Очищення стічних вод

ОЧИ́ЩЕННЯ СТІЧНИ́Х ВОД  — оброблення з метою руйнування або видалення з них певних речовин та доведення якості стічної води до нормативних вимог для відведення у водні об’єкти або використання у виробничих процесах замість свіжої води. Стічні води (С. в.) поділяють на виробничі, побутові, атмосферні. Вироб. С. в. уміщують усі ті речовини, що використовують на конкрет. виробництві, побутові — утворюються внаслідок життєдіяльності людства й містять переважно забруднення біоген. складу та супутні для побут. діяльності (фармацевт. препарати, поверхнево-активні речовини тощо), атмосферні — під час дощу, танення снігу, льоду, граду. Відведення С. в. здійснюють через пром., загальносплавну та ливневу каналізацію. Пром. С. в. залежно від типу й ступеня забруднення поділяють на 3 осн. групи: забруднені переважно мінерал. домішками, орган. речовинами та такі, що містять і мінерал., і орган. забруднення. Побут., пром. та ливневі С. в. направляють для біол. очищення (див. Біологічне очищення води) у загальносплавну каналізацію за таких умов: витримується оптимал. співвідношення орган. вуглецю, азоту та фосфору, мікроелементів, не перевищуються нормат. вимоги до мінералізації, вмісту забруднювал. речовин, відсутні сполуки, токсичні для мікроорганізмів. У разі недотримання вищенаведених умов С. в. спрямовують у пром. або ливневу каналізацію та піддають поперед. очищенню для їх досягнення. Якщо попереднє оброблення таких С. в. забезпечує необхід. рівень очищення для повтор. використання або скиду у водойму, біол. очищення є недоцільним. Вибір конкрет. методу очищення води при скиданні в пром. чи ливневу каналізацію або водойму засн. на єдиному принципі, що дозволяє визначати метод очищення за її найбільш заг. властивістю — фазово-дисперс. станом. Фазово-дисперсна характеристика речовин з урахуванням їх хім. особливостей зумовлює поведінку цих сполук у водному середовищі та їхнє ставлення до реагентів, що вводяться. Розглянуті уявлення лягли в основу класифікації, запропонованої академік Л. Кульським: усі речовини, що забруднюють воду, можуть бути об’єднані в 4 групи із загальною для кожної з них фіз.-хім. характеристикою: дві групи віднесені до гетероген. систем, а дві — до гомогенних. Гетерогенні системи — зважені речовини, колоїди, емульсії, піни, а гомогенні — речовини, що утворюють у воді молекулярні або іонні розчини. Кожна група цих забруднювал. речовин може бути вилучена під час застосування окремих або комбінованих фіз., хім., фіз.-хім. методів, що враховують фазово-дисперс. склад забруднювачів та специфіку їхньої поведінки у воді. До фіз. методів очищення належать проціджування, відстоювання, фільтрування. Фіз.-хім. методи охоплюють коагуляцію, флотацію, сорбцію, екстракцію, відгонку з водяною парою, іонний обмін, мембранні процеси (мікрофільтрацію, ультрафільтрацію, зворот. осмос, нанофільтрацію, первапорацію, мем­бранну дистиляцію, електродіаліз). Хім. методи використовують процеси нейтралізації, окиснення, відновлення.

Під час вибору методу О. с. в. потрібно зважати на те, що очищення є комплекс. завданням, що потребує для свого вирішення комбінації різних способів для досягнення макс. ефективності. Для вилучення зі С. в. гетероген. грубодисперс. домішок використовують переважно фіз. методи: процеси проціджування, відстоювання, фільтрування та гідроциклони. Для поперед. видалення грубодисперс. забруднень (0,20…0,25 мм) застосовують пісковловлювачі, а подальше освітлення води відбувається у відстійниках, освітлювачах, гідроциклонах. В освітлювачах одночасно з відстоюванням відбувається фільтрування води через шар завислих частинок. Вилучення зі С. в. домішок колоїд. ступеня дисперсності розміром 10^-8–10^-9 м здійснюють за допомогою фіз. та фіз.-хім. методів. Домішками колоїд. ступеня дисперсності можуть бути високомолекулярні сполуки, поверхнево-активні речовини, емульсії, піни, віруси та ін. мікроорганізми. Суть коагуляції полягає в злипанні колоїдно-дисперс. частинок та прогресуючого укрупнення частинок із зменшенням їхнього заг. числа в об’ємі води при додаванні коагулянту. Як коагулянти найчастіше використовують сульфат алюмінію, сульфат і хлорид та гідроксихлориди заліза. Під час розчинення коагулянтів у воді відбувається їх гідроліз і утворюються малорозчинні гідроксиди. Вони виділяються із води, утворюючи колоїдні частинки, що під впливом електролітів води коагулюють і випадають в осад разом із колоїдами, що забруднюють воду. Осад відстоюють й освітлену стічну воду фільтрують. Суть процесу флотації полягає у специф. взаємодії зважених речовин і нерозчин. домішок із пухирцями тонко диспергованого у воді повітря. На поверхні води утворюється шар шламу з речовиною, яку видаляють. Флотацію використовують для О. с. в. від твердих завислих частинок, нафтопродуктів, мастил, жирів, поверхнево-актив. речовин. Для підвищення видалення колоїд. або розчинених забруднень води застосовують реагентну флотацію з додаванням розчинів коагулянтів. Ефективність видалення забруднень у процесі флотації досягає 90–98 % при часі перебування води у флотац. установках 20–30 хв. Заг. перевага флотації перед відстоюванням полягає в отриманні шламу з вологістю в 2–10 разів меншою, ніж при відстоюванні.

