Эффективный способ очистки воды от тяжелых металлов. Методы очистки воды от примесей и микробов. Методы очистки питьевой воды в зависимости от типа загрязнения

Вода - жизнь, не стоит спорить с данным утверждением. Человек состоит на 90% из воды, поэтому она является одним из важных ключей здорового образа жизни. Ценить и беречь воду необходимо, но также следует знать, что вода является средой обитания для многих других организмов, которые могут быть опасны для человека. В природе не существует идеально чистой воды, в любом состоянии в ней кишат микробы, бактерии, другие живые существа. Помимо этого, вода содержит тяжелые металлы, соли, илистые соединения, песок. Использовать неочищенную воду в быту смерти подобно, хотя многие придерживаются иной точки зрения. Употребление неочищенной воды может привести к ухудшению здоровья, вывести из строя бытовую технику, а также убить инженерные системы дома. Поэтому сегодня все больше уделяется внимание к современным методам очистки воды, которые позволяют утверждать с точностью на 95%, что вода не содержит вредных веществ. Рассмотрим современные и классические методы очистки воды от микроорганизмов.

Озонирование воды

Метод очистки, пользуется большой популярностью в странах Старого Света и Северной Америки. Принцип очистки основан на технологии насыщения воды азотом. Молекулы азота проникают в клеточную мембрану микроорганизмов, вызывают окисление, убивают их наповал. Помимо того, технология позволяет избавить воду от неприятного запаха, улучшить вкусовые качества. Стоимость технологии невысока, поэтому данный метод очистки воды от микроорганизмов интересует многих специалистов России и стран СНГ.

Обработка ультрафиолетом

Метод водоочистки путем действенного применения ультрафиолета считается самым безопасным. Принцип технологии предполагает использование ультрафиолетовых лучей для последующей обработки воды. Коротко говоря, жидкость проходит через ультрафиолетовую мембрану, она действует губительно на микроорганизмы, находящиеся в воде. Преимущества данного метода:

• безопасность и экологически чистый принцип;
• использование недорогого оборудования;
• химический состав и вкусовые качества воды остаются неизменными;
• мобильность установки, компактность;
• процесс водоочистки занимает минимум времени.

Отметим, что использование метода обработки воды ультрафиолетом в домашних условиях практически невозможно, поэтому еще чаще применяют на заводах и предприятиях.

Обратный осмос

Очистка воды от микроорганизмов методом была разработана в ХХ веке. Первоначально ее применяли для опреснения морской воды, но результат был настолько ошеломляющим, что сегодня практически все используют данный метод очистки воды. В настоящее время большинство водоочистных установок домашнего пользования применяют данную технологию. Принцип работы прост: жидкость проходит через полупроницаемую мембрану, которая пропускает только молекулы воды. Микроорганизмы, соли, ржавчина, иные загрязнения застревают в фильтрующем элементе. Некоторые ученые предполагают, что технология также очищает воду от полезных для человека веществ. Спорить с утверждением не стоит, это так, но если не брать во внимание данный факт, обратный осмос является самым эффективным способом очистки воды от микроорганизмов.

Йодирование воды

Данная технология используется при наличии большого объема воды. Чаще ее применяют в бассейнах, общественных водоемах. Йодирование - один из быстрых способов очистки. Метод активно применяют в полевых условиях, на озерах, родниках. Сегодня компании производители предлагают специальные таблетки йода, которые необходимо поместить в емкость с водой, дождаться полного растворения, безбоязненно употреблять воду в пищу.

Очистка серебром

Один из древнейших способов очистки воды основан на использовании серебряной посуды. В древности воду хранили в серебряных сосудах, использовали различные серебряные предметы: ложки, монеты, украшения. Принцип очистки основан на реакции ионов серебра и оболочки бактерий, последние из которых погибают. Но часто использовать данный метод нельзя, серебро является тяжелым металлом, поэтому вода, наполняясь частицами вещества, попадает в организм человека, где может вызвать расстройство и ухудшение здоровья. Поэтому длительное употребление очищенной воды от микроорганизмов таким способом не рекомендуется.

Методы очистки воды и то, насколько эффективно они работают, напрямую зависят от правильного определения типов конкретных загрязнений. Для того чтобы узнать больше о видах посторонних веществ и их концентрации, проводят анализы, бактериологические и химические.

Практически во всех случаях обнаруживается присутствие сразу нескольких видов загрязнений, после чего применяют комплекс из разных методов очистки воды , ряд последовательных фильтров. Какие фильтры лучше использовать и в каких случаях – об этом мы расскажем в данной статье.

• Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением

Загрязнения и методы очистки воды

Вода – основа всего живого. Без нее нет возможности выжить ни человеку как отдельной единице, ни человечеству в общем. Ведь нам мало просто поддержания жизнедеятельности организма, человечество применяет пресную воду в больших объемах, для того чтобы содержать сельское хозяйство и обеспечивать различные бытовые нужды. Водой покрыто свыше 70 % поверхности нашей планеты. На нее приходится примерно 1/4400 веса всей Земли, однако пресной воды всего лишь 3 % от всего объема. И приблизительно 70 % всей пресной воды сейчас находится в ледниковых запасах, а это серьезно усложняет ее применение. Поэтому использование разнообразных методов очистки воды – необходимая мера, к которой прибегает человечество.

Безусловно, тот объем пресных вод, который доступен сейчас, просто громаден и может казаться фактически неисчерпаемым. Однако уже сейчас в мире существуют серьезные проблемы, связанные с нехваткой питьевой воды, и на то имеются следующие причины:

• Во-первых, при росте численности населения Земли стремительно развиваются водопотребляющие промышленные и хозяйственные отрасли, а значит, увеличивается расход пресной воды.
• Во-вторых, запасы, которые имеются сегодня, постепенно уменьшаются из-за всевозможных видов загрязнений, которые связаны с фактором человеческой активности.

Когда мы говорим о физическом формате загрязнений, подразумевается, что в водоемы попадают нерастворимые или долгорастворимые виды примеси – песок, глина и всевозможный мусор. О тепловом загрязнении обычно говорят тогда, когда имеется определенная тепловая энергия, которая негативно влияет на окружающую среду. Дополнительный подогрев водоема может привести к серьезным изменениям протекающих там биологических процессов, а это, в свою очередь, повлечь за собой массовую гибель рыб и прочих водных жителей. Либо, наоборот, может начаться бурный рост простейших, что способно серьезно затруднить весь дальнейший процесс очистки воды. Тем не менее, важно отметить, что тепловой тип загрязнения может иметь и положительное влияние, поэтому значение словосочетания «тепловое загрязнение» очень относительно, а его влияние на окружающую среду изучается и оценивается отдельно для каждой конкретной ситуации.

Масса всевозможных загрязнителей породила не менее разнообразные методы очистки воды. Их разделим на несколько групп, опираясь на принципы работы. Итак, самая обобщенная форма классификации методов очистки воды от примесей:

• физический метод;
• химический;
• физико-химический;
• биологический.

Все эти группы включают много вариаций функционирования процесса и его аппаратного оформления. Кроме того, важно учесть, что методы очистки воды, как правило, применяются комплексно и требуют определенных комбинаций, чтобы достичь максимально эффективного результата. Комплексную задачу очистки обуславливает характер загрязнений. Как правило, ненужным компонентом является ряд разных веществ, которые требуют и разных манипуляций. Те системы, которые основаны на каком-то определенном методе очистки воды, встречаются тогда, когда загрязнение имеется от одного либо нескольких веществ, отделить которые можно, применив один способ. Например, так часто чистят сточную воду производства, где численность и состав загрязнителей изначально известны и неразнородны.

• Метод озонирования воды для коммунального водоснабжения: специфика

Какие методы очистки сточных вод применимы в том или ином случае

Имеется специальная система учета, куда вносят данные, перед этим берут неоднократные пробы на анализы той воды, что относится к сточной. Санитарные нормы фиксируют допустимые нормы и концентрации (ПДК СанПин 4630-88 «Допустимые нормативы загрязняющей сточной воды»), эти же правила регулируют ХПК и БПК.

Сегодняшние методы очистки сточных вод дают возможность подводить их состав к разрешенной норме. Чаще всего для этого применяют специальные технологии, которые разработаны для переработки определенных веществ, содержащихся в жидких отходах.

