільтрувальній перегородці, бувають нестисливі і стисливі. Нестисливими називають осади, в яких пористість (відношення об'єму пор до об'єму осаду) не зменшується при збільшенні різниці тисків. До практично нестисливих належать осади неорганічних речовин з розміром часточок понад 100 мкм (пісок, карбонат кальцію тощо). Стисливими називають такі осади, пористість яких зменшується, а опір рідини зростає при збільшенні різниці тисків у процесі фільтрування. До сильно стисливих належать осади гідроксидів металів (міді, алюмінію, заліза тощо), які складаються з агрегатів, що легко деформуються.

Фільтри з зернистим шаром діляться на повільні і швидкісні, відкриті і закриті. Висота шару у відкритих фільтрах рівна 1-2 м, в закритих - 0,5-1 м. Напір води в закритих фільтрах створюється насосами.

Повільні фільтри використовуються для фільтрування не коагульованих стічних вод. Вони представляють собою бетонні і керамічні резервуари з дренажним улаштуванням, на якому розміщений зернистий шар. Швидкість фільтрування в них залежить від концентрації зважених часток. При утриманні зважених домішок в стічних водах до 25 мг/л приймають швидкість фільтрування 0,2-0,3 м/год.; при 25-50 мг/л - 0,1-0,2 м/год. Перевагою таких фільтрів є висока ступінь очистки. Недоліки: великі розміри, висока вартість і складна очистка від осаду.

Швидкісні фільтри можуть бути двох типів: одношарові і багатошарові. У одношарових фільтрів фільтруючий шар складається з однорідного матеріалу, у багатошарових - із різних матеріалів. Схема швидкісного фільтру одної із конструкцій показана на рис. 3.

Рис. 3. Швидкісний контактний фільтр(ліворуч):

1- корпус; 2 - система видалення промивних вод; 3 - система подачі стічних вод; 4 - система подачі промивних вод; 5 - пористий дренаж; 6 - фільтруючий матеріал.

Стічна вода в фільтр подається через систему 3 (в середину фільтра), проходить через фільтруючий матеріал і дренаж і видаляється із фільтру. Після забруднення фільтруючого матеріалу проводять промивку, подаючи через систему 4 промивні води, які рухаються знизу вверх. Промивна вода разом з домішками, що видаляються, відводиться через систему 2.

Дренажне улаштування виконується із пористо бетонних збірних плит. На ньому розміщується фільтруючий матеріал в 2-4 шари однакового чи різного гранулометричного складу. Загальна висота шару завантаження 1,5-2 м. Швидкість фільтрування приймається рівною 12-20 м/год.

Мікрофільтри. Процес мікрофільтрації заключається в проціджуванні стічної води через шар сіток з отворами розміром від 40 до 70 мкм. Барабанні сітки мають розмір отворів від 0,3х0,3 до 0,5х0,5 мм. Мікрофільтри (рис.4.) застосовують для очистки стічних вод від твердих і волокнистих матеріалів.

Стічна вода поступає всередину барабану і проходить через отвори в камеру. Зважені речовини затримуються на внутрішній поверхні барабану і при промиванні з промивною водою поступають в лоток. Барабан крутиться з частотою 6-20 хв^-1. швидкість фільтрації у мікрофільтрів рівна 25-45 м³/(м² ч). При концентрації зважених часток 15-20 мг/л ефективність очистки складає 50-60 %. Ефект очистки залежить від складу і властивостей стічних вод, розмірів отворів сіток і режиму роботи мікрофільтрів (гідравлічного навантаження, втрат напору, інтенсивності промивки тощо).

Магнітні фільтри застосовують для видалення із рідин дрібних феромагнітних часток (розміром 0,5-5 мкм). Вони можуть мати постійні магніти чи електромагніти. При проходженні ламінарним потоком через магнітне поле феромагнітні частки намагнічуються і створюють агломерати. Напрям потоку повинен співпадати з напрямом магнітного поля. Широке розповсюдження знайшли магнітні сепаратори, які мають ефективність очистки 80-90 % при потужності до 60 м³/год.

