Экстракционный метод очистки производственных сточных вод основан на распределении загрязняющего вещества в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей, в зависимости от его растворимости в них. Метод целесообразно применять при относительно высоком содержании в сточных водах растворенных органических веществ, представляющих техническую ценность (фенолы, жирные кислоты).
В процессе экстракции экстрагент вводят в обрабатываемую воду. После достижения равновесия концентрация экстрагируемого вещества в экстрагенте значительно превышает остаточную концентрацию в сточной воде, и экстракт (экстрагент с растворенным веществом) отделяется от обработанной сточной воды, а затем с помощью различных методов осуществляется отделение экстрагируемого (вредного) вещества, которое утилизуется. Экстрагент затем вновь используется в технологическом процессе.
Метод экстракции широко применяется при очистке сточных вод предприятий по термической переработке каменного и бурого углей, сланцев, торфа, содержащих значительное количество фенолов. Эффективность их извлечения из сточных вод достигает 80—95 %.
Методом ионного обмена из сточных вод за счет обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы (ионита), из сточных вод можно извлекать и утилизировать ценные примеси (соединения мышьяка, фосфора, а также хром, цинк, свинец, медь, ртуть и др.), радиоактивные вещества. При этом сточная вода может быть очищена до ПДК вредных веществ и использоваться в технологических процессах или в системах оборотного водообеспечения.
При очистке производственных сточных вод находят применение и другие химические и физико-химические методы.
Метод биологической очистки бытовых и производственных сточных вод основан на биологическом окислении содержащихся в сточных водах органических соединений, которое реализуется в естественных и искусственных сооружениях. В естественных сооружениях очистку осуществляют на полях фильтрации или орошения и в биологических прудах.
Биологическая очистка на полях состоит в том, что при фильтровании сточной воды через слой почвы в ней адсорбируются взвешенные и коллоидные вещества, которые со временем образуют в порах почвы микробиологическую пленку. Эта пленка адсорбирует и окисляет задержанные органические вещества, превращая их в минеральные соединения.
Различают биологические пруды с естественной и искусственной аэрацией. Требуемая площадь прудов с искусственной аэрацией существенно меньше за счет более равномерного перемещения сточной воды подаваемым в нее сжатым воздухом и дополнительного поступления кислорода из подаваемого воздуха.
Биологическая очистка сточных вод в искусственных сооружениях осуществляется в биологических фильтрах, аэротенках и окситенках.
Схема биологического фильтра
На рисунке представлена схема биологического фильтра. Исходная сточная вода по трубопроводу 1 поступает в распределитель сточных вод 2 и равномерно распределяется над поверхностью загрузочного материала 3. В процессе фильтрования через загрузочный материал, в качестве которого используют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т.п., на загрузочном материале образуется биологическая пленка, микроорганизмы которой поглощают органические вещества. Загрузочный материал поддерживается поддерживающей решеткой 4. Очищенная от органических примесей вода выводится из фильтра через трубопровод 5.
Аэротенки по конструкции аналогичны отстойникам, в которые помещают активный ил — микроорганизмы и подают сжатый воздух, обеспечивающий интенсификацию процесса окисления органических примесей.
Окситенки — модификация аэротенков, в которые вместо сжатого воздуха подают газообразный кислород. При этом процессы окисления существенно интенсифицируются, однако усложняются условия эксплуатации вследствие взрывопожароопасности кислорода.
Содержащиеся в биологически очищенных сточных водах частицы активного ила, биопленки, остаточные загрязнения биологического происхождения, поверхностно-активные вещества, биогенные элементы (азот и фосфор), бактериальные загрязнения оказывают вредное влияние на водоемы, вызывают их эвтрофикацию (повышение уровня питательных веществ), создают трудности при повторном использовании сточных вод в системах оборотного водообеспечения. Эти обстоятельства вызывают необходимость глубокой очистки (доочистки) бытовых и производственных сточных вод.
