При спуске производственных сточных вод в водоем или в городскую канализационную сеть практически нейтральными следует считать смеси с рН = 6,5ч8,5. Следовательно, подвергать нейтрализации следует сточные воды с рН менее 6,5 и более 8,5, при этом необходимо учитывать нейтрализующую способность водоема, а также щелочной резерв городских сточных вод. Из условий сброса производственных сточных вод в водоем или городскую канализацию следует, что большую опасность представляют кислые стоки, которые встречаются к тому же значительно чаще, чем щелочные (количество производственных сточных вод с рН >8,5 невелико).
Если отработанные производственные сточные воды подаются в систему оборотного водоснабжения, то требования к величине активной реакции зависят от специфики технологических процессов /6/.
Наиболее часто сточные воды загрязнены минеральными кислотами: Н2SО4, азотной НNО3, соляной НСl, а также их смесями. Значительно реже в сточных водах встречаются азотистая НNО2, фосфорная Н3РО4, сернистая Н2SО3, сероводородная Н2S, плавиковая НF, хромовая Н2СrО4 кислоты, а также органические кислоты: уксусная СН3СООН, пириновая НОС6Н2(NО2)3, угольная Н2СО3, салициловая С6Н4(ОН)2 и др.
Концентрация кислот в сточных водах обычно не превышает 3%, но иногда достигает большей величины.
Выбор способа нейтрализации зависит от многих факторов: вида и концентрации кислой, загрязняющих производственные сточные воды; расхода и режима поступления отработанных вод на нейтрализацию; наличия реагентов; местных условий и т.п. /8,12/.
Окисление сточных вод
Окислительный метод очистки применяют для обезвреживания производственных сточных вод, содержащих токсичные примеси (цианиды, комплексные цианиды меди и цинка) или соединения, которые нецелесообразно извлекать из сточных вод, а также очищать другими методами (сероводород, сульфиды). Такие виды сточных вод встречаются в машиностроительной (цехи гальванических покрытий), горно-добывающей (обогатительные фабрики свинцово-цинковых и медных руд), нефтехимической (нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы), целлюлозно-бумажной (цехи варки целлюлозы) и в других отраслях промышленности.
В узком смысле окисление – реакция соединения какого-либо вещества с кислородом, а в более широком - всякая химическая реакция, сущность которой состоит в отнятии электронов от атомов или ионов. В практике обезвреживания производственных сточных вод в качестве окислителей используют хлор, гипохлорит кальция и натрия, хлорную известь, диоксид хлора, азот, технический кислород и кислород воздуха.
Среди других окислителей, которые применяются при очистке производственных сточных вод, можно назвать пероксид водорода, оксиды марганца, перманганат и бихромат калия. Эти окислители, хотя и не находят широкого применения, но и в ряде случаев могут быть использованы для окисления фенолов, крезолов, цианидсодержащих примесей и др. /9,13/.
1.2.3. Физико-химическая очистка производственных сточных вод
Физико-химические методы играют значительную роль при очистке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. В последние годы область применения физико-химических методов очистки расширяется, а доля их среди других методов очистки возрастает.
К физико-химическим методам очистки относятся коагуляция, флокуляция, сорбция, флотация, экстракция, ионный обмен, гиперфильтрация, диолиз, эвапорация, выпаривание, испарение, кристаллизация, магнитная обработка, а также методы, связанные с положением электрического поля – электрокоагуляция, электрофлотация. /10,14/.
Коагуляция
Коагуляция - это сминание частиц коллоидной системы при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты – более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных). Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды (в нашем случае – жидкости). Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.
Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,001-0,1 мкм, мелкодисперсные частицы размером 0,1-10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более.
В процессе механической очистки сточных вод достаточно легко удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяют методы коагуляции; агрегативная устойчивость при этом нарушается, образуется более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами /11,13/.
Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлоповидные скопления.
