выделить основные методы очистки сточных вод от тяжелых металлов и их солей;
- выявить проблемы современных методов очистки и возможные пути их решения;
- обобщить полученные сведения по изучаемой теме, сделать необходимые выводы и отразить их в работе.
Методы исследования и изучения, используемые в работе: изучение теоретического и практического материала по теме — «Очистка сточных вод от тяжёлых металлов и их солей» и его анализ;
- личные наблюдения и выводы в процессе изучения литературы.
В экологической литературе эта тема имеет достаточно широкое освещение. Так в процессе работы в качестве теоретических материалов были использованы труды российских авторов, отражающие проблему экологической ситуации в России и Алтайском крае. Также были использованы данные Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Алтайского края.
1. Сточные воды и их краткая характеристика
Сточные воды — это пресные воды, изменившие после использования в бытовой и производственной деятельности человека свои физико-химические свойства. [ 1, ст. 9 ]
1.1 Классификация сточных вод
от происхождения
а) хозяйственно-бытовые;
- б) производственные;
- в) атмосферные.
Хозяйственно-бытовые сточные воды поступают в водоотводящую сеть от жилых домов, бытовых помещений промышленных предприятий, комбинатов общественного питания и лечебных учреждений. В составе таких вод различают фекальные сточные воды и хозяйственные, загрязненные разными хозяйственными отбросами, моющими средствами.
Производственные сточные воды образуются в результате технологических процессов. Качество сточных вод и концентрация загрязняющих веществ определяются следующими факторами: видом промышленного производства и исходного сырья, режимами технологических процессов. Большинство предприятий имеют как минеральные, так и органические загрязнения сточных вод в различных соотношениях.
Атмосферные сточные воды образуются в результате выпадения осадков. К этой категории сточных вод относят талые воды, а также воды от поливки улиц. В атмосферных водах наблюдается высокая концентрация кварцевого песка, глинистых частиц, мусора и нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Загрязнение территории промышленных предприятий приводит к появлению в ливневых водах примесей, характерных для данного производства. Отличительной особенностью ливневого стока является его эпизодичность и резко выраженная неравномерность по расходу и концентрациям загрязнений. [1, ст. 157, 158 ]
Флотационная очистка сточных вод
... очистки сточных вод. Импеллерная флотация Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их также можно использовать для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ флотации ... методами); флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная); электрофлотация. Процесс флотации ...
Производственные сточные воды, в отличие от атмосферных и хозяйственно-бытовых, не имеют постоянного состава и могут быть разделены:
по составу загрязнителей
- загрязнённые по преимуществу минеральными примесями;
- загрязнённые по преимуществу органическими примесями;
- загрязнённые как минеральными, так и органическими примесями;
по концентрации загрязняющих веществ
- с содержанием примесей 1—500 мг/л;
- с содержанием примесей 500—5000 мг/л;
- с содержанием примесей 5000—30000 мг/л;
- с содержанием примесей более 30000 мг/л;5
3) по свойствам загрязнителей
- неагрессивные (pH 6,5—8);
- слабоагрессивные (слабощелочные — pH 8—9 и слабокислые — pH 6—6,5);
- сильноагрессивные (сильнощелочные — pH>9 и сильнокислые — pH<6);
по токсическому действию и действию загрязнителей наводные объекты
- содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоёма (например, на скорость процессов самоочищения);
- содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.);
- содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих в водоёмах животных и растений. [ 2, ст. 39 ]
По физиологическому состоянию
а) нерастворимые примеси, находящиеся в воде в виде крупных взвешенных частиц (диаметром более 0,1 мм) и в виде суспензии, эмульсии и пены (от 0,1мм до 0,1мкм);
- б) коллоидные частицы диаметром от 0,1 до 0,001 мкм;
- в) растворимые частицы, находящиеся в воде в виде молекулярно-дисперсных частиц; они уже не образуют отдельной фазы, и система становится однофазной — истинным раствором.
По природе загрязнения
а) минеральные (песок, глинистые частицы, частицы руды, шлака, растворы минеральных солей, кислот и щелочей, минеральные масла, железо, калий, магний и др. неорганические вещества);
б) органические
1) растительного происхождения (остатки растений, плодоовощей, злаков, бумага, масла растительные).
Основным химическим элементом этого рода загрязнений является углерод;
2) животного происхождения (физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных, клеевые вещества и пр.).