2.3 Прояснення води під дією центробіжних сил

Напірні гідро циклони доцільно застосовувати для попереднього відокремлення піску та інших твердих часточок розміром понад 100-150 мкм і густиною 1,2 г/см³ і більше. Суть процесу прояснення в гідроциклонах (рис. 2.3.) полягає в тому, що прояснювана вода підводиться тангенційно у верхню частину гідроциклона 3 через живильний патрубок 2. у результаті цього відбувається обертання води по колу корпусу апарата. Задана швидкість обертання забезпечується за допомогою змінних вкладок 6 живильного отвору. Прояснена вода виходить через зливний патрубок 1. відцентрові сили, що виникають, відкидають тверді часточки до стінок корпусу апарата. Потім часточки осідають по корпусу 4 униз і видаляються через насадку 5. Конструктивно гідроциклони виконують напірними і відкритими (безнапірними) діаметром від 50 до 500 мм. Гідро циклони, футеровані кам'яним литвом або шлакоситалом, мають діаметр від 150 до 2000 мм. Кут конечності становить 20⁰.

Рисунок 5. Напірний гідроциклон:

1- зливний патрубок; 2 - живильний отвір; 3 - корпус; 5 - змінна насадка для випускання осаду; 6 - змінні вкладки живильного отвору; D - діаметр циклона.

Ефективність роботи гідроциклона за однакового напору збільшується із зменшенням його діаметра. Для прояснення води від тонко дисперсних речовин застосовують гідроциклони малого діаметра. Апарат, у якому встановлено кілька гідроциклонів однакового розміру, називають мультициклоном.

2.4 Фізико-хімічні методи очищення води

До фізико-хімічних методів очистки стічних вод відносять флотацію, адсорбцію, іонний обмін, екстракцію, ректифікацію, випарювання, дистиляцію, зворотній осмос і ультрафільтрацію, кристалізацію, десорбцію тощо. Ці методи використовують для видалення із стічних вод тонкодиспергованих зважених часток (твердих і рідких), розчинних газів, мінеральних і органічних речовин.

2.4.1 Флотація

Її застосовують для видалення із стічних вод нерозчинних диспергованих домішок, які самі погано відстоюються. Флотацію застосовують для очистки стічних вод багатьох виробництв: нафтопереробних, штучного волокна, целюлозно-паперових, шкіряних, харчових, хімічних тощо. Вона використовується також для видалення активного мулу після біохімічної очистки.

Перевагами флотації є безперервність процесу, широкий діапазон застосування, невеликі капітальні і експлуатаційні витрати, проста апаратура, селективність видалення домішок, в порівнянні з відстоюванням більша швидкість процесу, а також можливість отримання шламу більш низької вологості (90-95 %), висока ступінь очистки (95-98 %), можливість рекуперації речовин, що видаляються. Флотація супроводжується аерацією стічних вод, зниженням концентрації бактерій і мікроорганізмів. Все це сприяє успішному проведенню наступних стадій очистки стічних вод.

Елементарний акт флотації заключається в наступному: при зближенні пузирчиків повітря, що підіймаються у воді, з твердою гідрофобною часткою прошарок води, що їх розділяє, при деякій критичній ширині проривається і проходить злипання пузирчика з часткою. Потім комплекс пузирчик - частка піднімається на поверхню води, де пузирчики збираються і виникає пінний шар з більш високою концентрацією часток, чим в стічній воді.

Відрізняють такі способи флотаційної обробки стічних вод: з виділенням повітря із розчинів; з механічним диспергуванням повітря; з подачею повітря через пористі матеріали, електрофлотацію і хімічну флотацію.

Флотація з виділенням повітря з розчину. Цей спосіб застосовується для очистки стічних вод, які утримують дуже дрібні частки забруднень. Суть способу заключається в створенні пересиченого розчину повітря в стічних водах. При зменшенні тиску із розчину виділяються пузирчики повітря, які флотують забруднення. В залежності від способу створення пересиченого розчину повітря у воді відрізняють вакуумну, напірну і ерліфтну флотацію.

