Сорбция Адсорбция, т.е. поглощение загрязнений поверхностью твердого тела

Сорбция

Адсорбция, т.е. поглощение загрязнений поверхностью твердого тела. осу­ществляется за счет диффузии молекул органических веществ через жидкостную пленку, окружающую частицы адсорбента, к его поверхности при перемешивании жидкости и далее внутренней диффузии молекул , скорость которой определяется строением ад­сорбента и размером молекул сорбируемого вещества. Сорбцию экономически целесо­образно применять при низких концентрациях загрязнений, т.е. на стадии глубокой очистки. В этом случае в процессе сорбции можно получить близкие к нулевым кон­центрации остаточных загрязнений.

На скорость и эффективность адсорбции влияет структура сорбента, химиче­ская природа и концентрация загрязнений, температура, активная реакция среды. При повышении температуры степень адсорбции снижается, несмотря на увеличение скорости диффузии; снижение величины рН вызывает увеличение сорбции органиче­ских веществ сточных вод; с помощью сорбции можно извлекать из воды биологиче­ски стойкие органические вещества.

Лучшими сорбентами для удаления из воды растворенных органических ве­ществ являются активные угли различных марок, эффективность которых определяется наличием в них микропор.

Суммарный объем микропор активного угля является его основной характери­стикой, которая должна приводиться для каждой марки активного угля. Интересно, что активные угли в первую очередь адсорбируют органические вещества неприродно­го происхождения, а именно: фенолы, спирты, эфиры, кетоны, нефтепродукты, амины, "жесткие" поверхностно-активные вещества, органические красители, различные хлорамины, Этот метод позволяет на стадии глубокой очистки сточных вод снизить кон­центрацию органических соединений на 90-99%.

При сорбции на уголь не должна поступать вода, содержащая взвешенные и кол­лоидные вещества, экранирующие поры активного угля. Уголь, исчерпавший свою сорбционную способность (емкость) регенерируется или полностью заменяется.

Добавление окислителей (озона или хлора) перед подачей воды на угольные фильтры позволяет увеличить срок службы активного угля до его замены, улучшить качество очищенной воды или проводить очистку от соединений азота. При со­вместном проведении сорбции и озонирования происходит синергический эффект. Озон разрушает макромолекулы, а затем активный уголь сорбирует продукты частич­ного разложения в 1,5-3 раза эффективнее, чем без предварительного окисления. Пред­полагается, что при этом происходит, во-первых, деструкция биологически трудно­окисляемых соединений с образованием окисляемых, в результате чего на угольной за­грузке протекают биологические процессы окисления органических веществ, и, во-вторых, в результате воздействия озона на макромолекулы их молекулярный вес и размеры уменьшаются, и они могут сорбироваться в истинных микропорах активного угля. Комбинация методов озонирования и сорбции позволяет снизить в 2-5 раз расхо­ды и озона и активного угля по сравнению только с сорбцией или только с озонирова­нием, а следовательно, и стоимость очистки.

При хлорировании воды с последующей сорбцией на активном угле происходит удаление аммонийного азота. При хлорировании воды, содержащей аммонийный азот, в зависимости от рН, соотношения дозы активного хлора и концентрации аммо­нийного азота образуется смесь монохлораминов, дихлораминов, треххлористого азота, сорбируемых при фильтрации активным углем, и молекулярного азота, уходя­щего в атмосферу.

Основные параметры процесса: доза хлора 8-12 мг/мг NН₄Nв зависимости от содержания органических веществ и конечных продуктов реакции сNH₄-N, скорость фильтрования 5-7 м/ч, время контакта с углем 6-10 минут, оптимальный диапазон рН 7-8, полное перемешивание воды с гипохлоритом натрия. Недостатком способа является увеличение концентрации хлоридов в очищенной воде, особенно при обработке сточ­ных вод с относительно высокой концентрацией аммонийного азота; преимуществом - увеличение срока службы угля до замены или регенерации за счет окисления органи­ческих веществ хлором на пористой поверхности угля, более высокая степень очистки от органических веществ, полное обеззараживание воды, удаление аммонийного азота с превращением в молекулярный азот, уходящий в атмосферу.

При использовании в качестве сорбентов оксидов алюминия /17/, природных минералов, содержащих Са и Mg/18/, можно осуществлять удаление из воды соедине­ний фосфора, эффективность которого иногда доходит до 100%. Однако, этот метод разработан слабо, требуется его изучение и определение технологических параметров процесса.

Коагуляция

Коагуляция - процесс нейтрализации отрицательного заряда коллоидных частиц загрязнений, присутствующих в воде, и образование относительно крупных частиц (хлопьев), способных в осаждению. При обработке воды в качестве коагулянтов ис­пользуются соли алюминия, железа, известь.

