УДК 574
ББК 20Л
И 62
Рецензенты:
кафедра инженерной экологии н охраны труда Московского энергетического
института (ТУ) (зав. кафедрой д-р техн. наук, профессор В. Т. Медведев),
кафедра инженерной геологии Московского государственного университета
путей сообщения (зав. кафедрой д-р тех. наук, профессор Л.В. Киселева)
Инженерная защита поверхностных вод от промышленных
И 62 стоков: Учеб- пособие/Д.А. Кривошеий, ПЛ. Кукин, В Л. Лапин
и др.— М.: Высшая школа, 2003.— 344 с: ил.
ISBN 5-06т004266-9
Излагаются основы курса «Инженерные методы зашиты гидросферы от
промышленных стоков». Материал книги обобщает и систематизирует
современные практические и теоретические данные по технологии очистки
промышленных стоков, а также по методам переработки образующихся осадков.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности
«Инженерная защита окружающей среды». Может быть использовано
работниками природоохранных служб промышленных предприятий.
УДК 574
ББК 20.1
YWfii/flg издание
ДдориЙ. Александрович Кривошеий, Павел Павлович Кукнн, Валерий Львович Лапин,
Николай Лукич Пономарев, Николай Иванович Сердюк, Александр Георгиевич Фетисов
ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
ОТ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ
Редактор ЛА. Савина. Художественный редактор З.Е. Анфиногенова
Технические редакторы ЯД Быкова, МЛ Овчинникова. Компьютерная верстка СЯ. Луговая,
Корректор Н.Е. Жданова. Оператор М.Н. Паскарь.
Лиценэна ИД №06236 от 09.tl.01.
Изд. №НП-35. Сдано в набор 29.10.02. Подл, в печать 20.02.03. Форыат 60х88'/,6. Бум. газет.
Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Объем 21,07 усл. печ. л. 21,57 усл. кр.-оггг 20,59 уч.-изд. л.
Тираж 3000 эга Заказ Я-123
ФГУП «Издательство «Высшая школа)), 127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Тел.: @95) 200-04-56. E-mail: info@v-shkola.ni http://www.v-shkola.ru
Отдел реализации: @95) 200-07-69, 200-59-39, факс: @95) 200-03-01. E-mail: sales@v-shkola.ru
Отдел «Книга-почтой*. @95) 200-33-36. E-mail: bookpo8t@v-shkola.ru
Набрано на персональных компьютерах издательства.
Отпечатано в ГУЛ ПИК «Идел-Прссс». 420066, г. Казань, ул. Декабристов, 2.
ISBN 5-06-004266-9 О ФГУП «Издательство «Высшая шкала», 2003
Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая
школа», н его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия
издательства запрещено.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Охрана и рациональное использование водных ресурсов
представляет собой весьма многогранную проблему, решением которой
занимается инженерно-технические работники различных специальностей
и, в первую очередь, специалисты-экологи.
При использовании в технологических процессах вода
загрязняется различными органическими и неорганическими веществами, т. е.
образуются сточные воды. Сточная вода — это вода, бывшая в
бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а
также прошедшая через какую-либо загрязненную территорию.
Жидкие производственные отходы называют промышленными сточными
водами или промышленными стоками. Эти стоки содержат в своем
составе токсичные и ядовитые вещества, загрязняющие водоемы.
Одним из эффективных путей, направленных на уменьшение
промышленных сточных вод в водоемы, является создание замкнутых
систем водоснабжения, под которыми понимаются системы, в
которых вода используется в производстве многократно без очистки или
после соответствующей обработки, исключающей образование
каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоем.
Промышленные сточные воды, поступающие в замкнутые
системы водоснабжения или сбрасываемые в водоемы, должны быть
подвергнуты очистке механическими, химическими,
физико-химическими, биологическими и термическими методами до необходимого
качества. Разработка и выбор высокоэффективных методов очистки
промышленных стоков является сложной инженерной задачей,
которую приходится решать инженерам-экологам, работающим на
предприятиях и в научно-исследовательских институтах.
В предлагаемом пособии излагаются основы курса «Инженерные
методы защиты гидросферы от промышленных стоков»,
подготовленного на основании длительного опыта преподавания его в «МАТИ» —
Российском государственном технологическом университете им.
КЗ. Циолковского. Предполагается, что студенты уже прослушали
курсы: «Основы промышленной экологии», «Физическая и
коллоидная химия», «Органическая химия», «Основы технологии»,
«Газодинамика и тепломассообмен».
Материал книги обобщает и систематизирует современные
практические и теоретические данные по технологии очистки промышлен-
3

ных стоков, а также по методам переработки образующихся осадков, а
система его изложения отражает методику чтения лекций на кафедре
«Промышленная экология и безопасность производства».
Авторы надеются, что книга будет полезна не только студентам
экологических специальностей, но и инженерно-техническим
работникам машиностроительных предприятий и институтов,
разрабатывающих и эксплуатирующих экозащитную технику и технологию,
работникам природоохранных органов, а также работникам органов
муниципального, регионального и отраслевого управления.
Авторы

Глава 1
ВОДА —ОСНОВА ЖИЗНИ
НА ЗЕМЛЕ
1.1. ВОДА, ЕЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ
И КОЛИЧЕСТВО НА ЗЕМНОМ ШАРЕ
Вода — одно из наиболее важных веществ на Земле. Поистине
Земля — это планета воды. Вода не только покрывает более 3U всей ее
поверхности, не только парит над ней в виде облаков, но и наполняет
живительной влагой сушу. Она обладает необыкновенными
свойствами, благодаря которым является основой жизни на нашей планете.
Количественно— это самая распространенная неорганическая
составляющая живой материи. У человека вода составляет 63 % массы тела,
у грибов — 80 %, у некоторых медуз — 98 %. Все основные наземные
экосистемы, включая человеческую, зависят от наличия пресной
воды, содержащей менее 0,01 % солей. При исследованиях других
планет Солнечной системы, первое, на что обращается
внимание,— это вода. Без воды жизнь существовать не может.
Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10 %,
представляют собой формы замедленной жизни. Такое же
явление — ангидробиоз — наблюдается у некоторых видов
беспозвоночных, которые при неблагоприятных внешних условиях могут потерять
большую часть воды из своих тканей и сохранить жизнеспособность.
Биомасса на суше весьма чувствительна к количеству осадков,
поскольку вода участвует в биологическом цикле и служит источником
водорода и кислорода для живой материи.
Вода в природе находится в непрерывном круговороте — все
время расходуется и возобновляется.
Образование воды на планете началось, по мнению некоторых
геологов, 250—300 млн лет назад, когда на земном шаре был только один
континент, опоясывающий всю нашу планету. Первоначально
«холодная» Земля с течением времени разогревалась изнутри за счет
термоядерных процессов, в результате чего возникла вулканическая
деятельность, которая привела к выбросу лавы. С раскаленной лавой на
поверхность Земли стал поступать водяной пар. Часть этого пара кон-
5

денсировалась и заполнила со временем океанические впадины, а
часть участвовала в формировании земной атмосферы. В процессе
остывания разогретой мантии планеты происходила активная
химическая реакция между водородом и кислородом, вследствие чего
образовался водяной пар, который создавал вокруг планеты газообразный
покров. В состав покрова входили также газы, постоянно
извергавшиеся из трещин земной коры. По мере остывания из водяных паров
атмосферы сформировался облачный покров, распространившийся
плотным слоем над всей планетой. Выпадающие из него осадки с
течением времени привели к образованию мелководного первичного
океана (панталаса), который покрыл всю поверхность Земли. Суша
образовалась позднее в результате тектонических процессов.
Сторонники этой гипотезы также считают, что в геологическом
масштабе времени между океанами и континентами существует
динамическое равновесие. В это время не было еще Мирового океана,
который возник после того, как единый континент распался на
отдельные части, сохранив при этом подобие в очертании внешних линий.
Вода же Мирового океана выделилась примерно в мезозое, т. е. океан
является вторичным образованием. Процесс океанообразования
продолжается и поныне — океанические впадины углубляются и
расширяются за счет материков, поскольку между материками и океанами
существует неустойчивое равновесие.
Значительная роль воды на планете определяется ее физическими
свойствами — большой теплоемкостью, теплооборотом при фазовых
преобразованиях, свойствами льда не тонуть в воде, ее отражательной
способностью (так же, как снега) и др. Все климатические изменения
связаны с процессами в гидросфере, и поэтому наблюдения за
гидросферой служат базой, на основе которой ученые оценивают
происходящие изменения в процессах глобального и регионального климата,
обусловленные как естественными, так и антропогенными факторами
Таблица 1.1
Мировые занасы воды
Вид воды
Мировой океан
Подземные воды
(гравитационные и капиллярные)
Площадь

распространения, км2
361300000
134 000000
Объем, км3
1 388 000 000
23 400 000
Слой, м
3700
174
Доля воды в
мировых запасах. %
огг
общих
запасов
воды
t 96,5
1,7
от зала-
сов
пресных
вод
—
—

Вид воды
Преимущественно
пресные подземные воды
Почвенная влага
Ледники и постоянно
залегающий снежный покров
Антарктида
Гренландия
Арктические острова
Горные районы
Подземные льды зоны
многолетнемерзлых пород
Запасы воды в озерах:
пресных
соленых
Воды болот
Воды в руслах рек
Биологическая вода
Вода в атмосфере
Общие запасы воды
Пресные воды
Площадь

распространения, км2
134 800000
82 000 000
16 227 500
13 980000
1 802 400
226100
224 000
21000 000
2 058 700
1236 400
822 300
2 682 600
148 800000
510000000
510000000
510000 000
148 800000
Объем, км1
10 530 000
16 500
24064100
21600 000
2 340000 .
83 500
40600
300000
176400
91000
85 400
11470
2120
1120
12900
1385 984 610
35 029 210
Продолжение i
Слой, м
78
од
1463
1546
1298
369
181
14
85,7
73,6
103,8
4,48
0,014
0,002
0,025
2728
235
табл. 1.1
Доля воды в
мировых запасах, %
от
общих
запасов
воды
0,76
0,001
1,74
1,56
0,17
0,006
0,003
0,022
0,013
0,007
0,006
0,0008
0,0002
0,0001
0,001
100
2,53
от
запасов
пресных
вод
зол
0,05
68,7
61,7
6,68
0,24
0,12
0,86
—
0,26
0,03
0,006
0,003
0,04
—
на планете. Основная масса пресной воды заключена в ледниках и
постоянно залегающем снежном покрове F8,0 %), при этом большая
часть ее накапливается ледниками Антарктиды F1,7 %).
Значительный объем пресной воды хранится в водоносных слоях земной коры
C0,1 %) и в подземных льдах многолетнемерзлых пород @,86 %). В
руслах рек ее сосредоточено всего 0,006 %, а в атмосфере —
примерно в 10 раз больше @,04 %). Если учесть запасы пресной воды в
озерах, которые можно использовать, то их всего около 0,3 % от общих
мировых запасов. Правда, эта вода возобновляется за относительно
небольшое время (табл. 1.2): в руслах рек в среднем — за 16 дней, а
атмосфере в среднем — за 8 дней. Запасы воды в озерах
представляют собой ресурсы, возобновляемые за довольно большой период
времени A7 лет), и их использование — взятие «кредита» у
природы.
7

Таблица 1.2
Периоды возобновления запасов воды на Земле
Вид воды
Мировой океан
Подземные воды
Почвенная влага
Полярные ледники и постоянный снежный покров
Подземные льды (зоны многолетней мерзлоты)
Запасы воды в озерах
Наиболее крупные ледники горных районов
Воды в руслах рек
Биологическая вода
Атмосферная влага
Средний период
возобновления
2500 лег
1400 лег
1 год
9700 лет
10 000 лег
17 лег
1600 лег
16 дней
Несколько часов
8 дней
Особенно остро в настоящее время стоит вопрос о ликвидации
последствий загрязнения и сохранения чистоты природных резервуаров
воды на нашей планете. В последние же годы загрязнение в
значительной степени коснулось и атмосферной воды. Теперь атмосферные
осадки далеко не так уж чисты, как прежде, в начале и даже в середине
XX в. Они способствуют «вымыванию» из атмосферы наземную
поверхность отходов производства, поступивших в воздух из заводских
и фабричных труб, и образуют «вторичное» загрязнение пресной воды
гидросферы суши.
1.2. КРУГОВОРОТ ВОДЫ НА ЗЕМНОМ ШАРЕ
На долю пресной воды суши, которую использует человек для
своих потребностей, приходится очень небольшая часть общих водных
ресурсов земного шара. Однако до конца первой половины XX в. этой
воды хватало даже в высокоразвитых промышленных странах.
Пресная вода казалась неиссякаемым природным богатством. Это было
связано с еще одним необыкновенным ее свойством, проявляющимся
в результате процессов круговорота,— постоянным возобновлением
пресной воды за короткое время. Круговорот воды в природе
представляет собой непрерываемый процесс, постоянно действующий
механизм, который не остановится, пока на нашей планете есть
солнечная энергия, гидросфера и атмосфера, а подстилающая поверхность
разделена на океаны и континенты.
. Научно-техническая революция, бурный технический прогресс за
относительно короткое время нарушили сложившиеся веками
естественное равновесие во всех звеньях круговорота или гидрологического
8

цикла, изменив качество циркулирующей воды, при сохранившемся
механизме влагооборота. Это привело к тому, что в наши дни может
возникнуть вопрос о «водном кризисе», или о «водном голоде» при
том же количестве возобновляемой, но уже загрязненной пресной
воды.
Благодаря работам ученых появилась возможность количественно
оценить самое подвижное звено круговорота воды в природе — его
атмосферную ветвь, которая стала более точно определяться только
после организации регулярных наблюдений в свободной атмосфере на
аэрологических станциях. Схема этого процесса такова: часть
водяного пара, испарившегося с поверхности океана, поступает в атмосферу,
а затем выпадает в виде осадков на поверхность океана. Остальная
часть водяного пара океанического происхождения выносится на
материк атмосферными воздушными течениями. Из этого
переносящегося в горизонтальном направлении (адвективного) потока влаги на
ближайшей к океану части материка могут образоваться облачность и
выпадать осадки. В дальнейшем по мере перемещения водяного пара
над сушей к адвективной влаге будет добавляться влага, испарившаяся
с суши и внутренних водоемов. Она перемешивается с водяным паром,
поступившим с океана. Из этой влаги затем могут образоваться осадки,
состоящие из адвективного и местного водяного пара. После
осуществления на материке процессов влагооборота часть адвективной и
местной влаги выносится за пределы материка на другой его склон.
Осадки, выпавшие на сушу, формируют очень важную для
человека воду — речной сток: поверхностный и подземный стоки в реки,
речной и подземный стоки в океан или в бессточное море.
Влагооборот в атмосфере земного шара
Осадки Л м3/год 577 • 1012
Влагосодержание атмосферы, н>, м\ . 12,9 • 1012
Число смен водяного пара в атмосфере при наличии испарения
N=P/w 45
Продолжительность одной смены 365/458,1
Средняя скорость зонального переноса водяного пара, v*, км/сут 220
Время одного оборота водяного пара вокруг Земли (при средней
длине широтного круга / = 24 000 км) t = Uvn сут 109,4
Число смен влаги за один оборот вдоль средней параллели
(/ = 24 000 км) при влагосодержании атмосферы, обусловленном
переносом с океана (адвекцией) и испарением К =(N/265. 13,5
Влажность воздуха, поступающего с океана, % 80
Влажность воздуха, при которой осадки не образуются, % Около 40
Соотношение между влажностями воздуха (не образующей
осадки, исходной) 0,5
9

Число смен пара в атмосфере A смена за 8,1 сут) при отсутствии
испарения N=P/Q,5w 90
Число смен влаги за один оборот ее вдоль средней параллели
(/ = 24 000 км) при влагосодержании, обусловленном только
адвекцией водяного пара (испарение отсутствует) 0,5
Отношение осадков при реальном испарении к осадкам при его
отсутствии в течение одного оборота вдоль средней параллели
(/ = 24000 км) 27
На поверхность нашей планеты выпадает за год 577 • 1012 м3/год
атмосферных осадков. При этом водные ресурсы самой атмосферы
составляют всего 12,9 • 1012 м3. Это означает, что влага в процессе
выпадения осадков и повторного их испарения успевает за год совершить
несколько циклов влагооборота. Число смен водяного пара в
атмосфере (при наличии испарения) равно 45. Если бы не испарения, то из
воздуха, поступившего с океана на материк, выделялась бы только
половина @,5) содержащейся в нем влаги. В дальнейшем же при
неизменной температуре воздуха водяной пар выносился бы без выпадения
осадков. Это подчеркивает важность всех звеньев круговорота при
возобновлении пресной воды на поверхности Земли. Установлено, что
при относительной влажности воздуха ниже 40 % осадки либо совсем
не выпадают, либо незначительны. Полное обновление водяного пара
в атмосфере земного шара происходит за 8,1 дня. Влага за один оборот
водяного пара вдоль параллели длиной 24 000 км меняется 13,5 раз,
что позволяет оценить условия использования водяного пара при
испарении с поверхности земного шара и горизонтальном переносе
водяного пара в атмосфере.
Как видно из табл. 1.3, над океанами выпадает 7/9 общего
количества осадков, а над континентами — только 2/9. Таким образом, в
основном кругооборот воды происходит между атмосферой и океаном.
Вода, выпавшая на сушу, затем расходуется на:
• просачивание (или инфильтрацию);
• улетучивание (или точнее, испарение);
• сток.
Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как
способствует снабжению почвы водой, которая накапливается в
верхних слоях, богатых гумусом и растительностью.
Испарение — процесс, противоположный инфильтрации.
Испарение играет важную роль в водном режиме местности, при этом сами
растения выделяют своей листвой достаточно значительное
количество воды. Корни деревьев, длина которых достигает нескольких мет-
Ю

Таблица 1.3
Материк
Европа
Азия
Африка
Северная Америка
Южная Америка
Австралия

Площадь,
тыс.
км2
9800
40 775
29 530
20 060
17 800
7615
Характеристик!
Осадки
Р
7540
25 700
21400
16 200
28400
3470

Испарение Е
4680
15 220
15 500
9530
15 120
2990
i круговорота воды для материков
Общий
сток Q
2726
10 7790
4185
6630
11760
301
земного шара
Составляющие' круговорота воды,
Влаго-
держа-
иие

мосферы W
144
864
848
329
522
183
а
10 100
20100
24 600
12 300
20 700
12 800
5310
15 860
15 080
9790
16 900
3040
Ры
2230
9840
6330
6360
11500
430
С
4800
4200
9500
2500
3800
9700
кы'/год
С
2500
5300
9200
2800
3700
2560
С
7300
9500
28 700
5300
7500s
12 260
К
1,42
1,62
1,42
1,65
1,68
1,14
С/Р,
%
97
37
87
33
26
350
QIC,
%
37
113
22
125
1,56
2
С/а,
%
72
47
76
43
36
96
Л — часть от общих осадков, обусловленная океаническим водяным паром; Ры — часть от общих осадков, обусловленная нспареннем с суши; Ес —
испарение с сушн; Еш—испарение с поверхности внутренних водоемов; Е— общее испарение (Е = ?е + ?,); С — транзит океанической влаги (С =*я~ Л);
С" — атмосферный сток влаги, обусловленный испарением с сушн (С = Е - Ры), С — общий вынос водяного пара с континента (С=*С + С); Q9 —
поверхностный и подземный сток в реки; Q — речной сток в океан; Qn — подземный сток в океан (бессточное море).

ров, способствует движению воды из почвы в атмосферу. Количество
воды, выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они
снабжаются. Гектар леса испаряет от 20 до 50 т воды в день.
Суммарное испарение, т. е. масса воды, испаряемая деревьями и
испарившейся с поверхности почвы, играет главную роль в
кругообороте воды на континентах.
Сток рек восполняет потерн воды от испарения н просачивания.
Поверхностный сток и ресурсы подземных водоносных слоев
обеспечивает питание водных потоков, которые в конце концов
возвращаются в гидросферу.
1.3. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА ВОДЫ
Вода, нлн оксид водорода Н2О, имеет молекулярную массу 18,016.
На водород приходится 11,19% массы, на кислород — 88,81 %. В
природе встречаются три изотопа водорода: 'Н-протий, 2Н-дейтерий н
3Н-тритий и трн изотопа кислорода 16О, 17О и 18О, образующих 9
устойчивых изотопных модификаций молекул воды. В природной воде
на долю !Н216О по массе приходится 99,73 %, на долю 'Н2 О -- 0,2 %,
на 'Н2|7О — 0,04 % и на !Н2Н16О — около 0,03 %; остальные пять
разновидностей содержатся в ничтожных количествах. Помня о
многообразии состава воды, мы тем не менее пользуемся привычной
формулой !Н216О, так как она является символом основного компонента.
В молекуле воды ядра водорода и кислорода образуют
равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два мелких ядра
водорода, в вершине — более крупное ядро кислорода. Валентный
угол у центрального атома кислорода, образованный связями
Н — О — Н, составляет 104°27' (рис. 1.1, а). Структура электронного
облака молекулы схематично показана на рис. 1.1, б. Две внешние
пары электронов, образующих связи О — Н, смещены к атому
кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается избыток
положительного заряда. Две не поделенные пары электронов также
смещены относительно ядра атома кислорода, н их отрицательные заряды
остаются частично не скомпенсированными. Условно можно
представить, что лепестки электронного облака направлены к вершинам
частично искаженного тетраэдра, что иллюстрируется рис. 1.1, в.
Асимметричность распределения электрических зарядов
обусловливает ярко выраженные полярные свойства молекулы воды, которая
представляет собой диполь с очень высоким электрическим
моментом.
12

Н' Н
а) 6) в)
Рис. 1.1. Строение молекулы воды:
а—угол между валентными связями О — Н; 6—структура электронного облака;
в — расположение зарядов
Рис. 1.2. Схема
взаимодействия молекул воды
в структуре льда:
1
-кислород; 2 — водород;
3 — химические связи;
4 — водородные связи
Измерения молекулярной массы
жидкой воды показали, что она выше
молекулярной массы воды в парообразном
состоянии; это свидетельствует об
ассоциации молекул объединения их в сложные
агрегаты. Вследствие тетраэдрйческой
направленности электронного облака
каждая молекула воды может образовать
четыре водородные связи, которые
обусловливают ассоциацию молекул воды и
способствуют возникновению ее
упорядоченной внутренней структуры.
Водородные связи непрочны, легко
разрушаются и образуются даже при
обычных тепловых движениях молекул. Полностью все четыре
водородные связи реализуются при замерзании воды. В твердом состоянии
каждая молекула тетраэдрически окружена четырьмя другими —
тремя из того же слоя и одной из соседнего слоя молекул.
Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда показана на
рис. 1.2. Структура льда является наиболее упорядоченной и наименее
плотной. Ее особенность заключается в наличии пустот, размеры
которых превышают размеры молекул.
Чистая вода — жидкость без запаха, вкуса и цвета (лишь в слое
толщиной более 2 м голубоватая), Основные физические
характеристики воды (при давлении 0,1 МПа) следующие:
Температура:
кипения 100 °С
замерзания, плавления 0°С
Плотность при температуре, °С:
0 0,99984 г/см3
13

3,98 1,000 г/см3
20 0,9982 г/см3
Удельная теплоемкость воды при 20 °С 4,178 Дж/(г.К)
Вязкость при температуре, °С:
0 0,001793 Па • с
25 0,000895 Па с
Удельная электрическая проводимость при 20 °С . . . . 4,2-106 ом/м
Относительная диэлектрическая постоянная при 20 °С . 81
Поверхностное натяжение при 18 °С 73 • 10~3 Н/м
По сравнению с другими химическими соединениями вода
обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств —
плотности, удельной теплоемкости и др. Эти аномалии воды в
значительной степени связаны с ассоциацией ее молекул.
Уникальным свойством воды является ее способность при
обычных температурах и давлении находиться в трех агрегатных
состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар).
Повышение температуры воды действует двояко: вызывает
нарушение регулярной структуры и приводит к тепловому расширению. В
интервале температур от 0 до 4 °С (плавление льда) происходит
разрушение части водородных связей, т. е. нарушается структура льда,
достигается более плотная упаковка молекул в результате размещения
отдельных молекул воды в пустотах оставшихся агрегатов. В этом
интервале температур фактор нарушения структуры преобладает над
тепловым расширением, и плотность воды повышается, достигая
максимального значения при 3,98 °С. При 3,98 °С оба фактора взаимно
уравновешиваются. Дальнейшее нагревание воды до 100 °С
сопровождается нормальным снижением плотности, так как преобладает
действие теплового расширения. Эта аномалия обусловливает
возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Поскольку лед
легче воды (его плотность меньше), он располагается на поверхности
и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При,
дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но
температура воды подо льдом остается на уровне 4 °С, что позволяет
водным организмам сохранять жизнь.
Большое значение в жизни природы имеет также и тот факт, что
вода обладает аномально высокой теплоемкостью — 4,18 Дж/(гК).
Высокая теплоемкость воды есть следствие расхода части теплоты на
разрыв водородных связей. В природных условиях вода медленно
остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на
Земле.
14

Вязкость (способность жидкости оказывать сопротивление
различным формам движения) воды закономерно изменяется в
зависимости от температуры: уменьшается с ее возрастанием. С повышением
концентрации растворенных в воде солей вязкость увеличивается. В
то же время действие давления на вязкость воды довольно
специфично: с понижением температуры при умеренном давлении вязкость
воды снижается, хотя логично было бы ожидать ее повышения, а если
давление увеличить значительно, то поведение воды подчиняется
общему правилу.
Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 81 — это
очень высокая величина, чем и объясняется такая большая
ионизирующая сила воды.
Вода имеет максимальное для жидкостей (кроме ртути)
поверхностное натяжение, благодаря чему обеспечивается возможность
движения соков в растениях, крови в сосудах животных и человека. С
повышением температуры поверхностное натяжение воды уменьшается.
Оптические свойства воды оцениваются по ее прозрачности,
которая, в свою очередь, зависит от длины волны луча, проходящего через
воду. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, поэтому
растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне
водоемов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный
слой в незначительной степени. Вследствие поглощения оранжевых и
красных компонентов видимого света вода приобретает голубоватую
окраску.
Химическая чистая вода очень плохо проводит электрический ток,
но все же обладает некоторой электропроводимостью, так как она
способна в очень незначительной степени диссоциировать на ионы
водорода и гидроксил-ионы
A.1)
По величине электропроводимости чистой воды вычислено, что
при температуре 18 °С в 10 млн л воды в диссоциированном состоянии
находится -0,86 моля воды, при 22 °С— 1 моль, при 25 °С—1,109
моля.
По закону Гульберга и Вааге скорость химической реакции прямо
пропорциональна действующим массам, т. е. концентрациям
реагирующих веществ. Поэтому можно написать
; v2 = K2[H+][OIT| A.2)
где vi и V2 — скорости прямой и обратной реакций; Ki и К2 —
коэффициенты пропорциональности в выражениях скоростей, называемые
константами реакций.
15

В момент равновесия процесса скорости vi и v2 равны друг другу,
следовательно.
[НЦОНТ/РВД = К!/К2 - К' A.3)
где К' — константа равновесия реакии при данной температуре, или
константа диссоциации воды.
Уравнение A.3) можно переписать в таком виде:
[Н+][ОН1 = К'[Н2О] A.4)
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, концентрация
недиссоциированных молекул воды практически равна общей
концентрации воды, т. е. 55,55 моль/л, а поэтому произведение К'[Н2О]
можно считать константой. Эту константу обозначают Kw и назьшают
ионным произведением воды;
{ A.5)
Для воды и разбавленных водных растворов при неизменной
температуре произведение концентраций ионов водорода и гидро-
ксил-ионов есть величина постоянная. Численное значение ионного
произведения воды при 22 °С составляет 10~14.
Вода— весьма реакционноспособное соединение. Она реагирует
с оксидами многих металлов (Na2O, СаО и др.) и неметаллов (СЮ2,
СО: и др.), образует кристаллогидраты с некоторыми солями
[Al^SO^a 18Н2О], вступает во взаимодействие с активными
металлами (Na, К и др.).
Вода — катализатор многих химических реакций, и иногда для
прохождения реакции необходимы хотя бы ее следы. Взаимодействуя
с некоторыми солями, вода вызывает процесс обменного разложения
их — гидролиз. Вода — участник и среда для протекания множества
биохимических реакций в живых организмах.
Энергия образования молекул воды высока, она составляет
242 кДж/моль. Этим объясняется устойчивость воды в природных
условиях. Устойчивость в сочетании с электрическими
характеристиками и молекулярным строением делают воду практически
универсальным растворителем для многих веществ. Высокая диэлектрическая
проницаемость обусловливает самую большую растворяющую
способность воды по отношению к веществам, молекулы которых поляр-
ны. Из неорганических веществ в воде растворимы очень многие соли,
кислоты и основания. Из органических веществ растворимы лишь те,
в молекулах которых полярные группы составляют значительную
часть — многие спирты, амины, органические кислоты, сахара и т. д.
16

Растворение веществ в воде сопровождается образованием слабых
связей между их молекулами или ионами и молекулами воды. Это
явление называется гидратацией.
В процессе растворения веществ изменяется величина
электрического момента диполя молекул воды, изменяется их пространственная
ориентация, разрываются одни и образуются другие водородные
связи. В совокупности эти явления приводят к перестройке внутренней
структуры.
Растворимость твердых веществ в воде зависит от природы этих
веществ и температуры и изменяется в широких пределах.
Повышение температуры в большинстве случаев увеличивает растворимость
солей. Однако растворимость таких соединений, как CaSO4 ¦ 2Н2О,
Са(ОН>2 при повышении температуры снижается.
При взаимном растворении жидкостей, одной из которых является
вода, возможны различные случаи. Например, спирт и вода
смешиваются друг с другом в любых соотношениях, так как оба полярны.
Бензин (неполярная жидкость) в воде практически нерастворим.
Наиболее общим является случай ограниченной взаимной растворимости.
Примером могут служить системы воды — эфир, вода — фенол. При
нагревании взаимная растворимость для одних жидкостей возрастает,
для других — уменьшается. Например, для системы вода — фенол
повышение температуры выше 68 °С приводит к неограниченной
взаимной растворимости.
Газы (например, NH3} CO2, SO2) хорошо растворимы в воде, как
правило, в тех случаях, когда они вступают с водой в химическое
взаимодействие; обычно же растворимость газов невелика. При
повышении температуры растворимость газов в воде уменьшается. Ниже
приведены данные по растворимости в воде (при атмосферном давлении)
кислорода — важнейшего элемента для всех биологических
процессов в водоемах и сооружениях по очистке загрязненных вод.
Температура воды, °С
Концентрация Ог, мг/л
О
14,62
10
11,33
20 30
9,17 7,63
Следует отметить, что растворимость кислорода в воде почти в 2
раза выше, чем растворимость азота. Вследствие этого состав
растворенного в воде водоемов или очистных сооружений воздуха
отличается от атмосферного. Растворенный воздух обогащен кислородом, что
очень важно для организмов, обитающих в водной среде.

Глава 2
СОСТАВ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
2.1. ДИСПЕРСНЫЕ ВОДНЫЕ СИСТЕМЫ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Вода, используемая человеком для своих нужд, обычно
характеризуется качественными показателями, т. е. характером и
концентрацией содержащихся в воде примесей. Поэтому при оценке качества воды
значительную роль играет не только природа примесей, но и их
физико-химическое состояние.
В технологических процессах очистки воды разного
происхождения понятие дисперсность характеризует степень раздробленности
частиц примесей, или их размер. Примеси воды с размерами частиц
< 10~7 см образуют с ней истинные растворы — системы гомогенные,
однофазные. Природные и сточные воды в большинстве случаев
являются гетерогенными системами, состоящими по меньшей мере из
двух фаз.
Дисперсными называются системы, в которых одно вещество в
виде очень мелких частиц распределено в среде другого вещества.
Дисперсные системы гетерогенны. Совокупность мелких частиц
составляет дисперсную фазу, а вещество, в котором они распределены,
называется дисперсионной средой.
Дисперсные системы имеют много разновидностей,
отличающихся агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Если обозначить Г — газ, Ж — жидкость, Т — твердое агрегатное
состояние, при этом индекс 1 отнести к среде, а 2 — к фазе, то возможно
несколько комбинаций. Например, Г] — Ж2 — аэрозоль, более
конкретно — туман, когда в газообразной среде растворены капли воды;
Г\ — Гг — тоже аэрозоли (аэрозоль пыль представляет собой
газообразную систему с растворенными в ней твердыми частичками, а
аэрозоль дым ¦— ту же систему с конденсированными летучими
веществами); )Ki — Г2 — пена; )Ki — Ж2 — эмульсия; Ж1 — Т2 с
низкодисперсными частичками —.суспензия, с тонкодиспергированными
частичками— коллоидные растворы, или золи.
18

Свойства любой такой системы существенно зависят от размера
частиц дисперсной фазы. Для количественной оценки дисперсности
введено понятие степень дисперсности Д — величина, обратная
поперечному размеру частицы. Гетерогенные системы, в которых
дисперсионной средой является жидкость, по степени дисперсности частиц
подразделяются на взвеси (суспензии и эмульсии) с D < 105 см и
коллоидные растворы A07>D>105 см).
Дисперсные системы подразделяют также на лиофильные,
частицы которых способны в большом количестве связывать молекулы
дисперсионной среды, и лиофобные, в которых взаимодействие частиц с
дисперсионной средой незначительно. Если дисперсионной средой в
системе является вода, пользуются соответственно терминами
гидрофильный и гидрофобный.
В гетерогенных дисперсных системах, например Ж} — Т2,
жидкость и твердое вещество дисперсной фазы имеют поверхностную
границу, где происходит их соприкосновение. Поверхность
соприкосновения называется межфазной. Состояние молекул в
соприкасающихся слоях Ж] и Т2 отличается от состояния их внутренних слоев. На
межфазовой поверхности молекулы твердого вещества дисперсной
фазы испытывают притяжение молекул жидкости меньше, чем со
стороны молекул внутренних слоев Т2.
Возникающая при этом напряженность межмолекулярных сил на
границе раздела фаз определяет потенциальную энергию межфазной
поверхности, называемую поверхностной энергией.
По степени дисперсности частиц коллоидные растворы
располагаются между взвесями и истинными растворами. По внутренней
структуре коллоидных частиц различают: суспензоиды и ассоциативные
или мицеллярные коллоиды.
Суспензоиды. К ним относятся такие коллоиды, которые
сохраняют структуру исходного вещества, но имеют при этом высокую
степень дисперсности.
Представители суспензоидов — растворы оксидов и гидроксидов
металлов, сульфидов и других неорганических солей — золи
гидрофобные. Их концентрация обычно не превышает 0,1 %. Осадок таких
растворов, остающийся после выпаривания, при соприкосновении с
водой не способен вновь образовать коллоидный раствор, поэтому
суспензоиды называют необратимыми коллоидами.
Вследствие малого размера частиц межфазная поверхность очень
велика и может достигать сотен квадратных метров на 1 г дисперсной
фазы. Соответственно и запас свободной поверхностной энергии
оказывается огромным, поэтому коллоидные растворы — системы
термодинамически неустойчивые с выраженным стремлением к умень-
19

шению поверхностной энергии. Запас поверхностной энергии может
быть снижен в результате укрупнения частиц дисперсной фазы либо
при адсорбции на их поверхности ионов и молекул дисперсионной
среды.
Сложная структура частицы суспензоида формируется вокруг
ядра, состоящего из множества молекул не растворимого в
дисперсионной среде вещества. Ядро избирательно адсорбирует на своей
поверхности ионы, называемые потенциалообразующими, и
приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с противоположным знаком
заряда (противоионы) вследствие электрического притяжения
группируются вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть противо-
ионов электростатическими силами прочно связана с ядром и образует
вместе с адсорбированными на ядре ионами адсорбционный слой.
Ядро и адсорбционный слой ионов составляют частицу, несущую
определенный заряд. Другая часть противоионов под влиянием
диффузионных сил слабее связана с ядром и образует вокруг частицы
ионную атмосферу (диффузионный слой), компенсирующий заряд
частицы. Частица в совокупности с диффузионным слоем составляет
мицеллу. Мицеллы электронейтральны.
Ассоциативные коллоиды. Ряд синтетических и природных
веществ способен в зависимости от условий образовывать истинные и
коллоидные растворы. К числу таких веществ относятся мыла,
моющие средства, некоторые органические красители. Все они являются
поверхностно активными веществами.
Истинная растворимость этих веществ в воде невелика, но для них
характерно образование ассоциатов молекул, достигающих размеров
частиц коллоидной степени дисперсности, если концентрация
раствора превышает некоторую критическую величину. Ассоциаты
молекул, так же как в суспензоидах, называют мицеллами, а
концентрацию, при которой начинается ассоциация молекул, называют
критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).
Все сказанное поясняет, почему растворы этих веществ называют
ассоциативными или мицеллярными коллоидами. Молекулы веществ,
способных образовывать коллоидные растворы этого типа, обычно
имеют в своем составе углеводородный радикал, сродство которого к
воде ничтожно, и полярные группы типа — СООН, —ОН и т. п. с
высоким сродством к воде. Ядро мицеллы образуют ассоциированные
углеводородные радикалы, а полярные группы обращены к
растворителю и образуют внешний слой ассоциата. Диффузный слой мицеллы
в зависимости от структуры вещества формируется из катионов или
анионов (противоионов) и компенсирует суммарный заряд мицеллы.
20

Поверхностно-активные вещества широко применяются в быту и
промышленности, поэтому часто оказываются в сточных водах.
Высокомолекулярные соедннення (ВМС). К ним относятся
природные и синтетические полимеры с молекулярной массой от
десятков тысяч до нескольких миллионов. Это белки, полисахариды,
каучук, синтетические полимеры. Размер молекул ВМС соответствует
частицам коллоидной степени дисперсности. Растворы этих веществ
часто называют молекулярными коллоидами, однако на самом деле
ВМС образуют истинные растворы, т. е. однофазные системы. От
коллоидных растворы ВМС отличает большая устойчивость, связанная с
наличием в их молекулах большого количества лиофильных групп,
более высокая концентрация растворов, способность сухого вещества
набухать и переходить в растворенное состояние. Тем не менее
растворы ВМС имеют и некоторые свойства коллоидов.
Различное фазово-дисперсное состояние примесей в воде
побуждает классифицировать содержание в ней примесей. В нашей стране
используется классификация, предложенная академиком Л.А. Куль*
ским, она основана на различий физико-химического состояния,
которое в значительной мере определяется дисперсностью веществ. Этот
принцип позволил разделить все многообразные примеси природных
и сточных вод, различающиеся по химическим и физическим
характеристикам, на четыре группы.
Первая группа примесей с частицами размером КГ1 — 1(Г5 см
представлена взвешенными в воде частицами, образующими
суспензии и эмульсии. К этой группе отнесены также различные организмы
планктона, в том числе бактерии.
Вторую группу примесей с частицами размером 10~5 — КГ6 см
составляют коллоидно растворенные примеси и высокомолекулярные
органические вещества.
К третьей группе примесей, размер частиц которых составляет
КГ6 — 10~7 см, отнесены молекулярно растворенные вещества,
вирусы и бактериофаги, а также растворенные в воде газы — кислород,
диоксид углерода и т. д.
Четвертую группу примесей с частицами размером менее 10~7 см
составляют вещества, диссоциирующие в воде на ионы.
Примеси первой и второй групп образуют с водой гетерогенные
системы, а третьей и четвертой групп — гомогенные системы.
Примеси каждой группы обладают специфическими
особенностями, поэтому для их удаления необходимы определенные
технологические приемы. При очистке воды по мере необходимости можно
переводить загрязняющие вещества из одного фазово-дисперсного
состояния в другое.
21

2.2. СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ,
ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ
Коллоидные растворы характеризуются рядом свойств: молеку-
лярно-кинетическими и электрическими, которые крайне важны при
организации процессов очистки воды.
Молекулярио-кииетическне свойства. Молеку
лярно-кинетическими называются свойства, которые обусловлены хаотическим
тепловым движением частиц. Применительно к коллоидным растворам к
этим свойствам следует отнести броуновское движение, диффузию и
седиментацию.
Броуновское движение — беспорядочное, хаотичное движение
коллоидно- и микроскопически-дисперсных частиц. Броуновское
движение дисперсных частиц происходит вследствие непрерывного
колебательного движения молекул дисперсионной среды. Интенсивность
движения тем выше, чем больше температура, меньше вязкость среды
и выше степень дисперсности.
Диффузия — самопроизвольный процесс перемещения вещества
в результате беспорядочного теплового движения частиц, вследствие
которого происходит выравнивание концентрации раствора. Скорость
диффузии зависит от формы и размеров частиц, температуры и
вязкости среды. Скорость диффузии коллоидных частиц меньше скорости
диффузии частиц в истинных растворах.
Осмотическое давление коллоидных растворов значительно ниже,
чем в истинных растворах той же концентрации. Объясняется это тем,
что коллоидные частицы как по величине, так и по массе во много раз
больше обычных молекул. Вследствие этого и количество их в
коллоидном растворе во столько же раз меньше, чем в молекулярном
растворе, а осмотическое давление коллоидов пропорционально числу
частиц в единице объема.
Седиментация — оседание (или всплывание) частиц в
дисперсионной среде под действием гравитационного поля. Фактором,
противодействующим седиментации, является диффузия, стремящаяся
выровнять концентрации по всему объему. Действие гравитационных
сил оказывается преобладающим лишь для более крупных частиц. Для
мелких частиц скорость диффузии достаточна, чтобы предотвратить
их оседание. Совокупное действие седиментации и диффузии
приводит к установлению с течением времени седиментационного
равновесия, характеризующегося постепенным уменьшением концентрации
от нижних к верхним слоям раствора.
22

Электрические свойства. В коллоидном растворе частицы
находятся в постоянном движении, поэтому диффузный (очень размытый)
слой отстает от частицы, и часть ионов этого слоя отрывается. В
результате наблюдается декомпенсация зарядов, коллоидная частица
становится отрицательно заряженной, а окружающий ее раствор
приобретает положительный заряд. Возникающий при этом потенциал
называется электрокинетическим потенциалом частицы
(обозначается ^-потенциал, читается —дзета-потенциал), ^-потенциал
составляет часть термодинамического потенциала е, возникающего на границе
твердое тело-раствор, ^-потенциал является важной характеристикой
системы, величина его тем больше, чем больше толщина диффузного
слоя.
Диффузная часть двойного электрического слоя не только
подвижна, но и изменчива. Бели повышать концентрацию раствора, то
происходит вытеснение противоионов из диффузной в плотную часть
двойного электрического слоя. Толщина слоя и величина
^-потенциала снижаются. Можно обеспечить такую концентрацию, когда
вследствие перемещения противоионов ^-потенциал станет равным нулю.
В этом состоянии системы изменение термодинамического
потенциала 6 от максимума до нуля происходит в адсорбционном слое. Это
состояние системы называется изоэлектрическим и характеризуется
изоэлектрической точкой.
Отличительным свойством коллоидных систем является их
способность рассеивать свет. В темноте при пропускании пучка света
через коллоидную систему виден светлый конус (эффект Тиндаля,
описавшего это явление). Растворы ВМС при боковом освещении дают
размытый конус Тиндаля.
Важной характеристикой коллоидных растворов является
кинетическая и агрегативная устойчивость. ¦
Под кинетической устойчивостью понимают способность частиц
коллоидного раствора находиться во взвешенном состоянии даже при
существенном различии в плотностях дисперсионной среды и
дисперсной фазы. Кинетическая устойчивость свойственна сильно
разбавленным растворам и очень высокодисперсным золям.
Агрегативная устойчивость — способность системы сохранять
свою степень дисперсности. Устойчивость коллоидных растворов
связана с наличием одноименного заряда у коллоидных частиц.
Двигаясь, частицы сближаются, при этом проявляются действие
отталкивания одноименных ядер частиц и действие притяжения за счет
межмолекулярных сил. В зависимости от того, какие силы преобладают,
23

система либо устойчива, либо частицы дисперсной фазы слипаются и
укрупняются.
Устойчивость коллоидных растворов можно повысить введением
стабилизаторов. В качестве стабилизаторов используют
высокомолекулярные соединения, такие,как белки, поверхностно-активные
вещества и т. д. Стабилизаторы адсорбируются в поверхностном слое
частиц и как бы придают золю свойства раствора использованного
стабилизатора.
Под воздействием различных факторов коллоидные растворы
способны разрушаться. Разрушение может сопровождаться слипанием
отдельных частиц с образованием крупных агрегатов. Такой процесс
разрушения коллоидного раствора называется коагуляцией.
Коагуляция нарушает агрегативную устойчивость коллоидного раствора,
крупные агрегаты Частиц легко седиментируют под действием
гравитационных сил.
Причиной коагуляции могут быть самые разнообразные факторы:
изменение температуры и концентрации коллоидного раствора, его
старение, механические воздействия, ведение в раствор золей с
противоположным знаком заряда, добавление электролитов. Наибольшее
практическое значение имеет последний фактор.
При введении в золь электролита (коагулянта) коагулирующее
действие оказывает ион, имеющий противоположный заряд: для
отрицательно заряженных золей — катион, для золей с положительным
зарядом частицы — анион. Наименьшая концентрация электролита,
вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции. Чем выше
заряд коагулирующего иона, тем ниже его пороговая концентрация.
Коагуляция золя происходит при достижении в растворе критической
величины ^-потенциала, т. е. еще до достижения системой изоэлектри-
ческого состояния.
При определенных условиях процесс коагуляции может оказаться
обратимым, и образовавшийся коагулянт вновь может перейти в золь.
Этот процесс называется пептизацией.
Пептизация тем вероятнее, чем выше гидрофильность
осажденного золя, и легче происходит в свежеосажденной системе с рыхлой
структурой осадка. Причиной пептизации может быть введение в
систему электролита с потенциалообразующими ионами, которые, адсор-
бируясь на частицах осадка, сообщают им заряд. В такой системе
возрастает ^-потенциал, одноименно заряженные частицы
отталкиваются друг от друга и начинают переходить в раствор.
24

2.3. СОСТАВ ПРИРОДНЫХ ВОД
Для большинства видов потребления необходима пресная вода, а
ее запасы составляют менее 3 % общего количества воды на Земле.
Постоянный рост водопотребления — основные причины,
вызывающие острый дефицит воды в ряде регионов. В связи с этим
рациональное, использование и охрана водных ресурсов приобрели в последнее
время первостепенное значение.
В качестве источников водоснабжения используются пресные
водоемы, как подземные, так и поверхностные. К подземным относятся
грунтовые, межпластовые, артезианские, карстовые воды, состав
которых определяется условиями их образования. Так, состав грунтовых
вод зависит от возможностей питания их атмосферными осадками, от
характера почв и подстилающих пород, с которыми контактирует
вода, от санитарного состояния вышележащих водоносных
горизонтов. В формировании состава артезианских вод решающее значение
имеют глубинные геологические структуры. Химический состав
подземных вод формируется в результате таких процессов, как
выщелачивание горных пород, растворение, сорбция, ионный обмен и т. д.
Защищенность артезианских водоносных пластов обеспечивает
постоянство состава воды и почти полное отсутствие в них
микроорганизмов.
Отличительной особенностью поверхностных природных вод
является непостоянство их состава по сезонам года. На процесс
формирования состава воды поверхностных водоемов влияет множество
факторов.
Важнейшее из них — взаимодействие атмосферных осадков,
попадающих в водоисточник, с загрязненным воздухом и почвенным
покровом; биологические процессы в водоеме с участием гидробионтов
и деятельность человека (регулирование речного стока, ирригация,
судоходство, сброс сточных вод й т. д.).
В природных водах обнаружено более половины известных
химических элементов. По своей природе примеси воды подразделяются на
минеральные и органические, находящиеся в воде во взвешенном,
коллоидном и истинно растворенном состоянии.
Для подземных источников водоснабжения характерно
небольшое содержание или отсутствие органических примесей, повышенная
минерализация, иногда присутствие газов (СО2, H2S, СН4).
Среди поверхностных источников водоснабжения различают
водоемы с малой минерализацией: содержания солей до 200 мг/л,
средней — 200—500 мг/л и повышенной — 500—1000 мг/л. Около 90 %
общего солесодержания приходится на главные ионы: Na+, Ca2+, Mg*+,
25

К+ и НСО3, SO42, С1 . Природные воды в зависимости от
преобладающего аниона подразделяются на три класса: гидрокарбонатные,
сульфатные и хлоридные. Внутри класса выделяются группы с
преобладающим катионом: натриевая, кальциевая, магниевая.
В ионном составе рек с малой и средней минерализацией
преобладают НСО з, Са2+, Mg2". Водоисточники этого типа распространены на
севере и в средней полосе страны и питаются главным образом за счет
поверхностного стока.
В ионном составе рек и озер с повышенной минерализацией
преобладают SO42", СГ, Na+, так как они питаются подземными водами.
Такие водоемы распространены в основном в засушливых южных
районах.
2.4. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Показатели качества природных вод в целом характеризуются
разнообразными показателями, важнейшими из которых являются:
температура, реакция среды, цветность, запах и привкус, мутность,
ионный состав, наличие соединений железа и марганца, жесткость, окис-
ляемость, наличие растворенных газов, наличие соединений фтора,
иода и токсичных соединений, санитарно-бактериологические и
гидробиологические показатели. Показатели качества воды
регламентируются ГОСТами.
Температура — физический показатель качества воды.
Температура воды поверхностных водоисточников в зависимости от сезона
гола изменяется от 0 до 30 °С. Подземные источники водоснабжения
имеют относительно постоянную температуру 8—12°С. Для
питьевых целей желательно иметь воду с температурой 7—15°С.
Температура влияет на вязкость воды и, следовательно, на
скорость осаждения взвешенных частиц. Измеряется температура
непосредственно при отборе пробы термометром с делениями до 0,1 °С с
точностью ±0,5°С.
Реакция среды. Вода хозяйственно-питьевого назначения должна
иметь рН = 6,5 — 8,5. Такое требование связано с необходимостью
удовлетворения физиологических потребностей человека и
исключения коррозии материалов труб и сооружений. Для большинства
природных водоисточников величина рН не выходит за эти пределы.
Значение рН определяют электрометрически с использованием
стеклянных и каломельным электродов. Допускается измерение с набором
буферных смесей в качестве стандартных.
26

Величина рН — мера активной реакции среды, или активной
кислотности, обусловленной присутствием в растворе свободных ионов
водорода. Для количественной характеристики кислотности
растворов пользуются также понятием «общая кислотность», для выражения
которой служит нормальность, равная числу г-экв кислоты в 1 л.
Общая кислотность называется титруемой аналитической, так как
определяется титрированием раствора щелочью. Активная кислотность
составляет только часть общей кислотности и тем большую, чем выше
степень диссоциации кислоты, присутствующей в растворе.
Для характеристики растворов с величиной рН < 4,5 кроме
активной и общей кислотности определяют свободную кислотность,
которая выражается числом г-экв щелочи, необходимым для
нейтрализации 1 л раствора до рН = 4,5.
Цветность — показатель, обусловленный наличием в воде гуми-
новых и фульвокислот и их растворимых солей, а также присутствием
соединений железа. Примеси, обусловливающие цветность воды по
степени дисперсности, относятся ко второй и третьей группам.
Количество примесей в воде, обусловливающих цветность, зависит от
многих факторов и главным образом от наличия торфяников в бассейне
водоисточника.
Цветность воды, имеющей большую концентрацию взвешенных
веществ, определяют после предварительного отстаивания пробы или
в фильтрате. При массовом развитии водорослей в поверхностных
водоемах вода может приобретать различные оттенки, однако на
величину показателя «цветность» это не должно влиять, так как при
фильтровании воды клетки водорослей задерживаются на фильтре. Следует
отметить, что нет прямого соответствия между цветностью и
количеством органических веществ, вызывающих окраску. Поэтому степень
цветности выражают не в мг/л какого-то вещества, а в особых
единицах и градусах. Измерение производится путем сравнения пробы со
стандартным раствором, приготовленным из смеси солей хлорплати-
ната калия K2PtCl6 и хлорида кобальта СоСЬ (платиново-кобальтовая
шкала). Окраска воды, соответствующая окраске стандартного
раствора, который содержит 0,1 мг платины в 1 мл, оценивается 1 град
цветности. В качестве стандартного можно применять также раствор,
приготовленный из бихромата калия и сульфата кобальта. Цветность
речных вод колеблется в больших пределах — от 35 до 55 град,
достигая в отдельных случаях 200 град и выше.
Запахи и привкусы — органолептические показатели качества
воды. Запахи вызывают летучие пахнущие вещества. Запахи и
привкусы природной воды обусловлены присутствием веществ
естественного происхождения или веществ, попадающих в воду в результате за-
27

грязнения ее стоками. Естественные запахи (землистый, гнилостный,
болотный, сероводородный и т. д.) связаны,как правило, с развитием в
водоеме водорослей, плесеней, актиномицетов и других водных
организмов. Запахи искусственного происхождения классифицируют как
хлорный, фенольный, аптечный и т. д. Вкус описывают как соленый,
сладкий, горький, кислый. Отмечают также особые привкусы —
щелочной, металлический и пр. При определении запаха и привкуса
сначала устанавливают их характер, а затем интенсивность, оцениваемую
по пятибалльной системе. При выполнении анализа на запах и
привкус обязательно указывается температура, поскольку интенсивность
этих показателей увеличивается с повышением температуры. Вода
источников хозяйственно-питьевого снабжения обычно имеет запах и
привкус не выше 3—4 баллов.
Чаще всего питьевая вода не имеет вкуса. Воды подземных
источников могут иметь солоноватый и горько-солоноватый вкус
вследствие содержания солей в высоких концентрациях.
Мутность природной воды обусловлена присутствием нераство-
ренных и коллоидных веществ неорганического (глина, песок, гидро-
ксид железа) и органического (илы, микроорганизмы, планктон,
нефтепродукты) происхождения, т. е. примесями, относящимися по
степени дисперсности к первой и второй группам. Измеряют мутность
различными методами, основанными на сравнительной оценке
исследуемой пробы со стандартным раствором, мутность которого
создается внесением в дистиллированную воду стандартной суспензии
диоксида кремния SiO2. Результаты определения мутности выражают в
мг/л. В речных водах мутность выше, чем в подземных. В период
паводков мутность речных вод может достигать десятков тысяч
миллиграммов в 1 л. В питьевой воде мутность, согласно действующим в
нашей стране санитарным нормам, должна быть не выше 1,5 мг/л.
Наличие в воде нерастворенных и коллоидных примесей можно
оценить и по степени прозрачности пробы. Прозрачность определяют
в цилиндрах из бесцветного стекла высотой 30—50 см с плоским
дном. Проба считается прозрачной, если через столб воды в цилиндре,
помещенном на расстоянии 2 см от контрольного текста,
напечатанного специальным шрифтом, можно прочитать текст и различить
указанные в нем цифры или же четко видеть крест, нанесенный черными
линиями толщиной 1 мм, с четырьмя точками по полям. Высота столба
воды в сантиметрах есть прозрачность воды «по шрифту» или «по
кресту». Для характеристики природных вод применяют и другой
показатель — содержание взвешенных веществ. Под взвешенными
веществами понимается количество загрязнений, которое задерживается на
бумажном фильтре при фильтрации пробы (при атмосферном давле-
28

нии или слабом разрежении). Для фильтрования загрязненных вод
используют фильтр типа «белая лента», а при исследовании воды с
загрязнением не более 25 мг/л — тонкие мембранные фильтры. Фильтр
со взвешенными веществами высушивается при 105 °С до постоянной
массы, и по разнице массы фильтра до и после фильтрации
определяется количество взвешенных веществ в воде. Между количеством
взвешенных веществ и прозрачностью однозначной связи нет.
Прозрачность определяется наличием не только взвешенных частиц, но и
коллоидных примесей, которые не задерживаются бумажным
фильтром, а потому не включаются в состав показателя взвешенных
веществ. Кроме того, прозрачность зависит также от формы и размеров
частиц, что для показателя взвешенных веществ значения не имеет.
Несмотря на эти различия ориентировочных определений (в целях
упрощения эксплуатационного контроля), по результатам
длительных наблюдений строят график зависимости прозрачности от
количества взвешенных веществ, с помощью которого на основании
быстро и легко выполняемого определения прозрачности можно с
достаточной степенью точности установить количество взвешенных
частиц в воде.
Сухой остаток и потери при прокаливании. В практике водо-
подготовки под сухим остатком понимают обитую сумму
неорганических и органических соединений в растворенном и коллоидно
растворенном состоянии. Сухой остаток определяют выпариванием
предварительно профильтрованной пробы с последующим высушиванием
при 10 °С. Потери при прокаливании определяют содержание в сухом
остатке органических веществ. Остаток после прокаливания
характеризует солесодержание воды.
Сухой остаток в воде источника хозяйственно-питьевого
назначения и в питательной воде не должен превышать 1000 мг/л, так как
употребление человеком воды с повышенным солесодержанием
вызывает различные заболевания.
Ионный состав. Как уже было сказано, общее солесодержание
природных вод в большинстве случаев с достаточной степенью
точности определяется катионами Na+, K+, Са2+, Mg2+ и анионами НСОз,
SO2~, СГ. Остальные ионы присутствуют в воде в незначительных
количествах, хотя их влияние на свойства и количество воды иногда
очень велико. Поскольку вода электронейтральна, то сумма
положительных ионов равна сумме отрицательных ионов:
[Na+] + [К+] + [Са2+] + [Mg2*] = [НСО] + [SO42T + [СГ] B.1)
Сульфаты, хлориды, силикаты. Естественное содержание
сульфатов и поверхностных и грунтовых водах обусловлено выветривани-
29

ем пород и биохимическими процессами, происходящими в
водоносных слоях.
По ГОСТу предельное содержание сульфат-ионов в воде
источников централизованного водоснабжения не должно превышать 500 мг/л,
но, как правило, в речной воде концентрация сульфатов составляет
100—ISO мг/л. Повышенная концентрация сульфатов может
свидетельствовать о загрязнении источника сточными водами, в основном
производственными. Хлориды являются составной частью
большинства природных вод. Содержание хлоридов естественного
происхождения имеет большой диапазон колебаний: Однако в воде рек
концентрация хлоридов невелика — она превышает обычно 10—30 мг/л,
поэтому повышенное количество хлор-ионов указывает на загрязнение
источника сточными водами. В воде источников централизованного
водоснабжения концентрация хлоридов не должна превышать 350 мг/л.
Лимитирование верхнего предела концентраций сульфатов и
хлоридов обусловлено тем, что более высокие концентрации этих ионов
придают воде солоноватый привкус и могут вызывать нарушение в
работе желудочно-кишечного тракта у людей. При некоторых
соотношениях сульфатов и хлоридов вода становится агрессивной по
отношению к различным типам бетона. Силикаты в растворе определяют
лишь в тех природных водах, где их содержание зависит от
геологических условий и присутствия некоторых организмов. В природных
водах кремниевая кислота может находиться в формах метакремниевой
H2SiO3 (SiO2 • Н2О), ортокремниевой H4SiO4(SiO2 • 2Н2О) и
поликремниевой H2SiO5BSiO2 • НоО) кислот. Все эти кислоты при обычных для
природных вод значениях рН малорастворимы и образуют в воде
коллоидные растворы. Силикаты — нежелательная примесь в воде,
питающей котлы, так как дает силикатную накипь на стенках котлов.
Соединение железа и марганца. Железо практически всегда
встречается и в поверхностных, и в подземных водах; концентрация
его зависит от геологического строения и гидрогеологических
условий бассейна. Соединения железа в воде присутствуют в
растворенной, коллоидной форме и нерастворенной форме. Двухвалентное
железо в воде в присутствии растворенного кислорода очень быстро
переходит в трехвалентную форму и образует малорастворимый гидро-
ксид железа, выпадающий в осадок:
4Fe2+ + 8НСО1 + О2 + 2Н2О -> 4Ре(ОН)з^ + 8C02t B.2)
Повышенное содержание железа в поверхностных водах
указывает на загрязнение их производственными сточными водами. Высокое
зо

содержание железа вызывает отложение осадка в трубах и их
зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды. Содержание железа в
питьевой воде допускается в количестве не более 0,3 мг/л. Содержание
марганца обычно меньше, чем железа. Так, для воды рек средней
части нашей страны количество железа варьирует от 0,1 до 1 мг/л, а
марганца— от 0 до 0,05 мг/д.
Щелочность. Щелочностью называют содержание в воде
веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами, т. е. ионами
водорода. Это одна из важнейших характеристик природной воды. На
щелочность воды существенным образом оказывает влияние
состояние соединений углекислоты, которое поэтому следует рассмотреть
более подробно.
Углекислота может присутствовать в воде в форме недиссоцииро-
ванных молекул Н2СО (в малых количествах), молекулярно
растворенного диоксида углерода СО2 гидрокарбонатов (бикарбонатов)
Н2СО3, если рН воды менее 8,4, и в виде карбонатов СО32~ при рН > 8,4.
Количественное соотношение между различными соединениями
углекислоты определяется уравнениями диссоциации первой и второй
ступени, которые зависят от концентрации ионов водорода, поэтому
существование различных форм углекислоты в растворе определяется
рН. При рН = 3,7 — 4 вся находящаяся в воде углекислота
представлена только диоксидом углерода СО2. По мере повышения рН доля СО2
уменьшается, а следовательно, возрастает доля гидрокарбонатов.
При рН = 8,3 — 8,4 практически вся углекислота находится в виде
гидрокарбонатов (98 %), а на долю СО2 + СО32~ приходится менее 2 %.
При дальнейшем повышении рН свободного СО2 в воде нет, а только
гидрокарбонат и карбонат-ионы. При рН => 12 в растворе находятся
только карбонаты.
Экспериментально щелочность определяют титрованием соляной
или серной кислотой последовательно с индикаторами
фенолфталеином и метилоранжем. Окраска фенолфталеина при рН = 8,2 — 8,4
переходит из розовой в бесцветную, что совпадает с таким состоянием
раствора, когда в нем остаются лишь гидрокарбонаты. Метилоранж
меняет окраску при рН = 4 — 4,3, т. е. в момент, когда в растворе
остается свободный диоксид углерода СО2.
При титровании с фенолфталеином протекают реакции
нейтрализации гидроксильных ионов ОН" и карбонатных ионов с образованием
соответственно воды и гидрокарбонатов:
+ Н*-НСО1 B.3)
31

Следовательно, расход кислоты на титрование с фенолфталеином
эквивалентен содержанию гидроксидов и половины карбонатов, так
как последние нейтрализуются только наполовину, до НСО. Таким
образом,
Ф = [ОЩ + 0,5[СОз2Т B.4)
где Ф — щелочность воды, мг-экв/л; [ОН~] и [СОъ~] •— концентрации
гидроксильных и карбонатных ионов, мг-экв/л.
При дальнейшем титровании в присутствии метилоранжа
происходит реакция нетрализации гидрокарбонатов:
НСО3" + Н+ -> СО2 + Н2О B.5)
Следовательно, весь расход кислоты от начала нейтрализации и до
конца эквивалентен содержанию ионов:
М = [ОН"] + [СОз2-] B.6)
Величина М, мг-экв/л, символизирует общую щелочность воды, а
Ф — так называемую свободную щелочность, обусловленную
наличием гидроксидов и половины карбонатов.
Если рН воды ниже 4:— 4,3, то ее щелочность равна нулю. Вода
рек средней полосы европейской части страны имеет рН = 7 — 8;
щелочность этой воды обычно составляет 3 — 4 мг-экв/л.
Углекислотные соединения обусловливают и такое свойство
воды, как ее агрессивность, которая выражается в разрушающем
действии воды на металлы и даже на бетон.
Жесткость. Общая жесткость воды Жэ показывает концентрацию
катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, главным
образом, кальция и магния.
В природных условиях эти элементы попадают в воду вследствие
воздействия углекислого газа на карбонатные минералы, а также в
результате биохимических процессов, происходящих в почве.
Общая жесткость:
= [Са2+]/20,04 + [М^+]/12,16 , B.7)
где 20,04 и 12,16 — эквивалентные массы соответственно Саи Mg.
Различают жесткость карбонатную и некарбонатную. Количество
Са и Mg, эквивалентное содержанию гидрокарбонатов НСО3,
называется карбонатной жесткостью Жы.
Разность между общей и карбонатной жесткостью называется
некарбонатной жесткостью;
32

Следовательно, Жнк — это содержание Са и Mg, эквивалентное
концентрации всех остальных анионов.
Результаты определения жесткости выражают в мг экв/л. В табл.
2.1 приведена классификация природных вод по величине их
жесткости.
Таблица 2.1
Степень жесткости природных вод
Характеристика воды
Жесткость, мг-экв/л
Характеристика воды
Жесткость, мг-экв/л
Мягкая
Средней жесткости
<4
Жесткая
Очень жесткая
&-12
Жесткость речных вод обычно невысока A — 6 мг экв/л), однако
воды рек, прорезающих толщу известковых и гипсовых пород,
отличаются повышенной жесткостью. Воды подземных источников имеют
более высокую жесткость, чем воды поверхностные.
Для питья допускается использование мягкой воды и воды
средней жесткости, так как наличие солей кальция и магния в
определенных пределах невредно для здоровья и не ухудшает вкусовых качеств
воды. Использование же жесткой воды для хозяйственных целей
вызывает ряд неудобств: образуется накипь на стенках варочной посуды,
увеличивается расход мыла при стирке, медленно развариваются мясо и
овощи. Жесткость питьевой воды по действующему стандарту должна
быть не выше 7 мг-экв/л и лишь в особых случаях допускается до
10 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды
часто совсем недопустимо. Так, жесткая вода не пригодна для систем
оборотного водоснабжения, для питания паровых котлов, для
производства высокосортной целлюлозы, искусственного волокна и др.
Соединения азота и фосфора. Азот в воде может находиться в
органических соединениях — белковых и небелковых и
неорганических— в виде аммонийного нитритного и нитратного.
Повышенное количество азота в природной воде в виде
органических соединений или в аммонийной форме свидетельствует о
загрязнении водоисточника сточными водами как бытовыми, так и
производственными. Наличие же окисленных форм азота, в особенности
нитратов, позволяет говорить либо о ликвидации внесенного
загрязнения, т. е. о закончившемся окислении аммонийных соединений, либо о
неорганическом их происхождении, т. е. об отсутствии внешнего
загрязнения вообще.
В речных водах содержание азота аммонийных солей колеблется
от 0 до 1 мг/л в зависимости от степени ее загрязненности и не должно
2 я-123 , 33

превышать 10 мг/л (по азоту). Такой же предел установлен и для
нитратов.
Фосфор в природной воде встречается в виде минеральных и
органических соединений в растворенном, коллоидном и
суспензированном состояниях.
Содержание соединений фосфора в чистых водоемах ничтожно
мало и обычно не превышает сотых долей мг/л. Повышенное
содержание фосфора наблюдается при смыве удобрений с
сельскохозяйственных полей, при спуске сточных вод.
Перманганатная окисляемость — обобщенный показатель,
характеризующий содержание в воде легкоокисляемых органических и
некоторых неорганических соединений (нитриты, сильфиты, железо
двухвалентное). Под окисляемостью понимают количество
кислорода, эквивалентное расходу перманганата калия.
Артезианские воды имеют обычно окисляемость, не
превышающую 1 — 2 мг/л, тогда как в поверхностных водоисточниках ее
значение может достигать 10 — 12 мг/л. Повышение окисляемости в
водоисточнике служит показателем его загрязнения.
Растворенные газы. 6 воде природных источников чаще всего
присутствуют кислород, диоксид углерода и сероводород.
В открытых незагрязненных водоемах количество растворенного
кислорода близко к насыщению и составляет 8 — 9 мг/л. Иногда
фиксируются значения, превышающие предел насыщения при
температуре определения, что свидетельствует о пересыщении воды
кислородом, а также о присутствии его в воде в свободном, а не в
растворенном состоянии.
Количество кислорода в поверхностных источниках в верхних
слоях выше, чем в глубинных, за счет усиленной поверхностной
аэрации и интенсивно проходящих процессов фотосинтеза.
Сероводород содержится в некоторых подземных водах, а его
присутствие в поверхностных водах свидетельствует о загрязнении
источника сточными водами.
Соединения сероводорода в воде могут быть в виде молекулярно
растворенного H2S, гидросульфидов HS" и сульфидов S2".
Соотношение между различными формами зависит от рН. При наличии
сероводорода и железа в воде образуется тонкодисперсный осадок сульфида
железа FeS. Это явление можно иногда наблюдать в тупиковых
участках водопроводной сети с малым обменом воды. В результате
жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий сульфаты переходят в
сульфиды и реагируют с ионами железа.
Сероводород — токсичный газ, придает воде неприятный запах, в
хозяйственно-питьевых водах его присутствие не допускается.
34

Растворенные газы (Ог, ССЬ, H2S) при определенных условиях
способствуют развитию коррозии металлов и бетона.
Соединения фтора н иода. Содержанию этих соединений
придается большое гигиеническое значение при характеристике природных
и питьевых вод, поскольку как недостаток, так и избыток фтора и иода
приводят к развитию ряда заболеваний. Оптимальная концентрация
фтора в питьевой воде составляет 0,7 — 1,2 мг/л, предельно
допустимая 1,5 мг/л. При избытке фтора в природной воде ее приходится обес-
фторивать, а при недостатке — фторировать.
Токсичные соединения. К числу токсичных веществ,
присутствие которых в питьевой воде строго лимитируется, отнесены
бериллий, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций, нитраты.
Определение их в воде, как правило, производится в случаях, когда
предполагается наличие этих веществ в воде водоисточника. Кроме того,
установлен ПДК алюминия и полиакриламида, добавляемых к воде в процессе
обработки.
Необходимо отметить, что при обнаружении в воде нескольких
токсичных веществ или веществ нетоксичных, но влияющих на
привкус воды, их суммарная концентрация, выражаемая в долях от
нормативов ПДК, не должна быть больше 1. Расчет, соответствующий этому
требованию, ведется по формуле
ci/Ci + C2/C2 +... + с„/Сл <; 1, B.9)
где с,, с2..х„ — обнаруженные в воде концентрации веществ, мг/л; С],
Сг—Сд — установленные ПДК, мг/л.
Санитарно-бактериологическне н гидробиологические
показатели. Микронаселение природных вод чрезвычайно разнообразно.
Его качественный и количественный состав определяется в первую
очередь составом воды. Для глубоко залегающих, очень чистых
артезианских вод характерно почти полное отсутствие бактерий
вследствие защищенности водоносного слоя от контакта с лежащими выше
горизонтами.
Особенностью состава воды открытых водоемов является
изменение его по сезонам года, сопровождающееся изменениями в
количестве и видовом разнообразии микронаселения. Бактериальная
загрязненность поверхностных источников обусловлена, главным образом,
поступлением в водоемы поверхностного стока, содержащего
органические, минеральные вещества и микроорганизмы, смываемые с
площади водосбора, и сточных вод.
С позиций санитарной микробиологии оценка качества воды
проводится с целью определения ее санитарно-эпидемиологической
опасности или безопасности для здоровья человека. Вода играет важную
35

роль в передаче возбудителей многих инфекций, главным образом
кишечных.
Патогенные микроорганизмы попадают в воду с выделениями
людей и животных, при стирке белья, водопое скота. Через воду
получают распространение брюшной тиф, дизентерия, холера,
инфекционный гепатит, и т. д.
Прямое количественное определение возбудителей всех инфекций
для контроля за качеством воды неосуществимо в связи с
многообразием их видов и трудоемкостью анализа. В практической санитарной
микробиологии поэтому прибегают к косвенным методам,
позволяющим определить потенциальную возможность заражения воды
патогенными микроорганизмами.
Санитарно-бактериологическая оценка качества воды основана на
определении двух основных показателей, микробного числа и числа
бактерий группы Coli.
Первый показатель дает представление об общей обсемененности
воды аэробными сапрофитами, поэтому часто называется общим
счетом аэробных сапрофитов или (кратко) общим счетом. Микробное
число определяют методом посева на стандартную среду — мясопеп-
тонный агар (МПА).
Аэробные сапрофиты составляют только часть общего числа
микробов в воде, но являются важным санитарным показателем качества
воды, так как между степенью загрязнения ее органическими
веществами и микробным числом существует прямая зависимость. Кроме
того, полагают, что чем выше микробное число, тем больше
вероятность присутствия в воде патогенных микроорганизмов. Микробное
число водопроводной воды не должно превышать 100. В природных
водах этот показатель изменяется в очень широких пределах для
разных водоемов и по сезонам года для одного и того же водоема. В
чистых водоемах число аэробных сапрофитов может исчисляться
десятками или сотнями, а в загрязненных и грязных водоемах составлять
десятки тысяч к миллионы.
По второму показателю — числу бактерий группы Coli (кишечная
палочка) оценивают возможное присутствие в воде патогенных
микроорганизмов.
Бактерии группы Coli относятся к семейству энтеробактерий. Это
неспороносные палочки, факультативные анаэробы, сбраживающие
лактозу и глюкозу при температуре 37 °С с образованием кислоты и
газа и не обладающие оксидазной активностью. Они являются
постоянными обитателями кишечника человека и животных; постоянно и в
большом числе выделяются во внешнюю среду; дольше, чем
патогенные микроорганизмы, сохраняют жизнеспособность в этой среде; бо-
36

лее устойчивы к действию хлора, чем возбудители большинства
инфекций. Именно эти свойства бактерий группы Coli обусловили
возможность их использования в качестве санитарно-показательных
микроорганизмов. Наличие коли-форм в воде говорит о ее фекальном
загрязнении, а их число позволяет судить о степени этого загрязнения.
Для количественного определения коли-форм применяют
фуксин-сульфитный агар (среда Эндо).
Анализ водопроводной и чистой природной воды проводят после
предварительного концентрирования воды на мембранных фильтрах.
Результаты выражают в виде коли-индекса — числа бактерий в 1 л
воды. Иногда делают пересчет, определяя коли-титр — наименьшей
объем воды (в мл), содержащий одну кишечную палочку.
Коли-титр = 1000/коли-индекс.
Коли-индекс водопроводной воды должен быть не более 3.
Допустимый коли-индекс воды источников водоснабжения зависит от
предполагаемого способа очистки. Если намечается только хлорирование
воды, то коли-индекс воды в источнике не должен превышать 1000;
при полной очистке воды— 10 000.
В особых условиях по санитарно-эпидемиологическим показателям
прибегают к определению в воде энтерококков, энтеровирусов,
сальмонелл и проводят исследования воды на патогенную микрофлору.
Поверхностные источники водоснабжения помимо санитар-
но-бактериологических тестов характеризуются также данными
гидробиологических наблюдений. Микроскопированием пробы воды
определяется число клеток фито- и зоопланктона. Эти показатели
существенно изменяются по сезонам как по количеству организмов, так и
по их видовому разнообразию.
В весенне-летний период интенсивного развития водорослей
(цветения водоема) содержание фитопланктона в поверхностных водах
может достигать 50 тыс. клеток в 1 мл. Летом зоопланктон отличается
большим разнообразием и представлен низшими ракообразными,
коловратками, личинками моллюска дрейссены. В воде могут оказаться
и бентосные организм: черви, личинки насекомых. В зимний период в
воде встречаются, в основном, низшие ракообразные. Число
организмов зоопланктона обычно выражают числом экземпляров в 1 м3 воды.
В воде источников встречаются также организмы, видимые
невооруженным глазом. Их число оценивают числом экземпляров в 1 м3. Для
рек средней полосы европейской части нашей страны концентрация
зооплактона составляет 100 —10 000 экз. в 1 м3 воды.
В питьевой воде планктонные организмы, так же как организмы,
видимые невооруженным глазом, должны отсутствовать.
37

2.5. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Понятие качества воды включает в себя совокупность показателей
состава и свойств воды, определяющих пригодность ее для
конкретных видов водопользования и водопотребления. Требования к
качеству воды регламентируются «Правилами, охраны поверхностных вод от
загрязнения сточными водами» A974), «Санитарными правилами и
нормами охраны поверхностных вод от загрязнения«» A988), а также
существующими стандартами.
По характеру водопользования и нормированию качества воды
водоемы подразделяются на две категории: 1 — питьевого и
культурно-бытового назначения; 2 — рыбохрзяйственного назначения. В
водных объектах первого типа состав и свойства воды должны
соответствовать нормам в створах, расположенных на расстоянии 1 км выше по
течению водотоков и в радиусе 1 км от ближайшего пункта
водопользования. В хозяйственных водоемах показатели качества воды не
должны превышать установленных нормативов в месте выпуска
сточных вод при наличии течения, при его отсутствии — не далее чем
500 м от места выпуска.
Оценка качества воды производится по следующим параметрам:
содержанию взвешенных и плавающих веществ, запаху, привкусу,
окраске, температуре воды, значению рН, наличию кислорода и
органического вещества, концентрации вредных и токсичных примесей
(табл. 2.2 — 2.4).
Вредные и ядовитые вещества, в зависимости от их состава и
характера действия, нормируются по лимитирующему показателю
вредности (ЛГ1В), под которым понимают наибольшее отрицательное
влияние, оказываемое данными веществами. При оценке качества
воды в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения
используют три вида ЛПВ: санитарно-токснкологнческий, общесанитарный
и органолептическиЙ; в рыбохозяйственных водоемах к указанным
трем добавляются еще токсикологический и рыбохозяйственный
ЛПВ.
Вода считается чистой, если ее состав и свойства ни по одному из
показателей не выходят за пределы установленных нормативов, а
содержание вредных веществ не превышает предельнодопустимых
концентраций (ПДК). При наличии в воде нескольких веществ с
одинаковым ЛПВ сумма отношений их концентраций к соответствующим
ПДК не должна превышать единицы:
Y Л_ < 1 <210>
— r *
38

где Cj, C2, ..., С, — концентрация вредных веществ в воде водоема;
ПДК[, ПДКг,..., ПДК/ — предельно допустимая концентрация для
соответствующих вредных веществ в воде источника, мг/л; п — число
веществ с одинаковым ЛПВ.
Таблица 2.2
Общие требование к составу и свойствам воды
Состав и свойства воды
Категория водопользования
Хоэяйственно-питьевое
водоснабжение
РыбохоэяРственные цели
Взвешенные вещества
Плавающие вещества
Запахи» привкусы
Окраска
Температура
Водородный показатель
(РН)
Растворенный кислород
Биохимическое
потребление кислорода (БПК)
Ядовитые вещества
Содержание вещества по сравнению с природным не
должно увеличиваться более чем на 0,25 мг/дм3
Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/дм3
природных минеральных веществ, допускается
увеличение их содержания до 5 %
Спуск взвешенных веществ со скоростью выпадения
более 0,4 мм/с для проточных водоемов н более 0,2 мм/с
для водохранилищ запрещен
На поверхности воды не должно быть пленок вещества
и пятен масел, нефтепродуктов, жиров н других
загрязняющих веществ и предметов
Вода не должна приобретать посторонних запахов,
привкусов.н сообщать их мясу рыб
Не должна
обнаруживаться в столбике 20 см
Летом в результате
спуска сточных вод не должна
повышаться более чем на
30 °С по сравнению со
средней температурой воды
самого жаркого месяца года за
последние 10 лет
Вода не должна иметь
посторонней окраски
Не должна повышаться
по сравнению с
естественной температурой водоема
более чем на 50 °С при
общем повышении не более
чем до 20 °С летом и 5 °С
зимой для водоемов, в
которых обитают холодновод-
ные рыбы, и более чем до
28 °С летом н 8°С зимой
для остальных водоемов
Не должен выходить за пределы 6,5—8,5
Не менее 6 мг/дм3
Значение
Не менее 4 мг/дм3
Не должна превышать
при t-20 °C 3—6 мг/дм3
при 20 °С не должно
превышать 3,0 мг/дм3
Не должны содержаться в концентрациях,
превышающих установленные нормативы, могущих прямо или
косвенно оказывать вредное воздействие на человека и
водные организмы