Методы очистки сточных вод зависят от типов этих вод. По существующим в ГОСТе нормативам можно классифицировать сточные воды на:

• Бытовые . Такие отходы очень опасны, так как в них содержится органика, которая является прекрасной питательной средой для всевозможных патогенных бактерий. По этой причине все хозяйственные сточные воды, которые содержат органические загрязнения, обязательно дезинфицируются.
• Отходы производств . Это отходы, сбрасываемые заводами либо другими объектами, в которых технологии производственного процесса предполагают использовать воду.
• Дождевые, или природные. Они образуются из атмосферных осадков. Эта вода тоже относится к стоковой, так как отведение происходит посредством ливневых канализаций.

Чтобы перерабатывать стоковую воду, которая относится к бытовому типу, применяют комплексные сооружения. К их составным элементам относят:

• Отстойники , где расслаиваются взвешенные частицы. Те, у которых больший удельный вес, выпадают осадком, а те элементы, которые легче жидкости, поднимаются к поверхностным слоям.
• Песколовки . Работают как фильтры, собирающие различные виды примесей, которые невозможно растворить. Речь идет о песке, битом стекле, шлаках и пр.
• Решетки . Они улавливают мусор крупного размера, такой как ветошь, полиэтиленовые пакеты, трава и ветки деревьев и т. п.

В бытовой очистке воды часто используют септики, которые по сути являются мини-отстойниками. Чтобы улучшить их результативность, практикуется использование специальных биопрепаратов – антисептиков. Эти препараты имеют в составе всевозможные типы микроорганизмов, которые способствуют разложению органики, выпадшей в осадок.

• Неучтенные расходы и потери воды: методика определения и борьбы

Для очищения отстойника от ила применяют насос. Достаточно применять этот метод очистки воды раз в несколько лет.

Аэротенк немного отличается от отстойника по принципу работы, что наглядно показывает схема ниже:

Применяемые обозначения:

• А - аэротенк;
• B - отстойник для смеси, которая обогащена кислородом для чистки ила и канализации;
• c - патрубок, подающий бытовые стоки (при подключении канализации);
• d - поступает смесь ила и стоковых вод;
• е - сюда отводится очищенная жидкость;
• f - патрубок, откачивающий излишки ила;
• g - возврат ила.

Суть работы:

• стоки поступления «с» примешиваются к активному илу в аэротенке «А»;
• получившаяся смесь интенсивно аэрируется, после чего происходит процесс биологического окисления, затем органика быстро разлагается;
• вода с илом, обогащенная кислородом, «d», подаются к резервуару «B»;
• вода после очистки «е» по мере наполнения откачивается;
• необходимый объем ила поступает обратно по отводам «g», а его излишки одновременно выводятся по патрубку «f».

Описанный метод очистки сточных вод считается достаточно эффективным, если все правильно рассчитать и соблюсти тонкости технологического процесса.

Аэротенками вода очищается от органики, при этом из нее удаляется фтор, азот и их соединения. Единственным недостатком данного метода очистки воды является критичное содержание в стоках соединений, губительных для микроорганизмов.

Высохший ил после аэротенка, а также осадок после септика являются прекрасным удобрением для бытовой сточной воды.

Для того чтобы переработать производственные сточные отходы, применяют сооружения, по принципу работы аналогичные отстойникам, к примеру, нефтеловушки , которые устанавливаются на НПЗ. Основное различие в этих методах очистки сточной воды в способе удаления загрязнений.

Флотатор - это сооружение, которое дает увеличить скорость процесса выделения легких фракций из стоковых вод. Для этого отстойник-резервуар подвергают процедуре аэрации.

Взвешенные вещества, которые содержатся в стоках, можно выводить с помощью гидроциклона . В принципе его функционирования применение центробежной силы, которая возникает в процессе быстрого движения воды в цилиндрическом корпусе.

Для того чтобы убрать мелкодисперсные взвешенные вещества, применяют фильтрующие установки, где фильтром может послужить крупный песок, тканая либо сетчатая материя.

Важно еще сказать про такой метод очистки воды, как обеззараживание - это обработка сточной воды перед ее сбросом. Такую процедуру производят в резервуарах, которые идентичны отстойникам. Чтобы обработать бытовые стоки, применяют хлор или хлористый известняк.

Теперь мы рассмотрим основные методы очистки воды более подробно.

• Удаление растворенных газов при обработке подземных вод

Основные физические методы очистки воды

Физические способы очистки воды - это те, в основе которых лежат манипуляции, используемые для физического воздействия либо на воду, либо на загрязнения, которые содержатся в ней. Для очистки большой водной массы такие способы применяются в основном, для того чтобы удалять сравнительно крупные твердые включения. Такой метод физической очистки воды большого объема становится предварительной стадией грубой очистки, которая призвана понизить нагрузку на дальнейшие этапы уже более тонкой очистки. При этом есть масса физических методов очистки воды, которые способны глубоко очистить воду, но производительность их в основном очень невысокая.

Основными физическими методами очистки воды считаются:

• процедура процеживания;
• отстаивания;
• фильтрования (включая центробежное);
• процесс ультрафиолетовой обработки.

Процеживание - это методика пропускания воды, которую нужно очистить, сквозь решетки и различные типы сита, на которых задерживаются крупные загрязнители. Такую методику можно отнести к грубому виду очистки, что нередко становится предварительной стадией. Этот этап метода физической очистки воды применяется для удаления легко отделяемых загрязнителей, что позволяет понизить нагрузку на очистные сооружения и способствует росту работоспособности и продлению срока службы тех установок, которые функционируют на последующей стадии тонкой очистки. Происходит это за счет того, что установки, в которых попадают крупные механические элементы, нередко выходят из строя, и процеживание исключает эту неприятность.

Отстаивать воду - значит отделять часть механического мусора из водной массы благодаря действию силы гравитации, которая тянет более тяжелые частицы на дно, из-за чего образуется осадок. Данный этап физического метода очистки воды также нередко выступает в стадии подготовки, где отделяют более крупные виды загрязнений, а может выступать в качестве промежуточной стадии. Процедура происходит в специальных отстойниках - эти резервуары снабжены специальными устройствами, где продолжительность нахождения воды можно рассчитать исходя из условий полноценного осаждения ненужных частиц.

Фильтрование. Так называется пропускание водной массы сквозь фильтрующий материал, пористый слой которого задерживает частицы определенного диаметра. Принцип фильтрации схож с процедурой процеживания, только здесь можно провести и грубую, и тонкую очистку. Фильтры позволяют убирать иловые загрязнения, песок, окалину и всевозможные твердые включения диаметром буквально в пару микрон. Кроме этого, с помощью данного метода очистки воды возможно повысить ее органолептические свойства. Фильтрование широко распространено, причем и в масштабных водоочистительных установках, и в бытовых повседневных фильтрах с невысокой производительностью.

Ультрафиолетовая дезинфекция является по сути не методом очистки воды, а способом подготовки, когда уже очищенную воду обрабатывают ультрафиолетовыми лучами (для этого используют диапазон световых волн длиной от 200 до 400 нм). Обеззараживание происходит из-за повреждения молекулярной структуры ДНК и РНК из-за фотохимических реакций. Данный способ хорош тем, что процесс абсолютно не зависит от состава воды и после УФ-обработки остается прежним. При этом необходимо принимать во внимание присутствие в воде примесей твердого типа, которые могут оказывать эффект защитного экрана от лучей.

Химические методы очистки воды

Данные методы очистки воды базируются на химической реакции реагента с загрязнителем, и в итоге нежелательные вещества разлагаются на неопасные элементы или выпадают в виде нерастворимого отделяемого осадка и распадаются на неопасные компоненты.

Можно выделить несколько способов очистки, которые кардинально отличаются по типу химической реакции:

• нейтрализация;
• окисление;
• восстановление.

Нейтрализация - процесс, в результате которого выравнивается кислотно-щелочной баланс. Она происходит благодаря взаимодействию щелочей и кислот, после чего образуются соответствующие соли и вода. Такой химический метод очистки воды проводят, смешивая очищаемую воду с щелочной и кислотной средой. Также нейтрализуют загрязнения в воде, когда добавляют реагенты, которые создают среду с определенной реакцией. Для того чтобы кислые стоки были нейтрализованы, чаще всего подходит применение аммиачной воды (NH 4 OH), гидроксида натрия и калия (NaOH и KOH), кальцинированной соды (Na 2 CO 3), известкового молока (Ca(OH) 2) и т. п. При чрезмерном защелачивании стоков используются разные растворы кислот, а еще кислые газы, которые содержат оксиды: CO 2 , SO 2 , NO 2 и т. д. При этом, как правило, используют отходящие газы, которые пропускают через защелоченную воду, и в то же время осуществляется очищение самих газовых соединений от твердых частиц.

