Очистка сточных вод экстракцией
Коагуляция и флокуляция
Коагуляция.Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размером 3-100 мкм. В результате коагуляции образуются агрегаты, состоящие из скопления мелких частиц.
Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку дисперсионной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.
К основным методам коагуляционной очистки относятся: коагуляция электролитами, гетерокоагуляция, в том числе взаимная коагуляция коллоидов, коагуляция под действием физических или химических факторов (перемешивание, нагревание, замораживание).
Основным процессом коагуляционной очистки сточных вод является гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении коагулянтов в воду. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.
Для очистки сточных вод применяют различные минеральные коагулянты:
1. Соли алюминия – сульфат алюминия Al2(SO4)3·18H2O; алюминат натрия NaAlO2, гидроксохлорид алюминия Al2(OH)5Cl, алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O или алюмоаммонийные NH4Al(SO4)2·12H2O квасцы.
2. Соли железа – сульфаты железа Fe2(SO4)3·2H2O, FeSO4·7H2O, хлорид железа FeCl3.
3. Известь.
4. Соли магния – MgCl2·6H2O, Mg SO4·7H2O.
Кроме названных коагулянтов, для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.
Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.
В результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные мелкодисперсные и коллоидные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок:
Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H3SO4;
FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl;
FeSO4 + 2H2O → Fe(OH)2 + H2SO4;
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.
Образующуюся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты следует нейтрализовать известью или другими щелочами.
В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных величин pH. Так, значение pH при оптимальных условиях коагуляции: Al2(SO4)3 – от 5 до 7,5; для NaAlO2 от 9,3 до 9,8, для Fe2+ pH 9,5 и выше, для Fe3+ рН 6-9.
Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использования для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.
При использовании смесей А12(SO4)3 и FеС13 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев. В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные. Коагулянты вводят в сточную воду с помощью дозаторов различных конструкций в виде 10-50 %-ных растворов. Объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10-20 % объема обрабатываемой сточной воды.
Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.
Флокуляция.Это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.
Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.
В зависимости от состава полярных групп флокулянты подразделяют следующим образом:
1) неионогенные – полимеры, содержащие неионогенные группы: –OH, =CO (поливиниловый спирт, полиакрилонитрил, крахмал, оксиэтилцеллюлоза);
2) анионные – полимеры, содержащие анионные группы: –COOH, –OSO3H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты);
3) катионные – полимеры, содержащие катионные группы: –NH2, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина и др.)
4) амфотерные – полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы (полиакриламид, белки и др.).
Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются в среднем 0,5-1 г/м3, в виде 0,1-1 % растворов.
Эффективность действия любого флокулянта рассчитывают по формуле:
где wсф и w — скорость осаждения сфлокулированного и несфлоку-лированного шлама соответственно, мм/с; q — расход флокулянта на 1 т твердого вещества, г.
Для смешения коагулянтов и флокулянтов с водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды, механические смесители представляют собой мешалки пропеллерного или лопастного типа.
Схема гидравлического смесителя показана на рис. 10.
Рис. 10. Аппарат для коагуляции: а — перегородчатый смеситель: 1 — коридор, 2 — перегородка, 3 — окно.
После смешения сточных вод с реагентами, воду направляют в камеры хлопьеобразования. Используют перегородчатые, вихревые и с механическими мешалками камеры. Образование хлопьев в камерах протекает медленно — за 10-30 мин.
Коагуляция и флокуляция
Коагуляция.Это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т. е. частиц размером 3-100 мкм. В результате коагуляции образуются агрегаты, состоящие из скопления мелких частиц.
Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку дисперсионной среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и уменьшением их общего числа в объеме дисперсионной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных – гетерокоагуляцией.
К основным методам коагуляционной очистки относятся: коагуляция электролитами, гетерокоагуляция, в том числе взаимная коагуляция коллоидов, коагуляция под действием физических или химических факторов (перемешивание, нагревание, замораживание).
Основным процессом коагуляционной очистки сточных вод является гетерокоагуляция – взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц с агрегатами, образующимися при введении коагулянтов в воду. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.
Для очистки сточных вод применяют различные минеральные коагулянты:
1. Соли алюминия – сульфат алюминия Al2(SO4)3·18H2O; алюминат натрия NaAlO2, гидроксохлорид алюминия Al2(OH)5Cl, алюмокалиевые KAl(SO4)2·12H2O или алюмоаммонийные NH4Al(SO4)2·12H2O квасцы.