В настоящее время для водоемов питьевого и культурно-бытового
назначения установлены ПДК более 1625 вредных веществ, для
водоемов рыбохозяйственного назначения — более 1050. Некоторые из
них приведены в табл. 2.3.
Представленные выше оценки качества воды основаны на
сопоставлении фактических значений отдельных показателей с
нормативными и относятся к единичным. В связи со сложностью и
разнообразием химического состава природных вод, а также возрастающим
количеством загрязняющих веществ такие оценки не дают четкого
представления о суммарном загрязнении водных объектов и не позволяют
однозначно выражать степень качества воды с различным характером
загрязнения. Для устранения этого недостатка разработаны методы
комплексной оценки загрязненности поверхностных вод, которые
принципиально разделяются на две группы.
К первой относятся методы, позволяющие оценивать качество
воды по совокупности гидрохимических, гидрофизических,
гидробиологических, микробиологических показателей (табл. 2.4). Вода по
качеству разделяется на классы с различной степенью загрязнения.
Однако одно и то же состояние воды по разным показателям может
быть отнесено к различным классам качества, что является
недостатком данных методов.
Таблица 2.3
Критерии оценки загрязненности поверхностных вод
(Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши)
Ингредиенты и показатели
Аммоний солевой (NH*4)
Нитрат-ион (N01)
Нитрнт-ион (NO'i)
Нефть и нефтепродукты
Фенолы
СПАВ анионоактивные
Железо (Fe3+)
Медь (Си2*)
Цинк (Zn2+)
Хром (Сг3*)
Хром (Сг6*)
Никель (Ni2+)
Кобальт (Со2+)
Свинец (РЬ2+)
Предельно
допустимая концентрация,
мг/л
0,5 @,39)
40 (9,1)
0,08 @,02)
0,05
0,001
0,1
0,5
0,001
0,01
0,5
0,001
0,01
0,01
0,03
Лимитирующий показатель
вредности
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Рыбохозяйственный
Рыбохозяйственный
Токсикологический
Органолептический
Токсикологический
Токсикологический
Органолептический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
40

Продолжение табл. 23
'Ингредиенты и показатели
Мышьяк (As1*)
Ртуть (Hg*)
Кадмий (Cd2+)
Марганец (Мп2+)
Фтор (F)
Цианиды (CN~)
Сульфиды (S2")
Роданида (CNS")
Хлорорганические, фос-
форорганические пестициды
Метилмеркатаны
Бензол
Фурфурол
Метанол
Ксантогенат бутиловый
Калий (катион) К+
Кальций (катион) (Са2+)
Магний (катион) (Mg2+)
Натрий (катион) (Na*)
Сульфаты (анион) (SO2')
Хлориды (анион) (СГ)
Минерализация
Предельно
допустимая концентрация,
мг/л
0,055
0,0005
0,005
0,01
1,5
0,05
0,1
—
0,002
0,5
1,0
0,1
0,001
50,0
180,0
40,0
120,0
100,0
300,0
1000
Лимитирующий показатель
вредности
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Токсикологический
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Общесанитарный
Санитарно-токсикологический
Токсикологический
Органолептический
Токсикологический
Органолептический
Санитарно-токсикологический
Органолептический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Санитарно-токсикологический
Общие требования
Вторую группу составляют методы, основанные на использовании
обобщенных числовых характеристик качества воды, определяемых
по ряду основных показателей и видам водоиспользования. Такими
характеристиками являются индексы качества воды, коэффициенты
ее загрязненности.
В гидрохимической практике используется метод оценки качества
воды, разработанный в Гидрохимическом институте. Метод позволяет
производить однозначную оценку качества воды, основанную иа
сочетании уровня загрязнения воды по совокупности находящихся в ней
загрязняющих веществ и частоты их обнаружения.
Суть метода заключается в следующем. Для каждого ингредиента
на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности
превышения ПДК — К; и повторяемости случаев превышения Н„ а
также общий оценочный балл — В,
41

к,=
с,
B.11)
пдк.
N/
где d — концентрация в воде /-го ингредиента; ПДК, — предельно
допустимая концентрация /-го ингредиента; Nn^^ — число случаев
превышения ПДК; N — общее число анализов.
Таблица 2.4
Эколого-санитарная классификация качества поверхностных вод
Показатели
Гидрофизические:
взвешенные вещества,
мг/л
прозрачность (по диску
Секки), м
Гидрохимические:
Ntfi, MrN/л
NOb MrN/л
NO~3, MrN/л
?Oft мгР/л
Qi, % насыщения
БПК5, мгОг/л
Гидробиологические:
биомасса фитопланктона,
мг/л
фитомасса нитчатых
водорослей, кг/м2
валовая продукция фи-
топлактона, гО2/м2 сут
Бактериологические:
численность бактерий
планктона, млн кл/мл
численность
гетеротрофных бактерий,
тыс. кл/мл
численность бактерий
группы кишечной
палочки, тыс. кл/л
Классы качества воды

Предельно
чистая
<5
>3
<0,05
< 0,007
<0,05
< 0,005
100
<0,4
<0,1
<0,1
<1,5
<0,3
<0,1
< 0,003
Чистая
5—14
3,0—0,55
0,05—0,20
0,007—0,025
0,05—0,50
0,005—0,03
81—100
0,4—1
0,1-1,0
0,1-0,5
1,5-4,5
0,3—1,5
0,1—1,0
0,003—2,0

Удовлетворительной
чистоты
15—30
0,50—0,35
0,21—0,50
0,026—0,08
0,51—1,5
0,31—0,10
61—80
21,3—2,1
1,5-5,0
0,6-1,0
4,6—7,5
1,6—5,0
1,1—5,0
2,1—10,0
Загрязненная
31—100
0,30-0,15
0,51—2,5
0,081—0,15
1,51-2,5
0,11—0,30
31—60
2,2-7,0
5,1—50,0
1,1-2,5
7,6—10,5
5,1—11,0
5,1—10,0
11,0—100

Грязная
> 100
>0,15
>2,5.
<0,15
>2,5
>0,30
<30
>7,0
>50
>2,5
> 10,5
> 11,0
> 10,0
> 100
Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла
больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели
загрязненности (ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчи-
42

тывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых
ингредиентов.
По величине комбинаторного индекса загрязненности
устанавливается класс загрязненности воды (табл. 2.5).
Таблица 2.5
Классификация загрязненности воды водных объектов
Величина комбинаторного
индекса загрязненности
воды
При отсутствии ЛПЗ
1 ЛПЗ
2 ЛПЗ
3 ЛПЗ
4 ЛПЗ
5 ЛПЗ
I
условно
чистая
<1
<0,9
<0,8
<0,7
<0,6
0.5
Класс :
И
слабозагряэ-
ненная
1—2
0,9—1,8
0,8—1,6
0,7—1,4
0,6—1,2
0.5-1,0
загрязненности воды
III

загрязненная
¦ 2,1—4
1,9-3,6
1.7-3,2
1,5-2,8
1,3-2,4
1,1-2,0
IV
грязная
4,1—10
3,7-9,0
3,3—8,0
2,9—7,0
2,5-^6,0
2.1-5,0
V
очень
грязная
>10
>9,0
>8,0
>7.0
>6,0
>5,0
При комплексной оценке водных объектов, учитывающей
загрязнение как воды, так и донных отложений, используют методику,
разработанную в ИМГРЭ (Табл. 2.6).
Оценка уровня химического загрязнения водных систем
проводится по показателям, разработанным при сопряженных
геохимических и гигиенических исследованиях водных объектов. Таким
показателем является коэффициент концентрации химического элемента Кс
и суммарный показатель загрязнения Zc.
Коэффициент концентрации определяется как отношение
реального содержания элемента в воде С к фоновому содержанию Сф:
v — счс*
Поскольку часто вода загрязнена сразу несколькими элементами,
для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения,
отражающий эффект воздействия группы элементов:
B.12)
где п — число учитываемых элементов.
Таблица 2.6
Ориентировочная шкала оценки загрязнен ив водных систем
Уровень загрязнения
Слабый
Д, токсичных элементов
в донных отложениях
10
Содержание токсичных элементов
в воде
Слабоповышенное относительно
фона
43

Продолжение табл. 2.6
Уровень загрязнения
Средний
Сильный
Очень сильный
Zt токсичных элементов
в донных отложениях
10—30
30—100
100
Содержание токсичных элементов
в воде
Повышенное относительно фона,
эпизодическое превышение ПДК
Во много раз выше фона, ста*
бильное превышение отдельными
элементами уровней ПДК
Практически постоянное
присутствие многих элементов в
концентрациях выше ПДК
2.6. КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
Контроль загрязнения поверхностных вод производится
регулярно специально созданной сетью пунктов наблюдения. Порядок
организации и проведения наблюдении на этих пунктах определен ГОСТ
17.1.3.07—82 и соответствующими методическими указаниями.
Разработанная система контроля предусматривает согласованную
программу работ по гидрохимии, гидрологии, гидробиологии и
получение данных, характеризующих качество воды по физическим,
химическим, гидробиологическим показателям.
Важнейшей задачей контроля качества поверхностных вод
является правильный выбор пунктов наблюдения, под которыми понимается
место на водоеме или водотоке, где производится комплекс работ для
получения данных о качестве воды. Пункты наблюдения в
зависимости от народнохозяйственного значения водных объектов, их размеров
и экологического состояния подразделяются на 4 категории (табл. 2.7);
могут включать один или несколько створов, которые представляют
собой условные поперечные сечения водоема или водотока.
Расположение створов наблюдения зависит от гидрологических и
морфологических особенностей водного объекта, положения источников
загрязнения, объема и состава сточных вод, интересов водопользователей.
Один створ устанавливается на водотоках, не имеющих
организованного сброса сточных вод, в устьях загрязненных притоков, на
незагрязненных участках водотоков, на замыкающих и предплотинных
участках рек, в местах пересечения государственной границы.
Два створа и более устанавливают на водотоках с организованным
сбросом сточных вод. Один из них располагают в 1 км выше
источника загрязнения, вне зоны его влияния, другие — ниже источника
сточных вод. Расположение створов ниже источника загрязнения
определяется характером распространения загрязняющих веществ и устанав-
44

ливается в местах достаточно полного (не менее 80 %) смешения
сточных и речных вод на участках, указанных в соответствующих
нормативных документах.
При контроле качества воды всего водоема устанавливается не
менее трех створов, равномерно распределенных по акватории. Для
наблюдения за качеством воды на отдельных загрязненных участках
водоема створы располагаются с учетом условий водообмена. В
проточных водоемах с интенсивным водообменом створы располагаются так
же, как и на водотоках: первый в 1 км выше источника загрязнения,
остальные — ниже, на расстоянии 0,5 км от сброса сточных вод, и за
границей загрязненной зоны. На водоемах с умеренным и замедленным
водообменом один створ устанавливается вне зоны влияния сточных вод,
другой совмещается с местом сброса загрязненных стоков, остальные
(не менее двух) располагаются по обе стороны от источника
загрязнения, на расстоянии 0,5 км от него, и за границей зоны загрязнения.
В створе водного объекта может быть несколько вертикалей с
опробованием воды из разных горизонтов. Количество вертикалей в
створе определяется шириной зоны загрязнения, условиями смешения
природных и сточных вод.
Количество горизонтов на вертикали зависит от глубины водного
объекта. При глубине до 5 м устанавливается один горизонт на
расстоянии 0,3 м от поверхности воды. В водных объектах с глубиной
5 — 10 м исследуются два горизонта — поверхностный и придонный
@,5 м от дна). При глубине 10 — 100 м устанавливаются 3 горизонта:
поверхностный, на половине глубины и придонный.
Периодичность и программа наблюдений определяются
категорией пункта. В пунктах I и II категорий визуальные наблюдения
проводятся ежедневно. Отбор проб, гидрологические и гидрохимические
наблюдения (табл. 2.8) выполняются ежедекадно (по сокращенной
программе 2 для пунктов I и сокращенной программе 1 — для пунктов
II категорий), ежемесячно (по сокращенной программе 3) и в
основные фазы водного режима (по обязательной программе). Для
большинства водных объектов наблюдения по обязательной программе
производятся 7 раз в год: во время половодья — на подъеме, пике и
спаде; во время летней межени — при наименьшем расходе воды и
при прохождении дождевого паводка; осенью перед ледоставом; во
время зимней межени.
45

Отбор проб воды для определения ее химического состава и
физических свойств производится в соответствии с ГОСТ 17Л-5—8$. Из
поверхностного горизонта пробы отбираются бутылью или
эмалированным ведром, из глубинных слоев — батометром. Объем пробы с
каждого створа составляет 7 — 8 л. Отобранная вода разливается в
различные емкости для раздельного анализа на отдельные
ингредиенты и загрязняющие вещества. При необходимости производится
соответствующая подготовка и консервация проб. Для анализа природных
вод используют фотометрические, газохроматографические, атомно-
абсорбционные методы.
Таблица 27
Расположение н категория пунктов наблюдения на водных объектах
Категория
пункта
Расположение пункта с учетом комплекса факторов
народнохозяйственного значения и
размеров водоема иди водотока
состояния мды водоема или юдогока
I
Районы городов с населением
свыше 1 млн человек; место нереста
н зимовья особо ценных видов
промысловых организмов
U
Ш
Районы городов с населением
0,5—1 млн человек; районы важного
рыбохозяйственного значения
(места нереста и зимовья ценных видов
промысловых организмов, предало-
тинные участки рек); при
пересечении реками государственной
границы
Районы городов с населением
менее 0,5 млн человек; замыкающие
створы больших н средних рек и
водоемов
Районы территории
государственных заповедников и национальных
парков; водоемы и водотоки,
являющиеся уникальными природными
образованиями
Для оперативного контроля и управления качеством
поверхностных вод разрабатываются и внедряются автоматизированные системы
наблюдения, которые включают автоматические станции и
передвижные гидрохимические лаборатории, предназначенные для оператив-
IV
Районы повторяющихся
аварийных сбросов н заморных явлений
водных организмов; районы
организованного сброса сточных н
высокой загрязненности природных вод
(превышение 100 ПДК по одному
или нескольким показателям
качества воды)
Районы организованного сброса
сточных вод, в результате чего на*
блюдается систематическая средняя
загрязненность воды (превышение
ПДК от 10 до 100 по одному или
нескольким показателям качества
воды)
Районы организованного сброса
сточных вод, в результате чего
наблюдается систематическая
загрязненность воды до 10 ПДК по одному
или нескольким показателям
качества воды
Незагрязненные участки
водоемов и водотоков

нога контроля загрязнения поверхностных вод, стационарные
гидрохимические лаборатории, позволяющие выполнять более сложный и
точный анализ природных вод, центр обработки поступающей
информации.
Такие системы способны контролировать с помощью всех своих
звеньев около 50 показателей и ингредиентов, из которых 17
измеряются автоматически.
Состав программ наблюдений
Таблица 2.8
за качеством поверхностных вод
Показатели
Расход воды, м3/с
Скорость течения, м/с
Уровень воды, м
Визуальные наблюдения
Температура, °С
Цветность, град
Прозрачность, см
Запах, баллы
Кислород, мг/дм3
Диоксид углерода, мг/дм3
Взвешенные вещества, мг/дм3
Водородный показатель рН
Окислительно-восстановительный
потенциал Eh, мВ
Удельная электрическая
проводимость, см/м
Содержание веществ, мг/дм3:
С1
SO42"
НСО1
Са2+
Mg2*
Na+
" К+
Сумма ионов
N0*2
N0
POt
Fe общ.
Si
Программа

Обязательная
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
—
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Сокращения
]
+
—
+
+
+
—
—
—
+
г
+
—
—
—
_
—
—
—
+
—
—
2
+
—
+
+
+
—
—
—
+
—
+
+
+
—
—
_
_
+
¦
—
3
+
+
+
+ .
+
—
—
—
+
+
+
——
——
-
+
——
47

Показатели
БПК5
ХПК
Нефтепродукты
СПАВ
Фенолы
Пестициды
Тяжелые металлы
Характерные загрязняющие вещества
Продолжение табп! 2.8
Программа
Обязатель-
' ная
—
+
+
+
+
+
+
—
Сокращения
1
+
—
—
—
—
—
—
—
2
+
—
—
—
—
—
+
+
3
+
—
—
—
—
—
+
+
К характерным загрязняющим веществам могут относиться
главные ионы, биогенные вещества, широко распространенные
специфические загрязняющие вещества, которые в этом случае определяются
по сокращенной программе 2 или 3.
2.7. ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД
Воды, удаляемые после их использования, называют сточными.
Более полно сточной водой (или сточной жидкостью) называется
использованная на бытовые или производственные нужды вода,
получившая при этом загрязнения, изменившие ее первоначальный
химический состав или физические свойства (или одновременно и то, и
другое), и подлежащая удалению с территории населенного пункта
или промышленного предприятия.
В зависимости от происхождения, вида и качественной
характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные
категории: бытовые (иначе хозяйственно-фекальные), производственные и
атмосферные (ливневые).
К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат, бань и
прачечных, предприятий общественного питания н лечебных
учреждений, воды от мытья помещений. Они поступают от жилых и
общественных зданий и от бытовых помещений промышленных
предприятий. По природе загрязнений они могут быть фекальные,
загрязненные в основном физиологическими выделениями людей, и
хозяйственные, загрязненные всякого рода хозяйственными отбросами.
Основную часть органических загрязнений бытовых сточных вод
составляют белковые вещества, жиры, углеводы и продукты их
разложения. Неорганическую часть загрязнений составляют соли, присущие
питьевой воде и образующиеся в процессе обменных реакций в
организме человека. В частности, к продуктам обмена веществ относятся
48

фосфаты и аммонийные соли — продукт гидролиза мочевины. К
неорганическим примесям сточных вод относятся также песок и
глинистые частицы, попадающие в бытовые воды от мытья овощей и
фруктов, уборки помещений и т. д. Загрязнения органической природы
составляют 45 — 58 % общей массы загрязнений бытовых сточных вод.
Особую категорию составляют биологические загрязнения:
разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные, и яйца
гельминтов. Эти загрязнения попадают в систему водоотведения с
физиологическими выделениями людей, с водой от ванн и кухонь.
Отличительная особенность бытовых сточных вод —
относительное постоянство их состава, так как от каждого жителя в систему
водоотведения поступает в среднем постоянное количество определенных
загрязнений (г/сут).
В совокупности загрязнения бытовых сточных вод представляют
собой полноценный субстрат для гетеротрофных бактерий, поэтому
для их очистки, как правило, применяют биологические методы.
К производственным сточным водам относят воды,
образовавшиеся при проведении различных технологических процессов,
добыче полезных ископаемых/а также вода, прошедшая через
загрязненную территорию промышленных предприятий и не пригодная для
вторичного использования. Вода, используемая в технологических
процессах, загрязняется в результате протекания различных химических
реакций, при промывке сырья, продуктов и оборудования, а также при
охлаждении последнего (охлаждающая вода). Кроме того,
источниками сточных вод являются маточные водные растворы, водные
экстракты, реэкстакты и адсорбенты, выделяющиеся из сырья при проведении
технологических процессов, свободная и связанная влага, вода,
загрязненная в процессе эксплуатации различного оборудования
(вакуум-насосов, систем гидрозолоудаления, конденсаторов смешения и др.).
Производственные сточные воды можно разделить на две
основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).
Загрязненные сточные воды обычно делят на три группы:
загрязненные преимущественно органическими примесями, загрязненные
преимущественно минеральными примесями и загрязненные смесью
этих примесей.
Количество и состав производственных сточных вод зависит от
ряда факторов: технологического процесса, режимов его поведения,
состава сырья, промежуточных изделий и продуктов, выпускаемой
продукции, состава исходной свежей воды и др.
В качестве примера рассмотрим состав сточных вод различных
машиностроительных предприятий. Стоки поступают из
сталелитейных, чугунолитейных, термических, механических и
инструментальных цехов, а также гальванических цехов и участков. Основными за-
49

грязняющими веществами стоков литейных цехов являются
механические примеси (частицы пыли, пригара, извести, глины, песка). В
термических цехах металлические изделия подвергают закалке в воде
или масле. Основными загрязняющими веществами сточных вод
термических цехов являются окалина и масла. Сточные воды травильных
отделений содержат серную или соляную кислоту, железо и тяжелые
металлы. Стоки цеха гальванических покрытий содержат в качестве
основных загрязняющих веществ хром, цианиды, цинк, медь, никель и
ряд других металлов. В механических и инструментальных цехах
сточные воды образуются при промывке изделий и закалке ТВЧ,
обработке изделий в термических и гальванических отделениях, при
окраске изделий, при охлаждении станков эмульсиями. Основными
загрязняющими веществами сточных вод механических и
инструментальных цехов являются масла» эмульсии, кальцинированная сода и др. В
кузнечных цехах сточные воды образуются при охлаждении
инструмента, поковок, сварочных агрегатов, арматуры печей, при
обеспыливании воздуха в скрубберах. Стоки имеют незначительное количество
загрязняющих веществ, в основном в их состав входят различные масла.
На автомобильных заводах сточные воды образуются в основном
при охлаждении аппаратуры, при травлении и нанесении
гальванических покрытий, а также при промывке изделий. Состав сточных вод
различных машиностроительных предприятий представлен в табл.
2.9 — 2.11.
Таблица 2.9
Состав сточных вод машиностроительного завода
Показатель
Взвешенные вещества
Нефтепродукты
Железо
Хром
Медь
Содержание загрязняющих веществ, мг/л
15—370
0,2-^8
1—12
0,2-7,3
0,7—10,6
Таблица 2.10
Состав сточных вод цехов приборостроительного завода
Показатель
Изоамнловый спирт
Этиловый спирт
Этилснгликоль
Глицерин
Диоксан
Диметнлформамнд
Толуол
Содержание загрязняющих веществ, мг/л
12,5
п,з
0,6
0,04
3.3
4,0
0,03
50

Продолжение табл. 2JO
Показатель
Щавелевая кислота
Аммония гидроксид
Натрия гидроксид
Натрий фосфорнокислый
Пероксид водорода
Содержание загрязняющих веществ, мг/л
Состав сточных вод металлонокрытнй
Показатель
рн
Московский
км. Лихачева
2,8—11,5
Содержание
Цианиды
Роданида
Медь
Цинк
Никель
Железо
¦ Сульфаты
Хлориды
Нитраты
0,22—93,5
0,2-5,3
1,7—24
0,39—97,5
0—0,4
0,15—1,5
90,8—351
6,7—145 .
—
Московский
АЗЛК
6,5-8,9
2,0
2,0
1,0
0,5
1,0
Та
автомобильных
ГАЗ
(Н. Новгород)
7,8-9,3
загрязняющих веществ, мг/л
1,5—120
0,2-11,5
0,15—15,4
0,7—16,8
0-1,5
1,6-9,8
32,9-164
6,4—120
—
24,5—98,8
0,7-5,2
2,8—30
2,1-30,4
0,35—1,3
22,4—89
2,4—35,7
150—370
(блица 2.11
заводов
Ликииский
7,3—8,5
22,4—38,5
0,2-2,4
0,05-0,7
10,4—30
0—1,8
0,5-5,3
56—154
8—18
10—25
РН
Цеха хромовых покрытий
2,3-8 | 5,2-7 | 4,9-6,9
6,5—8,8
Хром C)
Хром общий
Медь
Цинк
Никель
Железо
Сульфаты
Хлориды
Содержание :
0,08—40,3
0,47-^23
0—0,7
0,8-7,4
0—0,2
0,8—20,1
57,5—570
6,3—31,2
шрязняющнх веществ, мг/л
0—33
0,07—383
0—1,56
0—0,25
0—4,8
0,5-3,5
27,4—200
7,5—35
7,3—50,3
67,5-436
0,6—13,4
2,4—35
0—8,4
4,4—23,3
260—480
20,3—60,3
0—34
8,55—34,3
0—0,4
0—0,35
0—0,3
0,15—0,45
83,1—120
3,5—25,8
При классификации химических загрязнителей воды различают
следующие пять групп: 1) биологические нестойкие органические
соединения; 2) малотоксичные неорганические соли; 3) нефтепродукты;
4) биогенные соединения; 5) вещества со специфическими
токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы, биологически жесткие
неразлагающиеся органические синтетические соединения.
51

Следует указать, что производственные сточные воды содержат
минеральные и органические соединения в самых различных
сочетаниях.
Сточные воды представляют собой сложные системы, в которых
органические и минеральные загрязнения находятся в растворенном,
коллоидном и нерастворимом состояниях.
Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному
состоянию и процессы, используемые для их удаления, представлены в табл.
2.12.
Таблица 2.12
Классификация иримесей воды ио их фаэово-дисиерсному состоянию
и процессы, используемые для их удялепия (по Л.А. Кульскому)
Гетерогенные системы
Гомогенные системы
Взвеси (суспен-
зип, эмульсии,
микроорганизмы и
планктон)
Группа Г A0~2—
ИР см)
Механическое
безреагентное
разделение
Окисление
хлором, озоном и др.
Флотация
суспензий и эмульсий
Адгезия на гидро-
ксидах алюминия
или железа и
высокодисперсных
материалах
Агрегация с
помощью флокулянтов

Электрофильтрация суспензий и

электроудерживание
микроорганизмов
Бактерицидное
воздействие на
патогенные
микроорганизмы и споры
Коллоидные
растворы,
высокомолекулярные
соединения и вирусы
Группа II A<Г5—
1<Г см)
Мембранные
разделения
Окисление
хлором, озоном и др.
Коагуляция
коллоидных примесей
Адсорбция на гид-
роксидах алюминия,
железа и на
глинистых материалах
Агрегация с
помощью флокулянтов
катионного типа
Электрофорез и
электродиализ
Вирулицидное
воздействие
Молекулярные
растворы (газы,
растворимые
органические вещества)
Группа Ш A<У*—
1<Г см)
Адсорбция газов п
летучих
органических соединений
Окисление
хлором, оксидом хлора
(IV), озоном, пер-
манганатом калия
Экстракция орга-
ническимп
растворителями
Адсорбция на
активированных углях
и других материалах
Ассоциация
молекул
Поляризация
молекул в
электрическом поле
Биохимический
распад
Ионные растворы
(соли, кислоты,
основания)
Группа IV A<Г7—
1<Р см)
Разделение воды
и понов мембранны-
мп методами
Перевод понов в
малорастворимые
соединения в т. ч. и
окислением
Сепарация понов
при различном
фазовом состоянии воды
Фиксация ионов
на твердой фазе
иокитов
Перевод молекул
в малодиссоцииро-
ванные соединения
Использование
подвижности ионов
в электрическом
поле
Микробное
выделение ионов
металлов
52

Состав производственных сточных вод очень разнообразен и
зависит от вида производства, а также от принятого технологического
процесса.
Разнообразие состава и характера загрязнений производственных
сточных вод обусловливает применение для их очистки различных
методов как химических и физико-химических, так и биологических.
Ливневые воды образуются в результате выпадения атмосферных
осадков. К ним относятся также талые воды, образующиеся при
таянии льда и снега. Отличительной чертой ливневого стока является его
эпизодичность и резкая неравномерность по расходу и качеству воды.
Воды от поливки улиц, от фонтанов и дренажей по качественной
характеристике загрязнений близки к ливневым и удаляются вместе с
ними.
В составе ливневых сточных вод много песка, глины, мусора,
нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Ливневые воды с территории
промышленных предприятий могут содержать специфические
примеси, характерные для того или иного производства.
В специальной литературе часто фигурирует термин «городские
сточные воды». Под городскими сточными водами понимают смесь
всех трех видов вод при общесплавной системе канализации или
бытовых и производственных при раздельной системе. На городских
очистных станциях вода последовательно проходит сооружения
механической, биологической очистки и дезинфицируется. Для
обеспечения нормальной работы этих сооружений к городским сточным водам
предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивается
постоянным контролем за сточными водами промышленных
предприятий, подключенных к водоотводящей сети города.
2.8. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД
Температура. Кроме влияния на процессы осаждения
температура является также важным технологическим параметром
биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорость
биохимических реакций и растворимость в воде кислорода, необходимого для
жизнедеятельности микроорганизмов.
Определяют температуру так же, как и в анализе природных вод.
Как правило, температура сточных вод выше, чем природных.
Окраска. Бытовые сточные воды, как правило, окрашены слабо.
Интенсивная окраска показывает наличие производственных сточных
вод, особенно от предприятий легкой промышленности, где в
большом количестве используются разнообразные красители. Окраска оп-
53

ределяется в фильтрованных пробах в цилиндрах из бесцветного
стекла и описывается на основе визуального наблюдения: розовая,
слабо-желтая, буроватая и т. п. Интенсивность окраски характеризуют
степенью разбавления исследуемой воды дистиллированной, при
которой окраска исчезает. Результат записывают отношением, например
1 : 500 (где 1J— 1ч. исследуемой пробы, 500 — сумма 499 ч.
разбавляющей воды и 1 ч. исследуемой).
Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и представляет
собой смесь запахов фекалий и разложений органических веществ.
Запах производственных стоков весьма разнообразен и зависит от вида
производства. Для сточных вод описание запаха наиболее важно при
появлении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также при
резком возрастании интенсивности запаха, что свидетельствует о
залповом сбросе концентрированных сточных вод отдельными
производствами.
Запах определяется так же, как и при анализе природных вод.
Сначала определяют характер запаха, затем по пятибалльной системе
оценивают его интенсивность.
Прозрачность — показатель степени общей загрязненности воды.
Прозрачность городских сточных вод обычно не превышает 3 — 5 см.
Сточные воды после биологической очистки имеют прозрачность
более 15 см. Прозрачность сточных вод определяется по шрифту.
Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему водоот-
ведения города, должны иметь значение рН в пределах 6,5 — 8,5.
Требование обусловлено тем, что кислые и щелочные сточные воды
разрушающе действуют на материал коллекторов и могут нарушать
биохимические процессы очистки сточных вод.
Сухой и плотный остатки. В отличие от анализа природных вод
сухой остаток сточных вод определяют из натуральной
(нефильтрованной) пробы, поэтому он является показателем суммарного
содержания загрязнений во всех агрегатных состояниях.
Плотный остаток определяется из фильтрованной пробы и
показывает содержание веществ в коллоидном и истинно растворенном
состоянии. В сточных водах, поступающих на сооружение
биологической очистки, плотный остаток не должен превышать 10 г/л, так как
жизнедеятельность микроорганизмов в более минерализованной
среде нарушается. Определения проводят, как и в анализе природных вод.
Взвешенные вещества — одна из важнейших характеристик
состава сточных вод. Этот показатель используется для расчета
первичных отстойников и для определения количества образующихся
осадков.
54

Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах
составляет 100 — 500 мг/л. С достаточной степенью точности этот
показатель может быть определен как разность сухого и плотного
остатков.
Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, которые
оседают на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое.
Длительность отстаивания, равная 2 ч, определена на основании
экспериментальных наблюдении, которые показали, что дальнейшее
увеличение продолжительности процесса практически не изменяет
результата, достигнутого за это время. В городских сточных водах оседающие
вещества составляют 65 — 75% взвешенных веществ по массе.
В повседневной контрольной практике для определения
оседающих веществ используют цилиндры Лисенко объемом 0,5 или 1 л.
Нижняя часть цилиндра представляет собой пробирку с тонкой
градуировкой до 0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских
сточных водах обычно не превышает 6 — 7 мл/л. После 2 ч
отстаивания верхнюю часть отстоявшейся жидкости декантируют, а нижнюю с
осевшими веществами переносят в стакан и определяют оседающие
вещества по массе, так же как и взвешенные вещества. Таким образом,
концентрацию оседающих веществ выражают по объему (мл/л) и по
массе (мг/л).
Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. Для
многих технологических целей нужно знать содержание
органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом случае
высушенная твердая фаза любого определения (взвешенных веществ,
оседающих веществ, сухого или плотного остатка) подвергается
прокаливанию. Прокаливание проводят при температуре «красного» каления
E00 — 600 °С). Выгорают, т. е. улетучиваются в виде оксидов,
углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Остаток, называемый
золой, после охлаждения взвешивают. Результаты выражают либо в
абсолютных цифрах, либо в процентах. Потери при прокаливании — это
абсолютное количество улетучившихся примесей; показатель
выражается в мг/л. Зольность — отношение массы остатка после
прокаливания к массе первоначально взятого твердого образца, выражается в
процентах. Зольность взвеси городских сточных вод обычно
находится в пределах 25 — 35 %.
Химическая окнсляемость определяет общее содержание в воде
восстановителей — органических и неорганических, реагирующих с
окислителями. В сточных водах преобладают органические
восстановители, поэтому, как правило, всю величину окисляемости относят к
органическим примесям воды.
55

Химическую окисляемость определяют с использованием в
качестве окислителей бихромата калия К2Сг2О7 (бихроматная
окисляемость) или иодата калия КЮ3 (иодатная окисляемость). Бихроматную
и иодатную окисляемость иначе называют химической потребностью
в кислороде, или ХПК. Это название точно отражает сущность
определения окисляемости, так как оценивается количество кислорода,
необходимое для окисления примесей воды, т. е. для перевода С в СО2, Н в
Н2О, N в NH3 и т. д.
Различают ХПК теоретическую, вычисляемую по стехиометриче-
скому уравнению окисления (для чего должен быть известен
химический состав примесей), и экспериментальную, определяемую с
использованием бихромата или иодата калия.
Экспериментальная ХПК часто меньше теоретической, поскольку
ряд органических веществ (красители, СПАВ, сложные углеводороды
и др.) либо вовсе не окисляются бихроматом и иод атом в условиях
определения, либо окисляются не до конца.
Биохимическая окисляемость определяет содержание в воде
органических примесей, которые могут быть окислены биохимическим
путем. Окисление осуществляют аэробные гетеротрофные бактерий.
По аналогии с ХПК окисляемость с использованием окислительной
способности бактерий называют биохимической потребностью в
кислороде, или БПК.
Значительное число бактерий — облигатных аэробов и
факультативных анаэробов — способно существовать за счет использования
загрязнений (примесей) воды в качестве источника питания. При этом
часть использованных органических веществ расходуется на
энергетические нужды, а другая часть — на синтез тела клетки. Часть
вещества, расходуемая на энергетические потребности, окисляется клеткой
до конца, т. е. до ССЬ, НгО, NH3. Продукты окисления:—
метаболита — выводятся из клетки во внешнюю среду. Реакции синтеза
клеточного вещества идут также с участием кислорода. Количество
кислорода, требуемого микроорганизмам на весь цикл реакции синтеза и
получения энергии, и есть БПК.
В результате жизнедеятельности бактерий сточная вода
очищается от исходных органических примесей, однако в ней остаются
некоторые органические вещества, малодоступные или совсем
недоступные бактериям для усвоения, и, кроме того, вода получает новые
загрязнения— органические и неорганические — метаболиты.
Существует несколько способов аналитического измерения БПК.
На практике чаще всего применяют метод разведения: 1 часть сточной
воды смешивают с п частями разбавляющей воды, смесь до предела
насыщают растворенным кислородом путем продувки или встряхива-
56

ния, разливают в инкубационные склянки и тщательно их
герметизируют. Склянки оставляют в термостате при температуре 20 °С на 5 сут
или более. В склянке развивается сообщество микроорганизмов;
величина уменьшения кислорода в склянке, умноженная на степень
разведения, дает численную величину БПК.
Максимально возможное растворение кислорода в воде
определяется в основном температурой. При температуре 20 °С в
дистиллированной воде растворяется 9,17 мг СЬ/л. Присутствие относительно
небольшого количества различных примесей в инкубируемой смеси
практически не снижает этого предела.
Определение БПК считают правильным, если к концу периода
инкубации в склянке остается от 3 до 5 мг Ог/л. Если к концу инкубации
поглощено меньше 4 мг/л кислорода, то в последующих определениях
разбавление уменьшают, если больше б мг/л — увеличивают. Когда
ожидаемая БПК приблизительно известна, степень разбавления
нетрудно установить примерным расчетом. Можно принять, что в
среднем потребление кислорода должно составлять 5 мг/л. Делением
ожидаемой БПК на 5 получают необходимую степень разбавления
исследуемой пробы. Для очень чистой воды с БПК менее5 мг/л разбавление
не требуется. Величина БПК указывается с индексом внизу, который
означает длительность инкубации. Например, БПК5 — количество
кислорода, потребленное за 5 сут инкубации. Иногда указывается
степень разбавления (что, очень полезно для контроля правильности ее
подбора) в виде отношения 1 : (п + 1). Например, запись БПК5A: юо)
означает, что определена пятисуточная БПК при разведении 1 ч. сточной
воды 99 ч. разбавляющей воды.
Разбавляющую воду готовят на основе дистиллированной воды, в
которую добавляют фосфорные и аммонийные соли, хлорное железо,
хлористый кальций и сернокислый магний. В сумме все соли
составляют устойчивую буферную систему, которая позволяет
поддерживать постоянное значение рН в течение любого периода инкубации, не
изменяющееся от выделения в раствор СОг. Фосфорные и
аммонийные соли, кроме того, что создают буферную среду, необходимы и в
качестве элементов питания, если анализируются производственные
стоки или природные воды, в которых эти элементы отсутствуют.
Существенный элемент разбавляющей воды — так называемая
бактериальная затравка. Бактериальная затравка — это жидкость,
содержащая культуру или смесь культур бактерий, способных разлагать
органические вещества исследуемой воды. Когда анализируют
городские сточные воды, внесения бактериальной затравки не требуется,
поскольку в этих водах всегда содержится большое число сапрофитов,
способных развиваться за счет примесей. При исследовании же рас-
57

творов чистых химических веществ, производственных сточных вод
или же природных и глубоко очищенных сточных вод требуется
искусственное заражение. Обычно в качестве заражающей воды
используют более или менее очищенную бытовую сточную воду из расчета
0,5 —1 мг на 1 л разбавляющей воды. Расход кислорода на окисление
внесенных с затравкой дополнительных загрязнений вычитается из
общего расхода кислорода и в величину БПК исследуемой воды,
таким образом, не входит.
Еще одним элементом разбавляющей воды является ингибитор
процесса нитрификации. Расход кислорода на нитрификацию (т. е. на
окисление азота аммиака) в величину БПК не включается. Однако при
анализе слабозагрязненных сточных вод, когда концентрация С-со-
держащих веществ мала, к концу 5-суточного периода инкубации
пробы эти вещества оказываются полностью израсходованными, и в
склянке усиленно развиваются процессы N-окисления,
осуществляемые автотрофной микрофлорой. Расход кислорода на N-окисление
достаточно велик и при малом расходе кислорода на С-окисление
вследствие малой концентрации С-содержащих веществ ошибка за
счет нитрификации может оказаться существенной.
Чтобы избежать этой ошибки, в инкубационную склянку вводят
такие вещества, которые, не препятствуя развитию С-окисляющей
микрофлоры, ингибируют развитие N-окисляющей микрофлоры
(Nitrosomonas, Nitrobacter). В качестве ингибиторов используют ме-
тиленовую синюю, тиомочевину и другие вещества. Однако известно,
что нет такого ингибитора N-окисления, который не оказывал бы
одновременно угнетающего действия и на С-окислители. Следствием
этого являются заниженные результаты БПК пробы, поскольку в
склянках слабо развиваются бактерии, ведущие С-окисление. В связи
с этим нередко пользуются проведением эксперимента без введения
ингибитора, изучают динамику изменения БПК по времени и
рассчитывают требуемую величину с использованием графика (рис. 2.1).
Этот график позволяет определить величину ЕПК^н, т. е. суммарное
потребление кислорода бактериями на получение энергии, и синтез
клеточного вещества.
Величина БПКП0Лн замечательна тем, что оиа практически точно
совпадает с истинным расходом кислорода на процесс очистки в
действующих сооружениях. В склянках процесс длится несколько суток,
в сооружениях — несколько часов, что объясняется различной
концентрацией микроорганизмов в этих системах. В склянках она
составляет микроколичества, а в сооружениях — макроколичества. Разница
в концентрациях бывает в несколько миллионов раз.
58

О 2 4 6 8 10 12 14 16 Г, сут
Рис. 2.1. Графическое определение БШ^,:
2 — потребление кислорода на N-окисленне, З — потребление кислорода
на С-окисленне
Таким образом, величина БПКпалн — важнейшая технологическая
характеристика процесса биологической очистки воды в любых
биоокислителях.
Экспериментально БПКПОЛН определяют по появлению следов
нитритов или нитратов. Для получения БПКполи требуется длительный
период инкубации, продолжительность которого зависит от характера
исследуемых примесей, концентрации бактерий» степени их
адаптации. Обычно он больше 5 сут и может доходить до 30 — 40 сут. Для
городских сточных вод он достигает примерно 8 —15 сут. Поскольку
вести оперативный контроль за работой сооружений, получая
результаты анализов только через 8 —15 дней, крайне неудобно, то
выполняют определение БПК5, которая принята в качестве стандартной
характеристики почти во всем мире. Следует помнить, что БПКащщ —
объективная величина, характеризующая степень загрязнения воды. В
то же время БПКз — лишь неопределенная часть БПК„олн* зависящая
от характера окисляемых веществ и условий инкубации пробы.
Важным показателем, характеризующим способность
загрязнений сточных вод к биохимическому окислению, является отношение
БПКПОЛН/ХПК. Чем выше это отношение, тем большая часть
органических примесей сточной воды может быть изъята в процессе
биологической очистки. Считается, что применение биологических методов
целесообразно при БПКПОлн/ХПК > 0,5.
Соединения азота и фосфора. При анализе сточных вод
определяют азот общий, аммонийный, нитритный, нитратный. Показатель
«азот общий» определяет содержание в воде органического и
неорганического азота. Окисленные формы азота в неочищенных городских
водах отсутствуют и появляются только в случае глубокой
биологической очистки сточных вод.
59

Определению азотных и фосфорных соединений в сточных водах
придается очень большое значение, поскольку азот и фосфор —
важнейшие элементы питания бактерий. Как известно, одним из основных
способов очистки сточных вод является биологический,
осуществляемый микроорганизмами (бактериями, простейшими, водорослями и
т. п.), которым создаются оптимальные условия для их существования
и развития: по количеству подаваемого питания, температуре,
кислородному режиму, степени смешения и др. Достаточность элементов
питания для бактерий в биологических сооружениях определяется
отношением основных показателей анализа БПКПШШ : N : Р. Здесь
буквой N обозначен азот в аммонийной форме, а буквой Р — фосфор в
виде растворенных фосфатов. В каждом конкретном случае это
соотношение индивидуально, так как оно определяется составом
продуцируемых клеток, который, в свою очередь, зависит от состава
очищаемой воды.
Если азота и фосфора меньше, чем требуется для очистки воды
определенного состава, то их добавляют в виде фосфатов и хлористого
аммония. Добавление солей для биологической очистки необходимо
только при обработке производственных сточных вод. В бытовых же
водах, доступных бактериям, азота и фосфора всегда достаточно.
Аммонийный азот образуется в большом количестве при гидролизе
мочевины; кроме того, азот белковый в результате процесса
аммонификации также переходит в аммонийную форму.
Что касается соединений фосфора, то следует заметить, что в
физиологических выделениях человека его достаточно много. В
последние годы количество фосфатов в сточных водах резко возросло в связи
с тем, что в составе многих синтетических поверхностно-активных
веществ (СПАВ) до 4Й % их массы составляют полифосфаты.
Сульфаты и хлориды. Концентрация сульфатов в городских
сточных водах обычно находится на уровне 100— 150 мг/л,
хлоридов — 150 — 300 мг/л. В сооружениях аэробной очистки эти
показатели не претерпевают каких-либо измененной их количество не имеет
существенного значения, если общее солесодержание не превышает
установленного предела. Концентрацию хлоридов важно знать при
определении ХПК, так как хлориды окисляются бихроматом калия до
молекулярного хлора. Поэтому при концентрации хлоридов более
200 мг/л требуется их предварительное осаждение или введение
поправки к результату анализа ХПК.
Синтетические поверхностно-активные вещества СПАВ —
группа химических соединений, присутствие которых в сточных во-
60

дах особенно угрожает санитарному состоянию водоема
(водоприемника) и резко отрицательно сказывается на работе очистных
сооружений. Появляются СПАВ в сточных водах в результате широкого
применения их в быту и промышленности в качестве моющих средств, а
также смачивающих, эмульгирующих, выравнивающих,
дезинфицирующих препаратов. Наибольшее применение СПАВ находят в
нефтяной, текстильной и кожевенной промышленности. В бытовых
моющих средствах содержание активного агента достигает 20— 30 %.
Большинство СПАВ—органические вещества, состоящие из
двух частей: гидрофобной и гидрофильной. Гидрофобная часть СПАВ
соединена обычно с одной гидрофильной группой. В зависимости от
физико-химических свойств гидрофильной части СПАВ делятся на
три основных типа: анионоактивные, катионоактивные, неионоген-
хые. Каждый тип в свою очередь делится на классы в зависимости от
химического состава гидрофобной части.
Примерно 75 — 80 % всех СПАВ, применяемых в быту и
промышленности, составляют анионоактивные. Важнейшим из них
являются: алкилсульфаты с общей формулой R — О — SC^Na (где
R — углеводородный радикал с числом углеродных атомов от 10 до
20); алкилсульфонаты R — SCbNa (с числом углеродных атомов
12 — 15) и алкиларилсульфонаты R — СбЬЦ — SOsNa (с числом
углеродных атомов в радикале 5 —18).
Катионоактивные СПАВ в основном представлены нитрилами,
аминами и четвертичными основаниями аммония. Например,
поверхностно-активный амин может иметь формулу:
Ri
/
К — СО — NH —СН2 —N
\
R2
На втором месте по выпуску и использованию после анионоактив-
ных веществ находятся неиногенные СПАВ. Поверхностно-активные
вещества этого типа получают конденсацией оксида этилена с
жирными кислотами, алкилфенолами, жирными спиртами, меркаптанами и
т. д. Если гидрофобной частью является жирная кислота, СПАВ имеет
формулу R — СОО(С2Н4О)ЙН.
Присутствие СПАВ в сточных водах снижает способность
взвешенных веществ к оседанию, тормозит биохимические процессы,
способствует возникновению пены в сооружениях и водоемах. Наличие
СПАВ в водоемах ухудшает процессы их самоочищения от остаточ-
61

ных загрязнений, вносимых с очищенными водами. Содержание
анионных СПАВ в природной воде допускается не более 0,5 мг/л.
Вне зависимости от типа СПАВ рассматривают в трех категориях
по отношению к степени биохимической окисляемости этих веществ:
«мягких» СПАВ — с удалением и окислением в биологических
сооружениях 75 — 85 %, «промежуточных» — 60 % и «жестких» — менее
60 %. Нормами предусматривается, что на сооружения биологической
очистки может поступать вода с содержанием «мягких» и
«промежуточных» СПАВ не более 10 — 20 мг/л; сброс в канализацию
«жестких» СПАВ не допускается.
Растворенный кислород. В загрязненных сточных водах либо
растворенного кислорода не бывает совсем, либо его концентрация не
превышает 0,5 — 1 мг/л.Определение количества растворенного
кислорода имеет смысл при характеристике очищенных сточных вод и
оценке степени насыщения растворенным кислородом
биоокислителя. Минимальное содержание кислорода для нормальной
жизнедеятельности микроорганизмов составляет 2 мг/л.
Очищенные сточные воды, выпускаемые в водоем, обычно
содержат 4 — 8 мг/л растворенного кислорода.
Токсичные вещества. К группе токсичных элементов относятся
тяжелые металлы: жедезо, никель, медь, свинец и цинк, а также
мышьяк, сурьма, бор, алюминий, хром.
Особенно важно контролировать содержание этих элементов в
производственных сточных водах, поступающих на сооружения
биологической очистки. Предельно допустимые концентрации (ПДК)
этих элементов очень низки. Так, для свинца ПДК для сооружений
аэробной очистки составляет 1 мг/л, а для меди — 0,5 мг/л. При
совместном присутствии нескольких токсичных элементов допустимая
концентрация их рассчитывается по уравнению B.1).
Кроме неорганических соединений в некоторых видах
производственных сточных вод оказываются токсичные органические
примеси, такие, как нефтепродукты, фенолы, красители и т. д. Допустимые
концентрации этих веществ, не нарушающие работу очистных
сооружений, также регламентируются «Правилами приема
производственных сточных вод в системе канализации населенных пунктов».
Биологические загрязнения. Микрофлора бытовых сточных вод
представлена в основном микроорганизмами, выделяемыми из
кишечника человека, смываемыми с тела и окружающих предметов: С
физиологическими выделениями человека в сточную воду поступает
несколько триллионов микробов в сутки. Среди них значительное число
составляют кишечные палочки, лактобациллы, энтерококки, грибы,
простейшие. При спуске в городскую канализацию некоторых произ-
62

водственных отходов в сточных водах оказываются специфические
микроорганизмы (грибы, актиномицеты, дрожжи и т. д.),
используемые в промышленности.
л Для полной санитарно-эпидемиологической оценки сточных вод
кроме микробного числа и коли-теста определяют третий
показатель— содержание яиц гельминтов.
¦ Содержание яиц гельминтов в сточной воде характеризует общую
и видовую пораженность населения гельминтозами и позволяет
оценить уровень санитарного состояния населенного пункта. В сточной
воде наиболее часто встречаются яйца аскарид. На их долю
приходится около 92 % общего числа яиц гельминтов, остальные 8 %
составляют яйца власоглава, остриц, широкого лентеца.
: Увеличение водопотребления наряду с повышением общей
культуры населения приводит к постоянному снижению содержания яиц
гельминтов в сточных водах.
2.9. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД
Достаточно полная оценка качества сточных вод может быть
сделана только на основании сопоставления всех показателей
проведенного санитарно-химического анализа. Однако в зависимости от цели
выполнения анализа из общего перечня его показателей
преимущественное значение приобретают те или иные определения.
Условия выпуска сточных вод в водоемы обусловливаются
требованиями «Правил охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами» и «Правил санитарной охраны прибрежных районов
морей». В этих правилах содержатся указания по предупреждению и
устранению загрязнений сточными водами рек, озер, искусственных
каналов, водохранилищ, морей. При поступлении в указанные водоемы
сточных вод качество воды в них ухудшается, поэтому
устанавливаются специальные санитарно-химические нормативы, соблюдение
которых дает возможность дальнейшего использования этих водоемов в
качестве источника водоснабжения, для культурных и спортивных
мероприятий, рыбохозяйственных целей.
Для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового
водопользования нормируется 11 показателей состава и свойств воды.
Установлено, что вода не должна приобретать запахов и привкусов
интенсивностью более 3 баллов для морей и 2 баллов,
обнаруживаемых для водоемов первого вида непосредственно или при
последующем хлорировании и для водоемов второго вида непосредственно.
Вода не должна сообщать посторонних запахов и привкусов мясу
63

рыбы. На поверхности водоемов не должно быть плавающих
примесей: пленок, пятен минеральных масел и скоплений. Окраска не
должна обнаруживаться в столбике воды высотой 20 см для водоемов
первого вида и 10 см для водоемов второго вида и морей. Реакция воды
водоема после сброса в него сточных вод должна быть в пределах
6,5 — 8,5, а температура воды летом не должна повышаться более чем
на 3 °С по сравнению со среднемесячной температурой воды самого
жаркого месяца года за последние 10 лет.
Большое значение в процессе самоочищения водоемов имеет
концентрация кислорода в воде, которая не должна быть менее 4 мг/л в
любой период года в пробе, отобранной до 12 часов дня; БПК при
20 °С не должна превышать 3 и 6 мг/л для водоемов соответственно
первого и второго вида, а также морей.
Для ограничения поступления в водоем сточных вод, содержащих
взвешенные вещества, устанавливается норма на увеличение их
количества (для первого вида водоемов — не более 0,25 мг/л; а для
второго — не более 0,75 мг/л). Сточные воды, содержащие взвешенные
вещества со скоростью осаждения более 0,4 мм/с для проточных
водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ, спускать запрещается.
Дня рассматриваемых водоемов нормируется также минеральный
состав воды. В водоемах первого вида по плотному остатку он не
должен превышать 1000 мг/л, в том числе хлоридов 350 мг/л и сульфатов
500 мг/л. Для водоемов второго типа минеральный состав
нормируется по показателю «Привкусы». В водоемах не должны содержаться
ядовитые вещества в концентрациях, которые могут оказать прямо
или косвенно вредное действие на здоровье населения, а также
возбудители заболеваний.
Требования к качеству воды в рыбохозяйственных водоемах при
выпуске в них сточных вод выше, чем аналогичные требования к
качеству воды в водоемах, используемых для питьевых и
культурно-бытовых нужд населения.
Так, в зимний период количество растворенного кислорода не
должно быть ниже 6 и 4 мг/л (соответственно для водоемов первого и
второго видов), а в летний период для всех водоемов эта величина
должна быть не ниже 6 мг/л. Величина БПКП0ЛН не должна превышать
3 мг/л для водоемов обоих видов при 20 °С. Температура воды в
водоеме после спуска сточных вод не должна повышаться в зимний период
более чем на 5 °С, а летом — более чем на 3 °С.
В воде водоемов не должно содержаться ядовитых веществ в
концентрациях» которые могут оказать вредное воздействие на рыб и
водные организмы.
64

Таблица 2.13
Характеристика агрессивности производственны! сточных вод
Тип сточной воды'
Неагрессивная
Слабоагрессивная ,
Сильноагрессивная
рН воды
рН-6,5-8
слабокислые — рН = 6 + 6,5
слабощелочные — рН = 8 + 9
сильнокислые — рН < 6
сильнощелочные — рН > 9
По концентрации загрязняющих веществ производственные
сточные воды обычно подразделяют на четыре группы: 1 — 500;
500—5000; 5000 — 30 000 и более 30 000 мг/л.
Сведения об агрессивности производственных сточных вод
представлены в табл. 2.13. Такая классификация условна и неприменима
для большинства производственных сточных вод, так как они могут
содержать значительное количество загрязнений молекулярной и
ионной степени дисперсности, не окисляемых биохимическим путем. Для
общей оценки степени загрязненности таких вод необходимо, кроме
того, определение ХПК и специфических видов загрязнений.
Концентрация бытовых сточных вод по ряду показателей может
быть определена расчетным путем. Такие расчеты широко
используются при проектировании очистных сооружений и основаны на том,
что от каждого жителя в систему водоотведения поступает в сутки
определенное количество загрязнений (г/сут). В СНиП 2.04.03—85
приняты следующие нормы загрязнений в г/сут, поступающих в систему
водоотведения от каждого жителя:
75 хлориды 9 фосфаты Р2О5 . 3,3
взвешенные вещества 65 N(Nltf) 8 ПАВ 2,5
3 Я-123

Глава 3
СОВРЕМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО
И ЗАГРЯЗНЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ
3.1. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ
ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Системы водообеспечения промышленных предприятий
представляют собой комплекс сооружений, предназначенных для
снабжения потребителей водой в необходимом количестве, требуемого
качества и под требуемым напором. Под системой водоотведения
промышленных предприятий понимается комплекс сетей и сооружений,
предназначенных для организованного приема и удаления за пределы
промышленных предприятий загрязненных сточных вод, а также для их
очистки и обезвреживания перед утилизацией или сбросом в водоем.
Воду в системах производственного водообеспечения обычно
подразделяют на четыре категории:
вода I категории используется для охлаждения жидких и
конденсации газообразных продуктов в теплообменных аппаратах без
соприкосновения с продуктом; при проведении технологических процессов
вода только нагревается и практически не загрязняется;
вода II категории служит в качестве среды, поглощающей
различные нерастворимые (механические) и растворенные примеси; вода не
нагревается (обогащение полезных ископаемых, гидротранспорт), но
загрязняется механическими и растворенными примесями;
вода III категории используется так же, как и вода второй
категорично с нагревом (улавливание и очистка газов в скрубберах, гашение
кокса и др.);
вода IV категории служит в качестве экстрагента и растворителя
реагентов (например, при флотационном обогащении природных
ископаемых).
Количество образующихся производственных сточных вод можно
определить по укрупненным нормам водопотребления и
водоотведения для различных отраслей промышленности. Общее количество
стоков зависит от производительности предприятия.
66

Нормой водопотребления называется целесообразное количество
воды, необходимое для производственного процесса, установленное
(или рекомендуемое) на основании передового опыта или научно
обоснованного расчета. Нормой водоотведения является
установленное среднее количество сточных вод, отводимых от производства в
водоем при целесообразной норме водопотребления. Эти показатели
выражаются в м3 воды на единицу готовой продукции или
используемого сырья. Приведем примеры некоторых норм водоотведения (табл
3.1).
Таблица 3.1
Укрупненные нормы
Производственный процесс
Выплавка чугуна или стали
Производство цемента
Добыча угля
Добыча нефти
Производство СПАВ
Производство удобрений
Производство бумаги
Производство сульфитной целлюлозы
Производство льняных тканей
водоотведення
Норма водоотведения, м3/т
0,1
0,1 -
0,3
0,4
1,0
3,9
37
218
317
При выработке 1 Мв • ч электроэнергии на тепловых и атомных
электростанциях с системами оборотного водоснабжения образуется
в среднем 5 м3 сточных вод. Следует указать, что количество
сточных вод от крупных промышленных предприятий составляет 200—
400 тыс. м3/сут, что соответствует количеству сточных вод от городов
с населением 1—2 млн человек.
Расход производственных сточных вод, поступающих на
очистные сооружения, рассчитывают по следующим формулам:
C.1)
C.2)
гДе Qcyi—общий расход производственных сточных вод, м3/сут;
Я1шсл — максимальный расход производственных сточных вод, л/с;
N— норма водоотведения на единицу продукции или
перерабатываемого сырья с учетом водооборота, м3; М и Л/макссм — число единиц
продукции или перерабатываемого сырья при максимальной
выработке соответственно в сутки и за смену; Т— число рабочих часов в
смену; Кч — коэффициент часовой неравномерности.
67

При выпуске предприятием различных видов продукции общее
количество образующихся сточных вод (IQ^t) рассчитывается по
следующей формуле:
ZQ& = NM + N2M2 + .... + N,Mn, C.3)
где N], N2i ...,Nn — нормы водоотведения на единицу продукции или
перерабатываемого сырья на отдельных производствах; Л/j, M2i ...,
М„ — число единиц продукции или перерабатываемого сырья на
отдельных производствах в сутки.
Приведем формулы для расчета суточных @^), часовых (ОИшс.ч) и
секундных (?макс с) расходов бытовых сточных вод на промышленных
предприятиях:
_2Sfi,+4Sfia C.4)
1000 '
+ 45пАКг C.5)
7М000 '
„ _25яэЛ:|+45я4/:2 (З.б)
Яыакйс гЗбоо '
где «] и «2 — число работающих в сутки в цехах при норме
водоотведения соответственно 25 и 45 л на одного человека (холодные и
горячие цехи); из и щ — максимальное число работающих в смену при тех
же нормах водоотведения; К\иК2 — коэффициенты часовой
неравномерности, соответствующие тем же нормам водоотведения и равные 3
и 2,5.
При расчете водоотводящих сетей важно знать не только
суточный расход сточных вод, но и режим их поступления в течение суток.
Производственные сточные воды могут поступать в течение смены
равномерно и неравномерно. Неравномерность их поступления в во-
доотводящую сеть характеризуется общими коэффициентами
неравномерности притока сточных вод, значения которых приведены в
СНиП 2.04.03—85.
Коэффициенты часовой неравномерности общего стока для
различных отраслей промышленности равны: для предприятий
металлургической промышленности 1—1,1, химической 1,3—1,5, пищевой
1,5—2 и др.
Необходимо также учитывать изменения состава сточных вод в
течение суток. В ряде случаев существует корреляция между
изменением расхода сточных вод в течение суток и изменением их состава.
Иногда эта зависимость отсутствует.
68

г
ЕПОТ
ПП ]--;
:ист
шл
I
2
-3
4
Рис. 3.1. Схемы прямоточного водоснабжения промышленных предприятий:
/ — вода свежая, чистая, ненагретая; 2 — сточная вода, нагретая; 3 — то же, нагретая и
загрязненная; 4 — то же, очищенная; ПП, ПП-I и ПП-2 — промышленные предприятия;
ОС—очистные сооружения; Q^, — вода, подаваемая из источника на производственные
нужды; Qan, Qmn.i, Qmn.i — вода, безвозвратно потребляемая на промышленных
предприятиях; Qm — вода, удаляемая со шламом; Q^ — вода, сбрасываемая в водоем
При создании системы водообеспечения промышленных
предприятий используют две схемы подачи воды: последовательную, или
прямоточную, и замкнутую, или оборотную. Последняя схема наиболее
предпочтительна для создания на промышленных предприятиях.
Прямоточная система водообеспечения допускается только при
невозможности или нецелесообразности применения системы оборотного
водоснабжения. Образующиеся сточные воды перед сбросом в водоем
должны быть подвержены очистке.
При прямоточном водоснабжении (рис. 3,1, а) количество
отводимых в водоем сточных вод (бсбр) можно рассчитать по следующей
формуле:
бсбр = бисг - бпот, C.7)
где вист — количество воды, подаваемое из источника на
предприятие; QnoT—вода, безвозвратно расходуемая в производстве.
Существуют прямоточные схемы водообеспечения предприятий с
последовательным использованием воды (рис. 3.1, б), которое может
быть двух-, трехкратным. Количество сточных вод, отводимых в
водоем при использовании этой схемы, определяется из следующего
выражения:
где
бсбр = бисг - (Йпот.1 + бпот.2 +
— вода, удаленная со шламом.
C.8)
69

Рис. 3.2. Схемы оборотного водоснабжения промышленных предприятий:
а — с охлаждением сточных вод; 6—с очисткой сточных вод; в — с очисткой и
охлаждением сточных вод; 1 — вода свежая, чистая, ненагретая; 2 — сточная вода, нагретая; J.—то
же, ненагретая и загрязненная; 4 — то же, очищенная; 5 — сточная вода, загрязненная,
6 — оборотная вода; ОУ—охладительные установки; Q—вода, подаваемая на
производственные нужды; бое — оборотная вода; Qym — вода, теряемая на испарение и унос из
охладительных установок
В последнее время широкое распространение получила оборотная
схема водоснабжения промышленных предприятий (рис. 3.2). Эту
схему рекомендуется применять при значительном расстоянии между
источником водоснабжения и промышленной площадкой, а также
разности геодезических отметок. Кроме того, указанная схема становится
единственно возможной при ограниченных мощностях источника
водоснабжения и при технологии, не допускающей применения
прямоточной и последовательной схем из-за наличия в сточной воде
токсичных веществ, очистка от которых затруднена. В некоторых отраслях
промышленности (например, металлургической,
нефтеперерабатывающей) в системах оборотного водоснабжения используются
90—95 % сточных вод, а остальная вода после очистки сбрасывается в
водоем.
Как следует из рис. 3.2, а — в, используемая в системах
оборотного водоснабжения, вода может или нагреваться, или загрязняться, а
также и нагреваться, и загрязняться. Соответственно, воду перед
повторным использованием охлаждают или очищают, либо сточные
воды подвергают и очистке, и охлаждению.
Для компенсации безвозвратных потерь воды в системах
оборотного водоснабжения за счет испарения с поверхности,
разбрызгивания, уноса ветром и других факторов осуществляется подпитка водой
из водоемов. Количество подпиточной воды может быть рассчитано
по следующей формуле-
то

где бпот — безвозвратные потери воды на производстве; ?)ун — потери
воды на охладительных установках.
Обычно общее количество подпиточной воды составляет 5—10 %
от общего количества воды, циркулирующей в системе.
Существуют три показателя оценки эффективности
использования воды на промышленных предприятиях.
1. Техническое совершенство системы водоснабжения
оценивается количеством использованной оборотной воды Р<& %,
Л.-—& 100,
где Qc — количество воды, поступающей в систему водоснабжения с
сырьем.
2. Рациональность использования воды, забираемой из источника,
оценивается коэффициентом использования, Кис:
^ C.11)
S I .
3. Потери воды, %, могут быть рассчитаны по формуле:
(зл2)
Л,- e-+Q<Q«> .100,
qQqq
где 2посл — количество воды, используемой в производстве
последовательно.
3.2. СИСТЕМА КАНАЛИЗАЦИИ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Под канализацией (водоотведением) понимается комплекс
оборудования, сетей и сооружений, предназначенных для организованного
приема и удаления по трубопроводам за пределы населенных пунктов
или промышленных предприятий загрязненных сточных вод, а также
для их очистки и обезвреживания перед утилизацией или сбросом в
водоем.
В зависимости от того, как отводятся бытовые, производственные
и атмосферные сточные воды — совместно или раздельно, системы
канализации принято подразделять на общесплавные, раздельные и
полураздельные.
При общесплавной канализации сточные воды всех видов
отводятся к очистным сооружениям или в водоем по единой канализацион-
71

И Г21 I 3
Т V Т V »
6)
г) д) е)
Рис. 3.3. Схемы канализаций промышленных предприятий:
а — общесплавной системы; 6—раздельной системы с дождевой н
производственно-бытовой сетями; в — то же,с локальными очистными сооружениями; г — раздельной системы с
дождевой, бытовой и производственными сетями, локальными очистными сооружениями н
частичным водооборотом; д—то же,с полным оборотом производственных сточных вод;
г—раздельной системы бессточной канализации; 7 — дождевые воды; 2 — бытовые
сточные воды; 3 — производственные сточные воды; 4 — очистные сооружения; 5 — выпуск в
водоем; 6 — сеть бытовых и загрязненных производственных сточных вод; 7 — сеть
незагрязненных производственных сточных вод; 8 — сеть дождевых вод; 9— локальные
очистные сооружения; 10—сооружения по охлаждению незагрязненных сточных вод; 77,
12 — сеть оборотного водоснабжения соответственно после локальной очистки загрязненных
и незагрязненных (после охлаждения) производственных сточных вод; 73, 14—сеть
оборотного водоснабжения после очистки соответственно загрязненных производственных и
бытовых сточных вод
ной сети. При раздельной системе канализации отдельные виды вод
отводятся по самостоятельным сетям. При полураздельной системе
канализации в местах пересечения самостоятельных
канализационных сетей имеются водосбросные камеры для отвода различных видов
сточных вод.
Основные схемы систем промышленных предприятий
представлены на рис. 3.3.
Как следует из рис. 3.3, на промышленных предприятиях
применяют общесплавные или раздельные системы канализации. Для
предварительной очистки сточных вод в систему канализации
промышленных предприятий включают локальные (местные) очистные
сооружения. Эти очистные сооружения, как правило, размещаются на
территории канализуемых предприятий.
Рекомендуемые методы обезвреживания производственных
сточных вод представлены в табл. 3.2.
72

Таблица 3.2
Методы обезврешввввия ироиаводсгвснвых сточных вод (по СВ. Яковлеву)
Концентрация
загрязняющих
веществ, мг/д
Методы очистки сточных вод, содержащих вещества
преимущественно органические с / кипения, "С
< 120
1
120—250
>250
преимущественно
неорганические
1—500
500—5000
5000—30000
> 30 000
Биологический, химический,
сорбционный
Химический,
сорбциокный
Химический
(озонирование,
хлорирование),
сорбционный,
жидкофазиое
окисление с
биологической . до>
очисткой,
сжигание в печах
Химический, экстракционный, жидкофаэное
окисление с биологической дрочисткой, сжигание в печах
Химический,
сорбционный,.