При введении в воду солей алюминия или железа переход их в гидроокись осуществляется через ряд промежуточных соединений в результате реакции с гидроксильными ионами и полимеризации. Промежуточные продукты гидролиза оказы­ваются более эффективными для удаления загрязнений, чем конечный продукт. Время существования промежуточных продуктов гидролиза очень мало и не превышает 1 с, поэтому так важно обеспечить интенсивное (быстрое) перемешивание для вступления в контакт с коагулянтом наибольшего количества загрязнений до окончания реакции гидролиза и полимеризации. В практике очистки сточных вод это обеспечивается распределением коагулянта в обрабатываемой воде в зоне наибольшей турбулентности потока при времени быстрого смешения 15-30 с и среднем градиенте скорости 200 с. Последующий процесс хлопьеобразования проходит в течение 20-30 мин. Увеличе­ние продолжительности быстрого смешения приводит к разрушению хлопьев и ухуд­шению эффекта осветления воды. Добавление флокулянтов (водорастворимых органи­ческих полимеров неионогенного, анионного и катионного типов, например, полиакриламида, КФ-91 и пр.) в малых дозах 0,5-1 мг/л увеличивает размеры и прочность хлопьев, что повышает эффективность процесса коагуляции.

Реагентная обработка является в настоящее время основным способом удаления из сточных вод соединений фосфора. При введении традиционных минеральных коагу­лянтов: солей двух- и трехвалентного железа, солей алюминия или извести, которые могут применяться самостоятельно или в сочетании с флокулянтами, растворенные соли ортофосфорной кислоты образуют нерастворимые соединения, которые выпада­ют в осадок.

При обработке сточных вод известью образуются трикальций фосфат и гидроксиапатит, выпадающие в осадок, а часть соединений фосфора, в частности поли­фосфаты, сорбируются на поверхности образующегося осадка. Реакция проходит в щелочной среде (рН 10,5-11), поэтому расход извести (200-400 мг/л по СаО) в основ­ном определяется необходимостью поддержания высокого значения рН среды, и перед сбросом очищенной воды в водоем требуется ее нейтрализация. Кроме того, при при­менении извести усложняется эксплуатация сооружений из-за образования карбонат­ных отложений на поверхности трубопроводов и оборудования, а при введении ее в первичные отстойники, т.е. на стадии механической очистки, возможна кольматация осадка.

При обработке сточных вод солями трехвалентного железа и алюминия удале­ние соединений фосфора происходит вследствие выпадения в осадок нерастворимых фосфатов (АlР0₄х2Н₂0;FeP0₄x2H₂0) и сорбции сложных фосфатов и органических соединений фосфора на хлопьях гидроокисей, образующихся в результате гидролиза солей. В отличии от извести потребная доза солей алюминия или железа для удаления соединений фосфора пропорциональна их концентрации. Теоретически на 1мг раство­ренного фосфора необходимо 1,8 мг Fe или 0,87 мг А1, однако практически эти дозы должны быть выше, так как часть коагулянта расходуется на осаждение других за­грязнений сточных вод.

Введение коагулянтов может осуществляться на различных ступенях очистки сточных вод: перед первичными отстойниками, аэротенками, вторичными отстойни­ками или флотационными илоотделителями, зернистыми фильтрами. В зависимости от этого изменяется расход коагулянта и конечный эффект очистки.

При биологической очистке сточных вод в аэротенке с введением коагулянтов удаление фосфора происходит в результате образования нерастворимых соединений и микробиальной ассимиляции с последующим их соосаждением с активным илом и удалением вместе с избыточным илом. Данный процесс носит название симультанного (одновременного) осаждения. Он экономичен, легко реализуется даже в условиях действующих станций /19,20/.

На стадии глубокой очистки сточных вод коагуляция в основном используется при реагентном фильтровании (контактная коагуляция), при котором смешение коагу­лянта с водой происходит непосредственно перед фильтрованием. Коагуляция в кон­такте с загрузкой фильтра, в отличии от коагуляции в свободном объеме воды, проте­кает быстрее, требует меньших доз коагулянта, менее чувствительна к температуре во­ды.

+Здесь рассмотрены только те физико-химические методы, которые реально применимы в практике очистки хозяйственно-бытовых сточных вод. Но даже эти методы глубокой очистки часто оказываются слишком энергоемкими, трудоемкими и сложными в эксплуатации и не всегда экологически чистыми, так как при их исполь­зовании могут образовываться дополнительные загрязнения, вносимые в очищенную воду или образующиеся осадки.

Биопрепараты "Русский Богатырь"