При вакуумній флотації стічну воду попередньо насичують повітрям при атмосферному тиску в аераційній камері, а потім направляють в флотаційну камеру, де вакуум-насосом підтримується розрідження 29,9-39,9 кПа (225-300 мм рт. ст.). Дрібненькі пузирчики повітря, що виділяються в камері, виносять частину забруднень. Процес флотації триває біля 20 хв.

Перевагами цього способу є: утворення бульбашок повітря і їх злипання з часточками проходить в спокійному середовищі (вірогідність руйнування агрегатів бульбашки - частка зведена до мінімуму); затрата енергії на процес мінімальна. Недоліки: незначна ступінь насичення стоків бульбашками газу, тому цей спосіб не можна застосовувати при високій концентрації зважених часток (не більше 250-300 мг/л); необхідність споруджувати герметично закриті фільтри і розміщувати в них скребкові механізми.

Напірні установки мають більше розповсюдження, ніж вакуумні. Вони прості і надійні в експлуатації. Напірна флотація дозволяє очищувати стічні води з концентрацією часток до 4-5 г/л. Для збільшення ступеню очистки у воду добавляють коагулянти.

Напірні флотаційні установки мають потужність від 5-10 до 1000-2000 м³/год. Вони працюють при зміні параметрів в таких межах: тиск в напірній ємності 0,170,39 мПа; час перебування в напірній ємності 14 хв., а в флотаційній камері 10-20 хв. Об'єм повітря, що засмоктується, складає 1,5-5 % від об'єму води, що очищується. Значення параметрів залежить від концентрації і властивостей забруднень.

У випадку необхідності одночасного проведення процесу флотації і окислення забруднень необхідно насичувати воду повітрям, яке збагачене киснем чи озоном. Для усунення процесу окислення замість повітря на флотацію слід подавати інертні гази.

На практиці використовують флотаційні камери різних конструкцій. Схема флотаційної камери «Аерофлотор» показана на рис. 6.

Рис. 6. Флотатор «Аерофлотор»:

1 - камера; 2 - скребок; 3 - шламоприймач; 4 - поверхневі скребки.

Стічна вода подається всередину камери, де виділяються бульбашки газу, які спливають вверх, захвачуючи зважені частки. Пінний шар з твердими частками поверхневими скребками видаляється в шламоприймач. Освітлена вода видаляється із камери. Тверді частки, які осідають під дією гравітації на дно камери, згрібаються донним скребком в приймач і видаляються через трубопровід.

Ерліфтні установки. Такі установки застосовуються для очистки стічних вод в хімічній промисловості. Вони прості конструктивно, і затрати енергії на проведення процесу в них в 2-4 рази менше, ніж в напірних установках. Недолік цих установок - необхідність розміщення флотаційних камер на великій висоті. Схема ерліфтної установки показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема ерліфтної установки:

1 - ємність; 2 - трубопровід; 3 - аератор; 4 - труба ерліфта; 5 - флотатор.

Стічна вода з ємності, яка знаходиться на висоті 20-30 м, поступає в аератор. Туди ж попадає свіже повітря, яке розчиняється під підвищеним тиском. Піднімаючись по ер ліфтовому трубопроводу, рідина збагачується бульбашками повітря, яке виділяється в флотаторі. Піна з частками, що утворилася, видаляється самотоком чи скребком. Освітлена вода направляється на подальшу очистку.

Флотація з механічним диспергуванням повітря. Механічне диспергування повітря в флотаційних машинах здійснюється турбінками насосного типу - імпеллерами. Імпеллер являє собою диск з радіальними зверненими вверх лопатками. Такі установки широко використовують при збагаченні корисних копалин. Схема флотаційної машини з імпеллером показана на рис. 8.



Рис. 8. Флотатор з імпеллером:

1 - камера; 2 - труба; 3 - вал; 4 - імпеллер.

