ОСВЕТЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

В.П. Панов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

(Выделение примесей сточных вод)

Учебное пособие

Санкт-Петербург

УДК 628.31

ББК 20.1

Пан 16

Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор

А.И.Алексеев,

СЗТУ
Доктор химических наук, профессор

Б.Я.Веретнов

СПГУКТ и ПТ

В учебном пособии изложены теоретические основы обезвреживания промышленных сточных вод методами отстаивания, коагуляции, флокуляции, флотации, фильтрования, электрохимических процессов очистки сточных вод.

Предназначается для студентов, обучающихся по направлению 656600 – «Защита окружающей среды» по курсу «Теоретические основы защиты окружающей среды». Может быть полезно для аспирантов, инженеров, преподавателей, работающих в области защиты окружающей среды.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 628.31

ББК 20.01

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дипломированные инженеры по специальности 33.0200 «Инженерная защита окружающей среды» должны обладать знаниями, позволяющими им проводить разработку, проектирование, эксплуатацию и совершенствование природоохранной техники и технологии, экспертизу проектов, технологий и производств в целях достижения максимальной экологической безопасности хозяйственной деятельности человека, снижения риска антропогенного воздействия на окружающую среду.

Специалист должен уметь определять источники выделения загрязняющих веществ, энергии в окружающую среду, оценивать экологическую опасность технологических операций, отдельных процессов, производства в целом. Инженер по защите окружающей среды должен обладать знаниями по техническим средствам и методам предотвращения загрязнения окружающей среды сточными водами, газовыми выбросами, твердыми отходами, понимать закономерности процессов очистки промышленных сбросов и выбросов, снижения энергетических воздействий на окружающую природную среду. Инженер-эколог должен разбираться в достоинствах и недостатках технологических схем очистных сооружений.

Без знания физико-химических основ процессов обезвреживания промышленных отходов, очистки сточных вод и отходящих газов трудно анализировать возможные инженерные пути решения экологических проблем. В курсе «Теоретические основы защиты окружающей среды» излагаются физические, физико-химические и химические основы процессов обезвреживания промышленных отходов.

Данного курс базируется на ранее полученных знаниях по математике, физике, химии (особенно физической и коллоидной химии), гидрогазодинамике и тепломассообмену, основам токсикологии и др. В свою очередь данная дисциплина является базовой для изучения специальных курсов: «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», "Инженерные методы защиты гидросферы" и др.

В учебном пособии предпринята первая попытка обсуждения опыта преподавания данного курса в СПГУТД для специальности 33.0200 при отсутствии учебников по данной дисциплине. Автор будет признателен коллегам за конструктивные замечания и пожелания, направленные на совершенствование преподавания данной дисциплины.

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедры «Экологические основы природопользования» СПГТУ (зав. кафедрой, проф. М.П. Федоров), а так же профессорам А.И. Алексееву и Б.Я. Веретнову за ценные советы и рекомендации, способствовавшие улучшению рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях защита окружающей среды стала одной из важнейших проблем, решение которой связано с охраной здоровья нынешних и будущих поколений людей, других живых организмов. Забота о сохранении природы заключается не только в разработке и соблюдении законодательства об охране Земли и ее недр, лесов и вод, атмосферного воздуха, растительного и животного мира, но и в познании причинно-следственных связей между различными видами человеческой деятельности и изменениями природной среды. Изменения в окружающей среде пока опережают темпы развития методов контроля и прогнозирования ее состояния. Научные исследования в области защиты окружающей среды должны быть направлены на уменьшение отрицательных последствий различных видов производственной деятельности человека, на поиск и разработку эффективных методов и средств снижения антропогенного воздействия на окружающую среду.

Все антропогенные факторы, оказывающие нежелательное воздействие на окружающую среду, называют загрязняющими. Они подразделяются на механические, химические, физические /энергетические/ и биологические. К механическим относят пылевые частицы в атмосферном воздухе, твердые частицы и разнообразные предметы в воде, инородные вещества в почве и др. К химическим – газо- и парообразные, жидкие и твердые вещества /химические элементы и соединения/, поступающие в окружающую среду и взаимодействующие с компонентами окружающей среды. Физические источники загрязнений это теплота, вибрация, шум, ультразвук, ионизирующие излучения, электромагнитные поля. К биологическим загрязнениям относят виды микроорганизмов, появившиеся при участии человека и наносящие вред ему самому или живой природе.