Эти загрязнения характеризуются довольно значительным содержанием азота, фосфора, серы и водорода;
3) бактериальные и биологические загрязнения. Это различные микроорганизмы, дрожжевые и плесневые грибки, мелкие водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные — возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др. Этот вид загрязнений свойствен в основном бытовым водам и некоторым видам производственных сточных вод (сточные воды боен, кожевенных заводов, шерстомоек, биофабрик и др.) [ 3, ст. 12 ]
сточный очистка металл реагентный
1.2 Тяжёлые металлы сточных вод
Тяжёлые металлы занимают одно из ведущих мест среди поступающих в природную среду загрязняющих веществ. Соединения тяжелых металлов подвергаются трансформации в результате процессов гидролиза, комплексообразования, адсорбции, коагуляции, окислительно-восстановительных реакций. Взаимодействуя с содержащимися в воде и донных отложениях органическими веществами, металлы способны образовывать органоминеральные комплексные соединения, часто обладающие высокой устойчивостью. [ 4, ст. 217 ]
Источниками загрязнения вод тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоком с сельскохозяйственных угодий. [ 4, ст. 219 ]
Основные источники поступления тяжёлых металлов в сточные воды указаны в таблице 1.
Таблица 1. Источники поступления тяжёлых металлов в сточные воды.
|
Тяжёлый металл |
||
|
Ванадий |
Сток нефтеперерабатывающей промышленности. |
|
|
Висмут. |
Сток фармацевтических и парфюмерных производств, некоторых предприятий стекольной промышленности. |
|
|
Железо |
Сток предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности. |
|
|
Кадмий |
Сток свинцово-цинковых заводов, рудообогатительных фабрик, ряда химических предприятий (производство серной кислоты), гальванического производства, а также с шахтными водами. |
|
|
Кобальт |
Сток металлургических, металлообрабатывающих и химических заводов. |
|
|
Марганец |
Сток марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и с шахтными водами. |
|
|
Медь |
Сток предприятий химической, металлургической промышленности, шахтные воды. |
|
|
Молибден |
Сток обогатительных фабрик, предприятий цветной металлургии. |
|
|
Мышьяк |
Сток обогатительных фабрик, отходамы производства красителей, кожевенных заводов и предприятий, производящих пестициды, а также сток с сельскохозяйственных угодий, на которых применяются пестициды. |
|
|
Никель |
Сток цехов никелирования, заводов синтетического каучука, никелевых обогатительных фабрик. |
|
|
Олово |
Сток различных производств (крашение тканей, синтез органических красок, производство сплавов с добавкой олова и др.).
|
|
|
Ртуть |
Сток предприятий, производящих красители, пестициды, фармацевтические препараты, некоторые взрывчатые вещества. Атмосферные осадки, насыщенные выбросами тепловых электростанций. |
|
|
Свинец |
Сток рудообогатительных фабрик, некоторых металлургических заводов, химических производств, шахт, а так же сжигание углей, применение тетраэтилсвинца в качестве антидетонатора в моторном топливе, с выносом в водные объекты. |
|
|
Сурьма |
Сток резиновых, стекольных, красильных производств. |
|
|
Хром |
Сток гальванических цехов, красильных цехов текстильных предприятий, кожевенных заводов и предприятий химической промышленности. |
|
|
Цинк |
Сток рудообогатительных фабрик и гальванических цехов, производств пергаментной бумаги, минеральных красок, вискозного волокна. |
|
2. Методы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей
2.1 Реагентный метод
Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (ИТМ) получил реагентный метод. Этот метод включает в себя процессы нейтрализации, окислительно-восстановительные реакции, осаждение и обезвоживание образующегося осадка, и позволяет довольно полно удалять из стоков ИТМ.
При этом методе ионы тяжелых металлов переводятся, как правило, в гидроксидные соединения путем повышения рН усредненных стоков до рН их гидратообразования с последующим осаждением, фильтрацией. В необходимых случаях до достижения рН очищенных стоков регламентируемого для сброса.
Основное достоинство реагентного метода — возможность применения его для обезвреживания кислотно-щелочных сточных вод различных объемов с различной концентрацией ионов тяжелых металлов.
Его недостатки:
- значительное повышение солесодержания очищенных от ИТМ стоков за счет внесения реагентов, что вызывает необходимость дополнительной доочистки;
- большой расход реагентов;
- получение трудно обезвоживаемого и неутилизируемого осадка;
- большие трудозатраты по эксплуатации;
- необходимость организации и содержания реагентного хозяйства со специальным коррозионноустойчивым оборудованием и дозирующими устройствами и т.
п. [ 6, ст. 99 ]
2.2 Ионнообменный метод
Ионообменный метод очистки воды применяют для обессоливания и очистки воды от ионов металлов и других примесей. Сущность ионного обмена заключается в способности ионообменных материалов забирать из растворов электролита ионы в обмен на эквивалентное количество ионов ионита.