Методы коагуляции и флокуляции широко распространены для очистки сточных вод предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной, легкой, текстильной и других отраслей промышленности. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: вида коллоидных частиц, их концентрации и степени дисперсности, наличия в сточных водах электролитов и других примесей, величины электрокинетического потенциала. В сточных водах могут содержаться твердые (каолин, глина, волокна, цемент, кристаллы солей и др.) и жидкие (нефть, нефтепродукты, смолы и др.) частицы.
Коллоидные частицы, представляющие собой совокупность большого числа молекул вещества, содержащегося в сточной воде в диспергированном состоянии, при перемещении прочно удерживают покрывающий их слой воды. Обладая большой удельной площадью поверхности, коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в воде ионы преимущественно одного знака, значительно понижающие свободную поверхностную энергию коллоидных частиц. Ионы, непосредственно прилегающие к ядру, образуют слой поверхностно-ядерных ионов, или так называемый адсорбционный слой. В том слое может находится также небольшое число противоположно заряженных ионов, суммарный заряд которых, однако, не компенсирует заряда поверхностно-ядерных ионов. В связи с тем, что на границе адсорбционного слоя создается электрический заряд, вокруг границы (ядра с адсорбционным слоем) образуется диффузионный слой, в котором находятся остальные противоположно заряженные ионы, компенсирующие заряд гранул. Гранула вместе с диффузионным слоем называется мицеллой. Потенциал на границе ядра – термодинамический потенциал – равен сумме зарядов всех поверхностно-ядерных ионов. На границе адсорбционного слоя потенциал уменьшается на величину, равную сумме зарядов, находящихся в адсорбционном слое противоположно заряженных ионов. Потенциал на границе адсорбционного слоя называется электрокинетическим потенциалом./12,14/
Основным процессом коагуляционной очистки производственных сточных вод является гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц сточных вод с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.
Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты:
1.Соли алюминия. Сульфат алюминия (глинозем) Аl2(SО4)3·18Н2О (плотность 1,62 т/м3, насыпная масса 1,05 – 1,1 т/м3, растворимость в воде при температуре 20оС – 362 г/л). Процесс коагуляции солями алюминия рекомендуется проводить при значениях рН = 4,5ч8. В результате применения сульфата алюминия степень минерализации воды увеличивается. Алюминат натрия NаАlО2, оксихлорид алюминия Аl2(ОН)5Сl, полихлорид алюминия [Аl2(ОН)-nСl6-n]m(SО4)х (где 1 ≤ n ≤ 5m ≤10), алюмокалиевые [АlК(SО4)2·18 Н2О] и алюмоаммонийные [Аl(NН4)(SО4)2·12Н2О] квасцы имеют меньшую стоимость и дефицитность, чем сульфат алюминия.
2. Соли железа. Сульфат двухвалентного железа или железный купорос FеSО4·7Н2О (плотность 3 т/м3, насыпная масса 1,9 т/м3, растворимость в воде при температуре 20оС – 265 г/л). Применение процесса коагуляции оптимально при рН >9. Гидроксид железа – плотные тяжелые, быстро осаждающие хлопья, что является несомненным преимуществом его применения. Хлорид железа FеСl3·6Н2О; сульфат железа (Fе2(SО4)3·9 Н2О.
3. Соли магния. Хлорид магния МgСl2·6Н2О; сульфат магния МgSО4·7Н2О.
4. Известь
5. Шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств. Хлорид алюминия (производство этилбензола), сульфат двухвалентного железа (травление металлов), известковый шлам и др.
Количество коагулянта, необходимое для осуществления процесса коагуляции, зависит от вида коагулянта, расхода, состава, требуемой степени очистки сточных вод и определяется экспериментально.
Образующиеся в результате коагуляции осадки представляют собой хлопья размером от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Рыхлая пространственная структура хлопьев осадка обусловливает их высокую влажность до 96 – 99,9%. Плотность хлопьев осадка составляет обычно 1,01 – 1,03 т/м3. Для обесувечивания высоконцентрированных и интенсивно окрашенных вод расходы коагулянтов достигают 1-4 кг/м3; объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10-20% объема обрабатываемой сточной воды.