Основной урон окружающей среде наносят выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, сброс сточных вод и накопление твердых отходов. Выбросы в атмосферу подразделяют на твердые, жидкие, газо- и парообразные и смешанные. Твердые отходы делят на бытовые, производственные и смешанные. Сточные воды делят на хозяйственно-бытовые, атмосферные или ливневые и производственные. По содержанию загрязняющих веществ сточные воды разделяют на условно-чистые и загрязненные.

Хозяйственно-бытовые сточные воды, образующиеся в результате жизнедеятельности человека, относительно постоянны по составу – загрязняющие вещества примерно на 60 % органического происхождения, на 40% – минерального. Обычно направляются на городские (районные) очистные сооружения. Атмосферные /ливневые/ сточные воды - результат стока осадков с определенных территорий, поступают непосредственно в водные объекты или системы канализации. Состав стоков разнообразен, зависит от вида хозяйственных объектов на данной территории.

Промышленные сточные воды образуются в результате водопотребления в различных технологических процессах. При этом около 90 % использованной воды в производственном процессе возвращается в водоемы с различной степенью загрязнения. Состав загрязняющих примесей зависит от вида производства и может быть чрезвычайно разнообразным.

Основными направлениями улучшения состояния, защиты и рационально использования водных ресурсов на сегодняшний день признаны разработка и внедрение водосберегающих технологий и замкнутых систем водообеспечения. Создание бессточных замкнутых систем водоснабжения промышленных предприятий - задача сложная, но необходимая для решения в современных условиях. Для достижения подобных целей актуально внедрение в практику перспективных методов очистки сточных вод, базирующихся на научно-технических достижениях в области инженерной защиты окружающей среды и смежных областях знаний.

Большое разнообразие загрязнителей сточных вод, а также методов, применяемых для их очистки, усложняют поиск оптимальных вариантов при выборе технических решений /технологических схем и аппаратов/ в конкретных случаях. Поиск таких методов не может быть успешным, если специалист не обладает должным пониманием и знаниями основных закономерностей методов и процессов удаления загрязняющих воду примесей. Поэтому важны вопросы классификации методов очистки и удаляемых примесей, предложенные и обсуждаемые до сих пор во многих научных статьях, монографиях и учебной литературе.

Широко используется классификация примесей воды, предложенная Л.А. Кульским, основанная на фазовом состоянии и дисперсности примесей. По данной классификации сточные воды подразделяются на два типа систем: гетерогенные и гомогенные.

Первая группа дисперсных систем /суспензии и эмульсии/ охватывает примеси с размером частиц 10^-3 - 10^-7м. Вторая группа гетерогенных систем /коллоидно - растворенные вещества/ - с размером частиц загрязняющих веществ 10^-7 – 10^-9 м. Наличие взвесей обусловливает мутность воды, коллоидных и высокомолекулярных соединений определяет окисляемость и цветность воды. Третья группа охватывает молекулярно растворенные вещества в гомогенных системах, а четвертая группа - вещества, диссоциированные на ионы. Размер частиц загрязняющих веществ в этих группах10^-9–10^-10 м.

Молекулярно растворенные вещества придают воде запахи и привкусы; вещества, диссоциированные на ионы, – минерализованность, кислотность или щелочность. Безусловно, такое деление несколько условно.

Для каждой группы примесей по классификации Л.А. Кульского можно выделить некоторые специфические методы контроля их содержания в воде и технологические процессы очистки воды, учитывающие размер частиц примесей, их подвижность, кинетическую устойчивость систем вода - примесь и другие особенности. Фазово-дисперсное состояние примесей воды с учетом их химической природы обусловливает поведение этих веществ в процессах водообработки, определяет характерную совокупность методов воздействия, приводящих к достижению требуемого качества очищенной воды.

Данная классификация при всей широте охватываемых видов примесей и методов очистки имеет некоторые недостатки. Например, один и тот же метод позволяет удалять примеси, отнесенные к разным группам. Чрезвычайно большая разновидность примесей сточных вод как по дисперсности, так и по химической природе, предопределяет использование и других классификаций.

В качества признаков при классификации методов очистки вод и удаления примесей В.В. Кафаровым выделены следующие:

– физико-химическая сущность метода, применяемого при очистке /без учета характера удаляемых примесей и изменения их состояния в процессе очистки/;

– характер сил, воздействующих на примеси /также без учета характера примесей и изменения их состояния/;

– характер подлежащих удалению примесей /без учета изменения их состояния в результате очистки/;

– изменение состояния примеси в процессах очистки.