2. Соли железа – сульфаты железа Fe2(SO4)3·2H2O, FeSO4·7H2O, хлорид железа FeCl3.
3. Известь.
4. Соли магния – MgCl2·6H2O, Mg SO4·7H2O.
Кроме названных коагулянтов, для обработки сточных вод могут быть использованы различные глины, алюминийсодержащие отходы производства, травильные растворы, пасты, смеси, шлаки, содержащие диоксид кремния.
Выбор коагулянта зависит от его состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от рН и солевого состава воды.
В результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия, которые сорбируют на развитой хлопьевидной поверхности взвешенные мелкодисперсные и коллоидные вещества и при благоприятных гидродинамических условиях оседают на дно отстойника, образуя осадок:
Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H3SO4;
FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl;
FeSO4 + 2H2O → Fe(OH)2 + H2SO4;
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3.
Образующуюся в процессе гидролиза серную и соляную кислоты следует нейтрализовать известью или другими щелочами.
В целях уменьшения расходов коагулянтов процесс коагуляции следует осуществлять в диапазоне оптимальных величин pH. Так, значение pH при оптимальных условиях коагуляции: Al2(SO4)3 – от 5 до 7,5; для NaAlO2 от 9,3 до 9,8, для Fe2+ pH 9,5 и выше, для Fe3+ рН 6-9.
Соли железа как коагулянты имеют ряд преимуществ перед солями алюминия: лучшее действие при низких температурах воды; более широкая область оптимальных значений рН среды; большая прочность и гидравлическая крупность хлопьев; возможность использования для вод с более широким диапазоном солевого состава; способность устранять вредные запахи и привкусы, обусловленные присутствием сероводорода. Однако имеются и недостатки: образование при реакции катионов железа с некоторыми органическими соединениями сильно окрашивающих растворимых комплексов; сильные кислотные свойства, усиливающие коррозию аппаратуры; менее развитая поверхность хлопьев.
При использовании смесей А12(SO4)3 и FеС13 в соотношениях от 1:1 до 1:2 достигается лучший результат коагулирования, чем при раздельном использовании реагентов. Происходит ускорение осаждения хлопьев. В полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных, так как крупные частицы при оседании увлекают за собой более мелкие. Форма частиц также влияет на скорость коагуляции. Например, удлиненные частицы коагулируют быстрее, чем шарообразные. Коагулянты вводят в сточную воду с помощью дозаторов различных конструкций в виде 10-50 %-ных растворов. Объем осадка, получающегося в результате коагуляции, достигает 10-20 % объема обрабатываемой сточной воды.
Коагуляционный метод очистки применяется в основном при небольших расходах сточных вод и при наличии дешевых коагулянтов.
Флокуляция.Это процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами. В отличие от коагуляции при флокуляции агрегация происходит не только при непосредственном контакте частиц, но и в результате взаимодействия молекул адсорбированного на частицах флокулянта.
Флокуляцию проводят для интенсификации процесса образования хлопьев гидроксидов алюминия и железа с целью повышения скорости их осаждения. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность процесса коагуляции и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.
В зависимости от состава полярных групп флокулянты подразделяют следующим образом:
1) неионогенные – полимеры, содержащие неионогенные группы: –OH, =CO (поливиниловый спирт, полиакрилонитрил, крахмал, оксиэтилцеллюлоза);
2) анионные – полимеры, содержащие анионные группы: –COOH, –OSO3H (активная кремниевая кислота, полиакрилат натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты);
3) катионные – полимеры, содержащие катионные группы: –NH2, =NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина и др.)
4) амфотерные – полимеры, содержащие одновременно анионные и катионные группы (полиакриламид, белки и др.).
Скорость и эффективность процесса флокуляции зависят от состава сточных вод, их температуры, интенсивности перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов. Дозы флокулянтов принимаются в среднем 0,5-1 г/м3, в виде 0,1-1 % растворов.
Эффективность действия любого флокулянта рассчитывают по формуле:
где wсф и w — скорость осаждения сфлокулированного и несфлоку-лированного шлама соответственно, мм/с; q — расход флокулянта на 1 т твердого вещества, г.
