Промышленная экология

Контроль и управление качеством воды в водных объектах предусматривает решение следующих задач:

1) Определение требуемой степени очистки воды;

2) Установление степени разбавления сточных вод для обеспечения рассеивания их примесей до неопасных концентраций в пункте водопользования;

3) Прогнозирование качества воды водного объекта на заданную перспективу.

Если Сппв< ПДК, то прогноз благоприятен, и, следовательно, меры, принимаемые на предприятии по очистке сточных вод достаточны, и наоборот, если Сппв > ПДК сточные воды не могут быть сброшены в данный водный объект без дополнительной очистки.

Вторая задача - определение максимальных, предельных концентраций вредных веществ (Сст.пр.), которые может допустить предприятие в стоках, чтобы их сброс не вызвал превышение их концентраций в пункте водопользования.

Классификация сточных вод. Основные характеристики различных видов сточных вод

Решив вопрос о необходимой степени очистки, приступают к разработке мероприятий, обеспечивающих эту степень очистки. При этом первоначально выбирается метод или комплекс методов, позволяющих наиболее эффективно, с наименьшими затратами решить эту задачу.

Выбор методов и их эффективность зависит от вида сточных вод и их характеристик.

СТОЧНЫМИ ВОДАМИ называются воды, использованные промышленными, коммунальными предприятиями и населением и подлежащие очистке от различных примесей.

В зависимости от условий образования сточные воды подразделяются на:

1) Атмосферные или дождевые и талые (АСВ);

2) Городские (ГСВ), включающие преимущественно бытовые, хозяйственно- фекальные сточные воды (БСВ);

3) Сельскохозяйственные;

4) Промышленные (ПСВ).

1. АТМОСФЕРНЫЕ сточные воды, несущие массы вымываемых, адсорбируемых из воздуха поллютантов (загрязнителей) промышленного происхождения. При стекании по склонам, территориям населенных пунктов и промышленных предприятий дождевые и талые сточные воды дополнительно увлекают с собой массы различных веществ, находящихся на поверхности этих территорий. Особенно опасны стоки с территорий современных городов, промышленных и сельскохозяйственных площадок, несущие нефтепродукты, механические примеси (бытовой и промышленный мусор), многие минеральные и органические вещества, в том числе фенолы, кислоты и другие химические соединения, например, тетраэтилсвинец.

2. ГОРОДСКИЕ сточные воды, включающие преимущественно бытовые стоки, содержащие продукты жизнедеятельности человека (фекалии, соединения азота и фосфора), детергенты (СПАВы), микроорганизмы, в том числе патогенные.

3. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ сточные воды, образующиеся при смыве с площадок и помещений содержания животных, мест разгрузки и хранения удобрений и инсектицидов, а также при смыве этих веществ с полей атмосферными осадками и при орошении площадей.

4. ПРОМЫШЛЕННЫЕ сточные воды образуются в технологических процессах различных отраслей промышленности, среди которых в наибольших количествах потребляют воду и отводят в водоемы сточные воды черная и цветная металлургия, горнодобывающая, химическая, лесохимическая, целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая промышленности.

С развитием промышленности и увеличением потребления воды растет и количество жидких отходов - сточных вод. В технологических процессах различных производств образуются следующие основные виды сточных вод:

1) Реакционные сточные воды, образующиеся в процессах химических реакций с выделением воды. Такие сточные воды загрязнены как исходными веществами, так и продуктами и различными полупродуктами реакций;

2) Воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах (свободная и связанная вода) и выделяющиеся при их переработке; в результате переработки загрязняются и исходными веществами и продуктами переработки;

3)Промывочные воды - от промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;

4) Маточные и отработанные водные технологические растворы;

5) Водные экстрагенты и абсорбенты;

6) Транспортировочные воды, образующиеся при гидротранспорте твердых отходов производства (хвосты флотации от обогащения руд, золы ТЭЦ и котельных, различные шламы);

7) Охлаждающие воды, не контактирующие с технологическими продуктами и используемые в системах оборотного охлаждения, имеют в основном тепловое загрязнение (повышенную температуру);

8) Дождевые и талые воды, стекающие с территорий промышленных предприятий, загрязнены различными взвешенными и растворенными веществами, в зависимости от профиля производства;

9) Хозяйственно - бытовые сточные воды - от столовых, прачечных, душевых, туалетов, от мытья полов в производственных помещениях.

Для защиты водного бассейна (поверхностных и подземных вод) все перечисленные виды сточных вод перед отведением в водоемы, а также в канализационные сети населенных пунктов должны подвергаться очистке от токсичных загрязняющих веществ до нормативного качества.

Для очистки сточных вод от различных загрязняющих примесей, в зависимости от их свойств, состояния и концентраций, применяются следующие методы:

1) Механические или физические;

2) Химические;

3) Физико-химические;

4) Биологические или биохимические;

5) Термические.

Кроме такой классификации по принципу воздействия на загрязняющие вещества, все указанные методы подразделяются еще на:

- Рекуперационные

- Деструктивные.

Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку ценных или токсичных веществ и возврат воды на повторное использование в технологических процессах.

При использовании деструктивных методов токсичные вещества, загрязняющие воду, подвергаются разрушению или видоизменению путем их окисления или восстановления или другими превращениями до нетоксичных веществ. Образующиеся продукты деструкции удаляются из воды в виде газов, осадков или остаются в воде в растворенном состоянии в виде нетоксичных или малотоксичных соединений, удаляемых (при необходимости) другими методами.

Механические методы очистки сточных вод применяются для отделения нерастворимых твердых, суспендированных или эмульгированных примесей. Они заключаются в процеживании сточных вод через решетки или сетки (отделение грубодисперсных примесей), отстаивании, воздействии центробежными силами в гидроциклонах или центрифугах, фильтровании через пористые перегородки или зернистые загрузки. Для интенсификации этих процессов в воду вводятся коагулянты или флокулянты.

