ГИДРОСФЕРА

Хлорирование сточных вод

 

В промышленности для обеззараживания сточных вод часто применяют хлорирование хлорной известью, газообразным хлором и  гипохлоритом натрия. При введении хлора в воду он гидролизуется с образованием хлорноватистой и соляной кислот:

Cl₂ + H₂O ↔ HOCl + HCl.

В сильнокислой среде равновесие этой реакции сдвинуто влево, и в воде присутствует молекулярный хлор, при значениях рН > 4 молекулярный хлор в воде практически отсутствует. Образовавшаяся в результате гидролиза хлора хлорноватистая кислота диссоциирует на ион гипохлорита OCl^- и ион водорода Н⁺.

При наличии в сточной воде аммиака, аммонийных солей или органических веществ, содержащих аминогруппы, хлор, хлорноватистая кислота и гипохлориты вступают с ними в реакцию, образуя моно- и дихлорамины, а также треххлористый азот:

NH₃ + HOCl → NH₂Cl + H₂O

NH₂Cl + HOCl → NHCl ₂ + H₂O

NHCl ₂ + HOCl → NCl ₃ + H₂O

При обеззараживании сточных вод обычно применяют 5%-ный рабочий раствор реагента (по активному хлору).

При наличии в сточной воде сероводорода и сульфидов реакции идут следующим образом: - в кислой и нейтральной среде возможно образование сульфитов:

H₂S + 3 Cl₂ + 3 H₂O → H₂SO₃ + 6HCl

NaHS + 3 Cl₂ + 3 H₂O → NaHSO₃ + 6HCl,

- в щелочной среде хлор окисляет сульфиды до сульфатов:

Na₂S + 4 Cl₂ + 8 NaOH → Na₂SO₄ + 8 NaCl + 4 HCl.

При избытке хлора окисление всегда идет до сульфатов.

Метилмеркаптан окисляется хлором несколько медленнее, чем сероводород, но быстрее, чем сульфиды и дисульфиды. В зависимости от расхода хлора окисление метилмеркаптана может протекать с образованием различных продуктов:

 

2 CH₃SH + Cl₂ → CH₃SSCH₃ + 2 HCl

CH₃SH + 2 Cl₂ + H₂O → CH₃SOCl +3 HCl

CH₃SH + 3 Cl₂ + 2H₂O → CH₂SO₂Cl + 5 HCl

Обеззараживание от сероводорода и метилмеркаптанов происходит достаточно эффективно при продолжительности контакта с хлором не более пяти минут.

Сущность обеззараживающего действии хлора заключается в угнетении обмена веществ, а также в окислении веществ, входящих в состав протоплазмы клеток бактерий, в результате чего они гибнут.

Бактерицидный эффект хлора в значительной степени зависит от начальной дозы и продолжительности контакта с водой. Обычно на разрушение бактериальных клеток расходуется лишь незначительная часть вводимого в воду хлора. Большая же часть хлора идет на реакции с разнообразными органическими и минеральными примесями, содержащимися в сточной воде. Эти реакции протекают с различной скоростью в зависимости от концентрации хлора, рН и температуры воды. Количество хлора, поглощенного в результате его взаимодействия с содержащимися в воде веществами, определяется как хлоропоглощаемость воды.

Хлоропоглощаемость сточных вод определяется количеством хлора в мг/дм³, расходуемого при 30 минутном контакте его с исследуемой водой на окисление и хлорирование содержащихся в ней органических веществ (белковых соединений, клетчатки) и продуктов их разложения (нитритов, аммиака, сероводорода и др.).

Для сравнительной характеристики хлоропоглощаемости различных сточных вод можно пользоваться показателем хлорируемости воды, представляющим собой условную дробь, числителем которой является 1, а знаменателем – доза хлора, обеспечивающая после 30 минутного контакта 0,5 мг/дм³ остаточного хлора.

На практике при определении необходимой дозы хлора исходят из общей хлоропотребности сточной воды, включающей хлоропоглощаемость и некоторый избыток хлора, обеспечивающий в течение определенного отрезка времени бактерицидный эффект. Избыток хлора необходим для предотвращения возможности вторичного бактериального загрязнения воды во время прохождения по канализационным сетям, особенно перед выпуском в водоем.

Количество хлора, используемое для обеззараживания, зависит от состава сточных вод, концентрации и вида загрязнений. Согласно СНиП для предварительных расчетов доза активного хлора должна составлять для сточных вод после механической очистки 10 г/м³, после неполной и полной искусственной биологической очистки – соответственно 5 и 3 г/м³. Рабочую дозу хлора необходимо уточнять в процессе эксплуатации очистных сооружений путем пробного хлорирования в лабораторных условиях, на основании которого строят кривую хлоропоглощаемости воды за 30 мин. После 30 минутного контакта хлора с водой концентрация свободного хлора должна составлять не более 0,5 и не менее 0,3 мг/дм³, а суммарная концентрация хлора должна быть не менее 0,8 и не более 1,2 мг/дм³ после часового контакта.