Окисление и восстановление применяются, чтобы очистить воду от всевозможных типов загрязняющих веществ, но практическое соотношение в их использовании значительно смещается в пользу окислительных процессов. Благодаря им обезвреживаются различные токсичные вещества и те, что трудно извлечь другим способом. Окислительной реакции можно добиться, переводя токсичные загрязнители в менее токсичные либо вовсе не токсичные формы. Кроме того, из-за применения сильных окислителей погибают микроорганизмы благодаря окислению структуры их клеток. Чаще всего применяются хлорсодержащие окислители. Это хлор в газовой форме (CL 2) и разнообразные его соединения типа диоксида хлора (CLO 2), гипохлоридов калия, натрия и кальция (KCLO; NaCLO; Ca(CLO) 2). Также целесообразно использование для этого метода очистки воды перекиси водорода (H 2 O 2), перманганата калия (KMnO 4), озона (O 3), кислорода воздуха (O 2), дихромата калия (K 2 Cr 2 O 7) и пр.

Процедура обработки воды хлорсодержащими соединениями называется хлорированием. Данный метод обеззараживания и очистки воды хорошо отработан и используется довольно часто. Хлорирование действует пролонгировано в своих антибактерицидных эффектах, и это особенно важно, когда водоснабжение происходит при изношенных трубопроводах, в которых нередко случается вторичное загрязнение водных масс. Помимо этого, реагенты, которыми хлорируют воду, относительно дешевые. Но у хлорирования имеется и ряд существенных недостатков, и они побуждают к поиску альтернативы. Во-первых, хлор является ядовитым. Во-вторых, случается, что побочные соединения, которые образуются при хлорировании, могут быть также очень токсичными. Необходимо тщательное соблюдение условий дозирования при очистке методом хлорирования.

Сейчас распространяется метод обработки воды озоном, так называемое озонирование, у которого эффективность в разы выше, чем у хлорирования, и после не образуется опасных соединений. Единственное, что препятствует повсеместному распространению методу озонирования - это экономические, а также технические трудности с его получением в большом количестве. Кроме этого, озон взрывоопасен, и требуются строгие правила безопасности в зоне работы очистных сооружений.

• Качество воды, поступающей потребителям в МКД, и направления решения возникающих проблем

Физико-химические методы очистки воды

Физико-химические методы очистки воды применяют, для того чтобы удалять самые разные вещества. Здесь можно говорить о растворенных газах, тонкодисперсных жидких или твердых частицах, ионах тяжелых металлов и различных веществах в растворенном виде. Такие способы применяют при предварительной очистке, а также на последующих этапах уже при более глубокой.

Подобные методы очень разнообразны, и мы расскажем про те, что наиболее часто используются:

• метод флотации;
• сорбции;
• экстракции;
• ионообмена;
• электродиализа;
• обратного осмоса;
• термические методы.

Флотация , если говорить про нее в рамках очистки воды, то это отделение гидрофобных частиц благодаря пропусканию через воду большого количества газовых пузырьков, как правило, воздуха. Во время этого метода очистки воды загрязненные частицы прикрепляются к пузырьковой поверхности, после чего с ними поднимаются и преобразуются в пену, которую легко удалить. Когда отделившаяся частичка получается большего размера, чем пузырьки, то это ведет к образованию флотокомплекса. Часто флотация комбинируется с применением химических реагентов, которые, например, сорбируются на частицах загрязнителя, что приводит к снижению его способности к смачиванию и является своего рода коагулянтами, приводящими к увеличению отделяемых частиц. Флотация в основном используется, чтобы очистить воду от нефтепродуктов и масел, а еще таким способом можно удалять твердые формы примесей, которые другими методами не отделяются.

Есть разные виды данного процесса. Итак, существуют следующие типы флотации:

• пенная;
• напорная;
• механическая:
• пневматическая;
• электрическая;
• химическая.

Расскажем про принципы функционирования данных методов очистки воды. Часто применяется способ пневматической флотации, где образуется восходящий поток пузырьков благодаря установке на дне резервуара специальных аэраторов, которые представлены в виде перфорированных труб или пластин. Воздух, который подается под давлением, проходит через перфорационные отверстия, благодаря чему дробится на пузырьки, осуществляющие флотацию. Когда применяют напорную флотацию, то поток воды, которую требуется очистить, смешивают с другим потоком воды, перенасыщенным газом и находящимся под давлением. Затем все вместе подается в резервуар для флотации, и из-за резкого падения давления газ, который растворен в воде, выделяется в маленьких пузырьках и поднимается на поверхность. Когда речь идет об электрической флотации, то пузырьки возникают на поверхности под воздействием электрического тока, электроды располагаются в самой воде.

• АСКУВ: о пользе системы автоматизированного учета воды

Сорбция основана на поглощении определенных ненужных элементов на поверхности сорбента (адсорбция) либо в его объеме (абсорбция). Применительно для очистки воды используют адсорбцию, которая может быть как физической, так и химической. Отличаются эти виды адсорбции тем, как именно удерживается загрязнитель: при помощи силы взаимодействия молекул (физическая адсорбция) либо же образования химических связей (это так называемая хемосорбция, иначе говоря, химическая адсорбция). Методы очистки воды такого рода могут быть очень эффективными и убирать мельчайшие концентрации загрязнителя при большом расходе, и это дает им право приоритета в качестве способов завершения очистки. Сорбцией удаляются пестициды, гербициды, всевозможные фенолы, ПАВ и пр.

Адсорбентами являются, к примеру, активированный уголь, силикагель, алюмогель и цеолиты. Структура таких веществ становится пористой, и это сильно увеличивает объем и площадь адсорбента, который приходится на единицу его объема, благодаря чему процесс становится высокоэффективным. Такой современный метод очистки воды возможно осуществить, смешивая очищаемую воду и адсорбент либо фильтруя воду через адсорбент. В зависимости от того, какой материал применяется в качестве сорбента, и от того, какой тип загрязнения нужно убрать, очищение будет либо регенеративным (адсорбент после регенерирующих действий применяют снова), либо деструктивным (адсорбент невозможно регенерировать, поэтому он подлежит утилизации).

Способ экстракции сводится к применению экстрагентов. Если рассматривать термин применительно к методу очистки воды, то эктсрагентом называют не смешиваемую либо плохо смешиваемую жидкость с водой, однако хорошо растворяющую находящиеся в воде загрязнители. Происходит это так: очищаемую воду и экстрагент перемешивают, чтобы развить большую поверхность фаз контакта, затем растворенные загрязняющие вещества перераспределяются, и основная их часть переходит в экстрагент. Он насыщен загрязнителями и теперь именуется экстрактом, в то время как очищенную воду называют рафинатом. После очистки экстрагент либо утилизируют, либо регенерируют, что зависит от условий данного процесса. Таким физико-химическим методом очистки воды удаляются в основном соединения органики - фенолы и кислоты. Когда вещество, которое экстрадируется, имеет какую-то ценность, то по завершении процесса его могут не утилизировать, а использовать в других целях. Это способствует тому, чтобы применять экстракционный способ очистки вод на предприятиях, извлекать и в дальнейшем использовать, либо же вернуть в производство ряд тех веществ, что теряется в стоковых водах.

Ионный обмен чаще всего применяется в процессе водоподготовки, для того чтобы смягчить воду, то есть изъять жесткие соли. Суть процесса в том, что происходит обмен ионами воды с особым материалом, который называют ионитом. Их подразделяют на катиониты и аниониты, что соответствует типу тех ионов, которые вступают в обмен. В химической науке ионитом называют вещество с большим количеством молекул, в составе которого - каркас (матрица) с высоким числом функциональных групп, способных к ионному обмену. Встречаются природные иониты, например, сульфоугли и цеолиты, применяемые на первых стадиях развития ионного метода очистки воды. Сейчас широко распространены искусственные смолы ионного обмена, и они сильно превосходят природные иониты. Метод очистки воды с помощью ионного обмена на сегодняшний день широко распространен и в промышленных целях, и в бытовых. Фильтровые устройства для ионной очистки практически не используют для сильно загрязненной воды, и ресурсов фильтра надолго хватает, и после такие фильтры утилизируют. Однако стоит знать, что смолы ионитов все-таки в основном можно регенерировать растворами с высоким содержанием ионов H + или OH -- .