Химические методы применяются для удаления из воды растворенных или коллоидных примесей. Они заключаются в обработке воды различными реагентами, вступающими в химические реакции с удаляемыми веществами, в результате которых образуются нетоксичные или малотоксичные продукты (окисление «активным» хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода; восстановление, гидролиз) или трудно растворимые соединения, выделяемые из воды в виде осадков (реакции нейтрализации, замещения и т.п.).

Физико-химические методы (коагуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен, экстракция, кристаллизация, дистилляция, ректификация, ультрафильтрация, обратный осмос, электролиз и электродиализ, эвапорация, дезодорация и др.) применяются для удаления из воды суспендированных, эмульгированных, а также растворенных и коллоидных примесей как органических, так и минеральных.

Биологические (биохимические) методы применяются для деструкции органических веществ, присутствующих в воде в коллоидном или растворенном состоянии и окисляющихся микроорганизмами до нетоксичных соединений (преимущественно до диоксида углерода и воды). При этом наиболее распространено применение аэробных процессов в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или при искусственной аэрации (аэротенки, биофильтры, окситенки, биосорберы и т. д.)

Анаэробные процессы используются для обезвреживания органических осадков и высококонцентрированных сточных вод, образующихся при биохимической очистке сточных вод.

Необходимая степень очистки сточных вод определяется исходя из того, чтобы качество очищенной воды соответствовало стандартным или специальным требованиям, устанавливаемым водохозяйственными органами контроля.

Кроме загрязненных сточных вод на промышленных предприятиях могут образовываться условно чистые воды, которые обычно, после охлаждения в градирнях или других сооружениях, используются в оборотных охлаждающих системах.

Одним из основных видов загрязнений производственных сточных вод являются нерастворимые (легкие и тяжелые) минеральные и органические примеси. Выделение нерастворимых примесей из воды входит в задачу механической очистки.

Механическая очистка сточных вод

Для механической очистки применяются: процеживание, отстаивание, фильтрование и центрифугирование. При применении этих методов очистки нет необходимости во введении реагентов, только в некоторых случаях, для повышения эффекта осветления применяются коагулянты и флокулянты. В зависимости от требований к качеству очищенной воды применяют сооружения и агрегаты:

- для процеживания - решетки и сетки, предназначенные для задерживания крупных частиц;

- для задержания более мелких тяжелых минеральных частиц - песколовки;

- для выделения взвешенных осаждающихся или всплывающих примесей - отстойники и фильтры с зернистой загрузкой (кварцевый песок, гранитный щебень, дробленый антрацит и керамзит, доменные шлаки), с плавающей загрузкой (пенополистирол), или сетчатые фильтры и микрофильтры, а также гидроциклоны, сепараторы и осадительные центрифуги.

Механическая очистка, как правило, является предварительным, и реже, окончательным способом очистки производственных сточных вод.

Решетки. Для извлечения из производственных сточных вод крупных частиц применяются неподвижные малогабаритные вертикальные механизированные решетки РМВ и РММВ и наклонные решетки с механическими граблями типа МГ с механизированной выгрузкой задержанных примесей на транспортирующие устройства. Для дробления задержанных крупных предметов при этих решетках устанавливаются дробилки.

Если сточные воды агрессивны, то решетки должны выполняться из антикоррозионных материалов.

Песколовки. Предназначаются для удаления песка и других тяжелых частиц из сточных вод, имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию.

Задача песколовок состоит еще и в том, чтобы выделить тяжелые минеральные частицы в относительно чистом виде, отмытые от органических примесей.

По способу ввода сточных вод, форме, виду движения воды и другим показателям и конструктивным особенностям, песколовки подразделяются на:

1) -горизонтальные с круговым движением воды (разновидность - аэрируемые песколовки с круговым движением воды);

2)- горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды;

3) - тангенциальные пе6сколовки типа «Вортекс» с вихревой водяной воронкой;

4) - горизонтальные квадратные песколовки с механическим удалением песка.

Сточная вода подводится к песколовкам и отводится от них лотками, располагаемыми на уровне поверхности земли или в насыпи.

Осадок из песколовок удаляют гидроэлеваторами. Подача рабочей жидкости и отвод пульпы осуществляется напорными трубопроводами.

Некоторые типы песколовок оборудованы устройствами для сбора нефтепродуктов. Для сокращения количества воды, отводимой с песком и расходуемой на отмывку его от нефтепродуктов, применяются гидроциклоны.

Процессы отстаивания, отстойники. Отстаивание - один из основных процессов выделения из сточных вод нерастворимых оседающих или всплывающих механических примесей: взвешенных веществ, эмульгированных масел и т.п.

В одних случаях отстаивание является предварительным этапом обработки сточных вод, в других оканчивает их очитку.

Отстаиванием можно выделить из воды взвешенные частицы определенного размера с плотностью, большей или меньшей плотности воды.

Закономерности движения тел в жидкости под действием сил тяжести позволяют определить скорость свободного осаждения частиц монодисперсной взвеси при условии, что частицы в процессе осаждения не слипаются и не изменяют своей формы и размеров.

Биохимические методы очистки сточных вод

Биохимические (биологические) методы очистки занимают первое место по объему обрабатываемых сточных вод среди всех известных методов. Наибольшее распространение они получили в технологии очистки хозяйственно - бытовых, городских и промышленных сточных вод, приоритетными загрязняющими компонентами которых являются соединения различных классов.

Биохимические методы предназначены для извлечения из бытовых и промышленных сточных вод тонкодисперсных, коллоидных и растворенных в них органических веществ. Применяются они обычно после того, как из сточных вод извлечены грубодисперсные примеси.

