Очистка сточных вод от металлов

Доказано, что в условиях развития современной промышленности металлосодержащие сточные воды представляют собой смесь многих компонентов, что сильно ограничивает использование известных способов их очистки. Проанализирован их состав, а также распространенные процессы и технологические методы их обработки. Рекомендованы основное оборудование и область применения различных схем обработки стоков, содержащих металлы (МС).

Выбор способа очистки сточных вод от металлов

За последние годы состав МС промпредприятий весомо изменился в связи с уменьшением объема сбросов вследствие ресурсосбережения, отсутствием локальных очистных систем и др. Изучение состава стоков показало увеличение количества ионов тяжелых Ме (в 10 - 30 раз); содержание ПАВ, аммония, н/п, органических веществ может привести к повышению концентрации тяжелых Ме в 10 раз; повысилось в 3 – 5 раз и даже более количество минсолей, комплексных соединений.

В итоге на центральные водоочистные сооружения подаются стоки с разными характеристиками, в приемных емкостях образуется смесь металлосодержащих многокомпонентных вод. Водоочистные сооружения, работающие на большинстве предприятий, не могут очистить воду до нормативных показателей.

Анализ, согласно классификации, предложенной в России, показал, что наиболее распространенными компонентами являются примеси четвертой группы, к которым относятся кислоты, щелочи и соли. Эти загрязнения могут находиться в виде простых соединений и комплексных ионов.

Наблюдаемая тенденция увеличения содержания комплексных ионов и сопутствующих веществ требует использования более сложных технологических решений.

Учитывая классификацию загрязнений по фазово-дисперсному состоянию, очистные процессы делятся на две большие группы: преобразование примесей и их разделение.

Каждая группа делится на два класса: 1 – изменение фазово-дисперсного состояния компонентов и их обезвреживание, 2 – разделение фаз и концентрирование загрязнений.

Для разделения фаз чаще всего применяют отстаивание, флотацию, осветление в слое взвешенного осадка и фильтрование; при изменении фазово-дисперсного состояния – коагуляцию, флокуляцию, а также регулирование активной реакции (рН) и окислительно-восстановительного потенциала (Eh) среды, при обезвреживании – регулирование рН и Eh среды. Технологии, используемые для концентрирования, в основном применяют в локальных системах, или в порядке исключения для конечной доочистки в централизованных системах.

Подбор технологии начинается с применения концентрирования загрязнений, особенно, если они могут повторно применяться в основном производстве, или быть утилизированы (рис. 1).  Далее происходит обезвреживание, изменение фазово-дисперсного состояния и разделение фаз.

Рис.1. Последовательность выбора процессов для очистки металлосодержащих СВ

Основные схемы очистки сточных вод от металлов

В условиях  формирования состава  МС необходимы решения по пересмотру имеющихся и внедрению новых технологий (табл. 1). По гидродинамическому режиму функционирования, установки можно разделить на проточные и непроточные. В первых, наиболее применяемых, реализуются все упомянутые процессы. Во вторых -  неочищенные стоки подаются периодически, а после очистки установки опорожняются. К таким сооружениям относятся реакторы, выпарные установки и отстойники, некоторые типы фильтров, в частности нутч-фильтры.

Непроточные ОС позволяют более точно контролировать изменение значений рН и Eh, дозирование реагентов, коагуляцию и флокуляцию, т.е. эффективнее осуществлять процессы очистки. Непроточные используются, когда реакции, например, гидролиза или окислительно восстановительные, медленно идут и требуют значительного времени. Это особенно важно при очистке вод, имеющих в составе разнообразные органические и неорганические соединения, качество и количество которых значительно колеблются в течение небольшого промежутка времени. В данной ситуации регулировка параметров процесса в проточных ОС трудна, или невозможна и не позволяет добиться нужного качества очистки от ионов тяжелых Ме и других соединений. Основным недостатком непроточных установок является сложность организации непрерывного цикла и их гидравлической стыковки с проточными.

Таблица I. Основные технологические решения при рационализации технологических схем очистки сточных вод от металлов.