Электродиализ - это комплексный физико-химический метод очистки воды, который сочетает в себе мембранные процессы с электрическими. Им удаляются разные ионы и проводится смягчение воды от солей. Если говорить о различии с обычными мембранными процессами, то здесь применяют особые ионоселективные мембраны, которые пропускают ионы только с определенным знаком. Электродиализ проводится в специальном аппарате, который называется электродиализатор. Он представлен рядом камер, которые разделены чередующимися мембранами обмена катионами и анионами. В эти камеры поступает вода для очистки. В камерах по краям располагаются электроды с подведенным постоянным током. Возникает электрическое поле, и под его воздействием ионы двигаются к электродам в соответствии со своим зарядом, пока не встретят ионоселективную мембрану с таким же зарядом. В результате этого в одних камерах идет процесс постоянного ионного оттока (обессоливающие камеры), и в то же время в других камерах ионы накапливаются (концентрирующие камеры). Разведя потоки разных камер, получаем два раствора: обессиленный и концентрированный. Неоспоримыми преимуществами этого метода очистки воды становится не только очищение от ионов, но также получение концентрата отделяемых веществ, которые можно вернуть в производство. Из-за этого способ электродиализа особенно востребован на химических заводах, где со стоками происходит утеря некоторых ценных веществ, а данный метод дешевле благодаря получению концентрированного вещества.

Систему обратного осмоса относят к мембранным процессам, так как очистку проводят под давлением выше осмотического. Осмотическим называется повышенное гидростатическое давление. Оно прилагается к раствору, который отделяет полупроницаемая перегородка (мембрана) от чистого растворителя, и происходит прекращение диффузии чистого растворителя сквозь эту мембрану в раствор. Если создать рабочее давление выше, чем осмотическое, то начнется переход растворителя обратно из раствора воды, и концентрация растворенного вещества увеличится. Так отделяются газы, которые растворены в воде, соли (в том числе жесткости), вирусы, бактерии, коллоидные частицы. Кроме того, систему обратного осмоса с успехом применяют, для того чтобы получить пресную воду из морской. Очистка воды методом обратного осмоса используется и в быту, и для сточных вод.

Термические методы очистки воды, как понятно из названия, - это воздействие на нее низких или высоких температур. К примеру, очень энергоемким процессом можно назвать выпаривание, но при этом мы можем получить воду высочайшей степени чистоты и раствор высокой концентрации с неиспаряемыми загрязнителями. В то же время в концентрации примесей поможет и вымораживание, так как прежде кристаллизуется только чистая вода, а потом и остальная ее масса, в которой растворены загрязнители. Выпариванием, как и вымораживанием, можно проводить кристаллизацию - отделять примеси в выпадающие осадком кристаллы из концентрированного раствора. Есть еще такой экстремальный термический метод очистки воды, как термическое окисление, когда воду, которую необходимо очистить, распыляют и подвергают влиянию высокотемпературных продуктов топливного сгорания. Этот способ применяют, чтобы нейтрализовать высокотоксичные или плохо разлагаемые загрязнители.

• Очистка и обеззараживание сточных вод: современная проблематика

Что подразумевает биологический метод очистки воды

Методы очистки воды, которые называют биологическими, основываются на использовании микроорганизмов. При всей очевидности данного способа это наиболее передовой и перспективный метод очистки сточных вод. Для того чтобы осуществлять такой процесс, используют разные виды бактерий, а также распространено использование низших грибов и водорослей, простейших и даже некоторых многоклеточных - красных червей и мотыля. Особенностью этого способа очищения воды является возможность подобрать определенные живые организмы, чтобы оптимально очистить сточные воды определенного состава. К примеру, нитрофицирующими бактериями типа Nitrobacter и Nitrosomonas окисляют азотосодержащие соединения, так как микроорганизмы питаются ими, а фосфат-аккумулирующими организмами чистят воду от фосфора.

Когда микроорганизмы при биологической очистке скапливаются, получается так называемый активный ил. Эта темно-коричневая либо черная жидкая масса имеет землистый запах и в процессе отстаивания оседает хлопьями. Поэтому активный ил достаточно легко отделяется по завершению очистки. Организмы в нем живут не по одному, а колониями, которые называются зооглеи. От того, какой состав у очищаемой воды, и от технологии данного метода очистки воды зависит форма зооглей. Они могут быть шарообразными, древовидными и пр.

Все микроорганизмы, которые используются при биологических методах очистки воды, подразделяют на два типа в зависимости от способа функционирования: анаэробные и аэробные. Аэробные микроорганизмы нуждаются в потреблении кислорода во время питательного процесса, так как он необходим, чтобы окислять вещества. А анаэробным микроорганизмам кислород не нужен. От типа организмов зависит суть технологии проведения процесса и тот набор оборудования, который для этого необходим.

Биологическую очистку проводят в следующих условиях:

• в биологических прудах;
• полях фильтрации;
• в биофильтрах;
• в аэротенках (окситенках);
• в метантенках.

При первом и втором методе очистки воды используют простейшие сооружения. Под биологическим прудом понимается водоем, который может быть как естественным, так и искусственным, обычно с естественным типом аэрации, и где в активном иле живут микроорганизмы. Фильтрующее приспособление представлено в виде участка почвы (песка, глины, суглинка или торфа), через него вода фильтруется и очищается за счет микроорганизмов, обитающих в почве. В таких сооружениях нельзя обрабатывать сильно загрязненную воду при активном расходе. Однако такие сооружения биологической очистки практически не нуждаются в эксплуатационных затратах и постоянном контроле.

Биофильтром называется такое сооружение для биологического метода очистки воды, который осуществляют через фильтрацию сквозь прослойку загрузочного материала, покрываемого слоем аэробных организмов. Этот слой еще называют биопленкой. Чтобы обеспечить достаточный кислородный объем, который необходим микроорганизмам для разложения загрязнителей, используется система-распределитель воздуха. Также может быть и естественная аэрация.

Аэротенк представляет собой более сложное очистное сооружение, где аэрация создается искусственно. В нем очищение производят все те же аэробные микроорганизмы. Происходит это следующим образом: воду смешивают с активным илом и затем подают в аэротенк. Система искусственной аэрации стимулирует биологические процессы разложения загрязнений, а также обеспечивает хорошее перемешивание. Для аэрации обычно используют воздух из атмосферы, но в окситенках распространено применение технического кислорода, а это в разы поднимает эффективность процесса очищения.

Когда речь идет о биологических методах очистки сточных вод при помощи анаэробных микроорганизмов, то они в основном происходят в метантенках. Отличается такая очистка тем, что у бактерий отсутствует потребность в кислороде и нет итогового биогаза, продукта жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов. Кроме этого, в метантенки подают не воду, а остающийся на дне отстойников концентрированный осадок, который нужно подвергать процессу брожения. Для стимулирования более интенсивного брожения в приборе может быть предусмотрена функция дополнительного нагрева. Можно выделить мезофильный тип сбраживания, который проводится при t 30-35 °C, и термофильный, проводимый при t 50-55 °C. Процедура анаэробного разложения непроста и проходит в несколько этапов, а на завершающем этапе образуется метан, который является экологически чистым видом топлива.

• Есть ли связь между приборным учетом воды и энергосбережением

Какие еще существуют методы очистки сточных вод

Способ осветления подразумевает метод очистки из воды взвешенных частиц. Его проводят при помощи фильтрации воды сквозь пористые фильтровые картриджи либо сквозь фильтроматериалы. Осаждают взвешенные вещества осветлители, фильтры и отстойники. Внутри осветлителей и отстойников вода движется медленно, благодаря чему взвешенные частицы выпадают в осадок. Для того чтобы осадить мельчайшие коллоидные частицы, которые могут быть во взвеси достаточно длительное время, в воду добавляют коагулянтный раствор. В этих целях распространено применение сернокислого алюминия, железного купороса и хлорного железа. Химическая реакция приводит к образованию хлопьев, которые увлекают при опускании взвеси также коллоидные вещества.

Коагуляцией называют метод очистки воды, при котором водная масса обрабатывается особыми химическими реагентами, чтобы укрупнить загрязняющие частицы. Она способствует использованию методов осветления, обесцвечивания, обезжелезивания. Укрупнение мельчайших частиц происходит благодаря их слипанию под воздействием силы притяжения молекул.

Под обесцвечиванием понимается изменение вида тех частиц, которые придают воде цвет. Используются различные способы исходя из первопричины цветности. Применяют для устранения или обесцвечивания окрашенных коллоидов либо растворенных веществ коагулирование. Также целесообразно использование различных окислителей (производных хлора и самого хлора, перманганата калия, озона) и сорбентов (активного угля, искусственных смол).