В основе процессов биологической очистки сточных вод лежит биохимическое окисление органических загрязнений микроорганизмами активного ила в аэробных (в присутствии кислорода) или анаэробных (без доступа кислорода) условиях. При этом используется способность микроорганизмов потреблять в качестве питательного субстрата многие органические вещества и некоторые неорганические соединения (органические кислоты, спирты, белки, углеводы и т.д.), которые являются для них источниками углерода.

Необходимые для жизнедеятельности микроорганизмов азот, фосфор, калий они получают из различных соединений: азот - из аммиака, нитратов, аминокислот и др., фосфор и калий - из соответствующих минеральных солей.

Участвуя в конструктивном и энергетическом обмене живой клетки, органические вещества претерпевают сложные химические и биологические превращения. В результате катаболических процессов происходит распад этих веществ с образованием более простых органических низкомолекулярных соединений, часть из которых либо подвергается дальнейшему окислению до СО2 и Н2О с выделением энергии, либо превращается в продукты метаболизма, а другая часть используется для биосинтеза в процессах анаболизма.

В процессе питания микроорганизмы получают материал для строения своего тела, вследствие чего происходит прирост их массы (биомассы или активного ила).

Процессы сорбции органических веществ микроорганизмами существенного влияния на механизм биологической очистки сточных вод не оказывают. Основная роль принадлежит процессам превращения вещества внутри клетки.

Соответственно условиям проведения процесса очистки (аэробные или анаэробные) и микроорганизмы, осуществляющие процесс, делятся на две группы: аэробные и анаэробные.

Прирост биомассы микроорганизмов за счет потребления части органических веществ на построение своего тела зависит от соотношения количества веществ, поддающихся биохимическому распаду (выражается показателем БПК), и общего количества органических веществ, содержащихся в очищаемой сточной жидкости (выражается показателем ХПК).

БПК - биохимическое потребление кислорода - это количество кислорода, израсходованное за определенный промежуток времени на аэробное биологическое разложение органических веществ, содержащихся в сточных водах, выраженное в мг•О2/л. Определение БПК проводится в стандартных условиях (температура 20±1оС, отсутствие света, нормальное давление и доступ воздуха). Обычно для характеристики воды определяют БПК5 и БПК20 (БПКПОЛН.) по времени инкубации микроорганизмов и до полного окисления органических веществ микроорганизмами.

ХПК - химическое потребление кислорода - количество кислорода (мг•О/л) , необходимое для окисления органических веществ до CO2, H2O и NO3 , серосодержащих веществ - до сульфатов, фосфорсодержащих -до фосфатов.

Таким образом, чем больше отношение БПК/ХПК, тем полнее будет биохимическая очистка с расходованием значительной части углерода и водорода органических веществ на энергетические потребности микроорганизмов и, в меньшей степени, на прирост биомассы (активного ила) и наоборот. Следовательно, значительная часть прироста биомассы происходит за счет разницы в количестве органического вещества, оцениваемого по ХПК и БПК.

Отношение БПК к ХПК зависит от вида сточных вод. В хоз.-бытовых водах оно колеблется незначительно, в пределах 0,7 - 0,9. В производственных сточных водах это отношение может изменяться от 0 до 0,9 и определяется видом органических загрязнений, присутствующих в конкретном стоке.

Активный ил и его влияние на процессы биохимической очистки сточных вод

Интенсивность и эффективность биологической очистки сточных вод определяется скоростью размножения бактерий, т.е. приростом биомассы активного ила, в единицу времени, а также его концентрацией.

Состав и микрофауна активных илов любых сооружений формируется в зависимости от экологических условий, основными из которых являются: состав обрабатываемых сточных вод, наличие или отсутствие растворенного кислорода, температура, уровень рН, соотношение количества пищи и микроорганизмов, гидродинамическая структура потоков.

Ил аэротенков и биофильтров - это сложное сообщество микроорганизмов различных групп: бактерий, актиномицетов, простейших, грибков, водорослей, вирусов, членистоногих и некоторых других. Основная роль в процессах очистки сточных вод принадлежит бактериям, число которых в расчете на 1 г сухого вещества ила колеблется от 1018 до 1014 клеток. Ил имеет весьма развитую поверхность - до 100 м2 на 1г сухой массы; размер клеток колеблется от 0,1 до 3 мм и более; частицы ила имеют отрицательный заряд при рН = 4,5 -9.

Биопленка в биофильтрах представляет собой слизистые обрастания загрузки, толщина биопленки обычно не превышает 3 мм.

При очистке сточных вод обычно наиболее многочисленными оказываются бактерии рода Pseudenonas - грамотрицательные палочки. Далее по численности следуют кокковые формы и бациллы. В зависимости от условий существования ила в нем развивается от 1 до 5 - 8 родов бактерий.

Свойства активного ила. Важнейшее свойство активного ила - способность к седиментации и хлопьеобразованию. Существует несколько теорий образования хлопка. В настоящее время большинство исследователей считают, что бактериальная флокуляция - это физиологическое состояние микроорганизмов, и она не наблюдается до тех пор, пока не заканчивается фаза роста и не наступает фаза эндогенной респирации. При этом снижение потенциала на поверхности клетки не является необходимым условием флокуляции.

Флокуляция не определяется каким-либо одним типом микроорганизмов, она свойственна многим бактериальным культурам. Имеется прямая корелляция между аккумуляцией внеклеточных полимеров и микробиальным хлопьеобразованием и, в дополнение к этому, отмечено, что в период образования хлопьев увеличивается отношение содержания внеклеточных полимеров к массе бактерий. Таким образом, механизм биологической флокуляции интерпретируется как результат взаимодействия высокомолекулярных внеклеточных полимеров, аккумулирующихся на оболочке клетки в стадии эндогенной фазы развития культуры (эндогенные процессы - это процессы, происходящие во внутренней среде организма).