Стічна вода поступає в приймальну кишеню флотаційної машини і по трубопроводу попадає в імпеллер, який крутиться на нижньому кінці валу. Вал знаходиться в трубці, через яку засмоктується повітря, так як при крутінні імпеллера створюється зона пониженого тиску. Для флотації потрібна висока ступінь насичення води повітрям (0,1-0,5 об'ємів повітря на один об'єм води). Звичайно флотаційна машина складається з декількох послідовно з'єднаних камер. Діаметр імпеллерів 600-700 мм.

Пневматичні флотаційні установки. Ці установки застосовуються для очистки стічних вод, які утримують розчинені домішки, агресивні по відношенню до механізмів, які мають рухомі частини (насоси, імпеллери).

Флотації за допомогою пористих пластин. При пропусканні повітря через пористі керамічні пластини чи ковпачки створюються маленькі бульбашки, розмір яких рівний

R = ⁴v r²у

де R і r - радіуси бульбашок і отворів відповідно; у - коефіцієнт поверхневого натягу води.

Тиск, необхідний для подолання сил поверхневого натягу, який визначається за формулою Лапласа:

4у

ДР = ------

r

Цей метод флотації в порівнянні з іншими має такі переваги: простота конструкції флотаційної камери; менші затрати енергії (відсутні насоси, імпеллери).

Недоліки способу: часте забруднення і зарощування отворів пористого матеріалу; трудність підбору матеріалу з однаковими отворами, який забезпечує утворення дрібних і рівних за розміром бульбашок.

Рис. 9. Флотатор з пористими ковпачками:

1 - камера; 2 - пористі ковпачки; 3 - жолоб; 4 - регулятор рівня.

Для очищення невеликої кількості стічних вод застосовують флотаційні камери з пористими ковпачками (рис. 9.). Стічна вода подається зверху, а повітря у вигляді бульбашок через пористі ковпачки. Піна переливається в кільцевий жолоб і видаляється з нього. Освітлена вода відводиться через регулятор рівня. Установки можуть мати одну чи декілька ступенів. В установках з більшою потужністю повітря подається через фільтрові пластини (рис. 10.).

Рис

Ефект флотації залежить від величини отворів матеріалу, тиску повітря, витрати повітря, тривалості флотації, рівня води в флотаторі. За дослідними даними розмір отворів повинен бути від 4 до 20 мкм, тиск повітря 0,1-0,2 мПа, витрати повітря 40-70 м³/(м² год.), тривалість флотації 20-30 хв., рівень води в камері до флотації 1,5-2,0 м.

2.4.2 Адсорбція

Адсорбцію широко застосовують для глибокої очистки стічних вод від розчинених органічних речовин після біохімічної очистки, а також в локальних установках, якщо концентрація цих речовин у воді невелика і вони біологічно не розкладаються чи є сильно токсичними. Адсорбцію використовують для обеззараження стічних вод від фенолів, гербіцидів, пестицидів, ароматичних нітросполук, фарбників тощо. Перевагою методу є висока ефективність, можливість очищення стічних вод, що утримують декілька речовин, а також рекуперації цих речовин.

Адсорбційна очистка води може бути регенеративною, тобто з видаленням речовини з адсорбенту і її утилізації, і деструктивною, при якій вилучені із стічних вод речовини знищуються разом з адсорбентом. Ефективність адсорбційної очистки досягає 80-95 % і залежить від хімічної природи адсорбенту, величини адсорбційної поверхні і її доступності, від хімічної побудови речовини і її стану в розчині.