Использование непроточных ОС дает возможность соединить функционал разного оборудования, в частности при установке реакторов-смесителей, реакторов-накопителей и реакторов-отстойников, в реализации многих процессов обработки. Это позволяет уменьшить общее количество разнотипного оборудования на водоочистных станциях.

Разделяют следующие схемы: проточные, непроточные и непроточно-проточные, сочетающие аппараты обоих типов.

Основная проточная схема представлена аппаратами для обезвреживания и изменения фазового состояния соединений, разделения фаз в несколько ступеней, допочистки от остатков ИТМ, деминерализации, а также (при необходимости) извлечения органических веществ (рис. 2)

Рис. 2. Базовая проточная технологическая схема очистки: 1 - накопитель; 2 - насос; 3 - реактор; 4 - смеситель; 5 - камера хлопьеобразования; 6 - сооружения для предварительного разделения фаз; 7 - сооружения для конечного разделения фаз; 8 - сооружения для доочистки воды от ИТМ; 9 - сорбционные фильтры; 10 - установки деминерализации; 11 - блок сооружений для обезвреживания примесей воды; 12 - то же для изменения фазово- дисперсного состояния примесей воды; 13 - то же для разделения фаз; 14 - то же для изъятия (концентрирования) инертных примесей

Надо отметить, что концентраты солей, отводимые с устройства деминерализации, не следует сбрасывать в начало водоочистных станций, так как растворенные соли трудно выделяются из стоков. В итоге эти соли накапливаются и повторно поступают в установки деминерализации.

Образующиеся концентраты солей должны подаваться на отдельную переработку, или на захоронение, что почти не учитывается в проектировании и строительстве водоочистных станций.

При функционировании проточной схемы стоки поступают в накопитель, где усредняются. Потом они подаются в блок оборудования для обезвреживания токсичных компонентов, в качестве которых в основном используют химические, или электрохимические реакторы. Затем в смесителях и камерах хлопьеобразования загрязнения переводятся в другое фазово-дисперсное состояние. Изъятие нерастворимых примесей осуществляется на блоке разделения фаз. Предварительная обработка происходит в отстойниках и флотаторах, а завершающая – на механических фильтрах с объемным фильтрованием. Для совместного удаления органических веществ, или снижения ХПК используется многоступенчатое разделение фаз с дополнительным вводом реагентов (коагулянтов и флокулянтов), или без него.

Для глубокого извлечения ионов тяжелых Ме стоки обрабатываются в блоке доочистки. Для этого применяются, например, реакторы с добавлением химреагентов и механические фильтры.

Дополнительная очистка проводится в специальных аппаратах. Вначале извлекается органика, а затем минсоли в специальных установках деминерализации.

Проточные схемы обеспечивают освобождение стоков от ионов тяжелых металлов и позволяют достичь необходимого качества. Они нашли широкое применение для обработки металлосодержащих СВ и довольно "гибкие" из-за сочетания аппаратов разного функционала. Основные минусы: применение накопителей, усреднителей значительных размеров, необходимость поддержания оптимальных параметров, ограничение содержания ионов тяжелых Ме в исходной воде (в сумме – не более  150 – 300 мг/дм3), снижение эффекта очистки из-за изменений концентраций исходных компонентов.

Основная непроточная система (рис. 3) включает оборудование, предназначенное для обезвреживания, изменения фазово-дисперсного состояния примесей и начального разделения фаз.

Рис. 3. Базовая непроточная технологическая схема очистки: 1 - накопитель; 2 - насос; 3 - реактор-смеситель; 4 - отстойник; 5 – нутч фильтр; 6 - блок сооружений для комбинированной обработки воды (обезвреживание и изменение фазово-дисперсного состояния примесей воды); 7 - то же для предварительного разделения фаз; 8 - то же для окончательного разделения фаз.

При применении этой схемы вода подается в накопитель и далее -  в блок (реактор-смеситель) для обезвреживания токсичных примесей, или перевода их в другое фазово-дисперсное состояние. Затем применяют химреагенты. Предварительное извлечение нерастворимых компонентов происходит в отстойниках, а более глубокое – на нутч-фильтрах.