Все методы очистки сточных вод подразделены на три большие группы: 1. Методы, основанные на выделении примесей;

2. Методы, основанные на превращении примесей;

3. Биохимические методы.

Использование методов первой группы приводит к выделению примесей из воды без изменения их химических свойств. Это возможно как в гетерогенных системах, так и в гомогенных. Если же вода и примесь образуют одну фазу /например, истинный раствор/ и по каким-то соображениям невозможно непосредственно применить методы очистки первой группы, то очищаемую воду предварительно подвергают такой обработке, при которой примесь переходит в другую фазу. Исходя из этого методы, основанные на выделении примесей, в свою очередь, подразделяют на две подгруппы:

1)Непосредственное выделение примесей из воды /механическое безреагентное выделение, флотация, мембранные методы, некоторые электрохимические методы и др./;

2)Предварительное изменение фазового состояния примеси или воды с последующим их разделением /агрегация частиц, кристаллизация, сорбция и др./.

В учебномпособии рассмотрены теоретические основы методов и процессов очистки сточных вод путем выделения примесей, а так же наиболее широко используемые в промышленной практике процессы. С учетом объема работы, поставленных задач представленные материалы не отражают безусловно полного спектра методов выделения примесей сточных вод, используемых в различных отраслях промышленности, всего многообразия воззрений на механизм и кинетику процессов. В некоторой степени предпочтение отдано методам, используемым или рекомендованным для производств текстиля, кожи и меха, химических волокон, коммунального хозяйства.

В главе "Электрохимические процессы в очистке сточных вод" рассмотрены отдельные процессы очистки сточных вод, основанные на превращении примесей, дабы не нарушать целостность данного раздела и не возвращаться к указанным методам в следующих пособиях.

ОСВЕТЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Дисперсные системы

Каждое тело ограничено поверхностью, на которой могут развиваться поверхностные явления. К телам с высокоразвитой поверхностью относятся частицы взвешенных веществ в сточных водах. Совокупность таких частиц вместе со средой, в которой они распределены, представляет собой дисперсную систему. Дисперсные системы - наиболее типичные и сложные объекты коллоидной химии, потому что в них проявляется все многообразие поверхностных явлений, формирующих особые свойства таких систем. Сточные воды - типичные дисперсные системы.

Для сточных вод характерны два общих признака: гетерогенность и дисперсность. Гетерогенность указывает на наличие межфазной поверхности, а дисперсность /раздробленность/ определяется размерами и геометрией /формой/ тела. Дисперсность придает новые свойства не только отдельным элементам дисперсной системы, но и всей системе. С ростом дисперсности повышается роль поверхностных явлений в системе. Дисперсность является чисто количественным параметром, характеризующим размер межфазной поверхности.

Все системы по кинетическим свойствам дисперсной фазы делят на два класса: свободнодисперсные системы, в которых дисперсная фаза подвижна, и связаннодисперсные системы - системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться. Сточные воды относятся к свободнодисперсным системам. Последние подразделяют на ультрамикрогетерогенные, размер частиц которых лежит в пределах от 10^-9 до 10^-7 м; микрогетерогенные с размером частиц от 10^-7 до 10^-5 м и грубодисперсные с частицами, размер которых превышает 10^-5 м. Ультрамикрогетерогенные системы часто называют истинно коллоидными /или золями/.

Для всех свободнодисперсных разбавленных систем, в которых движение частиц не осложнено их агрегацией, характерны общие закономерности электрокинетических и молекулярно-кинетических свойств. В практике водоочистки в зависимости от дисперсности твердой фазы суспензии подразделяют на грубые /диаметр частиц свыше 100 мкм/, тонкие /от 100 до 50 мкм/ и мути /от 0.5 мкм до 100 нм/. Иногда в эту классификацию включают золи с размером частиц менее 100 нм, но по ряду специфических признаков они представляют собой качественно отличающийся вид дисперсных систем.