Для О. с. в., що належать до гомоген. систем і містять домішки молекуляр. або іонного ступеня дисперсності (гази, неіонізовані та іонізовані мінерал. та орган. речовини), застосовують десорбцію газів, адсорбцію на активов. вугіллі та ін. матеріалах, екстрак­цію орган. розчинниками, хім. окиснення. Адсорбц. процеси — найбільш універсал. метод видалення розчинених орган. речовин із води і суть їх полягає в суттєвому збільшенні концентрації речовини, що вилучається, на межі розподілу фаз у порівнянні з об’є­мом. Активов. вугілля використовували ще в Давній Індії, від кін. 18 ст. його почали застосовувати в пром. цілях, а вже у 20 ст. його стали широко вживати для очищення природних і С. в. Сорбц. процеси забезпечують найвищу якість очищення і їхнє використання доцільне при невеликих концентраціях орган. речовин у воді (~0,01–0,02 %), тому їх застосовують на завершал. стадії в інтегров. технол. схемах О. с. в. Екстракцію та відгонку з водяною парою використовують частіше для очищення концентров. пром. стіч. вод для одержання концентратів для подальшого використання. Окиснювал. хім. методи застосовують для О. с. в., що містять токсичні орган. домішки, які під впливом окислювачів утворюють більш прості сполуки, що легко засвоюються мікроорганізмами при біол. очищенні або в процесах самоочищення водойм. До окислювал. процесів належать як окиснювал. методи із застосуванням хім. реагентів різної природи, так і термоокислювал., електрохім., радіац.-окиснювал. методи. Як хім. реагенти застосовують хлор та його сполуки, перо­ксид водню, озон, повітря, сполуки мангану. Широкого застосування для О. с. в. набули т. зв. окислювал. процеси підвищеної ефективності — AOP (Advanced Oxidation Processes). Їх визначають як окисні методи, що базуються на використанні високоактив. гідроксил. радикалів ОН^- та ін. До найбільш ефективних та екологічно прийнятних АОР належать: фотохімічні — спільна дія ультрафіолет. опромінення та окисників (перо­ксид водню, озон, персульфат тощо); каталітичні — поєднання Fe²⁺/H₂O (Фентон); О₃/каталізатор, О₂/Н₂О₂; гетерогенні та гомогенні фотокаталіт. процеси — TiO₂/ультрафіолет, ZnO/ультрафіолет, Fe²⁺(Fe³⁺)/Н₂О₂/ультрафіолет (фото-Фентон), О₃/TiO₂/ультрафіолет та їх комбінації. Переваги АОР полягають у швидкості протікання реакцій окиснення та неселективності, тобто одночас. окисненні різноманіт. забруднень. Різні варіанти складу процесів АОР дозволяють у всіх випадках досягти необхід. глибини очищення від усіх орган. сполук. Термоокислювал. методи очищення застосовують при невеликих об’ємах вод із високою концентрацією орган. забруднень. Парофазне окиснення (вогневий метод) здійснюють при т-рі 700–1000 °С, рідкофазне знезараження (мокре спалювання) — 100–350 °С та тиску 2–28 МПа, каталіт. окиснення — 350–400 °С у присутності каталізаторів Pt, Pd, Cu, Zn, Mn. Процеси електрохім. окиснення і відновлення компонентів С. в. розроблені для очищення від токсич. неорган. домішок (ціаніди, роданіди, аміни, сульфіди), а також для знешкодження важко окиснювал. орган. сполук. У процесах електрохім. окиснення вони розкладаються з утворенням СО2, NH3 та води чи утворюють більш прості й нетоксичні речовини, що можна видалити ін. методами. Оброблення здійснюють в електролізерах, де проходить декілька процесів: окиснення на аноді, електрокоагуляція, електрофорез колоїд. частинок, електрофлотація. Для вилучення іонів металів, зокрема важких, залежно від їхньої концентрації й компонент. складу стіч. води використовують реагентні, сорбц., іонообмінні, електрохім., мембранні методи. При реагент. методі застосовують перетворення високо токсич. іонів у нетоксичні сполуки шляхом їх осадження із використанням гідроксидів натрію чи калію, карбонату натрію, сульфіду натрію, вапняного молока, коагулянтів. Для оброблення великих об’ємів С. в. із відносно невеликим вмістом іонів металів варто використовувати іонний обмін, що засн. на явищі вибірк. оборот. обміну іонами між двома фазами — фазою іоніту та електролітом. Іоніти мають у своєму складі здатні до іонізації (дисоціації) функціонал. групи, що зв’язані із жорстким каркасом з орган. або неорган. компонентів. Функціонал. група складається із закріпленого на матриці (каркасі) анкер. іона та протиіона. Як протиіони можуть виступати будь-які катіони (для катіонітів) або аніони (для аніонітів). Процес обміну іонами між фазою йоніта та електроліта можна розглядати як оборотну хім. реакцію. При сорбц. вилученні йонів кольор. і важких металів варто використовувати сучасні сорбенти, що одержують із природ. матеріалів і відходів, а також біосорбенти. Перспективним є використання сорбентів із природ. алюмосилікатів, хелатних волокнистих або гранульов. сорбентів, що містять хімічно активні групи, що взаємодіють з іонами металів з утворенням хелатних комплексів. В основі біосорбції металів лежать процеси взаємодії іонів металів із поверхн. групами мікроорганізмів або їх метаболітів чи екзополісахаридів (ЕПС). До біосорбентів належать різні біоактивні клітини (живі чи мертві) — бактерії, водорості, гриби, дріжджі, що здатні селективно акумулювати на своїй поверхні йони металів.