В якості сорбентів використовують активний вугіль, синтетичні сорбенти і деякі відходи виробництва (зола, шлаки, тирса тощо). Мінеральні сорбенти - глини, силікагелі, алюмогелі і гідрати окислів для адсорбції різних речовин із стічних вод використовуються мало, так як енергія взаємодії їх з молекулами води велика, деколи перевищує енергію адсорбції. Найбільш універсальними із адсорбентів є активне вугілля, які повинні володіти визначеними властивостями. Вони повинні слабо взаємодіяти з молекулами води і добре - з органічними речовинами, бути відносно крупно пористими, щоб їх поверхня була доступна для великих і складних органічних молекул. При незначному часі контакту з водою вони повинні мати високу адсорбційну ємність, високу селективність і малу утримуючу спроможність при регенерації. При дотриманні останньої умови затрати на реагенти для регенерації вугілля будуть незначними. Вугілля повинно бути міцним і не стиратися, швидко змочуватися водою, мати визначений гранулометричний склад. В процесі очистки використовують дрібнозернисті адсорбенти з частками розміром 0,25-0,5 мм і високодисперсне вугілля з частками розміром менше 40 мкм.

Крім того, вони повинні володіти незначною каталітичною активністю по відношенню до реакцій окислення, конденсації тощо, так як деякі органічні речовини, що містяться в стічних водах, спроможні окислятися і осмолитися. Ці процеси прискорюються каталізаторами. Речовини, що осмолилися, забивають пори адсорбенту, що погіршує його низькотемпературну регенерацію. Нарешті, вони повинні мати низьку вартість, не зменшувати адсорбційну ємність після регенерації і забезпечувати велику кількість циклів роботи.

Процес адсорбційної очистки стічної води ведуть при інтенсивному перемішуванні адсорбенту з водою, при фільтруванні води через шар адсорбенту. При змішуванні адсорбенту з водою використовують активне вугілля з розміром частин 0,1 мм і менше. Процес проводять в одну чи декілька ступенів. Статична одноступенева адсорбція знайшла застосування в тих випадках, коли адсорбент дуже дешевий чи є відходом виробництва. Більш ефективно (при меншій витраті адсорбенту) процес проходить при використанні багатоступеневої установки. При цьому в першу ступень вводять стільки адсорбенту, скільки необхідно для зниження концентрації забруднень, потім адсорбент відділяють відстоюванням чи фільтруванням, а стічну воду направляють у другу ступінь, куди вводиться свіжий адсорбент. Після закінчення процесу адсорбції у другій ступені концентрація забруднень у воді зменшується і т.д. Схема такої установки показана на рис. 11.



Рисунок 11. Схема адсорбційної установки з послідовним введенням адсорбенту:

1 - змішувач; 2 - відстійники.

Важливою стадією процесу адсорбційної очистки є регенерація активного вугілля. Адсорбовані речовини із вугілля видаляються десорбцією насиченою чи перегрітою водяною парою чи нагрітим інертним газом. Температура перегрітої пари при цьому (при тиску 0,3-0,6 МН/м²) рівна 200-300⁰С, а інертних газів 120-140⁰С. Витрати пари при відгоні легко летючих речовин рівні 2,5-3 кг на 1 кг речовини, що відганяється, для високо киплячих - в 5-10 разів більше. Після десорбції пара конденсується і речовина видаляється з конденсату.

2.4.3 Іонообмінне очищення

Воно застосовується для видалення із стічних вод металів (цинку, міді, хрому, нікелю, свинцю, ртуті, кадмію, ванадію, марганцю тощо), а також сполук миш'яку, фосфору, ціанистих сполук і радіоактивних речовин. Метод дозволяє рекуперувати цінні речовини при високій ступені очистки води. Іонний обмін широко розповсюджений при обезболюванні в процесі водопідготовки.

Іонний обмін являє собою процес взаємодії розчину з твердою фазою, яка володіє властивостями обмінювати іони. Речовини, що складають цю тверду фазу, носять назву іоніт. Вони практично нерозчинні у воді. Ті із них, що здатні поглинати із розчинів електролітів позитивні іони, називаються катіонітами, від'ємні іони - аніонітами. Перші володіють кислотними властивостями, другі - лужними. Якщо іоніти обмінюють і катіони, і аніони, їх називають амфотерними. Процеси іонообмінного очищення стічних вод проводять на установках періодичної і безперервної дії. Схема установки періодичної дії показана на рис. 12.