Для смешения коагулянтов и флокулянтов с водой применяют гидравлические и механические смесители. В гидравлических смесителях смешение происходит вследствие изменения направления движения и скорости потока воды, механические смесители представляют собой мешалки пропеллерного или лопастного типа.
Схема гидравлического смесителя показана на рис. 10.
Рис. 10. Аппарат для коагуляции: а — перегородчатый смеситель: 1 — коридор, 2 — перегородка, 3 — окно.
После смешения сточных вод с реагентами, воду направляют в камеры хлопьеобразования. Используют перегородчатые, вихревые и с механическими мешалками камеры. Образование хлопьев в камерах протекает медленно — за 10-30 мин.
Очистка сточных вод экстракцией
Экстракционный метод очистки сточных вод состоит в обработке их каким-либо практически несмешивающимся с водой растворителем – экстрагентом, в котором подлежащие удалению примеси достаточно хорошо растворимы. Метод основан на законе распределения, согласно которому вещество находящееся в системе, образованной двумя жидкими фазами, в каждой из которых оно растворимо, при установившемся равновесии так распределяется между фазами, что отношение его концентрации в них является постоянной величиной и называется коэффициентом распределения
Kр=Сэ/Сст=const,
где Сэ, Сст – концентрации экстрагируемого вещества в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии, кг/м3.
Коэффициент распределения зависит от температуры, при которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей в сточных водах и экстрагенте.
После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно выше, чем в обрабатываемой сточной воде. Сконцентрированное в экстрагенте вещество отделяется от растворителя и может быть утилизировано. Экстрагент после отделения экстрагируемого вещества вновь используется в технологическом процессе очистки.
Примеси, удаляемые в результате экстракционной очистки, являются органическими веществами (фенол, анилин, уксусная кислота, жирные кислоты), так как в основном лишь они лучше растворяются в используемых экстрагентах, чем в воде.
Метод экстракционной очистки экономически целесообразен при значительной концентрации органических примесей или при высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства продуктов применение экстракции рационально при концентрации их 2 г/дм3 и более.
В качестве экстрагентов обычно применяются органические растворители – бензол, тетрахлорид углерод, бутилацетат, диэтиловый эфир, толуол, минеральные масла, амиловый спирт и др. Для успешного протекания процесса экстракции Экстрагент должен иметь следующие свойства:
1. Хорошую экстрагирующую способность по отношению к экстрагируемому веществу, т.е. высокий коэффициент распределения.
2. Селективность, т.е. способность экстрагировать из воды одно вещество или определенную их группу.
3. Малую растворимость в воде.
4. Плотность, отличающуюся от плотности воды.
5. Температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры кипения экстрагируемого вещества.
6. Небольшую удельную теплоту испарения и малую теплоемкость, что позволяет снизить расходы пара и охлаждающей воды.
7. Возможно меньшие огнеопасность, взрывоопасность и токсичность.
8. Экстрагент не должен подвергаться гидролизу и взаимодействовать с экстрагируемым веществом, материалом трубопроводов и запорно-регулирующей арматурой экстракционной установки.
9. Низкую стоимость.
Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно разделить на перекрестнопоточные, ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные. Прямоток не применим в процессах экстракции.
Практическое применение получили методы ступенчато-противоточной и непрерывно-противоточной экстракции. При ступенчато-противоточной экстракции каждая ступень включает перемешивающее устройство для смешения фаз и отстойник или сепаратор для их разделения. Схема ступенчато-противоточной экстракции приведена на рис. 11. Вода и экстрагент движутся навстречу друг другу.
Рис. 11. Схема процесса ступенчато-противоточной экстракции:
1 – подача сточной воды; 2, 3, 4 – экстракционные установки; 5 – подача чистого экстрагента; 6 – отвод отработанного экстрагента; 7 – очищенная сточная вода; 8 – отстойники.
Конечная концентрация экстрагируемого вещества в сточной воде может быть определена по формуле
,
где Ск и Сн – соответственно конечная и начальная концентрация экстрагируемого вещества в воде, кг/м3;
kр – коэффициент распределения;
n – число экстракций;
b – удельный расход экстрагента для одной экстракции, м3/м3
,
где W – общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию, м3;
Q – объем сточных вод, подвергающихся экстракции, м3.
Анализ уравнения позволяет сделать вывод о большой эффективности многократной экстракции.
При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде; при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент. Противоточные схемы экстракции обеспечивают высокую движущую силу процесса экстракции.