Когда речь идет об обеззараживании , то подразумевается способ обработки водной массы при помощи окислителей и/или УФ-излучения для уничтожения микроорганизмов. Воду обеззараживают (удаляют бактерии, споры, микробы и вирусы) на последнем этапе подготовки воды для питья, то есть это - метод очистки питьевой воды. Использовать подземную и поверхностную воду без обеззараживания в большинстве случаев не представляется возможным.

Названия методов обезжелезивание и деманганация говорят сами за себя. Они заключаются в удалении соединений растворенного железа и марганца. Обычно используются для этих целей специальные фильтрующие материалы. Задача избавления воды от железа достаточно сложная и комплексная. Для ее решения наиболее часто используются следующие методы:

Аэрирование - это современный метод очистки воды, при которым кислород окисляет воду с примесями железа, после чего происходит осаждение и фильтрация. Воздух при этом расходуется из расчета примерно 30 л/м 3 . Этот традиционный способ применяется уже много десятилетий. Однако на окисление железа требуются немалые сроки и объемные резервуары, поэтому данный метод применяется только крупными муниципальными системами.

Каталитический процесс окисления с дальнейшим фильтрованием. Это самый популярный сегодня способ обезжелезивания, который применяется в компактных системах с высокой производительностью. Суть данного метода очистки воды в том, что окисление железа идет на поверхностях гранул особой фильтрующей среды, которая обладает функцией катализатора, то есть ускоряет химическую реакцию окисления. Наиболее распространенными считаются фильтрующие среды на диоксиде марганца (MnO 2). Железные соединения при диоксиде марганца тут же окисляются и оседают на поверхности гранул. Затем основная часть окисленного железа начинает вымываться в дренаж во время обратной промывки. Итак, слой гранулированного катализатора являет собой и фильтрующую среду. Чтобы улучшить окислительные процессы, к воде дополнительно добавляют химические окислители.

Смягчение воды - это замещение кальциевых и магниевых катионов на аналогичное число натриевых или водородных катионов. Данный метод очистки воды проводится путем фильтрования сквозь особые смолы ионного обмена. Жесткая вода знакома каждому, достаточно вспомнить накипь в чайнике. Она не подойдет для окрашивания ткани водорастворимой краской, для пивоварения и производства водки. В жесткой воде плохо вспенивается мыло. Излишняя жесткость делает воду непригодной к питанию газо- и электропаровых бойлеров и котлов. Толщина накипи в 1,5 мм понижает теплоотдачу на 15 %, а в 10 мм - на все 50 %. А это приводит к росту расходов электрической энергии или топлива, от чего, в свою очередь, образуются прогары, трещины в трубах и на котловых стенках, и прежде срока выводятся из строя отопительные системы и узлы горячего водоснабжения. Высокоэффективным методом умягчения воды становится использование автоматической фильтрации - специальных смягчителей. Они функционируют по принципу ионного обмена, где жесткие соли в воде заменяются на мягкие частицы, не образующие отложений.

• Минстрой объяснил снижение температуры горячей воды в квартирах

Какие современные методы очистки воды выбрать в зависимости от типа загрязнения

В этой таблице описаны современные методы очистки природной воды:

В воде могут содержаться ценные для промышленности, и вредные для живых существ вещества с высокой атомной массой, обладающие свойствами металлов, такие вещества называются тяжёлыми металлами.

Очистка от тяжелых металлов может быть осуществлена следующими методами:

Сорбция;
- Ионный обмен;
- Электролиз;
- Обратный осмос.

Под понятием «сорбция» понимают процесс поглощения какого-либо вещества. Этот процесс используется для очистки сточных вод и в водоподготовке. В качестве веществ, способных выделять из сточной воды загрязнения и накапливать их в себе, применяют активированный угль, золу, опилки, торф, глины и другие материалы с развитой поверхностью. Их еще называют сорбентами, а загрязнения, удаляемые из воды - сорбатом. Это весьма эффективный метод, например, при использовании в качестве загрузки шлака свинцовой плавки можно получить степень очистки воды от меди или цинка до 95-98%.

Ионный обмен - частный случай сорбции. Здесь процесс поглощения загрязнений происходит на молекулярном уровне. В жидкость добавляется среда, называемая ионитом, способная обмениваться ионами с примесями сточных вод. Иониты, которые поглощают положительные ионы, называются – катиониты, а те которые поглощают отрицательные ионы, называются аниониты. Так же они делятся по происхождению на природные и искусственные; и по составу на минеральные и органические. В качестве ионитов применяются глинистые минералы, слюды, полевые шпаты, гуминовые кислоты угля, ионообменные смолы.

Электролиз – процесс распада химических соединений (чаще солей металлов) под действием электрического тока. Очистка воды осуществляется следующим образом: в емкость с очищаемой жидкостью помещают электроды (аноды – положительно, а катоды – отрицательно заряженные). В итоге, химическая связь между соединениями разрывается, и положительные ионы начинают двигаться к катоду, а отрицательные - к аноду. Электроды могут быть изготовлены из графита, диоксида свинца, марганца, молибдена, нержавеющей стали. Минусом данного метода является высокая энергоемкость и как следствие – большая стоимость.

Для извлечения из воды ртути, одного из самого распространенного тяжелого металла, эффективно применять обратный осмос . Данный метод основан на продавливании воды через полупроницаемую мембрану, которая пропускает только воду, задерживая примеси находящиеся в воде.

Так же очистка питьевой и промышленной воды от тяжелых металлов может быть реализована реагентными методами, гальванокоагуляцией и электродиализом. Эти методы довольно трудоемки, поэтому они не получили широкого распространения в промышленности.

Очистка воды от тяжелых металлов, несомненно, является важным фактором для получения готовой к использованию, чистой и безвредной для человека жидкости. К тяжелым металлам относят химические элементы, которые имеют и при этом обладают значительной атомной массой.

Они оказывают разрушительное действие на функции организмов животных и человека, а также имеют свойство аккумулироваться в органах и тканях и наносить здоровью непоправимый вред. Именно поэтому важно устанавливать на водоочистных сооружениях фильтры для воды от железа, меди, свинца, никеля, цинка, кобальта, ртути, кадмия и серебра.

Необходимость подобной фильтрации обусловлена тем, что из-за активного использования воды для разных отраслей промышленности концентрация этих металлов в стоке очень велика. Загрязнители имеют различную структуру и свойства, а значит, для каждого из их видов приходится прибегать к разным методам и приспособлениям.

Очистка воды от тяжелых металлов в форме ионов производится химическим способом и сводится к изменению уровня кислотности среды до необходимого. При достижении PH величины 9.0-10.5 любые металлы становятся нерастворимыми и выпадают в осадок, который устраняется достаточно просто.

Выбор химических реагентов, посредством которых производится промышленная водоочистка, зависит от следующих факторов:

Необходимой степени очистки;

Концентрации загрязняющего вещества;

Наличия или отсутствия примесей.

После того как вещества переведены в нерастворимую форму, следует этап их разделения, чаще всего с помощью гравитационного осаждения металла. Производится операция с помощью специальных осаждающих емкостей, из которых осевшие частицы откачиваются для обезвоживания и просушки. Плюс этого способа в его простоте, а минус - в высокой чувствительности к наличию посторонних соединений, которые способны помешать процессу осаждения. Это могут быть мыло, перекись водорода или детергенты.

Очистка воды от тяжелых металлов производится также иным способом. Он носит название «мембранный» и осуществляется с помощью специальной установки с перегородками. Как правило, в воде, очищенной мембранами, концентрация металлов не превышает 1 мг на литр, а по другую сторону фильтра они сами концентрируются в виде гелеобразной массы.

Именно такая очистка воды от тяжелых металлов по праву считается самой эффективной и перспективной. Ее высокое качество обусловлено особыми свойствами мембран, такими как:

1. Высокая селективность, или, иными словами, способность к разделению отличных по свойствам веществ. Перегородка полупроницаема и пропускает сквозь себя лишь воду, полностью освобожденную от посторонних примесей. Последние скапливаются по другую сторону мембран.

2. Сплав, из которого отлиты перегородки, отличается особой прочностью и стойкостью к химическим воздействиям.

3. Мембрана одинаково эффективно и в полном объеме выполняет положенные функции на протяжении всего периода использования. Преимущество метода в том, что примеси металлов не оседают на фильтрующей поверхности и не забивают ее поры, а разными способами удаляются с мембраны.