Рис. 12. Схема іонообмінної установки періодичної дії:

1 - колона; 2 - решітка; 3 - шар іоніту; 4-6 - розподільники; 7 - бак з регенеруючим розчином; 8 - насос.

Стічна вода поступає всередину апарату, проходить шар іоніту і виходить через розподільник 6. Потім подається промивна вода і після цього регенеруючий розчин. Таким чином, цикл роботи апарату складається з таких стадій:

1) іонообмін;

2) відмивання іоніту від механічних домішок;

3) регенерація іоніту;

4) відмивання іоніту від регенеруючого розчину.

Недоліки установок періодичної дії: великі об'єми апаратів, значна витрата реагентів, велике одноразове завантаження сорбенту, складність автоматизації процесу.

Безперервний іонообмін дає можливість зменшити затрати смоли, реагентів для регенерації, промивної води, а також застосовувати більш компактне обладнання в порівнянні з періодичним іонообміном. Колони безперервної дії можуть працювати як з рухомим шаром смоли, так і з киплячим шаром. Схема колони з рухомим шаром смоли показана на рис. 13.

Стічна вода подається знизу, а смола зверху. Колона має порівняно невелику питому потужність - 1-5 м³/(м² год.). Малоефективна через сильне перемішування фаз і нерівномірне розподілення смоли по перетину колони.

Для підвищення ефективності використовується колона з псевдозрідженим шаром чи пульсацією. Колона з тарілками провального типу (рис. 14) має питому потужність 30-45 м³/(м² год.). Тарілки з лопатками розміщені під кутом 30⁰. Лопатки двох сусідніх тарілок направлені в різні сторони. Це забезпечує спіральний проти точний рух сорбенту і розчину.

Рис. 13. Колона з рухомим шаром смоли:

1 - корпус; 2 - роздільна зона; 3 - смола; 4 - ерліфт.

Рис. 14. Колона з тарілками «провального типу»:

1 - корпус; 2 - роздільна зона; 3 - тарілка; 4 - ерліфт.

Сорбент подається через конічну трубу. При подачі повітря смола в робочому об'ємі апарату рухається назустріч розчину і видаляється зверху, стовп смоли в трубі діє, як зворотній клапан. Можна проводити процес регенерації при малій різниці щільностей розчину і сорбенту.

2.4.4 Екстрагування

Рідинне екстрагування застосовується для очистки стічних вод, які утримують феноли, масла, органічні кислоти, іони металів тощо. Доцільність використання екстрагування для очистки стічних вод визначається концентрацією органічних домішок в них. Екстрагування може бути економічно вигідним процесом, якщо вартість речовин, що видаляються, компенсує усі затрати на його проведення. Для кожної речовини існує концентраційна межа рентабельності вилучення його із стічних вод. В загальному випадку для більшості речовин можна вважати, що при концентрації вище 3-4 г/л їх доцільніше вилучати екстрагуванням, ніж адсорбцією. При концентрації менше 1 г/л екстрагування слід застосовувати лише в особливих випадках.

Очистка стічних вод екстрагуванням складається з трьох стадій. Перша стадія - інтенсивне змішування стічних вод з екстрагентом (органічним розчинником). В умовах розвиненої поверхні контакту між рідинами утворюються дві рідкі фази. Одна фаза - екстракт містить речовину, яку вилучають, і екстрагент, друга - рафінат - стічну воду і екстрагент. Друга стадія - розділення екстракту і рафінату; третя стадія - регенерація екстрагента із екстракту і рафінату. Щоб знизити вміст розчинених домішок до концентрацій, нижче гранично допустимих, необхідно правильно вибрати екстрагент і швидкість його подачі в стічну воду. При виборі розчинника слід враховувати його селективність, фізико-хімічні властивості, вартість і способи регенерації. Для очистки стічних вод найчастіше застосовують процеси проти точної багатоступеневої екстракції і безперервного проточного екстрагування.

Рис. 16. Схема багатоступеневого проточного екстрагування:

1-3 - змішувачі; 1¹-3¹ - відстійники.