Непроточные схемы позволяют поддерживать оптимальные параметры очистки, дозировать необходимое количество реагентов и контролировать протекание реакций. Также они эффективно работают вне зависимости от колебаний качества исходной воды, используют минимальные объемы накопителей.

Однако они не извлекают вещества, для которых нужна установка проточных аппаратов, таких как флотаторы и аппараты деминерализации. В связи с чем эти схемы осуществляют только начальное удаление ионов тяжёлых металлов (в сумме – не менее 4-10мг/дм3) и иных веществ.

Обычно такие схемы используют для обезвреживания Cr (VI) цианидов и др. Для предварительного отделения взвеси целесообразно применять комбинированные установки (реактор-отстойник) с использованием накопителей, или без них. Если накопители не ставятся, то комбинированных реакторов (реактор-смеситель, реактор-отстойник) должно быть не менее двух. Сначала вода накапливается в первом, а затем – во втором. После наполнения в них дозируются реагенты с дальнейшим отстаиванием. Затем оборудование опорожняется и цикл его работы повторяется.

Непроточно-проточные схемы (рис. 4) являются наиболее перспективными, объединяют положительные качества обеих.

Рис. 4. Базовая непроточно-проточная технологическая схема очистки

На данный момент они практически не применяются, схемы не лишены недостатков, присущих непроточным (необходимости использования нескольких однотипных установок и большого количества разводящих трубопроводов). Однако они являются единственным вариантом, когда требуется высокая эффективность очистки при значительных варьированиях качества исходной воды и необходимости конкретного регулирования рН.

Возможно также применение комбинированных непроточных систем нескольких реакторов-отстойников. Стоки направляются на блок проточных сооружений для завершающего разделения фаз, доочистки, изъятия инертных примесей и деминерализации.

Особенность проточно-непроточных схем в том, что после обработки в блоке непроточных сооружений стоки накапливаются в промежуточной емкости, откуда насосом, реже, самотеком, идут в блок проточных очистных сооружений.

Необходимость промежуточной емкости обусловлена тем, что из непроточных сооружений вода выпускается залпом, с целью их быстрого опорожнения перед новым циклом наполнения, тогда как для обеспечения расчетных скоростей движения воды ее дальнейшая подача на проточные сооружения должна осуществляться с определенным расходом.

Таким образом, в непроточно-проточных системах непроточные реакторы применяются для регулирования параметров обработки и извлечения основной массы тяжелых Ме и других примесей, а блок проточных сооружений – при тонкой очистки, дополнительном удалении органических веществ, снижении ХПК и деминерализации.

Для выделения ионов металлов рационально использование электрохимического регулирования рН и Eh, например, для их осаждения, получения химреагентов и др. Это объясняется высокой минерализацией, что позволяет проводить электрохимическую обработку при низких затратах электроэнергии. Как показывает опыт, непроточные схемы используют в основном при производительности до 100-150м3/сут.

При большем объеме можно брать проточные или непроточно-проточные технологии. Причем, для металлосодержащих многокомпонентных стоков целесообразнее применять последние, имеющие очевидные преимущества по сравнению с проточными. При производительности > 1 500 — 2 000 м3/сут используются проточные.

Рассмотренные схемы имеют только главные блоки и составляют основу для разных технологий металлосодержащих многокомпонентных сточных вод, в зависимости от особенностей состава.

Выводы

Таким образом, в непроточно-проточных схемах блок непроточных сооружений применяется для регулирования параметров и извлечения основной массы загрязнений, а в проточных – для тонкой очистки, дополнительного удаления органических веществ, снижения ХПК и деминерализации.

Следует сказать, что при удалении Ме целесообразно использование электрохимического регулирования рН и Eh, например, для осаждения ионов Ме, получения химреагентов и др. Это объясняется высокой минерализацией, что позволяет проводить электрохимическую обработку при низких затратах эл.энергии. Как показывает опыт, непроточные реакторы применяются в основном при производительности до 150 м3/сут.

При большем расходе можно использовать проточные или непроточно-проточные системы. Причем, для очистки МС целесообразнее брать непроточно-проточные системы, имеющие очевидные преимущества по сравнению с проточными. При объеме > 1 500 — 2 000 м3/сут рекомендуется использовать проточные схемы.