Характерным общим свойством суспензий, эмульсий является склонность частиц к оседанию или всплыванию частиц дисперсной фазы. Оседание частиц называют седиментацией, а всплывание - обратной седиментацией

1.2.Осветление сточных вод под действием сил тяжести

Выделение из сточных вод взвешенных частиц производится на станциях ее реагентного осветления и обесцвечивания в отстойниках или осветлителях. Декантация взвешенных частиц происходит под действием сил тяжести. Частица при своем падении в жидкости испытывает силу сопротивления, которая описывается линейным законом Стокса

, (1.1)

где – сила сопротивления, m – коэффициент динамической вязкости, d – диаметр частицы, U₀ – скорость осаждения частицы.

Согласно закону Стокса сила сопротивления осаждающейся частицы изменяется пропорционально скорости осаждения. При малых скоростях осаждения (ламинарный режим) и малых размерах частиц на сопротивление движению частиц оказывают влияние только силы вязкости.

Скорость осаждения мелких (10^-1 – 10^-4 мм) плотных частиц сферической формы, не изменяющих своего объема в процессе осаждения при Re <2, можно определить по формуле, выведенной на основе закона Стокса:

, (1.2)

где g – ускорение свободного падения; r_т и r_в – плотность частиц взвеси и воды; .

Если осаждающаяся частица представляет собой комплекс веществ разной плотности, как это имеет место в практике водоочистки, то формула принимает вид

, (1.3)

где – плотности составляющих частиц; W₁, W₂, W_n – их относительные объемы.

С увеличением размера частиц и скорости осаждения линейный закон нарушается. Возникает турбулентность при обтекании движущейся частицы жидкостью, когда помимо вязкости на движение частиц начинают оказывать влияние инерционные силы. При 2<Re<500

, (1.4)

где С_сф – коэффициент сопротивления сферических частиц.

В общем виде закон сопротивления при падении частицы в жидкости может быть представлен формулой Ньютона-Релея

, (1.5)

где С – коэффициент сопротивления, r_в– плотность жидкости, d _э – диаметр частицы, определенный как равновеликий по объему шара.

Для случаев, когда частицы имеют нешарообразную форму, вводится понятие эквивалентного диаметра, который определяется как диаметр сферической частицы той же плотности, оседающей со скоростью, равной скорости движения частицы. В практике водоочистки скорость осаждения частиц (U₀) при температуре воды 10 °С называют гидравлической крупностью частиц. Ее определяют опытным путем и используют при расчете аппаратов для осветления воды – отстойников. Скорость осаждения частиц неправильной формы меньше скорости осаждения сферических частиц. Это учитывается коэффициентом l, равным 1-3:

. (1.6)

Величина коэффициента сопротивления С зависит от числа Рейнольдса. При рассмотрении осаждения частиц в жидкости исходят из допущения, что их движение равномерное, т.е. силы, действующие на частицу, уравновешены: сила тяжести, равная массе частиц в жидкости, и сила сопротивления. Сила тяжести F_m, или масса частицы в жидкости, может быть определена по формуле

. (1.7)

В начале осаждения движение частицы ускоренное, но с увеличением скорости падения растет сила сопротивления, и силы тяжести и сопротивления уравновешиваются:

,

откуда

. (1.8)

По приведенной скорости вычисляют значение коэффициента сопротивления при осаждении частиц. Определение коэффициента сопротивления затруднено, так как надо знать величину скорости осаждения. Последняя входит в формулу для определения величины критерия Рейнольдса, от которого зависит значение коэффициента сопротивления. Зависимость коэффициента сопротивления от Re устанавливается опытным путем и более или менее изучена для седиментации зерен песка в воде.

Приведенные формулы неприменимы для вычисления скорости осаждения агрегативно неустойчивых взвесей, так как диаметр частиц в таких системах растет по мере осаждения. Методы седиментационного анализа дают надежные результаты только для устойчивой зернистой взвеси.

Следует отметить, что применимость рассмотренных законов ограничивается дисперсностью частиц. Крупные частицы могут двигаться ускоренно, что вызывает турбулизацию потока, при этом перестает соблюдаться закон Стокса. Очень малые частицы – ультрамикрогетерогенные – осаждаются крайне медленно. Кроме того, при оценке седиментации малых частиц следует учитывать влияние на процесс осаждения механических, тепловых и других внешних воздействий. На осаждение малых частиц в жидких средах влияет их сольватация. Обычно толщина сольватных слоев составляет доли микрометра, поэтому ее учитывают для частиц размером менее 1 мкм. С учетом направленности учебного пособия в нем не обсуждены молекулярно-кинетические свойства свободнодисперсных систем, подробно рассматриваемые в учебниках по коллоидной химии.