экстракционный, жидкофаз-
ное окисление с
биологической
доочисткой,
сжигание в
печах
Сорбционный,
жидкофазное
окисление с
биологической
доочисткой,
сжигание в печах
Экстракционный, жидкофазное окисление с
различными методами доочистки, сжигание в печах

Механический,
химический,
сорбционный

Механический,
сорбционный,
выпаривание

Механический,
выпаривание, сброс в
море,
захоронение в земле,
сушка в кипящем
слое
То же
Рекомендуемые методы очистки сточных вод по Л.А. Кульскому
представлены в табл. 2.12. Существуют и другое классификации
методов очистки сточных вод.
3.3. УСЛОВИЯ ВЫПУСКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
СТОЧНЫХ ВОД В ГОРОДСКУЮ КАНАЛИЗАЦИЮ
В ряде случаев производственные сточные воды сбрасывают в
городскую канализацию, в которой происходит их смешивание с
бытовыми сточными водами. Полученную смесь бытовых и
производственных сточных вод очищают иа единых очистных сооружениях.
К выпускаемым в канализацию производственным сточным водам
предъявляется ряд требований. Они не должны:
1) нарушать работу сетей и сооружений;
2) содержать более 500 мг/л взвешенных и всплывающих веществ;
3) содержать вещества, которые способны засорять трубы
канализационных сетей или отлагаться на стенках труб;
73

4) оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы
сооружений канализации; :
5) содержать горючие примеси и растворенные газообразные
вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси в
канализационных сетях и сооружениях;
6) содержать вредные вещества в концентрациях,
препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем (с
учетом эффективности очистки);
7) иметь температуру выше 40 °С.
Если производственные сточные воды не удовлетворяют
вышеперечисленным требованиям, то они должны подвергаться
предварительной очистке.
Не допускаются залповые сбросы концентрированных
производственных сточных вод в канализацию, а также сточных вод, содержащих
в своем составе радиоактивные, токсичные и бактериальные
загрязнения. Такие сточные воды должны быть предварительно очищены.
Ряд условий предъявляются и к смеси бытовых и
производственных сточных вод, направляемых на совместную очистку. Температура
смеси этих вод должна лежать в пределах 6—30 °С, а рН = 6,5—8,5.
Общая концентрация растворенных солей в смеси этих вод не должна
превышать 10 г/л, а величина БПКпшш — составлять 500—1000 мг/л (в
зависимости от типа применяемых сооружений биологической
очистки). В смеси бытовых и производственных сточных вод не должно
содержаться нерастворенных масел, смол, мазута и биологически
жестких синтетических ПАВ. Ограничивается также концентрация
вредных веществ, содержащихся в воде, которые могут оказать негативное
влияние на процессы, протекающие в сооружениях биологической
очистки.
Допустимая концентрация тяжелых металлов в сточных водах,
поступающих на биологическую очистку, (мг/л):
кадмий 0,1 ртуть 0,005
медь 0,5 свинец 0,1
никель 0,5 цинк 1
Необходимо указать, что состав очистных сооружений должен
выбираться в зависимости от характеристики и количества поступающих
на очистку сточных вод, требуемой степени их очистки, метода
использования осадка и местных условий.
74

3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ СТЕПЕНИ
ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
При определении необходимой степени очистки сточных вод,
отводимых в водоем, производят расчет по количеству взвешенных
веществ, по величине БПКПОлн» по потреблению сточными водами
растворенного кислорода, по температуре воды водоема, по ПДК
вредных веществ, по допустимому содержанию кислот и щелочей в
сточных водах, спускаемых в водоем и некоторым другим показателям.
Расстворим основные формулы, используемые для этих расчетов.
В общем виде связь между санитарными требованиями к условиям
спуска сточных вод в водоемы и необходимой степенью их очистки
определяется из следующего выражения:
Сет • q + Ср - а - Q < {а • Q + q) • С„.д , C Л 3)
где Сет — концентрация вредного вещества в сточных водах, при
которой не будут превышены допустимые пределы; Ср — концентрация
этого же вредного вещества в воде водоема выше места выпуска
рассматриваемого стока; С„ д. — предельно допустимое содержание
вредного вещества в воде водоема; а — коэффициент смешения,
показывающий, какая часть расхода воды в водоеме смешивается со
сточными водами в расчетном створе; Q — расход воды в водоеме; q —
расход сточных вод, поступающих в водоем.
Из формулы C.13) можно получить значение концентрации
вредного вещества в сточных водах, которая должна быть достигнута в
результате их очистки: •
Сст < aQlq ¦ (Спд. - Ср) + Спд.. C.14)
При расчете допустимого состава сточных вод часто используют
такой показатель, как кратность разбавления сточных вод в водоемах.
Разбавление сточных вод — это процесс уменьшения концентрации
примесей в водоемах, вызванный перемешиванием сточных вод с
водной средой, в которую они выпускаются.
Для непроточных водоемов (озер, водохранилищ) кратность
разбавления рассчитывается следующим образом:
C.15)
где Сь — концентрация вредного вещества в воде непроточного
водоема до выпуска в него сточных вод; остальные обозначения те же, что
и в формуле C.13).
75

В проточных водоемах кратность разбавления определяют по
следующей формуле:
C.16)
Рассмотрим подробнее методы расчета необходимой степени
очистки сточных вод.
3.4.1. Расчет необходимой степени
очистки сточных вод по концентрации
взвешенных веществ
Допустимое содержание взвешенных веществ т, г/м3 в
спускаемых в проточные водоемы сточных водах m определяется из
следующего выражения:
aQb + qm = {aQ + g)(p + b\ C.17)
откуда
m=p(aQtq+\) + b, C.18)
гдер — допустимое по санитарным правилам увеличение содержания
взвешенных веществ в водоеме после спуска сточных вод, г/м3;
Ъ — содержание взвешенных веществ в водоеме до спуска сточных
вод, г/м3.
Требуемая степень очистки по взвешенным веществам D (%)
определяется из следующего выражения:
где С — количество взвешенных веществ в сточной воде до очистки,
г/м3.
В случае непроточных водоемов m определяют по следующей
формуле:
m = b + np, C.20)
где п — кратность разбавления.
76

3.4.2. Расчет необходимой степени
очистки по
Для проточных водоемов балансовое уравнение БПК смеси
речной и сточной воды имеет следующий вид:
qL* Л0~* + aQLp-\(Tk'1 =(Я + я01пд, О-21)
где Ld — БПКполн сточной воды после очистки; 1р — БПКполн речной
воды до места спуска сточных вод; Ьпл — предельно допустимая
ли смеси речной и сточной воды в расчетном створе; ?ст и
— константы скорости потребления кислорода соответственно
сточной и речной водой; t— продолжительность перемещения воды
от места спуска сточных вод до расчетного пункта.
Решая это уравнение относительно LCT» получаем:
-fcr'
Необходимую степень очистки по БПКП0Л„ (Э, %) можно
определить из следующего выражения:
±.100,
где La — БПКполи сточной воды до ее очистки (Z,a>Z,CT).
Для непроточных водоемов:
a поли д
Для непроточных водоемов:
где Lb — БПКполн воды в непроточном водоеме до сброса сточных вод;
кь — константа скорости потребления кислорода в воде непроточного
водоема.
3.4.3. Расчет необходимой степени очистки
по растворенному в воде водоема кислороду
В этом случае рассчитывают допустимую величину БПКП0ЛН в
спускаемых сточных водах по растворенному в воде кислороду.
В основе расчета лежит балансовое уравнение:
- (aQLp + qL^k - (aQ + д)Оал, C.25)
где Op — концентрация растворенного кислорода в речной воде выше
места спуска сточных вод, г/м ; к — коэффициент пересчета БПК
ПОли»
77

определяемый лабораторным путем, в БПК2; Опд. — минимальная
концентрация растворенного кислорода, которая должна сохраниться
в воде водоема ниже места спуска сточных вод, г/м3.
ВеличинаЬ„ выражается из уравнения C.25) следующим образом:
kq ( ' ' пд) Jt
Для непроточных водоемов 1СТ определяется из выражения:
где Ов — концентрация растворенного кислорода в воде
непроточного водоема до спуска сточных вод; Оп<д. — ПДК растворенного
кислорода, которая должна быть в расчетном створе после спуска сточных
вод.
3.4.4. Расчет максимальной температуры
спускаемых сточных вод
Для проточных водоемов указанная характеристика
рассчитывается следующим образом:
ст ~ \аИ'Ч + Ч*л + *р» C.28)
где Тег—максимальная температура спускаемых сточных вод;
Тр — максимальная температура воды водоема до места выпуска
сточных вод в летнее время; Тл — допустимое повышение температуры
воды водоема.
В непроточных водоемах величина Гст определяется следующим
образом:
Т = пТп + T, И 1$\
где Г, — расчетная температура в воде непроточного водоема до
спуска сточных вод.
3.4.5. Расчет допустимого состава сточных
вод по концентрации растворенных вредных
веществ
При содержании в очищенных сточных водах нескольких вредных
веществ одной группы лимитирующего показателя вредности
необходимую степень очистки находят для наиболее трудно извлекаемого
78

компонента. Концентрация этого вещества С, в расчетном створе
проточного водоема может быть определена по формуле:
C.30)
д
Ч ' ^'ПД )
где С..П.Д. — ПДК наиболее трудно извлекаемого компонента;
С, — концентрации остальных вредных веществ, присутствующих в
сточных водах; Сщ.я — ПДК этих вредных веществ.
Предельно допустимая концентрация вредного вещества (Сст) в
спускаемых в непроточный водоем сточных водах определяется по
формуле:
Сст <S С. + п(Спл - С„), C.31)
где Св — концентрация вредного вещества в воде непроточного
водоема.
3.4.6. Расчет необходимой степени очистки
по изменению активной реакции воды
Допустимое содержание кислоты Сстк или щелочи Сстщ в сточных
водах, спускаемых в проточный водоем определяется из следующих
уравнений:
C-33)
Ск и Сщ — максимальное количество кислоты или щелочи, которое
может быть нейтрализовано 1 л воды водоема при условии, что в
расчетном створе рН воды останется в пределах санитарных требований.
Эти же параметры для непроточных водоемов определяют по
формулам:
C.34)
, C.35)

Глава 4
МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
4.1. ОСНОВНАЯ СХЕМА МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод
нерастворимых минеральных и органических примесей. Обычно
механическая очистка предшествует биологическому,
физико-химическому или другому методу глубокой очистки. Чаще всего
механическая очистка является предварительным, реже — окончательным
этапом для очистки производственных сточных вод. Она обеспечивает
выделение взвешенных веществ до 90—95 % и снижение
органических загрязнений (по показателю БПКП0ЛН) до 20—25 %. Стандартная
схема очистки на современных очистных станциях состоит из
процеживания через решетки, пескоулавливания, отстаивания и
фильтрования.
В ряде случаев возможно применение и других устройств, таких,
как преаэраторы, биокоагуляторы, осветлители, нефтеловушки и смо-
лоотстойники, гидроциклоны. Для очистки сточных вод от
мелкодисперсных загрязнений применяют осадительные центрифуги и
жидкостные сепараторы.
С целью обеспечения надежной работы сооружений механической
очистки производственных сточных вод рекомендуется применять не
менее двух рабочих единиц основного технологического
оборудования — решеток, песколовок, усреднителей, отстойников или
фильтров.
На рис. 4.1 представлена схема механической очистки
производственных сточных вод со следующим составом основных сооружений:
решетки 2 для задержания крупных загрязнений органического и
минерального происхождения, песколовки 3 для выделения тяжелых
минеральных примесей (главным образом, песка), усреднители 5 расхода
сточных вод и концентрации загрязняющих их веществ, отстойники
или отстойники-осветлители б для выделения нерастворимых
примесей, фильтры 7 для более полного осветления воды и сооружения для
обработки осадка.
80

Сточная вода
Вода
^ •* ** •* *
Воздух
Воздух
Вода + воздух
на промывку
I
Отходы
I
I
II
^ Лесок на обезвоживание
и утилизацию
i
i
7
8
Осадок на обработку
и утилизацию
- Вода от промывки
фильтров
т
Вода на водоочистку и повторное использование
в системе производственного водоснабжения
Рис. 4.1. Схема механической очистки производственных сточных вод:
/—вариант с дроблением отходов и отводом их в канализацию; //—вариант с вывозом
отходов в контейнерах на обезвреживание; / — приемная камера; 2 — решетки
механические с отдельными дробилками, или решетки-дробилки; 3 — песколовки; 4 —
водоизмерительное устройство (лоток Вентури); 3 — усреднители; б—отстойники или отстойиики-ос-
ветлители; 7—барабанные сетки и песчаные фильтры или каркасио-засыпиые фильтры;
8 — насосная станция
При необходимости предусматривается охлаждение механически
очищенной сточной воды в градирнях.
4.2. РЕШЕТКИ ДЛЯ ПРОЦЕЖИВАНИЯ
Процеживание сточных вод осуществляют путем их пропускания
через решетки с целью извлечения из них крупных примесей, которые
могут засорить трубы и каналы. Решетки представляют собой
металлическую раму, внутри которой установлен ряд параллельных
стержней, поставленных на пути движения сточных вод. Расстояние между
81

A-A
Рис. 4.2. Схема решетки:
— решетка из металлических стержней; 2 — механизм для снятия задержанных решеткой
загрязнений; 3 — транспортер дня подачи задержанных загрязнений в дробилку
стержнями обычно составляет 16 мм. Очистка решеток от
задержанных ими отбросов производится с помощью механизмов. Снятые
отбросы по транспортеру отправляются в дробилку. Измельченные
отбросы сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют
на переработку. На рис. 4.2 представлена схема решетки.
В последнее время получили распространение решетки,
совмещенные с дробилками, позволяющие извлекать и измельчать примеси
без извлечения их из сточных вод.
В отечественной практике наибольшее распространение получили
решетки механические унифицированные типа РМУ и с
механическими граблями типа МГ, а также комбинированные решетки-дробилки
типов РД и КРД.
Решетки типов РМУ рассчитаны на следующие объемные
расходы, м3/ч: 2600, 4000, 5000, 6900, 9900, 14 000. Аналогичные данные
для решеток МГ,м3/ч: 1440,1910,2600,3450,4900,6730,9650,13 540.
Пропускная способность решеток — дробилок типа РД лежит в
пределах от 12 до 280 000 м3/сут. Используются решетки следующих
типов: РД-100 (пропускная способность 12—200 м3/сут), РД-200
(пропускная способность 400—2700 м3/сут), РД-400 (пропускная
способность 4200—17 000 м3/сут), РД-600 (пропускная способность
25 000—100 000 м3/сут), РД-900 (пропускная способность 130 000—
280 000 м3/сут). Пропускная способность дробилок КРД составляет
25—40 тыс. м3/сут.
82

4.3. ПЕСКОЛОВКИ
Песколовки обычно используют для отделения от сточных вод
минеральных частиц крупностью более 200 мкм. Их устанавливают
при пропускной способности станции очистки сточных вод более
100 м7сут.
Песколовки рассчитывают на максимальный расход сточных вод и
проверяют на минимальный приток. К основным типам песколовок,
используемых в отечественной практике, относятся следующие:
горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды,
горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды,
аэрируемые песколовки, тангенциальные песколовки со шнековым
пескопромывателем.
Горизонтальные песколовки с круговым движением сточной воды
предназначены для удаления песка из производственных сточных вод,
имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию. Они
рассчитаны на производительность 1400—70 000 м3/сут (типы I—VIII).
Горизонтальные песколовки с прямолинейным движением сточной воды
обладают пропускной способностью 70—280 тыс. м3/сут. Скорость
движения сточных вод составляет при максимальном расходе 0,3 м/с и
при минимальном 0,15 м/с.
Схема горизонтальной песколовки с прямолинейным движением
сточной воды представлена на рис. 4.3.
Горизонтальная песколовка работает следующим образом. Поток
сточной воды поступает в нее через патрубок 1. Осаждающиеся в
процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборни-
ке 3 и на дне песколовки. Очищенная сточная вода удаляется через
патрубок 4 и направляется на дальнейшую переработку. Время
пребывания сточных вод в песколовке обычно составляет 0,5—2 мин.
Аэрируемые песколовки применяются для выделения
содержащихся в сточной воде минеральных частиц гидравлической
крупностью 13—18 мм/с. Скорость движения сточных вод составляет
4
I —
Рис. 4.3. Схема горизонтальной песколовки:
входной патрубок, 2 — корпус песколовки, 3 — шламосборник (песковый приямок),
4 — выходной патрубок
83

I —
Рис. 4.4. Схема аэрируемой песколовки:
входной патрубок, 2 — воздуховод, 3 — воздухораспределитель, 4 — выходной патрубок,
J — шламосборннк (песковой приямок), 6 — устройство для удаления шлама
0,08—0,12 м/с при максимальном притоке. Пропускная способность
типовых аэрируемых песколовок, тыс. м3/сут: 70,100,140,200,280.
Схема аэрируемой песколовки представлена на рис. 4.4.
Указанные песколовки используют для разделения твердых,
частиц по фракционному составу или по плотности. Сточная вода
поступает в песколовку через патрубок L Крупные фракции осаждаются,
как и в горизонтальных песколовках. Мелкие фракции, обволакиваясь
пузырьками воздуха, который подается в песколовку по воздуховоду 2
через воздухораспределители 3, всплывают вверх и с помощью
скребковых механизмов удаляются с поверхности. Очищенная вода
отводится через патрубок 4. Крупные фракции удаляются из шламосбор-
ника 5 при помощи устройства для удаления шлама 6.
В последнее время получили распространение тангенциальные
песколовки со шнековым йескопромывателем. Сточная вода подается
в песколовку тангенциально, в результате чего возникает ее
вращательное движение. Песок, содержащийся в сточной воде,
прижимается к стенкам сооружения за счет центробежной силы и отделяется от
воды в результате нисходящего течения. При скорости движения
сточной воды в подающем лотке 0,7—1,1 м/с задерживается 92—98 %
содержащегося в сточной воде песка с гидравлической крупностью
18—24 мм/с.
4.4. УСРЕДНИТЕЛИ
Усреднители применяются для регулирования состава и расхода
сточных вод, поступающих на очистные сооружения.
Поступление на очистные сооружения производственных
сточных вод с постоянным расходом и усредненной концентрацией загряз-
84

Подача
сточных
вод
Рис. 4.5. Схема усреднителя прямоугольной формы с дифференцированием
потока сточных вод:
/ — входной патрубок с шибером, 2 — диагональная перегородка, I—коридоры, 4 —
сборные лотки, 5 — выпускная камера, 6 — выходной патрубок, 7 — желоб для подачи сточных
вод, S — распределительный колодец
нений позволяет повысить эффективность и надежность работы
устройств механической, биологической и физико-химической очистки,
в результате чего достигаются более высокие качественные
показатели очищенной воды. Экономический эффект достигается в связи с
выравниванием пиковых концентраций и расходов сточных вод,
поступающих на очистку.
. Конструктивно усреднители представляют собой прямоугольные
резервуары, изготовленные из железобетона. В отечественной
практике применяют усреднители, действующие по принципу
дифференцирования потока, и усреднители с перемешиванием поступающей
сточной воды.
Схема усреднителя с дифференцированием потока сточных вод
представлена на рис. 4.5.
Принцип работы этого усреднителя заключается в следующем:
сточная вода попадает в распределительный колодец 8, из которого по
желобам направляется в коридоры усреднителя 3 и собирается затем в
диагональные лотки 4, из них сточная вода поступает в выпускную
камеру 5. Эффективность усреднения по концентрации достигается за
счет разного времени добегания отдельных порций сточной воды к
сборному лотку. Типовой усреднитель состоит из А—б параллельно
расположенных коридоров.
85

Кроме того, при очистке производственных сточных вод
применяют усреднители барботажного типа суммарной вместимостью 600,
900, 1200,1500,1800 м3, а также радиальные отстойники —
усреднители, в которых совмещены процессы отстаивания и усреднения
производственной сточной воды по концентрации загрязнений.
Разработаны также конструкции усреднителей, обеспечивающих
поддержание расчетной величины усредненного расхода выпускаемой воды.
4.5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ
ИЗ СТОЧНЫХ ВОД НЕРАСТВОРИМЫХ
ПРИМЕСЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ГРАВИТАЦИОННЫХ СИЛ
4.5.1. Теоретические основы процессов
осаждения твердых частиц в вязкой среде
Суспензии представляют собой неоднородные системы,
состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. Для
промышленных суспензий принята следующая классификация:
грубые суспензии с размерами частиц более 100 мкм, тонкие
суспензии с размерами частиц в пределах 0,5—100 мкм, мути с размерами
частиц 0,1—0,5 мкм; коллоидные растворы с размерами частиц
менее 0,1 мкм.
Для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей
применяют процесс отстаивания. Выделение примесей при отстаивании
происходит под действием гравитационных сил.
Рассмотрим процесс осаждения в жидкости шарообразной
частицы под действием силы тяжести. Сначала частица оседает в жидкости
с некоторым ускорением. С увеличением скорости возрастает
сопротивление вязкой среды, и в определенный момент сила тяжести
уравновешивается сопротивлением жидкости. При достижении этого
момента частица начинает осаждаться с постоянной скоростью
(равномерное движение частицы), которая может быть вычислена из условия
равенства движущей силы частицы и сопротивления жидкости.
Сила, движущая шарообразную частицу диаметром d, выражается
разностью между ее весом и выталкивающей архимедовой силой,
равной весу жидкости (среды) в объеме частицы:

где рт — плотность твердой частицы (кг/м3); р — плотность среды
(кг/м3); g — ускорение свободного падения (g = 9,81 м/с2);
d—диаметр шарообразной частицы (м).
Сила сопротивления среды по закону Ньютона составляет:
где S—площадь проекции тока на плоскость, перпендикулярную
направлению его движения (м2); W— скорость движения частицы (м/с);
р — плотность среды (кг/м3); ? — коэффициент сопротивления среды
(безразмерный).
Для случая осаждения шарообразной частицы предыдущая
формула приобретает следующий вид:
Коэффициент сопротивления среды является функцией критерия
Рейнольдса, рассчитываемого по диаметру частицы:
D-4)
где \ь — динамический коэффициент вязкости среды (Пд • с);
остальные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.
На рис. 4.6 представлена зависимость ? от критерия Рейнольдса
при движении шарообразных частиц диаметром d.
Из представленного рисунка следует, что диаметр является
определяющим размером в критерии Re. Из графика видно, что
существуют три различных режима движения, каждому из которых
соответствует определенный характер зависимости ? от Re:
ламинарный режим (область действия закона Стокса)
приблизительно при Re<2
D.5)
Re'
переходный режим при Re = 2—500
= 18>5 D.6)
Re0*'
87

105
103
10
0,1
Закон г_ 24
Стокса *» Re
Промежуточный г_ 18,5
закон Ч> Reo,6
Закон
Ньютона С** 0,44 e const
ю-4 ю-2
104 106Rc
Рис. 4.6. Зависимость ц, от критерия Рейнольдса при движении тел
шарообразной формы в жидкостях
автомодельный режим (область действия квадратичного закона
сопротивления Ньютона) при ~2 • 10* > Re > -500
= 0,44 = const.
D.7)
: Подстановка в уравнение для силы сопротивления R трех
вышеприведенных зависимостей для ? показывает, что при ламинарном
режиме сила сопротивления пропорциональна скорости в первой
степени, т. е. R~w, при переходном режиме R ~ w1>4, а при автомодельном
режиме R~w2.
При движении тел, отличающихся по форме от шара, значение
коэффициента сопротивления зависит не только от критерия Re, но н от
фактора формы Ф:
D.8)
D.9)
Фактор формы рассчитывается следующим образом:
-А.
где Fm — поверхность шара, имеющего тот же объем, что и
рассматриваемое тело поверхностью F. В частности, для куба Ф - 0,806, для
цилиндра Ф = 0,69, для диска Ф = 0,32. Значения Ф приводятся в
соответствующих справочниках.
Для тел иешарообразной формы определяющим линейным
размером в критерии Re служит диаметр эквивалентного шара <4»»м,
равный диаметру шара, имеющего такой же объем, что и данное тело:
D.10)

где М— масса частицы (кг); рт — плотность частицы (кг/м3); <!„ —
эквивалентный диаметр частицы (м); V—объем частицы (м ).
Если силу сопротивления среды R из уравнения D.2) приравнять
силе движущей частицу, получим:
4 2
В общем виде уравнение для расчета скорости осаждения частицы
можно получить
D.12)
/где Wqc — скорость свободного осаждения частицы.
; Таким образом, скорость свободного осаждения частицы — это
скорость ее равномерного (с нулевым ускорением) движения под
действием силы тяжести.
Значения коэффициентов сопротивления ? из зависимостей
D,5-^.7) подставляем в предыдущее уравнение и получаем
расчетные формулы для Woe для каждой из трех областей:
для ламинарной области (это выражение известно под названием
закона Стокса):
w _</2g(pT~P), D.13)
для переходной области:
^Г' D.14)
<1
для автомодельной области:
' D.15)
Пользуясь соотношениями D.12)—D.14), можно определить
скорость осаждения шарообразных частиц в вязкой жидкости.
Расчеты по приведенным выше соотношениям будут справедливы
для случая свободного осаждения частицы, когда на ее движение не
влияет наличие других частиц. На практике в подавляющем
большинстве случаев, и в том числе при эксплуатации отстойников,
происходит стесненное осаждение частиц, которое сопровождается их столк-

новением, трением между ними и изменением скоростей как малых,
так и больших частиц. При таком осаждении сопротивление среды
выше, чем при свободном осаждении. Уменьшение скорости
осаждения определяется объемной долей твердых частиц в суспензии. При
практических расчетах обычно и используют величину е,
представляющую собой объемную долю жидкости, которую рассчитывают по
следующей формуле:
6 = Ji D.16)
V +V '
r к r ч
где Уж — объем жидкости в суспензии (м ); V4 — объем частиц (м ).
Тогда эмпирические формулы для расчета стесненной скорости
осаждения Wen м/с, имеют следующий вид:
при б>0,7 i
при е^0,7
0,123e3 D.17)
1-е
где fFCT — скорость стесненного осаждения частицы (м/с), W^—
скорость свободного осаждения частицы (м/с).
4.5.2. Первичные отстойники
Первичные отстойники применяют для выделения из сточных вод
нерастворимых веществ, которые под действием гравитационных сил
оседают на дно отстойника или всплывают на его поверхность. Выбор
конкретного типа отстойников осуществляется в результате
технико-экономического анализа нескольких вариантов. Число
отстойников следует принимать не менее двух, но и не более четырех.
Необходимо использовать следующие параметры для расчета отстойника.
1. Количество сточных вод Q, м3/с ,по максимальному притоку.
2. Концентрация взвешенных веществ Си мг/л, тяжелых и легких
(масла и нефтепродукты) механических примесей.
3. Требуемая степень очистки или допустимое содержание
взвешенных веществ в осветленной воде Сф, мг/л, принимаемое в
соответствии с санитарными нормами или обусловленное технологическими
требованиями.
90

; 4. Гидравлическая крупность частиц, которые необходимо
выделить для обеспечения требуемой эффективности очистки Э^ равной
50—98 %.
5. Гидравлическая крупность, определяемая по кривым кинетики
отстаивания Э -/Г), полученным в результате проведения
лабораторных экспериментов при высоте слоя отстаивания h\ ? 200 мм или
Л2(ДА = hi - h\ ? 200 мм).
Для приведения полученной величины к слою, равному высоте
потока воды в отстойнике, производится перерасчет по формуле;
и_ \Q00HK D.18)
где и — гидравлическая крупность частиц, мм/с; Н—глубина
проточной части в отстойнике, м; К — коэффициент использования
объема в отстойнике, равный в первом приближении коэффициенту
использования отстойника выбранной конструкции; (\ —
продолжительность отстаивания в лабораторном цилиндре яри высоте слоя Ль в
течение которого достигается требуемый эффект осветления; п —
коэффициент пропорциональности, зависящий от агломерируемое™
взвешенных веществ в процессе осаждения, определяемый при h\ > h2
по формуле:
i D.19)
где h\\ihi — высота слоев отстаивания в лабораторных условиях, мм;
t\ и ti — продолжительность отстаивания в соответствующих слоях,
при которой достигается требуемый эффект отстаивания, с.
В случае когда температура сточной воды в производственных
условиях отличается от температуры сточной воды, при которой
определялась кинетика отстаивания, вводят следующую поправку:
щ-Ь..ы, мм, ^2°)
где цл, Ип — динамический коэффициент вязкости воды в
лабораторных и производственных условиях, Па-с.
Основные схемы первичных отстойников представлены на рис.
4.7.
По направлению движения очищаемой воды в отстойниках
последние делят на вертикальные и горизонтальные (разновидностью
91

Сточная Bota
г Iff»
Осадок
3
Рис. 4.7. Схемы отстойников:
а — горизонтальный: (/ — входной лоток; 2 — отстойная камера, 3 — выходной лоток;
4 — приямок); б — вертикальный: (/ — цилиндрическая часть; 2 — центральная труба;
3—желоб; 4 — коническая часть); в — радиальный: (У— корпус; 2 — желоб; 5
—распределительное устройство; 4 — успокоительная камера; 5 — скребковый механизм) г —
трубчатый; д — с наклонными пластинами: (У —корпус; 2—пластины; 3 — шламоприемник)
последних являются радиальные). Кроме того, получили
распространение трубчатые и пластинчатые отстойники.
Основная масса взвешенных веществ D0—60%) в отстойниках
выпадает в осадок в течение 1,5 ч. В большинстве случаев на это время
и рассчитывают емкость отстойников.
Вертикальные отстойники предназначены для осветления
производственных сточных вод, а также их смесей с бытовыми сточными
водами, содержащих грубодисперсные примеси. Вертикальные
отстойники применяют при расходах сточных вод до 10 000 м3/сут. Они
имеют диаметр 4,5—9 м. Вертикальный отстойник представляет
собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с
коническим дном. Сточную воду подводят по центральной трубе. При посту-
92

плении внутрь отстойника'вода движется снизу вверх к желобу. Для
улучшения ее распределения и предотвращения образования мути
трубу делают с раструбом и распределительным щитом. Осаждение
происходит в восходящем потоке, скорость которого составляет
0,5—0,6 м/с. Высота зоны осаждения — 4—5 м.
Горизонтальные отстойники применяют в составе станций
очистки бытовых и близких к ним по составу производственных сточных
вод и предназначены для выделения взвешенных веществ из вод,
прошедших решетки и песколовки.
Горизонтальные отстойники — это прямоугольные резервуары,
имеющие два или более одновременно работающих отделения. Вода
движется с одного конца отстойника к другому. Указанные
отстойники рекомендуется применять при расходах сточных вод более
10 000 м3/сут.
Глубина отстойников составляет Н = 1,5—4 м, длина (8—12)Н, а
ширина коридора 3—6 м. Равномерное распределение сточной воды
достигается при помощи поперечного лотка. Эффективность
отстаивания достигает 60 %, что превышает аналогичную характеристику
для вертикальных отстойников на 10—20%.
Радиальные отстойники применяют для очистки бытовых и
близких к ним по составу производственных сточных вод. Они
представляют собой круглые резервуары. Вода в них движется от центра к
периферии. Такие отстойники применяют при расходах сточных вод
свыше 20 000 м3/сут. Глубина проточной части отстойника составляет
1,5—5 м, а отношение диаметра к глубине от 6 до 30. Обычно
используют отстойники диаметром 16—60 м. Эффективность отстаивания
составляет 60%.
Для повышения эффективности отстаивания следует проводить
процесс осаждения в тонком слое жидкости. Для реализации этого
принципа на практике используют трубчатые и пластинчатые
отстойники. При малой глубине отстаивания процесс протекает за короткое
время D—10 мин), что позволяет уменьшить размеры отстойников.
Рабочими элементами трубчатых отстойников являются трубки
диаметром 25—50 мм и длиной 0,6—1 м. Трубки можно
устанавливать с малым (до 5 °) и большим D5—60 °) наклоном. Трубчатый
отстойник с малым наклоном работает периодически, т. е. сначала
проводят отстаивание, а затем промывку трубок от осадка. Такие
отстойники используют для осветления сточных вод с небольшим
содержанием взвешенных веществ при расходах 100—10 000 м/сут.
Эффективность очистки достигает 80—85 %.
93

В трубчатых отстойниках с большим наклоном вода проходит
снизу вверх, а осадок непрерывно сползает по дну трубок в шламовое
пространство. Непрерывное удаление осадка исключает необходимость
промывки трубок.
Пластинчатые отстойники имеют в корпусе ряд параллельно
установленных наклонных пластин. Вода движется между пластинами, а
осадок сползает вниз, в шламоприемник. Указанные отстойники
наиболее эффективно использовать для осветления
высококонцентрированных сточных вод.
4.5.3. Прочие устройства для механической
очистки воды
Кроме первичных отстойников для механической очистки воды
наиболее часто используют осветлители, нефте- и смололовушки.
Осветлители применяют для предварительного осветления сточных вод
некоторых производств. Кроме того, осветлители могут применяться
для снижения загрязнений в отстоенной сточной воде сверх
обеспечиваемого первичными отстойниками. В практике очистки сточных вод
часто используют осветлители со взвешенным слоем осадка,
принципиальная схема которого представлена на рис. 4.8. Устройство
работает следующим образом. Вода с коагулянтом поступает в нижнюю
J
:.¦•;••.•¦'¦
t
i
;.;¦•.-8..
•/* • *••*-
¦ Очищенная
J —*r-— вода
__ ^^_ ^^ ^_ _^_ ^_ ^_ ^_ ;
. i
Осадок
Рис. 4.8. Схема осветлителя:
У — осветлитель; 2 — желоб; 3 — осадкоуплотнктель
94

часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им твердые
частицы поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока
скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока
(сечение А — А). Выше этого сечения образуется слой взвешенного
осадка, через который фильтруется осветленная вода.
Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, в котором из-за
отсутствия восходящего движения потока он отстаивается, частично
обезвоживается и удаляется по специальному трубопроводу. Осветленная
вода поступает в желоб, из которого ее направляют на дальнейшую
очистку.
Эффективность очистки сточных вод в осветлителях достигает
75 %. Пропускная способность осветлителя диаметром 6 м при
продолжительности пребывания в нем сточной воды 1,5 ч — 85 м7ч, а
осветлителя диаметром 9 м —193 м3/ч. Осветлители компонуются в
блок из двух и четырех сооружений.
' Для очистки сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты,
при концентрациях более 100 мг/л применяют нефтеловушки,
которые представляют собой прямоугольные, вытянутые в длину
резервуары. В них происходит разделение нефти и воды за счет разности
-их плотностей. Нефть и нефтепродукты всплывают на поверхность, а
содержащиеся в сточной воде минеральные примеси оседают на дно
нефтеловушки. Типичные схемы нефтеловушек представлены на
рис. 4.9.
. В горизонтальной нефтеловушке нефть всплывает на поверхность
очищаемой воды в отстойной камере (которая ограничена нефтеудер-
живающей перегородкой 5) и удаляется с помощью скребкового
транспортера 6 и нефтесборной трубы 4. Работа данной нефтеловушки
характеризуется следующими параметрами:
OcaioK
Сточная
Рис. 4.9. Схема нефтеловушек:
а—горизонтальная: / — корпус нефтеловушки; 2— гидроэлеватор; 3— слой нефти;
4—нефтесборная труба; 5—нефтеудержквакмцая перегородка; 6 — скребковый транспортер;
7—приямок для осадка; б—тонкослойная: / — вывод очищенной воды; 2 — нефтесборная
труба; 3—перегородка; 4 — плавающий пенопласт; 5 — слой нефти; 6 — ввод сточной
воды; 7—секция из гофрированных пластин; д — осадок
95

скорость движения воды в нефтеловушке — 5 • 10 3 —10" м/с;
степень очистки от нефтепродуктов — 96—98%. Горизонтальные
нефтеловушки имеют не менее двух секций. Ширина секций
составляет 2—3 м, глубина отстаиваемого слоя воды 1,2—1,5 м,
продолжительность отстаивания не менее 2 ч. Производительность типовых
горизонтальных нефтеловушек составляет 300, 450 и 600 м3/ч.
Усовершенствованными разновидностями горизонтальных
нефтеловушек являются радиальные и полочные тонкослойные ловушки.
Они имеют меньшие габариты и более экономичны.
По аналогии с нефтеловушками устроены жироловушки,
используемые для улавливания жиров из сточных вод мясо- и пищевых
комбинатов, а также отстойники-смолоуловители (радиальной формы),
которые применяют на коксохимических заводах для очистки феноль-
ных сточных вод, содержащих смолу и масла.
4.6. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ
ИЗ СТОЧНЫХ ВОД НЕРАСТВОРИМЫХ
ПРИМЕСЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ
4.6.1. Открытые и напорные гидроциклоны
Действие гидроциклонов основано на выделении твердых частиц
из вращающегося потока воды под действием центробежной силы.
При высоких скоростях вращения жидкости в гидроциклоне величина
центробежной силы, действующей на частицы значительно (в сотни
раз), превышает величину гравитационной силы. Скорость движения
частицы в жидкости под действием центробежной силы (FJ может
быть определена по следующей формуле:
(«-2)
_С<Гр, > Ар ' I }
/л 01 \
где С—коэффициент пропорциональности; d—диаметр частицы;
т — константа, определенная эмпирически; рс — плотность сточной
воды; Ар — разность плотностей фаз (твердое — жидкое); /—
ускорение центробежного поля; \х — динамический коэффициент
вязкости жидкости (сточной воды).
96

Величины коэффициентов С и констант т не зависят от гидроди-
V dp
намического режима, определяемого значением Рейнольдса Re = -^—.
Их числовые значения представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
' Числовые значения коэффициентов и констант т в формуле
: Гидродинамический режим
Ламинарный
Переходный
Турбулентный
Re
ДО 1,6
1,6-420
более 420
С
1,7- КГ4
2,49 • 10
0,5
т
2
1,2
5,36
Для очистки сточных вод от твердых частиц используют открытые
и напорные гидроциклоны.
¦ Открытые гидроциклоны используют для выделения
всплывающих и оседающих грубодисперсных примесей гидравлической
крупностью более 0,2 мм/с и с коагулированных взвешенных веществ.
Применяют следующие типы открытых гидроциклонов:
без внутренних устройств для выделения из сточных вод крупных
и мелкодисперсных взвешенных веществ;
с конической диафрагмой (рис. 4.10) и с внутренним цилиндром
для выделения оседающих и всплывающих мелкодисперсных
взвешенных веществ;
многоярусный с наклонными выпусками очищенной воды из
каждого яруса (рис. 4.11) для выделения крупных и мелкодисперсных
взвешенных веществ;
многоярусный с периферийным отбором очищенной воды для
выделений оседающих крупно- и мелкодисперсных взвешенных
веществ.
Для повышения эффективности очистки в конструкции
многоярусного гидроциклона совмещены принципы работы открытого
гидроциклона и тонкослойного отстойника.
Диаметр (D) первого из вышеуказанных гидроциклонов лежит в
пределах от 2 до 10 м. Для всех остальных типов D = 2—6 м.
Производительность открытого гидроциклона может быть рассчитана по
следующей формуле:
Q = 0,785^, Ч D.22)
4 я-123 7

Б-Б
Сточная
вода
Рис. 4.10. Открытый гидроциклон для очистки сточных вод газоочисток
металлургических производств:
/ — периферический водослив; 2, 3— соответственно плоская и конически диафрагмы;
4 — отвод осветленной воды; 5 — отверстие для удаления шлама; б—подача сточной воды
где Q—производительность гидроциклона, м^ч; q — удельная
гидравлическая нагрузка,* м3/м2 ч; D—диаметр гидроциклона, м.
Напорные гидроциклоны используют для очистки сточных вод от
грубодисперсных примесей (в основном минерального
происхождения), таких, как песок, уголь, окалина, компоненты керамики, стекла,
строительных материалов, а таюке отходов литейного, горнорудного,
асбестоцементного, химического и металлургического производств.
Расчетудельной гидравлической нагрузки приведен в монографии СВ. Яковлева,
ЯА. Карелина, Ю.М. Ласкова и др. Очистка производственных сточных вод.—М.:
Стройиздат, 1985. С. 84.
98

Разрез
И
Рис. 4.11. Многоярусный открытый гидроциклон:
/ — водосборный желоб; 2 — полу погруженная кольцевал стенка; 3 — аванкамера;
4—ярусы; S — шламоотводные козырьки; б — водоподающие трубы; 7—труба длл удаления
всплывающих веществ; В—труба для удаления шлама; 9—шламоотводшя шахта; 10—
конические диафрагмы; // — выпуск осветленной воды; 12 —тангенциальные впускные
насадки; 13 — наклонные выпуски
Указанные устройства могут быть единичными и батарейными
(мультициклоны).
Схема движения очищенной воды в напорном гидроциклоне
представлена на рис. 4.12.
В напорном гидроциклоне формируются внешний и внутренний
потоки воды, направление вращения которых совпадает. Внешний
поток при вращении проходит цилиндрическую и коническую части
гидроциклона и направляется к шламовому отверстию, а внутренний
поток удаляется через сливной патрубок.

[Шлам
Рис. 4.12. Принципиальная схема
движения воды в гидроцикпоне:
У —питающий патрубок; 2, 5 —
соответственно нисходящий и восходящий потоки; 3.
б—соответственно коническая и
цилиндрическая части; 4— шламовое отверстие;
7 — сливной патрубок
Рис. 4.13. Конструкция напорного
гидроциклона со съемными элементами
рабочей камеры:
/ — цилиндрическая часть; 2— сливной
патрубок; 3— питающий патрубок; 4—корпус;
5 — шламовый патрубок; 6 — съемная
вставка
Типовой напорный гидроциклон со съемными элементами
рабочей камеры марки ГНС представлен на рис. 4.13.
Указанные гидроциклоны производятся с диаметрами
цилиндрической части 100—500 мм. Разработаны также конструкции напорных
гидроциклонов с монолитными элементами рабочей камеры (марки
ГН) и диаметрами цилиндрической части 25—80 мм.
Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в
котором они работают параллельно. Такие устройства называют муль-
100

тигидроциклонами. Их наиболее эффективно использовать для
очистки небольших количеств вод от тонкодисперсных примесей.
Производительность напорного гидроциклона (Qmn) может быть
рассчитана по следующей формуле:
: бш,г=1,03^-053^|^*и^изЯ^15ао-омРтго D.23)
где Qnm — производительность напорного гидроциклона, л/с; D —
^диаметр цилиндрической части гидроциклона, см; ?/„ит — диаметр
питающего патрубка, см; <4я — диаметр сливного патрубка, см; d^ —
диаметр шламового патрубка, см; #„ — высота цилиндрической части
гидроциклона, см; а — угол конусности конической части, град,
рРпкт — давление питания (на входе в гидроциклон), МПа.
| Представленное уравнение справедливо для гидроциклонов марки
lTH и ГНС при условии, что эти устройства работают без
противодавления со стороны сливного и шламового патрубков, т. е. давление на
выходе из сливного и шламового патрубков соответствует
атмосферному.
1 Требуемое число напорных гидроциклонов iV^ определяется по
"следующей формуле:
; NteS=J
ПИТ
где Q — расчетная производительность установки, л/с.
Эффективность очистки в гидроциклонах достигает 70—80 %.
4.6.2. Центрифуги
Для удаления мелкодисперсных осадков из сточных вод могут
быть использованы центрифуги. Их применяют для локальной
очистки производственных сточных вод, когда осадок представляет собой
ценный продукт, предназначенный для дальнейшего использования.
Кроме того, указанные устройства используют для выделения из
сточных вод мелкодисперсных загрязнений, когда для их извлечения не
могут быть применены реагенты. Центрифуги также могут быть
использованы и для обработки (обезвоживания) осадков сточных вод.
Центрифуга представляет собой в простейшем виде
цилиндрический ротор со сплошными или перфорированными боковыми
стенками. Ротор укрепляется на валу, который приводится во вращение
электродвигателем, и помещается в соосный цилиндрический
неподвижный кожух. На внутренней поверхности ротора с перфорированными
101

стенками закреплена фильтровальная ткань или тонкая металлическая
сетка.
Под действием центробежной силы суспензия разделяет на осадок
и жидкую фазу (фугат). Осадок остается в роторе, а жидкая фаза
удаляется из него.
В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят
разделение суспензий по принципу отстаивания, причем дейстие
гравитационной силы заменяется действием центробежной силы.
В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками
производят разделение суспензий по принципу фильтрования, причем вместо
разности давлений используется действие центробежной силы.
Эффективность работы центрифуги главным образом
определяется так называемым фактором разделения, представляющим собой
отношение центробежного ускорения к ускорению силы тяжести:
в со2 г _ яУг D.25)
g ~900g'
где о — угловая скорость вращения барабана, рад/с; г — радиус
вращения, м; g — ускорение силы тяжести, м/с2; и — скорость вращения
барабана, об/мин.
Для большинства центрифуг фактор разделения не превышает
3500 и составляет в среднем 500—1000.
Процессы центрифугирования осуществляются периодически или
непрерывно. Центрифуги непрерывного действия типа ОГШ
применяют при очистке сточных вод с расходом до 50—100 м3/ч, когда
требуется выделить частицы гидравлической крупностью 0,2 мм/с (про-
тивоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные). Центрифуги периодического
действия применяют для очистки сточных вод, расход которых не
превышает 20 м3/ч, при необходимости выделения частиц
гидравлической крупностью 0,01—0,05 мм/с. Концентрация механических
загрязнений не должна: превышать 2—3 г/л.
В отечественной практике очистки сточных вод наибольшее
распространение получили отстойные центрифуги непрерывного и
периодического действия типа ОГШ и ОТР, ОМ. Схема непрерывно
действующей центрифуги типа ОГШ представлена на рис. 4.14.
Глухой барабан /конической формы вращается на полых цапфах
2. Внутри этого барабана имеется барабан-шнек 3 с приваренной к
нему снаружи шнековой (спиральной) лентой. Этот барабан
вращается с несколько меньшей скоростью, чем барабан 1 (на 1,5—2,0 %),это
обусловливает транспортировку осадка вдоль оси вала. Суспензия
подается по трубе 5; через отверстия а суспензия проходит в наружный
102

СуспеишЛ
Осадок
Рис. 4.14. Горизонтальная центрифуга непрерывного действия со шнековой
выгрузкой осадка типа ОГШ:
1 — барабан; 2 — поли цапфа; 3 —* барабан-шнек; 4 — труба дм промывной воды;
5—труба подачи суспензии; 6 — кожух; а—отверстия для пульпы; 6—окна для фугата; в —
разгрузочные окна для осадка
барабан и обезвоживается. Фугат сливается через окна б. При
необходимости осадок промывают водой, подаваемой по трубе 4.
4.7. ФИЛЬТРОВАНИЕ
Фильтрованием называют процесс разделения суспензий и
эмульсий с использованием пористых перегородок или зернистых слоев,
которые задерживают диспергированную фазу и пропускают жидкость.
В практике очистки сточных вод используют следующие процессы
фильтрования: фильтрование через фильтровальные перегородки,
фильтрование через зернистые слои, микрофильтрация, фильтрование
эмульгированных веществ. Для выделения из сточных вод
ферромагнитных частиц используют магнитные фильтры.
4.7.1. Фильтрование через фильтрующие
перегородки
Схема процесса разделения суспензии фильтрованием через
фильтрующие перегородки представлена на рис. 4.15.
Различают процесс фильтрования суспензии с образованием
осадка, при котором она разделяется на чистый фильтрат и влажный оса-
103

5..
2-
Рис. 4.15. Схема процесса
фильтрования суспензии:
/ — фильтр; 2 — фильтровальная
перегородка; 3 — суспензия;
4 — фильтрат; 5 — осадок
док, а также фильтрование с
закупориванием пор, при котором твердые частицы
проникают в поры фильтровальной
перегородки и задерживаются там, не образуя
осадка. Возможен также промежуточный
вид фильтрования, когда твердые
частицы проникают в поры фильтровальной
перегородки и образуют в ней слой осадка.
Осадки, получаемые при
фильтровании, подразделяют на несжимаемые и
сжимаемые.
Несжимаемыми называют осадки, у
которых пористость (отношение объема
пор к объему осадка) не уменьшается при
увеличении разности давлений. К таким
осадкам относят вещества неорганического происхождения с
размерами частиц более 100 мкм (песок, карбонат кальция, бикарбонат натрия
и др.). К сжимаемым осадкам относят такие, пористость которых
уменьшается, а их гидравлическое сопротивление потоку жидкости
возрастает с увеличением разности давлений. К ним относятся осадки
гидрооксидов металлов, а также осадки, состоящие из легко
деформируемых агрегатов, которые образуются из первичных мелких
кристаллов.
Фильтровальная перегородка представляет собой существенную
часть фильтрами от правильного выбора ее во многом зависят
производительность фильтровального оборудования и чистота получаемого
фильтрата. Фильтровальные перегородки изготавливают из
хлопчатобумажных, шерстяных, стеклянных, керамических, углеродных и
металлических материалов. По структуре фильтровальные перегородки
подразделяют на гибкие и негибкие.
Производительность фильтра определяется скоростью
фильтрования (W), которая в дифференциальной форме записывается
следующим образом:
Sdx'
D.26)
где W—скорость фильтрования, м/с; S—поверхность
фильтрования, м2; х — продолжительность фильтрования, с; V— объем
фильтрата, м3.
Основное дифференциальное уравнение фильтрования имеет вид:
104

dV = A/> D.27)
где АР — разность (перепад) давлений, Па; \i — динамический
коэффициент вязкости фильтрата, Па • с; R^ и Дфп — соответственно
сопротивления слоя осадка и фильтровальной перегородки, м~'.
Процесс фильтрования обычно проводят при постоянной разности
давлений или при постоянной скорости процесса. Для этих случаев
предыдущее уравнение соответственно имеет вид:
фильтрование при постоянной разности давлений (АР = const):
*x' D.28)
V
фильтрование при постоянной скорости процесса(W= — = const):
Sx
АР = ш-охо^т + ixR^W. D.29)
В этих уравнениях обозначения те же, что и в двух предыдущих;
кроме того: го — удельное сопротивление осадка, м; jcq —
отношение объема осадка к объему фильтрата.
Решая уравнения D.28) и D.29) относительно т, можно определить
необходимую продолжительность фильтрования.
4.7.2. Сетчатые барабанные фильтры
В системах очистки сточных вод и переработки осадков
используются различные фильтры как периодического, так и непрерывного
действия. К фильтрам периодического действия относятся
нутч-фильтры, листовые и фильтр-прессы, а к фильтрам
непрерывного действия — барабанные, дисковые и ленточные фильтры.
Рассмотрим процесс очистки сточных вод фильтрованием на примере
использования сетчатых барабанных фильтров. Устройство и принцип
действия ряда других вышеперечисленных фильтров представлены в главе
8 настоящего пособия. .
Принципиальная схема сетчатого барабанного фильтра
приведена на рис. 4.16. Фильтры условно подразделяются на барабанные
сетки (оснащены фильтрующей сеткой с крупными ячейками
105

13
Рис. 4.16. Схема устройства сетчатого барабанного фильтра:
1— барабан; 2—поперечные связи, 3— продольные связи; 4— ребра жесткости; 5 —
трубы опорожнения; 6 — входной канал; 7— передняя рама; 8 — входная труба; 9—закладной
-патрубок; 10—цевочное колесо; // — выпускная труба; 12—передний подшипник;
13— электродвигатель; 14—редуктор; 15—шестерня; 16—бункер; 17—трубопровод
промывной воды; 18 — разбрызгиватель; 19 — бактерицидные лампы; 20 — водослив; 21 —
канал фильтрата; 22—задняя рама; 23 — задний подшипник
0,3 х 0,3—0,5 х 0,5 мм) и микрофильтры (оснащены фильтрующей
сеткой с мелкими ячейками 0,035 х 0,035—0,04 х 0,04 мм).
Барабанные сетки (БС) задерживают грубодисперсные примеси, а
также снижают содержание взвешенных веществ (при концентрации
их в производственной сточной воде не более 250 мг/л) на 25—40 %.
При этом в очищаемых сточных водах должны отсутствовать вязкие
вещества. Барабанные сетки чаще всего устанавливают перед
зернистыми фильтрами для глубокой очистки сточной воды. В
отечественной практике очистки сточных вод используют барабанные сетки с
расчетной пропускной способностью от 0,35 до 2,5 тыс. м3/ч.
Указанные устройства могут быть снабжены бактерицидными лампами типа
БСБ, используемыми для стерилизации очищенной воды.
Микрофильтры (типа МФМ) задерживают грубодисперсные
частицы: растительные и животные структурные примеси, песок и др.
Эффективность очистки воды на микрофильтрах составляет
40—60 %, что позволяет в отдельных случаях заменять ими
первичные отстойники. Содержание взвешенных веществ в сточной воде,
направляемой на микрофильтры,не должно превышать 300 мг/л.
Расчетная пропускная способность отечественных микрофильтров лежит в
пределах от 0,35 до 2 тыс. м3.
106

4.7.3. Фильтры с зернистой загрузкой
В промышленных условиях для очистки воды от механических
примесей чаще всего используют зернистые материалы. Указанные
материалы должны быть устойчивыми в обрабатываемой воде и не
загрязнять ее. Важной характеристикой зернистых фильтрующих
материалов является их дешевизна и доступность. Чаще всего
используются такие фильтрующие материалы, как кварцевый песок,
керамическая крошка, дробленый антрацит, сульфоуголь, технический
фильтрперлит и др.
При фильтровании суспензий через указанные фильтры
различают две основные причины их разделения: механическое задержание
твердых частиц на входе в каналы фильтрующего слоя и адгезию этих
частиц на поверхности зерен слоя.
Уравнение кинетики фильтрования, связывающее скорость
изменения концентрации твердой фазы на поверхности слоя (dq/dx) с
концентрацией суспензии, протекающей по поровым каналам слоя (С),
записывается следующим образом:
где d— масса твердой фазы суспензии, находящейся на поверхности
фильтрующего материала и отнесенная к объему слоя; т —
продолжительность фильтрования; а — константа адгезии; q — концентрация
твердой фазы суспензии, протекающей по поровым каналам слоя;
С* — концентрация твердой фазы суспензии, равновесных с
концентрацией q на поверхности зерен слоя.
Продолжительность работы насыпного фильтра до «проскока»
частиц в фильтр (т3) может быть определена по формуле:
\ - («О
где / — толщина фильтрующего слоя, м; d — размер частиц
фильтрующего слоя, м; тз — время защитного действия фильтрата, с; к>
So — константы взвешенных веществ в исходной и осветленной
сточной воде; V—объем фильтрата, м3.
107

Разрез и общий вид
3
План
\
9 8 7
* Рис. 4.17. Напорный вертикальный фильтр с зернистой загрузкой:
/ — подача воды на очистку; 2 -*- фильтрующий слой из зернистой загрузки; 3 — верхнее
распределительное устройство; 4 — контрольный эллиптический лаз; 5 — круглый лаз;
б — подвод промывной воды; 7—отвод первого фильтрата; 8— отвод очищенной воды;
9 — отвод промывной воды; 10 — подвод сжатого воздуха; // — штуцер для
гидравлической выгрузки и загрузки фильтра
Подробно методика расчета тз изложена в работе А.А. Громогла-
сова и др.*
Фильтры с зернистым слоем подразделяют на медленные и
скоростные. Конструктивно они выполняются либо открытыми, либо
закрытыми.
Медленные фильтры — это бетонные или кирпичные резервуары
с дренажным устройством, на котором расположен фильтрующий
слой. Скорость фильтрования в указанных устройствах составляет
0,1—0,3 м/ч. При использовании этих фильтров достигается высокая
степень очистки сточных вод. Недостатки медленных фильтров:
большие размеры, достаточно высокая стоимость и сложная очистка от
осадка.
Скоростные фильтры могут быть двух типов: однослойные и
многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из
одного и того же материала, у многослойных — из различных
материалов, например, из слоя антрацита и песка. Скорость фильтрования
в этих фильтрах обычно превышает 10 м/ч.
*
Громогласов А.А., Копылов А.С., Пильщиков А.П. Водоподготовка: процесс и
аппараты. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 272 с.
108

Рассмотрим работу фильтра с зернистым слоем на примере
наиболее широко распространенных в отечественной практике очистки
сточных вод вертикальных однопоточных напорных осветительных
фильтров (типа ФОВ). Схема указанного фильтра представлена на
рис. 4.17.
Фильтр состоит из цилиндрического корпуса с приваренными к
нему верхним и нижним эллиптическими штампованными днищами,
слоя фильтрующего материала, расположенного внутри фильтра и
дренажно-распределительных устройств. Снаружи расположены
трубопроводы подвода и отвода воды и сжатого воздуха, а также
арматура и приборы для управления режимом работы фильтра.
Отечественные фильтры рассчитываются на давление до 0,6 МПа и загружаются,
как правило, кварцевым песком слоем 1 м. В качестве загрузки могут
быть использованы дробленый антрацит, керамзит, керамическая
крошка. В табл. 4.2 представлены сведения по некоторым фильтрам
типа ФОВ.
Таблица 4.2
Основные размеры (мм) напорных вертикальных фильтров
Тип
ФОВ—260—6
ФОВ—2,6—6
ФОВ—3,0—6
ФОВ—3,4—6
Dy
2000
2600
3000
3400
Н
3233
3505
3773
3932
н,
670
810
905
900
Н2
245
195
225
220
d
150
200
250
250
d,
80
100
125
125
d2
80
100
100
100
Примечание. Первая цифра буквенного обозначения фильтра означает его диаметр,
вторая— рабочее давление, кгс/см2.
Сточные воды фильтруют через указанные фильтры сверху вниз
при скорости фильтрования 5—12 м/ч. Продолжительность
фильтрования в зависимости от состава сточных вод составляет 12—48 ч. Гря-
зеемкость зернистых фильтров равна:
— по задержанию нефти — 1—2 кг/м3;
— по механическим примесям—1,5—3 кг/м3.
Фильтры промывают через дренажную систему снизу вверх.
Наиболее высокая эффективность промывки достигается при
использовании горячей воды F0—80 °С).
4.7.4. Магнитные фильтры
Эти фильтры, снабженные постоянным магнитом или
электромагнитом, используют для удаления мелких ферромагнитных частиц
@,5—5 мкм) из сточных вод. Кроме магнитных частиц в рассмотрен-
109

ных фильтрах улавливают абразивные частицы, песок и ряд других
загрязнений. Эффективность очистки в магнитных фильтрах достигает
80%, а их производительность составляет до 60 м3/ч.
Рассмотрим основные характеристики и области применения
электромагнитных фильтров отечественной конструкции. Указанные
фильтры используются для очистки сточных вод от механических
загрязнений, содержащих более 25 % ферромагнитных присей с
исходной концентрацией твердых частиц до 200 мг/л и масел до 50 мг/л.
Фильтрующие элементы в этих фильтрах представляют собой
загрузку из ферромагнитных материалов крупностью 1—3 мм. Указанные
фильтры рекомендуются для применения в системах
производственного водоснабжения металлургических, горнообогатительных,
машиностроительных предприятий, на электростанциях для очистки
охлаждающей и многократно используемой воды, а также конденсата от
продуктов коррозии.
4.7.5. Фильтрование эмульгированных веществ
В практике очистки сточных вод для удаления нефтепродуктов и
масел, находящихся в виде нестойких эмульсий и имеющих
рН = 6*—9, могут быть использованы фильтры с загрузкой из
пенополиуретана. Фильтры должны эксплуатироваться при температуре
окружающего воздуха не ниже 5°С.
Высота фильтрующего слоя составляет 2—2,5 м, размер кусков
пенополиуретана 5—10 мм, скорость фильтрования до 25 м/ч.
Содержание масел в сточной воде поступающей на фильтр не должно
превышать 150 мг/л, а их остаточное содержание после фильтрования
менее 10 мг/л. Продолжительность фильтроцикла (при использовании
фильтров марок «Полимер-300» и «Полимер-500») — 22 ч.

Глава 5
ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
К химическим методам очистки сточных вод относят следующие:
нейтрализация, окисление, восстановление, реагентные методы
выделения загрязняющих веществ в виде малорастворимых и
нерастворимых соединений.
Химическая очистка сточных вод производится перед их подачей
в систему оборотного водоснабжения, а также перед спуском их в
водоем или городскую канализационную сеть. Кроме того, указанный
метод применяется для предварительной очистки сточных вод перед
биологической или физико-химической очисткой, а также в системах
локальной очистки производственных сточных вид. Химическая
обработка находит применение и как метод глубокой очистки сточных вод
с целью их дезинфекции или обесцвечивания.
5.1. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ
Производственные сточные воды, содержащие кислоты и щелочи,
должны быть нейтрализованы перед сбросом их в водоемы или перед
дальнейшим использованием в технологических процессах.
Практически нейтральными следует считать смеси с рН = 6,5—8,5.
Реакция нейтрализации в водных растворах происходит между
гидратированными ионами водорода и ионами гидроксила,
содержащимися соответственно в сильных кислотах и основаниях:
Н+ + ОН-->Н2О E.1)
Чаще всего сточные воды загрязнены следующими минеральными
кислотами: серной H2SO4, соляной НС1, азотной НЫОз, а также их
смесями. Кроме того, сточные воды могут содержать в своем составе
такие кислоты, как азотистую НЫОг, фосфорную Н3РО4, сернистую
H2SO3, сероводородную b^S, плавиковую HF, хромовую Н2СЮ4,
уксусную СНзСООН, пикриновую HOC6H2(NO2K, угольную Н2СО3,
салициловую СбЫ«(ОНJ и др. Обычно концентрация кислот в сточных
Ш

водах не превышает 3 %, но встречаются и более концентрированные
смеси.
Различают следующие способы нейтрализации сточных вод.
1. Взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод.
2. Реагеитная нейтрализация, при которой используются такие
вещества, как растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь
Са(ОНJ, аммиачная вода NbUOH, кальцинированная (Na2CO3) и
каустическая (NaOH) сода.
3. Фильтрование через нейтрализующие материалы (известь,
известняк СаСОз, магнезит MgCC>3, доломит СаСОз • MgC(>3 и др.).
Рекомендации по применению этих методов нейтрализации
представлены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Условия применения способов нейтрализации квелых сточных вод
Кислота,
содержащаяся в
сточных водах
Серная
Соляная и
азотная
Углекислота
н другие
слабые кислоты
Кон*
цен-
грация

кислоты,
г/л
Режим притока
Равномерный

Неравномерный
Равномерный

Неравномерный
Равномерный

Неравномерный
Способ нейтрализации

смешением со

щелочными
водами
*

раствором

извести
0
0
0
0
рас*
твором

известняка
0
0
0
Фильтрованием через

известняк

доломит
II ¦+ + 1 + 1 ¦+
мел
+ I + 1 + + II
Условные обозначения:«+» — применение способа рекомендуется; «О» —
применение способа допускается; «—» — применение способа не рекомендуется.
В последнее время для нейтрализации щелочных сточных вод
предложено использовать дымовые газы, содержащие в своем составе
СО2, SO2, NO2, N2O3 и др. При этом одновременно нейтрализуют
сточные воды и происходит достаточно эффективная очистка отходящих
газов от вредных компонентов.
112

5.1.1. Нейтрализация смешением
Взаимную нейтрализацию кислых и щелочных сточных вод
осуществляют путем их смешения в стехиометрическом соотношении,
которое производят в устройстве, называемом нейтрализатор
смешения. Нейтрализатор представляет собой емкость, снабженную
мешалкой для перемешивания кислых и щелочных стоков. Перемешивание
указанных стоков в нейтрализаторе возможно путем барботирования
воздуха. Нейтрализованную воду используют в оборотных системах
водоснабжения, а полученные осадки обезвоживают.
5.1.2. Реагентная нейтрализация
Реагенты для нейтрализации кислых сточных вод выбирают в
зависимости от вида кислот и их концентрации. Кроме того, учитывают,
образуется ли в процессе реакции нейтрализации осадок. Для
нейтрализации минеральных кислот применяют любой щелочной реагент, но
чаще всего следующие: известь в виде пушонки или известкового
молока, а также карбонаты кальция или магния в виде суспензии.
В практике очистки сточных вод доза нейтрализующего реагента
обычно принимается на 10 % больше стехиометрического
соотношения. Указанные данные представлены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Расход реагентов, kr/кг, для нейтрализации 100 %-ных кислот и щелочей
Щелочь
Известь:
гашеная
негашеная
Сода:
кальцинированная
каустическая
Аммиак
Кислота
серная
0,56/1,79
0,76/1,32
1,08/0,93
0,82/1,22
0,35/2,88
соляная
0,77/1,3
1,01/0,99
1,45/0,69
1,1/0,91
0,47/2,12
азотная
0,46/2,2
0,59/1,7
0,84/1,19
0,64/1,57
0,27/3,71
уксусная
0,47/2,15
0,62/1,62
0,88/1,4
0,67/1,5
Примечание. Над чертой указан расход щелочи, под чертой — расход кислоты.
Количество реагентов для нейтрализации сточных вод может быть
рассчитано по следующей формуле:
В
113

где G — количество реагентов, кг; к — коэффициент запаса расхода
реагента по сравнению с теоретическим (для известкового молока
к = 1,1, для известкового теста и сухой извести к ~ 1,5); В —
количество активной части в товарном продукте, %; Q — количество сгонных
вод, подлежащих нейтрализации, м ; а — расход реагента для
нейтрализации, кг/кг (данные представлены в табл. 5.2); Л ^концентрация
кислоты или щелочи, кг/м3. Следует указать, что наиболее дешевым
реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с
содержанием активной извести Са(ОНJ 5—10%.
При нейтрализации сточных вод, содержащих серную кислоту
кальциевыми реагентами, образуется гипс CaSO4 • 2Н2О,
растворимость которого в температурном интервале 0—40 °С лежит в пределах
1,76—2,11 г/л. При более высокой концентрации CaSO4 • 2Н2О
выпадает в осадок, забивая трубопроводы и аппаратуру. Для устранения
этого явления рекомендуется промывать трубопроводы чистой водой
и увеличивать скорость движения нейтрализованных вод в них. Кроме
того, хороший эффект дает введение в сточные воды специальных
умягчителей (гексаметафосфат) — (NaPO3N а также замена
металлических трубопроводов на пластмассовые.
5.1.3. Нейтрализация кислых сточных
вод путем их фильтрования через
нейтрализующие материалы
Данный процесс ведут в горизонтальных или вертикальных
фильтрах — нейтрализаторах. При нейтрализации сточных вод,
содержащих серную кислоту, ее концентрация не должна превышать
1,5 г/л, так как при большей концентрации поверхность
нейтрализующих материалов покрывается слоем гипса, и процесс нейтрализации
прекращается.
Схема вертикального доломитового фильтра-нейтрализатора
представлена на рис. 5.1.
При нейтрализации сточной воды, содержащей серную кислоту,
на вертикальном фильтре его высоту определяют по следующей
формуле:
H = KdaQ + \gb)yfvt E.3)
где Я— высота слоя загрузочного материала, см; К и п —
эмпирические константы; Ь — концентрация кислоты, г-экв/л; d — диаметр
зерен загрузочного материала, мм; V— скорость фильтрования, равная
4—8 м/ч.
114

Рис. 3.1. Вертикальный доломитовый фильтр-нейтрализатор:
/^подача кислых сточных вод; 2—приемные камеры; 3 — доломитовые фильтры;
4 — гравий; 5—дренах; 6—выпуск нейтрализованных сточных вод
Величина п = 1,47; величина /Г зависит от сорта доломита и лежит
в пределах 0,62—1,31. У горизонтальных фильтров скорость течения
сточных вод составляет 1—3 м/с.
5.1.4. Нейтрализация щелочных сточных
вод кислыми газами
В процессе нейтрализации щелочных сточных вод используют
отходящие газы, содержащие СО2, SO2, N2O3, NO2 и др. При этом
происходит нейтрализация сточных вод и одновременная
высокоэффективная очистка газов от вредных компонентов, что характерно для ресур-
Дымовые газы
Отработанные
газы
Нейтрализованная
вода
Рис. 5.2. Нейтрализатор щелочных сточных вод дымовыми газами
115

сосберегающей (малоотходной) технологии. Преимуществами этой
технологии также является исключение использования кислот для
нейтрализации, а также возможность создания бессточной схемы во-
допотребления.
Процесс нейтрализации может быть проведен в реакторах с
мешалкой, в распылительных, пленочных и тарельчатых колоннах.
Схема реактора с мешалкой для нейтрализации сточных вод дымовыми
газами представлена на рис. 5.2.
Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами использована в
ряде производств, в т. ч. и в асбоцементом производстве.
5.2. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
Этот метод очистки используют для обезвреживания
производственных сточных вод от цианидов, сероводорода, сульфидов и других
веществ. Сточные воды, включающие перечисленные соединения,
встречаются в машиностроительной (цехи гальванических покрытий),
горно-добывающей (обогатительные фабрики свинцово-цинковых и
медных руд), нефтехимической (нефтеперерабатывающие и
нефтехимические заводы), целлюлозо-бумажной (цехи варки целлюлозы) и в
других отраслях промышленности.
Наиболее часто в практике очистки сточных вод пользуют
следующие окислители: хлор, гипохлорит кальция, хлорную известь,
диоксид хлора, озон, технический кислород и кислород воздуха. Реже
используются пероксид водорода, оксиды марганца, перманганат и
бихромат калия.
Для очистки производственных сточных вод возможно также
использование процесса радиационного окисления, загрязняющий
вещества (обычно органического происхождения) под действием
излучений высоких энергий.
5.2.1. Окисление реагентами, содержащими
активный хлор
Указанный метод используется для обезвреживания циансодержа-
щих стоков различных: объемов и концентраций, а также от таких
органических и неорганических соединений, как сероводород,
гидросульфид, сульфид, метилмеркаптан и т. д. Следует указать, что
сточные воды, содержащие цианиды, образуются при нанесении медных,
116

цинковых и кадмиевых покрытий из цианистых электролитов. Кроме
того, циансодержащие стоки образуются при термической закалке
стальных изделий в расплавах цианистых солей, а на
металлургических предприятиях цианиды попадают в сточные воды из доменных
газов (при их промывке и охлаждении). Концентрация простых
цианидов (KCN, NaCN) в промывных водах обычно не превышает 200 мг/л.
В этих водах также содержатся в небольших количествах
комплексные цианиды меди, цинка, кадмия, железа и других веществ. Данные о
составе циансодержащих сточных вод, образующихся на
автомобильных заводах России, представлены в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Состав циаисодержащих сточных вод гальванических цехов
автозаводов России (по Д.Н. Смирнову и В.Е. Геикниу)
Автозаводы
ЗИЛ
АЗЛК
Горьковский
Ликинский
Автозаводы
ЗИЛ
АЗЛК
Горьковский
Ликинский
Загрязняющие вещества и их концентрации.
СЬГ
0,22—93,5
1,5—120,5
24,5—98,8
22,4—38,5
Fe (общ)
0,15—1,5
1,6-9,8
2,4-35,7
0,5—5,3
CNS"
0,2-5,3
0,2—11,5
0,7-5,2
0,2-2,4
SO42"
90,8—351
32,9—164,2
150,4—370
56—154,3
CuJ+
1,7—24,05
0,15—15,4
2,8—30,0
0,05-0,7
СГ
6,7—145
6,38—120,6
22,4-^89
8—18
Zn1+
0,39—97,5
0,7—16,8
2,1-30,4
10,4—30
NO",
—
—
—
10—25
мг/л
Ni1+
0—0,4
0—1,5
0,35—1,3
0—1,8
рН
2,8—11,5
6,*-*,9
7,8—9,3
7,3—*,5
При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная
кислоты по реакции
С12 + Н2О = НОС1 + НС1
E.4)
Далее НОС1 диссоциирует, причем степень ее диссоциации
зависит от рН. В сильнокислой среде равновесие этой реакции сдвинуто
влево, и в воде присутствует С12. При рН > 4 молекулярный хлор в
воде практически отсутствует:
НОС1
ОСГ
E.5)
Сумма С12 + НОС1 + ОС1 — называется свободным «активным»
хлором. Очистка сточных вод от цианидов основана на их окислении в
менее токсичные (приблизительно в 1000 раз) цианат — ионы с их
последующим гидролизом в нейтральной среде до NbT4 и СОз2~ по
следующим реакциям:
117

при рН>9* 10
CN + 2ОН" + С12-> CNO" + Н2О + 2СГ E.6)
при рН«7
CNO" + 2Н2О-> NH4 + СО32" E.7)
Образующиеся цианаты можно окислить до элементарного азота и
диоксида углерода:
2CNO + 4ОН" + ЗСЬ -> 2СО21 + 6СГ + N21 + 2Н2О E.8)
При снижении рН возможно протекание реакции прямого
хлорирования цианида с образованием токсичного хлорциана:
CN" + С12 -> CNC1 + СГ E.9)
В кислой среде (рН й 6,5) эта реакция протекает с достаточно
высокой скоростью и может быть описана следующим уравнением:
2CNCT + ЗСЮ" + 2Н+ -> 2СОг t + ЗСГ + N21 + Н2О E.10)
При использовании в качестве окислителей гипохлоритов
реакцию проводят при рН =10-5-11
СЬГ + ОСГ -> CNO" + СГ E.11)
Активный хлор окисляет находящиеся в сточных водах
соединения аммония, аммиак и органические вещества, содержащие
аминогруппы до моно- и дихлораминой, а также до треххлористого азота по
следующим реакциям:
NH3 + HOC1 -> NH2C1 + H2O E.12)
NH2C1 + НОС1 -> NHC12 + H2O E.13)
NHC12 + HOC1 -* NC13 + H2O E.14)
Возможна обработка циансодержащих сточных веществ
диоксидом хлора С1О2, который обладает высокой окислительной
способностью. Следует отметить, что при обработке сточных вод диоксидом
хлора не образуется высокотоксичных хлорциана, хлорфенола и
других продуктов прямого хлорирования при любых значениях рН среды.
В качестве примера укажем реакцию окисления комплексного
цианида меди:
5[Cu(CNK]2- + 7СЮ2 + 12О1Г -> E.15)
-> 15CNO" + 7СГ + 5Си(ОНJ + Н2О
118

Рекомендуется проводить реакцию окисления цианидов С1О2 при
рН;>10.
Хлорирование применяется и для дезодорации сточных вод
целлюлозно-бумажных комбинатов. Указанные сточные воды содержат
сероводород, сульфиды, метилмеркаптан и др.
В щелочной среде хлор окисляет сульфиды до сульфатов. Процесс
может быть описан следующим уравнением:
Na2S + 4С12 + 8NaOH -> Na2SO4 + 8NaCl + 4Н2О E.16)
В кислой и нейтральной среде образуются сульфиты:
H2S + ЗС12 + ЗН2О -» H2SO3 + 6HC1 E.17)
NaHS + ЗС12 + ЗН2О -> NaHSO3 + 6HC1 E.18)
При окислении метилмеркаптана в зависимости от расхода хлора
образуются различные продукты:
2CH3SH + Cl2 -> CH3SSCH3 + 2HC1 E.19)
CH3SH + 2CL2 + Н2О -» CH3SOCI + 3HC1 E.20)
CH3SH + 3C12 + 2Н2О -> CHsSCbCl + 5HC1 E.21)
Хлораторные установки для очистки сточных вод включают
складское хозяйство и устройства для дозирования хлора, в качестве
которых чаще всего применяются вакуумные хлораторы ЛОНИИ-100,
имеющие производительность по хлору 0,08—20 кг/ч.
5.2.2. Окисление пероксидом водорода
Пероксид водорода используют для окисления нитритов,
альдегидов, фенолов, серосодержащих отходов, активных красителей, а также
цианидов.
Основная химическая реакция, протекающая при окислении
цианидов Н2О2, следующая:
CN" + Н2Ог -> CNCT + Н2О E.22)
Например, цианид натрия окисляется пероксидом водорода по
схеме:
NaCN + гНгОг -» NaCNO + Н2О E.23)
Оптимальное значение рН для этих реакций —10 ч-11.
Комплексные цианиды окисляются пероксидом водорода быстрее и легче
простых цианидов. Окисление цианидов каталитически ускоряется в
присутствии соединений меди.
119

Используя катализаторы (Fe2+, Cu2+, Mn2+, Co2+, Cr\ Ag+), можно
также ускорить процессы окисления вышеперечисленных
органических веществ пероксидом водорода.
5.2.3. Окисление кислородом воздуха
Кислород используется для очистки сточных вод целлюлозных,
нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов. Окисление
гидросульфидной и сульфидной серы протекает через ряд
последовательных стадий:
S2- -> S -> SnO6 -> S2O32" -> SO32- -> SOf E.24)
Метилмеркаптан в водных растворах под действием кислорода
воздуха также окисляется постадийно:
CH3SH -> CH3SSCH3 -> CH3SO2H -> CH3SO3H E.25)
Рассмотрим основные химические реакции, протекающие при
очистке серосодержащих сточных вод с использованием кислорода
воздуха на примере обезвреживания сточных вод выпарной станции
целлюлозного завода. Процесс ведут при рН = 7—7,5. При этом
протекают следующие реакции:
2H2S + 2О2 -> S2O32" + Н2О + 2Н+ E.26)
8H2S + 9О2 -> 2S4O62" + 6Н2О + 4Н+ E.27)
H2S + 2О2 -+ SO42" + 2Н+ E.28)
2HS- + 2О2 ^ S2O32" + Н2О E.29)
2HS" + 4О2 -> 2SO42" + 2H+ E.30)
Схема установки для окисления сульфидов представлена на
рис. 5.3.
Окисление кислородом воздуха может быть использовано для
очистки от железа как природных, так и производственных сточных
вод.
При аэрировании происходит окисление двухвалентного железа в
трехвалентное по следующей суммарной реакции:
4Fe2+ + О2 + 10Н2О -> 4Fe(OHKi + 8K" E.31)
120

Воздух
Конденсат
О
m
о:
еа
К
эг
о
U
2 <
vwJ
1
I 5
Воздух
Рис. 5.3. Схема установки окисления сульфидов кислородом воздуха:
/ — приёмный резервуар; 2 — насос; 3—теплообменник; 4 — окислительная колонна;
5 — воздухораспределительное устройство; 6—сепаратор; 7—холодильник
Если железо присутствует в воде в виде бикарбоната закисного
железа, то реакция окисления двухвалентного железа и гидролиз
протекают в соответствии со следующим уравнением:
4Fe(HCO3J + 02 + 2H2O -+ 4Fe(OHKi + 8C02t
Вместо кислорода воздуха для перевода Fe2+ в Fe3+
E.32)
можно
использовать и другие окислители, например хлор и перманганат калия.
5.2.4. Озонирование
Процессы озонирования применяют для очистки сточных вод от
фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ,
цианидов, красителей, ароматических углеводородов, пестицидов и
др. Одновременно с очисткой обеспечивается обесцвечивание воды,
устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озон подают в
сточную воду в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной смеси.
Концентрация озона в смеси приблизительно составляет 3 %.
Рассмотрим типичные реакции, протекающие при очистке
сточных вод озонированием. Окисление сероводорода протекает
следующим образом:
H2S + О3 -> Н2О + SO2
3H2S + 4О3 -> 3H2SO4
E.33)
E.34)
121

Роданид-ионы реагируют с озоном по следующей схеме:
CNS" + 2О3 + 20гГ -> SO32" + 2Оз + 2Н2О + СЬГ E.35)
CN" + SO32" + 2О3 -> CNO" ± SOt + 2О2 E.36)
Этот процесс следует проводить в нейтральной и слабокислой
среде при 5—25 °С.
Аммиак при взаимодействии с озоном в щелочной среде
окисляется до азотной кислоты и воды по реакции:
NH3 + 4О3 -* 4NO3- + 4О2 + Н2О + Н+ E.37)
Цианиды в слабощелочной среде, реагируя с озоном, образуют
первоначально менее токсичные цианаты, которые затем гидролизу-
ются в воде или окисляются озоном в соответствии со следующими
уравнениями:
CN~
CNO" + О2Т
CNO" + 2Н+ +¦ 2Н2О -> CO2t + Н2О + NrT4
CNO" + 2Н2О -> НСО"з + NH3
2CNO" + Н2О + ЗО3 -> 2НСО + 302t + N2t
E.38)
E.39)
E.40)
E.41)
Озон получают в промышленных озонаторах-генераторах из
кислорода воздуха под действием электрического разряда. Электроды
озонаторов могут быть трубчатой или пластинчатой формы и обычно
изготавливаются из металлизированного стекла. Технические
характеристики отечественных озонаторов трубчатого типа приведены в
табл. 5.4.
Технические
Тип озонатора
ОП-^
ОП—6
ОП—121
ОП—315
ОП—510
характеристики

Производительность по озону,
кг/ч
1
2
1,6
3,*
б
отечественных
Концентрация
озона в озоно-
воэдушной сме-
сн, %
16—17
14—16
14—16
12—14
12—14
Т
а б л и ц а 5.4
озонаторов трубчатого типа
Средний расход
воздуха, м3/ч
40
80
120
300
450
Напряжение на
электродах, кВ
10
10
16
18
18
Схема установки для очистки сточных вод озонированием
представлена на рис. 5.4. Установка состоит из двух основных узлов:
получения озона и очистки сточных вод. Озон из генератора в виде озо-
122

Отбодопро
сети
Рис. 5.4. Технологическая схема озонирования производственных сточных вод:
У — воздухозаборная шахта, 2—подача атмосферного воздуха, 3— фильтр,
4—воздуходувка, 5— теплообменник, б*—водоотделитель, 7—установка для осушки воздуха," 8—подача
воздуха на регенерацию адсорберов, 9—блок фильтров, 10—хозяйственно-питьевой
водопровод. 11 — генератор озона, 12— канализация, 13 — подача озоно-воздушной смеси,
14—контактная камера озонирования сточных вод, IS — подача необработанных сточных
вод, 16—пористые распределительные трубки, 17—выпуск озонированных сточных вод,
У*—подача охлажденного рассола, 19—бак охлажденного рассола, 20—трехходовой
смесительный клапан, 21, 22 — насос соответственно охлажденного к нагретого рассола,
23 — бак нагретого рассола, 24—подача нагретого рассола, .25 —- холодильная машина
но-воздушной смеси направляется в контактную камеру и
смешивается с обрабатываемой сточной водой. Циркуляция обрабатываемой
сточной воды и озоно-воздушной смеси в контактной камере реакции
во встречном направлении обеспечивает большую эффективность
озонирования. Реакционные камеры могут быть одно- и
двухступенчатыми.
5.2.5. Окисление перманганатом калия
Перманганат калия может быть использован для очистки
сточных вод от катионов двухвалентного железа и марганца. Окисление
двухвалентного железа протекает в соответствии со следующим
уравнением:
123

3Fe(HCO3J + KMnO4 + 2H2O -> 3Fe(OHK1 + E.42)
+ MnO2i + 5CO2t + KHCO3
В случае двухвалентного марганца схема окисления следующая:
ЗМп2+ + 2МпО + 2Н2О -> 5МпО21 + 4Н+ E.43)
При этом ионы железа и марганца выделяются из сточных вод в
виде труднорастворимых соединений Fe(OHK и МпО2.
5.2.6. Радиационное окисление
Метод радиационного окисления может быть использован для
очистки сточных вод от фенолов, цианидов, красителей, инсектеци-
дов, лигнина, а также ПАВ. Очистка сточных вод осуществляется при
воздействии на них излучения высоких энергий, в качестве
источников которых используются: радиоактивный кобальт и цезнй, ТВЭЛы,
радиационные контуры, ускорители электронов. Загрязняющие воду
вещества вступают в реакцию с продуктами радиолиза воды: ОН",
НО2 (в присутствии кислорода), Н2О2 — перечисленные вещества
являются окислителями, а также Н+ и е" гидр, (гидратированный
электрон).
Метод радиационного окисления в ряде случаев может быть
использован для нейтрализации сточных вод.
5.3. ОЧИСТКА ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
При содержании в сточных водах легко восстанавливаемых
соединений меди, хрома, мышьяка, ртути применяют методы
восстановительной очистки.
Катионы меди, содержащиеся в кислых сточных водах, могут быть
выделены цементацией на железном скрапе или никелевом песке. При
этом протекают следующие реакции восстановления:
Cu2+ + Fe -> Си 4 + Fe2+ E.44)
Си2+ + Ni -> Си I + Ni2+ E.45)
Медь выделяется на железе или ннкеле в виде металла, и вместо
нее в раствор переходят катионы железа или никеля. Метод
цементации применяют для грубой, предварительной очистки достаточно
концентрированных по меди сточных вод. Очищенная цементацией вода
затем нейтрализуется до рН = 8 + 9 при одновременной доочистке ее
124

от оставшихся катионов меди и перешедших в раствор катионов
железа или никеля.
Высокотоксичные соединения шестивалентного хрома
содержатся в промывных сточных водах и отработанных технологических
растворах, образовавшихся в процессе хромирования, при химической
обработке поверхностей стальных изделий (травление,
пассирование), при анодировании изделий из алюминия и при проведении
других технологических процессов.
Обработка сточных вод осуществляется в две ступени:
1) перевод (восстановление) шестивалентного хрома в
трехвалентную форму;
2) осаждение трехвалентного хрома в виде гидроксида.
В качестве реагентов-восстановителей наибольшее
распространение получили натриевые соли сернистой кислоты — сульфит
(Na2SO3), бисульфит (NaHSO3) и гидросульфит (Na2SO5). Кроме того,
используют следующие восстановители: сульфит железа (FeSO4),
диоксид серы (SO2), гидразин (N2H4) и др.
При обработке хромсодержащих сточных вод солями сернистой
кислоты протекают следующие химические реакции:
Сг2О72" + 3HSO3" + 5Н+ -» 2СГ* + 3SO42" + 4Н2О E.46)
Сг2О72" + 3SO32" + 8Н+ -» 2СГ3* + 3SO42~ + 4H2O E.47)
Скорость и полнота восстановления Сг6+ до Сг3* указанными
солями в значительной степени зависит от величины рН, причем
наибольшая скорость наблюдается при рН = 2 + 2,5, что требует
дополнительного подкисления сточных вод. Для этих целей обычно используют
10—15%-ные растворы серной кислоты.
Для очистки сточных вод от шестивалентного хрома используют
установки непрерывного или периодического действия.
После восстановления в кислой среде шестивалентного хрома до
трехвалентного состояния сточные воды подвергают нейтрализации,
при которой осаждается в виде гидроксида. В качестве
реагентов-нейтрализаторов используют Са^Н^, Na2CO3, NaOH. Во всех
случаях осуществляется следующая химическая реакция:
Сг3* + ЗОН" -» Сг(ОНK4 E.48)
Оптимальное значение рН этой реакции — 8,0 -г- 9,5. Сг(ОНK
обладает амфотерными свойствами и при рН ? 12 растворяется в
избытке едкой щелочи. При этом протекает следующая химическая реакция:
125

+ NaOH -» NaCiO2 + 2H2O E.49)
При использовании в качестве восстановителя сульфата
двухвалентного железа (FeSO4) процесс можно проводить в кислой,
нейтральной и щелочной среде:
2СЮ3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 -» 2FcKSO4)s + Cr2(SO4K + 6H2O E.50)
2СЮ3 + 6FeSO4 + dCafOHfc + 6H2O -» 2Сг(ОН)з4< + E.51)
+ 6Fe<OHKi + 6CaSO4
Восстановление диоксидом серы происходит по схеме:
SO2 + Н2О -> H2SOj E52)
2СЮ3 + 3H2SO3 -> Cr2(SO4K + 3H2O E.53)
В присутствии в сточных водах соды протекает следующая
химическая реакция:
6Na2Cr04 + SO2 + Na2CO3 + wH2O -> E.54)
Сг2О3 • wH2O + 3Na2SO4
В результате протекания этой реакции происходит практически
полное удаление шестивалентного хрома из раствора.
Реакция восстановления шестивалентного хрома гидразином
протекает в нейтральной или слабощелочной среде:
4К2СЮ4 + 3N2Hi -» 40(ОН)з^ + 3N2T + 8KOH E.55)
Метод восстановления также применяют для очистки сточных вод
от соединений ртути. Их восстанавливают до металлического
состояния, а образовавшуюся ртуть отделяют от воды (отстаиванием,
фильтрованием или флотацией). В качестве реагента-восстановителя
используют алюминиевую пудру, железный порошок, гидросульфид
натрия, гидразин, сульфид железа и др.
При выделении мышьяка из концентрированных растворов (до
110 г/л) используют диоксид серы, который восстанавливает
мышьяковую кислоту до мышьяковистой. Последняя имеет малую
растворимость в кислой и нейтральной среде и осаждается в виде триоксида
мышьяка.
126

5.4. РЕАГЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ
ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ВИДЕ
МАЛОРАСТВОРИМЫХ И НЕРАСТВОРИМЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
Известно, что вещества условно можно разделить на растворимые,
малорастворимые и практически нерастворимые. Растворимость
первых составляет примерно 1 г вещества в 100 мл растворителя (воды)
или приблизительно 0,1 М по катиону, а последних — менее 0,1 г
вещества в 100 мл растворителя или примерно 0,01 М по катиону.
Вещества, занимающие промежуточное положение между ними, называют
малорастворимыми. (В химической и экологической литературе
нередко используют термин «труднорастворимые соединения»,
включая в него как практически нерастворимые, так и малорастворимые
вещества.)
Рассмотрим, следуя Л. Полингу, основные классы нерастворимых
веществ. К ним в первую очередь относятся все гидрооксиды, за
исключением гидрооксидов щелочных металлов, аммония и бария,
причем Са(ОНJ и Sr(OHJ — малорастворимы. Все средние карбонаты и
фосфаты нерастворимы, за исключением соответствующих
соединений щелочных металлов и аммония. Все сульфиды, за исключением
сульфидов щелочных и щелочноземельных металлов, нерастворимы.
Для очистки производственных сточных вод от соединений
тяжелых цветных металлов и в первую очередь от соединений Си, Ni, Co,
Zn, Pb, Cd, Hg их осаждают в виде соответствующих гидрооксидов,
сульфатов либо карбанатов. Растворимость вышеуказанных
соединений может быть охарактеризована также произведением
растворимости. В табл. 5.5 представлены величины для произведений
растворимости основных гидроксидов, сульфатов и карбонатов тяжелых
цветных металлов.
Таблица 5.5
Значения констант произведения растворимости нри комнатной температуре
Карбонаты
ВаСОэ
СаСОз
CuCOj
Гилроксиды
А1(ОН)э
Са(ОНJ
Cd(OHJ
Со(ОНJ
5
4,8
1
1-
8
1-
2-
К™
-ю-9
•10*
к*
ю-33
• иг*
ю-14
ю-16
Карбонаты
FeCO3
МпСОэ
РЬСОз
Гндроксиды
Fe(OHK
Mg(OHJ
Mn(OHJ
Ni(OHJ
к„
2-10-11
9 • ia-u
1-ИГ11
1 ¦ ИГ*.
б • 10-»
1 ¦ Ю-14
1 ¦ 10-14
127

Продолжений табл. 5*5
Карбонаты
Сг(ОНK
Си(ОНJ
Сульфцды
HgS
CuS
CdS
PbS
SnS
к»
1 - Ю-30
6-io-M
ю-34
ю-40
ю-м
1<Г2*
ю-28
Карбонаты
РЬ(ОНJ
Sn(OHJ
Сульфиды
ZnS
FcS
CoS
NiS
MnS
К»
1 • Ю-16
1-Hr'3
К„р
ю-24
ю-22
10'
ю-21
ю-16
Для выделения из кислых сточных вод тяжелых цветных металлов
и железа используются те же реагенты, что и при нейтрализации. При
этом протекают следующие реакции:
Ме2+ + 2ОН~ -> Me(OHJi E.56)
Ме3+ + ЗОН" -> Me(OHKi E.57)
Количество реагентов (G, кг), необходимых для нейтрализации
кислых сточных вод, содержащих тяжелые цветные металлы,
рассчитывают по следующей формуле:
100
G = к — Q (аА + ЪхСх + Ь2С2 +...+ ЬпСп),
. В
E.58)
где к — коэффициент запаса расхода реагента по сравнению с
теоретическим (для известкового молока ?=1,1, для известкового теста и
сухой извести к= 1,5); В — количество активной части в товарном
продукте, %; Q —s количество сточных вод, подлежащих
нейтрализации, м3; а — расход реагента для нейтрализации, кг/кг; Л —
концентрация щелочи, кг/м ; Си С2,..., С» — концентрации металлов в
сточных водах, кг/м3; b\, b2i..., Ь„ — расход реагентов, требуемых для
перевода металлов из растворенного состояния в осадок (данные
представлены в табл. 5.6), кг/кг.
Таблица 5.6
Расход реагентов, кг/кг, требуемых для удаления металлов
Металл
Цинк
Никель
Медь
Железо
Саинец
Реагент
СаО
0,85
0,95
0,88
1
0,27
СаЮН)!
1,13
1,26
1,16
1,32
0,36
NaiCd
1,6
1,8
1,66
1,9
0,51
NaOH
1,22
1,36
1,26
1,43
0,38
128

Значения рН, соответствующие началу и окончанию гидроксидов
цветных металлов и железа, представлены в табл. 5.7.
Таблица 5.7
Величины рН осшвдення гидроксидов металлов
Вид катиона
Fe2+
Fe3+
Zn2+
nP
Al3+
Cd2+
Начало осаждения при исходной
концентрации осаждаемого иона 0,01 М
7,5
2,3
6,4
4,9
7,7
4,0
8Д
Полное осаждение
9,7
4,1
8,0
6,8
9,5
5,2
9,7
Примечание. Величина рН полного осаждения соответствует остаточной концентрации
«она металла Ю~* М/л.
В многокомпонентных сточных водах значения рН,
соответствующие началу и окончанию осаждения гидроксидов, существенно
сдвинуты в сторону больших величин.
Следует указать, что ионы тяжелых цветных металлов могут
осаждаться не только в виде гидроксидов, но и гидроксид-карбонатов (в
случае использования для осаждения реагентов, содержащих в своем
составе карбонатные ионы). Например:
2ZnCl2 + 2Na2CO3 + H2O -> 4NaCl + CO2
E.59)
2Cu + 2ОН" + СО32" -
2Ni2+ + COt + 2OH"
2Pb + 2OH" + CO32" -
Кроме того, возможно образование и труднорастворимых
карбонатов тяжелых цветных металлов:
E.60)
E.61)
E.62)
Ni2+ з 3
Pb + СОз2" -> РЬСО34
E.63)
E.64)
Гидроксиды цинка, свинца, меди, алюминия и некоторых других
металлов растворяются в избытке едкой щелочи с образованием
комплексных анионов. Ниже представлена величина рН,
соответствующая началу растворения гидроксидов (по Д.Н. Смирнову и В.Е. Генки-
ну):
б Я-123
129

Гидроксид
Величина рН, соответствующая
началу растворения гидроксида
А1(ОНЬ
7.8
Ci(OHh
12,0
ZitfOH),
10,5
Цинк, алюминий и некоторые другие металлы, обладающие амфо-
терными свойствами, могут содержаться в виде анионов в щелочных
сточных водах. Для их удаления используют растворы кислот. При
этом образуются осадки гидроксидов этих металлов согласно
следующим уравнениям:
АЮ2 + Н+ + Н2О -> А1(ОНK1 E.65)
ZnCr2 + 2Н+ -» Zn(OHJl E.66)
Необходимо указать, что эффективнее совместное осаждение
ионов двух или нескольких металлов при одной и той же величине рН,
чем при осаждении каждого металла в отдельности.
Это связано с образованием смешанных кристаллов и
адсорбционными процессами на их поверхности.
При обработке щелочными реагентами сточных вод, содержащих
ионы тяжелых цветных металлов, достигается снижение их
концентраций до величин, позволяющих осуществлять сброс очищенной
воды в городскую канализацию или водоемы санитарно-бытового
пользования.
В том случае когда требуется более глубокая степень очистки,
тяжелые металлы рекомендуется выделять в виде сульфидов. Обычно в
виде сульфидов выделяют Cu} Co, Ni, Fe, Sn, Mo, As, Sb, Hg, Ag, Zn,
Cd, Pb. Для двухвалентного катиона металла реакция образования
сульфида может быть записана в следующем виде:
Ме2+ + S2" -» MeSl E.67)
В качестве осадителя обычно используют Na2S (реже — (NH4JS).
Растворимость сульфидов зависит от рН раствора (табл. 5.8).
Таблица 5.8
Растворимость сульфидов некоторых металлов в зависимости
от рН раствора ири комнатной температуре
Сульфид
MnS
FeS
CoS
NiS
SnS
Растворимость igS, моль/л при рН
1
3,1
0,85
-0,4
-1,6
-3,3
3
1,6
-1,0
-2,4
-3,6
-5,3
7
-2,6
-4,8
-6,2
-7,4
-9,7
9
-3,8
-6,0
-7,4
-8,7
-11,6
11
-5,8
-9,0
-6,2
-9,2
-13,9
130

Сульфид
ZnS
CdS
PbS
CuS
HgS
Ag2S
1
-2,4
-3,5
-4,05
-8,1
-16,8
-10,0
Растворимость
3
-4,5
-5,5
-6,05
-10,2
-18,7
-9,9
Продолжение
IgS. моль/л при рН
7
-8,2
-9,3
-9,8
-13,8
-18,7
-6,4
9
-9,4
-10,4
-11,0
-15,1
-17,9
-5,2
табл. 5.8
11
-8,6
-11,4
-11,8
-14,0
-16,9
-3,2
В отечественной практике для выделения из сточных вод сурьмы и
мышьяка в виде малорастворимых сульфидов в качестве реагента-оса-
дителя используют сульфат железа.
So3* в зависимости от величины рН содержится в сточных водах
либо в виде анионов тиосолей (SbS~2), либо в виде
кислородсодержащих анионов, что практически встречается редко. Указанные анионы
тиосолей диссоциируют в растворе с образованием сульфид-ионов:
2SbS
,2-
E.68)
При выделении из раствора сульфид-ионов эта реакция
практически целиком сдвигается вправо. При этом образуется нерастворимый
сульфид сурьмы, и вода оказывается очищенной. При добавлении к
сточным водам сульфата железа протекает следующая реакция:
2SbS + FeSO4
FeSl
E.69)
Данный метод позволяет очистить сточную воду от сурьмы
практически полностью. Общий расход сульфата железа (Q, г/л),
необходимый для очистки сточных вод от сурьмы, может быть определен по
следующей формуле:
Q = (8,7 С$2. + 1,15 Сл,+ + q), E.70)
где С^_ —концентрация несвязанных сульфид-ионов очищаемой
сточной воды, г/л; Са1* — концентрация сурьмы в очищаемой
сточной воде, г/л; q — дополнительное количество сульфата железа при
очистке сточных вод, содержащих сурьму, входящую в состав
анионов SbS~2 или SbS~3 (q обычно составляет 1—5 г/л). .
Рассмотренный метод может быть использован и для очистки
сточных вод от мышьяка, если он присутствует в растворах в виде
тиосолей. При этом анионы тиосолей диссоциируют в растворе с
образованием сульфид-иона:
2AsS 5=t As2S3 + S2" E.71)
131

При добавлении к очищаемым сточным водам сульфата железа
образуются практически нерастворимые сульфиды железа и мышьяка:
2AsS + FeSO4 -> As2S3i + FeS + SO42" E.72)
Общий расход сульфата железа (Q, г/л), необходимого для
практически полной очистки сточных вод от мышьяка, определяется по
следующей формуле:
s ^ E.73)
где С$1_ — концентрация несвязанных сульфид-ионов в очищаемой
воде, г/л; 1,85 С^и —концентрация мышьяка, входящего в состав
анионов AsS 2 или AsS~3, г/л; q — дополнительное количество
сульфата железа, необходимое для коагуляции образовавшегося сульфида
железа, г/л (обычно q=\—5 г/л).
Существуют методы осаждения катионов тяжелых цветных
металлов в виде труднорастворимых соединений, в основе которых
лежат окислительно-восстановительные реакции. Примером этого
является способ выделения из растворов и промышленных сточных вод
двухвалентного кобальта с использованием органического
реагента — этилксантогената калия KSCSOC2H5. Двухвалентный кобальт в
процессе осаждения окисляют до трехвалентного состояния
двухвалентной медью, которая при этом восстанавливается до
одновалентной и также осаждается ксантогенатом по реакции:
С^^Со^+^ЗСЗОСгНзГ^айСЗОСгНз! + Co(SCSOC2H5Kl E.74)
Содержание меди и кобальта в очищенных указанном способе
водах не превышает ПДК. В осадок переходят смешанные ксантогенаты
меди и кобальта.
Гидроксиды и сульфиды тяжелых металлов образуют устойчивые
коллоидные системы, поэтому для интенсификации процесса их
осаждения в сточные воды добавляют коагулянты и флокулянты. В
качестве коагулянтов чаще всего используют сульфаты алюминия
(A12(SO4K • 18Н2О) или трехвалентного железа (Fe2(SO4K ¦ 9Н2О).
Расширению оптимальных режимов коагуляции (по рН и температуре)
способствуют флокулянты. Они также в несколько раз увеличивают
скорость выпадения осадков тяжелых металлов. Чаще всего в качестве
флокулянта применяют полиакриламид, который обычно вводят в
количестве 0,1—10 г/м3 очищаемой воды. На рис. 5.5 представлена
общая технологическая схема очистки сточных вод от ионов тяжелых
металлов.
К преимуществам реагентного метода следует отнести высокую
степень очистки от тяжелых металлов (до ПДК), а также простоту экс-
132

Кислые сточные воды
Щелочные сточные воды
Усреднение
CaO, Na2CO3, NaOH
Нейтрализация и образование
гид роке идо в тяжелых металлов
Полиакриламид
Флокуляция
1
Отстаивание
Na2S
Шлам| Вода| |
Уплотнение
Фильтрат
Обезвоживание
В отвал
Образование
сульфидов
f
i
CaO, Fe2<SO4K, A12(SO4K
t
Коагуляция
1
f
На
1
i перер;
або
тк\
Отстаивание
(фильтрация)
Очищенная
' вода
Рис. 5.5. Общая технологическая схема реагентной очистки сточных вод от
ионов тяжелых металлов
плуатации оборудования. Основные недостатки метода — это
образование значительного количества трудноперерабатываемого шлама, а
также существенный расход реагентов и связанная с этим
необходимость организации реагентного хозяйства. Кроме того, очищенная
этим методом вода содержит значительное количество солей и может
быть использована в оборотных системах водоснабжения лишь после
дополнительной очистки.