Схема багатоступеневої установки для екстрагування являє собою батарею змішувачів і відстійників (рис. 16.). Кожна ступінь складається із змішувача води з екстрагентом і відстійника. Свіжий екстрагент і стічна вода поступають з протилежного боку. В першій ступені стічна вода з невеликим утриманням домішок перемішується зі свіжим екстрагентом, а в останній ступені вихідна стічна вода змішується з екстрагентом, який уже містить значну кількість речовини, що видаляється. Такий рух потоків сприяє створенню великої рухомої сили процесу екстрагування і ефективної очистки стічних вод.

Рис. 17. Схема безперервного протитокового екстрагування з регенерацією екстрагенту із екстракту і рафінату:

1 - система для видалення екстрагенту з рафінату; 2 - колона; 3 - система для видалення екстрагенту екстракту.

Схема безперервного екстрагування в протитоковій колоні з регенерацією екстрагенту показана на рис. 17. Екстрагування виконується в апаратах різної конструкції: розпилювальних, насадочних, тарілчастих колонах, а також в центробіжних екстракторах.

2.4.5 Зворотній осмос і ультрафільтрація

Зворотнім осмосом і ультрафільтрацією називають процеси фільтрування розчинів через напівпроникні мембрани під тиском, що перевершує осмотичний тиск. Мембрани пропускають молекули розчинника, затримуючи розчинені речовини. При зворотному осмосі відділяються частки (молекули, гідратовані іони), розмір яких не перевищує розміри молекул розчинника. При ультрафільтрації розмір окремих часток на порядок більше, але максимальні їх розміри не перевищують 0,5 мкм.

Таким чином, від звичайної фільтрації такі процеси відрізняються відокремленням часток менших за розміром. Тиск, необхідний для проведення процесу зворотного осмосу (6-10 мПа), значно більше, ніж для процесу ультрафільтрації (0,1-0,5 мПа).

Зворотній осмос широко використовується для обезсолювання води в системах водопідготовки ТЕЦ і підприємств різних галузей промисловості (напівпровідників, кінескопів, медикаментів тощо); в останні роки застосовується для очистки деяких промислових і міських стічних вод.

Перевагами методу є:

відсутність фазових переходів при відокремленні домішок, що дозволяє вести процес при невеликих витратах енергії;

можливість проведення процесу при кімнатних температурах без застосування чи з невеликими добавками хімічних реагентів;

простота конструкцій апаратури.

Недоліки методу:

виникнення явища концентраційної поляризації, яке заключається в рості концентрації розчиненої речовини біля поверхні мембрани. Це приводить до зменшення потужності, ступені розділення і строку служби мембран;

проведення процесу при підвищеному тиску, що визиває необхідність спеціальних ущільнювачів апаратури.

Ефективність процесу залежить від властивостей мембран. Вони повинні володіти такими перевагами: високою розділяючою спроможністю (селективністю), великою питомою потужністю (проникністю), стійкістю до дії середовища, незмінністю характеристик в процесі експлуатації, достатньою механічною міцністю, низькою вартістю.

Конструкція апаратів для проведення процесів зворотного осмосу і ультрафільтрації повинна забезпечувати велику поверхню мембран в одиниці об'єму, простоту складання і монтажу, механічну міцність і герметичність. За способом укладки мембран апарати діляться на чотири основні типи:

1) типу фільтрпрес з плоско паралельними фільтруючими улаштуваннями;

2) з трубчатими фільтруючими елементами;

3) з рулонними чи спіральними елементами;

4) з мембранами у вигляді пустотілих волокон.

Рис. 18. Апарат типу «фільтрпрес»:

1 - пористі пластини; 2 - мембрани.