Необходимая степень глубокой очистки определяется требованиями технологического регламента производства и повышенными требованиями к санитарному состоянию водоемов. Глубокая очистка сточных вод предусматривает: уменьшение концентрации взвешенных веществ в очищенных сточных водах; снижение величины БПК (биологической потребности в кислороде), содержания биогенных элементов; обеззараживание сточных вод; насыщение очищенных сточных вод кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного назначения.
Для глубокой очистки от взвешенных и растворенных веществ применяют фильтры различных конструкций с загрузкой из песка, гравийного щебня, антрацита, пластмассовых гранул. При начальных концентрациях взвешенных веществ и БПК 15—25 мг/л эффективность очистки по взвешенным веществам составляет 75—90 %, а по БПК — 50—60 %. Для глубокой очистки от биологически окисляемых загрязнений применяют биологические пруды, обеспечивающие снижение концентрации БПК до 3—5 мг/л.
Биологически неокисляемые загрязнения могут удаляться из сточных вод с помощью сорбционных и ионообменных установок.
Для уничтожения содержащейся в очищенных сточных водах болезнетворной микрофлоры производят обеззараживание их. Эффект обеззараживания должен составлять практически 100 %. Сточные воды после полной очистки обеззараживают путем введения в воду соединений хлора или других сильных окислителей (например, озона), обеспечивающих защиту водоемов от попадания в них возбудителей заболеваний.
С целью предотвращения интенсивного разрастания в водоемах растительности следует предупреждать нарушение баланса поступления в них питательных веществ и биогенных элементов. Соединения фосфора из сточных вод извлекают с помощью коагуляции. Соединения азота удаляют методами отдувки, ионного обмена, электролиза, а также химическим или биологическим методами.
Наиболее надежной технологической схемой биологической обработки является трехстадийная, включающая процессы аэрации, нитрификации (процесс окисления азота аммонийных солей в нитриты и нитраты), дезинтрификации (процесс восстановления азота нитратов до газообразного). В результате такой глубокой очистки эффект снижения количества биогенных элементов достигает 98—99 %.
Определенную специфику представляют очистка и обеззараживание сточных вод, предназначенных для водоемов рыбохозяйственного назначения, и сточных вод от радиоактивных загрязнений.
Трехстадийная схема очистки:
1 — сточные воды, содержащие азот аммонийных солей, 2 — аэротенк, 3 — отстойники, 4 — тарификатор. 5 — денитрификатор, 6 — обработанная сточная вода, 7 — циркуляционный ил
В общем виде технологическая схема обработки осадков включает следующие стадии: уплотнение, стабилизацию, кондиционирование, обезвоживание, ликвидацию, обеззараживание, утилизацию. Задачей стадии уплотнения является уменьшение влагосодержания осадка, что позволяет снизить затраты на последующих стадиях обработки. Уплотнение осадков осуществляется гравитационным способом, центрифугированием, фильтрованием, флотацией.
Стабилизация производится с целью предотвращения загнивания осадков и достигается минерализацией органических веществ с помощью анаэробного (метанового) брожения, аэробного окисления; изменением активной реакции среды (подщелачиванием), высушиванием. Процесс анаэробного брожения применяют для минерализации органических осадков из первичных отстойников и избыточного активного ила, а также их смесей, и проводят в герметически закрытых резервуарах — метантенках при двух температурных режимах: мезофилъном (температура 30—35 °С) и термофильном (температура 52—55 °С). При этом образуется метан, который выводится из метантенка и утилизуется в качестве топлива.
Среди методов кондиционирования осадков наиболее известна реагентная обработка их минеральными коагулянтами. Обезвоживание осадков может осуществляться в естественных условиях на иловых площадках и в искусственных условиях на вакуум-фильтрах, центрифугах, виброфилътрах, фильтр-прессах. Заключительный этап обезвоживания осадков — термическая сушка.
При утилизации осадков из них извлекают ценные вещества для добавки к кормам и для удобрения. Осадки минерального происхождения находят применение при производстве строительных материалов и строительстве дорог. Если осадки имеют токсичные примеси или их утилизация не целесообразна, применяют метод их сжигания.