Глава 6
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
Физико-химические методы играют существенную роль при
обработке производственных сточных вод. К ним относятся
следующие: коагуляция и флокуляция, сорбция, ионный обмен, экстракция,
различные электрохимические методы, мембранные методы
(обратный осмос, ультрафильтрация) и др. Эти методы используют как
самостоятельно, так и в сочетании с механическими, биологическими и
химическими методами очистки. В настоящее время область
применения физико-химических методов очистки расширяется. Наиболее
эффективное применение физико-химических методов достигается в
локальных системах очистки сточных вод промышленных
предприятий.
6.1. КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ
6.1.1. Основные характеристики
дисперсных систем
Система называется дисперсной, если она включает дискретные
образования (дисперсную фазу), распределенные в массе основного
несущего вещества (дисперсионной среды).
В зависимости от размера частиц дисперсные системы
подразделяют на следующие основные группы.
1. Грубо дисперсные (грубые взвеси, суспензии, эмульсии,
порошки) с размером частиц 10*—1СГ7 м.
7 —О
2. Коллоидные-дисперсные (золи) с размером частиц 10' —10 м.
3. Молекулярные и ионные растворы с размером частиц менее
Ю-9 м.
Известны восемь типов коллоидных систем, сведения о которых
представлены в табл. 6.1. Следует отметить, что система «газ в газе»
не входит в это число, так как является гомогенной молекулярной (в
ней отсутствуют границы раздела).
134

Таблица 6.1
Дисперсная фаза
Газ
Жидкость
Твердое тело
v Газ
Жидкость
Твердое тело
Газ
Жидкость
Твердое тело
Основные типы
Дисперсионная среда
Газ
Газ
Газ
Жидкость
Жидкость
Жидкость
Твердое тело
Твердое тело
Твердое тело
дисперсных систем
Примеры дисперсных систем
Не существует
Туман, облака, жидкие аэрозоли
Дым, пыль, порошки, твердые аэрозоли
Пены, газовые эмульсии
Эмульсии
Суспензии, коллоидные растворы
Твердые пены, силикагель, активные угли
, Капиллярные системы, гели, жемчуг
Минералы, сплавы, цветные стекла
Высокодисперсные коллоидные растворы, относящиеся к типу
систем «твердое тело—жидкость», называются золями. Золи, у
которых дисперсионной средой является вода, называют гидрозолями. В
зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды
различают лиозоли—золи с жидкой дисперсионной средой, аэрозоли—золи с
газообразной дисперсионной средой, твердые золи—системы типа
«твердое тело—твердое тело». Грубодисперсные системы типа
«твердое тело—жидкость» называют суспензиями, а типа
«жидкость—жидкость» — эмульсиями.
Твердообразные дисперсные системы, сплошная
пространственная решетка которых заполнена жидкостью, называют гелями. Для
высушенных гелей принят термин «ксерогели». Примером различных
гелей могут служить уголь, торф, древесина, слабообожженная
керамика, адсорбенты, катализаторы, почвы и др. В отечественной
литературе для гелей, полученных из растворов органических
высокомолекулярных соединений, принят термин «студни».
Для характеристик взаимодействия между веществом дисперсной
фазы и жидкостью дисперсионной среды служат понятия «лиофиль-
ность» и «лиофобность». Лиофильные дисперсные системы
отличаются взаимодействием частиц со средой, самопроизвольным
диспергированием и термодинамической устойчивостью. Если в качестве
жидкой дисперсионной среды используется вода, то системы
называют гидрофильными. Примерами лиофильных коллоидов могут
служить глины, мыла, агрегаты высокомолекулярных соединений и т. п.,
образующие в водной или полярной среде неограниченно устойчивые
дисперсные системы.
Лиофобные коллоиды характеризуются значительной энергией
связи внутри дисперсной фазы, превышающей энергию взаимодейст-
135

вия последней со средой, причем диспергирование в этом случае
происходит за счет затраты внешних сил — химических или
механических, а образующиеся коллоидные растворы являются
термодинамически неустойчивыми. Для них понятие стабильности имеет лишь
кинетический смысл. Некоторые лиофобные системы сохраняют свою
устойчивость в течение длительного времени (например, красный
золь золота), а другие быстро теряют устойчивость (суспензии гру-
бодисперсных частиц, концентрированные золи сульфидов металлов
и др.).
6.1.2. Теоретические основы коагуляции
коллоидных примесей, содержащихся
в сточных водах
Коагуляция — это процесс укрупнения дисперсных частиц за счет
их взаимодействия и объединения в агрегаты. Мелкие (первичные)
частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного
взаимодействия. Слипание однородных частиц называется гомокоагу-
ляцией, а разнородных — гетерокоагуляцией. Вещества, способные
вызвать коагуляцию частиц.называют в общем случае коагуляторами,
а в водоподготовке — коагулянтами или гидролизующимися
коагулянтами. Последние не только вызывают коагуляцию частиц
загрязнений, но и образуют, гидролизуясь, малорастворимые продукты,
способные объединяться в крупные хлопья.
Дискретная фаза (твердая или жидкая) в производственных
сточных водах представлена коллоидными частицами размером
0,001—0,1 мкм, мелкодисперсными частицами размером 0,1—10 мкм,
а также частицами, размер которых превышает 10 мкм. В процессах
механической обработки сточных вод наиболее эффективно
удаляются последние из вышеперечисленных частиц. Коллоидные и
мелкодисперсные частицы при механической обработке практически не
удаляются, поэтому для очистки сточных вод от этих загрязнений
используют различные коагулянты (чаще всего — соли алюминия и
железа), которые увеличивают их скорость осаждения.
Для лиофобных золей и суспензий характерно образование на
поверхности двойного электрического слоя (ДЭС) ионов и скачки
потенциала на границе раздела фаз.
136

a
частица (гранула
Мицелла
Рис. 6.1. Схема строения
мицеллы гидроксида железа
Рассмотрим в качестве примера
строение золя гидроксида железа (рис.
6.1). Согласно существующей мицелляр-
ной теории, золь состоит из двух частей:
мицелл и интермицеллярной жидкости.
Мицелла — это структурная коллоидная
частица, т. е. частица дисперсной фазы,
окруженная двойным электрическим
слоем. Интермицеллярной жидкостью
называют дисперсионную среду,
разделяющую мицеллы, в которой растворены
электролиты, неэлектролиты и
поверхностно-активные вещества, являющиеся
стабилизаторами коллоидной системы.
Основу коллоидной частицы составляют
микрокристаллы труднорастворимого
Fe(OHK называемые агрегатами. В
результате избирательной адсорбции на поверхности агрегата
образуется положительно заряженный слой, состоящий из п ионов водорода
(потенциалообразующие ионы, сокращенно ПОИ). Агрегат вместе с
потенциалообразующими ионами образует ядро. Под действием
электростатических сил притяжения у ядра формируются слой ионов
противоположного знака — противоионов, компенсирующих частично
заряд ядра. В рассмотренном примере их роль выполняют ионы СГ.
Частицу с окружающим ее плотным слоем ионов называют гранулой.
Гранула характеризуется двойным электрическим слоем, который
образуется из потенциалообразующих ионов и противоионов.
Следует указать, что часть противоионов (и — х\ наиболее близко
расположенных к ядру, находится в слое жидкости, смачивающем
поверхность твердого ядра, и испытывает действие не только
электростатических, но и ван-дер-ваальсовых сил ядра, поэтому прочно,
удерживается около него и образует так называемый адсорбционный слой
противоионов (плотный слой). Остальные jc противоионов слабее
связаны с ядром (только электростатически) и под влиянием теплового
движения располагаются в жидкой фазе диффузно и называются
диффузионным слоем. Такова схема строения мицеллы. Мицеллы золей
электронейтральны.
Структуру мицеллы Fe(OHK можно представить следующими
формулами:
137

Формулу F.1) представив так:
Мицелла
{[Fe(OHK]m
^ Агрегат ш
«н+
Ядро
(п-х)С\-}+
Адсорбционный
слой
. противоионов ^
Гранула
хС1
Диффузный
или
{[Te(OH)Jm
Агрегат _
Мицелла
«FeOCl+,FeO+
ПОИ
Ядро
Гранула
¦ (п-х)СГ}+
Адсорбционный
слой
^противоионов^
¦ хСГ
Диффузный
слой
F.2)
Укажем также, что граница между коллоидной частицей и
диффузионным слоем носит название границы или поверхности скольжения.
Границы скольжения обозначают ту геометрическую поверхность, по
которой происходит разделение («разрыв») мицеллы на коллоидную
часть и диффузный слой в случае ее перемещения относительно
дисперсионной среды.
Для мицеллы гидрооксида алюминия, образованного при
гидролизе, можно по аналогии записать:
{[А1@НK]
т -
№(п -
l/2xSO42
2'
F.3)
Если предположить, что потенциалообразующим ионов является
А1 , то:
{[А1(ОНK]т • иА13+ • 3/2(w -x)SOn+3/2xSO42
F.4)
В ряде публикаций также отмечается, что потенциалообразующим
слоем в мицелле А1(ОНK может быть катион А1$(ОНI5.
6.1.2.1. Понятие о строении двойного
электрического слоя
Образование двойного слоя ионов приводит к появлению
определенных электрических потенциалов границе раздела твердой и
жидкой фаз. Ионы первого слоя (внутренней обкладки), фиксированные
138

на твердой поверхности, придают этой поверхности слой знак заряда и
создают на ней так называемый поверхностный или ф-потенциал
(«Ф» — «фи» — потенциал), знак которого совпадает со знаком по-
тенциалообразующих ионов. Величина ф-потенциала
пропорциональна числу зарядов ионов на поверхности частиц. Если двойной слой
образуется в результате адсорбции ионов или диссоциации твердого
вещества, то электрический потенциал на поверхности частиц
определяется исключительно концентрацией или активностью этих ионов в
растворе, так как частицы действуют как обратимый электрод
относительно этих ионов. В этом случае ф-потенциал выражается
уравнением Нернста:
RT. а0 кТ. а0 F.5)
ф = — In-2- или ф = — In-2-, v J
Fz ap ez ap
где ф-электрический потенциал на поверхности частицы; R —
универсальная газовая постоянная; Т—абсолютная температура; z — заряд
потенциалообразующих ионов; F—постоянная Фарадея; N\ —
постоянная Авогадро; е— заряд электрона; к— постоянная Больцмана
(к - RIN\)\ <2онар — активность ионов на поверхности и в растворе
соответственно.
Второй потенциал, характеризующий двойной слой ионов,
называется электрокинетическим или ^-потенциалом (дзета-потенциалом).
Он представляет собой электрический потенциал в двойном слое на
границе между частицей, способной к движению в электрическом
поле и окружающей жидкостью. Указанный потенциал является
потенциалом поверхности скольжения. С учетом того, что в двойном
электрическом слое точное расстояние от твердой поверхности до
поверхности скольжения неизвестно, приближенно принимают, что
поверхность скольжения проходит по границе между адсорбционным и
диффузным слоями ионов, т. е. ^ — потенциал близок по величине к
потенциалу на границе адсорбционного и диффузного слоев.
Рассмотрим кратко существующие теории двойного
электрического слоя (ДЭС). Согласно простейшей и исторически первой теории
строения ДЭС, предложенной Гельмгольцем, указанный слой состоит
из двух плоских слоев зарядов, расположенных на молекулярном
расстоянии один от другого и взаимодействующих между собой только за
счет электростатических сил (аналогично взаимодействию в плоском
конденсаторе). Падение потенциала между слоями происходит
линейно (рис. 6.2, а).
Теория Гуи-Чепмена рассматривает диффузное расположение
противоионов, которые находятся под действием электростатических
139

« _
s
н —
и
ев —
3"
s_
и
ed —
У
1
ф
о) б) в)
Рис. 6.2. Схема строения двойного электрического слоя:
а—по Гельмгольцу; 6—по Гуи-Чепмену; в — по Штерну (х—расстояние от твердой
поверхности, & — толщина слоя Гельмголька)
сил притяжения к поверхности и сил теплового движения ионов,
приводящих к диффузионному размыванию внешнего слоя ионов. Эта
теория вводит понятие диффузного слоя, но ионы рассматриваются
как точечные заряды, не имеющие собственных размеров. К
недостаткам теории следует отнести то, что она не объясняет явление
перезарядки, не учитывает специфическую адсорбцию противоионов и др.
Наиболее совершенной в настоящее время является теория
Штерна, которая указывает, что часть противоионов находится на
молекулярном расстоянии от поверхности, образуя слой, подобный слою
Гельмгольца, и другая часть ионов имеет размытое расположение и
образует диффузный слой.
Штерн ввел в теорию ДЭС представление о конечных размерах
ионов и учел их специфическую адсорбцию. В настоящее время
теория ДЭС продолжает развиваться.
Величина дзета-потенциала частиц определяет ее способность к
коагуляции и во многих случаях является критерием полноты
протекания процесса.
140

Экспериментально значение ^-потенциала определяют методом
электрофореза (электрофорезом называется перемещение
заряженных коллоидных частиц, находящихся под действием
электростатического поля к одному из электродов), используя модифицированное
расчетное уравнение Гельмгольца — Смолуховского:
F.6)
где т\ — коэффициент вязкости жидкой среды; U— средняя линейная
скорость движения частиц; еа — абсолютная диэлектрическая
проницаемость жидкой фазы; Е — градиент потенциала внешнего
электрического поля.
Отношение U/E при электрофорезе называют электрофоретиче-
ской подвижностью ?/эф- Для расчета ^-потенциала (в) на коллоидных
частицах, находящихся в разбавленных водных растворах при 20 °С,
используют соотношение:
С,= \А2-\06и^ F.7)
где f/эф выражена в м2/(с • в).
Значение ^-потенциала для коллоидных растворах обычно лежит в
пределах от 1,5 до 75 мВ.
6.1.2.2. Устойчивость дисперсных систем
Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство
во времени ее состояния и основных свойств: дисперсности,
равномерного распределения частиц дисперсной фазы в объеме дисперсной
среды и характера взаимодействия между частицами. Основной класс
коллоидных систем — лиофильные коллоиды термодинамически
нестабильны, т. е. склонны к коагуляции.
Агрегативная устойчивость дисперсных систем весьма различна.
Одни системы могут существовать секунды после их образования,
другие очень долговечны. Наиболее неустойчивыми по своей природе
являются гидрофобные коллоидные системы, для которых характерно
слабое взаимодействие между частицами дисперсной фазы и
дисперсионной среды-
Существующие теории устойчивости и коагуляции можно
подразделить на адсорбционные и электростатические. Так, адсорбционная
теория коагуляции Г. Фрейдлиха исходит из положения, что при
коагуляции золей ионы-коагуляторы адсорбируются коллоидными час-
141

Рис. 6.3. Потенциальные кривые взаимодействия коллоидных частиц:
1 — энергия отталкивания, обусловленная действием электростатических сил (убывает с
расстоянием по экспоненциальному закону); 2 — энергия притяжения, обусловленная действием
сил Ван-дер-Ваальса; 3 — результирующая кривая; AUe — энергетический барьер сил
отталкивания; h—расстояние между частицами; Д?/« — вторичный энергетический минимум
тицами в соответствии с изотермой адсорбции. Коагуляция наступает
при одинаковом понижении ^-потенциала, которое достигается при
адсорбции эквивалентных количеств различных ионов.
Рассмотренная теория коагуляции объясняла снижение ^-потенциала до
критического значения уменьшением числа зарядов потенциалообразующих
ионов вследствие нейтрализации их адсорбирующимися ионами
коагулятора. Электростатическая теория коагуляции Г. Мюллера исходит
из того, что введение электролита в золь не изменяет общего заряда в
двойном слое частицы, а вызывает сжатие диффузного слоя.
Уменьшение толщины ионной атмосферы приводит к снижению
^-потенциала, вследствие чего уменьшается стабильность золя.
Рассмотренные теории имеют ряд недостатков, что существенно ограничивает их
использование.
Наиболее полно описывает поведение типично лиофобных
дисперсных систем современная теория устойчивости ДЛФО (названа в
соответствии с первыми буквами фамилий ее авторов: Б.В. Дерягина,
Л.Д. Ландау, Э. Фервея и Я. Овербека). На основе анализа
взаимодействия коллоидных частиц, их взаимного притяжения, обусловленного
142

силами Ван-дер-Ваальса и отталкивания, осуществленного
электростатическими силами, была построена результирующая кривая
потенциальной энергии системы, представленная на рис. 6.3.
налитическая суммарная энергия (U) системы из двух частиц вы-
ется следующим уравнением:
U = и„ + Unp = Ве"*л • (-A/h2), л F.8)
где Um — энергия отталкивания; Цф — энергия притяжения;
В — множитель, зависящий от значений ДЭС, свойств среды,
температуры; е — основание натурального логарифма; % — величина,
обратная толщине диффузного слоя; h — расстояние между частицами;
А — константа молекулярных сил притяжения.
Из теории ДЛФО следует, что все факторы, которые снижают
величину Д&б, понижают и агрегативную устойчивость системы.
• Фактором, вызывающим коагуляцию, может быть любое
воздействие, нарушающее агрегативную устойчивость системы, например,
изменение температуры, перемешивание жидкости, воздействие
излучения и электрических зарядов. Наиболее важным фактором является
добавление электролитов. Электролиты, добавляемые к золям,
существенно влияют на толщину ДЭС и на ^-потенциал, являющийся
одним из главных факторов устойчивости гидрофобных коллоидных
систем. При уменьшении ^-потенциала, например, под влиянием
добавления простых электролитов или других веществ, до значений
менее О,ОЗВ силы взаимного притяжения начинают преобладать над
электрическими силами отталкивания. Наибольшая интенсивность
коагуляции достигается при ? = 0 (изоэлектрическое состояние
коллоидной системы). Величина рН, характеризующая это состояние,
называется изоэлектрической точкой системы.
Коагуляция под действием электролитов подчиняется правилу
Шульце и Гарди, которое формулируется следующим образом:
коагулирующим действием обладает тот ион электролита, который имеет
заряд, противоположный заряду гранулы: коагулирующее действие
тем сильнее, чем выше заряд иона-коагулятора. Соотношение
коагулирующей способности одно-, двух- и трехвалентных ионов
приблизительно равно 1 : 30 :1000.
Критическое значение концентрации, при котором данный
электролит вызывает коагуляцию, называют порогом коагуляции и
обозначают Ск (моль/л или ммоль/л).
143

Величину, обратную порогу коагуляции, называют
коагулирующей способностью и обозначают Fk = C*1. Коагулирующая
способность выражает число объемов золя, скоагулированного 1 моль (рши
1 ммоль) иона-коагулятора.
6.1.3. Понятие о гетерокоагуляции
и применяемых коагулянтах
При очистке производственных сточных вод основное
применение нашел процесс гетерокоагуляции, который можно определить, как
взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц сточных вод
с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду
коагулянтов.
Наиболее часто в практике очистки сточных вод используют соли
алюминия и железа, которые гидролизуются в соответствии со
следующими реакциями:
AI2(SO4K + 6Н2О -> 2А1(ОНK + 3H2SO4 F.9)
FeCl3 + 3H2O -> Fe(OHK + 3HC1 F.10)
FeSO4 + 2Н2О -» Fe(OHJ + H2SO4 F.11)
4Fe(OHJ + Оз + 2H2O -> 4Fe(OHK F.12)
В результате протекания указанных реакций образуются
малорастворимые гидроксиды алюминия и железа, обладающие развитой
хлопьевидной поверхностью, на которой сорбируются
мелкодисперсные и коллоидные примеси, оседающие затем на дно отстойника и
образующие осадок. Образующиеся по приведенным реакциям кислоты
(НС1, H2SO4) нейтрализуют щелочными реагентами. Возможна также
нейтрализация указанных кислот за счет взаимодействия с бикарбо-
натиоиами, присутствующими в сточных водах. Минимальный
расход коагулянтов достигается при осуществлении рассматриваемого
процесса в интервале оптимальных значений рН, которые
представлены в табл. 6.2.
Оптимальные величины
Коагулянт
А1(ОНK
Fe(OHJ
Fe(OHK
рН
Таблица 6.2
при коагулнцнониой очистке
Интервал оптимальных значений рН
4,5-7
8,5—10,5
4—6; 8—10
144

IВ качестве коагулянтов, как уже было указано выше, обычно
используют соли железа и алюминия. Соли железа: железный купорос
или сульфат двухвалентного железа FeSO4 • 7HiO, сульфат
трехвалентного железа Fe2(SO4K • 9Н2О, хлорид железа FeCb * 6Н2О. Соли
алюминия, применяемые в качестве коагулянтов: сульфат алюминия
A12(SO4K -18Н2О, алюминат натрия NaAlO2, оксихлорид алюминия
А12(ОНMС1, полихлорид алюминия [А12(ОН)Я Cl6_n]m(SO4)jc (где
1 <, п < Sm < 10), алюмокалиевые [A1K(SO4>2 * 18Н2О] и алюаммоний-
ные [A1(NH4) * (SO4J • 12Н2О] квасцы. Кроме того, в ряде случаев в
качестве коагулянтов используют соли магния (MgCl2 • 6H2Q,
MgSO4-7H2O), известь и др.
6.1.4. Флокуляция
Флокуляцией называют процесс агрегации дисперсных частиц
под действием высокомолекулярных соединений, называемых флоку-
лянтами.
Флокулянты используют для расширения оптимальных
диапазонов коагуляции (по рН и по температуре), а также для повышения
плотности и прочности образующихся хлопьев и снижения расхода
коагулянтов, в результате чего повышается надежность работы и
пропускная способность очистных сооружений.
Флокулянты могут быть классифицированы в зависимости от
полярных групп, входящих в их состав на следующие:
— неионогенные — полимеры, содержащие неионогенные
группы: -ОН, = СО (крахмал, поливиниловый спирт, полиакрилонитрил и
др.);
— анионные — полимеры, содержащие анионные группы:
-СООН, -SO3H, -OSO3H (активная кремневая кислота, полиакрилат
натрия, альгинат натрия, лигносульфонаты и др.);
— катионные — полимеры, содержащие катионные группы:
-NH2t = NH (полиэтиленимин, сополимеры винилпиридина и др.);
— амфотерные — полимеры, содержащие одновременно
анионные и катионные группы: полиакриламид (— СН2 — СН — CONH2)n,
белки и др. Эффективность действия любого флокулянта может быть
рассчитана по следующей формуле:
= @^-00/0^
где РГсф и W—скорость осаждения сфлокулированных и неосфлоку-
лированных загрязнений, мм/с; q — расход флокулянта на 1 т
твердого вещества, г.
145

6.1.5. Технология коагуляционной
и флокуляционной очистки сточных вод
и используемое оборудование
Количество коагулянта, необходимого для очистки сточных вод,
зависит от вида коагулянта, расхода, состава^ требуемой степени
Очистки сточных вод и определяется экспериментально. Эффективность
процесса флокуляции и его скорость зависят от следующих факторов:
состава сточных вод и их температуры, интенсивности
перемешивания и последовательности введения коагулянтов и флокулянтов.
Процесс очистки сточных вод указанными методами состоит из
следующих технологических операций: приготовление водных
растворов коагулянтов или флокулянтов, дозирование, смешение с
объемом сточной воды, хлопьеобразование, выделение хлопьев из сточной
воды. Коагулянты используют в виде 1—10 % растворов, а флокулян-
ты — в виде 0,1—1 % растворов. Для смешивания коагулянтов с
обрабатываемой сточной водой используют смесители различной
конструкции: перегородчатые, дырчатые, шайбовые и вертикальные.
Продолжительность пребывания воды в смесителях обычно составляет
1—2 мин. Из смесителей вода, обработанная коагулянтами, поступает
в камеры хлопьеобразования, в которых и происходит процесс
образования хлопьев. По конструкции камеры хлопьеобразования делятся на
водоворотные, перегородчатые,, вихревые и с механическим
перемешиванием. На рис. 6.4 представлена перегородчатая камера
хлопьеобразования с горизонтальным движением сточной воДы.
Скорость движения сточной воды в коридорах лежит в пределах
0,1—0,3 м/с. Продолжительность пребывания воды в перегородчатых
камерах 20—30 мин. Высота камеры определяется высотой
отстойника, а ширина коридоров составляет не менее 0,7 м.
Последующее осветление сточной воды производится в
горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках. Двухступенчатая
схема отстаивания сточных вод является наиболее эффективной. На
первой стадии сточная вода отстаивается без коагулянта, а на второй
она обрабатывается коагулянтами и флокулянтами.
При концентрации в сточных водах взвешенных веществ,
способных к агрегации, до 4 г/л используют осветлители со взвешенным
слоем осадка, в которых последовательно осуществляют три основные
процесса: смешение, коагуляцию и осветление сточных вод.
Устройство осветлителя с взвешенным слоем осадка представлено
на рис. 6.5. Обычно используются осветлители круглой (диаметром до
15 м) или прямоугольной формы, причем площадь отечественных
осветлителей не превышает 150 м2.
146

A-A
2,s
ВТ
п '
1
1
1
„ t
I
План
4-1
¦)
Рис. 6.4. Перегородчатая камера хлопьеобразования с горизонтальным
движением обрабатываемой сточной воды:
/. 2 — отводной канал соответственно сточной воды н осадка; 3, 4 — шиберы
соответственно для отключения части коридоров камеры н выпуска осадка
Принцип работы этого осветлителя основан на пропускании
восходящего потока сточной воды через слой ранее выделившегося
шлама, причем скорость потока регулируется таким образом, чтобы
частицы шлама не уносились из зоны выделившегося осадка. Для
повышения эффективности осветления сточная вода, смешанная с
коагулянтами, предварительно проходит через воздухоотделитель 7, в
котором она освобождается от пузырьков воздуха.
Скорость потока сточной воды в осветлителе зависит от
концентрации взвешенных веществ, что может проиллюстрировано
экспериментальными данными, представленными в табл. 6.3.
7 Таблица 6.3
Зависимость скорости потока сточной воды в осветлителе от концентрации
взвешенных веществ
Концентрация взвешенных веществ, мг/л
Расчетная скорость восходящего потока
сточной воды, мм/с
До 400
40О—1000
100О—2500
0,8—1
1-U
1,1-1,2
Расчетный расход сточной воды, проходящей через осветлитель,
можно определить по следующей формуле:
О — О Г1 + (С — С )/С 1 F.14)
где йрасч — расчетный расход сточной воды, м3/ч; 2о» — расход
сточных вод, выходящих из осветлителя, м3/ч; С„ — начальная концентра-
147

Рис. 6.5. Осветлители со взвешенным слоем осадка:
а и 6 —с поденными осадкоуплотнитемми, « — с вертикальными осадкоуплотнитеялми,
/ — воздухоотделитель, 2— опускные трубы, 3 — осадкоотводные трубы или окна,
4—осадкоуплотнитель, 5, 6—трубопроводы соответственио выпуска осадка и отвода
осветленной воды из осадкоуплотнителя
ция взвешенных веществ в сточной воде, г/м3; Ск — конечная
концентрация взвешенных веществ в сточной воде, г/м3; Сщ, —
концентрация взвешенных веществ в осадке после его уплотнения, г/м .
Площадь осветлителя с вертикальным осадкоуплотнителем может
быть определена из следующего равенства:
F^'F^F^Q^X +(Сн-СкуСяай • [*„ + <рA -kpWV^ F.15)
где Foe — площадь осветлителя с вертикальным
осадкоуплотнителем, м2; Fjo и Foy — площадь зоны соответственно осветления и
осадкоуплотнителя, м2; Грае — расчетная скорость восходящего потока
148

воды, м/ч; кр — коэффициент распределения воды между зоной
осветления и осадкоуплотнителем, равный
*,= l-WCH-CKyC» F.16)
где С, — эталонная концентрация взвешенных веществ во
взвешенном слое при скорости движения воды 1 мм/с и температуре 20 °С
(справочные данные), г/м3; <р — коэффициент подсоса в осадкоуплот-
нитель, равный 1,15—1,2.
Остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.
Площадь осветлителя (F^b, м2) с подонным осадкоуплотнителем
определяется из следующего выражения:
/\*. = F» + Fm = fioc.[l + (Сн - СК)/СШ] • F.17)
где Fan — площадь поперечного сечения осадкоотводящих труб, м2;
Van — скорость движения воды с осадком в осадкоотводящих трубах,
равная 90-—140 м/ч.
Остальные обозначения те же, что и в формулах F.15, 6.16).
Эффективность коагуляционной и флокуляционной очистки достигает
90—95 %.
6.2. СОРБЦИЯ
Сорбция — это процесс поглощения вещества из окружающей
среды твердым телом или жидкостью, называемыми сорбентами.
Поглощаемое вещество именуется сорбатом. При абсорбции вещества
(абсорбата) поглощение последнего происходит во всем объеме
жидкого или твердого абсорбента. Абсорбция обусловлена как процессом
диффузии абсорбента в абсорбат, так и процессами растворения. Под
адсорбцией понимают процесс поглощения веществ (адсорбатов),
находящихся в газах и жидкостях, происходящий на поверхности
твердых тел (адсорбентов). Сорбция, сопровождающаяся химическим
взаимодействием сорбента с поглощаемым веществом, называется хе-
мосорбцией.
Сорбционная очистка рекомендуется для сточных вод,
загрязненных ароматическими соединениями, слабыми электролитами или
неэлектролитами, красителями, непредельными соединениями,
гидрофобными алифатическими соединениями. Указанные методы
позволяют извлечь из сточных вод ценные компоненты с их дальнейшей
утилизацией, а очищенную воду использовать в системах оборотного
водоснабжения предприятия. Метод сорбционной очистки не реко-
149

Рис. 6.6. Гранула
активированного угля
мендуется применять для выделения из
сточных вод только неорганических
соединений, а также низших одноатомных
спиртов.
В отечественной практике сорбцион-
ная очистка используется для обработки
сточных вод предприятий
целлюлозно-бумажной, химической,
нефтехимической и других отраслей
промышленности и применяется в качестве само-
стоятельного метода или совместно с ме-
тодом биологической очистки.
В качестве сорбентов применяют
различные материалы: активированные (активные) угли различных
марок, силикагели, алюмогели, золу, коксовую мелочь, торф, шлаки,
активные глины и др. Характерной особенностью
вышеперечисленных сорбентов является их пористость. Например, для таких
эффективных сорбентов, как активированные угли, пористость составляет
60—75%, а их удельная площадь поверхности лежит в пределах
400—900 м2/г.
Схема строения гранулы активированного угля представлена на
рис. 6.6.
Все активированные угли делятся на крупно- и мелкопористые,
а также смешанного типа в зависимости от преобладающего
размера пор, которые подразделяют на три вида: макропоры размером
0,1—2 мкм, переходные поры размером 0,004—0,1 мкм и микропоры
размером мене 0,004 мкм. Сорбционная способность углей
определяется в основном микропористой структурой. Так, например,
растворенные органические вещества с размером частиц менее 0,001 мкм
заполняют объем микропор сорбента, полная емкость которых
соответствует его поглощающей способности.
Для отечественных активированных углей марок АГ-2, БАУ,
АР-3, КАД, СКТ емкость микропор лежит в пределах 0,19— 0,51
см3/г.
Активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого
вещества на единицу объема или массы сорбента (кг/м3 или кг/кг).
Процесс сорбции может быть осуществлен как в статическом, так и в
динамическом режимах. В статическом режиме частицы жидкости и
сорбента совместно движутся в потоке (например, в аппаратах с
перемешиванием жидкости), а в динамическом — жидкость перемещается
относительно сорбента (фильтры, аппараты с псевдоожиженным
слоем). Поэтому вводятся два понятия, характеризующие емкость сор-
150

бента: статическая и динамическая активность сорбента. Статическая
активность сорбента — это максимальное количество вещества,
поглощенного единицей объема или массы сорбента к моменту
достижения равновесия при постоянных температуре жидкости и начальной
концентрации вещества. Динамическая активность сорбента
характеризуется максимальным количеством вещества, поглощенного
единицей объема или массы сорбента до момента появления сорбируемого
вещества в фильтрате при пропуске сточной воды через слой
сорбента. Динамическая активность в промышленных адсорберах обычно
составляет 45—90% от равновесного значения.
Для определения количества поглощенного при очистке воды
загрязняющего вещества, характеризующего адсорбционные свойства
сорбента, используют изотермы сорбции, описываемые уравнениями
Ленгмюраили Фрейндлиха. Уравнение Ленгмюра описывает системы
с однородными поверхностями и незначительными силами
взаимодействия между адсорбированными молекулами, а уравнение
Фрейндлиха описывает адсорбцию на неоднородной поверхности. Приведем
уравнение Ленгмюра для случая сорбции из
слабоконцентрированного раствора сточных вод:
а = АГадс ¦ Сра.н, F.18)
где а — удельная адсорбция, кг/кг; К^ — адсорбционная константа
распределения сорбата между сорбентом и раствором, зависящая от
температуры; Срам — равновесная концентрация адсорбируемого
вещества на сорбенте, кг/кг.
Аналогичное уравнение Фрейндлиха записывается в виде:
а = К^С^у\ F.19)
где п — постоянная.
Следует указать, что сорбционные процессы являются
обратимыми, т. е. сорбат может переходить с сорбента обратно в раствор.
Скорости протекания сорбционного и десорбционного процессов
пропорциональны концентрации вещества в растворе и на поверхности
сорбента. Наиболее простым адсорбером является насыпной фильтр,
схема которого приведена на рис. 6.7.
Скорость фильтрования через эти фильтры лежит в пределах
1—6 м/ч, а крупность зерен сорбента составляет 1,5—5 мм. Основные
характеристики сорбционных фильтров типа ФСУ представлены в
табл. 6.4.
151

3 5
Рис. 6.7. Схема насыпного сорбционного фильтра (типа ФСУ):
/ — вход обрабатываемой воды (конденсата); 2 — выход обрабатываемой воды (конденсата);
3 — подача промывочной-взрь&ляющей воды; 4 — сброс промывочной воды; 5 — спуск
первого фильтрата н опорожнение фильтра; 6, 7 — штуцера для гндрозагрузки и гидроаыгруэ-
ки активированного угля; 8 — воздушник; А — корпус; Б — активированный уголь;
В — нижнее днище; Г — нижний дренаж (копирующий); ВРП — верхнее распредустройство;
Е — лаз
Таблица 6.4
Конструктивные и технологические показатели сорбциоииых
фильтров с активированным углем
Марка фильтра
ФСУ—2—0,6
ФСУ—2,6—0,6
ЛГУ г» of;
ЧТУ* J О v,O
Диаметр» мм
2000
2600
3000
Площадь, м2
3,14
5,3
7,1
Высота слоя
сорбента, м
2,5
2,5
2,5
Объем
фильтра
общий, м1
10,7
19,0
26,0
сорбционного
слоя, м1
7,85
13,2
17,8
При расчете насыпных фильтров определяют следующие
параметры: время их защитного действия (tra), количество вещества
задерживаемого насыпным фильтром. Величину /3 д. определяют из
следующего выражения (уравнение Н.А. Шилова):
- т, F.20)
*з.д
152

где Лз д — коэффициент защитного действия, определяемый
экспериментально, ч/м; Н— высота слоя сорбента, м; т — потеря времени
защитного действия, ч.
Коэффициент &э.д равен
*з.д = Драв„/РС„, F.21)
где Дравн — предельная насыщенность сорбента, равновесная с
концентрацией, кг/м3 (устанавливается по экспериментальной изотерме
сорбции); V—скорость фильтрования, м/ч; С„ — начальная
концентрация вещества в сточной воде, кг/м3.
Потеря времени защитного действия:
= еДт,
F.22)
где е —г пористость сорбента (в долях единицы); Дт — время, в
течение которого концентрация веществ в фильтрате изменяется от
концентрации сорбата при допустимом проскоке Ст до С„, ч.
Величина Дт устанавливается по экспериментальной выходной
кривой динамики сорбции (рис. 6.8).
По выходной кривой определяют момент появления сорбата в
фильтрате тпр — время проскока, а после этого момента фиксируется
увеличение концентрации сорбата до максимального,
соответствующего С„. '
Количество вещества, задерживаемого насыпным фильтром,опре-
деляется из следующего выражения:
V={H-h)-Fam F.23)
где V— количество вещества, задерживаемого насыпным фильтром,
кг; h — эмпирическая константа, м; F—площадь фильтра, м2;
ал — динамическая активность сорбента, кг/м3.
О
Рис. 6.8. Процесс сорбции в динамических условиях (определение Дт)
153

л
— —
о
о
|/
i
2\
V
•
c*o
X
I
I
JL
^А I
4
i
Y
6)
Рис. 6.9. Схемы установок для сорбции в статическом режиме:
а — с последовательным введением сорбента; б—с противоточным; У —подача сточной
воды; 2—подача сорбента; 3 — резервуары с перемешивающим устройством; 4 —
отстойники для отделения отработанного сорбента от сточной воды; 5 — выпуск обработанной
воды; б — выпуск отработанного сорбента; 7—резервуар для сбора сорбента; 8 — насосы
для перекачки сорбента на I ступень
Обычно сорбционная установка состоит из нескольких
параллельно работающих секций, состоящих из трех-пяти последовательно
расположенных фильтров.
При проведении процесса сорбции в статических условиях
применяются установки с последовательным и противоточным введением
адсорбента, схема которых представлена на рис. 6.9. Следует указать,
что установка с противоточным введением сорбента более
экономична и значительно чаще используется в практике очистки сточных вод.
В практике очистки сточных вод используются также процессы с
псевдоожиженном -слоем сорбента.
154

Различают регенеративную сорбционную очистку, при которой
извлеченные вещества утилизируются, и деструктивную,
характеризующуюся уничтожением извлеченных веществ.
Для извлечения сорбированных веществ используют следующие
процессы: экстрагирование органическим растворителем, изменение
степени диссоциации слабого электролита в равновесном растворе,
отгонка адсорбированного вещества с водным паром и др.
Легколетучие органические вещества (бензол, толуол, этиловый
спирт и др.) десорбируют воздухом при температуре 120—140 °С,
перегретым паром (/ = 200—300 °С), инертными или дымовыми газами
(/ = 300—500 °С).
При деструктивной очистке применяют термические или
окислительные методы, но при этом происходит частичная потеря
углеродного сорбента E—10%).
6.3. ФЛОТАЦИЯ
Флотация используется для очистки производственных сточных
вод от следующих загрязнений: поверхностно-активных веществ,
нефти и нефтепродуктов, масел, а также различных волокнистых
материалов. Процесс очистки состоит в образовании комплексов
«частицы— пузырьки воздуха», всплывании этих комплексов на
поверхность жидкости с образованием пенного слоя, содержащего
загрязнения и последующего удаления этого слоя с поверхности. Эффект
прилипания пузырька воздуха к поверхности частицы достигается только
в том случае, если жидкость плохо ее смачивает.
Степень смачивания водой твердых или газовых частиц,
диспергированных в воде, может быть охарактеризована краевым углом
смачивания, 0 (рис. 6.10).
Чем больше краевой угол смачивания, тем более гидрофобна
поверхность частицы, вследствие чего увеличивается вероятность
прилипания к ней и прочность удержания на ее поверхности воздушных
пузырьков, поэтому такие частицы легко флотируются.
Энергия (А, дж/м2) образования комплекса пузырек-частица
равны:
^ = <jA-cos9), F.24)
где о — поверхностное натяжение воды на границе с воздухом, н/м.
Для частиц, хорошо смачиваемых водой, 6 -> 0 и cosG -> 1, т. е.
прочность прилипания минимальна, для несмачиваемых
частиц — максимальна.
Для эффективного протекания процесса флотации поверхностное
натяжение воды не должно превышать 65 мН/м, а размеры воздушных
155

Рис. 6.10. Схема прилипания пузырька воздуха 1 к взвешенной в воде
частице 2
пузырьков лежат в пределах 15—30 мкм (в отдельных случаях
диаметр воздушных пузырьков может достигать 100—200 мкм).
Существуют различные способы флотационной обработки
производственных сточных вод.
1. Флотация с выделением воздуха из раствора (вакуумные,
напорные и эрлифтные флотационные установки),
2. Флотация с механическим диспергированием воздуха (импел-
лерные, безнапорные и пневматические флотационные установки).
3. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы.
4. Электрофлотация (см. разд. «Электрохимические методы
очистки сточных вод»).
5. Пенная сепарация.
6. Химическая, биологическая и ионная флотация.
Различают однокамерные и двухкамерные флотационные
установки. В первых из них одновременное насыщение жидкости
воздухом и всплывание загрязнений происходит в одном отделении
(камере). В двухкамерных установках в первом отделении образуются
пузырьки воздуха и агрегаты «частица — пузырек воздуха», а во
втором— всплывание загрязнений на поверхность жидкости и
осветление последней.
6.3.1. Флотация с выделением воздуха
из раствора
Сущность этого метода состоит в создании пересыщенного
раствора воздуха в сточной воде, при выделении которого образуются
макропузырьки, позволяющие удалять сильнодиспергированные за-
156

2
4^
/—4
3
-^
--
ULJUU
ш^Ь>
"^ ^^ -4—
r
\
7
Рис. 6.11. Схема процесса вакуумной флотации:
1 — подача сточной воды; 2 — аэратор; 3 — деаэратор; 4 — флотационная камера; 5 —
механизм сгребания пены; 6 — пеносборник; 7 — отвод пеиы; 8 — отвод отработанной сточной
воды
грязнения. Количество воздуха, выделяющегося из раствора и
необходимого для обеспечения эффективной флотации, составляет 1—5 % от
объема обрабатываемой воды.
Вакуумная флотация используется для очистки сточных вод, если
концентрация загрязнений в них не превышает 250 мг/л. Способ
характеризуется достаточно низкими энергозатратами на проведение
процесса флотации, а также высокой стабильностью всплывающих
агрегатов «частица — пузырек воздуха» (вероятность их разрушения
минимальна). Недостатками способа кроме указанного выше
ограничения по концентрации загрязнений в сточных водах является
достаточно высокая сложность создания и эксплуатации вакуумных систем.
Схема процесса вакуумной флотации представлена на рис. 6.11.
Принцип работы вакуумного флотатора заключается в
следующем. Сточную воду в течение нескольких минут насыщают воздухом,
потом ее направляют в деаэратор, где удаляется нерастворившийся
воздух,и под действием разрежения @,02—0,03 МПа) сточные воды
поступают во флотационную камеру. В ней воздух под действием
вакуума выделяется в виде микропузырьков, которые взаимодействуют
с частицами загрязнений и переносят их на поверхность жидкости в
пенный слой, откуда пена вращающимися скребками удаляется в
пеносборник. Продолжительность обработки сточной воды в камере
20 мин., производительность 1 м поверхности флотатора — до
200 м3/сут.
157

6.3.2. Напорная флотация
Напорная флотация позволяет очищать сточные воды с начальной
концентрацией загрязнений 4 —5 г/л и более. Схема процесса
напорной флотации представлена на рис. 6.12.
При напорной флотации очищенная вода насыщается в сатураторе
воздухом под избыточным давлением 0,3—0,5 МПа.
Продолжительность насыщения -— 1—3 мин. Количество растворяющегося в
сатураторе воздуха составляет 3—5 % от объема обрабатываемой воды.
Насыщенная воздухом вода направляется во флотационную камеру,
где из нее выделяются пузырьки воздуха, которые взаимодействуют с
загрязнителями н переводят их в слой пены на поверхности воды.
Образующаяся пена удаляется в пеносборник. Продолжительность фло-
тацни составляет * 20 мин. Нагрузка на 1 м2 площади камеры
составляет 6—10 м3/ч.
А А/А A A A A i A A
Рис. 6.12. Схема процесса напорной флотации:
У — подача сточной воды, 2 — подача воздуха, 3 — насос, 4 — сатуратор (напорный бак),
5 — флотационная камера, б —механизм для сгребания пены, 7 — пеносборник, 8 — отвод
пены, 9 — отвод обработанной сточной воды
Следует указать, что при эрлифтной флотации энергозатраты в
несколько раз ниже, чем при напорной, но конструкция флотационной
камеры достаточно громоздка (например, разность отметок по высоте
между аэратором и флотационной камерой достигает 20—35 м), что
препятствует широкому применению этого способа.
6.3.3. Флотация с механическим
диспергированием воздуха
< К устройствам для флотации с механическим диспергированием
воздуха относятся флотационные импеллерные, безнапорные и
пневматические флотационные установки.
В первой из перечисленных установок интенсивное
перемешивание сточной воды производится импеллером, расположенным на дне
158

камеры, который диспергирует засасываемую струю воздуха на
отдельные пузырьки определенного размера. Перемешанные в
импеллере воздух и вода выбрасываются через статор, проходя через решетки,
расположенные вокруг него, что позволяет уменьшить размер
воздушных пузырьков, которые в контакте с загрязняющими частицами
всплывают на поверхность жидкости, образуя пену.Пена
удаляется пеноснимателем (обычно, лопастным). Большое
распространение в практике очистки сточных вод получили двухкамерные
прямоточные флотационные установки конструкции института Меха-
нобр (г. Санкт-Петербург).
Основные технологические характеристики процесса флотации
следующие: окружная скорость вращения импеллера—12—15 м/с,
его диаметр обычно не превышает 750 мм. Высота флотационной
камеры составляет 1,5—3 м, а продолжительность флотации /ср =
= 20—30 мин. Импеллерные установки рекомендуется применять при
очистке сточных вод с концентрацией загрязняющих частиц более
2—3 г/л, особенно содержащих нефть и нефтепродукты, а также
жиры.
Расчет основных параметров импеллерной установки проводят по
следующим формулам.
Объем флотационной камеры W^ м3
РГФ - 0,0252*ф, F.25)
где Q — расход сточных вод, м3/ч; /ф — продолжительность
флотации, ч.
Пропускная способность флотатора Q& мэ/ч
еФ = 36/2н#ф/0,025*ф, F.26)
где dH — диаметр импеллера, м; Щ — высота флотационной камеры,
м; tф — средняя продолжительность флотации, ч.
Количество подаваемого импеллером воздуха Qb, м3/с
= 2.78 ¦ ИГХ/, F.27)
где Вул— удельный расход воздуха, м3/м2 • ч (обычно В = 40—50
м3/м2 • ч);/— площадь водного зеркала флотационной камеры, м2.
Требуемое для проведения процесса число флотационных камер
определяют из формулы:
F.28)
К основным недостаткам импеллерных установок следует отнести
высокое содержание воды в пене, что усложняет обработку пены и
удорожает процесс в целом.
159

При использовании безнапорных флотационных установок
образование пузырьков воздуха происходит за счет воздействия рабочего
колеса центробежного насоса. Схема безнапорной флотационной
установки практически совпадает с установкой для напорной флотации,
за исключением сатуратора, причем образующиеся воздушные
пузырьки более крупные. Поэтому данный способ не рекомендуется
использовать для выделения мелких загрязняющих частиц. Этот метод
особенно эффективен для очистки сточных вод от жира и
волокнистых загрязнений.
Пневматические флотационные установки рекомендуется
использовать для очистки производственных сточных вод, содержащих
агрессивные загрязнения (вызывающие быстрое разрушение насосов,
арматуры и т. д.). В этих установках воздух диспергируется при его
пропускании через сопла, расположенные на дне флотационной
камеры.
Технологические параметры указанного процесса следующие:
диаметр отверстий сопл 1—1,2 мм; рабочее давление перед ними
0,3—0,5 МПа; скорость выхода струи из сопл 100—200 м/с. Глубина
флотатора — 3—4 м. Расход воздуха при аэрации 15—20 м3/м2 • ч.
6.3.4. Флотация с подачей воздуха
через пористые материалы
Этот способ заключается в подаче воздуха в флотационную
камеру через различные пористые пластины, трубы с отверстиями, насадки
и другие барботажные устройства, уложенные на дне камеры.
Основные технологические параметры указанного процесса
следующие: величина отверстий, через которые проходит
воздух — 4—20 мкм, давление воздуха — 0,1—0,2 МПа,
продолжительность флотации — 20—30 мин, рабочий уровень обрабатываемой
сточной воды —1,5—2 м.
Скорость подъема пузырьков воздуха в флотационной камере
зависит от их размера. Ниже представлены расчетные (определенные по
закону Стокса) скорости подъема пузырьков в воде при 20 °С.
Таблица 6.5
Скорость подъема пузырьков в воде при 20 °С
Диаметр пузырьков, мкм
Скорость подъема, м/с
10
6 ¦ 1<Г5
30
4,8 • 10
50
1,4 • 10Г1
100
5,5 - Ю-3
200
160

Расход воздуха в камере определяется экспериментальным путем.
Преимуществами данного способа флотации является его простота и
малые расходы энергии на проведение процесса. К основным
недостаткам следует отнести высокую вероятность засорения
диспергирующих воздух устройств, а также трудность подбора пористых
материалов для распылителей (с одинаковыми или близкими по размеру
порами).
6.3.5. Очистка методом пенного
фракционирования (пенной сепарацией)
Для очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ
(ПАВ) используют метод пенного фракционирования (пенной
флотации). При реализации этого метода протекают процессы селективной
адсорбции загрязняющих воду веществ на поверхности газовых
пузырьков и концентрирование указанных веществ в слое пены.
Степень извлечения ПАВ (бп, %) при пенной сепарации можно
определить из следующего выражения:
5Л-100(Сн-Ск)/Сн, F.29)
где Сн — концентрация поверхностно-активных веществ в сточной
воде до извлечения; Ск— остаточная концентрация растворенного
ПАВ в объеме воды.
Наиболее эффективное извлечение загрязнений наблюдается в
интервале рН 9,5—12,3. Положительное влияние на повышение
степени извлечения оказывают добавки следующих электролитов
(< 0,0005 моль/л): КС1, K2SO4, K4P2O7, KNO3) NaNO3, NR^NOs, что
объясняется поглощением ионами указанных электролитов части
воды за счет гидратации, в результате чего возрастает эффективная
концентрация ПАВ. Степень извлечения из сточных вод ПАВ при их
высокой концентрации больше, чем при извлечении из
малоконцентрированных сточных вод. Кроме того, на величину 8„ оказывают
влияние температура и вязкость очищаемой воды.
Для характеристики распределения ПАВ между пенным
продуктом и сточной водой используют коэффициент распределения ПАВ
(е„), который определяют по следующей формуле:
е =Cl F.30)
6 Я 123 161

где С„ — концентрация ПАВ в пене; С*—остаточная концентрация
растворенного ПАВ в объеме воды.
Коэффициент распределения зависит от объема пенного продукта
и степени извлечения ПАВ из сточной воды; его значение всегда
больше единицы.
Степень изменения объема сточной воды при проведении
процесса пенного фракционирования (Rv) определяют из следующего
выражения:
n
ост
F.31)
где Vn — объем пенного продукта (пеноконденсата); V^ —
остаточный объем раствора.
Схема установки для очистки сточных вод указанным методом
представлена ниже.
Разделение сточной воды и ПАВ проводят в сепараторе, который
состоит из нескольких камер, причем высота слоя обрабатываемой
воды в камере составляет 0,5—0,8 м. Очищенная вода поступает в
сборник, а пена под напором воздуха, создаваемым вентилятором,
поступает в циклон, в котором происходит первая стадия разделения
жидкой и газовой фаз, а вторая стадия разделения воды и пены
происходит в отстойнике. Воду из отстойника возвращают в сепаратор, а
пену — в камеру концентрирования.
Следует указать, что обычно в практике очистки сточных вод ПАВ
не выделяют из пены, а направляют в отходы.
| Воздух
Сточная Г
вода П—П
Очищенная
вода
Рис. 6.13. Схема установи! очистки сточных вод методом пенной сепарации:
/ — емкость, 2 — насос, 3 — промежуточный сборник, 4—расходомер, J—сепаратор,
6_воздуходувка, 7 — сборник, в—вентилятор, 9— циклон, Л?—отстойник, /7 —камера
концентрирования пены
162

Для интенсификации процесса разрушения пены используют либо
специальные пеногасители (кремнеорганические и германийоргани-
ческие соединения), либо термические, электрические и
механические способы гашения пены.
В процессе пенной сепарации извлекают не только ПАВ, но и
твердые и жидкие нерастворимые примеси, а также некоторые
растворенные вещества.
Возможна очистка сточных вод от ПАВ способом, сочетающим
пенное фракционирование и радиационную деструкцию (облучение
пены у-лучами). Метод позволяет очищать сточные воды с высоким
содержанием ПАВ любого типа и строения.
6.3.6. Понятие о химической, биологической
и ионной флотации
Способ химической флотации основан на протекании реакций с
выделением газов, например, таких,как О2, СО2, С12 и др., пузырьки
которых прилипают к загрязняющим частицам и выносят их в пенный
слой. Пена, содержащая загрязняющие частицы, удаляется с
поверхности воды в шламоприемник.
Биологическую флотацию используют для уплотнения осадков из
первичных отстойников при очистке бытовых сточных вод.
Указанные осадки нагревают до 35—55 °С и выдерживают при этой
температуре в течение нескольких суток. В результате воздействия
микроорганизмов на обрабатываемые осадки выделяются пузырьки газа,
которые транспортируют частицы осадка в пенный слой, где они
уплотняются и обезвоживаются, что позволяет снизить затраты на
последующие операции их обработки — механическое
обезвоживание, сбраживание, термическую сушку и сжигание.
Процесс ионной флотации используют для выделения из сточных
вод таких металлов, как Mo, W, Re, V и др.
Сущность этого процесса заключается в том, что в сточные воды
вводятся поверхностно-активные вещества (собиратели), которые
обеспечивают флотируемым металлам водоотталкивание и сродство к
пузырькам воздуха, которые выносят загрязнения в слой пены. Пену
выводят из флотационной камеры и извлекают из нее
сконцентрированные ионы удаляемых металлов.
163

6.4. ЭКСТРАКЦИЯ
Жидкостная экстракция,— это процесс извлечения вещества из
водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с
водой. Процессы жидкостной экстракции используются для
выделения из сточных вод ценных органических веществ (например, фенолов
и жирных кислот), а также тяжелых цветных металлов (меди, никеля,
цинка, кадмия, ртути и др.).
Введем основные термины, используемые в теории экстракции.
Экстрагент — это органическое вещество, образующее с
извлекаемым загрязняющим веществом соединение, способное переходить в
органическую фазу. Данное определение обычно используется при
проведении экстракции ионов металлов. Экстракция большинства
неметаллических загрязнителей протекает за счет физических процессов
(избирательного растворения), так как подлежащие переносу из фазы
в фазу растворенные вещества обычно извлекаются без химических
превращений. Экстрагент в этом случае играет роль селективного
(избирательного) растворителя указанных загрязнителей. Экстрагентами
служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны, амины и др.
Разбавителем называют органическую жидкость, не
смешивающуюся с водой и служащую растворителем экстрагента (керосин,
бензол, ксилол, уайт-спирит и др.). Иногда экстрагентом называют
всю органическую фазу, т. е. раствор собственно экстрагента в
разбавителе.
В случае когда экстрагент является твердым веществом, не
растворяющимся в обычных разбавителях, для его перевода в жидкое
состояние применяют специальные растворители (например, спирты).
Органическая и водная фазы после проведения экстракционной
стадии называются соответственно экстрактом и рафинатом.
Загрязняющие компоненты выделяются из экстракта двумя путями: либо
ректификацией, либо реэкстракцией, в результате которых обычно
достигается и регенерация экстрагента. В качестве реэкстрагирующих
растворов (реэкстрагентов) используют водные растворы кислот,
солей и оснований. Водный раствор после реэкстракции называют ре-
экстрактом.
Основные количественные характеристики экстракционного
процесса следующие: коэффициент распределения экстрагируемого
вещества &р, коэффициент разделения или коэффициент селективности
E и степень извлечения Б.
Коэффициент распределения кр — это отношение общей
концентрации загрязняющего элемента в органической и водной фазах при
установлении равновесия:
164

» const,
F.32)
где Су, Сст — концентрация экстрагируемого вещества
соответственно в экстрагенте и сточной воде при установившемся равновесии,
кг/м3.
Коэффициент распределения зависит от температуры, при
которой проводится экстракция, а также от наличия различных примесей.
Кроме того, такие факторы, как рН водной фазы и величина
окислительно-восстановительного потенциала, могут вызвать изменение
величины кр на несколько порядков, что придает процессу
экстрагирования достаточную гибкость при практической реализации и
управлении процессом. Данные о коэффициенте распределения некоторых
загрязняющих веществ между экстрагентами и водой представлены в
табл. 6.6.
Таблица 6.6
Значения коэффициента распределения kv некоторых загрязняющих
веществ между экстрагентами и водой при комнатной темнературе
Экстрагируемое из воды вещество
Анилин
Бензойная кислота
Муравьиный альдегид
Пикриновая кислота
Пиридин
Салициловая кислота
л-Толуидин
Фенол
Хлоруксусная кислота
Экстрагент
Бутилацетат
Толуол
Днэтиловый эфир
Бутилацетат
Толуол
Амиловый спнрт
Толуол
Бензол
Хлороформ
Толуол
Ацетон
Толуол
Бензол
Хлороформ
Бензол
Бутилацетат
Амиловый спирт
Толуол
Бензол
Хлороформ
Амиловый спирт
4,
27
в—19
71—91
30
6—12
3
- 1,7—8,7
0,7-5,3
1,2-2,6
1,4-9,3
126
1,7-2,5
1,7-4,5
2,9-43
51—60
51
14—16
1,7-9,4
2,3—12,5
3,4—12,5
3,6
Степень извлечения Е — это процент извлечения вещества в
органическую фазу от общего его количества в обеих фазах.
165

При одинаковых объемах водной и органической фаз
?_ Сэ100 ^plOO F.33)
При разных объемах водной VMm и органической Уф фаз степень
извлечения может быть рассчитана по формуле
= *, 100 F.34)
^э орг ' WcT •' "Оли Ir
opr
Коэффициент разделения или коэффициент селективности C
характеризует отношение коэффициентов распределения двух
разделяемых компонентов А и В. Так,селективность какого-либо экстрагента
по отношению к компоненту В определяют из выражения:
Р - *рв/*ра- F-35)
Из этого выражения видно, что с увеличением &рв селективность
возрастает. Селективность зависит от тех же факторов, что и
коэффициент распределения. При р - 1 селективность равна нулю и
экстракционное разделение указанных компонентов невозможно.
Метод экстракционной очистки рекомендуется применять при
достаточно высокой концентрации органических примесей или при
высокой стоимости извлекаемого вещества. Для большинства
загрязнителей сточных вод применение экстракционного способа
эффективно при их концентрации 2 г/л и более.
Рассмотрим основные требования к органическим экстрагентам.
Они должны иметь достаточно высокую экстрагирующую
способность по отношению к экстрагируемому веществу, т. е. высокий
коэффициент распределения. Кроме того, коэффициент разделения должен
существенно превышать единицу.
Важным фактором в экстракционных процессах является быстрое
и полное расслаивание жидкостей после их смешивания, а также
малая растворимость экстрагента в воде, причем хорошее расслаивание
при малой растворимости обеспечивается наличием в молекуле
экстрагента неполярной t гидрофобной части — радикала, который чаще
всего представлен углеводородными группами CH^+i c я-7+ 12.
Вышеуказанные требования можно также обеспечить путем введения
в молекулу экстрагента длинной алкильной боковой цепи, а также
другими приемами.
166

Химическая реакция между экстрагентом и компонентами
водного раствора должна быть обратимой, так как иначе регенерация
экстрагента, необходимая для его^ повторного использования, будет
затруднена или невозможна.
Емкость экстрагента, измеряемая в миллиграмм-эквивалентах
извлекаемого вещества, приходящегося на единицу объема или массы
органической фазы, должна быть достаточно большой, так как в
противном случае применение экстрагента, даже обладающего высокой
селективностью, может оказаться неэкономичным из-за
необходимости иметь в системе большое количество экстрагента.
Плотность и вязкость являются важными свойствами экстрагента.
Чем больше разность между плотностями органического и водного
слоев и чем меньше вязкость реагента, тем быстрее идет их
разделение.
Межфазное натяжение на границе раздела для ускорения коалес-
ценции (слияния) несмешивающихся жидкостей при их отстаивании
должно быть достаточно высоким.
Экстрагент должен быть стабильным, т. е. не изменяться под
действием таких окислителей, как HNO3, не полимеризоваться или
окисляться кислородом воздуха, а также не изменяться при нагревании или
охлаждении.
Экстрагент должен иметь низкое давление пара, что обеспечивает
возможность проведения процесса в открытой аппаратуре, а также
уменьшает потери экстрагента за счет испарения. Кроме того, экстра-
генты должны иметь низкие огне- и взрывоопасность, а также малую
токсичность, не должны подвергаться гидролизу и взаимодействовать
с экстрагируемым веществом и материалами, из которых изготовлены
экстракционные установки.
Наиболее распространенные экстрагенты, предназначенные для
выделения из сточных вод органических загрязнений, представлены в
табл. 6.6. Сведения о наиболее распространенных экстрагентах,
предназначенных для выделения из сточных вод тяжелых цветных
металлов, приведены в табл. 6.7.
Для извлечения металлов из водной в органическую фазу могут
быть использованы следующие виды экстракции: катионообменная,
анионообменная и экстракция нейтральными реагентами.
При катионообменной экстракции катион металла обменивается
на катион экстрагента в соответствии со следующим уравнением:
Me ^ + zHRopr 5=* MeRopr + zH+Mfl, F.36)
167

Таблица 67
Основные экстрагенты, предназначенные для выделения
яз сточных вод тяжелых цветных металлов н железа
Реагент
ДиB-
этилгексил)
фосфорная
кислота
(Д2ЭГФК)
Lix64N
SME-529
Триалкил-
амин
(Alamine 336)
Четвертичные
аммониевые
соединения
(Adogen 464)
Трибугил-
фосфат
(ТБФ)
Структура
(СН3(СН2KСНСН2О2J<он
СН2СН3
с,н5 он с2н5
СН3 - (СН2K - СН - СН - С - СН - (СН2), - СН3 +
QH19 NH
\=( NOH
Уд
С9Н19
\=( N-OH
ОН
R3N(R = C8-C1O)
(R3NCH3)+Cr
(R-Q-Qo)
(C4H9OKP=O
Типичное
применение
для очистки
сточных вод
Очистка
сточных вод
отмели,
никеля и
мышьяка
Ошстка
сточных вод
от меди и
никеля
Очистка
сточных вод
от меди
Очистка
сточных вод
от кадмия и
цинка
Очистка
сточных вод
от ртути
Очистка
сточных вод
от железа,
хрома,
никеля,
молибдена
и мышьяка
* R — углеводородный радикал.
168

где Me — металл валентностью z; К — кислотный остаток
органической кислоты; индексы вод и орг — водная и органическая фазы
соответственно.
При анионообмениой экстракции в качестве экстрагентов
используют, например, четвертичные аммониевые соли (ЧАС), такие, как
триалкилбензиламмонийхлорид (C6H5CH2R3N)C1, или сокращенно
«табах», а также триалкилметиламмоиийхлорид (СН3Кз>0С1, или «та-
мах», и др. (R — С„Н2я + ь где п - 8 -э-10). При этом протекает
следующая реакция анионного обмена:
/яМеХ*оя + ztR.NkYop, «=t «[^NJAteXopr + z Y?f F.37)
где z — заряд металлосодержащего аниона МеХ; т — заряд аниона
ЧАС; Y —анион ЧАС.
Примером экстракции нейтральным реагентом может служить
экстракция трибутилфосфатом (С4Н9О)зР = 0 (сокращенно ТБФ):
Ме2+ + 2NO з + 2ТБФ 5=* 2ТБФ • Me(NO3b F.38)
Основным физико-химическим процессом экстракции является
обмен между органической и водными фазами до достижения
равновесия. Массообмен осуществляется на межфазной границе в
результате перехода компонентов из фазы, где концентрация выше
равновесной, в фазу, где концентрация ниже равновесной. Массообмен
лимитируется встречным диффузионным транспортом компонентов от
границы в объем фазы и наоборот. Очень медленный процесс
молекулярной диффузии должен быть дополнен конвективной диффузией
в объеме фазы, для чего необходимо создать в ней интенсивные
вихревые токи с помощью гидродинамических воздействий.
При прочих равных условиях скорость массообмена для системы в
целом пропорциональна величине межфазной границы. Поэтому
аппаратура экстракционных процессов должна обеспечить быстрое
диспергирование органической и водной фаз для получения эмульсии с
достаточной большой межфазиой границей. Кроме того, она должна
позволять поддерживать такое состояние системы до необходимого
приближения к равновесию и одновременно создавать
гидродинамические условия, способствующие возникновению интенсивных
вихревых потоков жидкости в объемах диспергированных фаз.
Весьма существенны для процессов конвективной диффузии
минимальные вязкости контактирующих фаз, благоприятствующие
развитию вихревых потоков в объемах движущихся жидкостей. Поэтому
при значительной вязкости органического экстракта его разбавляют
маловязкими добавками.
169

\ \
Рис. 6.14. Схема процесса
многоступенчатой перекрестноточной
экстракции:
1 — подача сточной воды; 2—4 —
экстракционные установки соответственно I, II и III
ступеней; 5—подача чистого экстракта;
6—выпуск очищенной сточной воды;
7—отвод экстракта
Рис. 6.15. Схема
ступенчато-противоточной экстракции:
/ — подача сточной воды; 2—4—
экстракционные установки соответственно I, II н III
ступеней; 5 — подача чистого экстрагента;
6 — выпуск очищенной сточной воды;
7 — отвод экстракта; 8— отстойники иди
сепараторы
Высокие величины энергии межфазной границы
благоприятствуют коалесценции частиц эмульсии, т. е. способствуют ее разрушению,
и тем ускоряют разделение фаз в конечной стадии процесса
экстрагирования. При малых энергиях межфазной границы возможно
получение очень стойких эмульсий, особенно при небольшой разнице
плотностей фаз экстракта и рафината. В последнем случае процесс
отстаивания заменяют центрифугированием.
Для выделения загрязняющих органических веществ из сточных
вод можно использовать следующие методы жидкостной экстракции,
которые различают по схемам контакта экстрагента и сточной воды
перекрестноточные, ступенчато-противоточные и непрерывно-проти-
воточные.
Схема многоступенчатой перекрестноточной экстракции
представлена на рис. 6.14.
При этой схеме очистки на каждую ступень экстракции подают
свежий экстрагент, что приводит к значительным его расходам.
Поэтому практическое применение получили методы
ступенчато-противоточной и непрерывно-противоточной экстракции.
Схема ступенчато-противоточной экстракции приведена на рис.
6.15.
Каждая ступень рассматриваемой схемы состоит из
перемешивающего устройства для смешения фаз и отстойник для их
гравитационного разделения, либо используются центробежные сепараторы,
обладающие более высокой разделительной способностью по
сравнению с гравитационными. Чистый экстрагент и обрабатываемая
сточная вода поступают с противоположных концов системы,
последовательно соединенных ступеней экстракции. Сточная вода и экстрагент
170

движутся непрерывно через систему противотоком друг к другу,
причем экстракт последующей ступени смешивается в смесителе с
водной фазой предыдущей ступени.
Конечную концентрацию экстрагируемого вещества в воде
определяют из следующего выражения:
Ск = С„/A+ЬАр)л, F.39)
где Ск и С„— соответственно конечная и начальная концентрация
экстрагируемого вещества в воде, кг/м3; п — число ступеней
экстракций; Ъ — удельный расход экстрагента для одной экстракции, м /м3,
равный
Ъ = WI{nQ\ F.40)
где W—общий объем экстрагента, затрачиваемого на экстракцию,
м3; Q — количество сточных вод, подвергающихся экстракции, м3.
Ступенчато-противоточная экстракция может быть непрерывной
или периодической (при малых расходах сточных вод).
Непрерывно-противоточная экстракция характеризуется тем, что
вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате,
обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде. Загрязняющие
вещества из сточной воды переходят в экстрагент.
Схема процесса непрерывной экстракционной очистки
представлена на рис. 6.16.
k
** > Ъ уст < уз
°) б)
Рис. 6.16. Схемы процесса непрерывной экстракции:
/, 2 — подача соответственно экстрагента н сточной воды; 3, 4 — отвод соответственно
отработанного экстрагента и очищенной сточной воды (у„ — плотность сточной воды,
у, — плотность экстрагента)
171