Вспучивание ила. Активные илы аэротенков подвержены так называемому вспучиванию. Это явление связано с развитием нитчатых бактерий и происходит по многим причинам, среди которых: уменьшение концентрации кислорода, избыточное количество углеводородов в исходной воде, недостаток азота и фосфора, резкие изменения нагрузок на ил и др.

Борьба с вспучиванием ведется по многим направлениям: применение специальных химических реагентов - утяжелителей, сепарирование и измельчение нитей и др. Несмотря на то, что вспухший ил обладает повышенной окисленной способностью, нормальная эксплуатация сооружений с таким илом невозможна из-за отсутствия технических решений по отделению его от очищенной воды.

Химический состав ила. Клетка микроорганизма имеет сложный химический состав, представленный многими классами соединений. Практический интерес представляет расшифровка состава по терм классам химических соединений: жиро- , белково- и углеводоподобных веществ, принимающих участие в газообразовании в анаэробных биологических процессах.

Важно также знать элементный состав ила, позволяющий составить среднестатистическую формулу органического вещества ила, необходимую для расчетов кинетики метаболических процессов, определения выхода клеточного вещества, расчета выделяющейся теплоты реакции и т.п.

Аэротенки - обширная группа биологических окислителей, принцип действия которых основан на минерализующей способности активного ила, представляющего собой суспензию аэробных микроорганизмов. Для их нормальной жизнедеятельности в аэротенке необходимо поддержание определенной концентрации кислорода, что достигается постоянной подачей в аэротенк воздуха. Для окисления органических веществ, запасённых микроорганизмами ила, и восстановления окислительной способности необходима регенерация активного ила.

Аэротенки - смесители - сооружения, в которых поступающие сточные воды и активный ил почти мгновенно перемешиваются со всей массой иловой смеси резервуара. В этом сооружении обеспечивается равномерное распределение органических загрязнений и растворенного кислорода. Конструктивная особенность - рассредоточенный впуск смеси сточных вод и активного ила и такой же выпуск их.

Высоконагружаемые аэротенки - сооружения, работающие с нагрузками на активный ил более 0,8 г БПК/ г ила в 1 сутки.

Химические и физико-химические методы

Химические и физико-химические методы очистки сточных вод широко применяются в практике с целью удаления из них растворенных и дисперсных минеральных и органических соединений или перевода их в нетоксичные вещества.

К этим методам относятся: нейтрализация, восстановление, адсорбция, кристаллизация и т.д.

Среди химических методов наиболее широкое применение получили реагентные, основанные на взаимодействии токсичных химических соединений, присутствующих в сточных водах, с веществами, вводимыми в обрабатываемую воду и не обладающими токсичными свойствами. При этом образуются новые вещества, малотоксичные или выделяющиеся из воды в виде труднорастворимых соединений.

К реагентным методам относится, в первую очередь, нейтрализация кислот и оснований, осаждение труднорастворимых соединений металлов.

В различных технологических процессах производств многих отраслей промышленности образуются сточные воды, содержащие избыток кислот или оснований. В соответствии с «Требованиями «Правил охраны поверхностных вод от загрязнений», а также «Правил приема производственных сточных вод в канализационные сети населенных пунктов» такие сточные воды перед сбросом должны подвергаться нейтрализации таким образом, чтобы величина их рН находилась в пределах 6,5 - 8,5. Нейтрализация сточных вод основана на взаимодействии содержащихся в них кислот или оснований с веществами, придающими воде реакцию, близкую к нейтральной (рН = 7). Иными словами, нейтрализация - это взаимодействие ионов водорода и гидроксид-ионов.

В практике очистки сточных вод применяются следующие способы нейтрализации:

а) Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод (если на данном предприятии имеются те и другие);

б) Нейтрализация реагентами, вводимыми в обрабатываемую воду в виде растворов или суспензий;

в) Фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк - CaCO3, долмит - CaCO3•MgCO3, магнезит -MgCO3, обожженный магнезит - MgO, мрамор - CaCO3• - CaCO3•MgCO3).

Реакции нейтрализации протекают по общим уравнениям:



В практике наиболее распространены сточные воды, содержащие избыток кислот. Поэтому, для их нейтрализации могут применятся сильные основания (щелочи), карбонаты и некоторые минералы, указанные выше.

Наиболее дешевым реагентом для нейтрализации кислот является известь, которая применяется в виде водной суспензии - известкового молока, получающегося растворением гашеной извести в воде:

Деструктивные методы очистки сточных вод

К основным деструктивным методам обезвреживания сточных вод от органических и неорганических веществ относятся: химическое и электрохимическое окисление, термоокисление, гидролиз. Эти методы применяются при невозможности или нецелесообразности извлечения примесей из сточных вод или удаления их другими, более дешевыми способами.

Выбор деструктивного метода производится с учетом расхода и состава сточных вод, концентраций и свойств удаляемых примесей, требований к качеству очищенной воды и возможности ее повторного использования.

Химическое окисление «Активным хлором». Химическое окисление наиболее часто применяется при очистке сточных вод от цианидов, фенолов, сульфидов, СПАВ и других органических примесей. В качестве окислителей широко применяются соединения, содержащие «активный хлор», пероксид водорода, озон, перманганат калия и оксиды марганца, кислород воздуха и технический кислород.

До последнего времени одним из наиболее широко применяемых в практике водоподготовки и очистки сточных вод является «активный хлор».

Под термином «активный хлор» понимают суммарное содержание свободного хлора (Cl2), хлорноватистой кислоты (HOCl), гипохлорит-ионов (ClO-) и хлораминов (NH2Cl, NHCl2, NCl3) - в пересчете на Cl2.