Для знесолення С. в. та їх очищення від орган. і неорган. забруднень окрім іонного обміну використовують мембранні технології та термічну демінералізацію. Іонообмінні процеси доцільно використовувати для С. в. із мінералізацією до 3 кг/м3, мембранні технології застосовують при мінералізації від 3 до 10–15 кг/м3, а при мінералізації понад 15 кг/м3 — термічні методи (зокрема виморожування). Процеси мембран. розділення відбуваються за допомогою напівпроникливих мембран, що мають переважну проникливість для одного чи кількох компонентів рідкої суміші. Явище самовіл. проникнення молекул води у більш насичений розчин крізь тонку пористу пластину орган. походження (мембрану) відкрито ще 1748 і лише 1927 нім. фірма «Сарторіус» уперше одержала зразки штуч. мембран. Дещо згодом амер. вчені запатентували структуру штуч. мембрани з полімер. матеріалів. Від серед. 1980-х рр. з’явилися мембрани з неорган. матеріалів — кераміки, металокераміки. Мембранні процеси можуть бути обумовлені градієнтами: тиску (баромембранні процеси — зворот. осмос, нано-, ультра- та мікрофільтрація); електр. потенціалу (електродіаліз), а також градієнтом фактору, що визначає швидкість даного процесу (первапорація, мембранна дистиляція). При зворот. осмосі напівпрониклива мембрана пропускає воду й повністю або частково затримує іони чи молекули розчинених речовин. Реалізується при тисках 7–10 МПа. Ультрафільтрація — процес розділення розчинів високо- та низькомолекуляр. сполук, видалення високомолекуляр. та колоїд. домішок, бактерій при робочому тиску 0,05–5 МПа. У процесі нанофільтрації частково утримуються низькомолекулярні електроліти (NaCl на 40–60 %), орган. сполуки на 99 %, різниця тисків складає 1–2 МПа. Мікрофільтрацію застосовують для видалення зі С. в. завислих речовин розміром 0,1–100 мкм, різниця тисків — 0,01–0,05 МПа. Первапорацію використовують для вилучення з води невеликих кількостей органіки, а мембранну дистиляцію — для опріснення та знесолення води. Електродіаліз — процес переносу іонів через селективні іонообмінні мембрани під дією постій. електр. струму, що може здійснюватися проти градієнта концентрації іонів. Електродіаліз використовують для сепарації неелектролітів та електролітів, концентрування електролітів, знесолення й опріснення води.

В Україні принципово новий напрям — хімія і технологія очищення води — зародився у 1930-і рр. Його засн. був Л. Кульський, який водночас із розвитком теор. питань досяг успіхів у вирішенні багатьох інж. проблем охорони водних об’єктів. Знач. внесок у розвиток наук. дослідж. у галузі хімії і технології води зробили його соратники й послідовники О. Когановський, М. Шевченко, І. Гороновський, М. Ротмістров, А. Запольський, Н. Мєшкова-Клименко. Продовженням цієї науки стали роботи академік В. Гончарука, який створив і розвинув новий напрям у галузі хімії й технології водоочищення — каталіт. і фотокаталіт. знешкодження токсич. домішок у воді.

Завантажити статтю