Обрабатываемая сточная вода вводится в экстракционную
колонку сверху, а экстрагент снизу, если плотность очищаемой воды
превышает плотность экстрагента. В противном случае ввод воды и экстра-
гента меняют местами.
Остаточную концентрацию загрязняющего вещества в
обработанной сточной воде (Ск) при непрерьганой экстракции определяют из
следующего выражения:
Ск = A-6Ар)Сн, F.41)
а требуемый удельный расход реагента при известных начальной и
конечной экстракциях экстрагируемого вещества в сточной воде
рассчитывают по представленной формуле:
, F.42)
Обозначения в этих формулах те же, что и в F.39) и F.40).
Для экстракционной очистки сточных вод обычно применяют
колонны различных конструкций, например, распылительные, с
насадкой в виде беспорядочно насыпанных колец или в виде натянутых
металлических сеток, тарельчатые. К преимуществам указанных
колонных экстракторов относят их высокую производительность и
компактность (они занимают небольшую площадь). Кроме того, эти
устройства универсальны, так как в них совмещаются процессы
экстракции, промывки, реэкстракции и расслаивания фаз. Внутри многих
экстракционных колоин нет движущихся частей и они просты по
конструкции. Монтаж, наладка и обслуживание этих аппаратов
несложны. Недостаток колонных экстракторов — их значительная высота,
которую в ряде случаев можно уменьшить применяя перемешивание
или пульсацию. Удельная производительность распылительных
колонн может достигать 100 м3/м2 • ч, а насадочных и тарельчатых соот-
ветственно — 50 и 80 м /м ¦ ч. При очистке сточных вод
экстракционным методом могут быть применены и экстракторы других
конструкций. (Например, центробежные экстракторы.)
Регенерацию экстрагента из сточной воды обычно осуществляют
в насадочной колонне острым паром, который подается снизу, а
сверху противотоком направляется обработанная вода. Возможно также
осуществлять регенерацию путем отдувки воздухом или другими
газами, а также реэкстракцией. Из экстракта экстрагент рекомендуется
извлекать термическим методом с последующей конденсацией.
Рассмотрим примеры использования жидкостной экстракции для
очистки сточных вод.
172

Отдувочный
газ
Сточные
Дымовые
Экстракт
газы
4 [Фенсольван
Вода
Л
Дымовые
газы
А
Сырой
фенол
Фенсольван
t
Рис. 6.17. Схема установки для извлечения фенолов из сточных вод:
1 — холодильник; 2 — колонна продувки; 3 — экстракторы; 4 — декантатор; 5 —
ректификационная колонна; 6 — сборник фенсольвана; 1 — регенерационная колонна; 8 —
конденсаторы
Основные экстрагенты, применяемые для выделения фенола из
сточных вод экстракцией, представлены в табл. 5.6, а схема установки
для выделения фенолов приведена на рис. 6.17.
Экстракционная установка эксплуатируется следующим образом.
Фенолсодержащие сточные воды охлаждают до 20—25 °С в
холодильнике, продувают дымовыми газами (содержащими СО2) для перевода
фенолятов в свободные фенолы, после чего они поступают на
экстракцию. На первой ступени экстракт поступает в ректификационную
колонну, где отгоняется экстракт — фенсольван (смесь сложных
алифатических эфиров, обладающих высокой растворяющей способностью
по отношению к фенолам). После конденсации фенсольван поступает
в сборник, а фенол направляют на использование.
Обесфеноленную воду из последней ступени экстрактора
направляют в регенерационную колонну, где паром обдувают фенсольван,
который направляют в сборник. Степень извлечения фенолов из
сточной воды достигает 92—97 %, а остаточное содержание фенолов не
превышает 800 мг/л.
Приведем примеры химических реакций, протекающих при
экстракционном извлечении тяжелых цветных металлов из сточных вод.
Экстракционное извлечение меди можно_рассматривать как
реакцию обмена:
2(HR) + CuSO4 «=
2(HR) + Cu(NH3L2" + 2ОН" + 2Н2О
H2SO4
F.43)
4NH4OH F.44)
173

(Черта сверху обозначает принадлежность компонента к
органической фазе.)
Содержащиеся в аммиачных растворах катионные комплексы
никеля извлекают, используя Lix — реагенты:
Ni(NH3L2 + = 2ОН" + 2RH + 2Н2О ** R2Ni + 4NH4OH F.45)
При использовании Lix 64N в органическую фазу может
переходить никеля до 0,26 г/л на каждый объемный процент экстрагента,
причем емкость зависит от концентрации аммиака в растворе.
В Швеции разработан способ экстракционного извлечения
металлов из травильных растворов, используя который можно извлечь из
них железо, никель, хром и молибден. Процесс заключается в
экстракции 75 % раствором ТБФ в керосине азотной и плавиковой кислот,
которые содержатся в отработанных травильных растворах, а также
молибдена после добавления серной кислоты. Так как азотная кислота
экстрагируется из смеси HNO3 + HF раствором ТБФ
предпочтительнее, добавление серной кислоты способствует экстракции плавиковой
кислоты. После реэкстракции водой полученные растворы кислот
возвращают в процесс травления. Молибден реэкстрагируют 1М
раствором NaOH и осаждают. Оставшиеся в рафинате хром, железо и никель
осаждают известью и раствором едкого натра при рН = 8. Таким
образом, достигается полное извлечение металлов и, кроме того,
извлекается более 95 % HNO3 и ~ 70 % HF, которые возвращают в процесс
экстракции, осуществляемый в смесителях-отстойниках и пульсаци-
онных колоннах.
Установлено, что, используя 30 %-ный раствор ТБФ в бензоле,
толуоле и четыреххлористом углероде или Д2ЭГФК, можно извлечь
трехвалентный мышьяк из сточных вод. При этом извлекается более
90 % мышьяка. Отмечается, что экстракционная очистка сточных вод
эффективна только для малых объемов стоков с большим
содержанием мышьяка.
В нашей стране разработан и опробован в опытно-промышленном
масштабе процесс экстракционной очистки сточных вод от
шестивалентного хрома сульфатом метилтриалкиламмония (МТАА) формулы
[(С7Н15 + C^ufeNfeSO^ а также его смесями с нейтральными фосфор-
органическими экстрагентами (НФОС) и органическими кислотами.
. Установлено, что из растворов с рН > 8,5, Сг*\ который
существует в виде анионов' СгО4 , извлекается в соответствии со следующей
анионообменной реакцией:
, (R4NJSO4 + СЮ42" ^ (R4NJCrO4 + SO42" F.46)
где R4N+ — четвертичный аммониевый анион.
174

Экстракция шестивалентного хрома из растворов минеральных
кисдот сопровождается увеличением полимеризации хромовых
анионов в органической фазе. В общем случае этот процесс может быть
описан следующим уравнением:
ь Н+ 5=* (R4NJCrmO3ffl +1 + Н2О + SO42~ F.47)
где п *= 1—2, т = 2—4.
Черта сверху обозначает принадлежность компонента к
органической фазе.
Из нейтральных растворов Сг2О7~ - и НС1О4 - анионы
экстрагируются в виде полихроматов состава (R4N)iCrn03n + ь где п ==2,3.
Реэкстракцию Cr(VI) из органических экстрактов с сульфатами
МТАА проводят щелочными реагентами.
Очистку сточных вод указанным методом проводили, используя
30 %-ный (об.) раствор эквинормальной смеси сульфата МТАА и ка-
приловой кислоты в декане, содержащем 30 % (об.) ТБФ в качестве
модификатора на трехступенчатом экстракторе типа
смеситель-отстойник. Нейтральный раствор содержал 0,5 г/л Cr(VI). После
проведения экстракции и дополнительной сорбционной очистки удалось
снизить концентрацию Cr(VI) до величин, меньших ПДК для
технической воды (до 0,01 мг/л).
6.5. ИОННЫЙ ОБМЕН
Гетерогенный ионный обмен или ионообменная сорбция
представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой
(ионитом), обладающей свойством обменивать ионы, содержащиеся в
ней, на другие ионы, присутствующие в растворе.
Ионообменная очистка сточных вод позволяет извлекать и
утилизировать следующие загрязняющие вещества: тяжелые цветные
металлы (медь, никель, цинк, свинец, кадмий и др.), хром, ПАВ,
цианистые соединения и радиоактивные вещества. При этом достигается
высокая степень очистки сточной воды (до уровня ПДК), а также
обеспечивается возможность ее повторного использования в
технологических процессах или в системах оборотного водоснабжения. Кроме
того, иониты используются для обессоливания воды в процессе водо-
подготовки.
Различают неорганические (минеральные) и органические
иониты. По знаку заряда обменивающихся ионов все иониты делятся на ка-
тиониты, проявляющие кислотные свойства, и аниониты, обладаю-
175

щие основными свойствами. Ионитами могут быть как природные
вещества, так и вещества, полученные искусственно (синтетические).
К природным неорганическим ионитам относятся следующие
вещества: цеолиты, глинистые материалы, полевые шпаты, слюды
и др. Они обладают катионообменными свойствами,
обусловленными наличием в их структуре алюмосиликатов типа
Na2O ¦ А12Оз • wSiOj • wH2O. Кроме того, ионообменными свойствами
обладает фторапатит [Са5(РО4)з]Р, гидроксидапатит [Са5(РО4)з]ОН, а
также различные неорганические синтетические иониты, к которым
можно отнести силикагели, труднорастворимые оксиды и гидроксиды
некоторых металлов (алюминия, хрома, циркония) и другие вещества.
К органическим природным ионитам относятся гуминовые
кислоты углей и почв, обладающие слабокислотными свойствами. Для
усиления кислотных свойств и повышения обменной емкости угли
обрабатывают концентрированной серной кислотой, при этом образуются
катиониты — сульфоугли.
Наибольшее значение для очистки сточных вод и процессов водо-
подготовки в настоящее время имеют синтетические иониты, к
которым относят ионообменные смолы. Указанные смолы представляют
собой высокомолекулярные соединения кислого или основного
характера, которые получают при проведении процесса поликонденсации
исходных мономеров или путем их сополимеризации.
Зерна ионитов, полученные поликонденсацией, имеют
неправильную форму, а произведенные путем сополимеризации —
шарообразную.
Пространственная углеводородная сетка ионита (каркас) носит
название матрицы. Для обозначения обменивающихся ионов
используют термин «противоионы». В состав ионита входит также активная
группа, способная к ионному обмену. В ее состав входит противоион,
а также противоположно ему заряженные ионы, которые называют
фиксированными, или анкерными.
При составлении уравнений реакций ионного обмена матрицу
ионитов в общем виде обозначают буквой R, а активную группу
записывают полностью. Например, в формуле сульфокатионита RSO3H,
R — матрица, Н — противоион, SO3 — анкерный ион.
Иониты, обладающие свойством обменивать катионы,
называются катионитами, а материалы, обладающие свойствами обменивать
анионы, — анионитами.
В зависимости от степени диссоциации катионообменные смолы
делят на сильно- и слабоосновные.
Активными группами сильнокислых катионитов являются суль-
фогруппы (SO3H) или фосфорнокислые группы [РО(ОНJ], а слабоки-
176

слотных катионитов — карбоксильные (СООН) и фенольные
(C6HjOH) группы. Сильноосновные аниониты содержат в своем
составе четвертичные аммониевые основания (RjNOH), а
слабоосновные аниониты — аминогруппы различной степени замещения (- NH2,
= NH, * N). '
Если в состав ионитов входят одинаковые активные группы —
такие ионообменные материалы называют монофункциональными, а в
противном случае — полифункциональными. Последние иониты
могут обладать смешанными сильно- и слабоосновными свойствами.
В зависимости от рода ионов, которые связаны с активными
группами ионита, различают следующие его ионные формы: для
катионитов — водородную форму (Н-форма) и солевую форму, когда
активные группы связаны с ионами металлов (например, Na-форму,
ЫНд-форму), для анионитов ОН-форму, СОг-форму, Cl-форму и др.
Следует указать, что характеристики плотности и
гранулометрического состава приводятся для сухих катионитов в Н-форме, а для
анионитов — в ОН-форме.
Чтобы получить нужную форму ионита, проводят его
регенерацию. Например, катиониты при регенерации их растворами NaCl,
H2SO4, NH4CI образуют соответственно натриевую, водородную или
аммониевую формы, которые условно обозначают следующим
образом: NaR, HR, NH4R.
Аниониты, отрегенерированные щелочью (NaOH и др.), образуют
гидроксильную форму, условно обозначенную ROH. При
пропускании через анионит раствора НС1 он переходит в С1-форму.
Основные требования к ионитам, используемым для очистки
сточных вод, следующие: высокая обменная емкость, хорошие
кинетические свойства (высокая скорость ионного обмена), достаточная
устойчивость по отношению к кислотам, щелочам, окислителям и
восстановителям, нерастворимость в воде, органических растворителях и
растворах электролитов и ограниченная набухаемость.
Способность ионита к ионному обмену характеризуется обменной
емкостью, которая равна числу его активных групп, принимающих
участие в обмене.
Для количественной характеристики ионообменных свойств
ионитов обычно определяют их динамическую и иногда полную (общую)
обменную емкость (статическую).
Работоспособность ионита в данных динамических условиях
оценивается величиной динамической обменной емкостью (ДОЕ) (эту
характеристику определяют в соответствии с ГОСТ 20255.2—74),
которая равна массе сорбированных ионитом ионов до момента их проско-
177

14 12 10 8 6 4 pH
2
IK
Ш
О
U |
0 2 4 6 8 10 рН
Рис. 6.18. Кривые СОЕ-рН классификации ионитов
ка в фильтрат, отнесенной либо к единице объема ионита в рабочем
состоянии (мг-экв/л или г-экв/м3), либо к массе ионита в стандартном
состоянии (сухой катионит в Н-форме или сухой анионит в ОН-форме,
г-экв/кг).
Полная (общая) обменная емкость ионита (статическая)
определяется по реакции нейтрализации катионита раствором едкой щелочи
(NaOH), а для анионита — раствором кислоты (НС1) и выражается в
мг-экв/г сухой смолы или в мг-экв/л набухшей смолы. (Определяют по
ГОСТ 20255.1—74.)
Рациональная классификация ионитов, разработанная Б.П.
Никольским, основана на их отношении к водородным и гидроксильным
ионам. По характеру зависимости статической обменной емкости
ионита (СОЕ) от рН равновесного с ним раствора различают 4
основных типа катионитов и анионитов (рис. 6.18).
Кривая 1 на представленном рисунке характеризует
сильнокислотные катиониты, проявляющие свойства сильной кислоты и
способные обменивать свои водородные ионы на другие катионы при низких
значениях рН. Такие свойства придает иониту активная группа SO3H.
Та же кривая при верхней шкале рН описывает свойства
сильноосновных анионитов, проявляющих свойства сильного основания и
способных обменивать свои гидроксильные ионы на другие анионы в
щелочной среде при высоких рН. Такие свойства сообщает активная группа
Кривая 2 характерна для слабокислотного катионита с активными
группами (— СООН) и (— ОН), обладающего свойствами слабой
кислоты и способностью обменивать свои ионы водорода на другие
катионы только в нейтральной и щелочных средах. Та же кривая при
верхней шкале рН, характеризует слабоосновной анионит с
активными группами (— СООН), (—ОН), проявляющий свойства слабого
основания и способный обменивать свои гидроксильные ионы на другие
анионы только в нейтральной или кислой среде.
178

Кривая 3 описывает ирниты с двумя сортами активных групп,
соответствующими сильнокислотным и слабокислотным катионитам
или сильноосновным и слабоосновным анионитам. При увеличении
рН до уровня обмена силькислотного катионита величина СОЕ
возрастает до определенного значения, соответствующего количеству
сильнокислотных групп, затем СОЕ сохраняет постоянное значение и
далее снова возрастает до максимума после достижения рН уровня
обмена слабокислотных активных групп. Подобным образом ведут себя
аниониты при понижении рН.
Кривая 4 соответствует иониту с многими сортами активных
групп. Величина обменной емкости таких ионитов плавно изменяется
с изменением рН в широком интервале ее изменений.
Иониты, имеющие активные Ионообменные группы одного сорта
(кривые 1, 2), называют монофункциональными, а с несколькими
сортами активных групп — полифункциональными ионитами.
Сильнокислотные и сильноосновные иониты могут работать в
широком диапазоне значений рН, сохраняя неизменной величину СОЕ.
Катиониты могут использоваться в Н-форме, а аниониты — в
ОН-форме. Они имеют достаточно большую обменную емкость, но
обладают малой селективностью по отношению к ионам одинаковой
валентности.
Слабокислотные и слабоосновные иониты работоспособны в
более узком интервале значений рН и могут использоваться в солевой
форме. Такие иониты могут обладать большой обменной емкостью и
значительной селективностью. Они наиболее пригодны для
разделения близких веществ.
При контакте с водой иониты поглощают некоторое количество
воды и набухают, являясь гелями с ограниченной набухаемостью. На-
бухаемость оценивается по привесу сухого ионита, приведенного в
равновесие с водой, и указывается в процентах. Набухание
уменьшается при переходе от воды к растворам электролитов и зависит от их
концентраций и величины рН.
Селективность обмена зависит от величины давления набухания в
порах смолы и от размера пор ионита. Учитывая, что в сточных водах
обычно содержится смесь катионов, практически важно знать
селективность их поглощения. Поэтому установлены ряды катионов по
энергии их вытеснения из различных катионов.
Так, для сильнокислотного катионита КУ —2 этот ряд имеет
следующий вид:
Н+< Na+< NH+4 < Mg2+< Zn2+< C62+< Cu2+< Cd2+<
< Ni2+< Ca2+< Sr*+< Pb2+ < Ba2+ < Ba2+.
179

Таблица 6.8
Характернстнка освоввых марок отечественных катеонитов, выпускаемых для нужд водоподготовкн
(по А.И. Родионову с соавт.)
Кжпюннт-смола
"мари
КУ—2
КУ—2—8
КУ— 2—12П
КУ—1
КФ—1
КФ—2
КБ—1
КБ—4
КБ-4— 10П
ТИП
Полнмерк-
эацноншя
То же
Полнмерн-
эационная
Макропорнтая

Конденсационная
ПОЛНМСрН-
wnfftHHaf
То же
—»—
—»—
Полнмсри-
эациониая
макропористая
Основ* ют*
РШ1Ы

Полистирол
То же
_»_
Феноло»

формальдегид

Полистирол
То же
Мстаак-
рнлоаая кн-
слота
То же
—»—

Сшивающий
timr
Дива-
нилбеа-
эол,
8—10%
Тоже
—
—
—
—
Диьи-
нилбеи-
зол,10%
Тоже
Функциональны
группа
зол
SO>H
SO3H
SO,H
РОСОН),
(СНЫРСЧОН^з
соон
соон
соон
Ион-
наа

форма
н*
Na;
н*.
Na*
Н*
Na*
Na*
Na*
Na+
Na4
Кислотность

Сильнокислотный
To же
—»—
—»—
Средне-
кислотный
То же
Слабо-
кислотный
То же
—N—
Полкаа обменная
ысв/г
4700—5100
5100
4950
4000
5000
7000
8500—10 000
8500
7500
емкость СОЕ
мса/м'
1300—1800
1800
1500
1400
1900
2600
4200—3800
4200
Насыпная
пдогпюсть,
т/м*
0,7^0,9
0,7-0.9
0,6-Ю,75
0,7
0,7
0,55-0,6
0,55—0,6
0,6«—
0,82
Bjuuk*
мость.
%
50,60
50,60
30,50
—
—
30
50
75

Максимальная
рабочая
температу-
120—130
120—130
_
90
—
—
150—ISO
-
—
Размер
зерна
НОНк-ПЧ
ыы
0,3-1,5
0,3—1.5
0,5-1,5
0,3-2,0
—
—
0,3-1,5
0,3-2,0
s
0^5—
1,0

Для слабокислотного катионита КБ-4: Mg2+ < Са2+ < Ni2+ <
<С?+<Си2+.
Для большинства анионов справедлив следующий ряд по
поглощающей способности:
SO42" > NO3 > СГ.
Характеристики основных марок отечественных катионитов,
выпускаемых для нужд водоподготовки, представлены в табл. 6Я.
Приведем сведения о структуре некоторых наиболее
распространенных промышленных катионитов.
Сильнокислотный катеонит. КУ-2-8 (ГОСТ 20298—74)
получают сульфированием солиполимера стирола с 8 % дивинилбензола, он
имеет гелевую структуру, монофункционален:
—сн,—
сн,—
so3h
сн—сн2—
Данный катионит характеризуется высокой химической
стойкостью в разбавленных растворах щелочей, кислот, некоторых
окислителей и органических растворителей.
Слабокислотный катионит. КБ-4 (ГОСТ 20298—74) получают
сополимеризацией метилметакрилата (метилового эфира метакрило-
вой кислоты: СН2[С(СНз) — СООСНз] с 6 %—10 % дивинилбензола
и последующим переводом эфирных групп в карбоксильные.
Катионит имеет гелевую структуру, монофункционален:
сн—сн2—
п
Сильнокислотный катиоиит. КУ-1 (ГОСТ 20298—74)
получается поликондеисацией сульфированного фенола в кислой среде с
формальдегидом. Катионнт бифункционален, содержит фенольные
группы и сульфогруппы:
181

SOjH
Катионит сульфоуголь. (СУ) получают смешением олеума с
дробленым каменным углем при 110—140 °С. Этот катионит
полуфункционален и содержит в своем составе сульфогруппы, карбоксильные и фе-
нольные группы. По сравнению с синтетическими катионитами
сульфоуголь имеет менее определенный и менее однородный состав, благодаря
чему понятие о строении его элементарной ячейки теряет смысл.
В табл. 6.9 приведены сведения о наиболее распространенных
марках отечественных анионитов.
Ниже представлены сведения о структуре некоторых
отечественных анионитов.
Сильноосновной анноннт. АВ-17-8 (ГОСТ 20301—74) получают
хлорметилированием сополимера стирола и дивинилбензола (8 %) с
последующим аминированием хлорметильной группы. Анионит
монофункциональный, имеет группировку четырехзамещенного
аммониевого основания:
—СН,—
СН,—
сн— аь—
Сильноосновной анионит АВ-17-8чС (ГОСТ 20301—74) является
аналогом анионита АВ-17-8 и отличается от него особой чистотой.
Слабоосновной анионит АН-2Ф (ГОСТ 20301—74) получают
поликонденсацией фенола, формальдегида и полиэтиленполиамина в
кислой среде. Является полифункциональным анионитом, содержит
вторичные и третичные аминогруппы:
н
I— (CH2— CH2—NH)n— СН2— СН2— у—СН
он
—сн2
—сн2
—сн2
л
182

Таблица 6.9
Характеристика основных марок отечественных аннонитов,
выпускаемых для нужд водоподготовкн (по АЛ. Роднонову с соавт.)
Анионнт-
марка
(АВ-17 х 8)
эдэ-юд
АВ-16
АН-22
АН-31
АН-2Ф
-смола
тип
Поли-
мериза-
цнонный
То же
."-
-и-
Кон-
денсаци-
онный
То же
Основа
матрицы


листирол
Эпо-
сиполи-
амин
—


листирол
По-
лиэти-
ленпо- •
лиамин
Тоже

Сшивающий агент
Дивн-
нилбен-
зол, 8%
То же
—

Дивинил
бензол
Эпи-
хлоргид-
рин
—

Функциональная
группа
R3N*
RNH,
R2N, RjN*
A0—20%)
RNH,
R2N, R3N+
NHb
RNH
RNH,
R2N
RNH,
R2N

Основность
Силь-
нооснов-
ной


межуточный
То же

Слабоосновной
То же

Слабоосновной
Полная обменная емкость
экв/т
3800-4500
9000—10000
9800—10500
7000
9000—9900
9000—10500
экв/м*
1300—1500
—
2300
2100—2500
4050—4550
3700
Насыпная
плотность,
т/м1
исходного
0,66-0,74
0,6—0,72
0,68—0,82
0,6—0,8
0,66
0,7—0,9
набухшего
в воде
0,33—0,35
—
—
0,36
0,45
—

Влажность,
%
40—65
10—15
60
40—60
15
15
Размер
зерна, мм
0,4-1,2
0,4—1,8
0,3-1,8
0,25—1,0
0,3—2,0
0,3—2,0

Слабоосновной анионнт АН-31 (ГОСТ 20301—74) получают
поликонденсацией эпихлоргидрина и полиэтиленполиамина в
присутствии аммиака. Анионит полифункционален, имеет группировки
вторичных и третичных аминов:
—N—CH2—CH2—NH—СН2—СН—СН2—N
ОН СН2
ОН СН2
—N—CH2—CH2—NH—СН2—СН—СН2—№
I
п
Следует отметить, что для рассмотренных выше отечественных
ионитов существуют зарубежные аналоги.
Реакция ионного обмена при контакте с катионитом, находящимся
в Н-форме или Na-форме, может быть записана следующим образом
(для двухвалентного катиона металла, присутствующего в сточной
воде):
2RSO3H + Ме2+ +* Me(RSO3J + 2H+ F.48)
или
2RSO3Na + Ме2+ <=* Me(RSO3J + 2Na+ F.49)
Реакция анионного обмена (анионит находится в ОН-форме)
протекающего при извлечении шестивалентного хрома из кислых
сточных вод, записывается в следующем виде:
2R3NOH + Сг2О72" *± (R3NJCr207 + 2СИГ F.50)
6.5.1. Понятие об ионообменном равновесии
Ионным обменом в статических условиях называют обмен,
протекающий при контакте некоторого объема раствора элекролита с одной
и той же порцией ионита, и записывают в виде следующей реакции:
Z'i* +ZJXj+z ZJ'' + Z/, F.51)
где i — ионы с валентностью Zit находящейся в ионите (такие ионы
обозначают чертой наверху),; — ионы с валентностью Zp
находящейся в растворе.
184

Для описания равновесия обмена в статических условиях
используют уравнение Никольского, которое имеет следующий вид:
(Я, )* / (Я1 f' = k,j <<*/, )* / (С,/,)"'', F-52)
где q и С — концентрации обменивающихся ионов i,j соответственно
в ионите и в растворе/— коэффициент активности ионов i,j в жидкой
фазе, к — константа Никольского, zt, Zj — валентности
обменивающихся ионов.
Часто предыдущее уравнение записывают в следующем виде:
i
qi I q) = 1,'j {CJ, У I (Cjfj У. F.53)
Между константами k}J и ktJ существует следующая зависимость:
г F.54)
Вычисление коэффициентов активности/недостаточно сложны,
поэтому уравнение F.52) записывается и используется в упрощенном
виде:
F.55)
Параметр ktj носит название концентрационной константы,
которая для случая обмена одновалентных ионов имеет вид
и; F.56)
При использовании относительных концентраций
обменивающихся ионов гнув фазах ионита и раствора предыдущее уравнение
можно переписать в следующем виде:
F-57)
где Qt = qjqa и 9, = qjqa — относительные концентрации
обменивающихся ионов i иу в фазе ионита, <р, = С/Со и <pj - С/Со —
относительные концентрации ионов i и ] в фазе раствора,
и qo = qj + q/.
Для системы, содержащей два вида обменивающихся ионов i и у,
можно записать:
91 + 0,= 1, ф| + (ру = 1. F.58)
185

Учитывая это условие, уравнение F.57) преобразуется
следующим образом:
е _ _ Ф; _ F.59)
Если ввести обозначение к-^=\/ k-IJt то уравнение F.59)
переходит в известное из теории адсорбции уравнение изотермы обменной
адсорбции:
которое при kjj >> 1 превращается в уравнение выпуклой изотермы
Ленгмюра, при к-и «1 — в уравнение вогнутой изотермы:
1 1-ф/
Равенство к- = 1 приводит к линейной изотерме:
9,- = фУ. F.62)
Три последних уравнения описывают изотерму ионного обмена.
Константа изотермы обмена обратна концентрационной константе:
г _J_ F.63)
В случае предпочтительного поглощения ионитом hohobj
(выпуклая изотерма в координатах 6, — ф,) константа изотермы адсорбции
будет больше единицы, а обратная ей величина — концентрационная
константа меньше единицы. Наоборот, равновесия процессов
вытеснения из ионита ионов, к которым ионит обладает большим средством
(система с вогнутой изотермой в координатах 9, — фД
характеризуется ку > 1 и ку < 1.
При содержании в растворе нескольких ионов, например i и./,
можно оценить селективность ионита коэффициентом селективности Ку,
равному отношению коэффициентов распределения конкурирующих
ионов:
F.64)
при Кц > 1 — ионит селективен к иону i, при Kfj < 1 — в основном
сорбируется иону, при Ktj = 1 — ионит не проявляет селективности ни
к одному иону.
186

Отметим, что коэффициенты распределения к, и kj определяются
аналогично выражению F.32), являясь в данном случае отношением
концентрации соответствующего иона в фазе ионита к его
концентрации в водной фазе при равновесии.
Если реакция ионного обмена записывается в общем виде (случай
обмена разновалентных ионов), концентрационная константа реакции
обмена для иона запишется в следующем виде:
F.65)
к -
(с Л
Iе. J
*)
Далее это уравнение преобразовывают следующим образом.
Вводят безразмерные относительные концентрации 9 и <р, получая при
этом
Ух,
F.66)
Вводя распределительное отношение Л =
нение записывают в следующем виде:
—, предыдущее урав-
F67)
Возводим обе части последнего уравнения в степень z,:
,_?
F.68)
Обозначая
*?/''=*.
получаем
Чаще всего в практике очистки сточных вод обменивающиеся рав-
новалентные ионы имеют валентность 1,2. Для этого случая изотерма
обмена разновалентных ионов A и 2) имеет вид:
187

FЛ°)
Следует указать, что при Я = 1 изотерма обмена разновалентных
ионов B, 1) в координатах 6, — фу прямолинейная, при В < 1
выпуклая, а при В > 1 вогнутая. Исходя из этого следует указать, что В при
обмене разновалентных ионов играет роль константы изотермы
обмена.
При обмене разновалентных или одновалентных ионов константа
изотермы обмена определяется физическими свойствами ионита и
обменивающихся ионов, а в случае разновалентных ионов зависит от
полной емкости ионита и от концентрации внешнего раствора,
изменяя которую, можно изменить сродство ионита к обменивающимся
ионам.
Следует отметить, что в теории ионного обмена обычно
рассматривают три стадии обмена:
1) доставку иона на поверхность ионита;
2) проникновение иона внутрь зерна ионита;
3) химическое взаимодействие иона с функциональной группой
ионита. При очистке сточных вод лимитирующей стадией процесса
ионного обмена является доставка ионов на поверхность и
проникновение их внутрь зерна ионита, а не процесса химического
взаимодействия.
Скорость доставки ионов на поверхность ионита называют внеш-
недиффузнонной кинетикой, а скорость проникновения ионов внутрь
ионита (диффузия внутри) — внутридиффузионной кинетикой. Если
скорость внешней диффузии равна скорости внутренней, говорят о
смешанно-диффузионной кинетике.
Процессы ионного обмена в сточных водах с малыми
концентрациями загрязняющих ионов (порядка 10 М и менее) протекают по
механизму внешнедиффузионной кинетики.
В этом случае для расчета коэффициента массопереноса
используют полуэмпирические зависимости типа Nu3 — ARe" Рг", где Niij —
критерий Нуссельта, Яеэ — критерий Рейнольдса (эквивалентный),
А — эмпирический коэффициент; т — эмпирические показатели
степени, Рг — критерий Прандтля.
Для чисел Рейнольдса, лежащих в пределах 2—30, существует
следующая зависимость:
Nu, - 0,725Яеэ°'47Ргш, F.71)
188

из которого может быть определено значение коэффициента массопе-
реноса:
р = 7,85 • 1(ГТ
0
f лОлО \™
/1.53
О
J
V
F.72)
где р — коэффициент массопереноса, Г— коэффициент
извилистости поровых каналов, е — доля свободного сечения зернистого слоя
ионитов, Wm — скорость движения жидкости в свободном сечении
ионитного фильтра, d — диаметр шарообразных зерен ионита, Х°, и
Я.;;— предельные эквивалентные проводимости ионов / и/, р —
плотность жидкой фазы, ц — динамический коэффициент вязкости среды.
Существуют и другие уравнения для вычисления коэффициента
массопереноса, например уравнение М.М. Сенявина:
ft_nnnQo]C" F.73)
где а — расчетный коэффициент.
6.5.2. Понятие о регенерации ионитов
Характерной особенностью ионитов является их обратимость, т. е.
возможность восстановления обменной емкости после насыщения,
что достигается проведением реакции ионного обмена в обратном
направлении. Этот процесс носит название регенерации. Регенерацион-
ные растворы называют элюатами. В их состав входят катионы или
анионы, извлеченные ионитами из сточных вод.
Катиониты обычно регенерируют 2—8 % растворами кислот (при
переводе их в Н-форму) или раствором хлористого натрия (при
переводе в Na-форму).
Отработанные аниониты регенерируют 2—6 % растворами
щелочи (NaOH, NH4OH) или 2—4 %-м раствором №2СОз. Полученные
элюаты нейтрализуют, обрабатывают с целью выделения ценных
продуктов, или непосредственно используют в производстве.
Примером последнего может служить разработанный в «МАТИ» — РГТУ
им. К.Э. Циолковского на кафедре «Промышленная экология и
безопасность производства» способ регенерации сильноосновных аниони-
тов (типа АВ —17 х 8), насыщенных ионами шестивалентного хрома
0,2—5 н растворами серной кислоты. В кислой среде хром сорбирует-
189

ся на анионите в виде аниона Сг2О7 . При десорбции хрома (VI)
серной кислотой по указанному способу протекает следующая реакция:
(R3NJCr207 + H2SO4 5=* (R3NJSO4 + H2Cr207 F.74)
Как известно, стандартный состав ванн блестящего хромирования
включает 250—350 г/л СгО3 и 2,5 г H2SO4. Исходя из этого,
полученный регенерационный раствор (элюат), содержащий Н2СГ2О7 (т. е.
продукт растворения СгОз в воде) и H2SO4, может быть
непосредственно направлен на корректировку ванн хромирования (т. е.
создаются условия для создания безотходных гальванических производств).
Количественно степень регенерации (в %) может быть определена
по формуле
^ <6'75>
где 0В — восстановленная обменная емкость, 9„ — полная обменная
емкость.
На степень регенерации влияет тип ионита, состав насыщенного
слоя, природа, концентрация и расход регенерирующего вещества,
температура, время контакта и расход реагентов.
Восстановление обменной емкости при регенерации обычно
составляет 60—100%.
6.5.3. Технологические схемы ионообменной
очистки сточных вод и установки
для их реализации
Различают ионообменные установки периодического и
непрерывного действия. Установки периодического действия — это различные
ионитные фильтры и колонны, а также устройства для перемещения
жидкостей (насосы), емкости для их хранения и
контрольно-измерительная аппаратура. На рис. 6.19—6.21 представлены схемы
различных ионитных фильтров типа ФИП.
По обмениваемому иону фильтры делят на катионитные, анионит-
ные и фильтры смешанного действия, по технологическому
применению — на фильтры различных ступеней — первая, вторая и т. д.
Кроме того, по способу проведения регенерации различают
параллельно-точную, противоточную и ступенчатую регенерацию, схемы
которых представлены на рис. 6.22—6.24.
190

ВРП
А
Рис. 6.19. Фильтр ионитный
параллельноточиый первой ступени
ФИПа—1, диаметр 1 м:
1, 2 — вход и выход обрабатываемой воды;
3, 4 — вход и выход взрыхляющей воды;
. 5—:подвод регенерадиоииого раствора;
б — сброс воды и отработанного регенераци-
оиного раствора в канализацию; 7 —
воздушник; в —штуцер для гидровыгрузки
фильтрующего материала; Л —корпус фильтра;
В—иоинт; В— нижнее отъемное днище;
Г—ложное дно с дренажными колпачками;
ВРП—верхнее распредустройство; Д—лаз
Рис. 6.20. Фильтр ионитный
параллельноточный 1 и 2 ФИПа,
диаметр 2—3,4 м, высота слоя
ФИПа-1—2,5 м, ФИПа-2—1,5 м:
1—6 — задвижки; 7 — штуцер для гидроэа-
грузки фильтрующего материала; 8—штуцер
для гидровыгрузкн материала;
9—воздушник;
А — корпус; Б — ионит; В — нижнее днище,
Г—нижний дренаж (копирующий);
Д—верхнее распредустройство; Е—лаз
Цикл работы периодических установок включает: ионный обмен,
взрыхление слоя ионита, регенерацию ионита и его отмывку от
регенерирующего раствора.
Установки для непрерывного ионообмена обладают более
высокой производительностью, чем рассмотренные выше, они более
компактны и экономичны как по расходам реагентов, так и по
энергозатратам.
Методика расчета требуемого количества ионообменных
установок для очистки сточных вод представлена в монографии СВ. Яковле-
на с соавт. «Очистка производственных сточных вод». — М.: Строй-
издат, 1985.
Достаточно часто ионообменная очистка применяется для
выделения из сточных вод гальванических цехов и участков, а также травиль-
191

ВРП
Рис. 6.21. Фильтр ионитный противоточный ФИПр:
/ — подвод обрабатываемой воды; 2 — отвод обработанной воды; 3 — подвод
регенерационного раствора; 4— сброс отработанного регенерационного раствора; 5 — подвод воды для
предварительной отмывки; 6 — сброс отмывочной воды после предварительной отмывки;
7—подвод воды для окончательной отмывки, 8 — сброс воды после окончательной
отмывки; 9—подвод воды для взрыхления верхнего слоя; 10— сброс воды после взрыхления
верхнего слоя, // — подвод воды для взрыхления всего фильтрующего материала;
12— сброс воды после взрыхления всего фильтрующего материала; 13 — сброс первого
фильтрата; 14, IS — штуцера для гидрозагрузки и гидровыгрузки фильтрующего материала;
А — корпус; Б— иоиит; В — нижнее днище, Г—нижнее (копирующее) дренажное распред-
устройсгво; ВРП — верхнее распредустройство; Е — лаз; Ж—промежуточное
(поверхностное) дренажно-распределительное устройство
17
а) 6) а) 6)
Рис. 6.22. Схема параллельио-точной Рис. 6.23. Схема противоточной
регенерации: регенерации:
а — работа; 6— регенерация; / — вход обра- а— робота; 6— регенерация; / — вход
бетываемой воды; 2 —фильтрат; 3 — вход батываемой воды; 2 —фильтрат, 3 — вход
регенерациоииого раствора, 4 — выход реге- регенерационного раствора; 4 — выход
регенерационного раствора нерацнонного раствора

т т
а) б)
Рис. 6.24. Схема ступенчатой регенерации:
а —работа; б — регенерация: А 2 — фильтры 1-й и 2-й ступеней; 3 — вход обрабатываемой
воды; 4 — фильтрат; 5 — вход регенерационного раствора; 6 — выход регенерационного
раствора
ных отделений соединений тяжелых металлов, хрома и других
токсичных веществ.
Используют три основных варианта технологической схемы.
1. Очистка сточных вод, образующихся в отдельных
технологических процессах (цинкование, хромирование, меднение и т. п.).
2. Очистка общего стока цеха или участка химической и
электрохимической обработки металлов.
3. Очистка сточных вод после их предварительного
обезвреживания с целью удаления из них минеральных солей.
Наиболее перспективен с технико-экономической точки зрения
первый вариант очистки, который позволяет возвратить в
производство концентрированные растворы, образующиеся при регенерации
ионитов и содержащих различные химические соединения. Следует
указать, что ионообменный метод применим, в основном, для очистки
сточных вод с общим солесодержанием до 2—3 г/л.
В качестве примера рассмотрим схему очистки сточных вод
гальванического цеха ВАЗа, которая представлена на рис. 6.25.
Производительность установки составляет 500 м3/ч. На указанной
установке очищаются промывные сточные воды с возвратом их в
производство, а также нейтрализуются и очищаются элюаты от
ионообменных фильтров и отработанные электролиты.
Вначале промывные сточные воды попадают в отстойник 7, в
котором отделяются растворители, плотность которых меньше
плотности воды. Проходя через гравийно-песчаный фильтр 4У вода
очищается от механических (нерастворимых) примесей. После этого вода
пропускается через катионитный 5 и анионитные б, 7 фильтры, в которых
освобождается От ионов тяжелых металлов, а также синильной,
серной, соляной и хромовых кислот. Доочистка воды проводится на се-
7 Я123 193

-1 ->
„ _ „III
V
VI
¦IV-
12
43-
3\ IV-
« v
« VI]
111
\
Рис. 6.25. Схема очистки сточных вод гальванического цеха ВАЗа:
Потоки: I — промывная вода на очистку; II—10%-Й раствор HCI на регенерацию катио-
нитного фильтра; III — раствор гидроксцда натрия; IV — очищенные сточные воды в
гальванический цех на повторное использование; V—электролиты н элюаггьц VI—бисульфит
натрия; VII—жидкий хлор; VIII — обезвоженный осадок на полигон.
Сооружения: 1—отстойник для выделения легковсплывающих веществ; 2—усреднитель;
3 — насосы; 4 — гралийно-песчаный фияьтр; 5 — катионнтный фильтр; 6, 7 — анионитный
фильтр соответственно слабо- н сильноосновной; 8 — реактор для окисления циана; 9 —
реактор для восстановления хрома; 10—фильтр-пресс; И — сборник фильтрата; 12 —
селективный нонообменних
лективных ионообменниках /2, после чего очищенная вода
возвращается в гальванический цех.
Регенерацию катионообменных фильтров проводят 10 %-м
раствором соляной кислоты, а анионообменных фильтров — 7—10 %-м
раствором гидроксида натрия.
Элюаты, высококонцентрированные сточные воды
гальванических цехов от ванн улавливания и отработанные электролиты
очищаются реагентным методом. Обезвоженный осадок вывозится на
полигон.
Интересным примером использования ионообменного метода для
очистки сточных вод одного из отечественных заводов является
действующая схема и установка, спроектированная японской фирмой
«Кацукава Когио» (рис. 6.26).
194

Сток
20% NaOH
5% H2SO4
Осветленная
вода
L _ _ _
—о
NaOH
В производство
Рис. 6.26. Схема ионообменной устаяевки фирмы «Кацукава Когио»:
/ — приемный резервуар; 2— реактор-нейтралнзатор; 5 — реактор-коагулятор; 4 —
отстойник; 5 — сборный резервуар; 6 — антрацитовый механический фильтр; 7—сорбционный
угольный фильтр; 8 — резервуар фильтрованной воды; 9 — резервуар промывной воды;
10 — катионитный фильтр; // — анионитный фильтр; 12 — резервуар обессоленной воды
Установка производительностью 135 м3/ч состоит из двух
технологических линий, в которых установлены следующие фильтры:
механический с антрацитовой загрузкой, сорбционный угольный,
катионитный, анионитный, загруженный сильноосновной смолой. Линии
работают поочередно: одна из них находится в режиме ионирования, а
вторая — в режиме регенерации.
Сточная вода перед поступлением на ионообменную очистку
подвергается реагентной обработке B0 %-м раствором NAOH или 5 %-м
раствором H2SO4) для понижения коррозионной активности воды.
Очищенная в ионообменных установках вода (обессоленная)
направляется в цех защитного покрытия для повторного использования.
Укажем также, что на кафедре «Промышленная экология и
безопасность производства» «МАТИ» — РГТУ им. К.Э. Циолковского
разработан и запатентован способ очистки сточных вод от
шестивалентного хрома с использованием сильноосновных анионитов (типа
АВ—17—8). При использовании указанного способа содержание
195

хрома (в пересчете на СЮ3) в очищенных сточных водах (очистке
подвергались сточные воды, содержавшие 30—50 мг/л СЮ3) на 1—2
порядка ниже значения ПДК, причем в производство через систему
оборотного водоснабжения возвращается более 90 % воды, поступившей
на очистку.
6.6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
СТОЧНЫХ ВОД
Методы электрохимической очистки сточных вод используют для
выделения из них различных растворимых и диспергированных
примесей как органических, так и неорганических. Методы
характеризуются достаточной простотой технологической схемы, при очистке не
используются химические реагенты. К недостаткам этих методов
следует отнести достаточно большие затраты электроэнергии.
6.6.1. Классификация методов
электрохимической очистки сточных вод
Представим классификацию электрохимических методов
обработки воды (рис. 6.27), которая составлена на основе ряда работ:
1. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических
производств.— М.: Химия, 1982.— 288 с.
2. Ярославский З.Я., Николадзе Г.Н., Пальгунов П.П. и др.
Классификация физикохимических методов обработки воды.— Водные
ресурсы, 1974, №2, с. 120—126.
3. Кульский Л.А. Теоретические основы и технология
кондиционирования воды.— К.: Наукова думка, 1980.— 564 с.
Указанная классификация основана на законах физической химии
и электрохимии, а также учитывает основные положения химической
технологии.
Все электрохимические методы очистки воды можно разделить на
три основные группы: методы превращения, методы разделения и
комбинированные методы.
Первая группа методов обеспечивает изменение
физико-химических и фазово-дисперсных характеристик загрязнения с целью их
обезвреживания или более быстрого извлечения из воды.
Вторая группа методов предназначена для концентрирования
примесей в локальном объеме электролита без существенного изменения
фазово-дисперсных или физико-химических свойств извлекаемых
веществ.
196

Электрохимические методы
(Методы превращения 11 Методы разделения [Комбинированные методы
Электрокоагуляция
Электрохимическая
деструкция
Электра-
кристаллизация
Электроокисление
(примесей или воды)

Электровосстановление (примесей
или воды)
Электрофлотация
Электродиализ
Электроосмос
Электрофорез
Электро-
фильтрование
Электрофлото-
крагуляция
(электрокоагуляция-флотация)
Электро-
каталитическая
деструкция
Комплекс
электрических
воздействий
Электроосаждение

Электроионообменный метод
Электрохимическое
обеззараживание
Рис. 6.27. Классификация электрохимических методов обработки воды
К третьей группе относятся методы, которые предполагают
совмещение одного или нескольких методов превращения и разделения
загрязнений в одном аппарате.
С учетом ограниченного объема учебного пособия в этом разделе
будут рассмотрены лишь те методы электрохимической очистки,
которые получили наибольшее распространение в практике очистки
сточных вод.
6.6.2. Теоретические основы
электрохимических процессов
6.6.2.1. Электродные потенциалы
Протекание электрохимического процесса связано с обменом
заряженными частицами между двумя фазами, у которых происходит
перераспределение электрических потенциалов и, следовательно, воз-
197

Расстояние
от электрода
л) б)
Рис. 6.28. Распределение положительных ионов (а) и скачка потенциала (б) у
отрицательно заряженного электрода (у — изменение потенциала в плотной
части ДЭС, ф] — изменение потенциала в диффузной части ДЭС,
фв—абсолютный потенциал электрода)
никает скачок электрического потенциала на границе раздела фаз.
Если взять в качестве примера отрицательно заряженный электрод, то
у его поверхности возникает обкладка из положительно заряженных
ионов и, следовательно, скачок электрического потенциала, т. е.
образуется электрический слой (рис. 6.28).
Как уже указывалось в разделе «Коагуляция и флокуляция», в
реальных условиях под влиянием теплового воздействия и взаимного
отталкивания ионов ДЭС имеет размытое (диффузное) строение,
общая толщина которого So складывается из толщины 8Ф плотной части и
толщины бд размытой части: 8о = 5Ф + 5Д. Величина §д зависит от
природы и особенно от концентрации электролита.
В чистой воде §д~ 10 м, а в концентрированных растворах 5Д
очень мала и 5о » 5Ф EФ равна радиусу сольватированных ионов
плотной части порядка нескольких нанометров).
Абсолютный скачок потенциала на границе «электрод —
раствор» определяется уравнением Нернста:
Ф = Фо + RT/zF). ln(aox/aRed),
F.76)
где фо — стандартный потенциал реакции, протекающей на
электроде, R — универсальная газовая постоянная, Т— абсолютная
температура, z — заряд иона, F—постоянная Фарадея, ам — активность
окисленной формы иона металла, а^л — активность восстановленной
формы иона металла.
198

Представленное уравнение устанавливает зависимость
равновесного потенциала электрода относительно раствора, в который он
погружен, от температуры и активности окисленных и восстановленных
форм вещества, участвующих в электрохимической реакции.
Абсолютный скачок потенциала (р нельзя измерить
экспериментально, а также рассчитать теоретически, так как неизвестны
величины стандартных химических потенциалов и, следовательно,
неизвестна фо-
Поэтому для сопоставления равновесных величин потенциалов
различных электродов их измеряют относительно стандартного
водородного (нормального) электрода, который изготовлен из
платины, покрытой слоем губчатой платины, и погружен в раствор
кислоты с активностью ионов водорода ан+ = 1 при продувании через
раствор пузырьков водорода под парциальным давлением Рн, = 0,1 МПа.
Схема указанного электрода приводится практически в любом
учебнике по электрохимии.
В соответствии с уравнением Нернста равновесный потенциал
водородного электрода записывается следующим образом:
FЛ7)
Как следует из представленного уравнения, потенциал
водородного электрода определяется как активностью водородных ионов, так и
парциальным давлением газообразного водорода Рн,. Для
стандартного потенциала водородного электрода ф^ = ф. Отсюда следует, что
потенциалом любого неизвестного электрода по водородной шкале
является разность потенциалов между исследуемым и водородным
электродом, находящимся в стандартных условиях.
Уравнение для равновесного потенциала металлического
электрода, на котором протекает реакция Me2* + ze «=* Me, записывается
следующим образом:
F.78)
Так как активность чистого твердого вещества яме при заданной
температуре постоянна, то ее условно принимают равной единице, и
предыдущее уравнение принимает следующий вид:
RT
199

Из последнего уравнения следует, что потенциал металлического
электрода, на котором установилось равновесие, зависит от
активности только катионов металла. Ионы, непосредственно определяющие
величину электродного потенциала, называются потенциалоопреде-
ляющими. Потенциал электрода является стандартным, когда
активность потенциал (^определяющих ионов в растворе равна единице.
Зная значения стандартных потенциалов различных электродных
реакций, можно рассчитать с помощью уравнения Нернста
равновесный потенциал электрода в растворе определенного состава.
Если стандартные потенциалы каких-либо реакций
непосредственно определить не удается, то производят косвенное определение в
соответствии с правилом Лютера:
гф^м = Zz,<p° = (pcyylz,, F.80)
где z и z, — число электронов, участвующих соответственно в
суммарной и промежуточной реакциях, ф^м и ф° — стандартный потенциал
соответственно суммарной и промежуточных реакций.
6.6.2.2. Понятие об окислительно-восстановительном
равновесии в водных реакциях
При погружении металла в раствор его соли возникает потенциал
между ионами металла, перешедшими в раствор, и самим металлом,
т. е. протекает следующий электрохимический процесс:
Окисление v _.
Me < >. Me2* + ze~ F.81)
Воссшювлеиие
Направление окислительно-восстановительных реакций,
возможность их протекания и одновременного существования в растворах
различных соединений позволяют определять значения стандартных
потенциалов, которые представлены в справочной литературе.
Окисленная форма вещества с большим потенциалом является
окислителем для восстановленных форм с более низким потенциалом,
и, наоборот, восстановленная форма вещества является
восстановителем для окисленных форм с более высоким потенциалом. Из этого
следует, что, пользуясь стандартным потенциалом, можно определить, в
каком направлении пойдет реакция, и рассчитать ее
окислительно-восстановительный потенциал (ОВП), величина которого равна
разности потенциалов окислителя и восстановителя.
Окислительно-восстановительный потенциал химических
реакций в растворах можно определить на практике по уравнению Нернста
200

F.78), пользуясь отношением концентраций ионов водорода и
молекулярного водорода.
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) для этой пары
примет следующий вид:
Eh - (RT/zF) • ln([H+]2/[H2]). F.82)
При подстановке всех констант и замене натуральных логарифмов
десятичными (In = 0,4343 lg) получим следующее выражение:
Eh = 0,0591g([H+]2/[H2]). F.83)
Если отрицательный логарифм концентрации водородных ионов
обозначим через рН, а отрицательный логарифм концентрации
молекулярного водорода, выраженный в атмосферах через гН2, то после
соответствующих преобразований предыдущее уравнение примет более
простой вид:
Eh = 0,059(гН2 - 2рН), F.84)
откуда
гН2 = (Eh/0,059) + 2pH. F.85)
При этом Eh — характеристика свободной энергии
окислительно-восстановительной системы, а гНг— показатель
окислительно-восстановительных свойств среды: чем меньше гН2, тем легче идут
процессы восстановления. Увеличение гН2 и, соответственно,
уменьшение давления молекулярного водорода характеризуют протекание
окислительных процессов.
Зависимость потенциала водородного электрода от активности ионов
водорода DU) в растворе в соответствии с уравнением Нернста дается
следующим выражением:
которое с учетом того, что рН = - lg a'^, можно переписать в
водородной шкале потенциалов в виде:
ttni3 F.87)
или при 25 °С
201

6.6.2.3. Массоперенос вещества и скорость
электрохимической реакции
При протекании электрохимических реакций важную роль играют
процессы переноса вещества к поверхности электрода. Массоперенос
осуществляется в результате протекания следующих процессов:
молекулярной диффузии (наиболее важный процесс), переноса под
действием электрического тока (миграции), который наблюдается только
для заряженных частиц и переноса вещества к поверхности электрода
вместе с потоком движущейся жидкости (конвективный перенос
вещества).
Скорость электрохимической реакции (V^K)) может быть
выражена величиной плотности катодного или анодного токов в соответствии
с выражением:
-i<K}, F.89)
где А$к) — электрохимический эквивалент вещества (аниона или
катиона), /а(К) — анодная (катодная) плотность тока.
Представленное уравнение указывает на важность учета такой
характеристики электрохимических процессов, как плотность tokvko-
торая определяется как отношение силы тока к площади поверхности
электрода. Размерность этой величины — А/м2.
Скорость электрохимической реакции (или плотность тока)
зависит от концентрации и температуры раствора электролита, условий
перемешивания, материала электрода, адсорбции на электроде
веществ из раствора и т. д.
В любой равновесной электродной системе скорости
самопроизвольных катодного и анодного процессов равны между собой и
соответствуют плотности тока обмена (/о), величина которого для
большинства металлов лежит в следующих пределах /0 = 10~8 -s-10~5 А/см2,
а для инертных металлов (Pt, Fu, Ag) io«O.
Чем выше /о, тем труднее сместить положение равновесия
электрохимической реакции путем поляризации электрода.
6.6.2.4. Поляризационные явления
в электрохимических реакциях
Разность между потенциалом электрода под током (<р,) и его
равновесным потенциалом (<р°) (Д<р = <р, - ср°) называют электродной
поляризацией. Различают катодную поляризацию, т. е. смещение
потенциала в отрицательную сторону при наложении катодного тока, и
анодную поляризацию, т. е. смещение в положительную сторону при
202

наложении анодного тока. Согласно определению, катодная
поляризация всегда отрицательна, т. е. Д<рк = <р, — <р° < 0, а анодная всегда
положительна: Лфа==ф°>0.
Потенциал электрода (<р,) и электродная поляризация (Д<р)
являются прежде всего функциями силы тока (плотности тока). Основной
причиной поляризации является замедленность той или иной стадии.
Если известна причина замедленной стадии, то вместо термина
«поляризация» употребляют термин «перенапряжение» (г|о), т. е.
поляризация электрода, обусловленная замедленностью протекания
определенной стадии суммарного электродного процесса.
В зависимости от природы замедленной стадии различают
несколько видов или причин перенапряжения: диффузионное т|д (стадия
перенапряжения реагирующих частиц), реакционное г|р (стадия
химического превращения), электрохимическое т|э (стадия переноса
электронов), фазовое Лф (стадия построения или разрушения
кристаллической решетки). В общем случае поляризация записывается в
следующем виде:
6.6.2.5. Кинетические закономерности
основных электродных процессов, протекающих
при очистке сточных вод
При рассмотрении кинетики процессов очистки сточных вод
необходимо рассмотреть катодные и анодные процессы.
На катоде при очистке реализуются следующие процессы:
выделение водорода и электровосстановление ионов металлов.
В кислых растворах восстановление водородного иона
происходит по следующей схеме:
1. Н3О+ + е~ -> Надс + Н2О F.91)
2. Наде + Hw -> Н2 F.92)
На первой стадии восстановления происходит разряд катиона с
потерей гидратной оболочки и адсорбция на поверхности электрода.
Вторая стадия заключается в образовании молекул Н2 путем
рекомбинации ионов НадС.
В щелочных растворах, где концентрация НэО+ ничтожна мала,
разряд происходит непосредственно из молекул воды в соответствии
со следующими уравнениями:
203

F.93)
2. H№ + H№->H2 F.94)
В обоих случаях наиболее медленными являются первые стадии
процесса восстановления, которые и определяют общую скорость
выделения водорода.
Реакция катодного восстановления водорода протекает на
некоторых металлах со значительным перенапряжением, величины которого
можно определить из следующих уравнений:
в кислой среде:
Л = -0,1181gk + 0,059рН + щ + 0,1181g/A, F.95)
в щелочной среде:
Л = - 0,1181gk - 0,059рН - щ + 0,118/*, F.96)
где к — константа скорости реакции, щ — скачок потенциала в
плотной части двойного электрического слоя, j*— катодная плотность
тока, г| — водородное перенапряжение.
Анализ этих уравнений показывает, что в щелочных растворах
перенапряжение выделения водорода уменьшается с ростом рН, а в
кислых растворах оно, наоборот, возрастает с ростом рН.
Рассмотрим вопрос электровосстановления металлов из сточных
вод, который в последнее время начал распространяться как
самостоятельный метод очистки.
Электролитическое выделение металлов из гидратированных
ионов с образованием катодного осадка описывается следующим
уравнением:
Me2* - *Н2О + ze" -> [Me] + хН2О F.97)
При изучении кинетики этой реакции практически всегда нужно
учитывать протекание сопряженной реакции выделения водорода.
Ряд электроотрицательных металлов вообще не может быть выделен
из водных растворов. Со 100 %-ным выходом по току можно выделить
металлы, обладающие достаточно электроположительным
равновесным потенциалом.
При катодном восстановлении величина перенапряжения зависит
от природы разряжаемого металла. Hg, Ag, Pb, Cd, Sn — это металлы с
очень низким металлическим перенапряжением (не более тысячных
долей вольта). Такие металлы, как Bi, Cu, Zn, характеризуются
перенапряжением порядка сотых вольта, а у металлов третьей группы (Со, Fe,
Ni) — перенапряжение может достигать нескольких десятых вольта.
204

i Существенно влияют на величину перенапряжения природа анио-
ков солей, присутствующих в растворах, наличие в водном растворе
ПАВ и другие факторы. (Обычно перенапряжение уменьшается при
переходе от одного аниона к другому в следующем ряду:
pOt > N01 > СЮ; > Вг" > Г.)
• Рассмотрим важнейшие анодные процессы, протекающие при
электрохимической очистке сточных вод. К ним относятся
электрохимическое выделение кислорода и хлора, а также процессы анодного
.растворения и пассивации анодов.
Электрохимическое выделение кислорода является неотъемлемой
частью процесса разложения воды и протекает следующим образом:
40Н~ г± 02 + 2Н2О + 4е~ (в щелочной среде) F.98)
2Н2О 5=t 02 + 4Н++ 4е" (в кислой среде) F.99)
Следует отметить, что в последнем случае, так как концентрация
анионов гидроксила мала, разряду непосредственно подвергается
молекула воды.
Выделение хлора из растворов чаще всего связано с присутствием
в сточных водах хлорида натрия.
При электролизе чистых водных растворов поваренной соли на
аноде протекают следующие реакции:
2СГ + 2е" «=* С12 F.100)
и сопряженный процесс выделения кислорода в соответствии с
уравнением F.99)
При электролизе низкоконцентрированных растворов поваренной
соли хлор, выделяющийся на аноде, растворяется в электролите с
образованием гипохлорита согласно следующим уравнениям:
С12 + Н2О г± НС1О + НС1 F.101)
НСЮ + НС1 + 2ОН" *=± 2Н2О + СГ + СЮ" F.102)
Образование гипохлорита может протекать и по
электрохимическому механизму:
Cl + 2OH" - 2е" ^ СЮ" + Н2О F.103)
Таким образом, осуществляют синтез «активного хлора» —
высокоэффективного дезинфицирующего агента, используемого при
очистке сточных вод.
Процессы анодного растворения металлов лежат в основе широко
распространенного метода электролитической коагуляции. В качестве
анодов в основном используют железо и алюминий. Образование гид-
205

рооксидов железа и алюминия в анодном пространстве протекает в
соответствии со следующими реакциями:
Fe-2e->Fe2+ <p° = -0t44B F.104)
AI - Зе -> AI* ф = - 1,66 В F.105)
Fe + 2ОН" - 2е -> Fe(OHJ ф° - - 0,877 В F.106)
AI + ЗОН" - Зе -> А1(ОНK) ф° - - 2,31 В F.107)
Fe(OHJ + ОН" - е -> Fe(OHK ф° = - 0,56 В F.108)
Процессы окисления металлов нередко осложняются
наступлением пассивного состояния. Это состояние характеризуется тем, что
предшествовавший ему анодный процесс окисления металла,
сопровождавшийся переходом ионов его в раствор, прекращается или
продолжается с очень малой скоростью, при этом потенциал резко
сдвигается в положительную сторону и на электроде начинает протекать
новый анодный процесс, соответствующий более высокому
положительному потенциалу.
Пассивность металла объясняется образованием на поверхности
анода фазовой, оксидной или гидроксидной пленок, отделяющих
металл от окружающей среды и препятствующий его растворению.
Следует указать, что активирующее действие на металл оказывает
анионный состав электролита. По своей активирующей способности
анионы располагаются в следующий ряд:
сг > вг > г > г > сю; > орт > so42 ~
Таким образом, вводя в раствор поваренную соль, как это часто
делают на практике, можно значительно увеличить время работы анода
до пассивации. Эффективным путем активирования анодов является
переполюсовка, которая достигается изменением знака заряда
электрода, при этом он очищается выделяющимся водородом.
6.6.2.6. Понятие о редокси-процессах
(электрохимическом восстановлении и окислении)
Указанные процессы используют для очистки сточных вод от
органических загрязнений.
Наиболее часто используют реакции катодного восстановления,
примером которого может служить реакция электрохимического
восстановления нитробензола в аминобезол, протекающая по следующей
схеме:
206

FЛ09)
Образующиеся аминосоединения значительно легче окисляются,
чем исходные нитросоединения. На практике сточные воды,
содержащие нитросоединения, подвергают обработке сначала в катодной
камере электровосстановлением, а затем в анодной, где происходит
окисление аминосоединений.
Метод электрохимического окисления может быть использован
для очистки сточных вод от формальдегида по следующей реакции:
¦ НСНО + О -+ СО2 + Н2 + 2е" F.110)
Указанный метод анодного окисления может быть использован
также для очистки сточных вод от полипропиленгликоля, фенантрена
и др.
6.6.3. Применение электрохимических „
методов при очистке сточных вод
Наибольшее распространение в практике очистки сточных вод
получили методы анодного окисления и катодного восстановления,
электрокоагуляционный метод, электрофлотация, электродиализ. В
ряде случаев используют и другие методы электрохимической
очистки сточных вод, представленные в классификации на рис. 6.27.
6.6.3.1. Анодное окисление и катодное восстановление
Процессы электрохимического окисления-восстановления
проводят в электролизерах, принципиальная схема которого представлена
на рис. 6.29.
При прохождении электрического тока через раствор происходит
электролиз, на электродах образуются продукты
окисления-восстановления. На положительном электроде (аноде) протекает окисление,
а на отрицательном (катод) — восстановление. Таким образом, анод
является электрохимическим окислителем, а катод —
электрохимическим восстановителем. В ряде случаев катодное и анодное
пространство разделяют пористыми диафрагмами. Их назначение — не
допускать смешения растворов, препятствовать диффузии, переносу
нерастворимых частиц, не затрудняя при-этом переноса ионов.
Количественные зависимости, наблюдаемые при электролизе,
описываются законами М. Фарадея.
В процессах анодного окисления вещества, находящиеся в
сточных водах, либо полностью распадаются (с образованием СО2> NH3 и
207

/-*¦
2" •??>?/
Рис: 6.29. Принципиальная схема электролизера:
/ — корпус; 2 — раствор электролита (обрабатываемая сточная вода); 3 — анод; 4—катод
Н2О), либо образуются менее токсичные вещества, которые удаляют
другими методами.
Таким методом сточные воды очищаются от цианидов, роданидов,
нитросоединений, формальдегида, сульфидов, меркаптанов и ряда
других веществ.
В качестве анодов используют следующие электрохимически
нерастворимые материалы: графит (С), магнетит (Fe3O4), свинец и его
соединения (РЬ, РЬО2), кремниевые сплавы и др. Катоды
изготавливают из графита, молибдена, сплава вольфрама с железом или никелем,
нержавеющей стали и ряда других веществ.
Рассмотрим наиболее распространенные примеры использования
метода анодного окисления.
Электрохимическая очистка сточных вод от цианидов
заключается в их обработке в открытых без диафрагменных электролизерах
непрерывного или периодического действия (рис. 6.29). Используются
графитированные аноды, либо аноды из магнетита и диоксида свинца
(натитановой основе). Катоды изготовлены из легированной стали.
Указанным методом обрабатываются сточные воды и растворы
различных производств, содержащие цианиды и, в первую очередь,
стоки гальванических цехов и участков, причем данный способ
наиболее экономичен при концентрации цианидов ?200 мг/л.
При электролизе щелочных сточных вод (обычно их рН лежит в
пределах 8—12), содержащих цианистые соединения, происходит
анодное окисление CN* ионов, а также комплексных анионов,
содержащих CN"-rpynnbi ([Cu(CN3)]2~, [Zn(CNL]2", [CaXCNL]2~ и др.) с
образованием цианат-ионов:
CN" + 2OH" - 2е" -> CNO" + Н2О F.111)
[Cu(CNK]2" + 6ОН~ — бе" -> Cu+ + 3CNO" + ЗН2О F.112)
208

Образующиеся по реакциям F.111), F.112) цианат-ионы (CNO)
частично окисляются на аноде с образованием нетоксичных
газообразных продуктов:
2СЖГ + 4ОН" - бе" -> CO2t +N2t + 2Н2О F.113)
На катоде происходит разряд Н* — ионов с образованием
газообразного водорода, а также разряд ионов Cu+, Zn2+, Cd2+, образующихся
при диссоциации комплексных ионов, содержащих Cfa-группы
[Cu(CNK]2-, [Zn(CNL]2~ и др.
Электролиз сточных вод проводят при анодной плотности тока
0,5—2 А/дм2. К сточным водам добавляют хлорид натрня в
концентрации 5—10 г/л. При этом цианиды дополнительно окисляются хлором,
выделяющимся на аноде вследствие электрохимического разложення
хлористого натрия;
2СГ - е" -> СЬ
С12 + СЫ~ + 2ОН" -> CNO" + 2СГ + Н2О
F.114)
F.115)
Степень очистки сточных вод от цианидов приближается к 100 %.
Кроме того, утилизируется до 80 % общего количества металлов,
выделяемых в виде катодных осадков. Остальные 20 % от общего
количества металлов удаляется в виде гидроксидов. рН процесса
рекомендуется поддерживать в пределах 8—9. Схема установки для
электрохимического окисления цианидов представлена на рис. 6.30.
Сточная вода
Очищенная
вода
Рис. 6.30. Схема установки для электрохимического окисления цианидов:
/ — усреднитель; 2 — бак для приготовления раствора хлорида натрия; 3 — электролизер;
4 — выпрямитель переменного тока
209

При анодном окислении роданидов они разрушаются по
следующей схеме:
CNS" + 1 ООН" - 8е~ -> CNO" + SO42~ + 5Н2О F.116)
Примеры реакции анодного окисления органического соединения
(формальдегида) представлены на с. 207 (реакция 6.110).
Рассмотрим примеры катодного восстановления металлов. Их
используют для выделения из сточных вод следующих ионов тяжелых
металлов: Pb2+, Sn2+, Hg2*, Cu2+ и др. Как уже указывалось выше, общая
схема восстановления ионов металлов на катоде описывается
реакцией F.97).
Укажем, что очистку сточных вод от ионов Hg2*, Pb2+, Cd2+, Cu2+
проводят в кислой среде на катодах из смеси угольного и сернистого
порошков при плотности тока до 2,5 А/дм2. Рассмотренные катионы
осаждают в виде сульфидов и бисульфидов.
Рассмотрим также реакцию электрохимической очистки сточных
вод от NH4 NO3. При проведении электролиза используют графитовый
катод, на котором протекает следующая реакция:
NH4NO3 + 2Н+ + 2е" -> NH4NO2 + Н2О F.117)
Нитрит аммония при нагревании разлагается с выделением азота:
NH4NO2 -> N2t + 2H2O F.1.18)
6.6.3.2. Электрокоагуляция
Элёктрокоагуляционный метод очистки сточных вод
используется в отечественной практике для выделения хрома. Кроме того, в
некоторых случаях он может быть применен и для очистки стоков от ионов
тяжелых металлов. При реализации этого метода протекают
следующие физико-химические процессы: электролиз воды, поляризация
частиц, электрофорез, окислительно-восстановительные процессы,
взаимодействие продуктов электролиза друг с другом.
Соединения хрома присутствуют в сточных водах в виде бихро-
мат-ионов (Сг2О720 и хромат-ионов (СтО}~), которые
восстанавливаются в электрокоагуляторе катионами двухвалентного железа,
образующего в результате растворения стальных анодов по реакции:
F.119)
Восстановление Сг6+ двухвалентным железом протекает с
достаточно высокой скоростью в кислой, нейтральной и щелочной средах в
соответствии со следующими уравнениями:
210

Сг2О72" + 6Fe2+ + 14Н+ -> 6Fe3+ + 2Сг3+ + 7Н2О F.120)
СЮ42" + 3Fe(OHJ + 4Н2О -> Cr(OHKi + 3Fe(OHK4 + 2ОН" F.121)
Кроме того, восстановление Сг6+ происходит в результате
протекания следующих электрохимических реакций:
Сг2О72" + 14ИГ + бе" -> 2Сг3+ + 7Н2О F.122)
СЮ42" + 4Н2О + Зе~ -+ Cr(OHKi + 5ОН" F.123)
Fe3+ + e->Fe2+; Fe2++ 2ОН"-> Fe(OHJi F.124)
причем продукты последних двух электрохимических реакций
участвуют в реакциях F.120) и F.121). .
Оптимальные величины рН электрокоагуляционной очистки
хромсодержащих сточных вод составляют 3—6.
Важно контролировать конечное значение рН обработанной воды,
которое должно превышать 5,5, так как в противном случае не
достигается достаточно полное осаждение Сг(ОН)з и обработанная вода
содержит Сг3* ионы.
Электрохимическая очистка от хрома целесообразна при
исходном солесодержании сточных вод > 0,3 г/л. Если концентрация солей
ниже указанного значения, к сточным водам добавляют электролиты
(обычно NaCl), повышающие электропроводность сточных вод, в
результате чего снижаются удельные затраты электроэнергии на их
обработку. Существенное влияние на эффективность процесса
электрокоагуляции оказывает концентрация взвешенных веществ; при
значениях этого параметра > 100 мг/л эффективность электрокоагуляции
снижается. Процесс электрокоагуляции обычно проводят при
плотности тока не более 10 А/м , расстоянии между электродами не более
20 мм и скорости движения воды не менее 0,5 м/с.
Схема установки для проведения процесса электрокоагуляции
представлена на рис. 6.31.
Основные конструктивные параметры электрокоагулятора
рассчитывают следующим образом. Полезный объем ванны Vn (м )
электрокоагулятора (объем сточных вод, постоянно находящихся в
аппарате) равен:
F.125)
Расход железа на процесс (Gpe, г/ч):
F.126)
211

NaCl H20
Сточная вода
Рис. 6.31. Схема электрокоагуляционной установки:
/ — усреднитель; 2 — бак для приготовления раствора; 3 — источник постоянного тока
(выпрямитель); 4 — зиектрокоагулятор; 5 — отстойник; б — аппарат для обезвоживания осадка
величина тока (/), проходящего через электрокоагулятор при
очистке стоков от хрома, ориентировочно может быть найдена по формуле:
y С
х х п 3600
2)
рабочая поверхность анодов (S, м2) и их общее число (л.)
определяют из соотношений:
5=///, и, = 5/5,;
F.128)
общее число электродов (катодов и анодов) составляет:
F.129)
общий объем ванны электролизера
м ) равен:
VM=Vn+V3; F.130)
где Q — расход сточных вод, м3/ч; х — время процесса, ч;
d—удельный расход железа на удаление определенного загрязнения, г/г;
с — исходная концентрация иона металла, загрязняющего воду, г/м ;
^—коэффициент использования материала электродов в
зависимости от толщины электродных пластин, принимаемый равным 0,6—0,8;
Q — общее количество электричества, которое необходимо
пропустить через объем К„, м3, стоков для их очистки от Сг , Кл;
11120 — теоретическое количество электричества, необходимое для
востановления 1 г Сг^, Кл; i — оптимальная плотность тока, А/м ;
S\ — площадь одного анода, м2; К, — объем всех электродов, м3.
212

Эффективность электрокоагуляционной очистки от хрома
составляет 90—95%.
Как уже указывалось выше, при обработке общего стока
гальванического производства, содержащего кроме хрома ионы тяжелых
металлов, осуществляется очистка и от этих ионов (степень очистки
90—95%).
Это достигается вследствие соосаждения гидроксидов хрома и
железа (при соответствующих значениях рН сточных вод), а также
сорбции ионов тяжелых металлов гидроксидами железа и хрома.
Исходная величина рН при очистке сточных вод от ионов цинка и'
меди должна составлять > 5,5, при очистке от кадия и никеля—? 6,5.
Ориентировочный удельный расход металлического железа для
осаждения 1 г цинка, меди, кадмия и никеля при представленных
выше значениях рН сточных вод составляет соответственно: 2,5—3,
3—3,5, 4—4,5 и 5,5-—6 г.
При оптимальных параметрах очистки степень очистки сточных
вод от ионов тяжелых металлов достигает 90—95 %.
Представляет интерес рассмотреть в качестве примера
использование метода электрокоагуляции для очистки сточных вод
предприятий полупроводниковой промышленности, содержащих мышьяк.
Для проведения процесса используется электрокоагулятор с
железными анодами. Степень осаждения мышьяка возрастает с
увеличением плотности тока и уменьшением межэлектродного расстояния.
Способ применим для очистки сточных вод, имеющих рН 6—8
(нейтральные сточные воды).
Показатели процесса
Концентрация мышьяка в сточных водах, г/л:
нейтральных C + 5) х 10~3
очищенных @,025 + 0,05) х 10~3
Плотность тока, А/дм2 0,2
Продолжительность процесса, мин 10
Расход железа, кг/дм3 0,1
Расход электроэнергии, кВт ч/м3 0,7
При очистке кислых сточных вод указанного процесса этим
способом основные параметры процесса изменяются, к тому же выделяется
токсичный арсин (ASH3). Кислые стоки, содержащие мышьяк,
очищают при следующих параметрах процесса.
Показатели процесса
Концентрация мышьяка в сточных водах, г/л:
кислых 0,55
очищенных 3 х 10~3
213

Плотность тока, А/дог 10
Продолжительность процесса, мин 60
Количество мышьяка, переходящего в газовую фазу в виде
токсичного арсина, % (по массе) -40
При использовании медного катода и свинцового анода выделение
мышьяка не сопровождается выделением токсичного арсина (AsH3).
Метод электрокоагуляции может быть использован для очистки
сточных вод от различных эмульсий, масел, жиров. Эффективность
очистки составляет: от нефтепродуктов и масел 54—68 %, от жиров
92—99 %.
К основным достоинствам электрокоагуляционного способа
очистки следует отнести универсальность метода н компактность
установки, простоту управления ей. Недостатками указанного способа
очистки является существенный расход электроэнергии и
металлического железа (алюминия), а также пожара- и взрывоопасность
установки за счет выделения в процессе ее эксплуатации водорода.
6.6.3.3 Электрофлотация
Способ электрофлотационной очистки основан на переносе
загрязняющих частиц из объема жидкости на ее поверхность
пузырьками газов, образующихся при электролизе сточных вод. Устройства, в
которых производят этот процесс, называют электрофлотаторами.
Образование газов происходит в соответствии с уравнениями F.91) —
F.94), F.98), F.99). Как следует из указанных уравнений, на катоде
выделяется водород, а на аноде — кислород. Основные
флотационные процессы протекают с участием водорода. Методами
электрофлотации очищают сточные воды нефтеперерабатывающих заводов,
целлюлозно-бумажных комбинатов и других предприятий.
Обычно в установках для электрофлотации используют
растворимые электроды (железные или алюминиевые). При их растворении
протекают реакции, описанные уравнениями F.104) — F.108), в
результате чего в воду переходят катионы железа или алюминия (в виде
гидроксйдов). Эти электрофлотационные процессы очистки наиболее
эффективны при очистке сточных вод, что обеспечивается
одновременным воздействием на загрязнения коагулянтов (гидроксйдов
железа или алюминия) и пузырьков газа. Такие установки называют
электрокоагуляционно-флотационными,
Существуют однокамерные и двухкамерные
электрофлотационные установки, горизонтального или вертикального типа. При пропу-
214

*-A
План
У
Рис. 6.32. Горизонтальный электрофлотатор:
/— впускная камера; 2 — решетка-успокоитель; 3 — электродная система; 4 — механизм для
сгребания пены; 5—пеносборник; 6. 7 — отвод соответственно обработанной сточной воды
и пенного шлама; 8 — опорожнение электрофлотатора и выпуск осадка
скной способности до 10—15 м3/ч используют однокамерные
установки. Схема горизонтальной установки представлена на рис. 6.32.
Приведем методику расчета установок для электрофлотации или
электрофлотокоагуляции (по СВ. Яковлеву).
Вначале определяют общий объем установки Wy, объемы
электродного отделения IV3 и камеры флотации Щ. Все объемы указаны в
кубических метрах. Следовательно,
. F.131)
Объем электродного отделения зависит от размеров
электродной системы. Если рассчитывается горизонтальная установка,
представленная на рис. 6.32, то ширина секции принимается в
зависимости от производительности Q: если Q < 90 м7ч, то В = 2 м, если
0 = 90—180 м3/ч, то 5 = 2,5—3 м.
Число электродов, размещаемое в установке, составляет:
лэ = (В - 2ai + д2)/F + а2), F.132)
где а\ — величина зазора между крайними пластинами и стенками
камеры, равная 100 мм, а2 — величина зазора между пластинками,
равная 15—20 мм, 6 — толщина пластин, равная 6—10 мм.
215