Очистку воды осуществляют ионитами — синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2…2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в воде. Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н+- или Nа+- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН- или солевой форме), а также иониты смешанного действия. Основополагающим фактором кинетики процесса является скорость ионообмена между ионами воды и омываемой частицей смолы. На наружной поверхности омываемой частицы образуется неподвижная водяная пленка, толщина которой зависит от скорости потока очищаемой воды и размеров зерна смолы. Ион, который стремится попасть внутрь частицы смолы, в функциональную группу, должен диффундировать из воды через пленку, пройти через граничную поверхность частицы и внутри смолы в растворе набухания устремиться к ассоциации с функциональной группой. Диффузия ионов через пленку является важнейшим этапом процесса.
Избирательное поглощение молекул поверхностью твердого адсорбента происходит вследствие воздействия на них неуравновешенных поверхностных сил адсорбента.
Ионообменные смолы имеют возможность регенерации. После истощения рабочей обменной емкости ионита он теряет способность обмениваться ионами и его необходимо регенерировать. Регенерация производится насыщенными растворами, выбор которых зависит от типа ионообменной смолы. Процессы восстановления, как правило, протекают в автоматическом режиме. На регенерацию обычно затрачивают около 2 часов, из них на взрыхление — 10 — 15 мин, на фильтрование регенерирующего раствора — 25 — 40 мин, на отмывку — 30 — 60 мин. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты.
Катионирование — процесс обработки воды методом ионного обмена, в результате которого происходит обмен катионов. В зависимости от вида ионов (Н+ или Nа+), находящихся в объеме катионита, различают два вида катионирования: Н-катионирование и Nа-катионирование. [ 6, ст. 114 ]
2.3 Натрий-катионитовый метод
Натрий-катионитовый метод применяют для умягчения воды с содержанием взвешенных веществ в воде не более 8 мг/л и цветностью воды не более 30 град. Жесткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до значений 0,05 — 0,1 мг-экв/л, при двухступенчатом — до 0,01 мг-экв/л.
Достоинства NаСl (поваренной соли) как регенерационного раствора:
1. дешевизна;
2. доступность;
3. продукты регенерации (хорошорастворимые СаСl2 и MgСl2) легко утилизируются.
2.4 Водород-катионитовый метод
Водород-катионитовый метод применяют для глубокого умягчения воды. Этот метод основан на фильтровании обрабатываемой воды через слой катионита, содержащего в качестве обменных ионов катионы водорода.
При Н-катионировании воды значительно снижается рН фильтрата за счет кислот, образующихся в ходе процесса. Углекислый газ, выделяющийся при реакциях умягчения, можно удалить дегазацией. Регенерация Н-катионита в этом случае производится 4 — 6% раствором кислоты (HСl, H2SО4).
[ 6, ст. 120]
2.5 Сорбционный метод
Промышленные адсорбенты за счет пористой структуры обладают развитой внутренней поверхностью, что позволяет поглощать значительные количества адсорбируемого компонента (до 0,3 кг/кг).
Для адсорбционной очистки воды применяют в основном два типа фильтров: зернистые фильтры и патронные фильтры.
Абсорбция — называется процесс извлечения компонента из одной фазы и растворение его в другой фазе—в поглотителе.
Требования, предъявляемые к поглотителю:
1. высокая поглотительная способность (высокой поглотительной способностью обладают такие поглотители, для которых давление насыщенных паров компонента над его раствором в поглотителе при температуре абсорбции мало);
2. поглотитель должен легко десорбироваться (регенерироваться);
3. иногда должен обладать селективностью (т.е. поглощать только определенные компоненты);
4. должен обладать низкой летучестью (низким давлением паров);
5. он должен сохранять свои свойства в процессе работы;
6. он должен быть дешевым и доступным;
7. не должен оказывать коррозионного действия;
8. обладать высоким коэффициентом массопередачи.
Обычно один поглотитель не обладает всеми требуемыми свойствами, поэтому следует выбирать абсорбент по основным свойствам.
Абсорберы представляют собой колонны, в которых протекает поглощающая жидкость, через которую пробулькивает очищаемый газ. Для обеспечения надежного контакта газа с жидкостью, а также увеличения времени пребывания газа в аппарате, в колонне находятся специальные тарелки и насадки. Наиболее просты по конструкции провальные тарелки, их разновидность — гофрированные провальные тарелки. Диаметр сливных отверстий равен 4 — 8 мм. Иногда применяют клапанные провальные тарелки. Их достоинством является то, что когда газ не проходит через колонну жидкость не протекает, т.е. такие тарелки более экономичные. [ 6, ст. 123 ]
2.6 Метод Электpодиализа
Электpодиализом называют пpоцесс пеpеноса ионов чеpез мембpану под действием пpиложенного к ней электpического поля. Для очистки сточных вод методом электpодиализа используют электpохимически активные ионитовые мембpаны.