Свободный (молекулярный) хлор, хлорноватистая кислота и гипохлорит-ионы в растворах находятся в равновесии. Относительные количества этих веществ определяются величиной рН:

Окисление озоном. Высокая окислительная способность озона обуславливает быстрое протекание реакций окисления многих органических веществ при взаимодействии с ним.

В процессе озонирования воды возможно одновременное окисление примесей, обесцвечивание, дезодорация, обеззараживание воды и насыщение её кислородом.

ОЗОН (О3) - бледно-фиолетовый газ, образующийся при пропускания воздуха или кислорода через электрический разряд высокого напряжения (5000 - 25000 В) в генераторе озона, состоящего из двух близкорасположенных электродов. Плотность озона при давлении 0,1Мпа составляет 2,41 г/л, температура кипения = -112оС, растворимость в воде при 0оС - 1,42 г/л, при 10оС - 1,04 г/л, при 30оС - 0,45 г/л.

Озон самопроизвольно диссоциирует на воздухе и в воде с образованием кислорода. Распад его резко увеличивается с ростом рН и температуры. Озон весьма токсичен - его ПДК в воздухе рабочей зоны составляет 0,0001 мг/л.

Процессы восстановления в технологии очистки сточных вод

Процессы восстановления применяются для очистки сточных вод от токсичных соединений, которые в восстановленной форме менее токсичны или могут быть выделены из сточных вод в виде труднорастворимых соединений. Широкое применение этот метод получил для очистки сточных вод от солей хромовых кислот - хроматов и бихроматов, часто используемых при химической и электрохимической обработке металлических изделий (хромирование, пассивирование, травление, хроматирование, анодирование, электрохимическое полирование).

Ионообменные методы очистки сточных вод. Применение ионного обмена в технологии очистки сточных вод позволяет обеспечить любую заданную степень извлечения загрязняющих примесей, в ряде случаев утилизировать извлекаемые ценные вещества и повторно использовать очищенную воду в производстве.

Основные характеристики и свойства ионитов. В настоящее время в технологии очистки, опреснения или обессоливания, а также умягчения сточных и природных вод применяются в основном синтетические ионообменные смолы. Они представляют собой нерастворимые в воде сшитые полимерные цепочки (матрицы) с фиксированными на каркасе активными ионогенными группами, имеющими заряд. Матрица полимера с фиксированными отрицательными ионами представляет собой полианион, а с положительными - поликатион. Заряд полииона нейтрализуется расположенными внутри полимера ионами противоположного знака (противоионами), которые могут вступать в реакцию двойного обмена с ионами того же знака заряда, находящимися в растворе. Таким образом, если фиксированные ионы несут отрицательный заряд, то ионит способен к обмену катионов и называется катионитом, если положительный - то ионит способен к обмену анионов и называется анионитом.

Физически иониты представляют собой гранулы (зерна) полимеров правильной (сферической) или неправильной форм размером 0,2 - 1,5 мм.

Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т.е. возможность проведения реакций обмена в обратном направлении, на чем основана возможность их регенерации.

Процесс ионного обмена протекает в несколько стадий:

1 - диффузия ионов раствора через пограничную пленку жидкости к поверхности зерна ионита (внешняя диффузия);

2 - диффузия ионов внутрь зерна ионита (внутренняя диффузия);

3 - химическая реакция обмена ионов из раствора на противоионы функциональных групп ионитов;

4 - диффузия противоинов из объема зерна к его поверхности;

5- диффузия противоинов от поверхности зерна ионита в раствор.

На кинетику ионного обмена оказывают влияние такие факторы, как температура, степень исчерпания обменной емкости ионита, особенности его структуры и др.

Органические мономеры (типа стирола), используемые для синтеза ионитов, гидрофобны. Поэтому матрица ионита не проявляет способности к набуханию. Однако, после введения ионогенных групп, являющихся гидрофильной составляющей ионита, последний при контакте с водой (раствором) поглощает заметные количества воды (растворителя) и набухает, увеличиваясь в объеме в 1,5 - 3 раза.

Ионообменная очистка сточных вод производится последовательным контактированием их с катионитами и анионитами.

Катионирование. При контакте воды с Н-катионитом происходит обмен катионов растворенных в воде солей на Н - ионы катионита:

а при контакте с катионитом с в Na-форме - обмен катионов из воды на Na-ионы катионита:

где: (К) - радикал или «скелет» катионита;

Ме - извлекаемый катион металла;

n - валентность металла.

Электрохимические методы очистки сточных вод

Электрохимические методы очистки сточных вод включают: анодное окисление ряда органических и неорганических веществ, катодное восстановление некоторых химических соединений, электрокоагуляцию, электрофлотацию и электродиализ.

На анодном окислении основаны методы очистки сточных вод различных производств от цианидов, роданидов, нитросоединений, аминов, фенолов, азокрасителей, сульфидов, меркаптанов и т.д.

Методы катодного восстановления разработаны для удаления из сточных вод нитросоединений, антрахинонсульфкислот, а также для извлечения металлических меди, никеля, кадмия из концентрированных отработанных технологических растворов.

Электрохимические процессы с растворимыми стальными или алюминиевыми анодами (электрокоагуляция) широко применяются для очистки сточных вод от соединений 6-ти валентного хрома, ионов тяжелых металлов, фторидов.

Электрофлотация часто используется в сочетании с электрокоагуляцией при выделении из сточных вод мелкодисперсных, коллоидных примесей.

Электродиализ с применением ионитовых мембран широко используется для обессоливания (опреснения) природных и сточных вод, а также для извлечения веществ из отработанных технологических растворов гальванических и травильных производств и их регенерации для повторного использования.