Тогда необходимая площадь пластин электродов^, м,
определяется по следующей формуле:
/э=Л,/(йэ-1), F.133)
где^э. — активная поверхность электродов, м2, определяемая из
следующего выражения:
где Е—удельное количество электричества, Ач/м3; Q — расчетный
расход сточных вод, м3/ч; / — плотность тока на электродах, А/м2;
Параметры Ei/ii определяют экспериментальным путем.
Обычно их значения лежат в следующих пределах: Е = 100+600 Ач/м3,
i = 50 + 200 А/м2, напряжение постоянного тока 5 -г- 30 В. Обычно
высота пластин Аэ составляет 1 + 15 м. Длину пластин находят из
следующего выражения:
WA, FЛ34)
а длину электродной камеры 1Э (м) по формуле:
I,-/, + 2ei. F.135)
Объем электродной камеры W3 (м3) находят из выражения:
F.136)
В этом выражении Яэ — это рабочая высота электродной камеры
(м), равная:
Яэ = Л, + Л2 + Лз, F.137)
где h\ — высота осветленного слоя, равная 1—1,5 м, h2 — высота
защитного слоя, равная 0,3—0,5 м, Лэ— высота слоя шлама, равная
0,4—0,5 м.
Объем флотационной камеры составляет:
ИГф-0Гф, F.138)
где Гф — продолжительность флотации, определяемая
экспериментально (лежит в пределах 0,3—0,75 ч).
Длину ?ф и высоту Щ флотационной камеры рассчитывают
исходя из ее объема 0ф и ширины В.
Количество металла электродов, переходящее в раствор,
рассчитывают по формуле:
216

F.139)
где /лэ — количество металла, переходящего в 1 м3 раствора, г;
к, — коэффициент выхода по току, равный 0,5 + 0,95 (определяется
экспериментально), Э — электрохимический эквивалент, г/Ач,
равный для Fe2+, Fe3+, Al3+ соответственно 1,042, 0,695 и 0,336.
Срок службы электродной системы Т9 сут,
Т= М • 1000/от,бсут, F.140)
где М— количество металла электродов, которое растворяется при
электролизе, кг;
М=ук/?щ,- F.141)
где у — плотность металла электродов, кг/м3; ?э — коэффициент
использования материала электродов, равный 0,8 + 0,9, Qc^ —
суточный расход сточных вод, м3/сут.
При эксплуатации электрофлотационных установок следует
учитывать существенное количество водорода и кислорода,
выделяющихся при протекании процесса, и принимать соответствующие меры
безопасности.
6.6.3.4. Электродиализ
Электродиализом называют процесс переноса ионов через
мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для
очистки сточных вод методом электродиализа используют
электрически активные ионитовые мембраны.
Указанный процесс используют для опреснения соленых вод, а
также очистки промышленных сточных вод и отработанных
технологических растворов.
Ионитовая мембрана, помещенная в электролизную ванну,
действует как ионитный фильтр: она проницаема только для ионов,
имеющих заряд того же знака, что и у подвижных (обменных) ионов
ионообменной смолы, из которых изготовлена мембрана. Различают два
типа ионитовых мембран: катионитовые и анионитовые. Первые из
них пропускают через себя лишь катионы, вторые—анионы. Следует
подчеркнуть, что ионитовые мембраны не требуют специальной
регенерации. В табл. 6.10 представлены основные свойства отечественных
ионитовых мембран.
217

Таблица 6.10
Основные свойства ноннтовых мембран
Марка
Толщина,
мм

Ионообменная
емкость,
мг-экв/г

Селективность в
0fl н р-ре
NaCl
Электрическое
сопротивление, Ом/сКг
удельное

поверхностное
Прочность
на разрыв,
МПа
Аныонитовые мембраны
МА-40
МА—100
А-4
РМА
0,5-0,7
0,3
0,6
0,1
3-4,4
2—2,3
3,5
5
0.94
0,97
0,93
0,96
200—250
150—180
104
12—17
3,5—6
1
12—13
12—14
8
12—15
12—15
13
Процесс очистки сточных вод осуществляется в многокамерных
аппаратах (электродиализаторах), в которых плоские мембраны
расположены параллельно. Схема процесса электродиализа представлена
МК—40
мк-
к-
РМК
-100
-2
—10
0.4-0,7
0,3
0,6-И),7
0,3
Катиотиповые
2,3-2,5
2,5-2,8
2
1,9
0,96
0,97
0,96
0,86
мембраны
180—203
120—150
—
208
9,8—16,2
2,4-5
6,3
Катод
t
<гк|а1к!а1к{а|к|а?к| а I
t
Анод^
1-
Рис. 6.33. Схема процесса электродиапиза (цифры в кружках — номера камер):
А — анионитовые мембраны; К— катнонитовые мембраны; / — выход газообразного
водороду 2 — подача сточной воды; 3 —выход газообразных кислорода и хлора; 4 — выпуск
обессоленной воды; 5 — выпуск концеетрнрованного рассола
218

Рис. 6.34. Схема циркуляционной
электродиалиэной установки
непрерывного действия (а):
I — подача сточной воды; 2— рабочие
баки; 3— бак для рассола; 4— выпуск
рассола; 5—выпуск дилюата; 6 — электро-
диализатор; 7—подача рециркуляционного
рассола; 8— насосы, 9 — подача смеси
рециркуляционной и сточной воды;
10—выпуск рассола из электродиализатора;
// — выпуск обессоленной воды
2 3
8
V V V / V V
Рнс. 6.34. Гальва-
нокоагуляционный
барабан (б):
/ — подача воды; 2 — корпус;
3—опорные кольца; 4—
перемешивающие устройства;
5 — перфорированный щит,
6 —сборный бак; 7—отвод
очищенной воды; 8 —
редуктор с электродвигателем
на рис. 6.33, а схема циркуляционной электродиализной установки
непрерывного действия на рис. 6.34.
Процесс электродиализа осуществляется следующим образом.
Катионы, двигаясь под действием электрического тока к катоду,
проходят катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми
мембранами. Анионитовые мембраны пропускают анионы,
направляющиеся к аноду, но являются преградами для катионов. В результате
протекания этого процесса соли переносятся током из четных камер в
нечетные, вода в четных камерах опресняется, а в нечетных
рассольных камерах накапливаются соли. Так происходит процесс очистки
воды от присутствующих в ней солей.
Различают электродиализаторы двух типов: прокладочные (ЭДУ-50,
ЭХО-М-5000 х 200, «Родник-3»), которые имеют горизонтальную ось
электрического поля и пропускную способность 2—20 м3/ч, а также
лабиринтного типа (Э-400М, ЭДУ-2, ЭДУ-1000, АЭ-25), имеющую
219

вертикальную ось электрического поля (пропускная способность
1—25 м3/ч).
В практике обессоливания и очистки воды применяют следующие
типы установок: прямоточные, циркуляционные (порционные),
циркуляционные непрерывного действия и установки с аппаратами,
имеющими последовательную гидравлическую систему движения
потоков в рабочих камерах.
В циркуляционных электродиализных установках непрерывного
действия (см. рис. 6.34. а\ часть сточной воды непрерывно
смешивается с частью не полностью обессоленной воды (дилюата), проходит
через электродиализатор и направляется в резервуар очищенной воды.
Разработаны электродиализные методы регенерации хромовой
кислоты из отработанных концентрированных растворов и
электролитов, выделение кислот (серной, азотной, соляной, фосфорной и
плавиковой) из отработанных травильных н полировочных растворов,
едкой щелочи из отработанных травильных растворов. Указанным
методом возможно выделение из сточных вод и ряда металлов (например,
меди).
6.6.3.5. Гальванокоагуляционная
очистка сточных вод
В настоящее время для очистки кислых сточных вод от ионов
тяжелых металлов и доочнстки нейтрализованных стоков на ряде
заводов используется метод гальванокоагуляции, основанный на
использовании эффекта гальванического элемента железо-кокс и
железо-медь, помещенного в очищаемый раствор (метод разработан в
институте «Казмеханобр.»).
За счет разности электрохимических потенциалов железо
поляризуется анодно и переходит в раствор без наложения тока от внешнего
источника. Кокс или медь в гальванопаре поляризуется катод но.
Процесс осуществляется в проточных аппаратах барабанного типа
(рнс. 6.34, б). В результате переменного контакта гальванопары с
раствором и кислородом воздуха, обусловленного вращением барабана,
возрастает скорость растворения железа, двухвалентное железо
быстро окисляется до трехвалентного, создаются условия для образования
гидроксидных соединений трехвалентного железа, а также
оксидных — магнетита и гематита в устройство гальванокоагулнционного
барабана. В табл. 6.11 представлены результаты
опытно-промышленных испытаний по гальванокоагуляционной очистке сточных вод.
220

Таблица 6.11
Результаты опытно-вромытлеввых всвытшвв во гальвввокоагуляцвоввов очвстке сточвых вод
Характер очищаемого
стока
Кислый
Кислый
Кислый
Нейтралиэирован-
ный
Нейтралиэнрован-
ный
Нейтралиэнрован-
ный
Проба
Исходная
После очистки
Исходная
После очистки
Исходная
После очистки
Исходная
После очистки
Исходная
После очистки
Исходная
После очистки
рН
2,75
6,6
3,05
7,6
6,6
7,8
10
7,25
10
7,5
9,2
8,5
медн
90,5
0,01
78,6
0,085
29
0,056
0,15
0,002
0,14
0,01
0,14
0,02
никеля
0,96
0,027
11,26
0,058
2,24
0,75
0,02
0,007
0,04
0,003
0,07
Содержание компонентов,
цинка
Не обн.
То же
0,76
0,07
14
0,051
0,06
0,01
0,18
0,09
0,14
Не обнаружена
хрома
35,7
0,07
15,23
0,02
0,26
железа
11,15
Не обн.
0,39
Не обн.
2
Не обнаружено
0,03
0,002
0,034
0,04
Не обн.
0,1
Не обнаружено
0,08
0,002
0,1
Не обн.
мг/л
кальция
65,4
63,4
64,9
62,4
70
67
. 180
100
120
70
200
90

сульфат-нона
1056
500
600
264
433
248
380
190
420
190
500
260

взвешенных
веществ
—
—
—
—
32,4
1,0
4,6
2,5
2,4
0,5
1,6
0,5

Данные табл. 6.11 свидетельствуют о достаточно высокой
эффективности метода гальванокоагуляции при очистке сточных вод от
ионов цветных металлов. Расход железа при гальванокоагуляционкой
очистке составляет 0,1—0,2 кг на 1 м3 очищаемых стоков. Вода,
полученная в результате гальванокоагуляционной очистки кислых или до-
очистки нейтрализованных стоков, пригодна для использования в
обороте при промывке цветных металлов и сплавов после травления.
Как показывает опыт эксплуатации гальванокоагуляционных
установок, основное достоинство этого метода состоит в простоте
эксплуатации указанных устройств и высокой эффективности очистки.
6.7. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ОБРАТНОГО
ОСМОСА И УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИИ
ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
6.7.1. Понятие о мембранных процессах
Обратный осмос и ультрафильтрация — это мембранные методы
разделения жидких систем, к которым относятся также диализ и
электродиализ. При использовании любого из перечисленных методов
процесс разделения осуществляют следующим образом. Разделяемый
раствор вводится в соприкосновение с полупроницаемой мембраной с
одной ее стороны. Вследствие особых свойств полупроницаемых
мембран прошедшая через них смесь обогащается одним из
компонентов. В ряде случаев процессы проходят настолько полно, что
продукт практически не содержит примесей, задерживаемых
мембраной. СВ. Родионов приводит следующие условные границы
применения этих процессов в зависимости от размера загрязняющих частиц:
Размер
частиц,
Процесс
загрязняющих
мкм
Обратный
осмос
0,0001—0,001

Ультрафильтра цня
0,001—0,02
Макрофнльт
рация
0,02—10
Процесс обратного осмоса используется как в системах водопод-
готовки различных предприятий, так и для очистки сточных вод.
Метод обратного осмоса заключается в фильтровании растворов
под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие
растворитель и полностью или частично задерживающие молекулы
либо ионы растворенных веществ. В основе описываемого способа
лежит явление осмоса — самопроизвольного перехода растворителя
через полупроницаемую перегородку в раствор (рис. 6.35). Давление,
222

ж
—Н?р Раствор.^
|Р> Я
*¦*..¦•;. »• • ¦•.\•*
шшги
п*Ш
fl>> 5; в)
Рис. 6.35. Схема осмоса Gt = pgH — осмотическое давление):
а — прямой осмос; б — осмотическое равновесие; в — обратный осмос
при котором наступает равновесие (рис. 6.35, б), называется
осмотическим. При приложении со стороны раствора давления, превышающего
осмотическое, перенос растворителя будет осуществляться в
обратном направлении (рис. 6.35, в). Поэтому процесс получил название
«обратный осмос».
Движущую силу обратного осмоса в случае идеально
полупроницаемой мембраны находят из следующего выражения:
АР = Р-пи F.142)
где Р — избыточное (рабочее) давление над исходным раствором,
щ—осмотическое давление раствора (Я|=я).
Мембраны, используемые при очистке сточных вод,не обладают
идеальной полупроннцаемостью, вследствие чего через мембрану
проходит и некоторая часть растворенного вещества. Для этого случая
движущая сила процесса записывается следующим образом:
F.143)
где тс2 — осмотическое давление фильтрата, прошедшего через
мембрану.
Вант-Гофф предложил следующее уравнение для расчета
осмотического давления разбавленных растворов:
n = cRT9 F.144)
где с — мольная доля растворенного вещества, R — газовая
постоянная, Т—абсолютная температура раствора, К.
Для многих растворов расчет по предлагаемому уравнению
приводит к существенным ошибкам, поэтому вводят различные
поправочные коэффициенты.
223

С учетом этого в общем случае значение определяется по
следующему уравнению:
F.145)
где / = 1 + а' — коэффициент Вант-Гоффа (а' — степень
диссоциации растворенного вещества).
Для сильных электролитов, полностью диссоциирующих на ионы,
осмотическое давление определяют выражением:
F.146)
где v — число ионов, образующихся при диссоциации 1 молекулы,
Ф — фактический осмотический коэффициент (<t> = //v).
Давление процессов обратного осмоса лежит в пределах 6—
10 МПа.
Как уже указывалось выше, ультрафильтрация — это процесс
мембранного разделения, а также фракционирования и
концентрирования растворов. Этот процесс протекает под действием разности
давлений (до и после мембраны) растворов высокомолекулярных (ВМС)
и низкомолекулярных соединений (НМС). Мембраны могут
пропускать растворитель и преимущественно или только НМС (при
разделении ВМС и НМС); растворитель и определенные фракции ВМС (при
фракционировании ВМС); только растворитель (при-
концентрировании ВМС).
Процесс ультрафильтрации в отличие от обратного осмоса
используют для разделения систем, в которых молекулярная масса
растворенных компонентов больше молекулярной массы растворителя.
Считается, что для водных растворов указанный процесс разделения
является эффективным только тогда, когда хотя бы один из
компонентов системы имеет молекулярную массу от 500 и выше.
Движущей силой ультрафильтрации является разность давлений
(рабочего и атмосферного) по обе стороны мембраны. Обычно
ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях
0,3—1 МПа.
Отличие обратного осмоса и ультрафильтрации от обычного
процесса фильтрования заключается в следующем: при обычной
фильтрации продукт откладывается на поверхности фильтра в виде осадка, а
при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора,
один из которых обогащен растворенным веществом.
Селективность процесса разделения (ср, %) с помощью
полупроницаемых мембран определяют исходя из следующего выражения:
224

.100=
F.147)
и X2 — концентрации растворенного вещества в исходной смеси
и в фильтрате.
Проницаемость мембраны определяется по следующей формуле:
FЛ48)
где Уф — количество фильтрата, полученного в единицу времени с
единицы рабочей поверхности, АР — разность давлений воды до и
после мембраны, APq — разность осмотических давлений, к\ —
коэффициент пропорциональности, зависящий от проницаемости мембраны.
6.7.2. Классификация полупроницаемых
мембран
Приведем существующую классификацию полупроницаемых
мембран, применяемых при осуществлении процессов обратного
осмоса и ультрафильтрации (рис. 6.36). Указанные мембраны могут
быть; пористыми и непористыми, причем последние являются
квазигомогенными гелями, через которые растворитель и растворенные
вещества проникают под действием градиента концентраций
(молекулярная диффузия), поэтому такие мембраны получили название
диффузионных.
Полупроницаемые мембраны
±
Пористые
JL
1
Непористые
(диффузионные)
Предварительно
образованные
т
Динамические
Уплотняющиеся
Жесткоструктурные
нэп
Уплотняющиеся
т
Изотропные||Анизотропные
Иэопористые
Анизотропные
1
| Нанесенные
Пропитанные
I 1
| Напыленные | [ Осажденные {
Рис. 6.36. Классификация полупроницаемых мембран (по Ю.И. Дытнерскому)
8 я-123 225

Подробно свойства мембран рассмотрены в монографии Ю.И. Дыт-
нерского.
Для очистки сточных вод используют полимерные мембраны в
виде пленок толщиной 0,1—0,2 мкм с диаметром пор около 1 нм. В
отечественной практике получили распространение мембраны типа
МГА для обратного осмоса и У AM для ультрафильтрации на ацетил-
целлюлозной основе, разработанные Зсероссийским
научно-исследовательским институтом синтетических смол (ВНИИСС,г. Владимир).
Используют также мембраны на полиамидной основе.
6.7-3. Практическое использование методов
обратного осмоса и ультрафильтрации
при очистке стоков
Метод обратного осмоса и ультрафильтрации может быть
использован для извлечения из сточных вод эмульгированных масел, смазок,
фенолов, ионов тяжелых металлов и других загрязнителей.
Для выделения из стоков эмульгированных масел используют
ультрафильтрационных метод. С физико-химической точки зрения
эти системы представляют собой эмульсии типа «масло в воде».
В зависимости от источника происхождения эти стоки имеют
колебания рН среды от 4 до 13, повышенные температуры (до 60 °С),
разнообразный химический и дисперсный состав загрязнений. Они
представляют собой самоэмульгирующие коллоидные системы,
обладающие кинетической и термодинамической устойчивостью.
Ультрафильтрация позволяет удерживать частицы
эмульгированного масла, смазок и других веществ. Полученный концентрат,
содержащий 30 4- 50 % масла после дополнительного отстоя,направляется
на сжигание или утилизацию.
Типовые схемы очистки водомасляных эмульсий с применением
ультрафильтрации включают в себя предварительную стадию
обработки, ультрафильтрационную стадию и заключительную стадию. В
процессе предварительной обработки водомасляные эмульсии и
обработанные моющие растворы пропускают через ловушки, сетчатые или
магнитные фильтры. На ультрафильтрационной стадии происходит
концентрирование масла в сточной воде до указанных пределов.
Объем концентрата обычно не превышает 10 % от объема исходного
раствора. Используются чаще всего фильтрующие элементы трубчатого
типа, реже — плоскорамные. Заключительная стадия обработки
концентрата сточных вод состоит в его отстаивании или сепарировании.
226

Раствор ПАВ
Ион тяжелого
металла
а
а
а . а
Водный раствор,
содержащий ионы
тяжелых металлов
Концентрат
| Мономер ПАВ
Мицелла ПАВ
-1-1-1-1
Адсорбированный
ион тяжелого металла
Мембрана
Пермеат
Рис. 6.37. Схема очистки воды от ионов тяжелых металлов методом
мицеллярно-усиленной ультрафильтрации
При использовании ультрафильтрации для выделения из воды
эмульгированных масел достигается экономия воды, моющих
средств, химических реагентов, теплоты, трудозатрат на
приготовление свежих моющих растворов, создается экологически
благоприятная технологическая схема с почти замкнутым циклом.
Мембранные методы также могут быть использованы для
выделения из стоков ионов тяжелых металлов.
Очистку таких стоков эффективно проводить методом реагентной
или мицеллярно-усиленной ультрафильтрации, который основан на
переводе растворенных низкомолекулярных компонентов в новое
ассоциированное молекулярное или коллоидное состояние с
последующим отделением образующихся ассоциированных форм на пористой
мембране. Указанный метод позволяет объединить в себе высокую
производительность при низком рабочем давлении и способность
очищать воду от ионных компонентов при их селективном разделении.
Механизм мицеллярно-усиленной ультрафильтрации представлен на
рис. 6.37.
Как следует из представленного рисунка, мономеры ПАВ
образуют мицеллу, на которой адсорбируются ионы тяжелых металлов.
Мицеллы, транспортирующие тяжелые металлы, задерживаются
мембраной. Примером данного процесса может служить выделение из воды
ионов двухвалентного цинка при использовании в качестве ПАВ доде-
цилсульфата натрия. Селективность разделения составляет 99%.
227

Сорбируемость многовалентных ионов металлов мицеллами ПАВ
более высока, чем одновалентных. Чем выше валентное состояние
металла, тем сильнее связь его ионов с мицеллами ПАВ. Мицелляр-
но-усиленная ультрафильтрация дает хорошее разделение в одну
стадию для двухвалентных тяжелых металлов, а для трех- и
четырехвалентных селективность приближается к 100%.
Данный метод может быть использован для эффективного
выделения из воды радиоактивных изотопов, Со60, Се111 и др.
Существуют различные способы реагентной ультрафильтрации.
На практике широкое распространение для извлечения ионов
металлов получил способ комплексообразования и ультрафильтрации.
Извлекаемые металлы при контакте с водорастворимыми
полимерами (связующими агентами), в качестве которых можно
использовать альгинат натрия, полиэтиленимин, полиакрилат натрия и другие,
образуют металлополимерные комплексы. Связующие агенты и
параметры процесса ультрафильтрации подбирают таким образом, чтобы
обеспечить селективное извлечение какого-либо загрязняющего иона
из их смеси. Следует указать, что существуют также способы
ультрафильтрации, позволяющие одновременно извлекать из стоков ионы
загрязняющих их нескольких металлов. Сведения о них будут
приведены далее.
Схема процесса селективного извлечения ионов металлов с
использованием комплексообразования и ультрафильтрации представ-
Щелочь или кислота
для регулирования
рН среды
Регенерированный
полимер
Исходный
раствор
Свежий полимер
6 - Мембранный
модуль
V
И
10 - Мембранный
модуль
Пермеат, содержащий
низкомолекулярные
компоненты
Пермеат,
8 обогащенный
металлом
Рис. 6.38. Технологическая схема извлечения ионов металлов с применением
комплексообразования и ультрафильтрации:
7 —фильтр механической очистки; 2—реактор сомплексообраэованил; 3, S—насос; 4,
9—манометры; 5, 10 — ультрафильтрационные модули; 6. II — вентили-регуляторы
давления; 7—регенератор полимера
228

лены на рис. 6.38. Раствор, предварительно очищенный от
нерастворимых частиц, смешивают в реакторе 2 с водорастворимым полимером,
который образует комплексные соединения только с металлами,
подлежащими извлечению. Подготовленный таким образом раствор с ме-
таллополимерным комплексом подается насосом в первый
ультрафильтрационный модуль 5, в котором мембрана задерживает только
полимерный комплекс, свободно пропуская в пермеат воду и соли
оставшихся несвязанных металлов. Концентрат направляется в
регенератор 7, в котором полимерный комплекс разрушается, затем поток
направляется во второй ультрафильтрационный модуль, где
мембраной задерживается только высокомолекулярный комплексообразова-
тель, а целевой продукт переходит в пермеат.
Метод реагентной ультрафильтрации может быть также
использован для одновременной очистки от ионов металлов и других
загрязнителей (например, мышьяка), содержащихся в сточных водах. Данные о
режимах извлечения некоторых ионов и применяемых
водорастворимых полимерах представлены в табл. 6.12.
Таблица 6.12
Извлечение нонов тяжелых металлов и мышьяка методом
ультрафнльтрация с предварительным комплексообразованием

Извлекаемый ион
Кадмий
Ртуть
Свниец
Хром
Мышьяк
Медь
Водорастворимый полимер
Наименование
Альгннат натрия
Полиэтилеинмнн
Полиакрилат натрия
Полнэтиленимин .
Полиэтиленимин
Полиэтилеинмин

Концентрация, мг/л
5000
900
1000
1700
1500
1500
рН
6,0
6,2
6,1
5,5
6,0
5,7
Концентрация металла,
мг/л
в исходном
растворе
100
100
100
100
100
100
в пермеате
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
0,01
Как следует из табл. 6.12, в результате очистки концентрация
ионов в растворе уменьшается на 4 порядка.
Метод реагентной ультрафильтрации может быть использован и
при очистке стоков, в которых тяжелые металлы находятся в форме
низкомолекулярных комплексов. Сведения о режимах этой очистки и
применяемых реагентах (связывающих агентов) представлены в табл.
6.13.
229

Таблица 6.13
Извлечение ннзкомолекулярных комплексов металлов методом
ультрафнльтрацнн с предвврнтельным комплексообразоввннем
Металл
Кадмий
Золото
Серебро
Медь
Связывающий агент
Полиаминуксусиая кислота
.Четвертичный полиэтиленнмин
Полнаминуксусиая кислота
Полнэтиленимин
Концентрация металла, мг/л
в исходном растворе
30
20
4—400
4
в пермеате
0,1
0,1
0,2
0,2
Существуют и другие варианты реагентной ультрафильтрации:
1. Добавление в раствор водонерастворимого органического
соединения, которое по механизму экстракции взаимодействует с
извлекаемым компонентом. Образующаяся эмульсия разделяется на
пористой мембране.
2. Добавление в раствор свежеприготовленного золя, на частицах
которого за счет физической адсорбции связывается извлекаемый
компонент.
3. Перевод растворенных ионных частиц компонента в
молекулярную форму, а затем в коллоидную фазу при их гидролизе при
добавлении в раствор щелочи. Разновидностью этого варианта является
электромембранный способ гидролиза.
4. Добавление в раствор химических реагентов, при
взаимодействии с которыми извлекаемый компонент переводится в нерастворимое
состояние. Образование осадка должно быть остановлено на стадии
формирования коллоидной фазы.
Между рассмотренными вариантами реагентной ультрафильтра-
цин не существует четкой границы. Их можно комбинировать друг с
другом.
Реагентная ультрафнльтрацня резко расширяет область
применения мембранных методов разделения. Появилась возможность
использования высокопроизводительных процессов для
обезвреживания промышленных стоков, которые раньше можно было очистить
только обратным осмосом. Этим методом можно селективно удалять
из отходов загрязняющие компоненты, не затрагивая солевого
балласта. Кроме того, облегчается утилизация и переработка извлеченных
токсичных компонентов.
Кроме ультрафильтрации для очистки стоков от ионов тяжелых
металлов используют метод обратного осмоса. Его типичная
технологическая схема включает в себя в качестве основных элементов пред-
230

Возврат
концентрированного
раствора в производстве
Исходный
раствор
1
Механический
фильтр
Мембранный
модуль
Накопитель
Мембранный
модуль
Накопитель Насос
Насос Очищенная
вода
Рис. 6.39. Принципиальная технологическая схема очистки вод методом
осмоса от ионов металлов
варительный фильтр, обратноосмотический модуль (один или
несколько), насосы. Для защиты мембран используют предварительные
фильтры с диаметром пор до 5 мкм. Одна из таких принципиальных
схем представлена на рис. 6.39.
Для выделения конкретного металла из стоков используют
определенные мембраны. Приводим некоторые сведения по их выбору,
основываясь на литературных данных:
— никель — мембрана из ацетата целлюлозы, степень
регенерации 90—97%, средний срок службы—2 года;
— сульфат меди — половолоконные полиамидные и триацетат-
целлюлозные мембраны, а также рулонные упаковки с композитной
мембраной; срок службы мембраны— 1 +3 года;
— цианид меди — полиамидные мембраны, степень регенерации
90%, срок службы — 3 года;
— медь — половолоконные полиамидные мембраны, степень
регенерации 93 %, срок службы более 4 лет;
— сульфат цинка — рулонные модули с композитной мембраной,
степень регенерации 87,5 %;
— шестивалентный хром — рулонные модули с композитной
мембраной.
Метод обратного осмоса рекомендуется использовать при
следующей концентрации электролитов: для одновалентных солей — не
более 5-П0%, для двухвалентных—10 ч-15%, для
многовалентных— 15 + 20%.
Метод обратного осмоса может быть также использован для
эффективной очистки стоков, содержащих фенол с концентрацией до
231

2 г/л. Для отделения фенола могут быть использованы полиуретано-
вые, полиамидные, поливиниловые и ацетилцеллюлозные мембраны с
удельной поверхностью 150—600 м2/г Повышенной устойчивостью и
селективностью характеризуются мембраны, полученные на основе
поливинилового спирта: асимметричные и гомогенные. Мембраны
применимы в диапазоне рН от 0 до 14. Они устойчивы при
температурах 20—79 °С.
6.8. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТОЧНЫХ ВОД
Различают следующие методы термической очистки сточных вод:
1) концентрирование сточных вод с последующим выделением
растворимых веществ;
2) окисление органических веществ, загрязняющих сточные воды
различными методами;
3) огневая переработка.
Рассмотрим эти методы подробно.
6.8.1. Очистка сточных вод с выделением
растворенных веществ
(концентрирование сточных вод)
Метод концентрирования сточных вод используют для выделения
из них минеральных солей, а очищенная вода используется в
оборотных системах водоснабжения. Выделение минеральных солей
проводят в две стадии: на первой получают концентрированный раствор, а
на второй — выделяют из него твердые вещества. Концентрируют
растворы испарением (выпариванием), вымораживанием либо
используют кристаллогидратные методы.
Выпариванием называют процесс концентрирования жидких
растворов практически нелетучих веществ путем частичного удаления
растворителя испарением при кипении жидкости. В процессе
выпаривания растворитель удаляется из всего объема раствора, в то время как
при температурах ниже температур кипения испарение происходит
только с поверхности жидкости.
Тепло для выпаривания можно подводить любыми
теплоносителями при нагревании. Чаще всего в качестве греющего агента при
выпаривании используют водяной пар, который называют греющим, или
первичным.
232

Рис. 6.40. Принципиальная схема испарительной установки:
/ — линия подвода первичного пара; 2 — греющая секция* 3 — корпус испарителя; 4 —
линия отвода образующегося (вторичного) пара,* 5 — конденсатор; 6 — линия отвода
конденсата первичного пара; 7 — линия повода питательной воды; 8 — линия продувки; 9 — линия
опорожнения; 10 — линия отвода дистиллята
Первичный пар получают из парогенератора, а также используют
отработанный пар, или пар промежуточного отбора паровых турбин.
¦ Вторичным называют пар, образующийся при выпаривании
кипящего раствора.
Достаточно эффективно выпаривание под вакуумом. При этом
процесс проводят при более низких температурах, что важно при
концентрировании растворов веществ, склонных к разложению при
повышенных температурах. Кроме того, при работе под вакуумом
параметры греющего агента (температура и давление) более низкие, чем
при проведении процесса в обычных условиях.
Выпаривание под атмосферным давлением (а иногда и
выпаривание в вакууме) проводят в одноступенчатых и многоступенчатых
выпарных установках. Выпаривание является достаточно энергоемким
процессом. При использовании стандартных 4—5 корпусных
установок, включающих аппараты с естественной и принудительной
циркуляцией, расход тепла по пару составляет приблизительно 600 кДж
на I кг влаги.
На рис. 6.40 представлена принципиальная схема испарительной
установки.
В представленной на рис. 6.40 установке происходит испарение
(выпаривание) воды за счет теплоты от подводимого в нагреватель-
233

ную систему первичного пара. Образующийся вторичный пар
конденсируется в конденсаторе. Вещества, загрязняющие воду, остаются в
объеме испаряемой воды и удаляются из испарителя с отводимой
(продувочной) водой. Дистиллят — конденсат вторичного пара —
содержит лишь незначительное количество нелетучих примесей,
поступающих в него за счет капельного уноса испаряемой воды
(конденсата).
Концентрацию примесей в воде испарителя С».и. в зависимости от
концентрации примесей в питательной воде Сп R и продувке р„р. можно
оценить из уравнения материального баланса, которое имеет
следующий вид:
Pn.iCn...= рпСп + рпрСн, FЛ49)
где рп.» — расход питательной воды рпл = р„ + Рпр; рп — паропроизво-
дительность испарителя; С„ — концентрация примесей в паре.
Учитывая, что С„ = 0,
(Рп + рпр)С„.. = р„рС..н., F.150)
откуда
С..и./Спа. = (р„ + РпрУрпр. F.151)
Промышленные сточные воды отличаются большим
разнообразием накипеобразующих компонентов и различных их содержанием.
Накипеобразование снижает производительность испарителей и
ухудшает их технико-экономические показатели. .
Испарительные установки бывают одно- и многоступенчатые. В
многоступенчатых установках вторичный пар каждой ступени, кроме
последней, используется в качестве греющего пара следующей
ступени и там же конденсируется.
На рис. 6.41 представлена схема многоступенчатой
(трехступенчатой) установки.
При очистке сточных вод машиностроительных предприятий
обычно используют одноступенчатые установки, но могут быть
применены и более сложные (многоступенчатые) устройства.
При упаривании сточных вод некоторых химических производств
(производство синтетических смол, красок и др.) используют
выпарные установки с контактными аппаратами, в которых осуществляется
непосредственный контакт между теплоносителями (твердыми,
жидкими или газообразными) и сточной водой. Иногда используют
контактные многоступенчатые установки с гидрофобным
теплоносителем, в качестве которых используют парафины различных типов,
минеральные масла, силиконы и др.
234

\
Л
л/v
i
7
X
g
л/v
Рис. 6.41. Схема трехступенчатой установки с последовательным питанием:
1—линия подвода греющего пара; 2—4 — испаритель соответственно I—3 ступеней;
5 — линия отвода вторичного пара;'6—конденсатор; 7—линия отвода конденсата; в
—линия отвода питательной воды; 9—подогреватель питательной воды; 10 — продувочная ли-
ния
Для снижения вероятности накипеобразования на поверхности
теплообменника используют адиабатные испарительные установки,
называемые по-другому установками мгновенного вскипания (или
«флеш»-установками). В этих установках процесс испарения
проводят в вакууме при / < 100 °С, что приводит к достаточно слабому
образованию накипи.
Концентрирование сточных вод можно осуществлять, используя
процесс вымораживания, суть которого заключается в том, что при
температуре ниже температуры замерзания чистая вода образует
кристаллы пресного льда, и концентрированный рассол размещается
между кристаллами льда. Для концентрирования растворов
вымораживанием используют установки различной конструкции.
Вымораживание проводят либо в вакууме, либо при помощи специального агента
(хладагента).
Наиболее распространенными хладагентами являются
следующие: аммиак, диоксид углерода, бутан, пропан, изобутан, хладоны
(CCI2F2, CC13F, CC1F3) и их оксиды. Следует указать на опасность
попадания хладонов (фреонов) в воздушную оболочку Земли, так как
поднимаясь в стратосферу, они подвергаются фотохимическому раз-
235

ложению с выделением иона хлора, служащего катализатором
химических реакций, разрушающих молекулы озона, защищающего
планету от жесткого ультрафиолетового излучения (понятие «озоновой
дыры»).
В заключение кратко рассмотрим кристаллогидратные процессы,
заключающиеся-в концентрировании сточной воды с применением
гидратообразующего агента (который обычно обозначают М). Такими
агентами являются пропан, хлор, хладоны, диоксид углерода и т. д.
Указанные вещества образуют кристаллогидраты, описываемые
общей формулой М - лН2О. При образовании кристаллогидратов часть
молекул воды переходит в их состав, а концентрация растворенных
веществ в оставшейся воде повышается. Сконцентрированную
сточную воду и кристаллогидраты разделяют различными способами.
Затем разрушают кристаллогидраты термическим методом, и гидрато-
образующий агент вновь используют в процессе очистки; кроме того,
при разложении соединений типа М ¦ иН2О образуется чистая вода.
Следует указать, что несмотря на ряд достоинств, таких, как
низкий расход энергии, возможность обезвреживания вод различного
состава, отсутствие процесса накипеобразования и др., процессы
вымораживания и кристаллогидратной очистки не нашли широкого
распространения в промышленности.
Это связано со следующими недостатками рассмотренных
процессов: применение дорогостоящих теплоносителей, конструктивная
сложность установок, невысокая степень концентрирования сточных
вод.
6.8.2. Выделение растворенных веществ
из концентрированных растворов
Для выделения веществ из концентрированных растворов
используют методы кристаллизации и сушки. Сушка — это удаление влаги
из твердых материалов, главным образом, путем ее испарения.
Кристаллизация — это выделение твердой фазы в виде кристаллов из
растворов (концентрированных сточных вод).
При кристаллизации из концентрированных сточных вод
выделяют солн магния, кальция, натрия и др. Для расчета теоретической
массы образовавшихся кристаллов используют следующую формулу:
c_Rl00WQ-S(HQ-E) F.152)
юо5(/г1) '
236

где С — масса образовавшихся кристаллов, R — отношение
молекулярных масс водной и безводной солей, S — растворимость вещества
при конечной температуре процесса, Wo — масса безводного
вещества в исходном растворе, #о — общая масса растворителя в исходном
растворе, Е — масса растворителя, испарившегося в процессе
кристаллизации.
Различают следующие способы кристаллизации: с удалением
части растворителя, с охлаждением или нагреванием раствора,
комбинированные способы. Кроме того, кристаллизацию соли проводят
введением в концентрированный раствор веществ, уменьшающих ее
растворение (способ высаливания). Кристаллизацию также можно
осуществить, применяя различные реагенты. Например, воздействуя на
катионы металлов щелочью, их осаждают в виде нерастворимых гид-
роксидов.
Кристаллизацию с удалением части растворителя производят его
испарением. Возможно также использование процесса
вымораживания.
Растворитель испаряют в выпарных аппаратах, устройство
которых было уже рассмотрено выше. Если вещества мало изменяют
растворимость при изменении температуры, то процесс кристаллизации
проводят при постоянной температуре — это так называемая
изотермическая кристаллизация.
Если с ростом температуры растворимость веществ уменьшается,
то кристаллизацию проводят при нагревании раствора. В противном
случае — насыщенные растворы охлаждают. Рассмотренные
процессы кристаллизации, идущие при неизменном содержании воды в
системе, называют политермическими или изогидрическими.
К комбинированным способам кристаллизации относятся:
вакуум-кристаллизация, кристаллизация с испарением части растворителя
в токе носителя, а также дробная кристаллизация.
При вакуум-кристаллизации испарение растворителя происходит
не путем подвода тепла через стенку, а за счет отдачи раствором
своего физического тепла, которое расходуется на испарение части
растворителя. Пары откачивают вакуум-насосом. При реализации на
практике процесса с испарением части растворителя последний
испаряется в движущемся непосредственно над раствором воздухе. При
этом раствор охлаждается. При дробной (фракционированной)
кристаллизации, содержащиеся в растворе (сточной воде) несколько
веществ извлекаются последовательно, что достигается путем
изменения концентрации и температуры раствора.
237

Процессы кристаллизации проводят в устройствах различного
типа, например, в кристаллизаторах с удалением части растворителя, в
установках с охлаждением раствора, вакуум-кристаллизаторах и др.
Процесс сушки используют для выделения из сточных вод сухих
продуктов. При высушивании твердого вещества одновременно
происходят два основных процесса: передача тепла для испарения
жидкости и перенос массы внутри твердого тела и с его поверхности.
Механизмов внутреннего потока жидкости может быть несколько,
в зависимости от структуры твердого материала.
Наиболее подходящую конструкцию сушилки выбирают путем
проведения специальных экспериментов (проводят опытную сушку).
Для выделения из сточных вод сухих продуктов обычно используют
распылительные сушилки различных конструкций (в них используют
центробежные, пневматические или механические распылители). В
этих сушилках сточные воды распыляются на капли размером в
несколько десятков микрометров, которые движутся под действием
силы тяжести в среде горячего воздуха или топочных газов. При этом
продолжительность сушки не превышает ~10~2 с. Высушенный
материал отделяют от газового потока известными методами (улавливание
в циклонах, рукавных фильтрах, электрофильтрах и т. д.).
Для интенсификации указанного процесса сушки используют
вакуум-распылительные сушилки. Возможно использование сушилок и
других конструкций (например, одно- и двухвальцовых сушилок).
6.8.3. Термоокислительные методы
обезвреживания сточных вод
Указанные методы используют для удаления из сточных вод
органических примесей. К ним относятся: методы жидкофазного
окисления («мокрое» сжигание) и парофазного каталитического окисления, а
также «огневой» метод (парофазное окисление).
Метод жидкофазного окисления характерен тем, что органические
загрязнения удаляют из сточных вод путем окисления кислородом под
давлением 2—28 МПа и / = 100—350 °С. При этих параметрах
существенно возрастает растворимость кислорода в воде, что значительно
ускоряет процессы окисления органических соединений.
В результате окисления органических загрязнений образуются
нетоксичные вещества, что является несомненным достоинством
метода. Кроме того, рассматриваемый метод пригоден для обработки
больших объемов сточных вод и достаточно безопасен. К недостаткам
метода относится высокая стоимость оборудования, неполное окисление
238

некоторых органических веществ, а также существенный
коррозионный износ оборудования.
При использовании метода парофазного каталитического
окисления сточные воды, загрязненные летучими органическими
веществами, подают в выпарной аппарат, где при t« 300 °С образуются пары
воды и органических веществ. Эти пары вместе с горячим воздухом
подают в выпарной аппарат, загруженный катализатором (медно-хро-
мовым, цинк-хромовым и др.), в котором происходит процесс
гетерогенного каталитического окисления кислородом воздуха
органических паров. Степень обезвреживания достигает 99,8 %. Разработаны
установки для обработки больших объемов сточных вод. К
недостаткам метода следует отнести возможность отравления катализаторов
соединениями фосфора, фтора и серы. Во избежание этого их
необходимо предварительно удалять из сточных вод.
Огневой метод — это универсальный метод термической очистки
сточных вод. При использовании этого метода распыленная сточная
вода вводится в нагретые до 900—1000 °С продукты горения топлива.
Органические примеси при этом сгорают, а минеральные примеси, в
зависимости от температуры их плавления, выводятся из печи в
твердом или расплавленном состоянии или уносятся с дымовыми газами.
Рассмотрим возможности огневого метода на примере
регенерации сульфатных травильных растворов. Эти отходы не содержат
органических загрязнений. Так, образовавшиеся при сернокислотном
травлении стали растворы содержат 2,5—11 % H2SO4 и 15—28 %
FeSO4 * 7Н2О. Близкие по составу отработанные травильные растворы
образуются в производстве титановых белил. Эти растворы содержат
16—20 % H2SO4, -15 % FeSO4, - 2 % Fe2(SO4K, примеси сульфатов
Mg, Ti, Al, Ca, остальное — вода. Огневой метод используют для
регенерации серной кислоты из указанных растворов. Сущность метода
заключается в прямом расщеплении серной кислоты и сульфатов
железа.
Термическое расщепление серной кислоты до SO2 при
t = 950—1200°С протекает в две стадии — диссоциации H2SO4 и
разложения триоксида серы до диоксида. FeSO4 • 7Н2О (семивод-
ный сульфат железа) при нагревании превращается в одноводный
FeSO4 • Н2О. В обычных условиях FeSO4 ¦ Н2О полностью
обезвоживается при 300 °С. При t > 300 °С сульфаты железа разлагаются по
следующим реакциям:
2FeSO4 ^ Fe2O3 + SO2 + SO3 F.15 3)
Fe2(SO4K 5=* Fe2O3 + 3SO3 F.154)
239

Воздух первичный
Топливо.
Воздух
вторичный
SO:
SO2
на переработку
Fe2O3
Отработанный
сернокислотный
Fe2O3 раствор ^
Упаренный
сернокислотный раствор
t t t
Рис. 6.41. Схема огневой переработки отработанных травильных растворов:
/ — огневой реактор; 2 — циклон-пылеуловитель; 3 — насадочный скруббер-испаритель; 4,
S — насосы
Схема установки огневой переработки отработанных травильных
растворов представлена на рис. 6.41.
Установка эксплуатируется следующим образом. В реакторе 1
сжигают топливо, в поток горения продуктов которого распыляют
предварительно упаренный сернокислотный раствор. Серная кислота
и сульфат железа подвергаются термическому расщеплению с
образованием SO2, SO3 и Fe2O3. Запыленный сернистый газ очищается от
пыли в циклоне-пылеуловителе 2, а затем направляется в насадочный
(или другого типа) скруббер-испаритель 3, в котором упаривается
сернокислотный раствор. Упаренный раствор насосом 4 подается в
огневой реактор.
Следует указать, что при 60—70 % содержании воды в исходном
растворе после упаривания при / = 950—1000 °С оно снижается до
35—40 %. Содержание SCh в сухом сернистом газе не менее 7 %.
Второй побочный продукт — порошкообразный оксид железа может
быть использован для изготовления красящих пигментов, ферритных
и полирующих порошков, для изготовления активных катодных масс
и в других целях.

Глава 7
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
СТОЧНЫХ ВОД
7.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Биологический (или биохимический) метод очистки сточных вод
применяется для очистки производственных и бытовых сточных вод
от органических и неорганических загрязнителей. Данный процесс
основан на способности некоторых микроорганизмов использовать
загрязняющие сточные воды вещества для питания в процессе своей
жизнедеятельности.
Основной процесс, протекающий при биологической очистке
сточных вод, — это биологическое окисление. Данный процесс
осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом),
состоящим из множества различных бактерий, простейших водорослей,
грибов и др., связанных между собой в единый комплекс сложными
взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).
Главенствующая роль в этом сообществе принадлежит бактериям.
Очистку сточных вод рассматриваемым методом проводят в
аэробных (т. е. в присутствии растворенного в воде кислорода) и в
анаэробных (в отсутствие растворенного в воде кислорода) условиях.
Сообщество микроорганизмов представлено одними бактериями при
очистке в анаэробных условиях. При очистке в аэробных условиях в
сообществе микроорганизмов развиваются простейшие.
Среди бактерий в очистных сооружениях сосуществуют гетеро-
трофы и автотрофы, которые различаются по своему отношению к
источнику углеродного питания. Гетеротрофы используют в качестве
источника углерода готовые органические вещества и
перерабатывают их для получения энергии и биосинтеза клетки. Автотрофные
организмы потребляют для синтеза неорганический углерод, а энергию
получают либо за счет фотосинтеза, либо за счет хемосинтеза при
окислении ряда неорганических соединений.
Механизм биологического окисления гетеротрофными
бактериями в присутствии растворенного кислорода может быть представлен
следующей схемой: неокисляемые растворимые вещества
241

органические вещества + О2 + N + Р -> микроорганизмы + G.1)
+ СО2 + Н2О+ биологические иеокисляемые растворимые
вещества
микроорганизмы + О2 -> СО2 + Н2О + N + Р + G.2)
+ биологически неразрушаемая часть клеточного вещества
Первая реакция G.1) характеризует окисление органических
загрязнителей и образование новой биомассы. Вторая реакция G.2)
характеризует процесс эндогенного окисления клеточного вещества.
Если окисление в аэробных условиях проходит с участием авто-
трофов, то такой процесс (например, процесс нитрификации) может
быть представлен следующими уравнениями:
5СО2 + 76О2 -» C5H7NO2 + 54NO = 52Н2О + 109Н+ G.3)
+NH+4+195O2+2H2O-->C5H7NQ2+400NO-3+H+ G.4)
В этих уравнениях C5H7NO2 — символ состава органического
вещества образующихся клеток микроорганизмов.
Приведем схему анаэробного процесса, например, схему процесса
метановой ферментации:
органические вещества + Н2О -> СН4 + СОг + G.5)
+ C5H7NO2 + NH+4 + НСО'з
Представленные схемы биологической очистки достаточно часто
встречаются в практике очистки сточных вод, но не исчерпывают всех
возможностей биологического окисления.
Примером последнего могут служить окисление железа и
марганца бактериями. Так, железобактерии получают энергию в результате
окисления солей двухвалентного железа до соединений
трехвалентного железа:
4FeCO3 + О2 + 6Н2О -> 4Fe(OHK + 4СОгТ G.6)
Известны микроорганизмы, которые восстанавливают Fe3+ до
Fe2+,
2FeS2 + 7O2 + 2Н2О -> 2FeSO4 + 2H2SO4 G.7)
4FeSO4 + 02 + 2H2SO4 -> 2Fe2(SO4K + 2H2O G.8)
Fe2(SO4K + 6H2O ** 2Fe(OHK + 3H2SO4 G.9)
Двухвалентный марганец бактерии окисляют до
четырехвалентного состояния:
Мп2+ + 0,5О2 + 20Н" -> МпО2 + Н20 G.10)
242

Кроме растворенных процессов биологического окисления,
микроорганизмы способны окислять ряд органических веществ, таких, как
бензойная кислота, фенол, серосодержащие вещества, анилин и др.
7.2. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ
БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Считается, что оптимальная температура для аэробных процессов,
происходящих в сооружениях биологической очистки, составляет
20—30 °С. В этих условиях сосуществуют разнообразные и хорошо
развитые микроорганизмы. Следует, однако, указать, что для
различных видов бактерий оптимальные температурные режимы лежат в
более широких пределах: от 4 до 85 °С. Относительная
продолжительность окисления t изменяется в зависимости от температуры сточной
воды (Г, °С) следующим образом:
7; °с
t
10
0,67
15
1
20
1,33
25
1,67
30
2,0
Биологическая очистка наиболее эффективна при значениях рН
5—9, причем оптимальной считается среда с рН = 6,5—7,5. При
отклонении рН за пределы 5—9 снижается скорость окисления
загрязнений, в связи с чем следует контролировать и корректировать величину
указанного параметра в сточных водах.
Для того чтобы процесс биологической очистки сточных вод был
эффективным, необходимо обеспечивать в среде достаточную
концентрацию органического углерода (БПК), азота и фосфора. Так, при
обработке городских сточных вод соотношение БЕЖ™™ : N : Р
должно быть не менее 100 : 5 : 1.
Важное значение при биологической очистке сточных вод имеет
уровень питания, за меру которого принимают величину суточной
нагрузки по загрязнениям в пересчете на 1 м3 очистного сооружения, на
1 г сухой биомассы или на 1 г беззольной части биомассы. Используя
эту характеристику в совокупности с другими характеристиками,
можно прогнозировать эффективность процесса биологической
очистки в аэрационных сооружениях.
В аэробных биологических сооружениях концентрация
растворенного кислорода должна быть не ниже 2 мг/л, так как в противном
случае уменьшается скорость утилизации органических загрязнений.
243

В процессах биологической очистки концентрация токсичных
элементов в обрабатываемой воде (например, тетраэтилсвинца,
соединений бериллия, титана, ртути, шестивалентного хрома и др.) не должна
превышать величины ПДК.
7.3. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ
МЕТОДЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
7.3.1. Сооружения почвенной очистки
и биологические пруды
К естественным методам биологической очистки относятся
почвенные методы очистки сточных вод и их очистка в биологических
прудах.
Сооружения почвенной очистки сточных вод имеют
производительность в пределах от 0,5 до 280 000 м3/сут. Их используют в
основном для очистки бытовых сточных вод. Указанные сооружения
подразделяют на малые, к которым относятся фильтрующие колодцы,
фильтрующие траншеи, площадки подземного орошения, площадки
подземной фильтрации и песчано-гравийные фильтры. К
средним — поля подземного орошения и подземной фильтрации.
Наиболее крупными сооружениями являются коммунальные поля
орошения, земледельческие поля орошения и поля наземной фильтрации.
Очистка сточных вод при использовании указанных методов их
обработки происходит под действием почвенной микрофлоры,
солнца, воздуха и под влиянием жизнедеятельности растений. „
В биологических прудах, которые представляют собой
искусственно созданные водоемы, для очистки сточных вод также
используются естественные процессы. Эти сооружения можно использовать и
для глубокой очистки (доочистки) сточных вод, прошедших
биологическую обработку. Существуют пруды с естественной и
искусственной аэрацией.
Глубина прудов с естественной аэрацией обычно не превышает
1 м. Для искусственной аэрации используют либо механические
аэраторы, либо пропускают (барботируют) воздух через слой воды.
Глубина прудов с искусственной аэрацией обычно достигает 3 м. Как
правило, пруды с искусственной аэрацией объединяют в несколько
параллельных каскадов.
В окислительных процессах, протекающих в биологических
прудах, существенную роль играет водная растительность, которая
способствует снижению концентрации биогенных элементов и регулиру-
244

ет кислородный режим водоема. Продолжительность очистки
сточных вод в биологических прудах достаточно велика, о чем
свидетельствуют следующие данные:
Таблица 7.1
Продолжительность очистки сточных вод в биологических прудах
Загрязняющее вещество
Алканы
Арены
Спирты
Фенолы
Альдегиды
Жирные кислоты
Продолжительность
естественной
66
80
40
60
50
44
полного окисления, сут, в прудах
с аэрацией
искусственной
17
24
10
12
12
11
Сточные воды, обработанные в биологических прудах,
рекомендуется дополнительно очищать в отстойных секциях. Для глубокой
очистки стоков воду из прудов необходимо пропускать через
песчаные фильтры.
Биологические пруды обычно используют для очистки сточных
вод заводов органического синтеза, а также нефтехимических
предприятий.
К недостаткам указанных сооружений следует отнести низкую
окислительную способность, сезонность работы, потребность в
больших территориях и др.
Сооружения искусственной биологической очистки обычно
принято делить на три группы по признаку расположения в них активной
биомассы:
1) активная биомасса закреплена на неподвижном материале, а
сточная вода тонким слоем скользит по материалу загрузки
(биофильтры);
2) активная биомасса находится в воде во взвешенном состоянии
(аэротенки, окситенки, циркуляционные окислительные каналы);
3) сочетание первого и второго варианта расположения биомассы
(погруженные биофильтры, биотенки, аэротенки с заполнителями).
Введем понятие активного ила и биопленки. Активный ил состоит
из живых организмов (бактерии, черви, плесневые грибы, дрожжи,
водоросли и др.) и твердого субстрата. Сообщество всех живых
организмов, населяющих ил, называют биоценозом. Он в основном
представлен 12 видами микроорганизмов и простейших. По фазово-дисперсно-
му состоянию активный ил — это амфотерная коллоидная система,
имеющая при рН-4—9 отрицательный заряд.
245

Элементный состав различных активных илов достаточно близок.
Например, химический состав активного ила системы очистки
коксохимического завода имеет следующую формулу — C97H199O53N28S2,
завода азотных удобрений—¦ C^Hi^C^^Sg, городских сточных
ВОД — C54H212O82N8S7.
Активный ил используется для очистки сточных вод в аэротенках,
окситенках и подобных сооружениях.
Биоплеика растет на наполнителе биофильтра, она имеет вид
слизистых обрастаний толщиной 1—3 мм и более. Эта пленка состоит из
бактерий, грибов, дрожжей и других организмов. Число
микроорганизмов в биопленке меньше, чем в активном иле.
7.3.2. Биофильтры
Биологические фильтры достаточно широко применяются для
очистки бытовых и производственных сточных вод при их объемном
расходе до 30 тыс. м3/сут.
Л -А
Рис. 7.1. Капельный биофильтр:
/ — дозирующие баки сточной воды; 2—спринклеры; 3 — железобетонная стенка,- 4 —
загрузка биофильтра; 5—подача сточной воды; б — отводящий лоток
246

A-A
Рис. 7.2. Высоконагружаемый биофильтр с реактивным оросителем
По типу загрузочного материала все биофильтры можно разделить
на устройства с объемной и плоскостной загрузкой.
Объемный загрузочный материал состоит из гравия, керамзита,
шлака с крупностью отдельных фракций 15—80 мм, а плоскостной
материал —- из пластмасс, керамики, металла, тканей и др.
Биофильтры с объемной загрузкой делят на капельные (рис. 7.1), высоконагру-
женные (рис. 7.2) и башенные. Биофильтры с плоскостной загрузкой
целятся на категории по типу загрузки: с жесткой засыпной, жесткой
элочной и мягкой. Типы загрузки плоскостных биофильтров
представлены на рис. 7.3.
Расчет капельных и высоконагруженных биофильтров проводят
формуле Яковлева — Файзулиной:
247

в)
Рис. 7.3. Типы загрузки плоскостных биофильтров:
а — кольца Рашига; б—кольца с перегородкой; в—кольца с крестообразной перегородкой;
г — кольца Палля; д — седла Берля; е — седла «Инталокс»; ж—полые цилиндры с
отверстиями; э — жесткая блочная загрузка; и — мягкая загрузка
ктНВ
0'6
G.11)
где Lt и La — БПК соответственно очищенной и поступающей сточной
воды, мг/л; а и C — константы, определяемые экспериментально,
— константа окисления, Н— глубина биофильтра, м; В —
количество воздуха в пересчете на 1 м3 воды, м3/м2, q — гидравлическая
нагрузка, м3/м2 • сут.
Формула G.11) позволяет рассчитать снижение концентраций
загрязнений, описываемых величиной БПК.
Биофильтры с объемной загрузкой используют для полной
биологической очистки. Их производительность по органическим
загрязнениям лежит в пределах 200—800 г БПКПОЛ на 1 м3 объема загрузочного
материала в сутки. Биофильтры с плоскостной загрузкой
применяются для тех же целей, однако их производительность более высокая: она
достигает 2 кг БПКпали/м3 • сут.
248

7.3.3. Аэротенки
Существуют различные классификации аэротенков. В данном
пособии мы будем классифицировать их на аэротенки-вытеснители, аэ-
ротенки-смесители и аэротенки с рассредоточенным выпуском
сточной жидкости (аэротенки промежуточного типа).
Аэротенки используют для полной или частичной очистки многих
видов производственных сточных вод. Основные схемы аэротенков
представлены на рис. 7.4.
В аэротенках-вытеснителях воду и ил подают в начало
сооружения, а смесь отводят в конце его. Эти сооружения имеют один —
четыре коридора. Сточная вода и ил в аэротенках-смесителях подводятся и
отводятся равномерно вдоль длинных сторон сооружения. В
аэротенках промежуточного типа можно рассредоточенно подать либо воду
(обычно применяется на практике), либо ил с отводом смеси
сосредоточенно в конце аэротенка.
Очистка сточной воды в аэротенках осуществляется следующим
образом. Вода после механической очистки смешивается с
циркулирующим активным илом и, пройдя через аэротенк, поступает во
вторичный отстойник. За это время основная масса органических
загрязнений перерабатывается (окисляется) активным илом. Важнейшим
конструктивным элементом каждого аэротенка является система
аэрации, насыщающая обрабатываемую воду кислородом,
поддерживающая активный ил во взвешенном состоянии и обеспечивающая
постоянное перемешивание сточной воды с илом.
Различают три системы аэрации: пневматическая (воздух
нагнетается в аэротенк под давлением), механическая (воздух поступает в
аэротенк при вращении в нем жидкости мешалкой-эратором) и
комбинированные.
а) 6) в)
Рис. 7.4. Схемы аэротенков:
а—вытеснители; 6—смесители; « — с рассредоточенным впуском воды; I—сточная вода;
II — активный ил; III — иловая смесь; 7 — аэротенк
Продолжительность аэрации /, ч, в работающих по принципу
смесителей аэротенках определяется по формуле:
249

f, 4 -A
(lS)'
G.12)
где U и La — БПКполн соответственно очищенной и поступающей
сточной воды, мг/л; S — зольность ила, доли единицы; р — скорость
окисления загрязнений, мг БПКП0ЛН на I г беззольного вещества ила в
1 ч; а—доза ила, г/л.
Продолжительность аэрации в аэротенках-вытеснителях /, ч,
рассчитывают по формуле:
где ф — коэффициент ингибирования продуктами распада активного
ила, г/л (для городских сточных вод ф « 0,07); Со — концентрация
растворенного кислорода, мг/л; ?0 — константа, характеризующая
влияние кислорода, мг О2/л (для городских сточных вод ^о = 0,625);
Ртах — максимальная скорость окисления, мг/г-ч (для городских
сточных вод ртах = 85); Ki — константа, характеризующая свойства
органических загрязнений, мг БПКполи/л (для городских сточных вод
Kj - 33); Кг — коэффициент, учитывающий влияние продольного
перемешивания, равный при полной биологической очистке 1,5 при
I, <15 мг/л и 1,25 при 1, = 30 мг/л.
Остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.
Обычно продолжительность обработки сточной воды в аэротенке
составляет 6—12 ч в зависимости от состава загрязнений. При
проведении очистки в аэротенках биомасса активного ила увеличивается за
счет протекания процессов синтеза клеток и других процессов.
Величину ее прироста теоретически определить невозможно, наибольшую
достоверность имеют лишь экспериментальные данные.
Для очистки производственных
сточных вод применяются все
вышеперечисленные конструкции аэро-
тенков.
Аэротенки-вытеснители
коридорного типа применяют при
начальной БПК не более 500 мг/л. На рис.
7.5 представлена общая
технологическая схема работы аэротенка-вы-
теснителя* а на рис. 7.6 конструкция
указанного устройства,
предназначенного для очистки сточных вод
промышленных предприятий.
Рис. 7.5. Общая технологическая
схема работы
аэротенка-вытеснителя:
1 — подача сточных вод; 2 —
циркуляционный активный ил; 3 — смесь
обрабатываемой воды и активного ила; 4 —
коридоры
250

Рис. 7.6. Аэротенк дня очистки сточных вод химико-фармацевтических
предприятий:
/ — канал осветленной воды; 2 — фильтросные трубы; 3 — водовыпускные отверстия;
4 — распределительный лоток; 5— водослив; 6 — затвор; 7 — воздухопровод
В конструкции аэротенка-вытеснителя для обработки
химико-фармацевтических сточных вод использованы фильтросные
трубы. Площадь аэрируемой зоны составляет -50 % общей площади аэ-
ротенка.
Конструктивные размеры рассматриваемого устройства следую-
щие: рабочая глубина —5 м, ширина коридора —6 м, число
коридоров—3, длина аэротенка — 36—66 м.
Аэротенки-смесители применяют для сточных вод с высокой
начальной БПК, а также при резких колебаниях концентрации
загрязняющих веществ в сточной воде.
Конструкция одного из отечественных аэротенков-смесителей
представлена на рис. 7.7.
Аэротенк двухкоридорный. Длина коридора —135 м,
ширина — 9 м, рабочая глубина—5 м. Сточная вода подается в коридор
аэротенка рассредоточение через отверстия в распределительном лотке,
расположенные на расстоянии 40 м друг от друга.
Из аэротенков смесь обработанной сточной воды и активного ила
поступает во вторичный отстойник, где происходит их разделение.
Осевший на дно отстойника ил отводится в специальный резервуар, а
251

6-S
Рис. 7.7. Аэротенк-смеситель:
/— распределительный лоток; 2 — трубопровод опорожнения аэротенков и вторичных
отстойников; J — камера задвижек опорожнения; 4 — лоток активного ила; 5 — регенераторы;
б —коридоры аэротенков; 7—щитовые затворы
очищенная сточная вода поступает на дальнейшую доочистку или
дезинфицируется.
Следует указать, что концентрация иловой массы в аэротенках
составляет 2—5 г/л, расход воздуха 5—15 м3/м3 сточной воды.
Производительность аэротенков лежит в широких пределах: от нескольких
десятков кубометров сточных вод в сутки до 2—3 млн м3/сут.
Для очистки небольших количеств бытовых и производственных
сточных вод (до ~700 м3/сут) используют циркуляционные
окислительные каналы, представляющие собой в плане замкнутые кольцевые
каналы, в которых устанавливают аэраторы.
252

7.3.4. Окситенки
Окситенки — это сооружения биологической очистки, в которых
вместо воздуха используется технический кислород или воздух,
обогащенный кислородом.
Основным отличием окситенка от аэротенка, работающего на
атмосферном воздухе, является повышенная концентрация ила. Это
связано с увеличенным массообменом кислорода между газовой и
жидкой фазами.
Рекомендуемая концентрация ила в окситенках составляет 6—8 г/л.
Возможна работа данного устройства и при более высоких
концентрациях активного ила.
Конструктивная схема окситенка представлена на рис. 7.8. Он
представляет собой резервуар, круглой в плане формы с
цилиндрической перегородкой, которая отделяет зону аэрации от зоны илоотделе-
ния.
В средней части цилиндрической перегородки прорезаны окна для
перемещения иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель, в
нижней части — для поступления возвратного ила в зону аэрации. В зону
аэрации с помощью турбоаэратора подается кислород.
Сточная вода поступает в зону аэрации по трубе. Под
воздействием скоростного напора, развиваемого турбоаэратором, иловая смесь
через окна поступает в илоотделитель, в котором жидкость движется
по окружности; при этом происходит интенсивное отделение и
уплотнения ила. Очищенная вода проходит через слой взвешенного
активного ила, доочищается от различных загрязнений, поступает в
сборный лоток и отводится по трубке. Возвратный активный ил опускается
по спирали вниз и через окна поступает в камеру аэрации.
Расчет окситенков (Г — продолжительность аэрации, ч) проводят
по формуле:
f, Lg-L, G.14)
P*(l-*)*„'
где обозначения те же, что и в формулах G.12) и G.13). Значения
коэффициентов кн установлены экспериментально:
а, г/л.
1
1,8
2
»,з
3
1
5
0,7
8
0,5
10
0,4
IS
0,3
Кроме рассмотренных сооружений биологической очистки для
этих же целей могут быть использованы погружные биофильтры, аэ-
253

Рис. 7.8. Окситеик:
1 — продувочный трубопровод; 2, 5 —задвижки с электроприводом; 3 — электродвигатель;
4 — турбоаэратор; 6 — герметичное перекрытие; 7 — трубопровод для подачи кислорода;
8 — вертикальные стержни; 9 — сборный лоток; 10 — трубопровод дм сброса избыточного
ила; II — резервуар; 12 — окна дм перепуска иловой смеси из зоны аэрации в нлоотделн-
тель, 13 — цилиндрическая перегородка; 14 — скребок; 75 — окна дм перепуска возвратного
ила в зону аэрации; 16 — зона аэрации; 17 — трубопровод дм подачи сточной воды в
зону аэрации; 18 — илоотделитель; 19 — трубопровод для выпуска очищенной воды

ротенки с заполнителями, анаэробные биофильтры. В этих
сооружениях активный ил частично находится во взвешенном состоянии, а
частично — в прикрепленном к материалу загрузки, т. е. онн
занимают промежуточное положение между аэротенками и биофильтрами.
7.4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ
МЕТОДОВ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Установлено, что некоторые микроорганизмы (например,
Pseudomones maltophila, Staphylococus aures, Citrobacter sp. и др.)
хорошо сорбируют ионы таких тяжелых металлов, как хром, свинец, медь,
кадмий, никель, цинк и др.
В качестве примера использования биологического метода
очистки рассмотрим способ очистки сточных вод от хрома, используемый
на одном из отечественных заводов. Биологическая очистка от хрома
протекает только в анаэробных условиях с использованием
специфического активного ила.
Бытовые стоки
В городскую канализацию
Производственные
хромосодержащие
воды
Осветленная вода
й Избыточный
активный ил
Активный ил
Осветленная вода
Рис. 7.9. Технологическая схема сооружений для биологической очистки
хромсодержащих сточных вод цеха металлопокрытий:
/ — усреднитель; 2 — камера смешения,- 3 — отстойник,' 4—биовосстановители;
5—отстойник; 6 — сборный резервуар; 7—городская станция перекачки
255

Принципиальная схема сооружений для биологической очистки
производственных хромсодержащих сточных вод D7 мэ/ч) в смеси с
городскими сточными водами F5 м3/ч) представлена на рис. 7.9.
Производственные сточные воды поступают в усреднитель /, а из
него в камеру смешения 2, где соединяются с бытовыми сточными
водами, поступающими с городской станции перекачки 7. Эти воды
предварительно осветлены в отстойнике 3. В камеру смешения
поступает также специфический активный ил из отстойника 5. Смесь стоков
с активным илом поступают в биовосстановители 4, в которых
осуществляется биологическое восстановление хроматов с образованием
Сг(ОН)з. Разделение осадка и обработанной воды происходит в
отстойнике 5. Осветленная вода перекачивается в'сборный резервуар б
станции перекачивания сточных вод. В эту же емкость сбрасывается
избыточный активный ил с Сг(ОНK из отстойника 5 и осадок
городских сточных вод из отстойника 3. Осевший активный ил в
количестве, необходимом для поддержания в биовосстановителях
концентрации 7 г/л из остойника 5, перекачивается в камеру смешения 2. Из
резервуара 6 насосной станции стоки перекачиваются в городскую
канализацию, откуда они поступают на городские биологические
сооружения, где в первичных отстойниках вместе с осадком
выделяется гидроксид хрома.
Следует указать, что рН смеси сточных вод, поступающей на
очистку, должна быть в пределах 7—8. Продолжительность пребывания
сточных вод в биовосстановителе составляет 1—2 ч. Шестивалентный
хром в обработанных этим способом сточных водах практически
отсутствует. Стоимость очистки хромсодержащих сточных вод
биологическим методом существенно ниже, чем при использовании реа-
гентного метода.
7.5. ПОНЯТИЕ О ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКЕ
(ДООЧИСТКЕ) ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
СТОЧНЫХ ВОД
Как правило, производственные сточные воды после очистки
могут быть использованы для технического водоснабжения. Следует
однако указать, что при спуске сточных вод в водоемы, имеющие
большое народнохозяйственное значение (чаще всего — рыбохозяйствен-
ное), требования к качеству очищенной воды повышаются. В
некоторых технологических процессах, где используется очищенная вода (в
оборотных системах водоснабжения), к ее качеству также
предъявляются повышенные требования. Для обеспечения этих требований
используется доочистка сточных вод, которая применяется для удаления
из обработанной воды активного ила, биопленки, остаточных загряз-
256

нений органического происхождения, поверхностно-активных
веществ, биогенных элементов (азота и фосфора), а также
бактериальных загрязнений.
При глубокой очистке сточных вод достигается следующее.
1. Уменьшается концентрация взвешенных веществ в очищенных
сточных водах.
2. Снижается содержание остаточных органических загрязнений,
ПАВ, а также азота и фосфора.
3. Происходит обеззараживание сточных вод.
4. Обеспечивается возможность насыщения очищенных сточных вод
кислородом при спуске их в водоемы рыбохозяйственного назначения.
В результате доочистки обеспечивается возможность повторного
использования сточных вод практически в любых технологических
процессах, а также удаляются практически все вредные вещества, что
позволяет сбрасывать очищенные воды в. любые водоемы.
Для глубокой очистки от взвешенных и растворенных веществ
применяются фильтры различных конструкций с загрузкой из песка,
гравийного щебня, антрацита и пластмассовых гранул.
Эффективность очистки по взвешенным веществам составляет 75—90 %, а по
остаточным органическим загрязнениям — превышает 50 %. Для
глубокой очистки сточных вод от биологически окисляемых загрязнений
применяются также биологические пруды.
Для практически полного уничтожения в очищенных сточных
водах бактерий, вирусов и микроорганизмов используется
обеззараживание (дезинфекция) сточных вод за счет введения в них соединений
хлора, озона и других сильных окислителей.
Биологически неокисляемые загрязнения при доочистке
удаляются из сточных вод, используя сорбционные и ионообменные методы.
Для удаления соединения фосфора из сточных вод используется
метод коагуляции, а для удаления соединений азота — методы отдув-
ки, ионного обмена, электролиза, а также различные химические и
биологические методы очистки.
Для доведения концентрации кислорода в очищенных сточных
водах до требуемых значений, например, при спуске очищенных
сточных вод в водоемы рыбохозяйственного назначения, содержание
растворенного кислорода в них должно быть не менее 6 мг/л (в
очищенных сточных водах эта концентрация составляет 1—3 мг/л), они
дополнительно аэрируются в аэраторах различных конструкций, в том
числе и в водосливах-аэраторах.
В отечественной практике доочищенные сточные воды
применяют в различных отраслях промышленности (за исключением
предприятий пищевой промышленности), а также в коммунально-бытовом
хозяйстве, в частности, для поливки улиц и зеленых насаждений.
9Я123 257

Глава 8
ОБРАБОТКА ОСАДКОВ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
Осадки, образующиеся в процессе очистки сточных вод, весьма
разнообразны по физическим характеристикам и химическим
свойствам. Объем осадков зависит от используемого метода очистки и
количества загрязняющих веществ в сточных водах и составляет 0,5—40 %
от объема очищаемой воды. Осадки обрабатывают с целью их
превращения в безвредные вещества, не загрязняющие окружающую среду.
В ряде случаев рекуперируют ценные компоненты, содержащиеся в
осадках.
8.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ОСАДКОВ
В зависимости от химического состава различают три группы
осадков:
1) из неорганических (минеральных) веществ;
2) из органических веществ с зольностью менее 10%;
3) смеси неорганических и органических веществ с зольностью,
лежащей в пределах от 10 до 60%.
Кроме того, все осадки делятся на инертные и токсичные, а также
на стабильные и нестабильные (загнивающие). Наиболее просто
обрабатываются осадки, состоящие нз неорганических веществ (например,
осадки металлургической н угольной промышленности), а
содержащиеся в них ценные компоненты обычно рекуперируются.
Осадки второй и третьей группы весьма разнообразны по составу
и свойствам. В связи с этим для их обработки и утилизации
используются различные технологические схемы.
Рассмотрим классификацию осадков, предложенную И.С.
Туровским. Он указывает, что «осадки сточных вод — это суспензии,
выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической и
физико-химической (реагентной) очистки», и приводит следующую
классификацию: грубые примеси (отбросы), задерживаемые
решетками; тяжелые примеси (песок), задерживаемые песколовками;
плавающие примеси (жировые вещества), всплывающие в отстойниках; сы-
258

рой осадок — суспензия, включающая, в основном, оседающие
взвешенные вещества, которые задерживаются первичными
отстойниками; активный ил, задерживаемый во вторичных отстойниках,—
комплекс микроорганизмов коллоидного типа с адсорбированными и
частично окисленными загрязнениями, извлеченными из сточных вод
в процессе биологической очистки; осадок анаэробно сброженный в
осветителях-перегнивателях, двухъярусных отстойниках и метатен-
ках (анаэробному сбраживанию может подвергаться осадок из
первичных отстойников или его смесь с избыточным активным илом);
аэробно стабилизированный активный ил или его смесь с осадком из
первичных отстойников в сооружениях типа аэротенков; сгущенный
активный ил в сепараторах; уплотненный активный ил или осадок в
уплотнителях и других аппаратах. Осадки и шламы
производственных сточных вод состоят в основном из неорганических
(минеральных) веществ, причем их химический состав и технологические
свойства варьируются в широких пределах.
Основная часть осадка из первичных отстойников F0—7S %) и
активного ила G0—75 %) — это органические вещества. Велика
бактериальная загрязненность этих осадков. В них встречаются все
основные формы бактериальных организмов: кокки, палочки, спириллы.
Встречаются возбудители желудочно-кишечных заболеваний,
большое количество яиц гельминтов.
Химический состав сухого вещества осадков колеблется в
широких пределах. Сухое вещество сырых осадков имеет следующий
состав (% массы сухого вещества осадка): 35,4—87,8 С, 4,5—8,7 Н,
0,2—2,7 S, 1,8—8 N, 7,6—35,4 О; сухое вещество активного ила
содержит, %: 44,0—75,8 С, 5—8,2 Н, 0,9—2,7 S, 3,3—9,8 N, 12,5-43,2 О. В
осадках содержатся соединения кремния, алюминия, железа, оксидов
кальция, магния, калия, натрия, цинка, никеля, хрома и др. (см. табл.
8.1), а также ряд других соединений и микроэлементов.
Химический
Содержание, %
SiO2
А12О3
Fe2O,
СаО
MgO
К2О
Таблица 8.1
состав минеральной части осадков (по И.С. Туровскому)
Тип осадка
осадок из
первичных ОТСТОЙНИКОВ
8,4—55,9
0,3—18,9
3,0—13,9
П,8—35,9
2,1-4,3
0,7-3,4
активный ил
7,6-33,8
7,3-26,9
7,2-18,7
8,9—16,7
1,4-11,4
0,8—3,9
сброженная смесь осадка
первичных отстойников и активного ила
27,3—35,7
8,7-^9,3
11,4—13,6
12,5—15,6
1,5-3,6
1,8-2,8
259

Продолжение табл. 8.1
Содержание, %
Na2O
SO,
ZnO
CuO
NiO
Сг2О3
осадок из
первичных отстойников
0,8-4,2
1,«-7,5
0,1-0,6
0,1—0,8
0,2—2,9
0,8—3,1
Тип
активный ил
1,9-^8,3
1,5—6,8
ОД—0,3
0,1—ОД
ОД-3,4
0—2,4
осадка
сброженная смесь осадка
первичных отстойников и активного ила
2,6-4,7
3,0-7,2
0,1-0,3
ОД-0,3
0,2—1,0
1,3-1,9
Введём понятие удельного сопротивления осадков фильтрации.
Этот параметр широко используется в химической технологии и
других отраслях промышленности. Удельное сопротивление осадка —
это сопротивление единицы массы твердой фазы, отлагающейся на
единице площади фильтра при фильтровании под постоянным
давлении суспензии, вязкость жидкой фазы которой равна единице.
Указанная характеристика определяет сопротивление фильтрации и
фильтруемость (водоотдачу) осадков. Ее определяют по следующей
формуле:
2PF
(8.1)
где Р — давление (вакуум)» при котором происходит фильтрование;
F—площадь фильтрующей поверхности; \i — динамический
коэффициент вязкости фильтрата; С — масса твердой фазы,
отлагающегося на фильтре при получении единицы объема фильтрата;
Ъ — т/И — параметр, получаемый опытным путем; т — время
фильтрации, V—объем выделяемого фильтрата.
В практических расчетах вместо С вводят переменную С —
концентрацию твердой фазы осадка (кг/м3) и предыдущая формула
записывается в следующем виде:
* (8.2)
В формуле (8.2) удельное сопротивление осадка обозначено
буквой г.
Следует указать, что в системе СИ размерность г — м/кг. При
измерении Ъ в с/см6 и концентрации осадка С в г/см3 величина г
измеряется в см/г.
260

В табл. 8.2 представлены удельные сопротивления некоторых
осадков сточных вод, а в табл. 8.3— зависимость удельного
сопротивления сырых осадков первичных источников от характерных
особенностей сточных вод.
Таблица 8.2
Удельное сопротивление осадков сточныж вод
Тип осадка
Шлам, полученный при нейтрализации
травильных растворов (H2SO4) известью
Шлам, полученный при нейтрализации
гальванических стоков известью
Осадок очистных сооружений Московского
автомобильного завода им. И.А. Лихачева
Осадок очистных сооружений Кунцевского
кожевенного завода
Уплотненный активный ил очистных
сооружений Омского завода синтетического каучука
Влажность, %
63,1—«9,в
95,5—97
94—97
«1,7—95,1
94,4—97,5
Удельное
сопротивление,
г-ИГ", см/г
2,9-6,5
15—45
40—130
130-226
55—90
Таблица 8.3
Зависимость удельного сопротивления сырых осадков первичны ж
отстойников от характерных особенностей сточных вод
Характерная особенность городских сточных вод
Преобладают производственные сточные
воды машиностроительных и металлургических
заводов
Преобладают бытовые сточные воды
Преобладают производственные сточные
воды заводов синтетического каучука
Преобладают производственные сточные
воды текстильных предприятий
Преобладают (более 50 %) производственные
сточные воды разнообразных промышленных
предприятий
Влажность
осадка, %
91—96
94—97
92—95
95—97
93—96
Удельное
сопротивление,
г • ИГ10, см/г
50-300
150-^ЮО
200-^ОЙ
30О-700
ЗОО-ЮОО
Удельное сопротивление осадка зависит от его типа,
гранулометрического состава, электрокинетического потенциала частиц осадка
(^-потенциал) и ряда других факторов.
В отечественной практике обработки осадков удельное
сопротивление обычно принимают в качестве обобщающего параметра,
который позволяет учитывать изменения состава и свойств осадков и мо-
261