Метод электpодиализа можно использовать как для удаления из малоконцентpиpованных сточных вод минеpальных солей (в том числе и солей тяжелых металлов) с целью повтоpного использования обессоленной воды в производстве (в некотоpых случаях возможна утилизация солей, удаленных из сточных вод), так и для пеpеpаботки высококонцентpиpованных сточных вод (отpаботанных технологических pаствоpов) с целью pегенеpации из них ценных пpодуктов.
Пpоцесс удаления солей из сточных вод осуществляется в многокамеpных аппаpатах (электpодиализатоpах), в котоpых плоские мембpаны расположены паpаллельно.
Электpодиализный метод в России пpименяют в основном для опpеснения пpиpодных соленых и солоноватых вод. По литеpатуpным данным возможно его пpименение для очистки pазличных сточных вод, в частности, стоков, обpазующихся пpи электpохимической и химической обpаботке металлов. [ 6, ст. 125]
3. Современное состояние и проблемы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей на территории Алтайского края, пути решения проблем
В г. Барнауле воды реки Оби загрязняются сточными водами городской ливневой канализации в объеме около 0,35 млн. куб. м в год. Городских ливневых канализаций, построенных по проекту, в крае нет, есть лишь отдельные коллекторы в г. Барнауле, Бийске, Белокурихе, Рубцовске.
В крае все городские канализации очищают сточные воды на сооружениях искусственной и естественной биологической очистки. Общая мощность 168 канализационных очистных сооружений края составляет 322,1 тыс.куб. м/сут. Практически все очистные сооружения требуют реконструкции. [ 7, ст. 32 ]
В крае все городские канализации очищают сточные воды на сооружениях искусственной и естественной биологической очистки. Общая мощность 168 канализационных очистных сооружений края составляет 322,1 тыс.куб. м/сут. Без очистки сбрасываются хозяйственно-бытовые воды в г. Барнауле в реки Пивоварку и Барнаулку в промышленно-ливневые выпуски заводов «Трансмаш», «Шинный»; в г. Бийске — «Полиэкс». Около 27 % промышленно-ливневых сточных вод промышленных предприятий края сбрасываются в водоёмы без достаточной очистки и использования в системах оборотного водоснабжения: КХВ, БШЗ, станкостроительный завод, «Трансмаш», АТИ, РТИ, АМЗ, «Сибэнергомаш», Бийский олеумный завод, «Полиэкс», «Сибприбормаш», «Кучуксульфат» и др.
Сточные воды вышеперечисленных предприятий содержат в качестве загрязняющего вещества тяжёлые металлы. Содержание тяжёлых металлов на выпусках сточных вод промышленных предприятий регистрируется с превышением предельно допустимых сбросов (ПДС) до 5 раз, а в воде водоёмов ниже городов: Барнаула, Бийска, Рубцовска превышает в 2-4 раза. [ 7, ст 33 ]
Это свидетельствует о том, что современное методы очистки сточных вод от тяжёлых металлов и их солей на территории Алтайского края мало применимы или неэффективны.
Основные пути решения проблемы сводятся к предотвращению промышленных и бытовых сбросов без достаточной очистки. Необходимо выделять средства для разработки и внедрения качественных методов очистки сточных вод. Примером решенной проблемы подобного рода служит реализация проекта «Повышение энергетической эффективности предприятия и качества очистки сточных вод». ОАО «Горняцкий водоканал». За счет внедрения нового оборудования достигнута стабилизация подачи количества сточных вод, и как следствие, повысилось качество очистки стоков, сбрасываемых в реку Золотушка (бассейн р. Обь).
[ 7, ст. 115 ]
Библиографический список
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/zagryaznenie-tyajelyimi-metallami-vodyi/
1. Воронов Ю. В., Водоотведение сточных вод: учебник для вузов / Ю. В. Воронов., С. В. Яковлев. — М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006. — 704с.
2. Штриплинг Л.О., Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов: учебное пособие / Л. О. Штриплинг., Ф. П. Туренко. — Омск: Издательство ОмГТУ, 2005. — 192 с.
3. Отведение и очистка поверхностных сточных вод: учебное пособие для вузов / В. С. Дикаревский, А. М. Курганов, А. П. Нечаев, М. И. Алексеев. — Л.: Стройиздат, 1990. — 224 с.
4. Никаноров А. М., Справочник по гидрохимии. / А. М. Никаноров, М. Г. Тарасов, Ю. А. Федоров. — Л.: Гидрометеоиздат, 1988. — 390 с.
5. Семенов А. Д., Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. / А. Д. Семенов. — Л.: Гидрометеоиздат, 1977. — 541 с.
6. Методы очистки производственных сточных вод: учебное пособие / А. И. Жуков, И. Л. Монгайт, И. Д. Родзиллер. — М.: Стройиздат, 1990. — 204с.
7. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Алтайском крае в 2012 году» / Т. П. Буторина [и др.] — Барнаул: Корвус плюс, 2013. — 144 с.