В результате хлорирования в сточной воде снижаются цветность, запахи, разрушается органические вещества, препятствующие отстаиванию и фильтрации.

Хлорирование воды осуществляют жидким хлором. На малых водоочистных комплексах (до 3000 м³/сут) допускается применение хлорной извести. При плюсовых температурах и атмосферном давлении хлор представляет собой газ зеленовато-желтого цвета с удушливым запахом и плотностью в зависимости от температуры в 1,5-2,5 раза больше, чем плотность воздуха. При повышенном давлении (при плюсовых температурах) хлор переходит в жидкое состояние. В таком виде его хранят и перевозят в стальных баллонах массой 25-30 и 100 кг.

Хлорное хозяйство должно обеспечивать прием, хранение, дозирование хлора с получением хлорной воды. Его располагают в отдельном здании, и в своем составе оно включает расходный склад хлора, хлораторную, вентиляторную камеру, щитовую и тамбур.

При работе с хлором следует соблюдать правила безопасности. Вдыхание в течение одного часа воздуха, содержащего хлор в количестве 0,10-0,15 мг/дм³, приводит к смертельному отравлению. Увеличение концентрации хлора в воздухе до 2,5 мг/дм³ вызывает немедленную смерть. Поэтому хлораторные оборудуют приточно-вытяжной вентиляцией, а рубильники для включения вентиляторов устанавливают снаружи, чтобы перед входом в хлораторную ее можно было хорошо проветрить. Хлораторная должна обогреваться до 22-27⁰С, чтобы предупредить охлаждение баллонов с хлором во избежание снижения скорости испарения жидкого хлора.

Расход хлора регулируют вентилем. Хлор смешивается с чистой водой в эжекторах. Избыточный напор водопроводной воды перед эжектором должен составлять 0,3-0,4 МПа, расход воды примерно 0,7 м³ на 1 кг активного хлора. Смешение хлора с водой производится в специальном стеклянном цилиндре.

Для обеззараживания сточной воды применяют также соли хлорноватистой кислоты – хлорную известь и гипохлорит натрия.

Хлорная известь – Ca(OCl)₂ ∙ CaCl₂ ∙ H₂O – двойная соль, которую получают хлорированием на холоде известкового теста - смесь Ca(OH)₂ ∙ CaCO ₃ ∙ H₂O. Это белый порошок с характерным запахом хлора. Вода в хлорной извести присутствует не как среда, а как компонент реагирующих веществ. Под действием диоксида углерода, влаги и света хлорная известь разлагается с выделением в раствор или окружающую среду Cl₂, НОCl, ClO^-.

Качество реагента, используемого для обеззараживания воды, определяется содержанием активного хлора. Техническая хлорная известь должна содержать не менее 32-35% активного хлора. Во избежание потери активности за счет взаимодействия хлорной извести с водой и диоксидом углерода атмосферы ее транспортируют и хранят в закрытой таре. В состав хлораторной, работающей на хлорной извести, входят: установка для приготовления и дозирования раствора, склад бочек с известью и тамбур. Приготовление раствора хлорной извести осуществляется в баке, изготовленном из дерева, металла, пластмассы, оборудованном мешалкой. Раствор дозируют с помощью поплавкового клапана, поддерживающего постоянный уровень в дозирующем баке, или насосами-дозаторами.

Использование хлорной извести для обеззараживания сточных вод из-за дефицитности реагента требует специального разрешения. Поэтому применение этого способа обеззараживания проблематично.

Гипохлорит натрия получают при взаимодействии хлора с холодным раствором щелочи:

Cl₂ + 2 NaCl ↔ NaClO + NaCl + H₂O.

Осуществляется эта реакция при пропускании газообразного хлора через раствор щелочи. Растворы солей хлорноватистой кислоты содержат 15-16% активного хлора и всегда гидролизованы.

Кроме того, гипохлорит натрия получают при электролизе раствора хлорида натрия. Метод основан на получении хлора и его взаимодействии со щелочами в одном и том же аппарате - электролизере. При электролизе NaCl в ванне без диафрагмы на аноде происходит распад ионов хлора:

2 Cl^- → Cl₂ + 2e.

Выделяющийся хлор растворяется в электролите с образованием хлорноватистой и соляной кислот:

Cl₂ + H₂O ↔ HClO + HCl

 или

Cl₂ + OH^- ↔ HClO + Cl^-

На катоде происходит расщепление молекул воды:

H₂O + е ↔ OH^- + Н⁺.

Атомы водорода выделяются из раствора в виде газа, оставшиеся же в растворе ионы OH^- образуют возле катода с ионами Na⁺ щелочь. При взаимодействии хлорноватистой кислоты со щелочью образуется гипохлорит натрия:

HClO + NaOH = NaClO + H₂O.

Гипохлорит натрия по своему бактерицидному действию равноценен жидкому хлору.