Видом такой очистки является обратный метод отличается тем, что к раствору (загрязненной воде) прикладывается давление, которое превышает его собственное. К недостаткам способа относятся высокие требования к качеству материалов, из которых создаются очистительные установки и сложность с удалением концентрационного слоя.

Большой объем жидкости с незначительной концентрацией тяжелых металлов целесообразно очищать методом ионного обмена. Как известно, технология его основана на использовании на поверхности которых аккумулируются металлические ионы. Установки для этих работ позволяют эксплуатировать смолы в течение нескольких лет, исключая их слеживание.

Наиболее же тщательным методом очистки является самая сложная по техническому исполнению циклическая обработка с ультрафильтрацией. Правда, метод этот применяется только на электролизных и сточные воды которых содержат огромный процент отработанных растворов и насыщены хеланитами. Для такой работы используют специальные реакторы.

1 Обзор методов очистки сточных вод от ионов металлов и промышленных красителей

1.1 Методы очистки сточных вод от ионов металлов

Существует большое число специализированных процессов, используемых для удаления металлов из сточных вод. Такие отдельные операции включают:

– химическое осаждение;

– коагуляцию/ флокуляцию;

– ионный обмен и жидкостную экстракцию;

– цементацию;

– комплексообразование;

– электрохимические операции;

– биологические операции;

– адсорбцию;

– выпаривание;

– фильтрацию;

– мембранные процессы.

В промышленности наиболее широко используемый метод очистки растворов от тяжелых металлов – химическое осаждение, примерно в 75% гальванических процессов используется методика осаждения гидроксидами, карбонатами или сульфидами, либо комбинация указанных осадителей для обработки сточных вод. Наиболее широко используемая методика осаждения – гидроксильное или щелочное осаждение, благодаря относительной простоте, низкой стоимости осадителя (известь) и легкости автоматического рН контроля. Минимальная растворимость гидроксидов различных металлов варьируется при рН от 8.0 до 10.0 .

Известен способ реагентов осаждения сточных вод , предусматривающий перевод ионов металлов с труднорастворимые соединения при обработке сточных вод щелочными реагентами с последующим выделением их в осадок отстаиванием.

Способ осаждения ионов тяжелых металлов из промышленных сточных вод включает введение щелочного нейтрализатора при pH от 4 до 12, перемешивание и отстаивание с получением осадка, отличающийся от других спсобов тем, что осадок многократно подвергают контакту со следующими порциями исходного раствора с одновременной нейтрализацией раствора до значений pH, оптимальных для осаждения ионов тяжелых металлов.

Недостатком способа является то, что такие технологии не обеспечивают степень очистки от ионов тяжелых металлов, удовлетворяющую современным требованиям водохозяйственных органов. Кроме того, применение реагентных методов приводит к вторичному загрязнению воды – повышению ее солесодержания, что препятствует повторному использования очищенной воды в производстве. В ряде случаев после реагентной обработки необходима глубокая доочистка сточных вод от соединений тяжелых металлов.

Наиболее близким техническим решением предложен способ очистки шахтных вод путем деления потока обрабатываемой воды на две части, получения разноименно заряженных золей с их последующей взаимной коагуляцией, разноименно заряженные золи получают введением щелочного агента в одну часть потока до pH от 4,0 до 6,5, а в другую от 9,5 до 12,0 .

Недостатком этого способа является получение в результате взаимной коагуляции гидрофильного, влагоемкого и рыхлого осадка, увлекающего за собой значительное количество щелочного агента, что увеличивает расход последнего и шламовые площади, к тому же, технологическая схема предусматривает по крайней мере три точки контроля величины pH: в двух частях потока и на выходе после соединения потоков для их последующей взаимной коагуляции.

Для усовершенствования способа предложено создание оптимальных условий извлечения ионов тяжелых металлов из водоемких стоков с солесодержанием, способствующим образованию коллоидных, мелкодисперсных систем с трудноосаждаемыми взвесями.

Технический результат заключается в экономичности процесса за счет сокращения расхода реагентов и в увеличении степени извлечения ионов тяжелых металлов из сточных вод.

Сущность способа поясняется технологической схемой процесса, изображенной на рисунке 5.

Рисунок 5 – Технологическая схема технического процесса осаждения

Исходный раствор пропускали через тщательно отмытый кварцевый песок для удаления взвешенных веществ.

В соответствии с технологической схемой процесса, изображенной на рисунке 5, при непрерывном перемешивании проводят нейтрализацию исходного раствора 10%-ным раствором щелочи NaOH до оптимальной величины pH осаждения ионов тяжелых металлов, равной для данного раствора значению от 9,5 до 10,5 . За время перемешивания 10 мин, отстаивания до 15 мин возникала граница раздела между раствором и осадком. Объем осадка оценивается в процентах ко всему объему системы. Осветленную водную фазу отделяют от осадка декантацией, к осадку приливали новую порцию исходного раствора до начального объема, проводили нейтрализацию от pH 9,5 до 10,5 при непрерывном перемешивании и последующем отстаивании как было описано выше. Подобную процедуру повторяют четыре или пять раз. При этом всякий раз измеряют объемы осадка и осветленной водной фазы, в последней определяют концентрацию ионов тяжелых металлов

Цементация – процесс замещения металла, при котором в раствор, содержащий ионы металлов вводится более активный металл, например, железо. Таким образом, цементация – это выделение ионизированного металла из раствора в металлической форме за счет спонтанного электрохимического восстановления удаляемого металла с одновременным восстановлением введенного замещающего металла (железа) по реакции:

Cu2+ + Fe0 -> Cu0 + Fe2+.

Железо переходит в ионную форму, медь при этом выделяется на твердую поверхность . Процесс цементации может быть предсказан на основании значений электродных потенциалов. Для него присущ ряд преимуществ:

– простота требований в контроле и управлении,

– малое использование энергии,

– получение ценных высоко чистых металлов, таких как медь.

Скорость цементации не зависит от присутствия кислорода и значения pH. Однако при значениях рН выше 3, гидроксид железа маскирует и мешает выделению меди. Высушенный осадок содержит около 95,5 % чистой меди.

Проведенные исследования показали возможность использования отходов железа для выделения меди в стоках.

Комплексообразование основано на получении комплексного соединения на основе комплексообразующего или хелатного вещества. Комплексообразование связано с химическими характеристиками ионов удаляемых металлов и влияет на механизм извлечения. Например, комплексообразование металла увеличивает растворимость гидроксидов, карбонатов и сульфидов данного металла. На степень комплексообразования влияет рН раствора и концентрация реагента. С точки зрения селективности процесса комплексообразования с ЭДТА была показана возможность разделения меди и цинка в интервале рН от 5 до 6 .

Одним из приемлемых направлений в решении проблемы растворения металлов в органических средах является метод комплексообразования. Для систем без кратных связей наиболее устойчивыми являются пятичленные хелатные циклы. Системы с сопряженными двойными связями образуют шестичленные циклы. Энергетический выигрыш замыкания хелатных циклов (хелатный эффект) определяется как энтропийным, так и энтальпийным факторами.

Поиск систем, позволяющих стабилизировать металл в виде комплексов в органических средах, проводится постоянно, но число таких примеров невелико.

Одним из широко пpименяемых для очистки сточных вод электpохимических методов является электpолиз, дающий возможность выделения металла из pаствоpа на электpоде. Но электpолизный метод извлечения металлов из пpомывных вод встpечает пpеделенные тpудности при небольших концентpациях pаствоpов.

Этот процесс можно осуществить в двух режимах: или пpи постоянной плотности тока, или пpи постоянном потенциале.

Метод электpолиза пpи постоянной силе тока не pекомендуется для очистки pаствоpов, содеpжащих pазные виды ионов, так как пpи этом необходимо, чтобы в течение всего вpемени выделения металла плотность тока не пpевышала пpедельного значения . В пpотивном случае, еще до завеpшения выделения данного металла потенциал электpода может достигнуть величины, пpи которой начнется выделение дpугого металла, и состав осадка может быть неопpеделенным. Поэтому контpоль плотности тока в действительности означает контpоль потенциала электpода с целью поддеpжания его значения на уpовне, соответствующем выделению только одного металла. В этом случае метод электpоосаждения дает более надежные pезультаты.

Контроль этот можно осуществить, фиксируя определённый потенциал катода, на котоpом пpоисходит выделение металла, относительно неизменного потенциала электpода сpавнения.

Раздельное выделение металлов обеспечивается достаточным pазличием в потенциалах pазpяда ионов опpеделяемых металлов, обусловленным либо pазницей в ноpмальных электpодных потенциалах, либо pазницей в пеpенапpяжении, либо тем и дpугим вместе .