Рис. 19. Елемент трубчатих фільтруючих апаратів:

1 - трубка; 2 - підкладка; 3 - мембрана

Схема багатокамерного апарату типу фільтрпрес показана на рис. 18. В цих апаратах мембрани укладені з обох боків плоских пористих дренажних пластин, які розміщені на відстані 0,5-5,0 мм один від одного. Фільтруючі елементи зажаті між двома фланцями, стягнутими болтами. Стічна вода послідовно проходить через усі елементи, концентрується і видаляється з апарату. Фільтр, що пройшов через мембрани, виходить через дренажні шари. Апарати мають не високу потужність, так як сумарна площа мембран міняється в межах 60-300 м² на 1 м³ об'єму.

Основною перевагою апаратів з трубчатими елементами є велика швидкість води (0,9-12 м/с), що зводить до мінімуму концентраційну поляризацію і забруднення поверхні мембран. Потужність апаратів при тиску 3,0-4,0 мПа рівна 400-1000 л/(м² год.). Схема такого апарату представлена на рис. 19. В якості фільтруючих елементів використовують пористі труби (металеві, керамічні, пластмасові) діаметром 6-30 мм, на внутрішню чи зовнішню поверхню яких наноситься дрібнопориста підкладка, а на неї напівпроникна мембрана.

Недолік апаратів: більш складна заміна мембран, ніж в апаратах типу фільтрпрес, висока вартість нестандартних трубок, наявність застійних зон, неефективність роботи в ламінарному режимі, підвищені витрати стічної води і, як результат, витрати електроенергії на подачу його в елементи.

2.4.6 Десорбція летких домішок. Методи дезодорації

Багато стічних вод забруднено летючими неорганічними і органічними домішками, сірководнем, двооксидом сірки, сірковуглецем, аміаком, двооксидом вуглецю тощо.

При пропуску повітря чи іншого інертного малорозчинного у воді газу (азот, двооксид вуглецю, пічні димові гази тощо) через стічну воду летючий компонент дифундує в газову фазу. Десорбція обумовлена більш високим парціальним тиском газу над розчином, ніж в навколишньому повітрі.

Процес десорбції речовин із стічних вод інертними газами може бути проведеним в тарілчастих, насадних і розпилювальних колонах. Найбільш інтенсивно для тарілчастих колон він протікає в пінному режимі, а для насадних - в режимі емульгування. Для проведення процесу можуть бути використані колони з ковпачковими, ситчатими, клапанними, провальними та іншими тарілками.

При невеликих кількостях речовини, що відділяється, і невеликій його вартості, а також при умові трудного вилучення його із газової фази проводять каталітичне окислення. В цьому випадку з парами речовини, що видаляється, після колони при температурі 280-350⁰С пропускають через шар каталізатора (піролюзит, окис хрому тощо). Більшість органічних сполук в цьому випадку окислюється до СО₂ і Н₂О.

В деяких стічних водах містяться меркаптани, аміни, аміак, сірководень, альдегіди, скатол, вуглеводень, які придають їм дурний запах. Для очистки таких стічних вод можна використати різні способи: аерацію, хлорування, ректифікацію, дистиляцію, обробку димовими газами, окислення киснем під тиском, озонування, екстракцію, адсорбцію і мікробіологічне окислення. При виборі методу необхідно враховувати його ефективність і економічну доцільність.

Найбільш ефективним вважається метод аерації, який заключається в продуванні повітря через стічну воду. Процес проводять в апаратах різної конструкції. На схемі, приведеній на рис. 20, видалення дурнопахнучих речовин проводиться в тарілчастій колоні каскадного типу. Стічна вода розтікається у вигляді плівок по тарілках, на яких проходить її контакт з повітрям. Потім повітря з виділеними речовинами поступає в насадну колону, яка зрошується розчином лугу.

Рис. 20. Схема установки для дезодорації:

1 - тарілчаста колона; 2 - насадна колона.

Для очистки на 85-90 % необхідно мати питому витрату 12-15 м ³ на 1 м³ стічної води, число тарілок - не менше 10, щільність зрошення - 20-80 м³/(м² год.), концентрація лугу - не менше 40 г/л Н₂О. Недолік методу заключається в тому, що деякі забруднення не видаляються методом аерації і залишаються в стічній воді.