Применение электрохимических методов целесообразно при относительно высокой электропроводности сточных вод, обусловленной наличием в них неорганических кислот, оснований, солей, при минимальной их концентрации 0,5 г/л.

Метод электрохимического окисления на аноде

При электролизе сточных вод в бездиафрагменных электролизерах осуществляется ряд процессов: электрокоагуляция, электрофорез коллоидных частиц, электрофлотация, окисление на аноде.

Электрохимическим способом очищают небольшие количества сточных вод и отработанных технологических растворов от цианидов, роданидов, сульфидов при концентрациях их более 200 мг/л.

Электродиализ. Метод электродиализа может использоваться для удаления из сточных и природных соленых вод минеральных солей, а также для переработки высококонцентрированных сточных вод (регенерации некоторых отработанных технологических растворов).

Электродиализ - это процесс переноса ионов через мембрану под действием постоянного электрического поля. В электролитической ванне мембрана действует как ионный фильтр, пропуская из одной электродной камеры в другую лишь ионы, заряд которых совпадает со знаком заряда подвижных (обменных) ионов смолы, из которой изготовлена мембрана. Она непроницаема для ионов, знак заряда которых совпадает со знаком заряда неподвижных ионогенных групп.

Катионитовые мембраны пропускают только катионы, анионитовые - только анионы.

Процесс удаления солей из воды осуществляется в многокамерных аппаратах - электродиализаторах, камеры которых отделены друг от друга плоскими ионитовыми мембранами, расположенными параллельно относительно друг друга.

Метод электродиализа широко применяется для опреснения природных вод и может использоваться для очистки и обессоливания сточных вод.

Существенный недостаток метода - необходимость тщательного предварительного удаления взвешенных и коллоидных частиц, которые могут засорять мембраны, а также катионов кальция, образующих на мембранах отложения CaSO или CaCO3, снижающих проницаемость мембран.

Электрохимические методы переработки высококонцентрированных сточных вод.

Электродиализ, в сочетании с электродными процессами позволяет перерабатывать многие виды концентрированных сточных вод с регенерацией ценных веществ: кислот, щелочей, металлов.

Баромембранные процессы. Обратный осмос

Обратным осмосом называется метод очистки и опреснения жидких сред (растворов), основанный на фильтровании воды под избыточным давлением через полупроницаемую мембрану, пропускающую молекулы воды, но задерживающую ионы растворенных в воде солей.

Если растворитель и раствор разделить полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя и задерживающей молекулы растворенного вещества, то растворитель начнет переходить через перегородку в раствор. Этот самопроизвольный переход молекул растворителя под действием разности концентраций называется осмосом. Осмос может быть объяснен тем, что концентрация молекул растворителя в единице его объема больше, чем концентрация молекул растворителя в единице объема раствора или тем, молекулы растворителя в растворе частично связываются молекулами растворенного вещества, образуя сольваты (в случае растворителя воды - гидраты).

Обратный осмос становится возможным при использовании полупроницаемых мембран, которые свободно пропускают молекулы воды, но задерживают 90 - 99% всех растворенных неорганических соединений, 95 - 99% органических веществ и 100% мельчайших коллоидных примесей, в т. ч. бактерии, вирусы, коллоидную кремниевую кислоту.

Низконапорный обратный осмос и нанофильтрация

Наряду с обратным осмосом в литературных источниках рассматриваются процессы низконапорного обратного осмоса и нанофильтрации. Эти процессы, в отличие от традиционного обратного осмоса, характеризуются более низкими величинами рабочего давления, а следовательно, и более низкими энергетическими затратами, но и более низкой селективностью. Применение этих процессов перспективно в технологиях глубокой доочистки сточных вод от растворенных примесей с целью их возврата на повторное использование. Или с целью предотвращения поступления в окружающую среду высоко токсичных веществ.

Ультрафильтрация

Одним из важных этапов в развитии мембранных технологий было получение в 60-х годах ХХ века анизотропных мембран из ацетата целлюлозы, состоящих из очень тонкого активного верхнего слоя, постепенно переходящего в сравнительно крупный и прочный поддерживающий слой.

Ультрафильтрация - процесс мембранного разделения, а также фракционирования и концентрирования растворов. Он протекает под действием разности давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных (ВМС) и низкомолекулярных (НМС) соединений.

Ультрафильтрация заимствовала у обратного осмоса способы получения мембран, а также во многом подобна обратному осмосу по аппаратному исполнению. Отличие заключается в гораздо более высоких требованиях к отводу концентрированного у поверхности мембран вещества, способного формировать (в случае ультрафильтрации) гелеобразные слои и малорастворимые осадки.

Технологические возможности ультрафильтрации во многих случаях гораздо шире, чем у обратного осмоса. Так при обратном осмосе, как правило, происходит общее задерживание всех частиц.

Ультрафильтрацию, в отличие от обратного осмоса, используют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Например, для водных растворов принимают, что ультрафильтрация применима тогда, когда хотя бы один из компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и выше.

В традиционном плане ультрафильтрация рассматривается как метод разделения растворов, и, в первую очередь, как метод очистки растворов макромолекул и коллоидов от низкомолекулярных примесей. Аналогичную задачу можно решать диализом или электродиализом. Однако первый из этих методов характеризуется низкой интенсивностью и производительностью, а второй, будучи весьма эффективным, позволяет разделять лишь низкомолекулярные электролиты.

Мембраны. Свойства и характеристики

Мембраны являются основной частью мембранных элементов, называемых модулями. Определяющей проблемой при реализации мембранных технологий является разработка и изготовление высококачественных полупроницаемых мембран, которые отвечали бы следующим основным требованиям:

- высокая разделяющая способность (селективность);

- высокая удельная производительность (проницаемость);

- химическая стойкость к действию среды разделяемой системы;

- неизменность характеристик в процессе эксплуатации;

- достаточная механическая прочность, отвечающая условиям монтажа, транспортирования и хранения мембран;

- низкая стоимость.