жет служить исходной величиной при выборе метода обработки
осадков и расчете соответствующих сооружений. Необходимо выбирать
такие процессы обработки осадков, при которых их удельное
сопротивление не* увеличивалось бы.
8.2. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОСАДКОВ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
Схема указанных процессов представлена на рис, 8.1.
Различные технологические схемы обработки осадков обычно
включают стадию их уплотнения (сгущения). Для предотвращения
загнивания осадков проводят их стабилизацию, после которой осадки
либо захораниваются, либо поступают на утилизацию. Кроме
представленных на рис. 8.1 способов стабилизации, этот процесс может
осуществляться тепловой обработкой, биотермическим разложением,
жидкофазным окислением. Стабилизация осадков также достигается
при добавлении щелочей, при высушивании осадков или при
введении ингибиторов химического происхождения.
При кондиционировании осадков улучшаются их водоотдающие
свойства за счет изменения структуры осадков и форм связи воды. Это
приводит к достаточно эффективному обезвоживанию. В
большинстве случаев кондиционирование является конечным процессом
обезвоживания осадков.
Основные способы обезвоживания осадков представлены на рис.
8.1, причем термическая сушка является заключительным этапом
обезвоживания осадков. Влажность осадков после термической сушки
составляет 5—40 %. Прошедшие термическую сушку осадки легко
транспортируются и утилизируются. Для термической сушки
используют сушилки различной конструкции.
Если в состав осадков входят токсичные примеси, а также если
утилизация осадков технически невозможна или экономически
нецелесообразна, то их ликвидируют, используя различные
технологические процессы, показанные на рис. 8.1. Для малозольных осадков
чаще всего используют процессы сжигания, которые проводят в печах
различной конструкции.
Утилизацию осадков проводят с целью извлечения из них ценных
компонентов, которые могут быть использованы в промышленности
строительных материалов, в качестве кормовых продуктов,
удобрений и др.
262

Уплотнение
Гравитационное
Флотационное
Центробежное
Вибрационное
Фильтрационное
Стабилизация
Анаэробное сбраживание
Аэробная минерализация
Кондиционирование
Обработка минеральными реагентами
Тепловая обработка
Обработка полиэлектролитами
Замораживание
Эле ктрокоагуляция
±
?
?
Обезвоживание
Сушка на иловых площадках
Вакуум-фильтрование
Фильтрование
Центрифугирование
Вибрационное фильтрование
Термическая сушка
Ликвидация
Сжигание в топках
Жидкофаэное окисление
Сброс в накопители
Закачка в пустотные породы
Вывоз на свалки
Утилизация
Сельскохозяйственное
использование
Регенерация ценных продуктов
Произволство стройматериалов
Производство сорбентов
Рис. 8.1. Типовые процессы, применяемые для обработки осадков
производственных сточных вод
СВ. Яковлев указывает, что при переработке инертных осадков
используются следующие технологические схемы:
1) уплотнение, кондиционирование, обезвоживание, утилизация;
2) уплотнение, стабилизация, кондиционирование,
обезвоживание, утилизация;
3) уплотнение, стабилизация, утилизация и другое варианты.
Для переработки токсичных осадков используются:
1) уплотнение, ликвидация;
2) уплотнение, кондиционирование, обезвоживание, ликвидация;
3) уплотнение, кондиционирование, обезвоживание, утилизация и
другие варианты.
263

8.3. УПЛОТНЕНИЕ ОСАДКОВ
Основными способами уплотнения (сгущения) осадков являются
следующие: гравитационное, флотация, центрифугирование,
фильтрование и различные комбинации этих методов.
8.3.1. Гравитационное уплотнение осадков
Наиболее простым методом уплотнения является гравитационное
уплотнение, используя которое уплотняют избыточный активный ил и
сброженные осадки. Продолжительность уплотнения обычно
составляет А—24 ч, а влажность осадков после уплотнения лежит в пределах
85—97 %.
Активный ил уплотняют в илоуплотнителях вертикального и
радиального типов.
К основным недостаткам рассматриваемого метода уплотнения
относятся достаточно большая продолжительность процесса, высокая
влажность осадков после уплотнения, а также значительный вынос
взвешенных веществ из илоуплотнителя. Для уменьшения этих
недостатков используют дополнительные технологические приемы:
коагуляция (чаще всего используют хлорное железо), перемешивание при
уплотнении, совместное уплотнение различных видов осадков, а
также термогравитационный метод.
На рис. 8.2 представлена схема гравитационного уплотнителя со
стержневой мешалкой.
В этом устройстве интенсифицированы процессы перемешивания,
что способствует укрупнению частиц осадка и быстрому их
осаждению. Термогравитационный метод уплотнения основан на нагреве ак-
Рис. 8.2. Гравитационный уплотнитель со стержневой мешалкой:
подача ила; 2 — илоскреб со стержневой мешалкой* 3 — отвод осветленной воды,- 4,
5 — отвод соответственно плавающих веществ и уплотненного осадка
264

тивного ила до 80—90 С и последующей выдержке, что позволяет
снизить влажность активного ила, причем время термообработки
составляет 50—80 мин. Указанный процесс основан на разрушении гид-
ратной оболочки вокруг частиц активного ила и в переводе части
связанной воды в свободное состояние.
8.3.2. Флотационное уплотнение осадков
При флотационном способе скорость уплотнения осадка в 10—15
раз больше, чем при гравитационном, а степень уплотнения выше.
Кроме того, процесс флотационного уплотнения достаточно легко
регулируется за счет изменения технологических параметров.
Применяют импеллерную флотацию, электро- и напорную флотацию, причем
последняя получила наибольшее распространение. Подробно процесс
напорной флотации рассмотрен в разделе «Физико-химические
методы очистки сточных вод».
В зарубежной практике достаточно широкое распространение
получили прямоугольные флотационные илоуплотнители, схема
которых представлена на рис. 8.3.
Устройство эксплуатируют следующим образом. Смешивание
обрабатываемых осадка и воды проводят в камере смешения, откуда
образовавшаяся суспензия направляется в камеру флотации. В этой
камере пузырьки воздуха всплывают вместе с частицами взвешенных
веществ на поверхность, откуда удаляются с помощью транспортера.
На дне камеры флотации установлен второй транспортер,
предназначенный для удаления выпавшего осадка. Часть воды (рабочая
жидкость) циркулирует в системе. При очистке сточных вод используют
План
Разрез
Рис. 8.3. Прямоугольный флотационный илоуплотнитель:
1, 2— подача соответственно осадка и сточной воды; 5 — зона смешения; 4 — щелевой
выпуск; 5 — камера флотации; 6, 7 — скребковые транспортеры; 8 — сборный лоток;
9 — отвод осветленной воды; 10 — отвод рециркуляционной воды; // — отвод выпавшего
осадка; 12—подпитка технической воды; 13 — центробежный насос,- N—подача сжатого
воздуха; 15 — напорный резервуар; 16 — регулятор давления
10 Я-123
265

/ —
Рис. 8.4. Флотационный
уплотнитель периодического
действия:
подача ила; 2 — патрубок; 3 — аинто-
конвейер; 4 — резервуар; 5 — скребок;
перегородка; 7—шне ковый
транспортер; 8 — водослив; 9 — бункер
также флотационные уплотнители периодического действия,
устройство одного из которых представлено на рис. 8.4.
В резервуар флотатора поступает активный ил, смешанный с
водой и насыщенный воздухом. С флотированный ил всплывает на
поверхность, скребком удаляется в бункер и шнековым транспортером
подается на дальнейшую обработку. Осадок, выпавший в флотаторе,
удаляется винтовым конвейером. Иловая вода из флотатора отводится
через водослив.
Существуют и другие конструкции флотационных устройств,
например, флотационные илоуплотнители радиального типа.
8.3.3. Центробежное уплотнение осадков
Для центробежного уплотнения осадков используют центрифуги,
гидроциклоны и сепараторы. Под центрифугированием понимают
процесс разделения неоднородных систем (эмульсий и суспензий) в
поле центробежных сил. Под действием центробежных сил суспензия
разделяется на осадок и жидкую фазу, называемую фугатом. Осадок
остается в роторе, а жидкая фаза удаляется из него.
В отстойных центрифугах со сплошными стенками происходит
разделение суспензий (и эмульсий) по принципу отстаивания, причем
действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы.
В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками
осуществляют процесс разделения суспензий по принципу фильтрования,
причем вместо разности давлений используется действие центробежной
силы.
При центрифугировании повышается скорость разделения
неоднородных систем в поле центробежных сил по сравнению со
скоростью разделения этих систем под действием силы тяжести.
Показатели работы центрифуги зависят от геометрических
размеров ротора, скорости его вращения, диаметра сливного цилиндра,
положения питающей трубы, влажности разделяемого осадка,
плотности и дисперсионного состава его твердой фазы, форм связи влаги с
266

твердыми частицами. Теоретическую производительность осадитель-
ной центрифуги можно определить по следующей формуле:
V? (8.3)
где Q — теоретическая объемная производительность центрифуги,
м3/с; г — радиус ротора, м; со — угловая скорость вращения ротора,
рад/с; 1Р — расчетная длина пути осаждения, м; pi — плотность
твердой фазы, кг/м3; р2 — плотность жидкой фазы, кг/м3; dm — крупность
разделения (наименьший размер частиц, осаждающихся в
центрифуге), м; ц — динамический коэффициент вязкости жидкой фазы, Па • с.
Эффективность задержания сухого вещества осадка (е, %) при
центрифугировании определяется по следующей формуле:
¦100О/., <**>
где СОб.ос, Сое и Сф — концентрации сухого вещества соответственно в
обезвоженном осадке (кеке), исходном осадке и фугате.
Производительность по обезвоженному осадку (кеку), no6.ocj кг/ч,
определяют по формуле:
п = ЮЯнскA00^исх)ре (8.5)
iio6oc ¦ ¦ %
100 -*гЛя
где Яисх — производительность центрифуги по исходному осадку,
м3/ч; №исх — влажность исходного осадка, %; И^ос — влажность
обезвоженного осадка, %; р — объемная масса осадка, т/м3.
Эффективность задержания сухого вещества осадка зависит от
следующих основных параметров:
1) приведенной поверхности осаждения центрифуги (индекс
производительности);
2) продолжительности нахождения осадка в роторе.
Индекс производительности центрифуг определяется из
следующего выражения:
1 = ЕФ9 (8.6)
где F—поверхность сливного цилиндра центрифуги, Ф — фактор
разделения, равный:
ф = ^, (87)
g
267

где ш — угловая скорость вращения ротора, рад/с; г — радиус ротора,
Mi S — ускорение свободного падения, м/с2.
В отечественной практике обезвоживания осадков в системах
очистки сточных вод наибольшее распространение получили
горизонтальные шнековые центрифуги, схема которой представлена на рис.
4.14, а описание работы дано в разд. 4.6.2.
В табл. 8.4 представлены технические характеристики серийных
центрифуг, выпускаемых Сумским машиностроительным
производственным объединением.
Таблица 8.4
Техническая характеристика серийных центрифуг
Техническая характеристика
Расчетная производительность по
исходному осадку, м3/ч
Наибольший диаметр ротора, мм
Рабочая длина ротора, мм
Частота вращения ротора, мин
Габариты центрифуги с
электродвигателем, мм:
длина
ширина
высота
Масса без вспомогательного
оборудования, т
Мощность электродвигателя, кВт
Тип центрифуги
ОГШ 352К-3
350
1000
2800—4250
2530
1850
1075
1,5
20
ОГШ 502К-4
7—14
500
900
2000—2650
2710
1990
1526
1,8
28; 32
ОГШ631К-2
20—40
631
2370
2000
4530
2780
1430
12
100
Оптимальный режим работы одной из центрифуг при
обезвоживании осадка представлен в табл. 8.5.
Таблица 8.5
Оптимальный режим работы центрифуги ОГШ 502К-4
Параметр
Частота вращения ротора, мин
Диаметр сливного цилиндра, мм
Производительность, м3/ч
Эффективность задержания сухого
вещества, %
Влажность осадка после
центрифугирования (кека), %
Показатели центрифугирования
осадка из первичных
отстойников
2000
425
8—10
50-60
73—77
смеси осадка из
первичных отстойников и
активного ила
2300
425
12—14
30—40
80—85
268

Следует указать, что для повышения эффективности задержания
сухого вещества при центрифугировании осадков их обрабатывают
различными химическими реагентами: известью,
фосфоросодержащими веществами (например, суперфосфатом), синтетическими
органическими полиэлектролитами (флокулянтами и др.). Такие способы
сгущения осадков получили обобщенное название реагентного
центрифугирования осадков.
Рассмотрим в качестве примера метод «Карбофлок»,
разработанный немецкой фирмой «Лурги». Метод заключается
центрифугировании осадка, предварительно обработанного известковой суспензией и
углекислым газом. Обрабатываемый осадок смешивается с
известковой суспензией и подается в уплотнитель. Уплотненный осадок
нейтрализуется СОг в сатураторе до образования карбоната кальция,
после чего перекачивается во вторичный уплотнитель, где отстаивается.
Осадок из вторичного уплотнителя с концентрацией сухого вещества
8—12 % обрабатывается на шнековой центрифуге. Обезвоженный на
центрифуге осадок влажностью 55—65 % после термообработки
используют в качестве удобрения, а фугат возвращают в первичный
уплотнитель осадка. Следует указать, что отстоенная в первичном и
вторичном уплотнителях жидкость возвращается на головные очистные
сооружения.
Расход извести на предварительную подготовку осадка в
пересчете на активную часть (по СаО) составляет 15—20 % массы сухого
вещества осадка. К преимуществам рассмотренного способа
центрифугирования следует отнести высокую концентрацию сухого вещества
кека и небольшой расход химических реагентов..
Приведем пример отечественной технологии обработки сточных
вод с использованием центрифуг (рис. 8.5).
Технологическая схема, включающая флотационное сгущение
активного ила с последующим выделением избыточного ила на
центрифугах и использовании фугата в качестве части циркулирующего ила
в аэротенках, применена на станции аэрации Хоста — Кудепста
(Сочи) производительностью 25 тыс. м3/сут сточных вод.
Активный ил из вторичных отстойников 3 возвращается в аэротен-
ки 2, и часть его уплотняется во флотационном резервуаре 7. Подыло-
вая вода 14 из флотатора частично перекачивается в аэротенки, а часть
ее поступает в узел приготовления водовоздушной смеси 8. Сфлоти-
рованный активный ил 9 передается на центрифуги 10. Фугат 13
возвращается в аэротенки. Схемой дополнительно (для
опытно-промышленной проверки) предусмотрена возможность аэробной
стабилизации различных типов осадков с последующим флотационным
уплотнением, центрифугированием и подсушкой на иловых площадках.
269

Рис. 8.5. Схема обработки осадков на станции Хоста—Кудепста:
У — первичные отстойники; 2 — аэротенки; 3— вторичные отстойники; 4, б — активный ил;
5 — очищенная сточная вода; 7 — флотационный резервуар; &—узел приготовления водо-
воздушной смеси; 9 — сфлотированный ил; 10— центрифуги; //—обезвоженный осадок;
12— термосушка; 13 — фугат; 14 — подыловая вода; 15 — стабилизатор; 16—сырой осадок
Флотационное сгущение активного ила производится водовоз-
душной смесью, подаваемой во флотатор под давлением 0,6 МПа.
Сфлотированный активный ил скребками удаляется с поверхности
флотатора в промежуточную емкость, откуда насосами подается на
центрифуги ОГШ—502К-4.
Для выделения избыточного активного ила в количестве 0,9—
1,1 т/сут по сухому веществу на центрифуги направлялось 42,5—
51,9 м3/сут сфлотированного активного ила. Качество воды после
очистки (по показателям «содержание взвешенных веществ» и БПК5)
соответствует требованиям СНиП.
Сепараторы используют для сгущения активного ила и фугата,
получаемого при обезвоживании осадков на шнековых центрифугах.
Тарельчатые сепараторы имеют высокий фактор разделения и дают
относительно чистый фугат. Для исключения забивания
межтарелочного пространства частицами, размеры которых превышают
0,4—0,8 мм, для извлечения более крупных включений перед
тарельчатыми сепараторами устанавливаются сита или барабанные сетки.
Принцип действия тарельчатых сепараторов (рис. 8.6)
заключается ц следующем. Частицы, диспергированные в сепарируемой жидко-
270

л,
Рис. 8.6. Схема устройства и работы тарельчатого сепаратора:
1 — сборник кека; 2 — ротор; 3 — тарелкн; 4 — питающая труба; 5 — сливная труба
сти в межтарелочном пространстве подвергаются действию двух сил,
из которых одна Рп направлена радиально к периферии ротора, а
другая Рп — к центру. Равнодействующая этих сил Р осаждает частицы на
внутренней поверхности пакета тарелок 3. Образующийся осадок
сдвигается центробежной силой к периферии ротора, где либо
накапливается в сборнике 1 и выгружается периодически, либо
выгружается непрерывно через сопла. Осветленная жидкость (фугат)
противоположным потоком выносится к оси вращения сепаратора и выводится
при помощи трубы 5.
По динамическим свойствам современные жидкостные
сепараторы представляют собой центрифуги с высокой скоростью вращения
роторов, при которой создается центробежная сила, позволяющая
выделять за счет центростремительного ускорения частицы диаметром
менее 1 мкм при разности плотностей жидкой и твердой фаз более
3 %. Тонкослойное разделение суспензий на жидкостных сепараторах
устраняет основной недостаток центрифуг — большой вынос
взвешенных веществ с фугатом. Следует однако учитывать, что влажность
осадков, полученных на тарельчатых сепараторах, повышена за счет
задерживания мелких частиц, содержание связанной воды в которых
выше, чем в крупных частицах.
271

В отечественной практике обработки осадков сточных вод чаще
всего используют следующие типы сепараторов АСГ-ЗМ
(производительность до 750 л/ч), СПВ-12 (производительность 2200 л/ч) с ручной
выгрузкой, АСЭ-3 и ВСС-2 (производительность до 10 м3/ч) и ВСВ
(производительность до 7 м3/ч). При обезвоживании активного ила
влажностью 99,4—99,6 % влажность осадка после обработки в
сепараторе составила 88,1—91,4 %, а содержание взвешенных веществ в
фугате было равно 66—212 мг/л.
Для сгущения осадков также используют гидроциклоны (как
напорные, так и открытые), скорость разделения суспензий в которых в
10—20 раз превышает скорость гравитационного уплотнения.
В частности, напорные гидроциклоны применяют для сгущения
осадков и классификации шламов металлургических предприятий.
Для улучшения процесса обезвоживания сгущенные в напорных
гидроциклонах осадки подаются на ленточные фильтры (в том числе и
вакуумные), где происходит дальнейшее отделение воды.
Следует отметить, что для сгущения осадков принципиально
возможно использовать различные схемы и аппараты фильтрования
(например, динамические фильтры — сгустители), однако в практике
обработки осадков они применяются крайне редко.
8.4. АНАЭРОБНОЕ (МЕТАНОВОЕ)
СБРАЖИВАНИЕ ОСАДКОВ
8.4.1. Понятие об анаэробном сбраживании
Анаэробное сбраживание — это процесс разложения
органических веществ до конечных продуктов, в основном метана и
углекислого газа, в результате жизнедеятельности сложного комплекса
микроорганизмов в анаэробных условиях. При проведении этого процесса в
оптимальных условиях указанные газы образуются в количестве
90—95 % от биологически распавшегося органического вещества.
Остальные 5—10 % расходуется на воспроизводство бактериальных
клеток. Рассматриваемый процесс применяют для обработки сырых
осадков из первичных отстойников, избыточного активного ила или для их
смеси.
Анаэробное сбраживание осадков — очень сложный
биохимический процесс, зависящий от многих физических (температура,
концентрация сухого вещества, степень перемешивания, нагрузки по
беззольному веществу, длительность сбраживания) и химических (рН,
272

щелочность, концентрация летучих кислот, элементов питания и
токсичных веществ) факторов.
Смесь метана и диоксида углерода называется биогазом.
Теплота его сгорания составляет 18—24 МДж/м3, а чистого метана —
37,3 МДж/м3.
Еще недавно принимались предложения Баркером теория двух-
стадийного процесса разложения органического вещества, но в
результате проведенных дальнейших исследований эта схема была
отвергнута.
Согласно современным представлениям^ анаэробное метановое
сбраживание включает четыре взаимосвязанные стадии:
1) стадия ферментативного гидролиза нерастворимых сложных
органических веществ с образованием более простых растворимых
веществ;
2) стадия кислотообразования с выделением короткоцепочных
летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот, спиртов, а также водорода
и углекислого газа (кислотогенная стадия);
3) ацетогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов
в уксусную кислоту, диссоциирующую на анион ацетата и катион
водорода;
4) метаногенная стадия — образование метана из уксусной
кислоты, а также в результате реакции восстановления водородом
углекислого газа.
Иногда первые две стадии объединяются в одну, и процесс
рассматривается как трехстадийный.
Процесс гидролиза осуществляется с участием биологических
катализаторов (экзоферментов), которые выделяются в среду
бактериями. В результате этого процесса твердые нерастворимые соединения
переходят в растворенное состояние. Скорость гидролиза зависит от
природы органических веществ и условий его проведения. Часто
общая скорость процесса лимитируется скоростью гидролиза.
Ацетогенная стадия осуществляется двумя группами ацетогенных
бактерий. Первая образует ацетат с выделением водорода из
растворимых продуктов. Ниже приводятся в качестве примера химические
уравнения образования уксусной кислоты из пропионовой и масляной
кислот:
СН3СН2СООН + 2Н2О -> СН3СООН + СО2Т + ЗН2Т (8.8)
СН3СН2СН2СООН + 2Н2О -> 2СН3СООН + 2Н2Т (8.9)
273

Вторая группа ацетогенных бактерий приводит к образованию
уксусной кислоты путем использования водорода для восстановления
СО2:
4Н2 + 2СО2 -> СНзСООН + 2Н2оТ (8.10)
Микробиология этой стадии брожения требует дальнейшего
изучения.
На четвертой (метагенной стадии) метановые бактерии образуют
метан двумя путями — путем расщепления ацетата и
восстановлением углекислоты водородом:
СНзСООН -> СН4Т + СО2Т (8. И)
СО2 + ЗН2 -> CHit + Н2О (8.12)
Первым путем образуется 72 % метана, а вторым —28 %.
8.4.2. Технологические схемы анаэробного
сбраживания осадков
В нашей стране для обработки осадков метатенки используются
начиная с 1928 г. В настоящее время они эксплуатируются в Москве,
Сочи, Ярославле, Череповце и ряде других городов России.
Различают две принципиальные технологические схемы
анаэробного сбраживания — одноступенчатое и двухступенчатое
(многоступенчатое). Эти схемы представлены на рис. 8.7.
5
A
A
4
5
0
7
б)
Рис. 8.7. Принципиальные схемы анаэробного сбраживания:
а — одноступенчатое сбраживание; б — двухступенчатое сбраживание; J — загрузка осадка;
2 — метатенк 1 ступени; J —биогаз; 4 — теплоноситель; 5—выгрузка осадка из метатенка
1 ступени; б — метатенк II ступени; 7—выгрузка сброженного осадка
274

Продолжительность процесса сбраживания в одноступенчатых
метатенках достигает 30—50 сут, а нагрузка по беззольному веществу
составляет 0,7—1,3 кг/м3. Эти устройства эксплуатируются
практически без перемешивания и с небольшим подогревом. Для них
характерен довольно глубокий распад органического вещества, загружаемого
осадка (до 50 %), хорошее расслоение осадка и его уплотнение в
нижней части резервуара. Кроме того, в одноступенчатых метатенках
появляется возможность отделения иловой воды и уменьшаются объемы
сброженных осадков.
Обычные одноступенчатые метатенки представляют собой низко-
нагруженные системы, поэтому их изготовляют в виде емкостей
большого объема, что приводит к высоким строительным затратам.
Для устранения этого недостатка используют высоконагруженные
метатенки, в которых интенсификация процесса сбраживания
достигается за счет хорошего подогрева осадка, создания систем
непрерывного перемешивания для равномерного распределения осадка и
улучшения контактов микроорганизмов со сбраживаемым субстратом и
перехода на непрерывную загрузку (или сокращаются интервалы
между загрузками).
Обычно время обработки осадков в таких метатенках лежит в
пределах 15—20 сут, однако в ряде случаев продолжительность
обработки осадков возможно снизить до 4—7 сут.
Следует однако отметить, что в высоконагруженных метатенках
не происходит расслоения осадка и отделения иловой воды, в связи с
чем технологическая схема предусматривает применение метатенка
II ступени, т. е. переход на двухступенчатое сбраживание.
В отечественной практике в технологическую схему обработки
осадков обычно последовательно включают 2,3 или 4 метатенка в
зависимости от требуемой производительности (табл. 8.6).
Таблица 6.6
Требуемые объемы и число метатеиков для станций аэрации
различной яроизводительиости

Производительность станции
аэрации, тыс.
м3/сут
50
70
100
140
200
280
Меэофильный режим сбраживания
A = 32—35 °С)
объем
метатенков, м1
1100 или 2500
2500
2500 или 5000
5000
5000 или 9000
9000
число
4
4
4
метатенков
или 2
3
или 2
3
или 2
3
Термофильный режим сбраживания
(* = 52—55°С)
объем
метатенков. м3
1100
1100
1100 или 2500
2500
2500 или 5000
5000
число
4
4
метатенков
2
3
или 2
3
или 2
3
275

Продолжение табл. 8.6

Производительность станции
аэрации, тыс.
м'/сут
400
560
800
МеэофильныЙ режим сбраживания
(/ = 32—35 аС)
объем
метатенкоа, м1
9000
число метатенков
4
Термофильный режим сбраживания
(/=52—55 "С)
объем
метатеюсов, м5
5000 или 9000
9000
9000
число метатенков
4 или 2
3
4
Принятые в отечественной практике обработки осадков
технологические схемы, включающие высоконагруженные метатенки,
предусматривают равномерную загрузку осадка во все резервуары
метатенков по напорному трубопроводу.
Одновременно с загрузкой исходного осадка
под гидростатическим давлением
происходит выгрузка из метатенка
сброженного осадка. Подогрев и
горизонтальное перемешивание осадка в мета-
тенке осуществляют острым паром, а
вертикальное перемешивание —
центробежными насосами. Образующийся
биогаз рекомендуется направлять в
котельные очистных сооружений для
сжигания в качестве топлива.
Конструктивно метатенки обычно
представляют железобетонные или
стальные вертикальные резервуары ци-
Р и с. 8.8. Схема метатенка:
/ — трубопровод для подачи осадка в
метатенк; 2 — трубопроводы для
выпуска сброженного осадка;
3—устройство для выпуска газа из мета-
теика; 4 — устройство с мешалкой w t
для перемешивания бродящей массы ЛИНДриЧвСКОИ формы С ЖеСТКИМ Пвре-
осадка; 5 —трубопровод для подвода крЫТИеМ И КОНИЧеСКИМ ИЛИ ПЛОСКИМ
теплоносителя ^
днищем. Схема метатенка
представлена на рис. 8.9.
Гипрокоммунводоканал разработал типовые одноступенчатые
цилиндрические метатенки объемом 1100,2500,5000 и 9000 м3. За
рубежом используют также метатенки других конструкций, например
шарообразной, грушеобразной и яйцевидной формы.
8.4.3. Основы расчета метатенков
Полный расчет метатенка выходит за рамки данного пособия и
изложен в специальной литературе (Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфарб.
Метатенки.— М., Стройиздат, 1991, С. 47—50).
276

В этом разделе мы перечислим основные параметры, которые
должны быть определены при расчете, и приведем примеры
некоторых расчетных формул.
При расчете метатенка определяют следующие параметры.
1. Концентрация сухого беззольного вещества, загружаемого в ме-
татенк осадка 5, кг/м3.
2. Температура сбраживания t, °C.
3. Нагрузка на метатенк по сухому беззольному веществу d, кг/м3 сут.
4. Гидравлическое время пребывания осадка в метатенке
(продолжительность сбраживания) х, сут.
5. Удельный выход биогаза на единицу массы сухого беззольного
вещества загрузки Вуд, м3/кг-сут.
6. Скорость выхода биогаза Д/т, м3/м3 сут.
7. Требуемый объем метатенка V, м3.
8. Общий расход биогаза Вобщ, м3/сут.
Приведем формулы для расчета двух последних параметров:
(8.13)
где Qoc — заданное количество сбраживаемого осадка, мэ/сут;
(8.14)
где Ъ — выход газа на единицу объема метатенка или на единицу
объема сбраживаемого осадка, мэ/м3 (или безразмерная величина).
8.5. АЭРОБНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ
Аэробная стабилизация — это процесс окисления органического
вещества микроорганизмами — аэробами — в присутствии
кислорода воздуха. Для проведения данного процесса обрабатываемые осадки
в течение нескольких суток аэрируют воздухом. В отличие от
анаэробного сбраживания аэробная стабилизация осадков протекает в одну
стадию:
C5H7NO2 + 7О2 -+ ЪСО>? + ЗН2О + ЬГ + NCT3 (8.15)
или
C5H7NO2 + 5О2 -> 5CO2t + 2Н2О + NH3f (8.16)
(NH3 биологически окисляется до NO), где C5H7NO2 — химическая
формула биомассы.
277

16
19'
17
4
Ш-
18 20
11
У
15
Рис. 8.9. Технологическая схема очистки сточных вод с аэробной
стабилизацией осадка и активного ила (Саларская станция аэрации):
У —решетки; 2 — песколовки; J —первичные отстойники; 4 — аэротенки; J — аэробный
стабилизатор; 6 — вторичные отстойники; 7—хлораторная; 8— сброс очищенной воды;
9 — станция перекачки активного ила,* 10—уплотнитель стабилизационной смеси:
11—трубопровод активного ила; 12 — подачв стабилизированного ила; 13 — иловые площадки на
искусственном основании с дренажем; 14 — станция перекачки дренажной воды; IS —
подача дренажной воды на очистку; 16 — котельная; 17—подачв острого пара; 18 — установка
для нагрева осадка острым паром; 19 — трубопровод сырого осадка; 20 — трубопровод по-
дачн осадка в стабилизатор
Процесс аэробной стабилизации осадков подобен процессу
очистки сточных вод в аэротенках при помощи активного ила. Распад
беззольного вещества лежит в пределах от 5 до 50 %. Причем жиры
распадаются на 65—75 %, а белки — на 20—30 %. Следует отметить, что
содержание углеводов не уменьшается. Это связано с образованием
полисахаридов в клетках микроорганизмов. Процесс аэробной
стабилизации может осуществляться как в мезофильной (/ = 10—42 °С), так
и в термофильной (t > 42 °С) области, причем рассматриваемый
процесс практически прекращается при ?<8°С.
Для аэробной стабилизации могут быть использованы любые
емкостные сооружения, существующие на станции, такие,как
переоборудованные отстойники, уплотнители, аэротенки и др.
Эти устройства были рассмотрены в гл. 4 и 7 пособия.
Одна из возможных технологических схем очистки сточных вод
аэробной стабилизацией смеси осадка и активного ила представлена
на рис. 8.9.
278

Рассмотрим работу аэробного стабилизатора, включенного в
данную технологическую схему. В стабилизатор подают нагретый осадок
из первичных отстойников в количестве 1200—1500 м3/сут
влажностью 97 % и избыточный активный ил из верхнего канала аэротенков в
количестве 1200—1300 м3/сут влажностью 98,8—99 % при
соотношении объемов осадка и ила 1:1. Продолжительность аэрации
составляет 6—8 сут с интенсивностью 2,5 м3/м2-ч. Температура
процесса—23—27 °С.
После проведения процесса удельное сопротивление смеси
снижается с F38—980) • 1<Г10 до A5,4—60) • 10~10 см/г, а влажность
стабилизированного ила составляет 98,3-^98,8 %. Наиболее эффективно
процесс аэробной стабилизации осадков может быть применен на
предприятиях очистки сточных вод пропускной способностью до
50 тыс. м3/сут.
8.6. КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ОСАДКОВ
Так как большинство осадков сточных вод представляют собой
трудноразделяемые суспензии, для их успешного обезвоживания
требуется предварительная подготовка—кондиционирование. Цель
кондиционирования — улучшение водоотталкивающих свойств
осадков путем изменения их структуры и форм связи воды.
Известно, что вода может находиться в химической,
физико-химической и физико-механической связи с твердыми частицами, а также
существовать в форме свободной воды. Химически связанная вода
входит в состав вещества и не выделяется даже при термической
сушке осадков. Физико-химической связью удерживается адсорбционная
и осмотическая вода, а физико-механической — капиллярная вода,
вода смачивания и структурная влага,
От условий кондиционирования зависит производительность
обезвоживающих аппаратов, чистота отделяемой воды и влажность
обезвоженного осадка.
Кондиционирование — дорогостоящая операция. В
технологической схеме «уплотнение —• кондиционирование — обезвоживание»
на долю кондиционирования приходится от 40 до 60 % общей
стоимости обработки.
Для кондиционирования осадков используют следующие способы
(перечислены в порядке убывания их распространения в практике
очистки сточных вод): реагентная обработка, тепловая обработка,
жидкофазное окисление, замораживание и оттаивание.
279

8.6.1. Реагентная обработка
Реагентная обработка — наиболее известный и распространенный
способ кондиционирования. Практически все осадки сточных вод, за
небольшим исключением, могут быть обезвожены указанным
способом. При реагентноЙ обработке происходит коагуляция — процесс
агрегации тонкодисперсных и коллоидных частиц, образование
крупных хлопьев с разрывом сольватных оболочек и изменением форм
связи воды, что приводит к изменению структуры осадка и
улучшению его водоотдающих свойств. Для проведения реагентной
обработки используют минеральные и органические соединения —
коагулянты и флокулянты.
Основные минеральные коагулянты, используемые при
реагентноЙ обработке осадков,— это соли железа, алюминия и известь.
Указанные реагенты вводят в обрабатываемый осадок в виде 10 %
растворов. Наиболее эффективным является хлорное железо, которое
обычно применяют в сочетании с известью. Дозы внесения составляют
соответственно 5—8 % и 15—20 % (на сухое вещество обрабатываемого
осадка).
Сульфат двухвалентного железа более дешевый и легкодоступный
реагент, чем хлорид железа, однако эффективность сульфата железа
как коагулянта ниже,чем хлорида. Для получения одинаковой
производительности обезвоживающих аппаратов и влажности
обезвоженного осадка доза сульфата железа должна в 1,5—2 раза превышать
дозу его хлорида.
Известь достаточно часто используется не только в сочетании с
хлоридом железа, на и как самостоятельный коагулянт.
Общими недостатками вышеперечисленных минеральных
реагентов является их дефицитность, высокая стоимость, коррозионность, а
также трудности, возникающие при транспортировке, хранении,
приготовлении и дозировании указанных коагулянтов.
Для кондиционирования осадков бытовых и в особенности
промышленных сточных вод применяют также синтетические
флокулянты, к основным достоинствам которых следует отнести отсутствие
коррозионных свойств, хорошие санитарные условия эксплуатации
сооружений, низкие затраты на транспортировку.
При реагентноЙ обработке используют следующие категории
флокулянтов: катионные, анионные и неионные (неионогенные).
Французские исследователи указывают, что для осадков, содержащих
большое количество органических веществ (зольность 25—50 %),
целесообразно использовать только катионные флокулянты. Для
осадков со средним содержанием органических веществ (зольность
280

55—65 %) следует комбинировать катионные и анионные флокулян-
ты. При малом содержании органических веществ (зольность
65—70 %) следует применять преимущественно анионные
соединения.
Наиболее распространенным и эффективным неионным флоку-
лянтом является полиэтиленоксид (ПЭО) (в технической литературе
чаще всего используется название полиоксиэтилен). Состав его
элементарного звена:
— СН2 — СН — О —
В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные
образцы ПЭО с молекулярной массой (М), лежащей в пределах от 4 • 104 до
5 • 107 (чаще всего с М > 106). Известны и низкомолекулярные аналоги
полиэтиленоксида с М до 4 • 104.
Наиболее известным и часто применяемым в отечественной
практике флокулянтом является полиакриламид (ПДА), представляющий
собой полимер акриламида:
— СН2 — СН — CONH2)n
Молекулярная масса получаемых образцов ПАА находится
обычно в пределах A + 6) • 106. Для аналогичных целей может быть также
использована полистиролсульфокислота
— СН2СН — С6Н4 — SO2OH)n
и другие анионные флокулянты.
В качестве катионных флокулянтов используют полиэтиленамин
(ПЭИ), состоящий из звеньев двух типов:
— СН2 — СН2 — NH —
— СН 2N — СН2 — СН2 — NH2
Высокомолекулярные образы ПЭИ имеют молекулярную массу
порядка D-HI)- 104. Возможно использовать и флокулянт ППС —
полимер пиридиновой соли. Состав элементарного звена ППС:
— СН — C6H3(CH3)N+(CH3)[SO2O — СН3]"
Молекулярная масса ППС колеблется в пределах 104 + 3 * 10б.
11 я-123 281

Для реагентной обработки осадков используют и другие катион-
ные флокулянты. С увеличением молекулярной массы эффективность
действия флокулянта повышается. Флокулянты обычно вводят в
осадки в виде растворов концентрацией 0,01—0,5 % по активной части
сухой массы. Зарубежные исследователи указывают, что хотя стоимость
флокулянтов значительно выше стоимости минеральных реагентов,
однако за счет уменьшения их доз по сравнению с дозами
минеральных реагентов общая стоимость обработки при их применении
сокращается примерно на '/3.
Хорошие результаты при кондиционировании осадков дает
комбинированное применение минеральных коагулянтов и
синтетических флокулянтов. Так, в соответствии с одним из Британских
патентов введение в осадок перед фильтрованием флокулянта в количестве
0,001—0,5 % по сухому веществу в сочетании с неорганическими
коагулянтами'(хлоридом железа, сульфатом железа, сульфатом
алюминия и др.) при дозах 0,5—10 % (по сухому веществу осадка) позволяет
получить обезвоженный на фильтр-прессах осадок влажностью
37-^64 %.
8.6.2. Тепловая обработка
Тепловая обработка осадков — это перспективный метод
переработки органических осадков городских и промышленных сточных вод
с зольностью 30—40%.
При использовании данного метода обрабатываемые осадки
нагревают до 150—200 °С и выдерживают при этой температуре в
закрытой емкости в течение 0,5—2 ч. В результате этой обработки
происходит резкое изменение структуры осадка, около 40 % сухого
вещества переходит в раствор, а оставшаяся часть приобретает хорошие
водоотталкивающие свойства. Осадок после тепловой обработки
интенсивно уплотняется до влажности 92—94 %, причем его объем
составляет 20—30% от исходного объема.
Реакторы, в которых производят тепловую обработку осадков,
обычно представляют собой вертикальные колонны, давление в
которых поддерживается в пределах 2—2,5 МПа. Конструктивные схемы
некоторых реакторов для тепловой обработки представлены на рис.
8.10.
Уплотненные осадки из этих реакторов хорошо обезвоживаются
на вакуум-фильтрах и фильтр-прессах. Установки для тепловой
обработки обычно рассчитывают на производительность по осадку
50—2000 м3/сут.
282

\
Рис. 8.10. Конструктивные схемы реакторов:
/ — подача осадка; 2 — выгрузка отработанного осадка
В процессе тепловой обработки улучшаются фильтрационные
свойства осадков, за счет чего влажность обезвоженных осадков
достигает 40—70%.
К достоинствам рассмотренного метода следует отнести
незагрязненность осадков реагентами и их стерилизации, непрерывность
процесса, компактность установки.
Основными недостатками рассмотренного метода являются
сложность конструктивного оформления и эксплуатации установки.
8.6.3. Жидкофазное окисление
(метод Циммермана)
Данный метод используют для подготовки осадков к
механическому обезвоживанию. При использовании этого метода органическую
часть осадка окисляют кислородом воздуха при 200—300 °С и
повышенном давлении (десятки МПа). Эффективность процесса окисления
283

Рис. 8.11. Технологическая схема установки жидкофаэиого окисления осадков:
1 — подача исходного осадка; 2 — приемный резервуар; 3 — питающий насос; 4—насос
высокого давления; 5, б — теплообменники; 7—реактор; 8 — сепаратор; 9 —
турбогенератор; 10 — компрессор
органической частн осадка может быть охарактернзована нзменением
(снижением) величины ХПК. Обычно ХПК снижается на 50—70 %.
Технологическая схема установки жидкофазного окисления
осадков представлена на рис. 8.11.
Установка действует следующим образом. В приемный резервуар
по трубопроводу 1 подают смесь сырого осадка и избыточного
активного ила, которая нагревается до 45—50 °С. Осадок насосами J, 4
перекачивается через теплообменники 5,6 в реактор 7, причем на входе в
реактор температура паровоздушной смеси составляет 240 °С. Из
реактора смесь продуктов окисления, воздуха и золы направляется в
сепаратор 8 через теплообменник б, в котором часть теплоты
вышеуказанной смеси продуктов передается поступающему на обработку
осадку. Газы, выделяющиеся в сепараторе 8, выбрасываются в
атмосферу или используются в турбогенераторе 9. Осадок из сепаратора
проходит теплообменник 5 и отдает также часть теплоты осадку,
находящемуся в резервуаре. Охлажденный осадок направляется в
уплотнитель, где уплотняется до влажности 95 %, после чего подается на
иловые площадки или на механическое обезвоживание. После
вакуум-фильтров влажность обезвоженного осадка достигает 60%.
8.6.4. Замораживание и оттаивание
При реализации данного метода часть связанной влаги при
замораживании переходит в свободную, пронсходит коагуляция твердых
частиц осадка и снижается его удельное сопротивление (до величины
284

Рис. 8.12. Установка барабанного типа для замораживания и оттаивания
осадка:
/ — подача осадка; 2— поддон; 3 — регулирующий нож; 4 — барабан-испаритель: 5 — нож,-
6 —регулирующий вентиль,* 7 —ороситель; 8 — сквозные отверстия; 9, 11, /5
—трубопроводы холодильного агрегата; 10 — решетка-конденсатор; 12 — компрессор
порядка 0,02 • 10~10 см/г). Процесс проводят в интервале температур
-5-5--1О°С, его продолжительность составляет 50*120 мин.
Разработаны различные технологические схемы установок для
замораживания и оттаивания, однако в отечественной практике этот
метод не получил широкого распространения. Рассмотрим в качестве
примера конструкцию установки барабанного типа немецкой фирмы
«Линде» (рис. 8.12).
Замораживание осадка производится на поверхности
вращающегося барабана 4, который контактирует с исходным осадком,
заполняющим поддон 2. Осадок подается в поддон через трубопровод 1.
Толщина слоя намораживаемого осадка регулируется ножом 3, а
замороженный осадок снимается с поверхности барабана ножом 5.
Оттаивание осадка происходит на наклонной пустотелой решетке со
сквозными отверстиями 10. Из компрессора 12 по трубопроводу У У в решет-
283

ку нагнетается разреженный холодильный агент, отсасываемый из
барабана по трубопроводу 13. Охлажденный газ по трубопроводу 9
через регулирующий вентиль возвращается в барабан.
После оттаивания осадок обычно уплотняется, а затем
подсушивается на иловых площадках. Уплотненные осадки имеют влажность
80—85 %, а после подсушивания на иловых площадках 50—60 %.
8.7. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ ОСАДКОВ
8.7.1. Сушка осадков на иловых площадках
Для обезвоживания осадков могут быть использованы процессы
сушки осадков как на иловых площадках, так и при повышенных
температурах (термическая сушка), а также фильтрование и
центрифугирование.
На иловых площадках или в иловых прудах сушат сброженные в
метатенках осадки. Различают следующие типы иловых площадок: на
естественном основании без дренажа и с дренажем, на искусственном
дренирующем и асфальтобетонном основаниях, каскадные иловые
площадки с отстаиванием и поверхностным удалением иловой воды,
площадки-уплотнители, площадки с механическим основанием.
В практике очистки сточных вод часто используют песчаные
иловые площадки, слой песка которых является первичным
дренирующим материалом и опорой для образующегося кека.
Обезвоживание осадков на иловых площадках осуществляется за
счет протекания следующих процессов: уплотнения и удаления
жидкой фазы через слой осадка и ее удаления с помощью дренажа,
испарения жидкости со свободной поверхности осадка.
Дренажная система традиционных (песчаных) иловых площадок
обычно включает: верхний слой песка высотой 15—23 см, с
эффективным диаметром от 0,3 до 1,2 мм;
слой гравия высотой 20—46 см, с размером зерен от 0,3 до 2,3 см.
Дренажные трубы изготавливают из керамики или пластмассы,
причем срок эксплуатации последних обычно более длителен.
Иловые площадки часто покрывают стеклом, что существенно
улучшает их работу, особенно в условиях холодного и влажного
климата. Устройство стеклянного покрытия позволяет снизить площадь,
необходимую для сушки осадков, приблизительно на V3.
Длительность сушки на открытых иловых площадках изменяется в
зависимости от климатических условий, типа осадка, от того,
подвергался ли осадок кондиционированию и др. Например, на иловых пло-

щадках на естественном основании каскадного типа с отстаиванием и
поверхностным удалением иловой воды на Курьяновской станции
аэрации (Москва) осадок подсыхает до влажности 75—80 % в течение
3—6 лет.
Для интенсификации работы иловых площадок проводят
предварительную промывку труднофильтрующихся осадков очищенной
сточной жидкостью, коагуляцию осадков химическими реагентами, а
также замораживание и последующее оттаивание осадков.
8.7.2. Фильтрование
Для обезвоживания осадков могут быть использованы следующие
устройства: вакуум-фильтры, листовые фильтры, фильтр-прессы,
гравитационные и вибрационные фильтры. Эффективность
обезвоживания на указанных фильтрах, которая определяется количеством
удаленной из осадков связанной воды,представлена ниже (причем общее
количество связанной воды, содержащееся в осадке до его
обезвоживания, принято за 100%):
вакуум-фильтры 80%
листовые фильтры 90%
фильтр-прессы 98%
гравитационные и вибрационные фильтры ........ 60—70%
Рассмотрим особенности применения наиболее
распространенных фильтров для обезвоживания осадков.
Ваккум-фильтры могут быть использованы для обезвоживания
практически любых видов осадков. Для этой цели используют
барабанные, дисковые и ленточные вакуум-фильтры.
Конструктивная схема и циклограмма работы барабанного
вакуум-фильтра непрерывного действия приведена на рис. 8.13.
Данный фильтр представляет собой установку непрерывного
действия.
Барабанный вакуум-фильтр состоит из горизонтального
цилиндрического перфорированного барабана, обтянутого снаружи
фильтровальной тканью. Барабан вращается вокруг своей оси и
приблизительно иа 0,3—0,4 своей поверхности погружен в суспензию
(обрабатываемый осадок), находящуюся в резервуаре. Поверхность
фильтрования барабана разделена по его образующим на ряд прямоугольных
ячеек (обычно 16—32), изолированных одна от другой. Ячейки при
287

Промывные
воды
Суспензия
Сжатый
воздух
Отдувка (IV)
Регенерация
ткани (V)
l. "- Фильтрация
Рис. 8.13. Конструктивная схема и циклограмма работы барабанного
вакуум-фильтра непрерывного действия
движении по окружности присоединяются в определенной
последовательности к источникам вакуума и сжатого воздуха.
Каждая ячейка соединяется трубкой с различными полостями
неподвижной части распределительного устройства и при вращении
барабана проходит последовательно зоны фильтрования (I), просушки
(II), промывки и просушки (III), отдувки (удаления осадка) (IV) и
регенерации ткани (V).
В зоне фильтрования осадок фильтруется под действием вакуума,
а фильтрат отводится в специальный сборник. На поверхности ячейки
образуется осадок. В следующих зонах происходит промывка и
просушка осадка, а в зоне отдувки осадок под действием сжатого воздуха
разрыхляется и отделяется от фильтровальной ткани, после чего он
скользит по поверхности ножа и поступает на дальнейшую обработку.
В зоне регенерации ткань продувается сжатым воздухом в
направлении, противоположном направлению движения фильтрата сквозь
ткань.
В табл. 8.7 представлены основные характеристики
отечественных барабанных вакуум-фильтров, а в табл. 8.8 приведены данные,
характеризующие работу этих устройств при обезвоживании осадков
производственных сточных вод.
288

Таблица 8.7
Технические характеристики отечественных барабанных вакуум-фильтров
Показатель
Площадь
поверхности фильтрования, м2
Диаметр барабана,
мм
Длина барабана, мм
Частота вращения
барабана, мии~'
Объем жидкости в
резервуаре, л
Мощность
электродвигателя привода
барабана, кВт
Марки фильтра
БОУ-5-1,75
5
1762
960
0,13—2
1300
1,1
БОУ-10-2,6
10
2612
1350
0,13—2
2700
2,2
БОУ-20-2,6
20
2612
2702
0,13—2
4200
3
БОУ-40-3-4
40
2612
4400
0,44—1,18
3000
3,3—4,1
БОУ-40-3-7,
БОУ-40-3-8
40
3000
4400
0,15—1,5
3000
4
Таблица 8.8
Показатели работы барабанных вакуум-фильтров
Осадок сточных вод
Станций
нейтрализации
металлообрабатывающих пред*
приятии
Предприятий
обработки цветных
металлов
Цехов
гальванических покрытий
машиностроительных
заводов
Химических
заводов

Нефтеперерабатывающих заводов
Доза хим.
реагентов, % массы
сухого вещества
осадка
—
СаО—2%
ПАА—0,1—0,33
—
FeCl3 или
FeSO4—2—6;
СаО—2—5
Удельная,
производитель*
ность, кг/(м2-ч)
3,5^-5,5
23
20
20—30
16—30
Влажность осадка, %
исходного
84—92
98
95
95
96,4
обезвоженного
66—«7
42
81—85
68^-70
85—87
Для обработки осадков сточных вод металлургических
предприятий, а также предприятий угольной промышленности используют
дисковые вакуум-фильтры, которые состоят из нескольких
вертикальных дисков, насаженных по центру на полый горизонтальный
вращающийся вал на некотором расстоянии один от другого. Каждый
289

Рис. 8.14. Ленточный вакуум-фильтр:
/ — опорная'резиновая лента; 2— приводной барабан; 3 — натяжной барабан;
4—фильтровальная ткань; 5 — натяжные ролики; 6 — лоток для подачи суспензии; 7—форсунки для
подачи промывной жидкости; 8 — вакуум-камеры для фильтрата; 9 — коллектор для
фильтрата; 10 — вакуум-камеры для промывной жидкости; II — коллектор для промывной
жидкости; 12 — направляющий ролик; /1—бункер для осадка
диск имеет с обеих сторон рифленую поверхность и с обеих сторон
покрыт фильтровальной тканью. Под дисками находится резервуар с
разделяемой суспензией, в которую погружены диски. Фильтрат
отводят через полый вал. Обычно общая поверхность фильтрования
составляет 9—100 м2, а количество дисков изменяется от 2 до 12.
Дисковые вакуум-фильтры занимают меньшую площадь, чем барабанные.
Для обезвоживания быстрррасслаивающихся осадков,
преимущественно минерального происхождения, используют ленточный
вакуум-фильтр, схе^ма которого представлена на рис. 8.14.
Фильтр работает следующим образом. Опорная резиновая лента У
с прорезями и бортами перемещается по замкнутому пути при помощи
приводного 2 и натяжного 3 барабанов. Фильтровальная ткань в виде
бесконечной ленты 4 прижимается к опорной резиновой ленте при
натяжении роликами 5. Суспензия (обезвоживаемый осадок) поступает
на фильтровальную ткань из лотка б. В конструкции фильтра
предусмотрена возможность промывки образовавшегося осадка, для чего
используют форсунки 7, из которых подается промывная жидкость.
Фильтрат под вакуумом отсасывается в камеры 8 и через коллектор 9
отводится в сборник. Промывная жидкость также под вакуумом
отсасывается в камеры 10 и через коллектор 11 поступает в другой
сборник. На приводном барабане фильтровальная ткань отходит от
резиновой ленты и огибает ролик 72, при этом осадок отделяется от ткани и
падает в бункер 13.
290

4
Рис. 8.15. Листовой фильтр: Рис. 8.16. Схема действия
1 -фильтровальные элементы; 2-сборный фильтр-пресса ФПАКМ с
коллектор; 3 — виброударное устройство; 4, горизонтальными камерами
б—штуцера дня гтодачн воздуха на
просушку; 5—штуцер для выпуска воздуха; 7 —
паровал рубашка; 8 — штуцер для подачи и
слива осадка; 9—разгрузочное отверстие с
поворотной эаслонкоЙ
Отечественные ленточные фильтры, используемые для обработки
осадков сточных вод, имеют площадь поверхности фильтрования
1,6—10 м2.
Дня обезвоживания различных осадков могут быть также
использованы листовые фильтры. Рассмотрим в качестве примера
конструкцию фильтра типа ЛВАв (листовой вертикальный
автоматизированный с вибровыгрузкой осадка). Его конструкция приведена на рис.
8.15.
Фильтр состоит нз цилиндрического герметичного корпуса с
поворотной заслонкой. Внутри корпуса расположены фильтровальные
элементы (фильтровальные листы), представляющие собой плоские
стальные коробки, обтянутые фильтровальной тканью с
перфорированными боковыми поверхностями. Каждый лист снабжен трубкой
для отвода фильтрата в коллектор.
Осадок подается на фильтр центробежным насосом. Подача
осадка на фильтр прекращается после образования на фильтрующей
поверхности определенного слоя. После этого в фильтр подается сжатый
291

воздух или пар. Одновременно из фильтра удаляется избыток неот-
фильтрованного осадка. Обезвоженный осадок снимается с
фильтровальной ткани после отдувки воздухом или паром.
Листовые фильтры обладают высокой производительностью,
достаточно компактны и позволяют автоматизировать процесс
фильтрования.
Для обезвоживания осадков производственных сточных вод
достаточно часто применяют фильтр-прессы. Различают рамные, с
горизонтальными камерами, автоматизированные (типа ФПАКМ),
ленточные, барабанные и шнековые фильтр-прессы.
В качестве примера рассмотрим использование для
обезвоживания осадков производственных сточных вод фильтр-пресса типа
ФПАКМ (рис. ,8.16) (ФПАКМ — фильтр-пресс автоматический
камерный модернизированный). Фильтры этого типа достаточно
широко используются в практике очистки сточных вод. Площадь
поверхности фильтрования этих фильтров варьируется в пределах от
2,5 до 50 м2.
Он состоит из горизонтально расположенных одна над другой
фильтровальных плит / и фильтровальной ткани 3, протянутой между
ними с помощью направляющих роликов 2. Поддерживающие плиты
4 связаны между собой четырьмя вертикальными стержнями,
воспринимающими нагрузку от давления внутри фильтровальных плит.
Рис. 8.17. Фильтр-пресс ФПАКМ:
/ — верхняя часть плиты; 2 — перфорированный лист; 3— камера дм приема фильтрата;
-/ — нижняя часть плиты в виде рамы; 5 —камера для осадка; б —эластичная
водонепроницаемая диафрагма; 7—фильтровальная ткань; 8, 10, 13— каналы; 9—коллектор для
подачи осадка; II — коллектор для отвода фильтрата и воздуха; 12 — полость для воды
292

Фильтровальная ткань поддерживается в натянутом состоянии
гидравлическими устройствами.
Каждая фильтровальная плита состоит из верхней и нижней
частей (рис. 8.17). Верхняя часть плиты покрыта перфорированным
листом, под которым находится камера для приема фильтрата,
фильтровальная ткань размещается на перфорированном листе. Нижняя
часть, выполненная в виде рамы, образует при сжатии плит камеру для
суспензии и осадка. Между верхней и нижней частями
фильтровальных плит расположены эластичные водонепроницаемые диафрагмы.
Филыр работает следующим образом. В камеру 5 по коллектору 9
подаются осадок и возДух (положение А). По каналам 13 фильтрат и
воздух отводятся в коллектор //.Затем осадок отжимается
диафрагмой, для чего в полость нагнетается вода под давлением (положение
Б). После отжатия осадка плиты раздвигаются (положение В),
передвигается фильтровальная ткань и кек снимается с нее ножами.
В ряде случаев в осадок перед подачей на фильтр-пресс вводят
химические реагенты — хлорное железо, известь, полиакриламид и др.
Показатели работы фильтр-прессов при обработке различных
осадков сточных вод представлены в табл. 8.9.
Таблица 8.9
Показатели работы фильтр-прессов
Осадок сточных вод
Станций нейтрализации
металлообрабатывающих
предприятий
Предприятий обработки
цветных металлов
Тепловых электростанций
Производства
синтетических каучуков
Доза хим.
реагентов, %
ПАА
СаО—2
—
—
Удельная

изводительность, кг/(м2-ч)
36
13—14
72
10—15
Влажность
исходного
88
98
88
97—98
осадка, %

обезвоженного
75
33
40
6У—75
Кроме рассмотренных фильтров, для обезвоживания осадков
сточных вод могут быть использованы гравитационные и
вибрационные фильтры.
8.7.3. Центрифугирование и сепарирование
Обезвоживание осадков можно также осуществлять методами
центрифугирования и сепарирования. Основные особенности этих
методов обработки осадков, а также принцип действия центрифуг и
сепараторов рассмотрены в разд. 8.3.3 настоящего пособия.
293

При обработке осадков на центрифугах их влажность существенно
снижается. Центрифугирование осадков проводят как с добавлением
минеральных реагентов и флокулянтов, так и без них. В частности,
при использовании флокулянтов увеличивается производительность
центрифуги и снижается загрязненность образующегося фугата, а
осадок после центрифугирования имеет меньшую влажность.
Для обработки осадков сточных вод в отечественной практике
используют центрифуги типа ОГШ (схема центрифуги типа ОГШ
представлена на рис. 4.14, а техническая характеристика этих центрифуг в
табл. 8.4). Следует отметить, что влажность обезвоженных после
центрифугирования осадков и эффективность отделения твердой фазы
существенно зависят от состава и свойств осадков, поступаемых на
переработку. Эти положения могут быть проиллюстрированы данными
табл. 8.10, в которой приведены технологические параметры работы
осадительной центрифуги ОГШ-321к-5.
Таблица 8.10
Технологические параметры работы осадителыгой центрифуги
Обрабатываемый осадок
Характерная смесь сырого осадка
и аэробного избыточного ила,
Снех = 32 Г/Л
То же, при Сщ - 51 г/л и с
добавкой фосфоритной муки дозой 10 г/л
Избыточный ил при Cm = 70 г/л с
добавкой фосфоритной муки дозой
25 г/л
L. м'/ч
4
4
4
Ф
1330
2230
¦
1330
с. %
55
49
60
К. %
42
32
19
Условные обозначения:/, — производительность, м3/ч; Ф — фактор разделения;
е — эффективность разделения сухого вещества осадка, %; WK — влажность кека, %.
Существует ряд технологических схем обработки осадков на
центрифугах. В качестве примера рассмотрим представленную на рис.
8.10 схему раздельного центрифугирования сырого осадка первичных
отстойников и активного ила.
Рис. 8.18. Схема раздельного
центрифугирования сырого осадка и
активного ила:
/ — первичный отстойник; 2 — аэротенк; J —
вторичный отстойник; 4 — центрифуги; 5 — выпуск
обезвоженного осадка; 6—трубопроводы фугата;
7—трубопровод возвратного ияа
294

При использовании данной схемы из состава очистных
сооружений исключаются илоуплотнители. На центрифугу подается весь
активный ил или его часть. Фугат сырого осадка сбрасывается в
первичные отстойники, а фугат активного ила используется в качестве
возвратного ила в аэротенках.
Отечественные авторы рекомендуют применять центрифуги для
обработки осадков сточных вод, если пропускная способность
станций составляет 70-^-100 тыс. м3/сут.
Подбор центрифуг осуществляют либо исходя из их
производительности (Пк), либо по количеству исходного осадка (Писх.).
Производительности центрифуги по обезвоженному осадку могут быть
рассчитаны по формуле (8.5).
Примером использования процесса сепарирования может служить
обезвоживание активного ила влажностью 99,4—99,6 %. Для
осуществления этого процесса использовали сепараторы с периодической и
пульсирующей выгрузкой кека. Влажность обезвоженного этим
способом активного ила снижалась до 88,1—91,4%.
8.8. ТЕРМИЧЕСКАЯ СУШКА ОСАДКОВ
8.8.1. Основные понятия
Термическая сушка осадка обычно является заключительным
этапом обработки осадка или этапом подготовки осадка к ликвидации
путем его сжигания. В процессе сушки происходит обеззараживание и
уменьшение массы осадков сточных вод. Термической сушке
подвергают осадки, предварительно обезвоженные на вакуум-фильтрах,
центрифугах или фильтр-прессах.
При высушивании твердого вещества одновременно протекают
два основных процесса: передача тепла для испарения жидкости и
перенос массы внутри твердого вещества и с его поверхности. Факторы,
влияющие на скорость этих процессов, определяют и скорость сушки.
При изучении процесса сушки различают внутренние и внешние
условия. Первые из них связаны с внутренним механизмом потока
жидкости. Наиболее часто рассматриваются капиллярные и
диффузионные потоки жидкости, хотя возможны и другие механизмы
осуществления ее переноса.
Капиллярный поток образуется за счет влаги, содержащейся в
промежутках твердого тела. Эта влага движется под действием сил
тяжести и капиллярных при условии, что в материале имеются проходы
295

v=
для непрерывного потока. Движение влаги через твердое тело может
также осуществляться за счет диффузии пара и жидкости.
Основными внешними переменными, связанными с процессами
сушки, являются температура, влажность, скорость движения
воздуха, степень измельчения твердого материала, перемешивание его,
расположение твердого материала при сушке и метод контакта между
горячими поверхностями и влажным материалом.
Скорость сушки определяется уменьшением влажности материала
dwc за некоторый бесконечно малый промежуток времени dx, т. е.
определяется отношением:
Л/ (8.17)
dx '
Влажность материала wc обычно выражается в %, хотя по
физическому смыслу она должна выражаться в кг/кг (кг влаги на кг сухого
материала). Исходя из этого, скорость сушки выражается в сек или
ч~\ в зависимости от того, в каких единицах измеряется время сушки.
Данные о скорости сушки, полученные с помощью
экспериментальных кривых сушки (описывающих зависимость wc-fz\
изображаются в виде кривых скорости сушки. Эти кривые описывают
зависимость V=flwc). Типичная кривая скорости сушки представлена на
рис. 8.19.
Отрезок АВ на кривой скорости сушки соответствует периоду
прогрева материала, горизонтальный отрезок ВС отвечает периоду
постоянной скорости (I период), а отрезок СЕ — периоду падающей
скорости (II период).
dx
II период! I период
Рис. 8.19. Кривая скорости сушки
296

В первый период процесса сушки свободная влага интенсивно
испаряется с поверхности материала. Влажность на поверхности
материала становится равной гигроскопической в точке С (при первой
критической влажности w^pi) [Гигроскопическая влажность находится на
границе, свободной и связанной влаги в материале. Под свободной
понимают влагу, скорость испарения которой из материала равна
скорости испарения воды со свободной поверхности, а под
связанной — влагу, скорость испарения которой из материала меньше
скорости испарения воды со свободной поверхности.] Испарение
связанной влаги начинается с этого момента. Достижение равновесной
влажности на поверхности материала (внутри материала влажность
превышает равновесную) соответствует точке D. Начиная с этого
момента и вплоть до установления равновесной влажности по всей
толщине материала, скорость сушки определяется скоростью внутренней
диффузии влаги из глубины материала к его поверхности.
Общая продолжительность сушки может быть определена из
следующего выражения:
(8.18)
w.-hl_ +Z3(w._ -w.)la-^ -. ,
N
1 ,+2,3(wKn -wjlg-
где N— скорость сушки в первый период, w\ — начальная влажность,
W2 — конечная влажность, wKn—приведенная критическая
влажность (методика ее определения приведена в монографии
Касаткина А.Г. Основные процессы и аппараты химической
технологии.— М.: Химия, 1973. С. 614), wp — равновесная влажность.
8.8.2. Оборудование для сушки осадков
Существуют различные способы термической сушки:
конвективный, радиационно-конвективный, кондуктивный, сублимационный в
электромагнитном поле. Наиболее распространен в отечественной
практике конвективный способ сушки осадков. При использовании
этого способа тепловая энергия передается высушиваемому осадку
теплоносителем (сушильным агентом), в качестве которого могут
использоваться топочные газы, горячий воздух или перегретый пар.
В сушилках конвективного типа частицы обрабатываемого
материала либо остаются неподвижными при пропускании через их слой
потока сушильного агента (барабанные, ленточные, щелевые и другие
сушилки), либо перемещаются и перемешиваются этим потоком
(сушилки с псевдоожиженным слоем, пневмосушилки).
297

9200
Рис. 8.20. Барабанная сушилка:
/ — горелка; 2—топка; 3— загрузочный желоб; 4 — уплотнение на входе; 5—бандажи;
б— зубчатый венец; 7—уплотнение на выходе; 8—разгрузочное отверстие; 9 —
электродвигатель
В промышленности распространены барабанные сушилки с
прямоточным движением осадка и топочных газов. Общий вид такой
сушилки представлен на рис. 8.20. Эта сушилка имеет цилиндрический
3 2
Рис. 8.21. Принципиальная схема установки со встречными струями для
сушки механически обезвоженных осадков:
/ — разгонная труба; 2 — сопло; 3— камеры сгорания; 4—подача сжатого воздуха; S —
подача воздуха; б—питатеяи-смесители; 7—соединительная пневмотруба; Я—течка;
9—сепаратор воздушно-проходного типа; 10—система отсоса и очистки отходящих газов; 11 —
бункер потового продукта; 12—приемная камера; 13—транспортер обезвоженного осадка
?98

Обезвоженный
осадок
лллллллл
Рис. 8.22. Пневмосушилка фирмы «Раймонд»:
I — печь; 2—вентилятор отсасывающий; 3 — циклон; 4 — раздаточный узел; 5 — шнековый
питатель; 6 — вертикальная труба; 7 — мельница
барабан, установленный с небольшим наклоном A/15—1/50) и
опирающийся с помощью бандажей на ролики. В отечественной практике
используют сушилки диаметром 1—3,5 м и длиной 4—27 м. Барабан
через зубчатый венец приводится во вращение, причем число
оборотов барабана обычно не превышает 5—8 мин. Материал подается в
барабан через загрузочный желоб. В этой сушилке газы,
образующиеся при работе горелки, и высушиваемый осадок движутся
прямотоком, что позволяет избежать перегрева материала. Высушенный
осадок удаляется из аппарата через разгрузочное отверстие в виде
сыпучего полидисперсного материала. Влажность осадков после
обработки в барабанных сушилках составляет 30—40%.
А также используют сушилки со встречными струями газовзвеси,
принципиальная схема которой представлена на рис. 8.21.
В этих сушилках обрабатываемые частицы осадка находятся во
взвешенном состоянии в горячем газовом потоке. Эту гетерогенную
299

Отработанные
газы
Теплоноситель
Рис. 8.23. Сушилка с фонтанирующим слоем:
/ — бункер; 2 — питатель,* 3—сушильная камера; 4— переливной порог,' 5 — решетка;
6—разгрузочное устройство
систему называют газовзвесью. Частицы высушиваемого материала
движутся по соосным горизонтальным трубам навстречу друг другу и
в результате ударной встречи струй вступают в колебательное
движение, проникая из одной струи в другую. При этом увеличивается
суммарная площадь тепло- и массообмена^а счет чего повышается
эффективность сушки осадка. При достаточно высоких скоростях
движения газового потока наблюдается и процесс измельчения
материала.
За рубежом для сушки осадков достаточно широко используют
пневматические сушилки (трубы-сушилки). Сушка осуществляется в
вертикальной трубе длиной до 20 м. Частицы материала движутся в
потоке нагретого «воздуха (или топочных газов), скорость которого
превышает скорость витания частиц и составляет 10—30 м/с.
На рис. 8.22 представлена пневмосушилка фирмы «Раймонд»
(США). Обезвоженный осадок предварительно смешивают с термиче-
300

ски высушенным и направляют в сушильную мельницу.
Измельченный в мельнице осадок поступает в вертикальную трубу, где
высушивается в потоке топочных газов. Высушенный осадок имеет
влажность, не превышающую 10 %. Этот осадок отделяют от отходящих
газов в циклоне и направляют на расфасовку либо сжигают в печи.
Часть обезвоженного осадка шнековым питателем подают в
сушильную мельницу.
Весьма эффективными являются сушилки с фонтанирующим
(псевдоожиженным) слоем. Процессы в псевдоожиженном слое
позволяют значительно увеличить поверхность контакта между
частицами материала и сушильным агентом, интенсифицировать испарение
влаги из материала и сократить (до нескольких минут)
продолжительность сушки. Схема такой сушилки представлена на рис. 8.23.
Сушилка работает следующим образом. Высушиваемый осадок
подается из бункера питателем в сушильную камеру. Сушильный
агент — горячий воздух или топочные газы, разбавленные
воздухом — подается в камеру через отверстия газораспределительной
решетки. Газовый поток подхватывает частицы осадка и поддерживает
их в фонтанирующем (псевдоожиженном) состоянии. Высушенный
осадок удаляется из аппарата через разгрузочное устройство.
Влажность осадка после сушки в таких устройствах составляет 20—30 %,
причем высушенные осадки представляют собой сыпучие зернистые
материалы.
8.9. ТЕРМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОСАДКОВ
8.9.1. Основные положения
Различают следующие термические методы обработки осадков.
1. Окисление органических веществ при температуре выше 700 °С
и давлении ниже 0,2 МПа кислородом воздуха (сжигание).
2. Окисление органических веществ в присутствии катализаторов
при температуре 100—500 °С и атмосферном давлении.
3. Окисление органических веществ в присутствии катализаторов
при температуре 100—500 °С и давлении до 35 МПа.
4. Окисление органических веществ при температуре 100—300 °С,
давлении выше 0,2 МПа и неполном испарении воды — «мокрое»
сжигание или процесс Циммермана (жидкофазное окисление).
5. Разложение органических веществ при температуре 1500—
1700 °С в бескислородной или бедной кислородом среде — пиролиз.
301

Наиболее распространенным в практике переработки осадков
является процесс сжигания. Этот процесс используется в том случае,
если полезные свойства осадков невозможно или экономически
нецелесообразно использовать. При сжигании осадков большинство их
используется как топливо. Основными горючими элементами,
входящими в состав любого топлива, являются углерод, водород и в некоторых
случаях сера. В осадках сточных вод содержатся столь малые
количества серы, что их вклад в процесс горения не является значимым.
Поэтому в большинстве работ, посвященных сжиганию осадков, реакции
горения серы не рассматриваются.
Как известно, реакции горения топлива являются
экзотермическими, т. е. сопровождаются выделением большого количества теплоты.
В идеальном случае реакции горения с участием углерода и водорода
записываются следующим образом:
С + О2 = СО2 + 32,76 МДж/кгС (8.19)
2Н2 + О2 = 2Н2О + 142,2 МДж/кгН2 (8.20)
Обычно в качестве окислителя в процессах горения используется
воздух, хотя в ряде случаев находят применение системы с подпиткой
чистым кислородом. Следует указать, что обеспечить полное
сжигание осадков сточных вод трудно, так как они не отличаются
гомогенностью и содержат значительные концентрации инертных материалов
и воды.
Полное сжигание возможно при обеспечении горючих элементов
топлива требуемым количеством кислорода. В типичных установках
для сжигания осадков сточных вод избыточная подача воздуха
составляет обычно 30—150 % в зависимости от типа используемой печи и
режима ее работы.
Американские исследователи указывают, что процесс сжигания
осадков можно разбить на четыре стадии:
1) температура осадков увеличивается до 100 °С;
2) из осадков испаряется вода;
3) повышается температура водяных паров и воздуха;
4) температура осадков достигает точки воспламенения летучих
веществ.
Теплота, выделяющаяся при сжигании осадков, может быть
утилизирована различными способами: для нагревания и высушивания
сырого осадка, для отопления, для производства электроэнергии и др.
302

8.9.2. Основное оборудование
для термического обезвреживания осадков
При термическом обезвреживании осадков используются
различные типы печей, основные характеристики которых представлены в
табл. 8Л1. Эти печи могут быть использованы и для термической
обработки других видов производственных отходов. Как следует из
представленной таблицы, наибольшей производительностью
обладают циклонные печи и печи с псевдоожнженным слоем.
Таблица 8.11
Сравнительная характеристика показателей работы печей при
термическом обезвреживании осадков (па СВ. Яковлеву)
Тип печи
Температура
газов,
отходящих нэ
камеры
сгорания, °С
Удел
л
нагрузи
рабочего объема по
уннчтожаемо-
му до ПДК
веществу,
кг/м'ч

Коэффициент
избытка воздуха
Недостатки
Камерная
650—900
250
1,08—1,2

Многоподовая
310—520
200-400
1,08—1,2
Барабан-
ная
650—1000
10—80
Низкие нагрузки по массе, гро-
мозкость; высокая
металлоемкость; повышенные требования к
коррозионной устойчивости
материала колосниковой решетки, а
также механизации топочных
устройств; большие капитальные
расходы
Загрязнение газов
органическими продуктами от свежих
порций осадка в верхней части
печи; низкие удельные тепловые
нагрузки; вращающиеся
элементы в высокотемпературной зоне;
использование дорогостоящих
материалов для полого вала н
скребковых мешалок; высокие
капитальные расходы и
эксплуатационные затраты
Самая низкая удельная
нагрузка рабочего объема; разрушение
футеровки и быстрый выход
печи из строя в результате резкой
смены температуры при
вращении печи и эрозии; высокие
капитальные расходы и
эксплуатационные затраты
303

Продолжение табл. 8.11
Тип печи

Распылительная

Циклонная
С псевдо-
ожиженным
слоем
Температура
газов,
отходящих иэ
камеры его*
раиия, °С
650—860
1200
600—850
Удельная
нагрузка
рабочего объема по

уничтожаемому до ПДК
веществу.
80—100
600—850
300—800

Коэффициент
избытка воздуха
U—U8
1,04—1,6
1,04—1,3
Недостатки
Низкая производительность;
сложность в эксплуатации;
высокие капитальные расходы
Необходимость установки
мощных пылеулавливающих
устройств; устройство
дополнительного оборудования для
выгрузки шлака
Неравномерность
распределения и продолжительность
пребывания в слое частиц твердой
фазы; необходимость пылулав-
ливания
В зарубежной практике для сжигания осадков производственных
сточных вод получили распространение многоподовые печи. Схема
одной из таких печей фирмы «Херетоф» (Германия), представлена на
рис. 8.24.
Эта печь состоит из нескольких кольцеобразных полок (подов),
смонтированных одна над другой в цилиндрическом стальном
жаростойком корпусе печи. Внутри корпуса размещено от четырех до
восьми полок. На каждом поде движутся укрепленные на центральном
валу лопасти, перемешивающие осадок. Центральный вал и лопасти
полые. Они охлаждаются циркулирующим под напором воздухом.
Обезвоженный осадок подается в печь через загрузочный люк, и
перемещается вращающимися лопастями с полки на полку навстречу
дымовым газам. Зола из печи через разгрузочный люк поступает в бак
с водой. Выбрасываемые дымовые газы очищаются в скруббере и
отводятся в атмосферу через дымовую трубу.
Более эффективным является сжигание осадков в печах с псевдо-
ожиженным слоем. Рассмотрим в качестве примера установку этого
типа, предназначенную для сжигания осадков на
нефтеперерабатывающем заводе (рис. 8.25).
Подачу обрабатываемого осадка в печь осуществляют с помощью
форсунки. Псевдоожижениый слой в печи создается нагретым
воздухом. Слой инертного носителя находится над решеткой. Для осущест-
304

7// тг±1
Рис. 8.24. Многоподовая печь для сжигания осадков (фирма «Херетоф»):
/, 4— форсунки, 2— скруббер, 3— дымовая труба, 5 — топочное пространство; 6 — труба
для выброса воздуха, 7 — заслонка; 8 — транспортер. 9 — рециркуляционная труба;
10— вентилятор; 11— бак с водой для золы; 12 — насос для золы; 13 — трубопровод для
отвода золы; 14 — трубопровод оборотной воды
вления процесса горения при пуске печи служит запальная горелка 13,
а в процессе работы подача горючего осуществляется через горелку
14.
Очистка газов, отходящих из установки, осуществляется в
циклоне (от частиц золы) и скруббере.
Следует указать, что представленные в табл. 8.12 типы печей
могут быть использованы и для ликвидации жидких горючих отходов
(нефтепродукты и др.) промышленных предприятий, однако
подробное рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данного пособия.
305

Осадки
Рис. 8.25. Установка для сжигания осадков на нсфт«перерабатавающсм заводе:
а —схема установки; б—общий вид камеры сгорания; /— печь с псеадоожнженном
слоем; 2 —воздухоподогреватель; 3 — циклон; -/ — бункера дл* я*1*'* * —скруббер; б
—отстойник дм юлы; 7—дымосос; в — воздуходувка; 9—нас0* Ы—шхщушюя камера;
11— слой инертного носителя; 12—форсунка для осадков; « — запальная горалка;
14—горелка; 15 — решетка
Указанные вопросы подробно рассмотрены в монографии М.Н. Бер-
надинера и А.П. Шурыгина Огневая переработка и обезвреживание
промышленных отходов. — М: Химия, 1990-

Глава 9
ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ
И сточных вод
ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
9.1. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
Гидросфера загрязняется радиоактивными веществами,
имеющими два вида происхождения: естественное и искусственное.
Естественные (природные) радионуклиды либо содержатся как
химические элементы в земной коре (уран, торий) или в атмосфере
(радон), либо образуются там в результате природных ядерных
реакций (уран-233, плутониЙ-239, нептуний-237) и ядерных реакций,
инициированных космическим излучением (тритии, углерод-14,
аргон-41). Осаждаясь атмосферными осадками и вымываясь
поверхностными и грунтовыми водами, естественные радионуклиды попадают
в гидросферу.
Искусственные радиоактивные изотопы образуются в результате
деятельности человека: использование ядерной энергии в военных и
мирных целях, применение радиоактивных веществ в экономике
страны (промышленность, транспорт, сельское хозяйство, медицина, иа-
учные исследования и др.). Радионуклиды — продукты деления
ядерного оружия и выбросы радиационно опасных объектов
накапливаются в окружающей среде, в том числе и гидросфере.
Если загрязнение гидросферы радионуклидами природного
происхождения в силу адаптации к нему живых организмов не вызывает
серьезных опасений в их жизнедеятельности, то значительное
внесение в окружающую среду радионуклидов искусственного
происхождения может негативно влиять на здоровье человека и других живых
организмов окружающей среды. Таким образом, возникает
необходимость снижения в окружающей среде, в частности, в гидросфере
радионуклидов искусственного происхождения. Меры, позволяющие
достичь такого снижения загрязнения воды, следующие: прекращения
ядерных испытаний, совершенствование национального законода-
307