Один из трудных вопросов, связанных с разработкой электрохимических методов очистки сточных вод гальванических производств, является подбор анодного материала.

Существует такой способ очистки, при котором сточную воду, содержащую ионы тяжелых металлов и хрома (VI), подвергают гальванохимической обработке в одну ступень с последующей корректировкой рН, нагреванием, вьщерживанием при повышенной температуре и отделением малообъемного тонкодисперсного кристаллического осадка . Данный способ обеспечивает уменьшение объема отделяемого осадка при сохранении высокой эффективности очистки, а также снижение вымываемости ионов тяжелых металлов из осадка.

Во многих отраслях промышленности мембранные процессы широко применяются при вторичном использовании воды, для уменьшения объема сточных вод, и улавливания ценных побочных продуктов (например, металлов). Все мембранные процессы могут быть трех типов: высокого давления, низкого давления и ультрафильтрация. В качестве мембран используются ацетат целлюлозы, полиамиды, полисульфон и т.д. Было отмечено, что мембранные процессы более дорогостоящие по сравнению с соответствующими процессами дистилляции при малых и средних объемах сточных вод. При мембранной экстракции тяжелых металлов отпадает необходимость перемешивания и установки движущихся частей аппаратуры, что значительно снижает стоимость оборудования.

Получены результаты исследований проведенных по применению мембранных нетканных фильтров на основе полиакрилонитрильных волокон, модифицированных кислотными группами NO3и PO4 для очистки стоков свинцово-цинковых комбинатов и производств с использованием процессов гальвано-техники. Показана возможность удаления не только ионов тяжелых металлов до уровня ПДК, но и очистка от продуктов их химических трансформаций с комплексообразователями и хелатами органической и неорганической природы (цианиды, роданиды, аммиакаты, комплексы с ЭДТА и 1,1 – дипиридилом .

За последние несколько лет был представлен ряд новейших технологий. Были изучены основные факторы влияющие на скорость реакции при сульфидном осаждении как вторичной ступени после нейтрализации и отстаивания. Исследовались комплексы металлов с ЭДТА, как известно образующей наиболее стойкие комплексы с металлами. Начальная скорость реакции увеличивалась за счет добавления нехелатированных солей металлов. Был разработан фильтр, содержащий активные сульфиды, для адсорбции растворимых ионов тяжелых металлов.

Была разработана непрерывная система для магнитного отделения ионов тяжелых металлов с использованием ферритов или магнетитов. Преимуществами процесса можно считать, что:

– различные тяжелые металлы могут быть обработаны одновременно;

– образующийся осадок не зависит от рН и температуры;

– остатки феррита могут быть отделены наложением магнитного поля.

Таким образом, для очистки сточных вод от ионов металлов существует многообразие способов очистки, которые можно объединить в несколько групп: реагентные методы, методы электролиза, методы ионного обмена, сорбционные методы. Основные достоинства и недостатки данных методов приведены в приложении А.

1.2 Методы очистки сточных вод от промышленных красителей

В целом, все известные методы очистки сточных вод красильно-отделочных производств можно разделить на три основные группы.

Первая группа – методы, основанные на извлечении загрязнений в осадок или флотошлаки путем сорбции на хлопьях гидроксидов металлов, образующихся при реагентной обработке. Это коагуляция, электрокоагуляция, напорная флотация.

Например, известен способ очистки сточных вод от красителей, который включает введение органического коагулянта и минеральной добавки, причем в качестве органического коагулянта используют продукт конденсации дициандиамина с формальдегидом и гексаметилентетрамином в среде уксусной кислоты, а в качестве минеральной добавки – силикат натрия.

Способ осуществляется следующим образом: сточные воды, содержащие красители, обрабатывают указанным выше коагулянтом. Доза коагулянта зависит от концентрации в воде красителей и подбирается экспериментально, путем пробного коагулирования. Через 3-10 мин после ввода коагулянта добавляют силикат натрия. Процесс очистки сточных вод проходит в течение 10-40 мин. Образующийся осадок – хлопьеобразный, легкий может быть удален путем флотации, отстаиванием, фильтрованием .

Также, известен способ очистки сточных вод красильно-отделочных производств, который включает коагуляцию с последующей флокуляцией и отстаиванием. Отличается тем, что в качестве флокулянта используют гидролизат шерсти, приготовленный из производственных отходов шерсти путем их растворения в 0,1 н растворе щелочи.

Данный способ осуществляют следующим образом. Готовят флокулянт из производственных отходов шерсти путем их растворения в 0,1 н раствора щелочи (при соотношении 1 г шерсти на 100 мл раствора) нагреванием при температуре от 90 до 100°C в течение от 1,5 до 2 ч с последующим выдерживанием в течение от 20до 24 ч и десятикратным разбавлением водой . Флокулянт вводят в очищаемые сточные воды после их обработки алюминийсодержащим коагулянтом так, чтобы конечная концентрация флокулянта в сточных водах составила от 1 до 3 мг/л (по массе шерсти), рН после введения флокулянта доводят от 6,5 до 7.

Недостатками методов первой группы являются невысокая степень очистки, особенно по обесцвечиванию, необходимость эмпирического подбора реагентов, трудность дозировки реагентов, образование значительных количеств осадков или флотошлама, необходимость их обезвреживания, захоронения или складирования.

Вторая группа включает сепаративные методы, такие как сорбция на активных цепях и макропористых ионитах, обратный осмос. ультрафильтрация, пенная сепарация, электрофлотация.

Например, известен способ очистки сточных вод от красителей, который включает их предварительную очистку, разделение обратным осмосом с получением потока очищенной воды и потока концентрата, выпаривание концентрата до сухого остатка. Отличается тем, что разделение обратным осмосом ведут с получением концентрата, а после чего проводят его ультрафильтрацию.

Способ осуществляется следующим образом: очищаемую сточную воду, содержащую красители подают на узел предварительной очистки, где ее очищают от взвешенных веществ, осветляют и нейтрализуют введением раствора NaOH. Предварительно очищенную воду подают в аппарат разделения обратным осмосом, из которого отводят поток очищенной воды, возвращаемой в производство, и концентрат, содержащий краситель. Концентрат отводят и направляют в патрубок струйного насоса. После ультрафильтрации ультрафильтрат направляют на выпаривание, например, в аппарат с падающей пленкой и шнековой выгрузкой сухого остатка. Полученный сухой остаток может быть использован в стекольном производстве или направлен на захоронение .

Методы второй группы обеспечивают высокую степень очистки, но требуют предварительной механической обработки с целью удаления нерастворимых примесей, сложны в аппаратурном оформлении, имеют высокую себестоимость.

Третья группа объединяет деструктивные методы, основанные на глубоких превращениях органических молекул в результате редокспроцессов. Из деструктивных методов наиболее широко применяется очистка стоков окислителями, реагентное восстановление электромеханическая и электрокаталитическая деструкция. К окислительным же методам следует отнести биохимическую очистку.

Среди деструктивных методов наиболее перспективным способом обесцвечивания сточных вод является озонирование. Применение озона позволяет снизить окраску отработанного красильного раствора после крашения каракуля в черный цвет по разведению в 10 раз при начальной цветности по разведению 1:4000. Озонирование раствора желательно проводить с подщелачиванием красильного раствора до рН 12,5. Окончательное обесцвечивание возможно достичь в результате отстаивания озонированного раствора в течение 40 мин с образованием осадка темного цвета (объемом 10% объема красильного раствора). Несмотря на то, что этот метод весьма эффективен, но пока он чаще находится в стадии лабораторных проработок из-за отсутствия хороших озонаторных установок, а также большого расхода озона и высокой энергоемкости при его получении. Кроме того, высокая стоимость получения озона не позволяет рекомендовать данный метод для обесцвечивания сильно концентрированных отработанных красильных растворов от окислительного крашения меха.

Наибольший интерес представляет экологически чистый окислитель – пероксид водорода. Например, известен способ очистки сточных вод от органических красителей, включающий фильтрование подкисленной воды через металлическую загрузку. Отличается тем, что на расстоянии от 0,1 до 0,5 длины слоя загрузки по ходу движения воды вводится пероксид водорода, а в качестве металлической загрузки фильтра используют материалы, изготовленные из элементов d-подгруппы периодической системы элементов, или их сплавы .