Мембранные аппараты и установки.

Простейшая мембранная система состоит из питающего насоса и мембранного модуля, соединенных последовательно. Очищаемая вода проходит через мембрану под давлением, а концентрат непрерывно удаляется через управляемый клапан. Отношение расхода очищенной воды к расходу подаваемой на установку называется коэффициентом выхода фильтрата и выражается в процентах.

Создать аппарат, который в полной мере удовлетворял бы всем требованиям, чрезвычайно трудно. Поэтому для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать конструкцию аппарата, обеспечивающую наиболее выгодные условия проведения именно этого процесса.

Для производства ультрачистой воды, может быть использована двухступенчатая обработка воды («ступенчатый продукт»). При этом очищенная на первой ступени вода насосом подается на вторую ступень, где повторно обессоливается, чем достигается более глубокая степень её деминерализации.

Экономичность применения обратного осмоса возрастает при использовании его для концентрирования продуктов, содержащихся в промышленных сточных водах, например при извлечении солей тяжелых металлов (никеля, меди, кадмия и др.) из сточных вод цехов гальванопокрытий, а также нитратов из конденсатов производства азотных удобрений с целью последующей их утилизации.

Принципиально технология мембранной очистки сточных вод аналогична обработке природных вод. Специфика заключается лишь в более тщательной подготовке сточных вод перед подачей на мембранные установки. Очистка сточных вод без предварительной их обработки, обеспечивающей глубокое удаление взвешенных и мелкодисперсных примесей, может привести к механическим повреждениям мембран и износу питающих насосов.

Основные принципы создания бессточных систем водопользования

Наиболее эффективный способ защиты водных объектов от загрязнения сточными водами промышленных предприятий заключается в создании замкнутых систем оборотного водоснабжения и переходе на бессточный режим водоиспользования, лучше всего отвечающий задаче сохранения природных ресурсов и защите окружающей среды.

При переходе на бессточные системы должен учитываться технико-экономический фактор. Достижение бессточности любыми средствами может приводить к непомерным капитальным и эксплуатационным расходам. Поэтому при проектировании систем водного хозяйства с переходом на бессточный режим водоиспользования должен предшествовать ряд мероприятий, направленных на максимальное внедрение безводных или маловодных технологических процессов производства, сокращение объемов водопотребления, количества сточных вод и утилизацию уловленных из сточных вод продуктов.

Под замкнутой системой водного хозяйства предприятия понимается такая система водопользования, когда основным источником водоснабжения являются очищенные производственные, бытовые и поверхностные сточные воды при исключении образования отходов и сброса сточных вод в водоёмы.

Свежая вода в этих случаях используется только на воспроизводство воды в системах, объем которых превышает количество очищенных производственных, бытовых и поверхностных сточных вод предприятия. Коэффициент использования свежей (забранной) воды в этом случае равен 100%.

В малоотходном производстве при отведении сточных вод в водоём система водного хозяйства предприятия оценивается коэффициентом использования свежей воды и коэффициентом использования воды в обороте, определяемом по формуле:

где: QСВ и QОБ - количество свежей воды, забираемой из источника, и оборотной воды, м3/час.

Основными принципами создания замкнутых систем водного хозяйства промышленных объектов являются:

- применение новых, более совершенных технологических процессов производства товарного продукта, обеспечивающих максимально полную комплексную переработку сырьевых ресурсов, снижение водопотребления технологических процессов, создание локальных замкнутых систем технического водоснабжения, сокращение количества и загрязненности отводимых сточных вод, очистка которых для повторного использования может быть осуществлена экономичными методами;

- использование в качестве основного источника водоснабжения очищенных производственных, бытовых и поверхностных сточных вод, создание единой системы водного хозяйства, включающей водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод, как подготовку их для повторного использования;

- создание технически и экономически рациональной системы использования воды, включающей локальные технологические замкнутые системы водопользования и беспродувочную оборотную систему охлаждающего водоснабжения с соответствующей очисткой и подготовкой (стабилизацией) оборотных и продувочных вод;

- применяемые для очистки сточных вод методы должны обеспечивать извлечение и утилизацию ценных компонентов, и требуемое качество очищенных сточных вод, как по технологическим, так и по гигиеническим показателям, а также доведение образующихся отходов до товарного продукта или вторичного сырья.

Основой замкнутых систем водопользования являются локальные замкнутые системы технического водоснабжения. Чаще всего это использование воды в замкнутом цикле в одной и той же технологической операции.

Централизованные замкнутые системы технического водопользования предполагают использование очищенных сточных вод в нескольких технологических операциях.

Замкнутые системы охлаждающего водоснабжения могут быть как локальными для отдельных цехов, так и централизованными для всего предприятия в целом.

Предотвращение отложений и коррозии в системах оборотного водоснабжения, стабилизационная обработка оборотной воды

Оборотные системы водоснабжения на металлургических предприятиях подразделяются на две группы:

1) системы, в которых циркулирует чистая вода - условно чистые;

2) системы с циркулирующими очищенными сточными водами - так называемые загрязненные циклы.

Опыт эксплуатации систем газоочисток показывает, что аппараты и трубопроводы этих систем зарастают плотными солевыми отложениями. Из-за образования таких отложений возникают серьезные осложнения при работе оборотных систем водоснабжения газоочисток доменных печей, конвертеров, агломерационных фабрик, электрофферосплавных печей, использующих воду в замкнутых циклах. Толщина отложений бывает настолько велика, что вызывает нарушения работы агрегатов, снижает их производительность и, часто, служит причиной внеплановых остановок печей для очистки аппаратов газоочисток от отложений; в ряде случаев интенсивные отложения вынуждают отказываться от оборотных систем водоснабжения.