тельства в области использования искусственных радионуклидов,
разработка технических методов и средств, направленных на снижение
таких выбросов в окружающую среду (включая аварийные),
разработка методов очистки питьевой воды от радиоактивных загрязнений.
Радиоактивные вещества естественного (природного)
происхождения в гидросфере. Такие радиоактивные элементы, как уран и
торий, были известны задолго до открытия радиоактивности, они
широко распространены в природе, содержатся в рудах,, горных породах,
почвах, воде рек и морей, в живых организмах. Периоды полураспада
природных изотопов урана и тория столь велики, что они сохранились
в земной коре с момента ее образования.
Изотопы урана и тория являются родоначальниками трех рядов
(семейств), содержащих более 30 радиоактивных элементов. В
старых, не подвергавшихся действию тех или иных химических
реагентов минералах и рудах имеет место радиоактивное равновесие между
родоначальниками семейств — ураном и торием — и продуктами их
распада.
В результате процессов разрушения горных пород, их
выветривания, происходит миграция радиоактивных элементов и нарушается
радиоактивное равновесие. Радиоактивные элементы, отделенные от
материнского радионуклида — урана и тория, постепенно
распадаются. Короткоживущие быстро исчезают, и остаются лишь такие, как
протактиний-231 и радий-226. Долгоживушие радиоактивные
элементы образуют вторичные отложения, например, черные глины и водные
источники, содержащие радий.
Вследствие широкой распространенности радия в природе, в
водоемах в воздухе содержатся продукты его распада — изотопы радона
(эманации) — радон (Jf Rn), торон, 2°Rn(Tn), актион JJ9Rn(An). В
растворимом состоянии в воде находятся продукты распада эманации:
радиоактивные изотопы таллия, свинца, полония и астата.
Кроме урана, тория и продуктов их распада в природе найдены
следующие радионуклиды: калий — 40 (период полураспада —
4,5- 108лет),кальций-48B- 1016лет),рубидий-87F,2- 1010лет),цир-
коний-96 F,2 • 1016 лет), индий-115 F,0 ¦ 10м лет), олово-124
A,5 • 10" лет), сурьма-123 A,0 • 1014 лет), лантан-138 G,0 ¦ 1010 лет),
цезий-142 A,0- 1015 лет), вольфрам-180 B,2- 1017 лет), висмут-209
B,7 ¦ 1017 лет). Среднее содержание естественных радиоактивных
элементов в земной коре составляет около 0,1 % по весу.
Наша планета, как и другие небесные тела и космическое
пространство, — специфическая лаборатория, где осуществляются природные
308

ядерные процессы, приводящие к образованию радиоактивных
изотопов.
В атмосфере Земли в результате взаимодействия космического
излучения (в основном нейтронов и протонов) с компонентами газовой
фазы, главным образом с азотом, появляется радиоактивный
углерод-14:
J4N + I0n = i4C + 1,p (9.1)
Получившиеся атомы отдачи С-14 взаимодействуют с
кислородом, образуя диоксид углерода, содержащий радиоактивный углерод.
Интенсивность космического излучения, очевидно, не менялась в
течение веков. Поэтому в атмосфере Земли непрерывно с одинаковой
скоростью образуется диоксид углерода, его распад также идет с
постоянной скоростью. Вследствие этого в атмосфере всегда содержится
определенная доля радиоактивного диоксида углерода, который
ассимилируется растениями и накапливается в тканях живых растений, а
по трофическим цепям попадает в организм животных и человека. В
гидросферу Земли радиоактивный углерод попадает с атмосферными
осадками и отходами жизнедеятельности живых организмов.
Взаимодействие ядер азота с нейтронами, порожденными
космическим излучением, приводит к образованию радиоактивного изотопа
водорода — трития:
}*N + on = 12С + ]Н (9.2)
В верхних слоях атмосферы протекают следующие химические
реакции, приводящие к образованию трития:
i i 3,H + y (9.3)
42Не + in = 3,Н + ip (9.4)
Взаимодействуя с кислородом, тритий образует радиоактивные
молекулы воды, которые попадают в поверхностные воды, и так же
как радиоактивный диоксид углерода поглощаются растениями и
животными.
В земной коре под воздействием альфа-частиц происходит ряд
ядерных реакций, при которых образуются, в частности, и
радиоактивные изотопы. Примером таких реакций может быть образование
натрия из фтора:
I99F + 42Не(а) = f,Na + in (9.5)
309

Подобных реакций происходит в земной коре немало, однако
накопление радионуклидов, образующихся в результате этих реакций,
ничтожно мало.
Взаимодействие альфа-частиц с ядрами многих элементов
(кислорода, хлора, бериллия и др.) приводит к образованию нейтронов:
l|O(a,n) foNe, 4Ве(а,п) ^С. Таким образом, альфа-излучающие
элементы — уран и торий — являются источниками нейтронов в
природе. Нейтроны в природе выделяются также в результате спонтанного
деления ядер урана-235, открытого в 1940 г. Флеровым и Петражаком.
Период полураспада при спонтанном делении урана-235 равен 1015
лет.
Нейтроны действуют практически на все химические элементы с
образованием радиоактивных изотопов, большинство из которых
имеет малые периоды полураспада и не накапливается в земной коре.
Однако некоторые радиоактивные изотопы находятся в земной коре
именно благодаря ядерным реакциям химических элементов с
нейтронами. Так, из дейтерия и лития образуется тритий. Из ура-
на-238 — плутоний-239 с периодом полураспада, Тщ 2,4 • 104 лет:
238П/ч239|т 239
238П/ч239|т 239vi ^
92 U\n) 92 UTI/2=23,5 кии ~* 93 Р|РТ1/2=2.33 дня ~~* 94
При взаимодействии урана-238 с нейтронами образуется долгожи-
6
лет:
вущий изотоп нептуний-237, имеющий период полураспада 2,2 • 106
238 f Тг_ ~ ч 237? т _ 237VI-
92 U(n,2n) n uTV2=6M нни -> 9з Np
(9-7)
Эта реакция протекает с быстрыми нейтронами. Под действием
нейтронов на торий-232 происходит образование изотопа урана-233,
имеющего период полураспада 1,6 • 105 лет:
232TWfn v\ 233Th * 233Ра i 233
90 inVn>7^ 90 lflTl/2=23,6 нин "^ 91 ГаТ1/2=27,4 дня ~^ 92 U
Таким образом, кроме трития и углерода-14, в земной коре
накапливаются плутоний-239, нептуний-237 и уран-233. Все они
формируют естественную радиактивность гидросферы.
Содержание некоторых естественных радионуклидов в
гидросфере следующее: тритий — 200—900 Бк/м3, бериллий — 0,7 • 10 Бк/м3,
рубидий-87—630 Бк/кг, радий-226 —0,1—4,8 Бк/кг, уран-238 —
2,6—50 Бк/кг, торий-232 — 7—50 Бк/кг.
Радионуклиды естественного происхождения формируют
загрязнение поверхностных сточных вод.
310

Источники искусственных радиоактивных изотопов в
гидросфере. Основные источники искусственных радионуклидов в
поверхностных и сточных водах следующие:
1) радиоактивные выпадения после испытаний ядерного оружия;
2) радиоактивные отходы ядерного топливного цикла (ЯТЦ);
3) радиоактивные сточные воды научно-исследовательских
лабораторий;
4) радиоактивные отходы, возникающие при применении
изотопов в технике и медицине;
5) выбросы радиоактивных веществ при авариях на ядерных
установках.
Радиоактивные выпадения после испытаний ядерного оружия.
Радионуклиды, образующиеся после ядерных испытаний, разделяют
на следующие группы.
1. Продукты деления урана и плутония.
2. Радионуклиды, образующиеся при взаимодействии нейтронов с
конструкционными материалами бомбы и непрореагировавшим
ядерным горючим.
3. Радионуклиды, образующиеся при взаимодействии нейтронов с
окружающей средой (атмосферой, гидросферой, литосферой).
Выход основных радиационно опасных продуктов деления и их
активности приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Выход некоторых продуктов
Радионуклид
«
l9Sr
"Sr
MZr
IO3Ru
l06Ru
mJ
IMCs
137Cs
Ii0Ba
M1Ce
l44Ce
3H
3H
Период полураспада,
сут
50,5
28,6 года
64,0
39,5
368
8,04
13,2
30,2 года
12,8
32,5
284
12,3 года
12,3 года
делении нрн взрыве ндерного оружии
Выход на деление, %
2,56
3,5
5,07
5,2
2,44
2,90
0,036
5,57
5,1*
4,58
4,69
0,01
Выход в результате
синтеза термоядерного
оружия
Активность на 1 Мт,
ПБк 00" Бк)
590
3,9
920
1500
78
4200
32
5,9
4700
1600
190
2,6 х 1<Г3
740
311

После атмосферного взрыва около 50% образовавшихся при
взрыве радионуклидов выпадает в район испытаний (радиус около 100
км) на земную и водную поверхность. Остальная часть уходит в
тропосферу и стратосферу. В тропосфере аэрозольные, радиоактивные
частицы находятся около 30 суток, в течение которых выпадают на
землю. Это, как правило, радионуклиды с периодами полураспада от
нескольких суток до двух месяцев: m J, 140Ba, 89Sr. В стратосферу уходит
большая часть радионуклидов, которые глобально перемешиваются в
стратосфере и затем долгое время выпадают в различном количестве
на различные участки поверхности земного шара. Поэтому
глобальные выпадения из стратосферы в основном определяются долгоживу-
щими продуктами деления — l37Cs, ^Sr, 3H и др.
В результате испытания ядерного и термоядерного оружия
образовалось 2,4 х Ю20 Бк трития (природно содержание 2,5—5,2 х Ю12 Бк, и
он в форме тритиевой воды из стратосферы попал в гидрологический
цикл земного шара), стронция-90—6 х 1017 Бк, цезия-137—9 х 1017
Бк. Количество непрореагировавшего плутония-239,
освобождающегося при взрыве мощностью 20 кг, составляет примерно 1013 Бк.
«Ядерное горючее» включает уран-235, уран-233, уран-238, плу-
тоний-239. При детонации термоядерных бомб, а также при делении
урана-238 образуется огромное количество быстрых и тепловых
нейтронов, которые вступают в следующие реакции с радионуклидами,
составляющими ядерное оружие: 233U(n,y) 234U; 235U(n,y) 236U; 237U(b,y)
238U; 239Pu(n,y) 240Pu, и конструктивными материалами бомб: 28Al(n,y)
29А1; 55Мп(п,у) 56Mn; "Fefoy) 55Fe; 58Fe(n,y) 59Fe; 180W(n,y) I81W;
184W(n,y) !85W; !86W(n,y) 187W.
При взаимодействии нейтронов с веществами, формирующими
атмосферу, наибольшее значение имеют реакции, протекающие на
ядрах азота и аргона с образованием радиоактивного изотопа аргона-41
и углерода-14. В воздухе в период испытаний ядерного и
термоядерного оружия образовалось 220 ПБк углерода-14 (природное
образование-1 ПБк).
При взаимодействии тепловых нейтронов с ядрами элементов
земной коры, пресных и океанических вод образуются такие
радионуклиды, как кремний-31, железо-59, кальций-45, натрий-24, калий-42, фос-
фор-32, марганец-56, медь-64.
Вклад каждого вида активности в суммарную активность после
взрыва неравноценен. Наибольшая доля активности взрыва
сосредоточена в осколках деления, затем располагаются по убыванию актив-
312

ности продукты активации земной коры, морской воды, воздуха и
пресной воды (табл. 9.2). <
Таблица 9.2
Соотношение между различными видами активности носле взрыва
бомбы мощностью 1 Мт
Излучатель
Осколки деления G,2 х 1025
делений)
U из реакции (п, 2п) на UIU при
количестве нейтронов 1025
Активированные элементы
в земной коре
в морской воде
в пресной воде
в воздухе
Активность после взрыва, ПБк
через 1 сут
через 7 сут
через 50 сут
1,5 х 105
7,5 х 104
3,7 х 103
3,7 х 102
3,7
37
1,5 х 104
3.8 х 104
52
15
1.9 х 10
0,74
1,5 х 103
22
37
74
3,7 х Ю
0,74
Относительные количества изотопов, поступающих после
проведения ядерных взрывов в поверхностные воды в нерастворимой
форме, различные для различных типов взрывов. Так, максимальное
количество радионуклидов в нерастворимой форме образуется при
наземных ядерных взрывах. При надводных, подводных и воздушных
ядерных взрывах, наоборот, максимальную долю составляют
радионуклиды, переходящие в раствор, т. е. находятся в нем в форме
растворимых соединений.
Растворенные в воде радиоактивные вещества вступают во
взаимодействие с окружающей средой и могут находиться в
поверхностных водах в следующих основных состояниях:
1. Ионно-дисперсное состояние (простые и комплексные,
положительно и отрицательно заряженные, мономерные и полимерные
ионы);
2. Молекулярное состояние (незаряженные и нейтральные моле*
кулы);
3. Псевдоколлоидное состояние (изотоп адсорбирован на
коллоидных загрязнениях с размером части 0,1 мкм—1 нм);
4. Коллоидное состояние (изотоп ассоциирован с частицами,
размер которых более 0,1 мкм).
Кроме того, определенная часть радиоактивности может быть
связана с живыми организмами (гидробионтами), обитающими в
водоемах. После смерти живого организма связанная с ним
радиоактивность частично переходит снова в воду, а частично фиксируется в
структуре скелетных остатков.
12 я-123 313

Радиоактивные отходы ядерного топливного цикла. Из
радиоактивных отходов, образующихся при мирном использовании
атомной энергии, наибольшее значение имеют отходы ЯТЦ. Ядерный
топливный цикл представляет собой комплекс технологических
процессов, который начинается с технологии добычи урановой воды, затем
руда проходит стадию ее отделения от пустой породы, в дальнейшем
получают урановый концентрат, который после обогащения,
конверсии и очистки поступает на изготовление топливных элементов для
атомных электростанций (АЭС), обработанное на АЭС топливо
поступает на хранение сроком до 10 лет, затем это топливо
перерабатывается и вновь поступает в технологию ЯТЦ, на предприятия обогащения
конверсии, очистки или изготовления топливных элементов, а
негодное для этого часть топлива в концентрированном виде поступает на
захоронение, которое осуществляется в приповерхностных
хранилищах, пустотах пород или в глубоких геологических хранилищах.
Встречающиеся в природе радиоактивные изотопы присутствуют
уже на ранней стадии цикла, который включает в себя ряд операций
(добычу, переработку урановых руд, подготовку ядерного топлива и
разделения изотопов различными методами, изготовление топливных
элементов, работу реактора). В процессе добычи урана и тория
образуются пыль, растворимые соединения и газы. Радиоактивными
изотопами, сопровождающими эту операцию, являются продукты распада
урана и тория.
Отходы производства тепловыделяющих элементов из
естественного урана по характеру можно подразделить на три типа: жидкие,
горючие твердые и негорючие твердые. К жидким относятся
разбавленные растворы кислот, используемых для очистки металла и травления.
Удельная активность жидких и твердых отходов обычно невелика и в
некоторых странах их сбрасывают в реки и почвы без
предварительной обработки.
Во время работы реактора, если оболочки тепловыделяющих
элементов не повреждены, основными отходами являются
использованные теплоносители (вода, воздух). Радиоактивные изотопы в
теплоносителях образуются при облучении нейтронами материала
теплоносителя, примесей, продуктов коррозии и конструкционных материалов
реактора. Спектр возникающих при этом радиоактивных изотопов
чрезвычайно широк. Наиболее высокоактивные отходы образуются
при обработке облученного топлива, полученного в течение года на
реакторе мощностью 1 ГВт • год электроэнергии: 5 • 107 ГБк (обрезки
активированных оболочек, плутоний), криптон-85—7 • 10б ГБк,
йод-129—37 ГБк, тритий—7- 105 ГБк, углерод-14—7- 102 ГБк.
314

Отходы научно-исследовательских лабораторий весьма
разнообразны по своему химическому составу к спектру применяемых
изотопов. Они включают самые разнообразные формы изотопов, в том
числе такие долго живущие изотопы, как стронций-90 и цезий-137.
Уровень активности отходов обычно составляет менее 3,7-1010 Бк/м3.
В медицине применяются следующие радионуклиды йод-131,
фосфор-32, золото-98, кальций-45, сера-32 и др., активностью
3,7—10,0- 107 Бк.
В технике радиоактивные изотопы используют главным образом в
виде герметизированных источников излучения, например
гамма-дефектоскопия, а также при использовании метода меченых атомов.
Отходы могут иметь активность примерно 3,7 • 107 Бк.
Выбросы радиоактивных веществ при авариях на ядерных
установках. В ядерном топливном цикле АЭС являются звеном
максимальной потенциальной опасности для населения и окружающей
среды. Еще на ранней стадии разработки энергетических ядерных
реакторов были выполнены оценки относительной опасности аварийных
ситуаций на АЭС и ТЭС одинаковой электрической мощности.
Полученные расчетные данные привели к заключению, что при
крупной аварии с оплавлением активной зоны и выходом облака летучих
продуктов деления за пределы территории станции АЭС представляет
собой значительно большую опасность для населения, чем аварийная
ТЭС.
С учетом упомянутых факторов и оценок были разработаны
системы, обеспечивающие надежную работу реактора и безопасность
населения прилегающего района как в нормальных условиях
эксплуатации, так и в аварийных ситуациях. В число таких устройств входят
системы: управления защиты (СУЗ) реактора, контроля
герметичности оболочек твэлов (КТО) и первого контура, дренажа и
спецводоочистки, вентиляции и фильтрации воздуха радиационно-опасной
зоны. Для рассматриваемой проблемы особо важное значение имеют
системы аварийного охлаждения активной зоны ядерного реактора,
ограничения масштаба радиационной аварии на АЭС и локализации
(удержания) летучих продуктов деления, выходящих из активной
зоны.
Высокая потенциальная опасность АЭС обусловлена главным
образом продуктами деления урана, накапливающимися в активной зоне
работающего энергетического реактора. Группы радионуклидов по
видам излучения, представляющих опасность при аварийных
выбросах на АЭС, представлены ниже:
315

U-235
U-236
U-238
Pu-239
Pu-240
Pu-241
Pu-242
Ra-223
Ra-226
Th-232
Np-237
Sr-89
Sr-90
Y-91
Sr-95
Pr-117
Co-57
Co-60
Zn-65
Zr-95
Nb-95
Ru-103
Ru-106
Sb-125
1-131
Cs-134
Cs-137
Ce-141
Ce-144
Оценки относительного вклада других источников
свидетельствуют, что они играют второстепенную роль. До тех пор пока в активной
зоне обеспечен достаточный теплосъем, до 98 % радиоактивных
веществ удерживается в твэлах. Значительный выход этих
радионуклидов за пределы первых защитных барьеров может произойти только в
тех случаях, когда ядерное топливо сильно перегрето и частично
оплавлено. Очевидно, что перегрев топлива может произойти только в
тех случаях, когда поток тепла, генерируемого ураном, окажется
больше снимаемого теплоносителем и передаваемого им в
парогенераторах (ПГ) воде второго контура.
При нормальной работе ядерного реактора такой дисбаланс может
возникнуть либо при снижении скорости теплосъема ниже
допустимого значения (например, при закупорке канала случайным
предметом), либо, наоборот, в результате возрастания энерговыделения и
выхода его за верхний предел диапазона работоспособности системы
теплосъема (например, при переходных процессах управления
реактором). Такие события возможны в ядерном реакторе, однако они, как
правило, затрагивают лишь незначительную часть активной зоны.
При этом из-за перегрева и разрушения некоторых твэлов может
произойти (и действительно наблюдалось) существенное повышение
содержания продуктов деления в первичном теплоносителе. Однако
сохранность других защитных барьеров (и прежде всего целостность
первого контура) препятствует дальнейшему распространению
радионуклидов и выбросу их в окружающую среду. После извлечения
поврежденных негерметичных твэлов воду первого контура очищают с
помощью байпасных фильтров и доводят ее удельную активность до
приемлемого уровня. Предотвращению таких аварий, их обнаруже-
316

нию, локализации и снижению масштаба служат системы СУЗ, внут-
риреакторной технологической дозиметрии, КТО твэлов, фильтрации
(в том числе механической) первичного теплоносителя.
Наихудшая из возможных аварий — разрыв первого контура
(например, трубопровода большого диаметра) с истечением и потерей
всего или значительной части первичного теплоносителя. При этом в
результате недостаточного быстродействия или производительности
систем подпитки и аварийного охлаждения активная зона может
оказаться обезвоженной.
В случае обезвоживания активная зона перегреется и оплавится
под действием остаточного тепловыделения. Первичный
теплоноситель, соприкасаясь с перегретым топливом, переходит в пар и наряду с
облаком газообразных продуктов деления вызывает повышение
давления в боксах и под защитным колпаком ЯЭУ. Если эти помещения
локализации, как их называют в инженерной практике, будут
разрушены, то газообразные продукты деления выйдут во внешнюю среду.
При этом в числе биологически значимых радионуклидов
оказываются не только РБГ, но и радиоактивные изотопы элементов, летучих при
температуре плавления ядерного топлива.
Выход облака газообразных радиоактивных веществ в
окружающую среду может повлечь за собой поражение людей и других радиа-
ционно-чувствительных компонентов экологических систем на
прилегающей местности; вызвать радиоактивное загрязнение
окружающей территории (включая водные объекты), площадь которой зависит
от ряда условий и факторов, в том числе и метеорологических.
Таким образом, источниками радиоактивных сточных вод
являются технологические процессы ядерного топливного цикла,
научно-исследовательские институты и организации, использующие
радиоактивные вещества, медицинские учреждения, специальные прачечные,
осуществляющие обработку спецодежды работающих с
радиоактивными отходами, а также аварии на ядерных установках.
9.2. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ
ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Состояние радионуклидов в растворах в радиохимической
практике решается на основании сопоставления результатов, полученных
одновременно несколькими методами. Важнейшие из них: ионный
обмен, сорбция, десорбция, диализ, ультрафильтрация,
центрифугирование, диффузия, электрохимическое выделение, экстракция,
радиография. Применение этих методов позволяет в первую очередь решить,
317

находится ли радионуклид в грубодисперсионный, коллоидном или
истинно растворенном состоянии, а затем количественно
охарактеризовать его формы. Эти методы выявления состояния радионуклидов
могут оказаться полезными при дезактивации вод, т. е. их очистки от
радиоактивных веществ.
Методы дезактивации поверхностных вод. В целях
дезактивации поверхностных вод для использования их в качестве питьевой
воды наибольшее распространение получили варианты осадительного
способа очистки.
Метод осаждения солями железа и алюминия. Наиболее
распространенные в водоподготовке процессы коагулирования питьевой
воды солями железа или алюминия с последующим быстрым
фильтрованием осветленной воды через песчаные фильтры (основные
методы водоподготовки) относительно эффективны только для удаления
из воды радионуклидов, ассоциированных с твердой фазой
природных вод, а также радиоактивных протонов легкогидролизующихся
элементов (циркония, ниобия, церия и др.). Коагуляция и фильтрация
практически неэффективны для дезактивации воды от растворенных
форм радиоактивности, к числу которых принадлежит наиболее
радиотоксичные изотопы (стронций-90, йод-131, цезий-137 и др.).
Поэтому эти методы не могут эффективно снижать суммарную
активность поверхностных вод.
Метод химического осаждения. Суть метода состоит в том, что в
воду добавляют реагенты для образования нерастворимого осадка,
который, осаждаясь, захватывает с собой микроколичества
радионуклидов, уменьшая тем самым содержание их в воде. К методам
химического осаждения относят методы как используемые в процессах
водоподготовки, например, содовоизвестковое умягчение, так и не
используемое в технологии получения питьевой воды: фосфатная
коагуляция, сульфидное осаждение, осаждение тяжелых металлов и т. д.
(не основные методы водоподготовки).
Причины, вызывающие соосаждение радионуклидов с тем или
иным нерастворимым осадком, а также механизм происходящих при
этом процессов могут быть самыми различными. Чаще всего
соосаждение обусловлено сокристаллнзацией, адсорбцией,
коллоидно-химическими причинами, окклюзией и прямым осаждением.
Сокристаллизация. Необходимым условием процесса сокристал-
лизации является способность микрокомпонента (т. е. радионуклида)
образовывать твердые растворы с соответствующим соединением
макрокомпонента.
318

Образование твердых растворов возможно в трех случаях:
1. Состав обоих компонентов можно представить одной общей
формулой, при этом заряды катионов и анионов сокристаллизующих-
ся соединений соответственно идентичны. Такие вещества называют
истинно изоморфными, т. е. обладающими сходной кристаллической
структурой, и процесс сокристаллизации происходит посредством
замещения ионов, атомов и молекул в кристаллической решетке.
Примером служит система
BaSO4 — SrSO4 — Н2О
2. Состав обоих компонентов можно представить одной общей
формулой, но заряд катионов и анионов различаются в сокристалли-
зующихся соединениях. Например, система SrSO4 — КСЮ4 — Н2О.
Сокристаллизация таких соединений происходит посредством
замещения целых участков кристаллической решетки.
3. Соединения с различными типами химических формул
способны образовывать твердые растворы или так называемые аномальные
смешанные кристаллы (LaF3 — RaF2 — Н2О; NaCl — РЬСЬ —
Природа этого типа сокристаллизации еще недостаточно изучена.
Процесс изоморфной сокристаллизации в зависимости от условий
может приводить к гомогенному или гетерогенному распределению
радионуклида в твердой фазе. В случае гомогенного распределения
устанавливается термодинамическое равновесие между кристаллом в
целом и раствором. Закон распределения микрокомпонента между
твердой и жидкой фазами называется законом Хлопина. Согласно
этому закону, если два сокристаллизующихся вещества (микро- и
макрокомпонента) являются истинно изоморфными, т. е. сходственны по
химическому составу и молекулярной структуре, распределение
микрокомпонента между твердой кристаллической фазой и раствором
происходит в постоянном отношении D к распределению
макрокомпонента. Константа/) называется коэффициентом кристаллизации.
Распределение выражается следующим образом:
х па-х (9.9)
или _ = /) , V";
у Ъ-у
где а — первоначальное количество микрокомпонента; х —
количество микрокомпонента в твердой фазе; Ъ — первоначальное
количество макрокомпонента; у—количество макрокомпонента в твердой
фазе.
Величина D определяет ход процесса кристаллизации и
показывает, во сколько раз отношение между количествами микро- и
макрокомпонентов в кристаллах больше (D > 1), равно (D = 1) или меньше
319

(D < 1), чем аналогичное отношение в равновесном растворе, т. е.
происходит или нет концентрирование радионуклида в твердой фазе.
Константа D зависит от относительной растворимости микро- и
макрокомпонентов, температуры, состава жидкой и твердой фаз,
концентрации распределяющегося компонента.
Гомогенное распределение микрокомпонента между
кристаллическим осадком и раствором достигается в следующих трех случаях.
Во-первых, при длительной многократной перекристаллизации
кристаллов макрокомпонента в его насыщенном растворе, содержащем
микрокомпонент. Во-вторых, при кристаллизации из
перенасыщенного макрокомпонентом раствора при энергичном перемешивании.
В-третьих, при длительной многократной перекристаллизации
смешанных кристаллов в насыщенном растворе макрокомпонента.
Гетерогенное (неравновесное) распределение микрокомпонента
между твердой и жидкой фазами происходит при условии, когда
отсутствует равенство концентраций радионуклида во всех точках
твердой фазы. Такое распределение достигается при медленном
испарении перемешиваемого раствора, содержащего макро- и
микрокомпоненты. При этих условиях рост кристаллов происходит настолько
медленно, что между раствором и растущим отдельным поверхностным
слоем успевает установиться равновесие. После окончания
образования одного слоя начинает образовываться другой и т. д.
Уравнение Дернера—Хоскинса, описывающее неравномерное
распределение радионуклида, имеет следующий вид:
а-х Ъ-у
где а,Ь — первоначальные количества микро- и макрокомпонентов; х,
у— количества микро- и макрокомпонентов, перешедших к данному
моменту кристаллизации в смешанные кристаллы; X— постоянная
кристаллизации.
Бели X > 1, то концентрация микрокомпонента уменьшается в
направлении от центра кристалла к поверхности; при X < 1
концентрация в этом направлении увеличивается. При X = 1 получается
однородный кристалл.
Установлено, что проведение процесса сокристаллизации в
соответствии с логарифмическим законом позволяет полнее выделить
радионуклид из раствора по сравнению с равновесным распределением,
описываемым уравнением Хлопина.
С аномально смешанными кристаллами, имеющими верхнюю
границу смешиваемости, сходны «внутренне-адсорбционные» системы.
320

Их отличительной чертой является зависимость соосаждения
микрокомпонента от наличия в растворах малых переменных количеств
высокозарядных ионов. В данном случае захват радионуклида
происходит в результате адсорбции на растущих гранях кристаллического
осадка при выделении последнего из раствора.
Адсорбия радионуклидов на кристаллических осадках. Соосажде-
ние радионуклида с кристаллическим осадком может происходить в
результате адсорбции. При этом адсорбционный захват
микрокомпонента зависит от величины поверхности осадка. Адсорбционный вид
соосаждения таким образом имеет существенное значение при
образовании осадков с сильно развитой поверхностью. На гетерогенных
кристаллах в зависимости от состояния в растворе радионуклида
может происходить как ионная, так и молекулярная адсорбия.
Различают два вида адсорбции на ионных кристаллических
осадках на границе раздела кристалл-раствор: первичную и вторичную.
Первичная адсорбция, при которой адсорбируемые ионы входят в
состав поверхности осадка, подразделяется на первичную, потенциа-
лобразующую и первичную обменную адсорбцию. В потенциалобра-
зующей адсорбции принимают участие только те ионы, которые могут
входить в кристаллическую решетку осадка, т. е. одноименные или
изоморфные ионы. Для радионуклидов, находящихся в крайне
разбавленном состоянии, этот вид адсорбции играет незначительную роль,
поскольку радионуклиды не могут обеспечить создания достаточного
избытка одного из ионов на поверхности кристаллов,
обусловливающих появление на поверхности заряда и скачки потенциала. Избыток
того или иного иона микрокомпонента на поверхности наблюдается
как в силу неодинакового средства собственных катионов и анионов к
поверхности кристалла, так и из-за избытка одного из ионов в
растворе. Потенциалобразующая адсорбция косвенно имеет большое
значение для адсорбции радионуклидов, поскольку ее величина определяет
общую емкость по отношению к вторичной обменной адсорбции.
Первичная обменная адсорбция представляет собой процессы
кинетического обмена между ионами, находящимися на поверхности, и
собственными, изотопными или изоморфными им ионами раствора.
Величину первичной обменной адсорбции определяет коэффициент
адсорбции (отношение количества адсорбированного радионуклида к
количеству его, оставшемуся в растворе). Установлено, что
коэффициент адсорбции для данного осадка пропорционален массе
адсорбции и уменьшается с увеличением концентрации адсорбируемого
иона в растворе, т. е. выполняется соотношение
321

x (9.11)
1-х' .
гдех — доля адсорбированных изотопных или изоморфных ионов;
1-х
1-х — доля оставшихся изотопных или изоморфных ионов в
растворе; m — молярная концентрация вещества адсорбента в растворе.
При вторичной адсорбции ионы не входят в состав
кристаллической решетки и остаются в прилегающем к кристаллу тонком слое
раствора. Этот вид адсорбции подразделяют на вторичную обменную и
ван-дер-ваальсову адсорбцию.
Вторичная обменная адсорбция происходит во внешней обкладке
двойного электрического слоя, возникающего на границе
кристалл-раствор. На адсорбцию микроколичества радионуклида в
данном случае оказывают конкурентное влияние все ионы,
присутствующие в растворе и имеющие знак заряда, противоположный заряду
поверхности. Величина вторичной обменной адсорбции ионов зависит
от заряда и величины поверхности кристаллического тела, от
величины работы адсорбции, валентности ионов, ионной силы раствора,
концентрации потенциалобразующих ионов в растворе.
В случае ван-дер-ваальсовой адсорбции происходит
одновременно адсорбция по всей поверхности противоположно заряженных
ионов в эквивалентных количествах. В этом виде адсорбции также
наблюдается обмен. Обмениваются электролит в форме молекул или
ионного ассоциата с молекулами адсорбированной воды. Для
микроколичеств радионуклидов обычно считают, что этот вид адсорбции
играет вторичную роль.
В процессах дезактивации питьевых вод адсорбция
радионуклидов в форме ионов на кристаллических осадках — весьма
распространенное явление. Степень дезактивации в основном зависит от
концентрации посторонних и собственных с твердой фазой ионов в растворе.
Однако присутствие в водах органических компонентов существенно
влияет на величину адсорбции радионуклидов.
Дезактивация воды при содово-известковом умягчении. Этот
процесс используется для уменьшения концентрации кальциевых и
магниевых солей, содержащихся в воде. Сущность этого способа
сводится к следующим основным процессам. Введенная гашеная известь
реагирует с растворенной в воде углекислотой, а также вступает в
реакцию с бикарботантами кальция и магния
Са(ОНJ + СО2 = СаСОз + Н2О (9.13)
322

Ca(HCO3J + Са@НJ = 2СаСО3 + 2Н2О (9.14)
Mg(HCO3J + Са(ОНJ = MgCO3 + СаСо3 + 2Н2О (9.15)
При избытке извести карбонат магния взаимодействует с ней,
образуя гидроксид магния выпадающего в осадок
MgCO3 + Са(ОНJ = СаСОз + Mg@HJ (9.16)
MgSO4 + Na2CO3 = MgCO3 + Na2SO4 (9.17)
Для более полного умягчения требуется нагревать воду до
70—80 °С. Процессу умягчения воды благоприятствует
перемешивание или введение некоторого избытка реагентов. Эти мероприятия
позволяют снизить жесткость до 0,35—1.
Исследования дезактивации воды при ее умягчении показали, что
удаление стронция-90 пропорционально удалению жесткости и более
эффективно при высоких температурах. При добавлении избытка
соды степень очистки достигала 99,7%.
Умеренные количества реагентов приводят к удалению более
90 % радиоактивных изотопов лантана, кадмия, скандия, иттрия,
циркония и ниобия. Однако большие дозы извести и соды снижают
концентрацию цезия-137, бария-137, вольфрама-185 только на 50 %. Одна
известь способна очистить раствор от смеси цирконий-95 + нио-
бий-95. Содово-известковый способ очистки воды не применим для ее
очистки от радиоактивного йода.
Очень эффективен для очистки воды от радиоактивных веществ
метод фосфатной коагуляции. Степень дезактивации воды этим
способом от большинства радиотоксичных изотопов (церия, стронция,
иттрия, цинка, ниобия) находится в пределах от 66,1 до 99,9 %.
Высокоэффективная дезактивация питьевых вод с
использованием ионнообменных смол (до 99,99 %), метод электродиализа
(89,0—99,8%), метод биологической очистки (от 20 до 92%).
Технология очистки жидких отходов на стадиях ядерво-топ-
ливного цикла. Отходы урановой промышленности (начальной
стадии ЯТЦ) представляют собой продукты, которые не могут быть в
дальнейшем полезно использованы и требуют удаления из
производства. Отходы, получаемые при добыче и переработке урановых руд,
подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Состав отходов и
их количество зависят от характера производства и техногенного
совершенства применяемых технологических процессов. По
классификации отходы урановых заводов ничем не отличаются от отходов
предприятий цветной металлургии, но содержание в них
радиоактивных веществ делает эти отходы специфическими.
323

По современным технологиям извлечение урана из руд редко
превышает 90 %. Поэтому часть попадает в отвал с твердыми отходами, а
часть растворенного урана уходит с жидкими отходами производства.
Эти потери оцениваются для отдельных предприятий в среднем в
десятки тонн урана в год. Значительная часть уходит с газовыми
выбросами в виде пылей и аэрозолей.
Заводы, перерабатывающие урановые руды, применяют
гидрометаллургические процессы и поэтому потребляют большое количество
воды. Используемую воду полностью или частично сбрасывают во
внешнюю среду и довольно часто в тот водоем, из которого ее берут.
Необходимость в таком сбросе возникает в результате загрязнения
воды в процессе производства, когда она становится непригодной для
дальнейшего употребления. В воде появляются вредные и токсичные
примеси, твердые взвеси и радиоактивные элементы.
Урановые гидрометаллургические предприятия относятся к
многотоннажным производствам, так как они перерабатывают большое
количество руды E00 тонн в сутки и более). В отходах этих
производств помимо недоизвлеченного урана находится почти весь радий,
полоний и другие естественные радиоактивные элементы,
содержащиеся в исходных рудах. Эти отходы хранятся в специальных хвосто-
хранилищах.
Принимая во внимание значительную экологическую нагрузку,
которую могут создавать отходы урановых заводов, значительное
внимание уделяется вопросам ограничения попадания во внешнюю
природную среду радиоактивных веществ, в частности, запрещается
ввод в эксплуатацию предприятий, цехов и агрегатов,
сбрасывающих сточные воды, без выполнения мероприятий, облегчающих их
очистку.
В соответствии с действующими нормами радиационной
безопасности установлены требования сброса отходов во внешнюю среду и
установлены предельно допустимые концентрации (ПДК)
радиоактивных веществ в водоемах и воздухе. При этом указанные ПДК
являются одновременно и нормами на сбросные воды, так как в них в
отличие от ПДК химических загрязнений не учитывается разбавляющая
способность водоема.
Стандартный технологический процесс извлечения урана из руд в
общем виде состоит из технологических операций, представленных на
рис. 9.1, создающих значительное количество жидких радиоактивных
отходов.
324

Рудник
Воздействие атмосферных условий (Н2О+СО2)
Руда (продукт) Отходы
Рудный склад
Дробление и измельчение руды
Т
H2SO4+MnO2
Дробление и измельчение руды
Пульпа
?
Классификация
Шламы
Отход (пески)
Известкование СаО
Воздействие
атмосферы
Сорбция
Отходы, шламы
Известкование (СаО)
Хвостохранилище
Воздействие
атмосферных условий
?
Хвостохранилише
f
Загрязнение
гидрографической
сети (инфильтрация
в грунт
радиоактивных
и химических
элементов
Г кон
а- и
Концентрирование
Р-активности
Смола
Десорбция
?
Регенерат
Продукт Химический
концентрат
урана
t
Отход
(маточник)
Рис. 9.1. Принципиальная схема переработки урановой руды с указанием мест
возникновения отходов
Поступающая на фабрику руда дробится, измельчается и
выщелачивается серной кислотой с диоксидом марганца. Песковую фракцию
отделяют, промывают и направляют в отвал, а шламовая пульпа
поступает на сорбционное извлечение урана. Уран сорбируется
ионообменной смолой, которую после насыщения регенерируют. Из
регенерата осаждают химический концентрат урана, который
отфильтровывают и высушивают. В большинстве случаев химический концентрат
урана — конечный продукт завода, для дальнейшей очистки и
переработки его направляют на другие предприятия ЯТЦ.
325

Шламовую пульпу после сорбционного извлечения из нее урана
нейтрализуют известью и направляют в хвостохранилище.
Появление отходов, в том числе и жидких, начинается на стадии
добычи руды. Для получения кондиционной руды необходимо
удалить пустую породу и отделить низкосортную часть руды. Это
приводит к возникновению твердых радиоактивных отходов: пустой
породы, хвостов грохочения, сортировки. Наличие групповых вод
вызывает появление жидких отходов — радиоактивных шахтных вод. В
процессе добычи образуется большое количество радиоактивной пыли.
Из-за большого количества твердых отходов вокруг рудников
образуются горы отвалов, из которых в результате воздействия атмосферных
условий вымываются радиоактивные элементы — уран, радий,
полоний, непрерывно загрязняющий гидрографическую сеть. Наличие
сбрасываемых шахтных вод усиливает это загрязнение.
На стадии выщелачивания в процессе вводится основной
химический реагент — серная кислота с добавкой пиролюзита. При этом
основная часть урана переходит в раствор, вместе с ним растворяется
небольшая часть других радиоактивных элементов, а также некоторые
компоненты вмещающих пород. При классификации пульпы
образуется песковая фракция, которая составляет основную часть твердых
отходов и после промывки поступает на хвостохранилище. С ней
поступают во внешнюю среду нерастворившиеся радиоактивные
элементы.
Стадия сорбции урана из шламовой пульпы сопровождается
концентрированием радиоактивных элементов на ионообменной смоле
вследствие поглощения урана и частично радия, полония и других
элементов. После отделения смолы от рудных шламов появляется второй
вид отходов — кислые шламы, содержащие не растворившиеся в
процессе переработки радиоактивные элементы, оставшиеся в жидкой
фазе пульпы после сорбции. При последующей нейтрализации
известью основное количество серной кислоты, затраченной на
выщелачивание, переводят в осадок в виде гипса и отправляют вместе с
рудными шламами в отвал на хвостохранилище. На этой стадии
технологического процесса образуются твердые отходы в виде гипса и
гидроксидов и жидкие отходы в виде растворов различных
сернокислотных солей, являющихся источниками загрязнения внешней
среды в результате инфильтрации.
В тех технологических схемах, где для получения урана
применяется экстракционный процесс, к указанным на рис. 9.1 отходам
добавляются отходы, содержащие ионы аммония и органические вещества
(остатки экстрагентов).
326

f
Рудник
Жидкие отходы 1 Твердые отходы
Продукт (руда)
Обогатительная фабрика
Твердые отходы
(пески, шлам, CaSO4)
Жидкие отходы
1) жидкая часть пульпы
и маточники C,5 м2); A,0 т)
2) условно чистые воды B-3 м2);
3) воды прачечных, душевых,
лабораторий @,1-0,2 м2);
4) промывные воды (= 0,1м2).
Продукт
(урановый концентрат)
(s 0,2 кг с содержанием
75% урана)
Рис. 9.2. Ориентировочная количественная характеристика отходов
Таким образом, при добыче и обработке урановых руд постоянно
образуются твердые, жидкие и газообразные отходы: при выемке и
сортировки руд — радиоактивные и химические, при сорбции или
экстракции урана — радиоактивные и химические.
Помимо этого имеются так называемые нетехнологические
отходы, главным образом жидкие: проливы растворов и пульп, воды от
мытья аппаратуры, использованные фильтровальные отходы, бан-
но-прачечные воды, условно чистые воды, воды лабораторий. В
соответствии с действующими правилами эти отходы выбрасываются в
окружающую среду после тщательного проведения радиационного
контроля.
Количество отходов уранового производства, образующихся на 1
т руды, показано на рис. 9.2.
Шахтовые воды являются групповыми, их откачивают на
поверхность равномерно или периодически в зависимости от объема. Для
большинства рудниковых вод характерно повышенное содержание
взвешенных примесей (до 3,0 г/л) и большая их дисперсность.
Количество получаемых шахтных вод весьма различно, оно может достигать
до 2000 м3 и более в сутки, поэтому количество радиоактивных
элементов, сбрасываемых с ними во внешнюю среду сверх нормы, может
достигать до 1 кг урана и 0,2 мг радия в сутки и более.
Примерный химический состав шахтных вод предоставлен в
табл. 9.3.
327

Таблица &3
ПДК (мг/л) н содержание отдельных компонентов в шахтных водах (г/jj)
Компонент
Уран
Ra, Кюри/л
Rn, Кюри/л
Na + K
Са
Mg
Fe
cr
soi~
HSO*3
Сухой остаток
РН
Содержание в шахтных
водах
0,3—10,0
E,0—10,0)« Ю-11
E,0—10,0) • 10"
40—150
100—300
10-40
0,5—1,0
20—300
80—500
20,0-400,0
500—1000
6,*—7,5
цдк
г
0,05 ;
5 • Ю-11
350,0
500,0
—
1000
6,5-«,5
Основными отходами обогатительных фабрик являются рудные
пульпы, состоящие из песковой и шламовой части. Примерно 99,8 %
радия и полония от исходного содержания их в руде концентрируется
в твердой фазе, сбрасываемой в хвостохранилище. Обычно песковая и
шламовая фракции после нейтрализации объединяются и
откачиваются в хранилище в виде общей пульпы. Примерный состав жидкой фазы
этой пульпы представлен в табл. 9.4.
Таблица 9.4
ПДК н содержание компонентов жидкой фазы отвальной
рудной нульпы, г/л
Компонент
и
Ra, Кюри/л
Ро, Кюри/л
Fe2O3
СаО
MgO
SiO2
MnO2
Na+K
SO42"
N01
Сухой остаток
РН
Содержание в жидкой фазе
@,5-5,0) • Ю-3
B,7—8,0) • 100
E,0—15,0)-100
следы
0,7—0,8
0,1—0,2
0,02—0,04
0,03—0,1
0,2-0,4
2,0-3,5
0,5—3,0
8,0—10,0
7,0-8,0
ПДК
5 • Ю-5
0,5 • 100
0,2 • Ю-10
—
—
—
—
—
—
0,5
1,0
6,5-0,5
328

\ Количество сбрасываемой пульпы для каждого уранового завода
различно и зависит от его производительности. Так, например, для
завода, перерабатывающего около 500 т руды в сутки, количество
сбрасываемой твердой части пульпы будет примерно 500 т, а жидкой части
2000 мэ/сут. С этим количеством пульпы сбрасывается в хвостохрани-
лище в сутки около 75 т химических веществ, из них до 20 т
растворимых солей, около 100 кг урана, из них до 5 кг растворенного, и
радиоактивных элементов активностью около 3 Кюри A,1 ¦ 1011 Бк), из
которых радий и полоний в растворенном виде активностью до 2 • 10~3
Кюри G,4- 107 Бк).
Из рис. 9.2 видно, что общее количество образующихся отходов
обогатительных фабрик, особенно жидких, по сравнению с
полученным ураном в виде химического концентрата исключительно велико.
Поэтому стремятся к максимальному уменьшению количества
сбрасываемых жидких отходов, в частности за счет повторного
использования их в основном производстве. В этом случае количественная
характеристика сбрасываемых жидких отходов становится несколько
иной, и она определяется дисбалансом промышленных вод. Этот
дисбаланс составляет примерно 20—50 % общего количества
получаемых промышленных сбросных вод (безусловно чистых вод). При
повторном использовании объем сбрасываемых вод на тонну
перерабатываемой руды уменьшается в 2—5 раз, т. е. на 1,5-—3,0 м3.
Удаление отходов уранового гидрометаллургического завода
требует соблюдения обязательного правила: не допускать прямого сброса
радиоактивных веществ во внешнюю среду и предупреждать их
рассеяние. С этой целью вблизи каждого завода находятся специальные
хвостохранилища.
Хвостохранилище представляет собой комплекс сооружений,
состоящих из системы гидротранспорта, водозаборных устройств,
дренажных систем, отстойных прудов и подпорных дамб и
предназначенных для складирования твердых отходов производства, осветления
жидких сбросов и для осуществления оборотного водоснабжения.
Наиболее важным сооружением хвостохранилища является
дамба. Хвостохранилища делают с возведением дамб гидронамывом или
с насыпными дамбами, отсыпка которых производится механическим
способом из крупных рудных фракций.
Назначение прудов — отстойников (или водоемов
хвостохранилища) — выполнять все технологические функции, связанные с
обезвоживанием отвальных рудных пульп. В пруде-отстойнике жидкая
часть пульпы осветляется вследствие полного осаждения
взвешенных в ней твердых частиц. В качестве прудов-отстойников
используются как естественные изменения рельефа местности, так и искусст-
329

венно создаваемые. Как правило, хвостохранилища сооружают
больших размеров с площадью от 1 • 105—2,5 • 105 м2, глубиной от 1,51 до
8,0 м; в зависимости от надежности и устойчивости дамбы количество
хранимого в нем рудного материала может достигать 1 • 106 т.
При каждом хвостохранилище имеется насосная станция, она
возвращает осветленные воды в производство для повторного
использования. При этом откачка воды из хвостохранилища производится
обязательно с поверхности водоема, чтобы не захватывать механических
примесей.
После наполнения хвостохранилища осушают и консервируют на
неопределенный срок. Иногда перед консервацией их засыпают
толстым слоем земли и сажают деревья. Выбор места хвостохранилища
имеет существенное значение, так как период полураспада
естественных радиоактивных элементов очень большой.
В процессе эксплуатации хвостохранилищ происходит
непрерывная фильтрация растворов в грунт. Она оказывает влияние на
устойчивость дамб, а также приводит к проникновению радиоактивных
веществ грунтовые воды.
Количество фильтрующихся вод существенно зависит от площади
хвостохранилища, высоты слоя жидкости в нем и характера
подстилающих грунтов. По расчетам инфильтрация может достигать 500—
1000 м3/сут. Исследования установили, что загрязнения,
содержащиеся в фильтрующихся из хвостохранилища водах, способны
мигрировать по гидрогеографической сети на дальние расстояния, при этом
наибольшая миграция у соединений урана и нитрат-иона.
Пробы грунтовых вод, отобранные на одном из урановых заводах
нашей страны в районе действующего хвостохранилища на расстоянии
50—100 м от него, показали содержание урана 2,8 • 10—5,8 • 10~5 г/л,
радия 1,3 • 101 Ки/л, на расстоянии 500—1000 м грунтовая вода
содержала 1,5 • 10^—5 • 10~5 г/л урана, а радия 1,3 • 101—2 • 10~12 Ки/л,
при естественном содержании в природных подземных водах
4 • 10^—7 • 10"* г/л, а радия 2 • 102—4 • 102 Ки/л.
Таким образом, инфильтрация загрязненных вод с
хвостохранилищ является постоянным источником загрязнения грунтовых вод,
однако при длительной эксплуатации хвостохранилищ, в результате
уплотнения шламов, инфильтрация в грунт уменьшается.
В заключение следует отметить, что в процессе добычи урановой
руды и в технологических процессах получения обогащенного
уранового концентрата образуется значительное количество жидких
естественных радиоактивных отходов.
330

На последующих этапах ЯТЦ при рафинировании (получение
чистого диоксида урана и газообразного шестифтористого урана), а также
на^заводах по выпуску тепловыделяющих элементов (твэлов)
образуется незначительное количество жидких отходов по сравнению с
рудничными водами и водами обогатительных фабрик.
Характеристики жидких радиоактивных отходов,
образующихся при эксплуатации атомных электростанций (АЭС), и
технологии их очистки и захоронения. При протекании ядерной
реакции в реакторе АЭС образуется значительное количество тепла и оно
должно постоянно отводиться теплоносителями. В качестве
теплоносителя наиболее экономически выгодно использовать воду.
Легководные корпусные реакторы — наиболее распространенный тип
реактора в мире. Топливом для этих реакторов служат таблетки оксида сла-
бообогащенного урана B—4 % уран-235) в оболочке из циркониевого
сплава — циркалоя. Эти таблетки называются тепловыделяющими
элементами. Замедлитель нейтронов и теплоноситель в этих
реакторах— обычная (легкая) вода.
Существует две разновидности легководных реакторов:
охлаждаемые водой под давлением (водо-водяные реакторы, или ВВЭР
(PWR)) и охлаждаемые кипящей водой (пароводяные реакторы, или
ПВР (BWR)). В нашей стране используются ректоры ВВЭР. В
реакторе ВВЭР теплоноситель, нагретый до высокой температуры, подается
на парогенератор, где тепло передается другому потоку
теплоносителя (тоже вода). То есть эти реакторы имеют два контура
теплоносителя. В эксплуатации находятся реакторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 с
энергетической мощностью соответственно 400 МВт и 1000 МВт.
Водографитовые реакторы ВГР (LWGR) в качестве заменителя
нейтронов используется графит. Активная зона выполнена в виде
графитовых блоков, в которых просверлены каналы. Каждый канал
охлаждается водой. В реакторах ВГР теплоноситель нагревается до
кипения, образующийся пар попадает на лопасти турбины
электрогенератора (одноконтурные АЭС). В нашей стране используется реактор
РБКМ-1000 водографитовый капельного типа, имеет электрическую
мощность 1000 МВт.
Охлаждающие активную зону реактора воды (теплоноситель)
активируются (в них образуются в результате ядерных реакций с
нейтронами радионуклиды), они также захватывают радионуклиды,
проникающие в теплоноситель из микротрещин твэлов, т. е. в них в
процессе эксплуатации появляются радиоактивные отходы. При
нормальной эксплуатации ядерных реакторов такие отходы называют
технологическими. При аварийных ситуациях в таких отходах могут
331

появляться радионуклиды, в количествах превышающих допустимые
для теплоносителя.
Технологические жидкие радиоактивные отходы характеризуются
качественными и количественными показателями, знание которых
необходимо для правильного выбора методов их переработки, хранения
и захоронения. Важнейшими характеристиками радиоактивных
отходов являются количество, удельная активность, радионуклидный
состав. Для АЭС непостоянство состава и количества отходов
обусловлено типом реактора и его мощностью, технологическими
особенностями и режимом эксплуатации, местонахождением АЭС и
квалификацией обслуживающего персонала. Нормативные количества
жидких радиоактивных отходов (ЖРО) для различных типов реакторов
приведены в табл. 9.5.
Ориентировочная характеристика жидких, твердых и
газообразных отходов, образующихся на АЭС, представлена в табл. 9.5 и 9.6.
Таблица 9.5
Нормативные количества жидких радиоактивных отходов
Тип реактора
ВВЭР—440
ВВЭР—1000
РБМК—1000
РБМК—1500
Объем трапных вод, м'/год.
на блок
25 000
40 000
125 000
156 000
Количество солей, т/год
50
90
250
312,5
Таблица 9.6
Ориентировочная характеристика отходов АЭС
Характеристика отходов
Трапные воды:
количество, тыс. м3/год
солесодержание, кг/м3
радиоактивность, Ки/л
Ионнообменные смолы:
количество, т/год
радиоактивность, Ки/л
Перлит:
количество, т/год
радиоактивность, Ки/л
Твердые отходы:
количество, м3/год
Газовые выбросы:
технологические выбросы,
мэ/год
Тип
РБМК—1000
60—125
1—5
ИГ3—КГ1
До 60
10~3—10
До 30
ИГ2—ИГ1
200—400
10—70
реактора
ВВЭР—1000
20—40
1—5
ИГ5—ИГ4
До 20
иг1—иг6
—
—
200—400
300—350
332

По уровню активности ЖРО подразделяются на высоко-, средне- и
низкоактивные (табл. 9.7).
Классификация
Наименование группы
Слабоактивные
Среднеактивные
Высокоактивные
жидких
радиоактивных
Удельная ра
<
i
Табл
отходов
дноогтивность,
: 1 ¦ 10*
¦ io-s-i
ица 9.7
Ки/л
В табл. 9.8 представлены количества твердых отходов низкой и
средней активности, образующихся ежегодно при эксплуатации АЭС
мощностью 1000 МВт.
Таблица 9.8
Количество твердых отходов низкой ¦ средней активности, образующихся
в год при эксплуатации АЭС мощностью 100 МВт
Тип реактора
Водо-водяной с
водой под давлением
Водо-водяной с
кипящей водой
Вид отходов
Концентрат из испарителей
Шлам из фильтров
Ионообменные смолы
Масла
Концентрат из испарителя
Шлам из фильтров, включая
ионообменные смолы
Масла
Объем, м*
40—60
5
2
2
40—50
200—500
2
Активность,
Ки/л
0,1—5
0,1-5
200—400
0,01
0,1-5
0,1-5
1(Г3
Радионуклидный состав ЖРО, образуемых в АЭС, следующий (в %):
(Cs-137 + Bal37) до 90; Cs-134—20—35; (рутений-106 + радий-106>—5;
стронций-90 — менее 0,1; кобальт-60—5; хром-51—20—35.
Материальными носителями радиационной активности на АЭС
являются осколки деления ядерного горючего и излучение,
возникающее при его делении.
Твердые радионуклиды, как правило, не выходят за пределы
оболочки твэл, и соответственно в этих же пределах локализуется
радиационная опасность. Только при нарушениях нормальной
эксплуатации происходит непосредственный контакт топлива с теплоносителем
и его (теплоносителя) загрязнение осколочными радионуклидами.
Среди осколков деления есть вещества в газовой фазе. Это в
основном радионуклиды инертных газов (криптон, ксенон) и Йода,
обладающие высокой проникающей способностью и поступающие в
теплоноситель при практически герметичных оболочках твэл за счет диф-
333

фузии и под действием избыточного давления этих газов по
отношению к давлению теплоносителя.
Ядерные реакции протекают не только в твэл, но и за их
пределами, в объеме теплоносителя замедлителя. Водный теплоноситель
содержит примеси, которые могут состоять из двух групп: естественные
примеси и продукты коррозии.
Естественные примеси остаются в теплоносителе — воде после
его обработки в системе водоподготовки. Так как внутренние
источники обогащения теплоносителя примесями отсутствуют, то их
концентрации остаются в пределах растворимости. Они обладают C-излу-
чением, имеют малую проникающую способность и полностью
задерживаются стенками трубопроводов металлоконструкций.
Продукты коррозии представляют собой оксидные и гидроксидные
формы элементов, входящих в состав конструкционных материалов.
Продукты коррозии образуются на поверхностях металлов и сплавов,
контактирующих с теплоносителем, а затем переходят в него в
качестве примесей в результате диффузии или гидродинамического
воздействия потока теплоносителя. Вместе с циркулирующим
теплоносителем примеси продуктов коррозии проходят через активную зону, где
участвуют в ядерных реакциях с нейтронами излучения. В табл. 9.9
приведены примеры ядерных реакций, в которых образуются
основные радионуклиды продуктов коррозии.
Таблица 9.9
Реакции образовании радионуклидов — продуктов коррозии
Нуклид
"Со
«Со
*Zn
Ядерная реакция
"CofoyfCo
"Ni(n,pKlCo
"ZnOby^Zn
Нуклид
51Сг
"Fe
54Mn
Ядерная реакция
"Cr^yfCr
"Ni(n,yK9Fe
Образование радиоактивных отложений на поверхности контура
тем меньше, чем меньше поступления радионуклидов с продуктами
коррозии конструкционных материалов контура и чем больше
величина продувки. Поэтому вполне обоснованы высокие требования к
коррозионной стойкости конструкционных материалов реакторных
контуров АЭС, к разработке водно-режимных мероприятий по
повышению коррозионной стойкости материалов и уменьшению выхода
продуктов коррозии в теплоноситель.
Радиоактивные отложения образуются на всех поверхностях
реакторного контура, контактирующего с теплоносителем. Но
радиоактивные отложения, образующиеся в пределах реактора, составляют
малую долю мощности дозы излучения реактора и не оказывают замет-
334

ного влияния на работу АЭС. Особое внимание поэтому уделяется
образованию радиоактивных отложений во внереакторной части
циркуляционного контура (парогенераторы, ГЦН, трубопровод и аппаратура).
Три главных механизма ответственны за накопление
радионуклидов на оборудовании АЭС, расположенном во внереакторной части
контура циркуляции теплоносителя:
1) коррозия конструкционных материалов активной зоны и
реактора в целом;
2) коррозия конструктивных материалов внереакторной части
контура;
3) отношение продуктов коррозии внереакторной части контура
на теплопередающих поверхностях (оболочки твэл) и на поверхностях
без теплообмена (внутриреакторные устройства, корпус и т. п.).
Этим трем механизмам образования радиоактивных отложений
противостоит один лишь фактор — непрерывный отвод части
теплоносителя из контура циркуляции на очистную установку (СВО-1). В
связи с этим байпасную очистку теплоносителя, обеспечивающую
поддержание концентрации продуктов коррозии в теплоносителе в
допустимых пределах, следует рассматривать как установку
непрерывной дезактивации первичного контура.
На АЭС в процессе ее работы образуются отходы, которые по
степени их удельной активности классифицируют на
высокорадиоактивные, средней радиоактивности и низкой радиоактивности.
Высокорадиоактивные отходы образуются, главным образом, при
переработке отработавшего ядерного топлива на предприятиях
ядерного топливного цикла. Отходы среднего и низкого уровней удельной
радиоактивности образуются в контурах АЭС в трех фазовых
состояниях: твердые, жидкие и газообразные. При переработке всех
радиоактивных отходов применяются технологические принципы, диктуемые
соотношениями экономичности, надежности и безопасности:
1) концентрирование радиоактивности в минимальном объеме;
2) прочная фиксация радионуклидов в материале, подлежащем
захоронению;
3) обеспечение полной безопасности окружающей среды при
длительном (в течение тысяч или миллионов лет в зависимости от
природы радиоактивности) хранении радиоактивных отходов;
4) сброс в воздушный и водный бассейны Земли радиоактивных
отходов только после разбавления до безопасных уровней
радиоактивности.
Количество жидких радиоактивных отходов, образующихся на
АЭС с реакторами, охлаждаемыми под давлением, представлены в
табл. 9.10.
335

Образующиеся при работе АЭС растворы могут быть
гомогенными (растворы после регенерации ионообменных фильтров внутрикон-
турной очистки; растворы после дезактивации первого контура или
отдельного оборудования, помещений, пневмокостюмов и
спецодежды; организованные и неорганизованные протечки и т. п.) или
гетерогенными (пульпы ионообменных смол и фильтро-перлита).
Концентрирование жидких радиоактивных отходов может осуществляться
различными методами:
а) осаждение и фильтрация;
б) воздействие химическим реагентом (осаждение и коагуляция);
в) ионный обмен;
г) выпаривание;
д) обратным осмосом и электродиализом.
Таблица 9.10
Количества радиоактивных отходов, образующихся иа АЭС
Системы
Очистка
первичного
теплоносителя
-
Очистка вод
бассейна
выдержки горючего
Дезактивация,
смыв с полов
Установки
концентрирования

Ионообменные фильтры
Испаритель

Ионообменный фильтр
1

Механические,
ионообменные фильтры,
испарители
Полученный
продукт
Смоляной
шлам

Концентраты борной
кислоты
Смоляной
шлам

Концентраты, шламы

Содержание
твердых
веществ в
продукте,
%
50
20
50
20

Количество жидких

радиоактивных
отходов,
м'/год
10
20
1—2
20
Удельная

активность,
Ки/м1
1000
10
5
2
Выбор того или иного метода зависит от общего количества
примесей в отходах (солесодержания) и их радиоактивности. Обычно
оказывается целесообразным проводить переработку
радиоактивных отходов разного уровня активности и солевого состава разными
методами.
Гетерогенные радиоактивные отходы направляются
непосредственно в хранилища жидких отходов, где отделяются сорбенты от
транспортной воды с осаждением воды в баках. Основные методы
переработки жидких радиоактивных отходов — выпаривание и ионооб-
336

менная очистка, мембранные методы (обратный осмос и
электродиализ) используют весьма ограниченно, в основном для отходов низкой
радиоактивности (например, воды спецпрачечных), так как они не
удовлетворяют главным целям переработки — высоким степеням
концентрирования радиоактивности и эффективности очистки
водных потоков.
При общем солесодержании примесей в отходах менее 1 г/кг
оправдано использование ионообменных фильтров. Сорбенты фильтров
после исчерпания их обменной емкости гидротранспортом
перегружаются из корпусов фильтров в хранилище жидких отходов.
Потоки жидких отходов с высоким начальным содержанием
примесей (до 5 г/кг) поступают в промежуточные приемные емкости, где
происходит их перемешивание, усреднение и концентрирование
осаждением. Первичный концентрат поступает на выпарные установки,
где осуществляется его концентрирование в два этапа. Первый этап,
задачей которого является очистка транспортной воды от
радиоактивных примесей, проводится в выпарных аппаратах, а второй, задачей
которого является концентрирование примесей,— в доупаривателях.
Концентрат с солесодержанием я 300 г/кг направляется в хранилище
жидких отходов.
Технологическая схема хранилища жидких отходов для АЭС с
серийными блоками ВВЭР-440 представлена на рис. 9.3. В состав
оборудования хранилища входят емкости для высокоактивных 8 и
низкоактивных 4 (рабочий объем 285 м3) сорбентов, для кубового остатка 11
(рабочий объем 330 м3). Объем емкости выбирается для каждой
группы жидких радиоактивных отходов, исходя из того, что общий объем
хранилища должен быть рассчитан не менее чем на 10 лет
эксплуатации одного блока АЭС или на 5 лет эксплуатации двух блоков
одновременно.
Емкости размещены на металлоконструкциях высотой не менее
50 мм в герметичных бетонных помещениях, пол и стены которых на
высоту 1000 мм облицованы нержавеющей сталью. Остальная часть
поверхности стен и потолок могут быть облицованы углеродистой
сталью с органическими покрытиями. Для обеспечения полного
опорожнения емкостей и предремонтной промывки в их нижней
придонной части имеется струйное устройство. С помощью воды и сжатого
воздуха, которые к нему подведены, это устройство перемещает
остатки пульпы к входному патрубку всасывающей магистрали.
Верхние части емкостей обеспечены вентиляцией. Одна из емкостей 8
используется как вспомогательная в системе трапных вод для осаждения
из этих потоков грубодисперсных взвесей или гидроксидов, образую-
337

и
Рис. 9.3. Технологическая схема хранилища жидких отходов для серийных
блоков АЭС с реакторами ВВЭР-440:
1—магистраль для транспортировки отработанных ннзкоактивных сорбентов, потоков после
регенерации, взрыхления и промывки фильтров системы очистки продувочной воды
парогенераторов (СВО—5) и фильтров доочистки дистиллята систем переработки трапных вод
(СВО—3/1) и переработки боросодержащих растворов (СВО—3/2 и СВО—6); 2—
магистрали для транспортировки отработанных высокоактивных сорбентов, потоков после
регенерации, взрыхления и промывки фильтров систем очистки теплоносителя первого контура
(СВО—1), очистки организованных протечек (СВО—2), очистки воды бассейнов,выдержки
и перегрузки (СВО—4), переработки тралиых вод и боросодержащих растворов (СВО—3
и СВО—6), дезактивации; 3— магистраль для транспортировки трапных вод системы спец-
канализации; 4 — емкость ниэкоактивных сорбентов; 5 — насосы; б — магистраль для
транспортировки кубового остатка с выпарных установок систем переработки трапных вод и
боросодержащих растворов (СВО—3); 7 —емкость для слива декантата из емкостей 4 и 8\
8 — емкость высокоактивных сорбентов; 9 — гидроэлеваторы; 10—насос; // — емкость
хранения кубового остатка; 12 — оперативная (технологическая) емкость; 13—трубопроводы к
установке отверждения отходов
щихся при нейтрализации избыточной кислотности этих потоков.
Транспортирующая сорбенты вода из емкостей 4 и 8 поступает в
емкость 7, откуда насосами 5 возвращается в систему переработки трап-
иых вод для повторного использования. Насос 10 подает эту воду
также на гидроэлеваторы 9 и промывку емкостей 4,8,11. Гидроэлеватор
(Лр = 300 кПа) служит для перекачки сорбентов и кубового остатка из
одной емкости в другую, подачи сорбентов иа отверждение;
технологическая емкость 12 «вакуумирования» предназначена для подачи
кубового остатка на отверждение. Гидроэлеватор и емкость 12
используются также для откачки радиоактивных отходов из помещений
хранилища в случае разгерметизации рабочих емкостей. Кубовый остаток
транспортируется в баки 11 сжатым воздухом с помощью технологи-
338

Радиоактивные отходы
1
Высокоактивные
Среднеактивные
1
Низкоактивные
I
I
Отвердение
1
Стекломасса
Твердые
1
L
Жидкие
Металл окера-
мическая масса
Газообразные
J
Концентрированные
Керамическая
масса
I
Кубовые
остатки
L
I
Шламы
1
Сорбенты
1
I
1
Зола
Отвердение
1
Цементирование
1
Битумирование
1
Включение
в термоактивные
смолы
Рис. 9.4. Схема последовательности переработки радиоактивных отходов
ческих емкостей, подобных емкостям 72, но размещаемых в системах
переработки трапных вод и боросодержащих растворов.
В современных условиях высокорадиоактивные отходы,
получаемые в СВО и предварительно собираемые в баках
спецводоочистки — отдельно для кубового остатка и для пульпы,— подвергаются
отверждению, например путем битуминирования (рис. 9.4).
Для этого в здании спецводоочистки имеется специальная
установка битуминирования, переводящая соли, оксиды и смолы в
расплавленный битум при содержании их, доходящем до 0,5 кг на 1 кг
получающейся жидкой смеси. Эта смесь отверждается в специальных
блоках и хранится в необслуживаемых помещениях корпуса
спецводоочистки. После 5—10 лет эти блоки могут быть вывезены со
станции в единые централизованные хранилища для окончательного
захоронения. Для хранения битумных блоков на АЭС могут быть созданы
и отдельные подземные хранилища в железобетонном исполнении.
Существует также опыт цементирования, а иногда
цементирования с остекловыванием для отверждения кубовых остатков.

Список литературы
1. Ливнак И.Ф., Воронцов Ю.В. Охрана окружающей среды. — М.: Мтройиэдат,
1991.—191 с.
2. Яковлев С А, Карелин Я.А., Ласков ЮМ., Воронов Ю.В. Очистка
производственных сточных вод.— М.: Стройиздат, 1985. — 335 с.
3. Кожемякин В А., Зубченко Г.В.. Митник В.Л., Вакс Г/7. Малоотходные процессы
н охрана окружающей среды в металлургии редких металлов.— М.:. Металлургия,
1991. —160 с.
4. Евстратов КИ., Купина И.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная
химия—М.: Высшая школа, 1990. — 512 с.
5. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей
среды.—М.: Химия, 1989.—512 с.
6. Родионов AM, Клушин В.Н., Систер В.Г, Технологические процессы
экологической безопасности (Основы энвайроменталистики). — Калуга: изд-во Н.Б. Бочкаревой,
2000.
7. Громогласов А.А., Копылов А.С, Пильщиков АЛ. Водоподготовка: процессы и
аппараты.— М.: Энергоатомиздат, 1990. — 272 с.
8. Кострикин ЮМ, Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподготовка и водный режим
энергообъектов низкого и среднего давления.— М: Энергоатомиздат, 1990.—254 с.
9. Смирнов Д.Н., Генкин В.Е. Очистка сточных вод в процессе обработки
металлов.— М.: Металлургия, 1980. — 160 с.
10. Меретуков М.А. Процессы жидкостной экстракции в цветной
металлургии.— М.: Металлургия, 1985. — 222 с.
11. Оценка и регулирование качества окружающей среды и природной среды/Под
ред. А.Ф. Порядина и АД. Хованского. —М.: НУМЦ Минприроды России,
Издательский дом Прибой, 1996. —350 с.
12. АшировА. Ионообменная очистка сточных вод, растворов и газов. —Л.: Химия,
1983.— 295 с.
13. ГюнтерЛИ., ГольфарбЛА. Метатенки. — М.: Стройиздат, 1991. —126 с.
14. Порядил А.Ф. Водозаборы в системах центрального водоснабжения.—М.:
НУМЦ Минприроды России, Издательский дом Прибой, 1999. — 338 с.
15. Моргунова Т.Х. Атомные энергетические станции. — М.: Атоиздат, 1984.
16. Сидоренко В. А. Вопросы безопасной работы ВВЭР. — М.: Атоиздат, 1977.
М.Дытнерскип Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. — М.: Химия,
1986.-276 с.
18. Евшевич А.З., Евилевич М.А. Утилизация осадков сточных вод.— Л.:
Стройиздат, 1988. —247 с.
19. Туровский И.С. Обработка осадков сточных вод. — М.: Стройиздат, 1988.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
ГЛАВА 1. ВОДА —ОСНОВА ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ
1.1. Вода, се происхождение и количество на земиом шаре. . . .
1.2. Круговорот воды иа земиом шаре
1.3. Физические и химические свойства воды
ГЛАВА 2. СОСТАВ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ И
СТОЧНЫХ ВОД
2.1. Дисперсные водные системы и их классификация
2.2. Свойства коллоидных растворов, их устойчивость и разрушение.
2.3. Состав природных вод
2.4. Показатели качества природных вод i . . . .
2.5. Оценка качества поверхностных вод
2.6. Контроль загрвзнения поверхностных вод
2.7. Характеристика сточных вод
2.8. Показатели качества сточных вод
2.9. Оценка качества сточных вод
ГЛАВА 3. СОВРЕМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО И ЗАГРЯЗНЕНИЕ
ГИДРОСФЕРЫ
3.1. Понятие о системах водообеспеченив и водоотведеиня иромыш-
леииых предприятий
3.2. Система канализации промышленных нреднриятий
3.3. Условии выпуска производственных сточных вод в городскую
канализацию
3.4. Определение необходимой стеиеин очистки производственных
сточных вод
3.4.1. Расчет необходимой степени очистки сточных вод по
концентрации взвешенных веществ
3.4.2. Расчет необходимой степени очистки по БПКпом
3.4.3. Расчет необходимой степени очистки по растворенному в воде
водоема кислороду
3.4.4. Расчет максимальной температуры спускаемых сточных вод . .
3.4.5. Расчет допустимого состава сточных вод по концентрации
растворенных вредных веществ
3.4.6. Расчет необходимой степени очистки по изменению активной
реакции воды
ГЛАВА 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД 80
4.1. Осиовиаи схема механической очистки производственных
сточных вод 80
4.2. Решеткя дли процеживания 81
341

4.3. Песколовки
4.4. Усреднители
4.5. Устройства для выделении из сточных вод нерастворимых приме*
сей под действием гравитационных сил
4.5.1. Теоретические основы процессов осаждения твердых частиц в
вязкой среде
4.5.2. Первичные отстойники
4.5.3. Прочие устройства для механической очистки воды. . . .
4.6. Устройства для выделении из сточных вод нерастворимых нрнме-
сей под действием центробежных сил
4.6Л. Открытые и напорные гидроциклоны
4.6.2. Центрифуги
4.7. Фильтрование
4.7.1. Фильтрование череэ фильтрующие перегородки
4.7.2. Сетчатые барабанные фильтры
4.7.3- Фильтры с зернистой загрузкой
4.7.4. Магнитные фильтры
4.7.5. Фильтрование эмульгированных веществ
ГЛАВА 5. ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД .
5.1. Нейтрализации
5.1.1. Нейтрализация смешением
5.1.2. Реагентная нейтрализация
5.1.3. Нейтрализация кислых сточных вод путем их фильтрования
череэ нейтрализующие материалы
5.1.4. Нейтрализация щелочных сточных вод кислыми газами. .
5Л. Окислительный метод очистки сточпыж вод
5.2.1. Окисление реагентами, содержащими активный хлор . . .
5.2.2. Окисление пероксцдом водорода
5.2.3. Окисление кислородом воздуха
5.2.4. Озонирование
5.2.5. Окисление перманганатом калия
5.2.6. Радиационное окисление ;
S3. Очистка восстановлением
5.4. Реагеитные методы выделения загрнзвяющнх веществ в виде ма-
лорастворнмых н нерастворимых соединений
ГЛАВА 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ
вод
6.1. Коагуляции и флокулнция
6.1.1. Основные характеристики дисперсных систем
6.1.2. Теоретические основы коагуляции коллоидных примесей,
содержащихся в сточных водах
6.1.2.1. Понятие о строении двойного электрического слоя
6.1.2.2. Устойчивость дисперсных систем
6.1.3. Понятие о гетерокоагуляции и применяемых коагулянтах.
6.1.4. Флокуляция
6.1.5. Технология коагуляционной и флокуляционной очистки
сточных вод и используемое оборудование
6.2. Сорбция
342

6.3. Флотации
63Л. Флотация с выделением воздуха нз раствора
6.3.2. Напорная флотация
6.3.3. Флотация с механическим диспергированием воздуха . . .
63.4. Флотация с подачей воздуха через пористые материалы .
6.3.5. Очистка методом пенного фракционирования (пенной
сепарацией)
6.3.6. Понятие о химической, биологической н нонной флотации
6.4. Экстракция
6.5. Ионный обмен
6.5.1. Понятие об ионообменном равновесии
6.5.2. Понятие о регенерации нонитов
6.5.3. Технологические схемы ионообменной очистки сточных вод н
установки для их реализации
6.6* Электрохимическая очистка сточных вод
6.6.1. Классификация методов электрохимической очистки сточных
вод
6.6.2. Теоретические основы электрохимических процессов. . . .
6.6.2.1. Электродные потенциалы
6.6.2.2. Понятие об окислительно-восстановительном
равновесии в водных реакциях
6.6.2.3. Массоперенос вещества н скорость электрохимической
реакции
6.6.2.4. Поляризационные явления в электрохимических
реакциях
6.6.2.5. Кинетические закономерности основных электродных
процессов, протекающих прн очистке сточных вод
6.6.2.6. Понятие о редоксн-процессах (электрохимическом вое*
тановленнн н окислении)
6.6.3. Применение электрохимических методов прн очистке сточных
вод
6.6.3.1. Анодное окисление и катодное восстановление , .
6.63.2. Электрокоагуляция
6.6.3.3. Электрофлотация
6.6.3.4. Электродиализ
6.6.3.5. Гальванокоагуляционная очистка сточных вод . . .
6.7. Применение методов обратного осмоса н ультрафнльтрацни для
очнеткн сточных вод
6.7.1. Понятие о мембранных процессах
6.7.2. Классификация полупроницаемых мембран
6.7.3. Практическое использование методов обратного осмоса и
ультрафильтрации при очистке стоков
6.8* Термическая обработка сточяых вод
6.8.1. Очистка сточных вод с выделением растворенных веществ (кон*
центрирование сточных вод)
6.8.2. Выделение растворенных веществ из концентрированных
растворов
6.8.3. Термоокислительные методы обезвреживания сточных вод
ГЛАВА 7. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД
7.1. Общие положении

7.2. Влияние различных технологических факторов иа эффективность
процессов биологической очистки
7.3. Естественные и искусственные методы биологической очистки. .
7.3.1. Сооружения почаенной очистки и биологические пруды .
7.3.2. Биофильтры
7.3.3. Аэротенки
7.3.4. Окситенки
7.4. Использование биологических методов очистки сточных вод от ти-
желых металлов
7.5. Понятие о глубокой очистке (доочиегке) производственных
сточных вод
ГЛАВА 8. ОБРАБОТКА ОСАДКОВ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ
вод
8.1. Состав и свойства осадков
8.2. Основные процессы, нримеииемые дли обработки осадков
производственных сточных вод
8*3. Уплотнение осадков
8.3.1. Гравитационное уплотнение осадков
8.3.?. Флотационное уплотнение осадков
8.3.3. Центробежное уплотнение осадков
8.4. Анаэробное (метановое) сбраживание осадков
8.4.1. Понятие об анаэробном сбраживании
8.4.2. Технологические схемы анаэробного сбраживания осадков
8.4.3. Основы расчета метатенков
8.5. Аэробная стабилизации осадков
8.6. Кондиционирование осадков
8.6Л. Реагснтная обработка
8.6.2. Тепловая обработка . . .
8.6.3. Жидкофаэное окисление (метод Циммермана)
8.6.4. Замораживание и оттаивание
8.7. Обезвоживание осадков
8.7.1. Сушка осадков иа иловых площадках. .
8.7.2. Фильтрование
8.7.3. Центрифугирование и сепарирование
8.8. Термическая сушка осадков
8.8.L Основные понятия
8.8.2. Оборудование для сушки осадков
8.9. Термические методы обезвреживания осадков
8.9.1. Основные положения
8.9.2. Основное оборудование для термического обезвреживания
осадков 303
ГЛАВА 9. ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД ОТ
РАДИОАКТИВНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 307
9.1. Источники загрязнения поверхностных и сточных вод
радиоактивными веществами ...» 307
9.2. Методы очистки воды от радиоактивных загрязнений .... 317
Список литературы 340

ИНЖЕНЕРНА! ЗАЩИТА
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД
ОТ ПРОМЫШЛЕННЫХ СПКМ
Допущено Министерством образования
Российской Федерации
в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям
подготовки дипломированных специалистов
'Защита окружающей среды'
и "Безопасность жизнедеятельности'
Москва
"Высшая школа"
2003