В качестве окислителя возможно также использовать активный хлор. Деструктивные превращения под воздействием хлора и его соединений в настоящее время считаются не только эффективными по степени обесцвечивания красителей и снижения ХПК, но и достаточно экономичными процессами. Свободный и содержащийся в различных соединениях хлор способный вступать в реакции хлорирования и окисления органических веществ и других примесей воды, характеризует концентрации так называемого активного хлора. Он обладает высоким окислительным потенциалом и относительной дешевизной. Аппаратурное оформление современных хлораторных установок достаточно компактное и они легко могут быть автоматизированы. Однако, применение активного хлора имеет ряд серьезных недостатков, сдерживающих широкое внедрение данного метода на практике: высокая хлороемкость многих сточных вод; изменение солевого состава воды и увеличение плотного остатка; возможность образования хлорпроизводных и хлоратов, подлежащих дальнейшему удалению. Кроме того, процесс очистки продолжается довольно долго (от1 до 2 ч) и даже при столь длительной экспозиции в обработанной воде остается еще значительное количество активного хлора, что требует принятия специальных мер для дехлорирования.

Также существует способ очистки сточных вод от красителей, преимущественно анилиновых, который включает электролиз при плотности тока от 200 до 300 А/м² в присутствии пероксида водорода с анодами из титана с нанесенным на его поверхность композиционным электрохимическим покрытием платина-графит. Способ осуществляют следующим образом: сточные воды, содержащие анилиновые красители, смешивают с пероксидом водорода и подвергают электролизу. В качестве анода в электрохимической ванне используют титан с нанесенным на его поверхность композиционным электрохимическим покрытием платина-графит, а плотность анодного тока при этом составляет от 200 до 300 А/м², при электролизе происходит глубокая деструкция красителей, при этом достигается практически полное обесцвечивание сточных вод .

Методы третьей группы технологичны, эффективны, не дают осадков, не вносят дополнительные загрязнения.

Таким образом, в результате использования традиционных коагулянтов и окислителей для обесцвечивания отработанных красильных растворов после процессов крашения экономически не выгодно. В связи с этим, проблема очистки сточных вод от промышленных красителей должна решаться путем применения нетрадиционных химических материалов.

1.3 Методы сорбционной очистки сточных вод

1.3.1 Методы сорбционной очистки сточных вод от тяжелых металлов

Очистка сточных вод от тяжелых металлов – жизненно важное направление улучшения экологической обстановки в окружающей среде, так как повышенное содержание солей тяжелых металлов крайне отрицательно действует на организм человека.

Известные ионообменные методы очистки требуют значительных капитальных затрат . Поэтому все большее применение находят сорбционные методы с использованием неуглеродных сорбентов естественного и искусственного происхождения (глинистые породы, цеолиты и др.). Сорбционная обработка целесообразна как последняя стадия после механической и других, более дешевых видов очистки от грубодисперсных, коллоидных и части растворенных примесей. Достоинством метода является высокая эффективность, возможность очистки сточных вод, содержащих несколько веществ. Также важным является возможность регенеративной адсорбционной чистки, то есть извлечение вещества из сорбента, его утилизация и деструкция.

Обезжелезивание воды – одна из наиболее важных проблем при очистке воды. Она возникает при использовании питьевых вод, а также при очистке промышленных сточных вод, содержащих ионы железа, в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК).

На сегодняшний день не существует единого универсального метода комплексного удаления всех существующих форм железа из воды .

Существует способ сорбционной очистки сточных вод от ионов железа, в котором в качестве сорбента применяют модифицированный сорбент на основе монтмориллонита. Модифицированные образцы сорбентов изготавливались с использованием связующих компонентов и активных ингредиентов с последующим прокаливанием при различных температурах .

Результаты исследований по адсорбционной очистке воды от ионов железа приведены в таблице 1.

В результате установлено, что сорбционная способность сорбента зависит от температуры обжига и размеров гранул. Лучшую сорбционную способность проявляют сорбенты размерами от 1 до 2 мм, прокаленного при 400°С .

Таблица 1 – Результаты исследований по адсорбционной очистке воды от ионов железа (концентрация модельного раствора – 0,7 мг/дм³, скорость фильтрования – 0,6 дм³/ч)

Сорбент ГС (400°С) ГС (400°С) ГС (600°С) ГС (600°С) ГС (800°С) ГС (800°С)

Размер гранул, мм 1–2 5–6 1–2 5–6 1–2 5–6

Масса, г 21,25 17,15 14,21 11,35 13,9 11,45

Объем поглощенного раствора, см³ 10 5 8 4 7 4

Конечная концентрация раствора, мг/дм³ 0,04 0,34 0,15 0,34 0,19 0,41

Степень поглощения, % 94 51 79 51 72 41

Также известен способ сорбционной очистки сточных вод от ионов железа, в котором в качестве сорбента применяют пыль электросталеплавильных цехов. Данная пыль представляет собой тонкодисперсную систему многокомпонентного состава. Присутствие в составе пыли значительного количества оксида кальция, малый размер частиц и высокоразвитая поверхность позволяет использовать ее в качестве сорбента. В данном случае используют способ одноступенчатой статической сорбции: к сорбенту добавляли образцы сточных вод, смесь перемешивали магнитной мешалкой. Через определенные промежутки времени отбирали пробу и анализировали ее на содержание ионов железа, которое находили спектрофотометрическим сульфосалицилатным методом. В результате оптимальная масса сорбента составила 0,5 г .

Существует несколько способов сорбционной очистки сточных вод от ионов хрома. Например, в качестве сорбционных материалов используют модифицированные природные волокнистые материалы, например, древесные опилки, целлюлозу, льнотресту, костру. Этот способ очистки позволяет объединить в одну стадию удаление из растворов высокотоксичных ионов хрома шестивалентного и образующихся в результате восстановления ионов хрома трехвалентного .

Также существует способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов и хрома шестивалентного, который может найти применение на предприятиях металлургической и химической промышлености, имеющих травильные и гальванические цеха. Для осуществления способа сточные воды, содержащие ионы хрома и другие тяжелые металлы, пропускают через слой цеолита, предварительно обработанный раствором щавелевой кислоты с концентрацией от 0,05 до 0,1 моль/л в присутствии минеральной кислоты до рН от 1 до 2 .

Известен способ, обеспечивающий расширение диапазона извлекаемых веществ, упрощение и удешевление технологии очистки сточных вод за счет использования прочного адсорбента с хорошими сорбционными свойствами фильтрационными качествами. Такой адсорбент для очистки получают смешением природного торфа, песка, глины и диатомита (20-60% по весу), которые сначала смешивают с нефтью (от 10 до 20% по весу), водой и от 3 до 8% водным раствором ПАВ (от 5 до 10% по весу), затем обрабатывают оксидами кальция или магния (от 25 до 50% по весу), сушат и прокаливают при температуре от 300 до 600°С .

Предложен метод очистки сточных вод, образующихся, например, в гальванических или других аналогичных производствах, от ионов тяжелых металлов. Способ основан на сорбции ионов тяжелых металлов на природном нерастворимом сорбенте – пирите, предварительно обогащенном от 84 до 96%, причем размер зерна использующегося сорбента составляет не более 160 мкм . Данный способ обеспечивает удешевление очистки сточных вод, а также получение продукта сорбции, пригодного для длительного хранения и транспортировки.

Сущность следующего метода состоит в фильтровании сточной воды, содержащей тяжелые металлы, через слой сорбента, представляющего из себя измельченную корковую часть коры хвойных пород древесины, подвергнутую экстракции горячей водой, при определенной температуре и скорости протекания. Способ эффективен, так как сорбционная способность использованного сорбента выше по сравнению с другими аналогичными природными лигноуглеводными материалами. Продукт сорбции можно утилизировать путем сжигания .

В последнее время появились идеи, которые предлагают использовать в качестве сорбента производственные отходы, например, тонкодисперсный шлак ОЭМК. Данный сорбент использовали для очистки сточных вод, содержащих ионы никеля, меди и железа.

Принципиальная схема очистки сточных вод приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Принципиальная схема очистки сточных вод

Результаты рентгенофазового анализа показали наличие в исходном шлаке различного вида силикатов кальция и магния, а также кальцита, оксидов железа, магния и гидроксидов кальция . Также было установлено наличие на поверхности частиц шлака множественных поверхностных дефектов решетки в виде трещин, пиков, шероховатостей, что должно обеспечить хорошие сорбционные свойства шлака. Наличие сорбционных свойств дало возможность предположить высокую эффективность очистки вследствие образования малорастворимых осадков гидроксидов металлов и протекания процессов адсорбции. Результаты очистки сточных вод данным адсорбентом представлены в таблице 2.