Установлено, что отложения состоят, в основном, из карбоната и сульфата кальция. В системах оборотного водяного охлаждения теплонагруженных деталей (в чистых циклах) образуются преимущественно отложения СаСО3. Причиной их возникновения является сдвиг углекислотного равновесия под воздействием повышенной температуры.

Промышленные отходы

Отходы - остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий или продуктов, которые образовались в процессе производства или потребления, а также товары (продукция), утратившие свои потребительские свойства.

Отходы производства - остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, образовавшиеся при производстве продукции или выполнении работ и утратившие полностью или частично исходные потребительские свойства; вновь образующиеся в процессе производства попутные вещества, не находящие применения. В отходы производства включаются вмещающие и вскрышные породы, образующиеся при добыче полезных ископаемых, побочные и попутные продукты, отходы сельского хозяйства.

Все опасные отходы классифицируются по степени их вредного воздействия на человека и окружающую среду:

- отходы чрезвычайно опасные;

- особо опасные (высокоопасные);

- отходы опасные;

- отходы малоопасные.

Основные показатели статистики токсичных отходов:

Размещение (удаление) отходов - любая операция по хранению и захоронению отходов.

Опасные отходы - отходы, которые содержат вредные вещества, обладающие опасными свойствами (токсичностью, взрывоопасностью, пожароопасностью, высокой реакционной способностью) или содержащие возбудителей инфекционных болезней, либо которые могут представлять непосредственную или потенциальную опасность для окружающей природной среды и здоровья человека самостоятельно или при вступлении в контакт с другими веществами;

обращение с отходами - деятельность, в процессе которой образуются отходы, а также деятельность по сбору, использованию, обезвреживанию, транспортированию, размещению отходов;

размещение отходов - хранение и захоронение отходов;

хранение отходов - содержание отходов в объектах размещения отходов в целях их последующего захоронения, обезвреживания или использования;
захоронение отходов - изоляция отходов, не подлежащих дальнейшему использованию, в специальных хранилищах в целях предотвращения попадания вредных веществ в окружающую природную среду;

использование отходов - применение отходов для производства товаров (продукции), выполнения работ, оказания услуг или для получения энергии;

обезвреживание отходов - обработка отходов, в том числе сжигание и обеззараживание отходов на специализированных установках, в целях предотвращения вредного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую природную среду;

Лимит на размещение отходов - предельно допустимое количество отходов конкретного вида, которые разрешается размещать определенным способом на установленный срок в объектах размещения отходов с учетом экологической обстановки на данной территории.

Объект размещения отходов - специально оборудованное сооружение, предназначенное для размещения отходов (полигон, шламохранилище, хвостохранилище, отвал горных пород и другое);

Деятельность по обращению с опасными отходами подлежит лицензированию. Обязательным условием лицензирования деятельности по обращению с опасными отходами является соблюдение требований охраны здоровья человека и охраны окружающей природной среды.

Порядок лицензирования деятельности по обращению с опасными отходами определяет Правительство Российской Федерации.

При проектировании, строительстве, реконструкции, консервации и ликвидации предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, в процессе эксплуатации которых образуются отходы, обязаны:

- соблюдать экологические, санитарные и иные требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека;

- иметь техническую и технологическую документацию об использовании, обезвреживании образующихся отходов.

Строительство, реконструкция, консервация и ликвидация предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, эксплуатация которых связана с обращением с отходами, допускаются при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы.

При проектировании жилых зданий, а также предприятий, зданий, строений, сооружений и иных объектов, в процессе эксплуатации которых образуются отходы, необходимо предусматривать места (площадки) для сбора таких отходов в соответствии с установленными правилами, нормативами и требованиями в области обращения с отходами.

Предприятия обязаны:

- соблюдать экологические, санитарные и иные требования, установленные законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды и здоровья человека;

- разрабатывать проекты нормативов образования отходов и лимитов на размещение отходов в целях уменьшения количества их образования;

- внедрять малоотходные технологии на основе новейших научно-технических достижений;

- проводить инвентаризацию отходов и объектов их размещения;

- проводить мониторинг состояния окружающей природной среды на территориях объектов размещения отходов;

- предоставлять в установленном порядке необходимую информацию в области обращения с отходами;

- соблюдать требования предупреждения аварий, связанных с обращением с отходами, и принимать неотложные меры по их ликвидации;

- в случае возникновения или угрозы аварий, связанных с обращением с отходами, которые наносят или могут нанести ущерб окружающей природной среде, здоровью или имуществу физических лиц либо имуществу юридических лиц, немедленно информировать об этом специально уполномоченные федеральные органы исполнительной власти в области обращения с отходами, органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, органы местного самоуправления.

Требования к объектам размещения отходов:

1. Создание объектов размещения отходов допускается на основании разрешений, выданных специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти в области обращения с отходами в соответствии со своей компетенцией.

2. Определение места строительства объектов размещения отходов осуществляется на основе специальных (геологических, гидрологических и иных) исследований в порядке, установленном законодательством Российской Федерации, и при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы.

3. На территориях объектов размещения отходов и в пределах их воздействия на окружающую природную среду собственники объектов размещения отходов, а также лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов, обязаны проводить мониторинг состояния окружающей природной среды в порядке, установленном специально уполномоченными федеральными органами исполнительной власти.

4. Собственники объектов размещения отходов, а также лица, во владении или в пользовании которых находятся объекты размещения отходов, после окончания эксплуатации данных объектов обязаны проводить контроль за их состоянием и воздействием на окружающую природную среду и работы по восстановлению нарушенных земель в порядке, установленном законодательством Российской Федерации.

...